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        變電站一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

        2022-10-19 06:59:16曹久輝
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年29期
        關(guān)鍵詞:變電站設(shè)備系統(tǒng)

        曹久輝

        (國網(wǎng)鹽城供電公司,江蘇 鹽城 224000)

        現(xiàn)代電網(wǎng)中,由于變電站所承擔(dān)的任務(wù)越來越多,其故障跳閘的機(jī)率也越來越高。為滿足《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016—2020 年)》和2020 年國家電網(wǎng)工作大會的要求,及時發(fā)現(xiàn)、分析和排除故障,保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定和可靠性,需要引入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。變電站的監(jiān)測系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵支持,其能夠全面、實時地了解各系統(tǒng)的工作狀態(tài),并對其進(jìn)行實時的故障預(yù)警,并向有關(guān)部門提供正確的信息,使其能夠快速地排除故障,確保變電所運(yùn)行的安全。本文根據(jù)我國電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全管理制度,對智能化變電所的監(jiān)測進(jìn)行了研究。

        1 變電站監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計

        1.1 監(jiān)控體系的體系結(jié)構(gòu)

        變電站的監(jiān)控系統(tǒng)要求采集、分析變電站的各種設(shè)備信息,并對其進(jìn)行控制。本文結(jié)合國家關(guān)于智能變電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)的要求,對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的設(shè)計,如圖1 所示。

        圖1 “三層一網(wǎng)”智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        變電所的監(jiān)測體系是“三層一網(wǎng)”“,三層一網(wǎng)”的監(jiān)測體系與“三層兩網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較更符合110 kV 的實際情況。110 kV 變電站的進(jìn)、出線路數(shù)量較少,電氣裝置的安裝數(shù)量較小,且站控級的聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的實時監(jiān)測。與“三層兩網(wǎng)”相比,“三層一網(wǎng)”監(jiān)測系統(tǒng)對交換器數(shù)目的需求較小,在經(jīng)濟(jì)性上要優(yōu)于傳統(tǒng)的“三層兩網(wǎng)”。所以,在變電所的監(jiān)測體系中,必須采取“三層一網(wǎng)”的方式。

        “三層一網(wǎng)”監(jiān)控體系將整個變電所劃分為4 大類:過程層、間隔層、站控層和站控層網(wǎng)絡(luò)。變電站監(jiān)控系統(tǒng)站控層配置了監(jiān)控主機(jī)、綜合服務(wù)器、傳輸服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)接口等設(shè)備,同時在站控層設(shè)有1 個工程工作站,利用Linux 平臺實現(xiàn)對各類突發(fā)事件的實時監(jiān)測。站控層主要負(fù)責(zé)對各種線路、設(shè)備的集中監(jiān)測與傳送、分析和處理各類數(shù)據(jù)。

        變電所間絕緣裝置包括測量控制裝置、保護(hù)裝置及現(xiàn)場分析裝置,隔離裝置的作用是測量與傳送變電裝置的資料,并在發(fā)生事故時進(jìn)行現(xiàn)場切斷。

        變電站的流程設(shè)備主要由一次設(shè)備和智能終端組成,其功能是采集變電站的數(shù)據(jù),并對線路的斷開和關(guān)閉進(jìn)行控制。

        為了實現(xiàn)全站的數(shù)據(jù)共享,必須采用IEC61850 通信規(guī)范,覆蓋跨程層、間隔層和站控層的統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)。

        1.2 監(jiān)控體系架構(gòu)的設(shè)計

        根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)的功能及重要性,將其劃分為2 大類型:第一類是電力變電所的線路及各類裝置的實時監(jiān)測。第二類是變電所一次設(shè)備和二次設(shè)備的工作狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,對110 kV 變電站的監(jiān)測進(jìn)行了總體規(guī)劃,并將其分為了I 區(qū)和II 區(qū)。

        變電站監(jiān)控系統(tǒng)的I 區(qū),主要是收集變電站的線路和設(shè)備的實時數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳送到變電站的監(jiān)控系統(tǒng)站控層,由站控層匯總分析數(shù)據(jù),提供給現(xiàn)場的值班人員,并將數(shù)據(jù)以點(diǎn)對點(diǎn)的形式發(fā)送至本調(diào)度中心。

        變電所監(jiān)測設(shè)備I 類,負(fù)責(zé)采集設(shè)備狀態(tài)、消防和應(yīng)急等輔助設(shè)備的狀態(tài)信息,并將其傳輸?shù)秸究刂茖用?,通過站控層對各電氣設(shè)備和輔助設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行綜合和分析。

        按照安全Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的安全原理,在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間設(shè)置了防火墻和縱向加密裝置,通過防火墻,將安全I(xiàn) 區(qū)的監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸至本區(qū)域調(diào)度中心。

        2 監(jiān)控目標(biāo)設(shè)計

        為了確保變電站監(jiān)控數(shù)據(jù)的完整性,防止重復(fù)采集,根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對110 kV 變電站的監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行了規(guī)劃。將被監(jiān)控對象劃分為3 大類:電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)。

        2.1 電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行信號

        為確保全網(wǎng)的供電質(zhì)量,需要實時監(jiān)控各設(shè)備的電壓、電流和頻率等實時監(jiān)控,并實時監(jiān)控各開關(guān)設(shè)備的情況。

        2.2 電力系統(tǒng)故障信號

        在變電所出現(xiàn)的各種事故中,為能夠及時地掌握和發(fā)現(xiàn)問題的根源和解決問題,其監(jiān)測的是整個站點(diǎn)的總事故信號、間隔事故信號、保護(hù)動作信號和重合閘信號。

        2.3 電力設(shè)備監(jiān)控資料

        監(jiān)測變電所的測量數(shù)據(jù),掌握開關(guān)電器設(shè)備及設(shè)備的故障情況,對一次、二次電氣設(shè)備的日常遠(yuǎn)程控制和設(shè)備的工作狀況進(jìn)行了測試,以確保其可靠性。

        3 監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        110 kV 變電所的智能化無人值守,要求110 kV 變電所采用的傳輸帶寬不低于100 Mbps 的工業(yè)以太網(wǎng)作為變電所的通信媒介。建立了1 個變電所監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以滿足自動化變電所的實時采集與支持。

        變電所站控層網(wǎng)絡(luò)是“三層一網(wǎng)”監(jiān)控體系中的重要組成部分,其擔(dān)負(fù)著過程層、間隔層和站控層的實時信息交互作用。按照變電站建設(shè)技術(shù)規(guī)程,變電站站控層網(wǎng)絡(luò)采用1 個衛(wèi)星結(jié)構(gòu),實現(xiàn)簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(SNTP)、變電站事件(GOOSE)、采樣值(SV)和制造報文規(guī)范(MMS)共網(wǎng),在變電站的流級上不設(shè)置獨(dú)立的網(wǎng),采用變電站站控層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

        4 變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)

        110 kV 變電所監(jiān)測的體系結(jié)構(gòu)為“三層一網(wǎng)”,主要包括站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層、間隔層、站控層及其相應(yīng)的裝置。

        4.1 站控層裝置

        變電所監(jiān)測的站控級是數(shù)據(jù)處理、傳輸和記錄等功能。根據(jù)變電所監(jiān)測系統(tǒng)的站控級要求,系統(tǒng)地從數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、系統(tǒng)操作系統(tǒng)、綜合應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等幾個部分進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

        4.1.1 操作系統(tǒng)

        站控級操作系統(tǒng)承擔(dān)著3 大功能:一是對變電所全部的線路、裝置進(jìn)行實時監(jiān)測,防止故障發(fā)生;二是實時查看變電站設(shè)備實時數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀況數(shù)據(jù),對變電站一、二次設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控。三是實現(xiàn)了對變電所的數(shù)據(jù)的儲存,使工作人員可以隨時查閱所需的資料。

        上述3 個任務(wù)由監(jiān)控主機(jī)、操作員工作站和數(shù)據(jù)服務(wù)器來完成,由于110 kV 變電站的資料容量較少,由監(jiān)控主機(jī)負(fù)責(zé),沒有單獨(dú)的服務(wù)器。

        通過對110 kV 變電所的站控級操作系統(tǒng)進(jìn)行全面研究后將配置監(jiān)控主機(jī)和操作員工作站。

        4.1.2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉功能

        數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉功能的作用是把變電站的實時數(shù)據(jù)傳輸至本地區(qū)調(diào)度中心、備用調(diào)度中心,為本地區(qū)調(diào)度中心和備用調(diào)度中心在110 kV 變電站遠(yuǎn)程調(diào)度、運(yùn)行提供可靠的基礎(chǔ)信息支撐,從而達(dá)到遠(yuǎn)程調(diào)度、運(yùn)行的目的。變電站內(nèi)的實時信息主要有:變電站內(nèi)的線路、設(shè)備的實時數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、輔助設(shè)備信息和變電站的記錄信息。

        針對變電站監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象類型及重要程度,將其劃分為“安全 I 級”和“安全I(xiàn)I 級”,并就“兩級”的具體情況進(jìn)行了介紹。

        電力設(shè)備的主要任務(wù)是對110 kV 變電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的采集和監(jiān)控,以及對變電站的一、二次設(shè)備的監(jiān)控。這樣,區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的關(guān)閉配置需要完成將變電站的實時信息向本區(qū)域調(diào)度中心發(fā)送到專門的通信線路,并能實時接收到控制指令。由于本區(qū)域的信息監(jiān)控工作十分重要,因此,I 區(qū)的安全通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)閉采用了雙重配置。

        安全區(qū)內(nèi)的電子產(chǎn)品,主要是對一次電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,以及對消防、應(yīng)急等變電站的輔助作用。該地區(qū)各地區(qū)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)必須向本地區(qū)的調(diào)度室發(fā)送信息,方便客戶查閱。由于安全區(qū)I 區(qū)域信息的重要程度不如II 級,因此I 區(qū)域數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采取了1 個單獨(dú)的配置模式。

        4.1.3 綜合應(yīng)用程序

        綜合應(yīng)用服務(wù)器主要承擔(dān)變電站內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)與變電站附屬設(shè)備的聯(lián)接,并由該系統(tǒng)對變電站和附屬設(shè)備的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行集中處理。因為其工作方向是輔助性的,所以其結(jié)構(gòu)是單一的。

        4.1.4 GPS、北斗授時系統(tǒng)同步取樣與定時設(shè)備

        為保證110 kV 變電站和調(diào)度中心的同步運(yùn)轉(zhuǎn),文中給出了同步采樣系統(tǒng)、GPS 授時系統(tǒng)及北斗授時系統(tǒng)的構(gòu)成。

        110 kV 變電站的時間傳輸必須使用雙同步時鐘,并優(yōu)先選用國內(nèi)的北斗定時器。

        4.1.5 打印設(shè)備

        為了記錄110 kV 變電站不能正常運(yùn)行時的全站故障情況,現(xiàn)在配備了2 個能打印A3 和A4 紙的打印機(jī),并與綜合應(yīng)用服務(wù)器連接。

        4.1.6 設(shè)備公共界面

        110 kV 變電站的直流電源屏、消防系統(tǒng)等附屬設(shè)施不符合DL/T860 標(biāo)準(zhǔn),需要在變電站站控層上安裝專用的公共接口。

        變電站監(jiān)控系統(tǒng)站控層裝置是按照上述討論和變電站的實際情況來布置的,見表1。

        表1 站控層的設(shè)備結(jié)構(gòu)

        4.2 間隔層設(shè)備

        110 kV 變電站的監(jiān)控系統(tǒng)隔離層,主要是測量各種數(shù)據(jù)、故障的及時處理、故障分析和記錄,目前對隔離層的電力數(shù)據(jù)測量設(shè)備、故障記錄分析設(shè)備及繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行了配置,并根據(jù)變電站目前的建設(shè)情況進(jìn)行了調(diào)整。

        4.2.1 測量和控制設(shè)備

        變電站測控設(shè)備的主要任務(wù)是測量、控制、保護(hù)、通信、數(shù)據(jù)分析與記錄,依據(jù)110 kV 變電站的設(shè)計要求,此次的變電站測控設(shè)備必須符合IEC61850 電力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)根據(jù)變電站實際建設(shè)情況及國家標(biāo)準(zhǔn)對變電站測控裝置配置規(guī)范。對變電所的各部分進(jìn)行測試和控制。

        為了對變電站進(jìn)行全方位的監(jiān)控,本文對變電站的進(jìn)出線路、各級母線和主變壓器等各個部位進(jìn)行了詳細(xì)的布置。目前,變電站建設(shè)的110 kV 進(jìn)線2 條,10 kV 出線24 條,各有1 個測控設(shè)備,用于測量、控制、保護(hù)和記錄等工作;110 kV 側(cè)母線、10 kV 側(cè)母線分別有2 臺、3 臺測控設(shè)備,并在母線間隔式智能匯控箱內(nèi)安裝;變壓器是變電站的重要設(shè)備,需要重點(diǎn)監(jiān)控和保護(hù),目前變壓器的高壓側(cè)、低壓側(cè)和變壓器本體各有1 套,并進(jìn)行組網(wǎng)的安裝;變電站電容器、接地變壓器及110 kV 母線部分,分別配置4 臺、2 臺和1 臺測試控制裝置。

        為保證儀器能夠迅速、平穩(wěn)地工作,其測控系統(tǒng)的測控和防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有GOOSE 的性能,并按照IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)中的報文傳輸機(jī)理,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時傳輸與監(jiān)控。

        4.2.2 網(wǎng)絡(luò)錄波和分析設(shè)備

        為了對變電站的工作進(jìn)行全面的記錄,并將報文的初步分析結(jié)果發(fā)送到變電站的站控層。網(wǎng)絡(luò)記錄和分析設(shè)備會記錄SV、GOOSE 和MMS 等信息。

        4.2.3 電能測量設(shè)備

        為了對變電站的用電量進(jìn)行統(tǒng)計,將按IEC61850電氣工作規(guī)范的110 kV 側(cè)和10 kV 側(cè)的數(shù)字式電表、多功能電表,負(fù)責(zé)對電流、電壓等數(shù)據(jù)的采集;同時,還配備了遠(yuǎn)程電力終端,用于對變電站站控層和本區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。設(shè)備結(jié)構(gòu)見表2。

        表2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

        4.3 過程層的設(shè)備結(jié)構(gòu)

        變電所監(jiān)測的流程級是對一次設(shè)備進(jìn)行控制、處理和采集的,其中包括隔離開關(guān)、斷路器和互感器等,而現(xiàn)有110 kV 變電所監(jiān)測的流線級和智能化終端已經(jīng)實現(xiàn)了以上工作,方便使用和維護(hù)。根據(jù)110 kV 變電所現(xiàn)有的工程規(guī)模來確定其布局,為以后的工程提供一定的空間。

        整合裝置的主要作用是實現(xiàn)對變壓器采集的信號進(jìn)行實時整合,把經(jīng)過加工的信息傳輸給隔離層,該變電所設(shè)置的2 臺大變壓器均為高壓主變。

        將1 套一體化的智能化終端裝置置于一側(cè),在各主變的低壓側(cè)配置2 套一體化的智能化終端裝置,在主變中心安裝2 套一體化裝置;目前,在變電所的110 kV 進(jìn)線、110 kV 電壓互感器和110 kV 主線路橋距分別安裝2 個并聯(lián)智能終端。

        5 結(jié)束語

        本文根據(jù)變電站的監(jiān)測要求和國家電網(wǎng)公司的具體要求,研制了1 套變電站監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過總體設(shè)計、可行性研究、軟硬件設(shè)計、設(shè)備安裝調(diào)試和模擬實驗等多個環(huán)節(jié),結(jié)果表明當(dāng)變電所出現(xiàn)問題時系統(tǒng)可以通過短信方式及時向管理人員報告,以便隨時了解變電所的運(yùn)行狀況。

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