110kV智能變電站線路控制保護系統(tǒng)可靠性方案研究

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(廣西大學電氣工程學院,廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著世界范圍內對能源節(jié)約和環(huán)境保護的一致訴求，以及清潔可再生能源技術、分布式發(fā)電技術、測量傳感技術、網絡通信技術、自動控制技術的發(fā)展，智能電網已經成為未來電網的發(fā)展新趨勢。采用智能電網可以接入大型的風力發(fā)電站和光伏發(fā)電站等新能源發(fā)電，提升電網對清潔可再生能源的接納能力，實現(xiàn)對新能源的開發(fā)和利用，從而達到節(jié)約能源、保護環(huán)境的目的。

智能變電站的概念是伴隨著智能電網而提出的，是智能電網中的關鍵節(jié)點，支撐著智能電網的正常運行，對整個電網的安全穩(wěn)定運行具有十分重要的作用。智能變電站是指由環(huán)保、可靠、低能耗的智能化設備組成,以高速的以太網絡為信息傳輸平臺，自動完成信號采集、保護動作、實時監(jiān)控等功能的變電站隨著高速以太網交換技術的發(fā)展、IEC61850通訊標準的實施、電子式互感器技術及智能斷路器的實用化使智能變電站逐漸形成一次設備智能化，二次設備網絡化的架構體系。

智能變電站保護系統(tǒng)中，光纖連接代替了傳統(tǒng)變電站一次設備與二次設備的電纜連接，互感器的輸出也由模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號。改變了常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)中信息難以共享、設備間不具備互操作性、系統(tǒng)可展性差等不足之處。但隨著信息網絡化傳輸，實現(xiàn)變電站的高度信息共享，其可靠性直接決定了智能變電站的可用性。

框圖法、故障樹法、馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法等為繼電保護系統(tǒng)的經典可靠性評估方法[1-3]。文獻[4]在馬爾可夫狀態(tài)空間與動態(tài)故障樹相結合的基礎上，提出了智能變電站保護系統(tǒng)的動態(tài)可靠性模型，采用基于動態(tài)故障樹結構函數(shù)的蒙特卡羅仿真方法，對保護系統(tǒng)可靠性進行定量評估；文獻[5-7]采用GO法對智能變電站系統(tǒng)的可靠性進行評估與分析；文獻[8]建立了裝置的失效率模型，采用狀態(tài)空間解析法求解可靠度，并進行靈敏度分析。

可靠性框圖法是一種最基本的系統(tǒng)可靠性分析方法。本文根據(jù)智能變電站的特點，提出不同的保護系統(tǒng)方案，采用可靠性框圖法分析過程總線采用不同方案的保護系統(tǒng)的可靠性，并在此基礎上，提出不同的控制方案，探討110kV智能變電站控制系統(tǒng)的可靠性。

2 智能變電站

2.1 智能變電站保護系統(tǒng)配置

IEC61850系列標準規(guī)范了電力系統(tǒng)內各裝置之間的通信規(guī)約，是電力系統(tǒng)自動化網絡通信平臺的唯一國際標準。智能變電站的保護系統(tǒng)采用“三層兩網”式結構，“三層”為站控層、間隔層、過程層，“兩網”為站控層網絡和過程層網絡，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 智能變電站保護系統(tǒng)結構

站控層通過網絡匯集全站實時信息和數(shù)據(jù)，將有關信息送往控制中心，并接收控制中心的命令送至間隔層和過程層執(zhí)行；間隔層主要對一次設備進行保護和控制，完成對過程層實時數(shù)據(jù)、信息的匯集和站控層網絡之間的通信；過程層主要監(jiān)測、傳輸一次設備的實時狀態(tài)并執(zhí)行對一次設備的控制命令。過程層和間隔層間的通信網絡就是過程層網絡，又叫作過程總線。站控層和間隔層間的通信網絡就是站控層網絡，又叫作站控總線。

2.2 過程總線

基于IEC61580標準的智能變電站保護控制體系構筑在網絡通信基礎上,信息網絡化傳輸可以實現(xiàn)高度信息共享。站控總線和過程層總線組成兩個相互獨立的通信子網，其優(yōu)點是網絡結構清楚，信息通信主要在各自網絡中完成，網絡交換機的處理負載不大；并且任意一個網絡通信故障不會造成另一個網絡的通信故障，網絡穩(wěn)定性高。

過程總線可以采用兩種通信方案：一種是采用網絡通信的傳輸方式，即智能電子設備需要經過網絡交換機實現(xiàn)信息間的相互傳遞；另一種是過程總線采用點對點直采直控，即過程層的合并單元、智能終端通過光纖與間隔層的保護控制等裝置直接相連，合并單元直接發(fā)送SV報文到保護裝置，智能終端與保護裝置之間的GOOSE報文直接傳輸。兩種傳輸方式模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 組網方式傳輸模型

圖3 點對點方式傳輸模型

3 智能變電站線路保護系統(tǒng)可靠性

110kV電壓等級的線路保護系統(tǒng)的過程層配置單獨的合并單元和智能終端裝置，每回線路配置單套完整的主、后備保護功能的線路保護裝置。

圖4 110kV智能變電站保護系統(tǒng)

110kV智能變電站線路保護系統(tǒng)如上圖4所示，其中圖4(a)為過程總線采用點對點直采直控的系統(tǒng)，圖4(b)為采用單一網絡交換機的系統(tǒng)。

從圖4中可以看出，110kV智能變電站保護系統(tǒng)過程總線采用直采直控和單一網絡交換機方案的可靠性框圖分別如圖5(a)和圖5(b)所示，其中MU、PR、IT、SW、EM分別表示合并單元、保護裝置、智能終端、網絡交換機、光纖鏈路(設光纖鏈路可靠性為1)。

圖5 保護系統(tǒng)可靠性框圖

其中，110kV智能變電站保護系統(tǒng)中的各元件可靠性參數(shù)如表1所示，其中HIM表示站控系統(tǒng)。

表1 元件可靠性參數(shù)

如圖4中所示系統(tǒng)，根據(jù)圖6中的可靠性框圖，采用可靠性框圖法，可得出圖5(a)過程總線采用點對點直采直控的保護系統(tǒng)可靠性為：

Ra=99.98%

圖5(b)中過程總線采用單一網絡交換機的保護系統(tǒng)的可靠性為：

Ra=99.96%

由此可見，若過程總線采用網絡交換機不僅會降低系統(tǒng)的可靠度，且加大了變電站的投資。當信號重復率較低時，其技術經濟指標較差，不宜推廣應用。

4 智能變電站線路控制系統(tǒng)可靠性

根據(jù)對上述智能變電站保護系統(tǒng)可靠性的分析，過程總線采用點對點直采直控方式，即采樣值(SV)和通用面向對象變電站事件(GOOSE)都通過光纖直接點對點傳送，電子式電流電壓互感器將數(shù)字信號傳送給合并單元，由合并單元進行采樣，并通過SV報文傳送給保護裝置，經線保護裝置的保護邏輯判斷后，經光纖通過GOOSE報文與智能終端互相傳遞信息。110kV智能變電站站保護系統(tǒng)保護控制系統(tǒng)的兩個方案如圖6所示。

圖6 110kV智能變電站控制系統(tǒng)

在圖7的兩個方案中，方案一的站控總線直接與保護裝置相連；方案二在方案一的基礎上，再從站控總線直接引出一根光纖與智能終端相連。根據(jù)圖6(a)和圖6(b)兩個方案，兩個方案的可靠性框圖分別如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7 控制系統(tǒng)可靠性框圖

如圖6中所示控制系統(tǒng)，由圖7中的可靠性框圖

可以得出，圖7(a)站控總線直接與保護裝置相連的方案一的系統(tǒng)可靠性為：

R1=99.96%

圖7(b)中站控總線直接引出一根光纖與智能終端相連的方案二的系統(tǒng)可靠性為：

R1=99.97%

由此可見，智能變電站控制系統(tǒng)采用方案二可以在只增加一根光纖的基礎上，可以提高控制系統(tǒng)可靠性，應推廣應用。

5 結語

本文分別分析了過程總線采用直采直控方案和單一網絡交換機方案的保護系統(tǒng)的可靠性，通過可靠性計算發(fā)現(xiàn)，采用網絡交換機不僅會降低系統(tǒng)的可靠度，且加大了變電站的投資，因此，當信號重復率較低時，其技術經濟指標較差，不宜推廣應用。

提出站控總線直接與保護裝置相連和從站控總線直接引出一根光纖與智能終端相連的兩種不同的控制方案，分別對這兩種方案進行可靠性計算，發(fā)現(xiàn)從站控總線直接引出一根光纖與智能終端相連的方案的可靠性要高于站控總線直接與保護裝置相連方案的可靠性，且只增加了一個光纖，應推廣應用。

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