智能變電站過程層應(yīng)用技術(shù)剖析

摘要：隨著電力在應(yīng)用與傳輸技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，智能變電站逐漸受到重視并得到廣泛應(yīng)用。過程層應(yīng)用技術(shù)是智能變電站的技術(shù)要點(diǎn)，其有利于促進(jìn)智能變電站的發(fā)展?，F(xiàn)主要闡述變電站過程層的概況，分析過程層應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)，在滿足過程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件，研究過程層方案設(shè)計(jì)，旨在為過程層技術(shù)的應(yīng)用提出一些有價(jià)值的參考意見。

關(guān)鍵詞：智能變電站;過程層;應(yīng)用技術(shù)

0? ? 引言

相較普通的變電站而言，智能變電站已然成為未來電能領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。相關(guān)過程層應(yīng)用技術(shù)的研究對(duì)于促進(jìn)智能變電站的發(fā)展有著十分重要的意義。

1? ? 變電站過程層概述

智能變電站是當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的產(chǎn)物?；诓蓸蛹夹g(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和信息綜合處理技術(shù)的綜合應(yīng)用，智能變電站能夠有效實(shí)現(xiàn)信息的數(shù)字化，具有一定的信息采集、信息共享和信息處理能力。智能變電站由站控制層、間隔層和過程層組成。過程層位于整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的底層，主要由各種智能元件組成，配有變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流、電壓互感器等初級(jí)設(shè)備，其主要功能是監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)并執(zhí)行相關(guān)操作指令。過程層與一次設(shè)備密切相關(guān)，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響變電站整體運(yùn)行的安全性和可靠性，如圖1所示。

2? ? 過程層應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

2.1? ? 采樣值的技術(shù)要求

通常，過程層與間隔層之間的信息傳遞主要基于采樣值的數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)，應(yīng)遵循以下原則：首先，將采樣值的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)竭^程層;其次，在變電站配置的保護(hù)測控設(shè)備與組合單元一起使用時(shí)，兩者不能直接傳輸數(shù)據(jù)，需要通過過程層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸來實(shí)現(xiàn)信息的交換和共享;第三，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)訪問方法不僅可以發(fā)揮虛擬技術(shù)的作用，還可以與優(yōu)先級(jí)技術(shù)相結(jié)合，保證網(wǎng)絡(luò)性能，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2? ? 合并單元的技術(shù)要求

合并單元與電子式互感器配套使用，通過合并多個(gè)電子式互感器的數(shù)據(jù)，獲取電壓以及電流的瞬時(shí)值，在全站同步時(shí)鐘的作用下同步采樣電網(wǎng)參數(shù)，并基于IEC 61850-9-1與設(shè)備層或保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是過程層采樣傳輸技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)者。合并單元對(duì)使用環(huán)境的要求較高，需采取電壓保護(hù)以及防靜電等措施。此外，合并單元的守時(shí)性要求極高，在沒有接收外部同步信號(hào)的情況下，合并單元應(yīng)在守時(shí)性較差時(shí)啟動(dòng)自己的內(nèi)部時(shí)鐘。當(dāng)守時(shí)度不滿足要求時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的信息標(biāo)志，以供參考。

2.3? ? 智能終端的技術(shù)要求

智能終端也是智能變電站的重要組成部分，其通過電纜與一次設(shè)備（如變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等）連接，通過光纖網(wǎng)絡(luò)與二次設(shè)備（如保護(hù)裝置、測控裝置等）連接，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了主設(shè)備的監(jiān)控功能。智能終端支持GOOSE模式的信息傳輸，具有記錄GOOSE命令的功能。智能終端作為中間設(shè)備，以GOOSE模式傳輸主設(shè)備的各種狀態(tài)信息，接收主設(shè)備的下行控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)主設(shè)備的控制。智能終端可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況安裝在戶內(nèi)柜或戶外柜，但設(shè)備及柜體需達(dá)到相應(yīng)的安全防護(hù)等級(jí)，以確保設(shè)備運(yùn)行的安全性及可靠性。

3? ? 過程層通信回路監(jiān)視分析方法

3.1? ? 網(wǎng)絡(luò)接入

為了獲取過程層信息，相關(guān)信息采集設(shè)備必須連接到過程層通信網(wǎng)絡(luò)，獲取完整的網(wǎng)絡(luò)通信消息。通信網(wǎng)絡(luò)訪問過程層需要解決兩個(gè)問題：

（1）安全性：鑒于過程層的重要性，相關(guān)信息采集設(shè)備的接入、對(duì)相關(guān)設(shè)備的訪問以及其他網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控過程都必須在不影響原始過程層網(wǎng)絡(luò)功能的前提下進(jìn)行。

（2）全面性：為了獲得完整的二次回路信息，需要保證所有接入點(diǎn)都能獲得完整的過程層通信信號(hào)。

3.2? ? 信息獲取和處理

從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和性質(zhì)來看，通信回路問題主要是由于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸時(shí)間不可預(yù)測性、廣播消息的不可靠性（由于二次回路的實(shí)時(shí)性要求，所有信號(hào)都必須通過廣播傳輸）和干擾消息的不可避免性造成的。

4? ? 過程層方案設(shè)計(jì)

4.1? ? 常規(guī)互感器方案

本方案采用常規(guī)互感器，輸出的電流、電壓為常規(guī)模擬量，通過合并單元實(shí)現(xiàn)采樣值的數(shù)字化，再通過光纖連接進(jìn)行組合。整個(gè)系統(tǒng)采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到無開關(guān)直接采樣的效果[1]。本設(shè)計(jì)方案可以直接通過斷路器，也可以直接通過斷路器啟動(dòng)斷路器重合故障。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是常規(guī)互感器可以直接轉(zhuǎn)換成電子互感器;但也存在一些不足，如結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，傳統(tǒng)的CT飽和問題沒有得到有效解決等。

4.2? ? 電子互感器方案

本方案采用電子式互感器，其最大的優(yōu)點(diǎn)是簡單方便，不需要通過采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，不需要依賴同步時(shí)間信號(hào)，它使信息傳輸更加方便快捷，使信息的數(shù)字化、集成化更容易實(shí)現(xiàn)。此方案可以省去很多中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，但必須使用更多的光纖電纜和開關(guān)，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但配件相對(duì)復(fù)雜。

4.3? ? 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

本方案采用三網(wǎng)融合技術(shù)，與前兩種方案相比，信息共享最大化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單直觀，不需要使用大量的光纜和交換機(jī)，設(shè)計(jì)和施工安裝相對(duì)簡單，便于后期管理和維護(hù)，是未來技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。但該方案技術(shù)要求高、難度大，可靠性與穩(wěn)定性尚有待驗(yàn)證與提高[2]。因此，該方案的實(shí)施還需要注意冗余技術(shù)的應(yīng)用，如圖2所示。

4.4? ? 過程層三網(wǎng)合一方案

以變壓器保護(hù)為例，采用IEC 61850-9-2采樣信息、GOOSE信息、IEEE 1588對(duì)時(shí)信息共網(wǎng)傳輸。間隔層與過程層合并單元遵循IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，與過程層智能終端采用GOOSE通信協(xié)議。過程層網(wǎng)絡(luò)按間隔配置獨(dú)立的間隔交換機(jī)，每個(gè)時(shí)間間隔由骨干網(wǎng)交換機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)信息共享[3]。主變保護(hù)典型配置與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系示意圖如圖3所示。

本方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)GOOSE、采樣值傳輸、IEEE 158三網(wǎng)合一，最大程度地實(shí)現(xiàn)了信息共享;網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，節(jié)省了大量線纜，設(shè)計(jì)和維護(hù)方便。然而，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高要求和高難度，以及缺乏有效的冗余手段，其可靠性受到質(zhì)疑。因此，基于IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)的PRP冗余技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。

5? ? 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于過程層應(yīng)用技術(shù)的研究，無論是對(duì)于該技術(shù)本身的應(yīng)用發(fā)展而言，還是對(duì)于智能變電站更好地服務(wù)于社會(huì)而言都有著重要意義。因此，需要加大對(duì)過程層應(yīng)用技術(shù)的研究投入，使其能夠進(jìn)一步更新和完善，從而提升智能變電站的運(yùn)行可靠性以及高效性，更好地服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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收稿日期：2020-06-02

作者簡介：李暢（1988—），女，湖北武漢人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及電氣二次。