數(shù)字化變電站系統(tǒng)應(yīng)用

王永珩

（哈爾濱供電段，黑龍江省 哈爾濱 150010）

1 引言

數(shù)字化變電站三個(gè)主要的特征包括“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)”，即數(shù)字化變電站內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化，信息傳遞實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通信模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，使各種設(shè)備和功能共享統(tǒng)一的信息平臺(tái)。這使得數(shù)字化變電站在系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)簡(jiǎn)便性方面均比常規(guī)變電站有大幅度提升。

2 實(shí)現(xiàn)數(shù)字式變電站的可行性

在技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式變電站可以減少設(shè)備的退出次數(shù)和退出時(shí)間，提高設(shè)備的可用性；減少自動(dòng)化設(shè)備數(shù)量，簡(jiǎn)化二次接線，提高系統(tǒng)的可靠性；設(shè)備具有互操作性，方便了設(shè)備的維護(hù)和更新，減少投運(yùn)時(shí)間，提高工作效率；可以方便變電站的擴(kuò)建及自動(dòng)化系統(tǒng)的擴(kuò)充。以往的設(shè)備狀態(tài)檢修主要指一次設(shè)備，電氣二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)象不是單一的元件，而是一個(gè)單元或一個(gè)系統(tǒng)。雖然IED裝置本身具備狀態(tài)檢修的實(shí)施基礎(chǔ)，但二次設(shè)備的狀態(tài)檢修必須作為一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題來(lái)考慮，或者說(shuō)狀態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)應(yīng)包含交流輸入、直流、操作回路等，因此，常規(guī)變電站內(nèi)很難實(shí)施二次系統(tǒng)的狀態(tài)檢修。在數(shù)字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、各種IED裝置的故障和動(dòng)作信息、監(jiān)測(cè)操作及信號(hào)回路狀態(tài)的有效監(jiān)視。數(shù)字化變電站中將幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設(shè)備狀態(tài)特征量的采集上沒(méi)有盲區(qū)。設(shè)備檢修策略可以從常規(guī)變電站設(shè)備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，這將大大提高系統(tǒng)的可用性。

在經(jīng)濟(jì)上，可以實(shí)現(xiàn)信息在運(yùn)行系統(tǒng)和其他支持系統(tǒng)之間的共享，減少重復(fù)建設(shè)和投資；減少占地面積，從而減少基建投資；減少變電站壽命周期內(nèi)的總體成本，包括初期建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本。除此之外，數(shù)字化變電站中IEC61850所支持的互操作性，把用戶從不同制造商設(shè)備互聯(lián)困難的限制中解脫出來(lái)，提高了變電站選擇產(chǎn)品的自由度。不僅如此，通用的配置方式提高了用戶對(duì)設(shè)備的駕馭能力，即使某些設(shè)備的供應(yīng)商出現(xiàn)問(wèn)題，該產(chǎn)品仍可與其它設(shè)備組織在統(tǒng)一系統(tǒng)中，從而保護(hù)了變電站投資。標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型實(shí)現(xiàn)了變電站信息共享，原先必須由IED實(shí)現(xiàn)的某些保護(hù)功能可以由一個(gè)軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)了，如母線保護(hù)、備自投等，設(shè)備的減少同時(shí)減少了變電站的占地面積，節(jié)約了大量成本，而且提高了可靠性。二次回路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，接線大大減少，顯著降低了安裝、調(diào)試、維護(hù)工作量，把維護(hù)人員從繁雜的布線核查中解脫出來(lái)。數(shù)字化變電站中實(shí)現(xiàn)了信息共享，設(shè)備提供了更豐富的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，根據(jù)這些信息可實(shí)現(xiàn)更智能化的維護(hù)工作，包括故障診斷和定位，維護(hù)更簡(jiǎn)便。電纜的顯著減少也節(jié)約了大量的投資。

3 數(shù)字化牽引變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在物理上可分為兩類，即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備；在邏輯結(jié)構(gòu)上根據(jù)IEC61850通信協(xié)議草案定義，可分為“過(guò)程層”、“間隔層”、“站控層”三個(gè)層次。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

一體化設(shè)計(jì)：數(shù)字式變電站系統(tǒng)以整個(gè)變電站為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)全站保護(hù)、監(jiān)控一體化以及電能計(jì)量功能，無(wú)需外部電纜接線，各個(gè)功能通過(guò)站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)組合在統(tǒng)一的系統(tǒng)中，信息、功能、應(yīng)用集成化程度高，間隔層設(shè)備大大減少，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到最大簡(jiǎn)化。系統(tǒng)中配置專用的仲裁設(shè)備（如數(shù)字化故障錄波儀），可以明確運(yùn)行狀態(tài)下，運(yùn)行設(shè)備或線路上故障的的原因。

全站數(shù)據(jù)共享：數(shù)字式變電站系統(tǒng)的過(guò)程層、間隔層和變電站層設(shè)備之間交換的所有信息，如：電流、電壓量、開(kāi)關(guān)、隔離刀閘、設(shè)備狀態(tài)和控制命令等全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并通過(guò)以太網(wǎng)傳輸。數(shù)字式變電站系統(tǒng)采用分布式采集、集中式處理的系統(tǒng)解決方案，所有模擬量的采集實(shí)現(xiàn)同步采樣，數(shù)據(jù)在交換服務(wù)器匯總并在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)全站數(shù)據(jù)及信息共享，并可根據(jù)間隔層設(shè)備的功能要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定制。

雙重化配置：雙重化的變電站集成保護(hù)及測(cè)控裝置通過(guò)雙重化的GOOSE網(wǎng)絡(luò)、SMV采集網(wǎng)與過(guò)程層的智能終端（合并單元）相連。實(shí)現(xiàn)功能及網(wǎng)絡(luò)的冗余，保證任何單一故障不會(huì)引起任何應(yīng)用功能的缺失。變電站層、間隔層通信采用雙以太網(wǎng)，能自動(dòng)平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

靈活性：系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，根據(jù)各變電站的系統(tǒng)情況可自由配置保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量等功能模塊。特別是未來(lái)客戶需擴(kuò)充增值的高級(jí)應(yīng)用功能時(shí)，無(wú)需額外施工僅需更換相應(yīng)軟硬件即可。過(guò)程層的合并單元可以接入電子式互感器及智能開(kāi)關(guān)設(shè)備，也保留了接入傳統(tǒng)電磁式互感器的接口以兼容傳統(tǒng)的一次設(shè)備。通信接口方式選擇靈活，除支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約外，還支持多種標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約。此外還提供規(guī)約轉(zhuǎn)換器，可支持大部分非標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約。系統(tǒng)采用高精度硬件時(shí)鐘，支持PPS、IRIGB、SNTP等各種對(duì)時(shí)方案。

5 系統(tǒng)組網(wǎng)

通常數(shù)字化變電站應(yīng)用比較多的有環(huán)網(wǎng)及雙星型網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中不能出現(xiàn)環(huán)路，因?yàn)橛蓮V播產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包會(huì)引起無(wú)限循環(huán)而導(dǎo)致阻塞，該問(wèn)題可依靠生成樹(shù)算法解決?？焖偕蓸?shù)協(xié)議使算法的收斂過(guò)程從1min降低到1~10s，這樣，在變電站網(wǎng)絡(luò)中就可以采用多種冗余鏈路設(shè)計(jì)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

而星型網(wǎng)絡(luò)相比環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置簡(jiǎn)潔，且降低了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴形成的風(fēng)險(xiǎn)，建議采用星型網(wǎng)絡(luò)。各層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式如下：站控層網(wǎng)絡(luò)：采用光纖以太網(wǎng)星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)：采用光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；專用GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)：采用光纖雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)<3ms

由于數(shù)據(jù)網(wǎng)需要實(shí)施傳輸采樣數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)量較大，必須采用100M網(wǎng)絡(luò)。相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口及交換設(shè)備已經(jīng)在應(yīng)用中非常成熟，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

6 在鐵路牽引變電所應(yīng)用

考慮到鐵路牽引供電系統(tǒng)原有傳統(tǒng)一次設(shè)備的改造難度，通過(guò)在互感器和開(kāi)關(guān)上加裝智能采集終端及智能控制終端裝置,實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)字化傳輸和開(kāi)關(guān)、刀閘的數(shù)字化操作。其中智能終端裝置針對(duì)單個(gè)PT，CT或斷路器設(shè)計(jì)，由智能采集裝置根據(jù)系統(tǒng)同步脈沖完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)通過(guò)光纖送至合并單元，合并單元通過(guò)高速光纖再將一組時(shí)標(biāo)一致的電壓和電流數(shù)據(jù)通過(guò)光纖轉(zhuǎn)發(fā)給各保護(hù)測(cè)控單元。保護(hù)測(cè)控單元需要對(duì)合并單元轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)通過(guò)插值算法進(jìn)行“重采樣”才能進(jìn)行計(jì)算（如線性插值算法），并發(fā)送控制命令,實(shí)現(xiàn)多個(gè)間隔的保護(hù)測(cè)控功能。

與常規(guī)互感器輸出的模擬信號(hào)有所不同，由合并單元輸出的數(shù)字采樣信號(hào)中必須含有時(shí)間信息。各合并單元輸出的電壓、電流信號(hào)必須嚴(yán)格同步，否則將直接影響保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性和正確性。因此，同步時(shí)鐘是全數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。過(guò)程層設(shè)備采用基于衛(wèi)星鐘秒脈沖進(jìn)行同步，間隔層設(shè)備采用IRIG-B碼校時(shí)，站控層采用SNTP軟件同步方案。

間隔層保護(hù)裝置與通信裝置采用雙重化配置，變電站采用2套復(fù)用的保護(hù)測(cè)控裝置,每套保護(hù)測(cè)控裝置由2臺(tái)獨(dú)立的保護(hù)測(cè)控裝置構(gòu)成,其中1臺(tái)主要完成單間隔保護(hù) (如線路保護(hù)、電容器及電抗器組保護(hù)等),另1臺(tái)主要完成跨間隔保護(hù)(如主變、差動(dòng)保護(hù)及備自投裝置 )。

站控層網(wǎng)絡(luò)采用單網(wǎng)或雙網(wǎng)通信 ,通信方式為工業(yè)以太網(wǎng)。第三方設(shè)備（包括電表、交直流系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等）可通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置接入監(jiān)控系統(tǒng)。

7 總結(jié)

根據(jù)IEEE、IEE、CIGRE等國(guó)際著名研究機(jī)構(gòu)的最新數(shù)字化變電站自動(dòng)化的前沿技術(shù)，針對(duì)220/27.5Kv鐵路牽引變電站的供電模式和具體特點(diǎn)，提出了嶄新的基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站的解決方案。該系統(tǒng)通過(guò)合理的硬件集成、功能集成和信息集成簡(jiǎn)化硬件設(shè)置，實(shí)施信息全面集成和功能的合理優(yōu)化、整合，全面實(shí)現(xiàn)變電站保護(hù)、測(cè)控、自動(dòng)化、電量計(jì)量等功能，不僅簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)施工，降低了用戶運(yùn)行維護(hù)難度，也減少了數(shù)字化變電站的投資成本。在鐵路牽引變電所具有很大的推廣應(yīng)用前景。

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