１１０ｋＶ綜合自動(dòng)化變電站改造工程的設(shè)計(jì)分析

[摘要]在綜合自動(dòng)化變電站改造工程設(shè)計(jì)過程中，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、智能化電氣的發(fā)展，特別是智能化開關(guān)、光電式互感器等機(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)、新的規(guī)程規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，變電站自動(dòng)化技術(shù)即將進(jìn)入數(shù)字化新階段。分析110kV綜合自動(dòng)化變電站改造工程在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、新產(chǎn)品的方法。

[關(guān)鍵詞]綜合自動(dòng)化變電站 改造 數(shù)字化 設(shè)計(jì)分析

中圖分類號：TM7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420007－02

一、引言

變電站自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到一定的水平，在我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造與建設(shè)中不僅中低壓變電站采用了自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人值班，而且在110kV及以上的超高壓變電站建設(shè)中也大量采用自動(dòng)化新技術(shù)，從而大大提高了電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平，增強(qiáng)了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的可能性，降低了變電站建設(shè)的總造價(jià)，這已經(jīng)成為不爭的事實(shí)。然而，技術(shù)的發(fā)展是沒有止境的，隨著智能化開關(guān)、光電式電流電壓互感器、一次運(yùn)行設(shè)備在線狀態(tài)檢測、變電站運(yùn)行操作培訓(xùn)仿真等技術(shù)日趨成熟，以及計(jì)算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)用，勢必對已有的變電站自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響，全數(shù)字化的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)即將出現(xiàn)。

然而，目前由于全數(shù)字化的變電站需要一段時(shí)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以及技術(shù)需要進(jìn)一步研究、推廣應(yīng)用和設(shè)備造價(jià)等原因，全數(shù)字化的變電站建設(shè)尚在試點(diǎn)建設(shè)階段。由于電氣設(shè)備使用壽命的原因，變電站改造工程則是每年需要進(jìn)行的，其中110kV綜合自動(dòng)化變電站改造工程最多。在現(xiàn)階段下110kV綜合自動(dòng)化變電站改造工程在設(shè)計(jì)過程中如何應(yīng)用新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、新產(chǎn)品，這是一個(gè)新的課題，也是改造工程設(shè)計(jì)過程中最為關(guān)鍵的問題。

二、目前運(yùn)行變電站的基本狀況

變電站自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到一定的水平，在我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)變電站改造與建設(shè)過程中廣泛采用了自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人值班。目前運(yùn)行的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信息處理技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對變電站二次設(shè)備（包括繼電保護(hù)、控制、測量、信號、故障錄波、自動(dòng)裝置及遠(yuǎn)動(dòng)裝置等）的功能進(jìn)行重新組合、優(yōu)化設(shè)計(jì)，對變電站全部設(shè)備的運(yùn)行情況執(zhí)行監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)的一種綜合性的自動(dòng)化系統(tǒng)。通過變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間相互交換信息，數(shù)據(jù)共享，完成變電站運(yùn)行監(jiān)視和控制任務(wù)。目前運(yùn)行的變電站，綜合自動(dòng)化已替代了變電站較早前的常規(guī)二次設(shè)備。然而，上世紀(jì)90年代中期改造或建設(shè)的變電站，至今設(shè)備已運(yùn)行十幾年，特別是電子設(shè)備已達(dá)到或即將達(dá)到元器件的使用壽命。因此大量這些設(shè)備需要提上改造日程，否則會影響電網(wǎng)的運(yùn)行安全。

三、目前全數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)及主要問題

目前試點(diǎn)建設(shè)的全數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1．智能化的一次設(shè)備。一次設(shè)備被檢測的信號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)字公共信號網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接。換言之，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。

2．網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備。變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機(jī)設(shè)計(jì)制造，設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享，常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

3．自動(dòng)化的運(yùn)行管理系統(tǒng)。變電站運(yùn)行管理自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)包括電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計(jì)無紙化；數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動(dòng)化；變電站運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)能即時(shí)提供故障分析報(bào)告，指出故障原因，提出故障處理意見；系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出變電站設(shè)備檢修報(bào)告，即常規(guī)的變電站設(shè)備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。

全數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)尚存在的主要問題：

（1）研究開發(fā)過程中專業(yè)協(xié)作需要加強(qiáng)，比如智能化電器的研究至少存在機(jī)、電、光三個(gè)專業(yè)協(xié)同攻關(guān)；（2）材料器件方面的缺陷及改進(jìn)；（3）試驗(yàn)設(shè)備、測試方法、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，特別是EMC（電磁干擾與兼容）控制與試驗(yàn)還是薄弱環(huán)節(jié)；（4）設(shè)計(jì)、建設(shè)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、檢修等經(jīng)驗(yàn)尚缺；（5）單位設(shè)備價(jià)格尚高。

四、110kV綜合自動(dòng)化變電站改造工程設(shè)計(jì)范圍及主要問題

眾所周知，110kV綜合自動(dòng)化變電站改造工程的設(shè)計(jì)前提是確定改造設(shè)計(jì)范圍。因?yàn)樽冸娬靖脑旆秶绊懝こ掏顿Y、設(shè)計(jì)原則、設(shè)備選型、設(shè)計(jì)方案等等主要問題。變電站改造工程的改造范圍主要有如下幾種：A、全站推倒重建或改造全站電氣一二次設(shè)備；B、改造某電壓等級的一次設(shè)備和二次設(shè)備；C、僅改造全站一次設(shè)備；D、僅改造全站二次設(shè)備；E、改造某個(gè)間隔的一次設(shè)備或二次設(shè)備；F、改造某個(gè)系統(tǒng)，如監(jiān)控系統(tǒng)、抄表系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、遙視系統(tǒng)等等。

由于110kV綜合自動(dòng)化變電站改造的需求和目前全數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展中尚存在的主要問題，故目前設(shè)計(jì)和審查確定變電站改造工程的初步設(shè)計(jì)方案時(shí)碰到如下問題：

1．當(dāng)需要改造全站一次設(shè)備和二次設(shè)備時(shí)，是改造成全數(shù)字化變電站，還是仍然改造成綜合自動(dòng)化變電站。這是一個(gè)目前全數(shù)字化變電站尚未得到廣泛推廣應(yīng)用的情況下需要明確的設(shè)計(jì)原則。

2．當(dāng)改造全站二次設(shè)備時(shí)，如何確定監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議，以及統(tǒng)一繼電保護(hù)、控制、測量、信號、故障錄波、自動(dòng)裝置及遠(yuǎn)動(dòng)裝置等等設(shè)備的通訊協(xié)議。

3．僅改造監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，需確定統(tǒng)一的通訊協(xié)議和原運(yùn)行設(shè)備的信息接入方式及通訊協(xié)議。

4．其他新產(chǎn)品和新技術(shù)的應(yīng)用問題。

五、110kV綜合自動(dòng)化變電站改造工程設(shè)計(jì)分析

1．改造站內(nèi)某電壓等級的一次設(shè)備和二次設(shè)備時(shí)，因?yàn)椴荒芨淖冏冸娬驹到y(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度方式，故按原運(yùn)行調(diào)度方式改造即可，間隔內(nèi)可以采用新產(chǎn)品、新技術(shù)，但不能改變原運(yùn)行調(diào)度方式和不能影響原系統(tǒng)的運(yùn)行。

2．僅改造全站電氣一次設(shè)備時(shí)，這種情況較少。一般改造全站電氣一次設(shè)備同時(shí)，電氣二次設(shè)備也一起改造。若在電氣一次設(shè)備少或特殊情況下僅改造全站電氣一次設(shè)備，只要按原運(yùn)行控制方式改造即可。

3．改造某個(gè)間隔的一次設(shè)備或二次設(shè)備時(shí)，基本上是按同電壓等級其他間隔的運(yùn)行控制方式來設(shè)計(jì)。

4．僅改造監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，這種情況下會碰到如下問題：主站層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如何確定、通訊協(xié)議如何確定、原運(yùn)行設(shè)備如何接入新監(jiān)控系統(tǒng)等等。目前兩電網(wǎng)公司的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和規(guī)范尚未作明確規(guī)定，但這種情況一般是采取這樣的原則：通訊協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按當(dāng)?shù)刈冸娬井?dāng)前推廣應(yīng)用的通訊協(xié)議，考慮原運(yùn)行設(shè)備接入所需的設(shè)備配置。

5．僅改造全站二次設(shè)備時(shí)，在這種情況下，由于電氣一次設(shè)備不變，故全站二次設(shè)備必須在電壓互感器和電流互感器為常規(guī)設(shè)備的前提下做出改造方案。在電壓互感器和電流互感器為常規(guī)設(shè)備的前提下，電氣二次設(shè)備的選型、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇、通訊協(xié)議的選擇等等可以選用當(dāng)前的穩(wěn)定產(chǎn)品和技術(shù)，考慮以后擴(kuò)建和改造的簡便，采用新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

6．全站推倒重建或改造全站電氣一二次設(shè)備，這種情況下是進(jìn)行全數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)改造的最好時(shí)期，但由于目前全數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)尚在試點(diǎn)建設(shè)，故需要確定改造工程是按全數(shù)字化變電站改造，還是按新綜合自動(dòng)化變電站來改造。當(dāng)前按新綜合自動(dòng)化變電站方式來改造的工程居多。但是目前不少供電局均有試點(diǎn)全數(shù)字化變電站改造的計(jì)劃，有些試點(diǎn)全數(shù)字化變電站改造工程已投入運(yùn)行。

不可否認(rèn)的是，全數(shù)字化變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢迅猛，是變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向，主要體現(xiàn)在：

1．IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用。IEC61850是國際電工委員會TC57制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，為基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，也是國家電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多年的醞釀和討論，至2003年已正式發(fā)布大部分內(nèi)容。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是全世界唯一的變電站網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，也將可能成為電力系統(tǒng)中從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動(dòng)化無縫通信標(biāo)準(zhǔn)，還可望成為通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的工業(yè)控制通信標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品的國內(nèi)外各大公司都在圍繞IEC61850開展工作，并提出IEC61850的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)“即插即用”，在工業(yè)控制通信上最終實(shí)現(xiàn)“一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”。

2．全數(shù)字變電站自動(dòng)化系統(tǒng)向高集成化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化方向發(fā)展。隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型的大規(guī)模集成電路將會進(jìn)一步應(yīng)用在繼電保護(hù)和測控裝置上，如32位CPU、數(shù)字信號處理芯片DSP、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、大容量Flash、可編程邏輯器件CPLD、FPGA等。

這些新器件的應(yīng)用將使保護(hù)和測控裝置的電路板更加小型集成化，裝置通信、數(shù)據(jù)存儲及處理能力更強(qiáng)。將間隔的控制、保護(hù)、故障錄波、事件記錄和運(yùn)行支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理等功能，通過模塊化設(shè)計(jì)集成在一個(gè)統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置內(nèi)是可行的，間隔內(nèi)部和間隔間以及間隔同站級間的通信可統(tǒng)一用一層網(wǎng)即光纖以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。高集成化系統(tǒng)的發(fā)展，無疑能降低成本，提高系統(tǒng)可靠性，有利于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的運(yùn)行管理。目前在許多中低壓站已實(shí)現(xiàn)。

六、結(jié)束語

總之，變電站自動(dòng)化技術(shù)是伴隨著現(xiàn)代科技技術(shù)發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步。同時(shí)經(jīng)濟(jì)性和可靠性也是變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展所要考慮的實(shí)際問題。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施應(yīng)用、電能質(zhì)量監(jiān)測管理、一次設(shè)備的在線監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等等都是變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展所要研究的課題。110kV綜合自動(dòng)化變電站改造工程在設(shè)計(jì)過程中采用新標(biāo)準(zhǔn)新規(guī)范，應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)推廣采用成熟穩(wěn)定的新技術(shù)、新產(chǎn)品。

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作者簡介：

劉偉平，男，湖南臨湘人，助理工程師，自動(dòng)化，主要從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作。