數(shù)字化變電站自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

梁 京 周建超 何金朋

（煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000）

一、概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對電力資源需求量越來越大，對電力質(zhì)量要求越來越高。變電站作為我國供電網(wǎng)絡(luò)中的重要環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)著電能轉(zhuǎn)換及電能重新分配的重要任務(wù)。目前，一般多采用傳統(tǒng)變電站，主要采用人工抄表、記錄及操作為主，隨著大容量發(fā)電機(jī)組的不斷投運(yùn)，加上大電網(wǎng)及超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)變電站已經(jīng)無法滿足發(fā)展需要。數(shù)字化變電站中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用促使變電站更加適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)管理模式的需求，成為變電站重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。

二、數(shù)字化變電站概述

1 數(shù)字化變電站的基本結(jié)構(gòu)

變電站體系結(jié)構(gòu)趨向于分層分布式，數(shù)字化變電站系統(tǒng)是由過程層（設(shè)備層）、間隔層和變電站層（站控層）三層組成，如圖1所示。

過程層直接采集電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)電氣量，檢測母線、斷路器及變壓器等設(shè)備的狀況。間隔層包括安全自動(dòng)裝置、保護(hù)裝置、測控裝置、保護(hù)裝置、電能計(jì)量裝置以及故障錄波器等設(shè)備。間隔層能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行一次保護(hù)。變電層主要包括遠(yuǎn)動(dòng)裝置、操作員站、主機(jī)和五防工作站等設(shè)備。變電站層需要匯總?cè)緦?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，向調(diào)度中心接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收命令后執(zhí)行過程層，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的人機(jī)聯(lián)系，從而對過程層設(shè)備和間隔層設(shè)備修改參數(shù)、在線維護(hù)。

圖1

2 數(shù)字化變電站的特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)支撐

（1）一次設(shè)備智能化。采用數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開關(guān)等智能一次設(shè)備。電子式互感器不含鐵芯的結(jié)構(gòu)消除了磁飽和，智能高壓電器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測自身故障、自動(dòng)調(diào)節(jié)與遠(yuǎn)方控制中心的通信等，如：智能化組合電器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。一次設(shè)備的避雷器將泄漏電流、動(dòng)作次數(shù)、絕緣污穢等信息送往測量單元，還將避雷器對應(yīng)的電壓互感器的電壓信號送至測量單元。

（2）二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。通過合并單元采集非常規(guī)互感器的輸出信息，然后發(fā)送給保護(hù)測控設(shè)備；一二次設(shè)備用光纖傳輸信息；二次設(shè)備間用通信網(wǎng)絡(luò)交換信息。

（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)能及時(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”。

3 數(shù)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)光纖數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)間隔層（網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備）和站控層（自動(dòng)化綜合心理管理系統(tǒng)）的數(shù)字化通信，并以數(shù)字終端形式代替過程層（智能化的一次設(shè)備）。實(shí)現(xiàn)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。常規(guī)的控制電纜被光纜代替，電磁兼容性得到提高。采用光纖傳輸方式后，變電站一次回路和二次回路實(shí)現(xiàn)了有效的隔離，長期以來在變電站因電纜感應(yīng)，傳導(dǎo)的過流、過壓現(xiàn)象得以消除。從根本上解決抗干擾問題，不怕雷擊、電磁場輻射、串?dāng)_，也沒有二次回路兩點(diǎn)接地的可能性。

（2）提高了經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。節(jié)約了大量的電纜等耗材，具有節(jié)能、環(huán)保、節(jié)約社會資源的多重功效。采用光纖數(shù)字終端的方式實(shí)現(xiàn)了開關(guān)的智能化控制，進(jìn)一步提升了自動(dòng)化和管理水平，為狀態(tài)檢修創(chuàng)造了條件。設(shè)備在線監(jiān)測，將大大提高設(shè)備的使用效率，縮短停電時(shí)間，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）規(guī)范通信協(xié)議。由于數(shù)字化變電站以后即將采用的是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，即實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接口，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家設(shè)備可無縫對接。

三、數(shù)字化變電站自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

1 集中處理數(shù)據(jù)信息與調(diào)控命令

變電站的數(shù)字化建設(shè)時(shí)使用的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要是集中分散式的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)使用的運(yùn)算分析核心是采取可以運(yùn)行IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的的站控層設(shè)備，另外該機(jī)構(gòu)還需要符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的間隔層IED設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)通信、過程層的MU合并單元等執(zhí)行及時(shí)數(shù)據(jù)及信息的通信、共享。在變電站中針對那些220kV及110kV高壓進(jìn)出線及主變等可以運(yùn)行IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的一套、幾套的保護(hù)、集中式測控及各組依據(jù)冗余模式來組網(wǎng)配置的記錄裝置，構(gòu)建起完整的以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化的數(shù)字化變電站。對于35kV及以下的中低壓單元，由于基本采用室內(nèi)開關(guān)柜形式，因此可以在開關(guān)柜中分布裝設(shè)滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的間隔層IED電子設(shè)備，分散采集開關(guān)柜中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，且要進(jìn)行統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)定，將設(shè)備與站控層進(jìn)行及時(shí)有效的通信交流，保證完成數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程操控、保護(hù)和測控等功能。

2 動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)在數(shù)字化變電站的應(yīng)用

在數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的主要內(nèi)容中，它要求數(shù)字化變電要具備一定的自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化、人性化的特性。而目前我國國內(nèi)正在運(yùn)行中的數(shù)字化變電站，其繼電保護(hù)技術(shù)中的二次設(shè)備并不存在一個(gè)完善的檢查與檢測方法，對于數(shù)字化變電站來說，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于數(shù)字化設(shè)備的發(fā)展。動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)在數(shù)字化變電站的應(yīng)用，不僅能夠?qū)收系陌l(fā)生以及操作演練或者是數(shù)字化變電站的運(yùn)行方法有一個(gè)仿真模擬的前提，這就能夠?qū)Πɡ^電保護(hù)設(shè)備、故障錄波設(shè)備、自動(dòng)測控系統(tǒng)、智能儀表等在內(nèi)的二次設(shè)備發(fā)送模擬信號，從而實(shí)現(xiàn)對母線、線路、變壓器的監(jiān)控與保護(hù)。

3 分散式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展完善，分散式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是繼集中式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)大進(jìn)步。在分散式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，將變電站中各種輸入輸出單元元件安裝在中低壓開關(guān)柜中，或者安裝在高壓一次設(shè)備附近，單元部件能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)和監(jiān)控的雙重功能，可以有效的對現(xiàn)場單元部件進(jìn)行繼電保護(hù)和安全監(jiān)控，其中信息通信的方式基本都是通過RS-422/RS-485通信接口進(jìn)行連接通信的，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善，在分散式結(jié)構(gòu)中逐漸加大了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用力度，比如LON EORKS和CAN等現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡(luò)，使得變電站的自動(dòng)控制更加完善同步。對于分散式結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，更是將遙測、遙信、采集與處理、遙控命令執(zhí)行和繼電保護(hù)功能集中體現(xiàn)在現(xiàn)場的單元部件上，在工作中單元部件將信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_主計(jì)算機(jī)上，此時(shí)后臺主計(jì)算機(jī)則會對變電站內(nèi)的工作進(jìn)行自動(dòng)處理控制?？傮w上來說，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式對主控制室的要求不那么苛刻，能夠有效的降低主控制室的面積，大大的降低了檢修工作的難度，減小了工程造價(jià)以及工程難度，并且在工作中，使變電站運(yùn)行的安全性更高、穩(wěn)定性更高、工作性更強(qiáng)。

結(jié)語

當(dāng)前，傳統(tǒng)變電站的發(fā)展存在較大瓶頸。為滿足不斷增長的電力資源需求，通過應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，加快數(shù)字化變電站的深入發(fā)展，提高變電站工作效能，從而提供穩(wěn)定、高效、高質(zhì)量的電能，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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