基于傳統(tǒng)互感器的數(shù)字化變電站建設(shè)研究

王 昕 ，趙艷峰，劉清蟬，林 聰

(云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，昆明650217)

數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開(kāi)關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過(guò)程層、間隔層、站控層)構(gòu)建，建立在IEC61850 通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站［1］。數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站比較，數(shù)字化變電站間隔層和站控層的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)接口只是接口和通信模型發(fā)生了變化，而過(guò)程層卻發(fā)生了較大的改變，由傳統(tǒng)的電流、電壓互感器、一次設(shè)備以及一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的電纜連接，逐步改變?yōu)殡娮邮交ジ衅?、智能化一次設(shè)備、合并單元、光纖連接等內(nèi)容。全站采用統(tǒng)一的通訊規(guī)約IEC61850 構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)、VQC 等系統(tǒng)均用同一網(wǎng)絡(luò)接收電流、電壓和狀態(tài)信息，各個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息共享。常規(guī)變電站的一次設(shè)備采集模擬量，通過(guò)電纜將模擬信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)控保護(hù)裝置，裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后處理數(shù)據(jù)，然后通過(guò)網(wǎng)線上將數(shù)字量傳到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)控保護(hù)裝置對(duì)一次設(shè)備的控制通過(guò)電纜傳輸模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)其功能。數(shù)字化變電站一次設(shè)備采集信息后，就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)光纜上傳測(cè)控保護(hù)裝置，然后傳到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，而監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)控保護(hù)裝置對(duì)一次設(shè)備的控制也是通過(guò)光纜傳輸數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)其功能。

1 數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站的基本結(jié)構(gòu)繼承了分層分布式的特點(diǎn)，其功能在邏輯上被分配到3 層:過(guò)程層、間隔層和站控層［2］。

1.1 過(guò)程層

過(guò)程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說(shuō)過(guò)程層是指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過(guò)程層的主要功能分3 類:電力運(yùn)行實(shí)時(shí)的電氣量檢測(cè);運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè);操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。電力運(yùn)行的實(shí)時(shí)電氣量檢測(cè)，主要包括電流和電壓幅值、相位以及諧波分量的檢測(cè)，與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式互感器被光電/電子式互感器取代，傳統(tǒng)模擬量被直接數(shù)字量采集所取代。運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)，變電站需要進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)的設(shè)備主要有變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)。在線檢測(cè)的內(nèi)容主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機(jī)械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、隔離開(kāi)關(guān)分合控制，直流電源充放電控制。

1.2 間隔層

間隔層設(shè)備的主要功能是匯總本間隔過(guò)程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，實(shí)施對(duì)一次設(shè)備保護(hù)控制功能和本間隔操作閉鎖、操作同期及其他控制功能;對(duì)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級(jí)別的控制;承上啟下的通信功能，即同時(shí)高速完成與過(guò)程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

1.3 站控層

站控層設(shè)備的主要功能是通過(guò)兩級(jí)高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，按時(shí)登錄歷史數(shù)據(jù)庫(kù);按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心;接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)給間隔層、過(guò)程層執(zhí)行;具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;具有站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，人機(jī)聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報(bào)警、圖像、聲音等多媒體功能;具有對(duì)間隔層、過(guò)程層等設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)的功能。

2 數(shù)字化變電站特點(diǎn)

數(shù)字化變電站是指信息采集、傳輸、處理、輸出過(guò)程完全數(shù)字化的變電站，與傳統(tǒng)變電站相比，具有以下特點(diǎn):一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)行管理自動(dòng)化、系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化。

2.1 一次設(shè)備智能化

采用數(shù)字信號(hào)輸出的電子式互感器、智能開(kāi)關(guān)(或配智能終端傳統(tǒng)開(kāi)關(guān))等智能一次設(shè)備。一次設(shè)備和二次設(shè)備間以光纖傳輸數(shù)字編碼信息方式交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等，一次設(shè)備被檢測(cè)的信號(hào)回路和被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了常規(guī)機(jī)電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接［3］。

2.2 二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化

將IEC61850 應(yīng)用于變電站內(nèi)的通信，以充分利用網(wǎng)絡(luò)通信的最新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備的信息共享、互操作和功能的靈活配置。數(shù)字化變電站采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變?yōu)閿?shù)字信號(hào)［4］。二次設(shè)備間用通信網(wǎng)絡(luò)交換模擬量、開(kāi)關(guān)量和控制命令等信息，取消控制電纜。裝置冗余被信息冗余取代，降低了工程造價(jià)，提高了可靠性。

2.3 運(yùn)行管理自動(dòng)化

應(yīng)包括自動(dòng)故障分析系統(tǒng)、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和程序化控制系統(tǒng)等自動(dòng)化系統(tǒng)，提高自動(dòng)化水平，降低運(yùn)行維護(hù)難度，減少工作量。

2.4 系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化

統(tǒng)一的信息模型和信息交換模型解決了互操作問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了信息共享，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)維護(hù)、工程配置和工程實(shí)施。

3 傳統(tǒng)變電站改造方案

數(shù)字化變電站電氣一、二次設(shè)備與傳統(tǒng)變電站電氣一、二次設(shè)備在接口上有本質(zhì)的區(qū)別。因此，如要對(duì)傳統(tǒng)變電站進(jìn)行數(shù)字化改造，必將對(duì)原有的通信網(wǎng)絡(luò)、電纜線路、綜自設(shè)備進(jìn)行顛覆性改造，資金投入大，尤其是對(duì)于一些剛剛進(jìn)行完綜合自動(dòng)化改造的變電站，新設(shè)備還沒(méi)有產(chǎn)生效能就更換，勢(shì)必造成資金的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，在傳統(tǒng)變電站數(shù)字化改造中如何有效地利用現(xiàn)有設(shè)備、最大限度地減少投資和工程量，又能充分發(fā)揮數(shù)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)，使當(dāng)前正在運(yùn)行的傳統(tǒng)變電站平滑過(guò)渡到數(shù)字化變電站是一個(gè)關(guān)系到數(shù)字化變電站能否得到快速推廣的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

從目前數(shù)字化變電站的技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，數(shù)字化變電站的改造工作可以分解為相對(duì)獨(dú)立的3 個(gè)部分:過(guò)程層數(shù)字化改造，間隔層數(shù)字化改造，站控層數(shù)字化改造。在進(jìn)行數(shù)字化變電站改造時(shí)可根據(jù)被改造變電站現(xiàn)有一次、二次設(shè)備現(xiàn)狀，制定相應(yīng)的分階段改造方案。結(jié)合云南巍山變電站建設(shè)的實(shí)際情況，采用保留一次側(cè)常規(guī)互感器，二次側(cè)進(jìn)行數(shù)字化改造的方案。互感器為原有常規(guī)互感器，將一次側(cè)的電壓、電流變換為二次側(cè)電壓電流，二次側(cè)電壓接入電壓采集器，電流接入電流采集器，電壓電流采集器在合并單元發(fā)出的同步信號(hào)同步下，進(jìn)行采樣。多路采集器采樣輸出的采樣值經(jīng)合并單元合并后，輸出符合IEC61850-9 通信協(xié)議，提供給后端符合IEC61850 通信協(xié)議的智能設(shè)備。巍山變改造方案如圖1 所示。

圖1 巍山變電站數(shù)字化改造示意圖

3.1 采樣技術(shù)

傳統(tǒng)變電站分階段數(shù)字化改造方案中過(guò)程層的改造與間隔層、變電站層的改造為分階段實(shí)施，無(wú)論先進(jìn)行一次設(shè)備還是二次設(shè)備數(shù)字化改造都要解決在改造第一階段基于IEC61850 數(shù)字化設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備之間的接口問(wèn)題，即通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換，將傳統(tǒng)互感器輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)是方案得以實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)之一。

傳統(tǒng)變電站一般采用交流采樣技術(shù)將TV 和TA 輸出的二次電壓和電流首先通過(guò)中間電壓互感器和中間電流互感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。多路模擬開(kāi)關(guān)通過(guò)CPU 提供的地址信號(hào)選擇相應(yīng)的輸出信號(hào)。采樣/保持器將多路模擬開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、保持提供給下一級(jí)多路模擬開(kāi)關(guān)。多路模擬開(kāi)關(guān)再通過(guò)CPU 提供的采樣地址對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行篩選輸出給A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器將采樣得到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出給CPU 進(jìn)行運(yùn)算處理。在整個(gè)交流采樣過(guò)程中為了保證采樣數(shù)值準(zhǔn)確可靠，必須對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，將結(jié)果提供給采樣/保持器和CPU，以隨時(shí)調(diào)整采樣周期，交流采樣工作原理如圖2 所示。

圖2 交流采樣原理圖

3.2 采樣值合成技術(shù)

本系統(tǒng)中，互感器采用三相三線接法，即在A、B接有電流互感器，在AB、CB 相接有電壓互感器。在IEC61850 計(jì)量模型中，電壓、電流分別為對(duì)地電壓，單相電流。為了計(jì)量和保護(hù)單元方便的利用采樣值，采用矢量值合成B 相電流和ABC 對(duì)地電壓，從而在采樣值數(shù)據(jù)包中為各相電流和對(duì)地電壓。

3.3 計(jì)量誤差校驗(yàn)技術(shù)

在變電站數(shù)字化改造過(guò)程中，電能計(jì)量的準(zhǔn)確性關(guān)系到電量公平計(jì)量，是變電站改造的重要部分，針對(duì)本站中，將三相三線制改為三相四線制計(jì)量，設(shè)計(jì)了針對(duì)該系統(tǒng)的計(jì)量誤差校正系統(tǒng)。系統(tǒng)在電能計(jì)量校準(zhǔn)開(kāi)始時(shí)，測(cè)試設(shè)備通過(guò)自檢確定采樣設(shè)備的采樣誤差。然后利用A/D 采樣設(shè)備對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)自檢誤差校準(zhǔn)輸出A/D 采樣值。被測(cè)電能表接收采樣值進(jìn)行運(yùn)算，輸出脈沖與模擬標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行誤差比對(duì)，進(jìn)而得到被測(cè)電能表的實(shí)際誤差。電能表誤差測(cè)試系統(tǒng)如圖3 所示。

4 方案驗(yàn)證

本項(xiàng)目在云南巍山變電站進(jìn)行試點(diǎn)改造，為了驗(yàn)證該技術(shù)方案的計(jì)量準(zhǔn)確性，采用將數(shù)字智能系統(tǒng)計(jì)量結(jié)果與傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)相比較的方法對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證示意圖如圖4 所示。通過(guò)抄讀常規(guī)電子表與數(shù)智能計(jì)量表的每日電能示值增加電量，統(tǒng)計(jì)日電量增加誤差，每日電量統(tǒng)計(jì)值如表1 所示，兩類表計(jì)每日統(tǒng)計(jì)電量的變化曲線圖如圖5 所示。通過(guò)對(duì)一周統(tǒng)計(jì)的電量進(jìn)行分析可以看到常規(guī)電子表與智能計(jì)量表的電能計(jì)量誤差最大不超過(guò)0.33%，且總體計(jì)量一致性小于0.2%。

圖4 兩類表計(jì)電量對(duì)比示意圖

圖5 兩類表計(jì)每日統(tǒng)計(jì)電量的變化曲線圖

表1 電能每日計(jì)量統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化變電站已成為未來(lái)變電站發(fā)展的趨勢(shì)。原有的傳統(tǒng)變電站的數(shù)字化改造工作也必將在未來(lái)一段時(shí)間陸續(xù)展開(kāi)。本文根據(jù)目前數(shù)字化變電站的發(fā)展情況結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行管理3 個(gè)方面考慮，提出了傳統(tǒng)變電站分階段實(shí)施數(shù)字化改造方案，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)變電站進(jìn)行數(shù)字化改造，使得新技術(shù)最先應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，充分發(fā)揮新技術(shù)帶來(lái)的先進(jìn)生產(chǎn)力。本方案在云南巍山變電站進(jìn)行試點(diǎn)改造運(yùn)行，項(xiàng)目在技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)行管理方面都取得了階段性的成果，為今后數(shù)字化變電站的改造與建設(shè)提供了技術(shù)支持，為數(shù)字化變電站的推廣及應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ 朱永利，邸劍，翟學(xué)明.數(shù)字化變電站中的通信網(wǎng)關(guān)［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009(4):53-57

［2］ 張沛超，高翔. 數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［J］. 電網(wǎng)技術(shù)，2006(12):24，74-77

［3］ 高翔，張沛超.數(shù)字化變電站的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006(23):36-38

［4］ 丁書(shū)文，史志鴻.數(shù)字化變電站的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題［J］.繼電器，2008(10):53-56

［5］ 張興，郭燕娜.淺談數(shù)字化變電站的技術(shù)與發(fā)展［J］.江蘇電機(jī)工程，2007(26):51-53.

［6］ 馬臨超，倪艷榮，齊山成. 數(shù)字化變電站淺析［J］. 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009(23):6-8

［7］ 武威.數(shù)字變電站與常規(guī)變電站的區(qū)別比較分析［J］.電力科技，2012，5:119

［8］ 李海生.數(shù)字化變電站建設(shè)需注意的問(wèn)題分析［J］.中國(guó)電力教育，2011(27):16-18.

［9］ 梁國(guó)堅(jiān)，段新輝，高新華. 數(shù)字化變電站過(guò)程層組網(wǎng)方案［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011(2):25-28.

［10］ 黃文華，李勇.IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)及應(yīng)用研究［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(21):62-63.