沈明浩
云南省玉溪供電局 ,云南 玉溪 653100
“數(shù)字化變電站”是以變電站一、二次設(shè)備為數(shù)字化對(duì)象,以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,實(shí)現(xiàn)信息共享和互操作,并以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量監(jiān)視、控制保護(hù)、信息管理等自動(dòng)化功能的變電站。
在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域中,隨著智能化電氣的發(fā)展,特別是智能開(kāi)關(guān)、光電式互感器機(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn),變電站自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化的新階段。在高壓和超高壓變電站中,保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、故障錄波及其他自動(dòng)裝置的I/O單元,如A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等將割列出來(lái)作為智能化一次設(shè)備的一部分。反言之,智能化一次設(shè)備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路代替了綜合自動(dòng)化保護(hù)裝置、測(cè)控等裝置的I/O部分;而在中低壓變電站則將保護(hù)、監(jiān)控裝置更加小型化、緊湊化,完整地集成開(kāi)關(guān)柜上,充分體現(xiàn)了了變電站機(jī)電一體化的技術(shù)要求。
數(shù)字化變電站具有“四化”特征:全站信息數(shù)字化;通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化;信息共享標(biāo)準(zhǔn)化;高級(jí)應(yīng)用互動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)四化功能的基礎(chǔ)如下:
1)智能化的一次設(shè)備
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)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(hào)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(cè)量控制裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、故障錄波裝置、電壓無(wú)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(cè)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(chǎng)接口,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源其享,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(wú)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(jiàn);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”。
表1 變電站自動(dòng)化發(fā)展歷程表
1)技術(shù)和管理上條塊分割、設(shè)備互不兼容;
2)硬件設(shè)備多而雜,標(biāo)準(zhǔn)化程度低;
3)控制電纜、端子排規(guī)模大、安裝調(diào)試比較復(fù)雜;
4)被動(dòng)系統(tǒng),無(wú)法自診斷、維護(hù)工作量大。
變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)仍然存在信息難以共享、設(shè)備之間不具備互操作性、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性差等問(wèn)題,制約了變電站可靠性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提升。
另一方面,大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行也對(duì)變電站向電網(wǎng)高級(jí)功能應(yīng)用提供數(shù)據(jù)的支撐能力提出了更高的要求。
目前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)雖已部分實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化,但設(shè)備之間缺乏互操作性,不能夠?qū)崿F(xiàn)一體化。各廠家功能和接口的差異,導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)和升級(jí)成本巨大。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與互感器、開(kāi)關(guān)等終端設(shè)備需要通過(guò)電纜相連,模擬信號(hào)的傳輸存在電磁干擾及附加誤差等,沒(méi)有全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。變電站內(nèi)、變電站與控制中心之間沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)信息共享,一次設(shè)備的狀態(tài)信息無(wú)法全部接入。
隨著智能化開(kāi)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(cè)、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(kāi)發(fā)應(yīng)用,對(duì)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)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。
數(shù)字化變電站由于對(duì)信息采集、傳輸、處理和輸出過(guò)程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,基本特征具有設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運(yùn)行管理自動(dòng)化等等特點(diǎn)。
變電站數(shù)字化為電網(wǎng)的智能化提供了有力保證,為各種綠色、低碳能源的接入提供了可靠的支撐平臺(tái)。
實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站對(duì)于我國(guó)變電站的自動(dòng)化運(yùn)行和管理將帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響和變革,具有重大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。
數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(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)上可分為三個(gè)層次,根據(jù)IEC61850通信協(xié)議草案定義,這三個(gè)層次分別稱為“過(guò)程層”、“間隔層”、“站控層”。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信,三個(gè)層次的關(guān)系如圖1所示。
圖1 數(shù)字化變電站邏輯結(jié)構(gòu)圖
3.2.1 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:1)電力運(yùn)行實(shí)時(shí)的電氣量檢測(cè);2)運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè);3)操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。
1)電力運(yùn)行的實(shí)時(shí)電氣量檢測(cè)
與傳統(tǒng)的功能一樣,主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測(cè),其他電氣量如有功、無(wú)功、電能量可通過(guò)間隔層的設(shè)備運(yùn)算得出。與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器被光電電流互感器、光電電壓互感器取代;采集傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代,這樣做的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能強(qiáng),絕緣和抗飽和特性好,開(kāi)關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)了小型化、緊湊化。
2)運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測(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、刀閘、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)。
3)操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)
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、刀閘合分控制,直流電源充放電控制。過(guò)程層的控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)大部分是被動(dòng)的,即按上層控制指令而動(dòng)作,比如接到間隔層保護(hù)裝置的跳閘指令、電壓無(wú)功控制的投切命令、對(duì)斷路器的遙控開(kāi)合命令等。在執(zhí)行控制命令時(shí)具有智能性,能判別命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇?,還能對(duì)即將進(jìn)行的動(dòng)作精度進(jìn)行控制,能使斷路器定相合閘,選相分閘,在選定的相角下實(shí)現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開(kāi)斷,要求操作時(shí)間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi)。又例如對(duì)真空開(kāi)關(guān)的同步操作要求能做到開(kāi)關(guān)觸頭在零電壓時(shí)關(guān)合,在零電流時(shí)分?jǐn)嗟取?/p>
3.2.2 間隔層
間隔層設(shè)備的主要功能是:1)匯總本間隔過(guò)程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息;2)實(shí)施對(duì)一次設(shè)備保護(hù)控制功能;3)實(shí)施本間隔操作閉鎖功能;4)實(shí)施操作同期及其他控制功能;5)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;6)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。必要時(shí),上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工方式,以提高信息通道的冗余度,保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。
3.2.3 站控層
站控層的主要任務(wù)是:1)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);2)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;3)接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過(guò)程層執(zhí)行;4)具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;5)具有(或備有)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,甚至圖像,聲音等多媒體功能;6)具有對(duì)間隔層、過(guò)程層諸設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài),在線修改參數(shù)的功能;7)具有(或備有)變電站故障自動(dòng)分析和操作培訓(xùn)功能。
數(shù)字化變電站的一次設(shè)備和二次設(shè)備均采用智能設(shè)備,設(shè)備間交互的信息均按統(tǒng)一的模型數(shù)字化。數(shù)字化變電站較常規(guī)綜合自動(dòng)化變電站有以下優(yōu)勢(shì):
1)提升測(cè)量精度
數(shù)字化變電站采用輸出數(shù)字信號(hào)的電子式互感器,數(shù)字化的電流電壓信號(hào)在傳輸?shù)蕉卧O(shè)備和二次設(shè)備處理的過(guò)程中均不會(huì)產(chǎn)生附加誤差,提升了保護(hù)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)的系統(tǒng)精度。
傳統(tǒng)變電站互感器輸出的模擬信號(hào)通過(guò)電纜傳輸時(shí)和二次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中都將產(chǎn)生附件誤差,系統(tǒng)精度難以提高。
2)提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?/p>
數(shù)字化變電站的信號(hào)傳輸均用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通信系統(tǒng)在傳輸有效信息的同時(shí)傳輸信息校驗(yàn)碼和通道自檢信息,杜絕誤傳信號(hào)和監(jiān)視通信系統(tǒng)的完好性,PT斷線、CT斷線的判斷將不再是問(wèn)題。數(shù)字信號(hào)可以用光纖傳輸,從根本上解決抗干擾問(wèn)題。
傳統(tǒng)變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備間直接通過(guò)電纜傳輸沒(méi)有校驗(yàn)信息的信號(hào),當(dāng)信號(hào)出錯(cuò)或電纜斷線、短路時(shí)都難以發(fā)現(xiàn)。而且傳輸模擬信號(hào)不能采用光纖技術(shù),易受干擾。
3)減少二次接線
數(shù)字化變電站的一次設(shè)備和二次設(shè)備間采用計(jì)算機(jī)通信技術(shù),一條信道可傳輸多個(gè)通道的信息,加上使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),大幅度減少了二次接線的數(shù)量和復(fù)雜度。
4)解決設(shè)備間的互操作問(wèn)題
數(shù)字化變電站的所有智能設(shè)備均按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建立信息模型和通信接口,設(shè)備間可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。
傳統(tǒng)變電站的不同生產(chǎn)廠家二次設(shè)備之間的互操作性問(wèn)題至今仍然沒(méi)有得到很好地解決,主要原因是二次設(shè)備缺乏統(tǒng)一的信息模型規(guī)范和通信標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互連,必須設(shè)置大量的規(guī)約轉(zhuǎn)換器,增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)的難度,降低了通信系統(tǒng)的可靠性。
5)變電站的各種功能可共享統(tǒng)一的信息平臺(tái),避免設(shè)備重復(fù)
數(shù)字化變電站的所有信息采用統(tǒng)一的信息模型,按統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)接入變電站通信網(wǎng)絡(luò)。變電站的保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)、VQC等系統(tǒng)均用同一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)接收電流、電壓和狀態(tài)等信息以及發(fā)出控制命令,不需為不同功能建設(shè)各自的信息采集、傳輸和執(zhí)行系統(tǒng)。
傳統(tǒng)變電站由于各種功能采用的通信標(biāo)準(zhǔn)和信息模型不盡相同,二次設(shè)備和一次設(shè)備間用電纜傳輸模擬信號(hào)和電平信號(hào),各種功能需建設(shè)各自的信息采集、傳輸和執(zhí)行系統(tǒng),增加了變電站的復(fù)雜性和成本。
6)自動(dòng)化運(yùn)行和管理水平的進(jìn)一步提高
數(shù)字化變電站的采用智能一次設(shè)備,所有功能均可遙控實(shí)現(xiàn)。通信系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒏暾?,通信的可靠性和?shí)時(shí)性都大幅度提高。變電站因此可實(shí)現(xiàn)更多、更復(fù)雜的自動(dòng)化功能,提高自動(dòng)化水平。
傳統(tǒng)變電站由于受一次設(shè)備和通信系統(tǒng)能力的限制,許多自動(dòng)化技術(shù)只能停留在試驗(yàn)室里,難以進(jìn)行工程實(shí)際應(yīng)用。
7)避免電纜帶來(lái)的電磁兼容、傳輸過(guò)電壓和兩點(diǎn)接地等問(wèn)題
數(shù)字化變電站二次設(shè)備和一次設(shè)備之間使用絕緣的光纖連接,電磁干擾和傳輸過(guò)電壓沒(méi)有影響到二次設(shè)備的途徑,而且也沒(méi)有二次回路兩點(diǎn)接地的可能性。
傳統(tǒng)變電站的二次設(shè)備與一次設(shè)備之間仍然采用電纜進(jìn)行連接,電纜感應(yīng)電磁干擾和一次設(shè)備傳輸過(guò)電壓可能引起的二次設(shè)備運(yùn)行異常,在二次電纜比較長(zhǎng)的情況下由電容耦合的干擾可能造成繼電保護(hù)誤動(dòng)作。盡管電力行業(yè)的有關(guān)規(guī)定中要求繼電保護(hù)二次回路一點(diǎn)接地,但由于二次回路接地點(diǎn)的狀態(tài)無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè),二次回路兩點(diǎn)接地的情況近期仍時(shí)有發(fā)生并對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生不良影響,甚至造成設(shè)備誤動(dòng)作。
1)變電站全站數(shù)字化最大的障礙在于一次設(shè)備。目前我國(guó)智能開(kāi)關(guān)設(shè)備、電子式互感器等的研制和運(yùn)用相對(duì)比較滯后,對(duì)數(shù)字化變電站建設(shè)的投資、設(shè)備質(zhì)量和技術(shù)服務(wù)提出了較高要求;
2)變電站建設(shè)的歷史原因。部分變電站將繼續(xù)采用傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備甚至二次設(shè)備和系統(tǒng)軟件。為滿足數(shù)字化變電站的要求,將為傳統(tǒng)一次設(shè)備配置智能終端,并改造傳統(tǒng)二次設(shè)備和系統(tǒng)軟件的通信服務(wù)和信息模型使之符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。智能終端的研發(fā)工作、傳統(tǒng)二次設(shè)備和系統(tǒng)軟件的改造工作也是今后的工作難點(diǎn);
3)變電站設(shè)備的一致性測(cè)試。數(shù)字化變電站的智能設(shè)備應(yīng)在選型前進(jìn)行一致性測(cè)試來(lái)驗(yàn)證其是否符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn),并作為選型的依據(jù)之一。這樣可大大減少變電站聯(lián)調(diào)的工作量,避免臨時(shí)修改通信程序和增加規(guī)約轉(zhuǎn)換器。
需研究適合的測(cè)試的工具、合理的檢測(cè)規(guī)程和測(cè)試用例以保證一致性檢測(cè)的效果;
4)保證系統(tǒng)可靠性及研究可靠性評(píng)價(jià)方法。數(shù)字化變電站的許多功能分布在多個(gè)物理設(shè)備上實(shí)現(xiàn),和一個(gè)物理設(shè)備參與多個(gè)功能的實(shí)現(xiàn),都對(duì)系統(tǒng)可靠性提出了挑戰(zhàn)。按“故障弱化”的思想,通過(guò)合理地配置冗余設(shè)備可保證系統(tǒng)可靠性。同時(shí)研究計(jì)算變電站平均故障間隔時(shí)間、可用率等數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)價(jià)方法;
5)適應(yīng)數(shù)字化變電站的運(yùn)行、維護(hù)和管理方法。數(shù)字化變電站由于廣泛地采用智能設(shè)備,對(duì)現(xiàn)有地運(yùn)行、維護(hù)和管理方法提出了挑戰(zhàn)。例如許多設(shè)備的輸出接口都由傳統(tǒng)的模擬接口和硬接線變?yōu)閿?shù)字通信接口,必須有新的調(diào)試和檢驗(yàn)設(shè)備以及相應(yīng)規(guī)程。還有許多原來(lái)由不同部門(mén)管理的功能由同一設(shè)備實(shí)現(xiàn)也造成一些責(zé)任區(qū)劃分問(wèn)題。所以規(guī)劃數(shù)字式變電站時(shí)應(yīng)充分考慮運(yùn)行、維護(hù)和管理的因素,同時(shí)也應(yīng)根據(jù)數(shù)字化變電站的特點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整運(yùn)行、維護(hù)和管理的規(guī)程;
6)在選取作為試點(diǎn)的變電站時(shí),建議將以下來(lái)兩點(diǎn)也作為考慮重點(diǎn):(1)變電站在系統(tǒng)中的地位。如樞紐站在改造過(guò)程中,受運(yùn)行方式影響造成多間隔停電、停電時(shí)間較長(zhǎng)等,則容易導(dǎo)致工程建設(shè)周期難以控制;(2)一次設(shè)備規(guī)模。如涉及的設(shè)備規(guī)模較大,除延長(zhǎng)工程建設(shè)周期外,還容易因缺乏數(shù)字化設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)造成工程難以投運(yùn),甚至引起停電事故。
數(shù)字化變電站為智能電網(wǎng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ),為提高電網(wǎng)的可靠性提供了技術(shù)保證,也為多種能源接入系統(tǒng)描繪了一幅美好的藍(lán)圖。但要實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化變電站還有較長(zhǎng)的一段路要走。
數(shù)字化變電站的建設(shè)過(guò)程是實(shí)現(xiàn)智能化電網(wǎng)的必經(jīng)之路,也是供電部門(mén)提高供電效率和提升生產(chǎn)管理水平的一個(gè)積累過(guò)程。通過(guò)數(shù)字化變電站的應(yīng)用研究和示范工程的實(shí)施,積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn),培養(yǎng)數(shù)字化變電站建設(shè)、運(yùn)行和檢修等方面所需的各種人才,研究并制定數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)和管理的各種規(guī)范,是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化和現(xiàn)代化的有力措施。
[1]陳軼瑋.數(shù)字化變電站實(shí)用化研究[D].浙江大學(xué),2007.
[2]高梯才,趙海森.數(shù)字化變電站技術(shù)應(yīng)用研討[J].山西電力,2008(5).