自動化技術(shù)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用研究

曾湘聰

(蘭州倚能電力設(shè)計咨詢有限公司,甘肅蘭州 730000)

變電站自動化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用提升了電網(wǎng)的自動化、管理水平。我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造與建設(shè)中在低壓變電站、高壓變電站建設(shè)中均引用了自動化技術(shù),提高了電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化管理水平。通過利用輸配電和電網(wǎng)調(diào)度,降低了變電站建造成本。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展智能化控制、光電式電流電壓互感器、一次運營設(shè)備在線檢測、變電站運行培訓(xùn)仿真裝置等技術(shù)逐漸成熟完善,以及計算機高速網(wǎng)絡(luò)在電網(wǎng)系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)用,深刻影響了原有的變動站自動化技術(shù),自動化管理系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)字化變電站中,對優(yōu)化電網(wǎng)運行、提升電力系統(tǒng)的發(fā)展穩(wěn)健性具有深遠的影響意義。

1 數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)方式

數(shù)字化變電場是由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過程層、間隔層、站控層)構(gòu)建[1],IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)和通信規(guī)范對變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作建立現(xiàn)代化變電站有著非凡的作用。數(shù)字化變電場是介于IEC 61850變電站和智能化變電站之間的一種過渡型變電站方式。通過電子式互感器、智能化開關(guān)等設(shè)備,減少了二次電纜資源使用。但是卻忽略了考慮數(shù)字式電能表、在線檢測等問題。

網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層過程層在電力運行時主要是完成功能執(zhí)行和動力驅(qū)動工作。其功能主要有電氣量的檢測,各項設(shè)備運行時檢測狀態(tài)參數(shù),操作控制等,過程層僅存在數(shù)字化變電站之中,普通的變電站只設(shè)有間隔層和站控層。過程層通過合并器、互感器的輸出連接,可以讓跨間隔的數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起進行傳輸。智能終端對控制動作進行操作。

網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層間隔層是電力系統(tǒng)自動化結(jié)構(gòu)中的組成部分。他具有保護控制一次設(shè)備的作用;通過設(shè)備信息采集裝置采集匯總存在于本間隔過程層中的輸出數(shù)據(jù)信息;間隔層的隔操作通過自動化啟動閉鎖功能,實現(xiàn)設(shè)備的關(guān)閉;控制設(shè)備統(tǒng)計功能,對數(shù)據(jù)進行運算分析,采集到的數(shù)據(jù)利用設(shè)備傳輸給計算機進行解讀,并利用智能化功能對其下達控制命令。另外,上下網(wǎng)絡(luò)接口是一種雙口全雙工的接口方式,其接口方式可以更加使網(wǎng)絡(luò)通信更穩(wěn)定,完美提高信息傳輸速度[2]。

網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層站控層指廠站級設(shè)立的監(jiān)控設(shè)備,例如變電站中監(jiān)控設(shè)備運行情況的監(jiān)控系統(tǒng)、子站系統(tǒng)等。監(jiān)控主站、工程師站、信息子站等為站控層主要設(shè)備。其具有站內(nèi)攝像監(jiān)控、人與機器聯(lián)系功能;可以在線維護、組態(tài)、修改參數(shù)等間隔層、過程層設(shè)備的能力;變電站故障自動化分析、培訓(xùn)演示的作用。

2 數(shù)字化變電站的技術(shù)特點

數(shù)字化變電站基本特征為:“智能化一次設(shè)備”和“二次設(shè)備分層網(wǎng)絡(luò)化”以及IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化。

2.1 智能化的一次運營設(shè)備

一次運營設(shè)備是通過微處理器和光電技術(shù)設(shè)計,利用一次運營設(shè)備接收信號并檢測信號回路、操作控制驅(qū)動回路的信息傳輸,將數(shù)據(jù)進行處理已實現(xiàn)智能化。將機電式繼電器、控制回路,連接數(shù)字程控器和公共信號網(wǎng)絡(luò),通過使用可編程控制器替代二次回路中繼電器及邏輯回路強電模擬器信號,光電數(shù)字和光纖代替控制電纜。智能化一次運營設(shè)備具有獨立性,與變電站的控制系統(tǒng)無關(guān)[3]。

2.2 二次設(shè)備分層網(wǎng)絡(luò)化

變電站二次設(shè)備功能設(shè)置為保護、控制一次運營設(shè)備。設(shè)備內(nèi)容如測量儀表、繼電器、操作開關(guān)、按鈕、自動控制設(shè)備、計算機、信號設(shè)備、控制電纜以及提供這些設(shè)備能源的供應(yīng)電能的裝置。變電站二次設(shè)備利用計算機設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的處理設(shè)備,利用移動網(wǎng)絡(luò),將各機電設(shè)備信息鏈接,實現(xiàn)各設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。

2.3 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化

IEC 61850是變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的國際標(biāo)準(zhǔn),目的是保證智能電子設(shè)備(IED)之間通過執(zhí)行一種標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)信息共享,減少協(xié)議轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和設(shè)備轉(zhuǎn)換,使系統(tǒng)調(diào)試方便快捷。智能設(shè)備互操作的實現(xiàn)需要建模、抽象通信服務(wù)接口以及設(shè)備符合自我描述規(guī)范。在XML 變電站標(biāo)準(zhǔn)語言的基礎(chǔ)上網(wǎng)絡(luò)鏈接,系統(tǒng)設(shè)備的配置和功能等進行儲存、讀寫、配置、交換和管理,簡化系統(tǒng)工程實施、配置以及維護的工序。數(shù)字化變動站具有運行管理自動化的優(yōu)點,能夠分析處理故障。利用微處理技術(shù)、智能化傳感器技術(shù)實現(xiàn)自我診斷、控制在線監(jiān)測及設(shè)備等作用。使用管理自動化性能時,當(dāng)變電器在運行過程中發(fā)生缺陷時系統(tǒng)會利用自身的警報裝置進行自動報警,同時該功能會對出現(xiàn)的故障進行分析確定原因、提出解決辦法并出具此次變電站設(shè)備的檢測報告、維修記錄等。數(shù)字化電氣測量系統(tǒng)可以對一次運營設(shè)備、二次設(shè)備分層網(wǎng)絡(luò)化進行電氣隔離,以此擴大電氣量的在開展動態(tài)測量時的范圍并提高測量的精確度。頒布實施IEC 61850標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)志著變電站將開始轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊冸娬綶4]。

3 數(shù)字化變電站自動化應(yīng)用優(yōu)勢

(1)數(shù)字化變電站自動化的功能需要全部實現(xiàn),還存在一些技術(shù)上困難。但是其通過IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)開展模型的建造及通訊化信息的建設(shè),建立數(shù)字化變電站對電網(wǎng)原有的智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備進行了優(yōu)化并完成了變革性改變。變電站的所有保護系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、計算運行系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)都可以只通過一個網(wǎng)絡(luò)接收電流、電壓信息,不再需要分門別類地建設(shè)對應(yīng)的系統(tǒng)信息。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的信息、數(shù)據(jù)功能模型可以提高變電站的信息共享模式和增強系統(tǒng)互操作性能,實現(xiàn)信息不同系統(tǒng)之間的共享,降低投資成本及變電站運行壽命中的維護成本。

(2)數(shù)字化變電站各種設(shè)備間信息交換是通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),那么在變電站不滿足功能需求需要增項或者擴模時,只需要在通信網(wǎng)絡(luò)中接入新增加購買的設(shè)備,各設(shè)備之間就可以實現(xiàn)信息互通,不需要將原有設(shè)備進行更換,降低了投資成本,節(jié)約了資源。同時也可以使得數(shù)字化變電站的運行簡單化、提高工作效率[5]。

(3)在變電站的通信設(shè)備信息接收和傳輸時,傳統(tǒng)的接收傳輸方式是利用電纜來實現(xiàn)的,存在電纜資源需求大、人力成本高、檢修維護不變等缺點。數(shù)字化變電站則是利用光纖技術(shù)代替電纜,只需要光纖線或者電纜線,滿足電磁兼容性要求,對高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)之間實現(xiàn)了電源與用電回路作電氣上的隔離,降低故障的發(fā)生率,減少了變電站設(shè)備維修、調(diào)試等工作量。數(shù)字化變電站選擇取消二次回路接線降低回路,并利用光纖或者網(wǎng)線代替電纜進行信息傳輸,一定程度上杜絕了二次回路接觸、絕緣等安全隱患,降低了各項成本、提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

(4)在使用變電站互感器輸出信息時,因電纜傳輸及二次回路接線會影響信號的傳遞,降低信號的準(zhǔn)確性,為解決這一問題,數(shù)字化變電站采用新的信息互感器接收信號信息,因其減少了二次回路接線并使用光纖或網(wǎng)線進行數(shù)據(jù)傳輸提高了準(zhǔn)確性,提高了變電站運行質(zhì)量及速率。

(5)數(shù)字化變電站自動化應(yīng)用在研究人員開展電力實時仿真實驗時,電力穩(wěn)定狀態(tài)與暫時狀態(tài)同時存在可以利用使用電氣化自動化驅(qū)動技術(shù)來實現(xiàn),讓研究人員實現(xiàn)同步開展實驗。接收大量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)不僅可以為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供數(shù)據(jù)支撐,同時也為仿真實驗的實施開展提供了更高的準(zhǔn)確性。在這種模擬仿真實驗環(huán)境中,科研人員可以進行電力裝置的測試,搭建混合型的實時電力仿真實驗室[6]。

(6)隨著科技、社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,電力的使用覆蓋了幾乎所有行業(yè),若電力系統(tǒng)的能源因故障停電一天,將對眾多行業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和影響。國家、社會對電力系統(tǒng)提供的電力安全穩(wěn)定性要求高,電力系統(tǒng)要利用自動化提高電力能源的效率保證能源的穩(wěn)定性和安全性。電力系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的核心部分為電氣自動化技術(shù),他可以提高電力系統(tǒng)工作人員工作準(zhǔn)確度,對系統(tǒng)的運行故障進行分析給出原因并自行自我修復(fù)。電力系統(tǒng)精準(zhǔn)高效率的運行離不開智能化的自動控制。

4 數(shù)字化變電站自動化應(yīng)用存在的問題

(1)數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的研究還處于初期發(fā)展階段,現(xiàn)目前大部分研究都集中在過程層,如智能化開關(guān)設(shè)備、光電互感器、狀態(tài)檢測等。對于低電壓登記采取合并器造成的成本增加、不分高低壓電流互感器穩(wěn)定性不足導(dǎo)致運行不暢,二次設(shè)備共享數(shù)據(jù)信號如何實現(xiàn)等問題該如何解決。此外,開發(fā)過程中材料器件方面的缺陷、電磁干擾與兼容控制等問題都需要進一步改善解決。

(2)數(shù)字化變電站的保護校驗裝置在變電站運行時無法做到對分間隔提供校驗保護。目前現(xiàn)有繼電保護校驗裝置無法使用,因為電壓和電流需要通過合并器才能進入到保護裝置,而這個過程需要電流電壓量大量的保護校驗,這個是目前無法解決的問題。所以我們雖然按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一生產(chǎn)了一次設(shè)備和二次設(shè)備但是仍然無法解決其限制,無法給變電站的網(wǎng)絡(luò)提供良好的安全保護[7]。

(3)數(shù)字化變電站在過程層如果全面自動化,設(shè)備和合并的使用將會增多,經(jīng)過多個合并器開展數(shù)據(jù)交換輸送,會降低系統(tǒng)的可靠性。

(4)由于目前數(shù)字化變電站的資料并不完善,體系未成形,投入運行的數(shù)字化設(shè)備資料不能將其應(yīng)用知識和技能整理成系統(tǒng)資料參考。運行和檢修也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行,涉及到通信接口、協(xié)議等信號傳輸技術(shù)測試缺乏統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)制定參考了歐美國家標(biāo)準(zhǔn),其部分的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定不符合我們使用的保護功能、類型,未對GOOSE 報文重發(fā)時間、次數(shù)進行說明,可能增加GOOSE 報文重發(fā)次數(shù)、延遲報文。

(5)數(shù)字化變電站自動化使用時間僅僅不過十年,而且隨時跟隨新技術(shù)開展技術(shù)升級,使得設(shè)備檢修方式和任務(wù)轉(zhuǎn)變較快,原有的技術(shù)無法滿足現(xiàn)在的設(shè)備檢修要求,對維護人員技術(shù)提出了高要求。如GOOSE報文重發(fā)次數(shù)、延遲報文的問題,原維修技術(shù)人員可能無法解決該項問題。缺少與新技術(shù)相適應(yīng)并滿足邀請的技術(shù)人員。

5 結(jié)語

綜上所述,數(shù)字化變電站自動化技術(shù)在我國得到了不錯的應(yīng)用,其科研技術(shù)的發(fā)展也非常迅速,但是這還遠遠不能達到社會電力行業(yè)對其實際需求。數(shù)字化變電站自動化技術(shù)在應(yīng)用時仍然有很多問題有待解決。在數(shù)字化變電站中,信息的采集運輸工作自動化已經(jīng)全面實現(xiàn),自動化系統(tǒng)的使用大大優(yōu)化了電網(wǎng)的運行效率,提高了工作質(zhì)量,其設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性也得到了較大的提升。數(shù)字化變電站技術(shù)體現(xiàn)了兼容性,并且具有測量更加準(zhǔn)確、功能更加全面、安全性提升、降低成本等優(yōu)點。所以在未來的發(fā)展中,數(shù)字化變電站自動化應(yīng)該大力發(fā)展,改革創(chuàng)新、不斷進取,促進電力系統(tǒng)的科學(xué)可持續(xù)發(fā)展,實現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)化與升級,滿足更多電力系統(tǒng)發(fā)展需求,為電力系統(tǒng)搶占國際電力技術(shù)席位出一份力。