王東明

(東莞電力設(shè)計院,廣東 東莞 523000)

數(shù)字化技術(shù)在變電站工程中的應(yīng)用

王東明

(東莞電力設(shè)計院,廣東 東莞 523000)

自從提出了智能化電網(wǎng)的概念,電網(wǎng)的發(fā)展便衍生出了新的指導(dǎo)思想和發(fā)展方向,作為智能化電網(wǎng)的重要組成元素,數(shù)字化變電站正經(jīng)歷著革新.數(shù)字化技術(shù)作為當今變電站工程的核心內(nèi)容,正在電力系統(tǒng)完善和優(yōu)化的舞臺上并發(fā)揮著重要的作用,將帶來變電站工業(yè)的自動化、快捷化及穩(wěn)定化.

數(shù)字化技術(shù);變電站;自動化

作為電力系統(tǒng)中肩負變電重要使命的變電站,是其他一切電力活動的中轉(zhuǎn)站,具有異常重要的地位.隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提升,電力工程也取得了很大進展,電力系統(tǒng)輸電能力也得到了相應(yīng)的提升,電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分布和結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜,傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)特別是傳統(tǒng)變電站早已不能承受日益增長的用電需求.隨著科學技術(shù)的不斷進步,以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微電子技術(shù)為主體的數(shù)字化技術(shù)在變電站工程中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了明顯的進步.

1 數(shù)字化技術(shù)用于變電站工程的整體方案

為了實行智能化,可以增設(shè)智能終端.將傳統(tǒng)電磁式互感器替換為電子式互感器;基于數(shù)字化平臺開發(fā)新型的電能計量裝置和測控保護裝置;采用數(shù)字化輸入手段替代傳統(tǒng)的模擬量輸入手段進行相應(yīng)裝置的數(shù)據(jù)采集;將傳統(tǒng)的102、103變電站標準更新為國際變電站標準IEC 61850;建立總體自動化后臺;選擇新型數(shù)字化裝置.

數(shù)字化變電站工程建設(shè)基本原則:(1)穩(wěn)妥積極的原則,在保證電網(wǎng)安全性的基礎(chǔ)之上,盡可能選擇成熟穩(wěn)定的數(shù)字化變電站新設(shè)備和新技術(shù),同時也可以嘗試選擇部分安全可控的新型實驗性設(shè)備和技術(shù),如此也能對以后數(shù)字化變電站的發(fā)展進行嘗試性的探索.(2)數(shù)字化變電站建設(shè)工程的基本目標是為了提高變電站的整體自動化程度,同時充分發(fā)揮數(shù)字化變電站的技術(shù)優(yōu)勢,從而降低變電站的運營和維護成本.(3)數(shù)字化變電站技術(shù)必將成為未來變電站工程建設(shè)發(fā)展的主要趨勢,并能有效發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢,實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化的重要目標.數(shù)字化在變電站工程的應(yīng)用應(yīng)當對建設(shè)和維護成本進行評估,盡量選擇高性價比的具體數(shù)字化實施方案.(4)數(shù)字化變電站的設(shè)計和建設(shè)應(yīng)當選擇安全、輕量、環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟、少維護、智能化的數(shù)字化變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備,并科學合理的安置相應(yīng)設(shè)備,能夠最大程度的減少使用空間.

2 過程層組網(wǎng)模式及選擇

數(shù)字化變電站實現(xiàn)總線的方式,按階段可具體分為以下三個階段:第一階段為點對點連接模式;第二階段為過程層總線模式;第三階段為過程層總線和站控層總線的合并模式.

(1)點對點連接模式.數(shù)字化變電站實現(xiàn)總線的第一個階段便是采取點對點的連接模式連接斷路器、傳感器以及保護設(shè)備之間的交互信息.利用過程總線來控制斷路器設(shè)備和隔離開關(guān),并直接通過點對點連接保護設(shè)備進行測量數(shù)據(jù)的發(fā)送,監(jiān)測和控制均采用過程總線實現(xiàn).過程層總線和點對點連接均需要采用高網(wǎng)速的以太網(wǎng),要求遵循各自不同的通信協(xié)議.

(2)過程層總線方式.第二個階段將合并數(shù)據(jù)測量通信系統(tǒng)和控制通信系統(tǒng),這兩者的合并將有效降低間隔接線的復(fù)雜程度,過程層總線模式能夠傳遞數(shù)字化電氣測量系統(tǒng)的實時數(shù)值,因此具有更快的通信速度.

(3)站控層總線和過程層總線合并的方式.第三階段主要合并站控層總線和過程層總線,也可以將GOOSE網(wǎng)絡(luò)包括進來.該模式的顯著優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)分布和結(jié)構(gòu)簡單,單一的通信接口就可以實現(xiàn)各間隔層設(shè)備的有效連接,能夠有效減少設(shè)備成本以及變電站的建設(shè)成本.

3 電子式互感器及其分類

眾所周知,傳統(tǒng)的電磁式互感器本身包含諸如絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜等諸多缺陷,很難滿足當今高負載的電力系統(tǒng)基本需求,因此開發(fā)和應(yīng)用新式電子互感器是大勢所趨.電子互感器從最初的電磁式電子互感器發(fā)展為羅氏線圈電子互感器,再演變?yōu)楝F(xiàn)如今普遍使用的純光型電子互感器經(jīng)歷了漫長的過程.

現(xiàn)在市面上包含的電子式電流互感器按原理可以分為兩大類,即線圈電子式電流互感器和純光電子式電流互感器.其中,純光電子式電流互感器又可以按照制作材料細分為光纖型和光學玻璃型;電子式電流互感器按照是否需要電源向高壓側(cè)供電細分為無源式和有源式.

以現(xiàn)有的電力系統(tǒng)技術(shù)水平,電壓互感器還不能做成電子式,所以,電壓互感器采用常規(guī)互感器,通過二次電纜直接接入裝置實現(xiàn)采樣,不配置合并單元.電壓切換和電壓并列方式與常規(guī)變電站方式相同.

4 室外光纜連接方案

普遍使用的室外光纜連接方案主要包括以下兩類.(1)參考點對點的間隔模式,相互間隔的每條光纜都由36芯或24芯組成,借由端子箱內(nèi)熔接盒內(nèi)匯聚而成,最后各自獨立接入控制室.(2)采用光纖將室外分段、電壓線路以及主變高壓側(cè)間隔的光纜組合為兩根96芯光纜接入控制室,主變本體端子箱因為距離控制室較近,可以單獨分出一條光纜接入控制室.

5 工程主要方案實施

5.1 設(shè)備布置

數(shù)字化變電站系統(tǒng)按邏輯功能劃分為過程層、間隔層、站控層設(shè)備.各邏輯功能由相關(guān)物理設(shè)備實現(xiàn),單一物理設(shè)備可以實現(xiàn)多個邏輯功能.

(1)站控層由自動化站級監(jiān)視控制系統(tǒng)、 站域控制、 通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等組成,實現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能,完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制(SCADA)、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、運行管理等相關(guān)功能.站控層按一體化電網(wǎng)運行智能系統(tǒng)要求建設(shè)一體化業(yè)務(wù)平臺,提供站內(nèi)運行的人機交互界面,實現(xiàn)對間隔層、過程層設(shè)備的監(jiān)控和管理等功能,形成全站監(jiān)控和運維管理中心.①站控層采用一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).通過對站控層各功能主機進行優(yōu)化整合,綜合實現(xiàn)遠動、電能量、PMU、保護及故障錄波信息、在線監(jiān)測、AVC、輔助服務(wù)等功能.②站控層選用智能遠動機且雙機配置.通過智能遠動機實現(xiàn)廠站端統(tǒng)一數(shù)據(jù)出口,滿足各級調(diào)度端主站接入及運行、維護通信需求,實現(xiàn)變電站SCADA、綜合駕駛艙等功能.③站控層支持變電站數(shù)據(jù)的統(tǒng)一建模及源端維護.全站智能電子設(shè)備應(yīng)按DL/T 860(IEC 61850)標準統(tǒng)一建模,統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型圖形描述和傳輸規(guī)約,實現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述格式、統(tǒng)一傳輸、統(tǒng)一配置和管理.④站控層配置二次智能運維子站系統(tǒng).二次智能運維子站系統(tǒng)應(yīng)完成變電站二次系統(tǒng)信息的全面采集、分析和應(yīng)用,實現(xiàn)站內(nèi)二次設(shè)備的狀態(tài)評估、態(tài)勢感知、狀態(tài)檢修,提升變電站的智能運維管理水平.

(2)間隔層由繼電保護裝置、 系統(tǒng)測控裝置、監(jiān)測功能組主 IED、計量、智能錄波器、相量測量裝置等組成,實現(xiàn)面向間隔的測量、控制、保護、計量、監(jiān)測等功能.

間隔層在滿足二次設(shè)備可靠性的前提下,實現(xiàn)站內(nèi)間隔層的跨專業(yè)功能集成與跨間隔設(shè)備集成,實現(xiàn)設(shè)備的功能、配置、接口等統(tǒng)一.①35kV及以下電壓等級宜采用保護、測控、計量多合一裝置,110kV及以上電壓等級可采用多功能測控裝置,提高裝置集成化水平,減少設(shè)備配置數(shù)量.②結(jié)合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及實際需求配置站域保護控制裝置,站域保護控制裝置應(yīng)根據(jù)工程需求配置具體的站域保護控制功能并綜合多間隔數(shù)據(jù)進行邏輯判斷,提高全站后備保護的運行可靠性與速動性,實現(xiàn)間隔保護裝置和站域控制保護裝置間的雙套冗余配置.

(3)過程層由變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置等組成,支持或?qū)崿F(xiàn)電測量信息和設(shè)備狀態(tài)信息的實時采集和傳送,接受并執(zhí)行各種操作和控制指令.過程層以一次設(shè)備智能化和采樣數(shù)字化為建設(shè)目標,實現(xiàn)站內(nèi)一次設(shè)備測量、控制及監(jiān)測等信息的數(shù)字化采集與網(wǎng)絡(luò)化傳輸.① 采用智能化一次設(shè)備,實現(xiàn)開關(guān)信息網(wǎng)絡(luò)化輸入輸出與一二次設(shè)備融合.②配置變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測、GIS局放帶電檢測、避雷器泄漏電流帶電檢測以及開關(guān)柜局放帶電檢測等在線監(jiān)測應(yīng)用,提高一次設(shè)備的在線監(jiān)測水平.③結(jié)合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及實際需求配置變電站智能化作業(yè)調(diào)控中心、云計算大數(shù)據(jù)分析平臺,實現(xiàn)變電站設(shè)備的在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修及智能巡檢.過程層設(shè)備通過過程層網(wǎng)絡(luò)與間隔層設(shè)備通信,間隔層設(shè)備通過站控層網(wǎng)絡(luò)與站控層通信.數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)采用工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護的架構(gòu),滿足實時性和可靠性要求.

5.2 網(wǎng)絡(luò)布置

主要由過程層網(wǎng)絡(luò)、變電站層網(wǎng)絡(luò)及GOOSE網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成.過程層網(wǎng)絡(luò):該網(wǎng)絡(luò)屬于點對點的光纖以太網(wǎng),其主要功能是監(jiān)測并保護裝置與光CT/PT合并器之間的通信過程,其中CT合并器一般按間隔布置.變電站層網(wǎng)絡(luò):該網(wǎng)絡(luò)的主要功能是監(jiān)測并保護裝置與后臺系統(tǒng)之間的通信過程,采取星型方式連接并依據(jù)以太網(wǎng)進行組網(wǎng),為了避免以太網(wǎng)繁雜的技術(shù)要求,常采用IEC61850-8進行網(wǎng)絡(luò)通信.GOOSE網(wǎng)絡(luò):該網(wǎng)絡(luò)主要功能是采用GOOSE報文執(zhí)行測控、控制輸出、開關(guān)量輸入及保護各裝置間聯(lián)閉鎖信息的任務(wù).

6 數(shù)字化用于變電站工程的主要特點

(1)全數(shù)字化技術(shù),GOOSE網(wǎng)的應(yīng)用,提高綜合自動化水平.選擇IEC 61850通信標準與電子式互感器兩種強大的數(shù)字化技術(shù),使GOOSE通信功能廣泛用于各間隔層,從而使數(shù)據(jù)傳送的效率得到了明顯提升;同時,GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信先進的優(yōu)先級控制技術(shù)支持數(shù)據(jù)信息按照優(yōu)先級設(shè)置要求順利進入相應(yīng)的優(yōu)先級隊列中,避免直接進入緩沖區(qū),結(jié)合具有優(yōu)先級控制功能的以太網(wǎng)交換機,使數(shù)據(jù)信息第一時間到達目標位置,較大程度提高了數(shù)據(jù)信息的傳遞速率,從本質(zhì)上提高了變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控性能.

(2)減少站內(nèi)二次設(shè)備數(shù)量,實現(xiàn)保護監(jiān)控等自動化裝置一體化.數(shù)字化變電站將傳統(tǒng)變電站的多功能裝置升級為數(shù)字化系統(tǒng)相應(yīng)的功能模塊,隨著各功能模塊可靠性和處理能力的增強,能夠極大的減少裝置數(shù)量并簡化數(shù)字化系統(tǒng),最終達成監(jiān)控、保護、故障錄波等自動化裝置一體化的基本目標.

(3)二次設(shè)備布置分散就地化,改變傳統(tǒng)的大控制室設(shè)計.隨著科技的進步,各種通信設(shè)備和電力設(shè)備的設(shè)計、制造水平明顯得到了巨大提升,在設(shè)備運行可靠、維護方便的前提下,二次設(shè)備可就地布置,就地安裝的二次設(shè)備采用直接光纜或電纜采樣、跳閘的方式.在這種情況下,現(xiàn)場無人管理,只需要通過一臺控制顯示終端便可以實現(xiàn)遠程操控,達到實時監(jiān)控的目的.能夠極大的減少變電站電纜和光纜的數(shù)量,有助于快速建成變電站的主體結(jié)構(gòu)并使得相應(yīng)的設(shè)備調(diào)試過程簡單易行.

(4)分布智能技術(shù)保證高速網(wǎng)路處理能力與系統(tǒng)安全性.緊湊型間隔層控制設(shè)備和分散式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在很大程度上降低了接線的復(fù)雜性;結(jié)合分散式開關(guān)聯(lián)閉鎖功能和GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠使數(shù)據(jù)輸入和輸出速度得到提升,減少了系統(tǒng)響應(yīng)時間,使其安全性大大提高.

7 數(shù)字化變電站相對于常規(guī)變電站的優(yōu)勢

第一,從根本上降低了變電站事故的發(fā)生幾率.第二,有效增強了信號傳輸?shù)目煽啃?第三,節(jié)約了投資和成本.第四,進一步提升了管理水平和自動化水平.

8 結(jié)語

綜上所述,隨著科技的進步和社會的發(fā)展,智能化設(shè)備將逐漸滲透到人們的日常生活中,這必將帶來變電站工程新一輪數(shù)字化革命.同時,伴隨著日益增長的用電需求,電力系統(tǒng)正承受著日益增長的用電需求和輸電配電要求,這就要求積極發(fā)展更加先進的數(shù)字化變電站技術(shù)以應(yīng)對電力系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn).

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