無(wú)錫220 kV西涇智能變電站關(guān)鍵技術(shù)

蘭金波，錢國(guó)明，季 瑋，王學(xué)超

(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇南京211100)

2006年伊始，云南110 kV翠峰變電站[1]、內(nèi)蒙古220 kV杜爾伯特[2]等地區(qū)逐步試點(diǎn)數(shù)字化變電站工程，2010年，國(guó)家電網(wǎng)公司正式地發(fā)布《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》。在此期間建設(shè)的數(shù)字化變電站均針對(duì)智能變電站保護(hù)控制系統(tǒng)技術(shù)做某一方面的試點(diǎn)：2008年投運(yùn)的青島午山220 kV數(shù)字化變電站[3]，只使用了電子互感器，對(duì)模擬量進(jìn)行數(shù)字化處理，保護(hù)跳閘、邏輯互鎖等狀態(tài)量信息依然采用電纜硬連接方式。2009年投運(yùn)的浙江蘭溪500 kV數(shù)字化變電站[4]，全站均使用傳統(tǒng)互感器，模擬量未進(jìn)行數(shù)字化處理，但使用了智能終端和保護(hù)網(wǎng)絡(luò)跳閘技術(shù)，對(duì)狀態(tài)量進(jìn)行數(shù)字化處理。2009年投運(yùn)的唐山郭家屯220 kV數(shù)字化變電站開(kāi)始全面試點(diǎn)：采用電子互感器（ECT/EPT）和網(wǎng)絡(luò)跳閘技術(shù)，采用光纖通信技術(shù)取代開(kāi)關(guān)場(chǎng)到保護(hù)小室以及保護(hù)屏間的電纜硬連接，采用數(shù)字化電表，該變電站是國(guó)內(nèi)第一個(gè)完整意義上的220 kV數(shù)字化變電站；2010年完成的桂林500 kV數(shù)字化變電站[5]是國(guó)內(nèi)第一個(gè)采用電子式互感器IEC 61850-9-2傳輸協(xié)議的數(shù)字化變電站。

2010年國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的一系列智能變電站相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)智能變電站技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的階段。220 kV西涇變電站是國(guó)家電網(wǎng)公司首批智能化變電站試點(diǎn)項(xiàng)目，也是2010年國(guó)網(wǎng)公司智能變電站“四確保一爭(zhēng)取”工程中惟一的220 kV變電站。工程于2010年7月開(kāi)工建設(shè)，2010年12月29日建成投運(yùn)。

1 總體配置

220 kV西涇智能變電站是一座完整意義上的智能化變電站，采用大量新技術(shù)、新設(shè)備、新材料，實(shí)現(xiàn)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，可完成智能告警與故障分析、順序控制等變電站自動(dòng)化系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用功能。

變電站按站控層、間隔層、過(guò)程層“三層兩網(wǎng)”設(shè)計(jì)，220 kV電壓等級(jí)母線保護(hù)和變壓器保護(hù)過(guò)程層采用“直采網(wǎng)跳”模式，線路及母聯(lián)保護(hù)過(guò)程層采用“直采直跳”模式，網(wǎng)絡(luò)雙重化配置；110 kV電壓等級(jí)保護(hù)過(guò)程層采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”模式，同時(shí)SV網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)、IEEE 1588網(wǎng)三網(wǎng)合一，網(wǎng)絡(luò)冗余配置。同一間隔的保護(hù)測(cè)控功能集成在一個(gè)裝置內(nèi)。變電站站控層采用基于一體化信息平臺(tái)方案，完成監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)等應(yīng)用。

2 站控層方案

站控層計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)雖然硬件結(jié)構(gòu)上與常規(guī)變電站相仿，但是針對(duì)智能變電站的應(yīng)用需求增加了大量的高級(jí)功能，其中部分典型的高級(jí)應(yīng)用功能代表了智能變電站的技術(shù)發(fā)展方向。

2.1 基于主站再確認(rèn)機(jī)制的順序控制

可接收和執(zhí)行調(diào)度/集控中心和本地后臺(tái)系統(tǒng)發(fā)出的順序控制命令，經(jīng)安全校核正確后，自動(dòng)完成相關(guān)運(yùn)行方式變化要求的設(shè)備控制，可在站內(nèi)和遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)可視化操作[6]。

在調(diào)度/集控中心選定了順控操作內(nèi)容后，西涇變電站利用遠(yuǎn)動(dòng)通道，將存儲(chǔ)在站內(nèi)遠(yuǎn)動(dòng)裝置的順序控制操作票內(nèi)容以文本方式上送至調(diào)控中心，調(diào)控中心運(yùn)行人員可以利用這些直觀的信息對(duì)本次操作進(jìn)行再確認(rèn)，從而大大提高了控制操作的安全性和可靠性。在順序控制過(guò)程中，變電站可及時(shí)向調(diào)度/集控中心反饋執(zhí)行過(guò)程的信息，如當(dāng)前執(zhí)行步驟、執(zhí)行結(jié)果、遙控是否超時(shí)、是否邏輯閉鎖等，以便主站系統(tǒng)全面的掌控控制過(guò)程。

順序控制不僅支持一次設(shè)備的操作，如遙控、遙調(diào)，也支持二次設(shè)備的操作，如保護(hù)軟壓板投退、定值區(qū)切換等控制方式。順序控制功能支持急停和單步執(zhí)行。可以根據(jù)典型操作票自動(dòng)生成順序控制步驟，可利用已有的順序控制操作票組合生成順控組合票。

2.2 智能告警及故障信息綜合分析決策

在實(shí)際電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中．在異?；蚬收系那闆r下，大量監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集報(bào)警信息涌入調(diào)度控制中心，調(diào)度人員被大量數(shù)據(jù)淹沒(méi)，很難決策。錯(cuò)失處理事故的良機(jī)[7]。而且告警方式比較單一，功能也比較有限，基本上信息按照時(shí)間順序全部顯示，未作篩選和推理判斷處理。一旦發(fā)生事故后，值班人員很難從大量的信息中獲取到重要告警信息，影響對(duì)事故的正確判斷。西涇變電站實(shí)現(xiàn)了智能告警及故障信息綜合分析決策。

（1）對(duì)告警信息進(jìn)行了分層分類處理，對(duì)于不同層級(jí)的告警或事故信息采用不同的展示區(qū)域，可靈活獨(dú)立配置多種屬性，如入庫(kù)不顯示、確認(rèn)后保留、自動(dòng)確認(rèn)、顏色、語(yǔ)音等。

（2）對(duì)同單元（間隔）設(shè)備的告警對(duì)象賦予關(guān)聯(lián)屬性，把同單元（間隔）設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的告警信息作為綜合告警組織在一起展示，便于值班人員直觀地分析原因。

（3）對(duì)于在一段時(shí)間內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)低等級(jí)提示信息，將產(chǎn)生等級(jí)更高的告警信息，以引起運(yùn)行人員的重視。

（4）對(duì)于單個(gè)元件故障或系統(tǒng)綜合故障，系統(tǒng)中建立了專家知識(shí)庫(kù)，當(dāng)故障發(fā)生后，進(jìn)行故障分析并提示下一步處理措施，得出的推理結(jié)論及故障簡(jiǎn)報(bào)可以上送到主站用于事故分析。

2.3 分布式狀態(tài)估計(jì)

通過(guò)面向?qū)ο蟮膶?shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫(kù)及圖模庫(kù)一體化技術(shù)，西涇變電站實(shí)現(xiàn)了分布式狀態(tài)估計(jì)功能。采用一次設(shè)備模型參數(shù)辨識(shí)技術(shù)及快速分解法，分布式狀態(tài)估計(jì)能辨識(shí)出開(kāi)關(guān)狀態(tài)錯(cuò)誤及量測(cè)量中的壞數(shù)據(jù)，給出站內(nèi)正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及更精確的母線電壓值和功率值。狀態(tài)估計(jì)值與實(shí)測(cè)值同時(shí)上送主站，供主站進(jìn)行不同應(yīng)用時(shí)自主選擇，進(jìn)行輔助調(diào)度分析。

2.4 計(jì)量對(duì)比分析系統(tǒng)

西涇變電站大規(guī)模采用了電子式互感器，雖然電子式互感器與傳統(tǒng)互感器相比具備諸多的優(yōu)點(diǎn)，如輸出量線性度好、無(wú)鐵磁諧振及畸變、體積小、重量輕等，但畢竟比起傳統(tǒng)互感器，其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行特性還有待進(jìn)一步研究。西涇變電站在2條220 kV線路上同時(shí)設(shè)置了電子式互感器及傳統(tǒng)互感器，利用長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估兩者的特性差異。西涇變電站計(jì)量對(duì)比分析系統(tǒng)的原理如圖1所示。通過(guò)預(yù)設(shè)的間隔時(shí)間同時(shí)采集需進(jìn)行對(duì)比分析的數(shù)據(jù)，如電流、電壓、功率及累計(jì)電量值等，采集的數(shù)據(jù)記錄在計(jì)量對(duì)比分析服務(wù)器的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。

對(duì)比分析時(shí)以傳統(tǒng)互感器模擬量輸出為基準(zhǔn)，分析出各種工況下電子式互感器數(shù)字量輸出數(shù)據(jù)的偏離率。數(shù)字式計(jì)量與傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)對(duì)比驗(yàn)證采用以下的分析方法來(lái)對(duì)比：

（1）以日、周、月、年作為單位時(shí)段分析偏離率；

（2）以峰、谷、平時(shí)段作為單位時(shí)段分析偏離率（峰、谷、平時(shí)段可配置）；

（3）以不同負(fù)荷率為單位時(shí)段分析偏離率；

（4）以不同溫度為參照量分析偏離率；

（5）累計(jì)計(jì)量差率對(duì)比分析。

從2010年12月29日西涇變電站正式投運(yùn)到2011年4月6日，系統(tǒng)對(duì)220 kV利港一線和利港二線的電壓、電流及電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對(duì)比，電量數(shù)據(jù)比較采用2011年4月6日24時(shí)上送的累計(jì)值，電流、電壓比較采用計(jì)算公式如下：

式（1）中：Ai為電子式互感器測(cè)量值；Bi為同一時(shí)刻傳統(tǒng)互感器測(cè)量值；n為測(cè)量值記錄的條目數(shù)。結(jié)果如表1所示。

表1 分析對(duì)比結(jié)果 %

2.5 測(cè)控雙重化處理

西涇變電站各電壓等級(jí)采用保護(hù)測(cè)控一體裝置，由于繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求220 kV以上電壓等級(jí)的保護(hù)裝置需雙重化配置，因此帶來(lái)了測(cè)控“被雙重化”。測(cè)控雙重化處理有以下技術(shù)難點(diǎn)：如何選擇數(shù)據(jù)源；數(shù)據(jù)源不一致時(shí)如何處理；數(shù)據(jù)源切換時(shí)如何保證信息不丟不重；如何保證控制操作時(shí)的安全性和準(zhǔn)確性；如何既保證量測(cè)系統(tǒng)的可靠性，又不增加運(yùn)行維護(hù)的復(fù)雜度。

為解決測(cè)控信息雙重化的問(wèn)題，文獻(xiàn)[8]提出了虛點(diǎn)映射法，但是并沒(méi)有給出多數(shù)據(jù)源切換的判據(jù)。西涇變電站在處理雙重化測(cè)控時(shí)，提出了“二次設(shè)備健康狀態(tài)”判據(jù)，利用裝置的健康狀態(tài)來(lái)自動(dòng)選擇最可靠的測(cè)控上送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，接收控制命令。裝置的健康狀態(tài)包括裝置的自檢信息、通信狀態(tài)及檢修品質(zhì)位等。對(duì)于上行的公共信息，系統(tǒng)采用多源數(shù)據(jù)模式來(lái)處理，同時(shí)接受同一間隔不同保護(hù)測(cè)控裝置的上行數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)源的健康程度來(lái)判斷采用哪個(gè)裝置的數(shù)據(jù)源，健康程度判據(jù)包括裝置的通信狀態(tài)及裝置的檢修壓板狀態(tài)，數(shù)據(jù)源預(yù)設(shè)優(yōu)先等級(jí)，在健康程度相同的情況下，采用優(yōu)先等級(jí)高的數(shù)據(jù)源反映一次設(shè)備運(yùn)行信息。

對(duì)于裝置上行的私有數(shù)據(jù)，不采用多源數(shù)據(jù)模式處理。對(duì)于下行的控制命令，控制命令只發(fā)送到其中的一個(gè)數(shù)據(jù)源執(zhí)行，首先根據(jù)數(shù)據(jù)源的健康程度來(lái)判斷控制命令采用哪個(gè)裝置來(lái)執(zhí)行，健康程度判據(jù)包括裝置的通信狀態(tài)及裝置的檢修壓板狀態(tài)，數(shù)據(jù)源預(yù)設(shè)優(yōu)先等級(jí)，在健康程度相同的情況下，采用優(yōu)先等級(jí)高的數(shù)據(jù)源執(zhí)行。

3 間隔層及過(guò)程層方案

間隔層采用保護(hù)測(cè)控一體裝置，220 kV電壓等級(jí)線路保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)、母線保護(hù)以及主變保護(hù)，包括合并單元、智能終端、交換機(jī)設(shè)備采用雙重化冗余配置，隨著保護(hù)測(cè)控一體，測(cè)控功能也實(shí)現(xiàn)雙重化配置。110 kV電壓等級(jí)線路保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)、母線保護(hù)單套配置，但合并單元、智能終端配置雙套。

在過(guò)程層組網(wǎng)方案上，同時(shí)采用了“直采直跳”、“直采網(wǎng)跳”和“網(wǎng)采網(wǎng)跳”3種方式，全站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)雙重化配置。

3.1 直采直跳

“直采直跳”方式如圖2所示?！爸辈芍碧币蟊Ｗo(hù)應(yīng)直接采樣，對(duì)于單間隔的保護(hù)應(yīng)直接跳閘。直接采樣最大的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需考慮合并單元的采樣是否同步，采用插值法實(shí)現(xiàn)采樣同步；其次減少了經(jīng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的中間環(huán)節(jié)，提高了可靠性，避免了傳輸延時(shí)抖動(dòng)對(duì)保護(hù)的影響。

圖2 直采直跳

220 kV線路、母聯(lián)保護(hù)采用“直采直跳”方式，分別與合并單元和智能終端相連。保護(hù)測(cè)控裝置分別接入過(guò)程層和站控層。

3.2 直采網(wǎng)跳

“直采網(wǎng)跳”方式如圖3所示。“直采網(wǎng)跳”方式下，保護(hù)直接采樣，跳閘則直接通過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。而直跳相比網(wǎng)絡(luò)跳閘方式可以減少光纖數(shù)量，同時(shí)減少裝置光纖口的數(shù)量，降低工程實(shí)施及后期維護(hù)的工作量，在針對(duì)多間隔的保護(hù)裝置中采用這種方式優(yōu)勢(shì)更為明顯。但可靠性相對(duì)直跳方式較低。220 kV母線和變壓器保護(hù)裝置采用了“直采網(wǎng)跳”的方式。

3.3 網(wǎng)采網(wǎng)跳

“網(wǎng)采網(wǎng)跳”方式如圖4所示?！熬W(wǎng)采網(wǎng)跳”方式下，采樣數(shù)據(jù)和GOOSE跳閘數(shù)據(jù)均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸。合并單元需要全站同步，保護(hù)裝置收到采樣數(shù)據(jù)后通過(guò)序號(hào)方式進(jìn)行同步，完成保護(hù)計(jì)算。110 kV線路提供雙網(wǎng)口分別接入B網(wǎng)絡(luò)中的采樣及GOOSE數(shù)據(jù)。110 kV母差保護(hù)考慮遠(yuǎn)期規(guī)劃，裝置接入間隔數(shù)則較多，達(dá)到15個(gè)。每個(gè)間隔合并單元的流量按照國(guó)網(wǎng)版IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，約為7.8 Mb/s。而裝置的單網(wǎng)口帶寬為100 Mb/s，按照不大于40%以太網(wǎng)帶寬計(jì)算[9]，裝置提供了4個(gè)以太網(wǎng)口接入15個(gè)間隔的采樣數(shù)據(jù)。而過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)雙重化，因此110 kV母差裝置使用了8個(gè)以太網(wǎng)口來(lái)用于接收采樣值數(shù)據(jù)。

值得注意的是，單裝置跨接雙網(wǎng)的情況下，需要確保雙網(wǎng)的采樣數(shù)據(jù)源相同。否則由于網(wǎng)絡(luò)傳輸原因造成采樣點(diǎn)異常時(shí)，不能保證切換過(guò)程中采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)，會(huì)造成保護(hù)短時(shí)閉鎖，這是不允許出現(xiàn)的。對(duì)于多間隔的保護(hù)，數(shù)據(jù)的切換有按間隔切換和按網(wǎng)絡(luò)切換2種方式。在不考慮復(fù)故障的原則下，西涇變電站的110 kV母差保護(hù)裝置雙網(wǎng)數(shù)據(jù)采用按網(wǎng)絡(luò)整體切換方式，切換邏輯如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

江蘇省無(wú)錫220 kV西涇智能變電站作為國(guó)網(wǎng)公司的智能變電站試點(diǎn)工程之一，采用了多種創(chuàng)新技術(shù)，220 kV電壓等級(jí)采用“直采直跳”、“直采網(wǎng)跳”2種方式，110 kV電壓等級(jí)采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”+“SV，GOOSE，IEEE 1588對(duì)時(shí)三網(wǎng)合一”模式，在一個(gè)變電站內(nèi)試驗(yàn)了多種過(guò)程層組網(wǎng)技術(shù)，為今后的新技術(shù)應(yīng)用提供參考。西涇變電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為智能變電站的進(jìn)一步發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

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