智能電網(wǎng)之?dāng)?shù)字化變電站技術(shù)

隨著智能化電氣設(shè)備的發(fā)展，特別是智能化開關(guān)、光電式互感器等機(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)，數(shù)字化變電站從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，一個(gè)數(shù)字化變電站時(shí)代即將來(lái)臨。該文主要從數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)特征、系統(tǒng)組成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用中存在的問題等幾個(gè)方面進(jìn)行論述。

變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展直接表現(xiàn)為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變遷，從集中式到分層分布式。廠站自動(dòng)化技術(shù)在結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)功能的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)展性和靈活性，基本達(dá)到了節(jié)省投資、簡(jiǎn)化維護(hù)等目的。數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繼承并發(fā)展了分層分布式變電站結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)隨著電子式互感器、智能開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，使得數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又有了不同于常規(guī)變電站的革命性變化，也呈現(xiàn)了與常規(guī)變電站迥異的鮮明的技術(shù)特征。

1 數(shù)字化變電站的技術(shù)特征

各類數(shù)據(jù)從源頭實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，真正實(shí)現(xiàn)信息集成、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)共享。在電流、電壓的采集環(huán)節(jié)采用數(shù)字化電氣測(cè)量系統(tǒng)，如光電/電子式互感器，實(shí)現(xiàn)了電氣量數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化應(yīng)用，并為實(shí)現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變，為實(shí)現(xiàn)信息集成化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。打破常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制、保護(hù)、故障錄波、量測(cè)與計(jì)量等幾乎都是功能單一、相互獨(dú)立的裝置的模式，改變了硬件重復(fù)配置、信息不共享、投資成本大的局面。數(shù)字化變電站使得原來(lái)分散的二次系統(tǒng)裝置，具備了進(jìn)行信息集成和功能合理優(yōu)化、整合的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，數(shù)字化電氣量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，可以有效地集成在智能開關(guān)設(shè)備系統(tǒng)中，按變電站機(jī)電一體化設(shè)計(jì)理念進(jìn)行功能優(yōu)化組合和設(shè)備布置。

系統(tǒng)建模實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，IEC 61850確立了電力系統(tǒng)的建模標(biāo)準(zhǔn)，為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)定義了統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的信息模型和信息交換模型，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的互操作，實(shí)現(xiàn)變電站信息共享。對(duì)一、二次設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一建模，資源采用全局統(tǒng)一命名規(guī)則，變電站內(nèi)及變電站與控制中心之間實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫通信，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)維護(hù)、配置和工程實(shí)施。

設(shè)備實(shí)現(xiàn)廣泛在線監(jiān)測(cè)，使得設(shè)備狀態(tài)檢修更加科學(xué)可行。在數(shù)字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、各種智能電子裝置IED(Intelligent ElectronicDevice)的故障和動(dòng)作信息及信號(hào)回路狀態(tài)。數(shù)字化變電站中將幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，在設(shè)備狀態(tài)特征量的采集上沒有盲區(qū)。設(shè)備檢修策略可以從常規(guī)變電站設(shè)備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，這將大大提高系統(tǒng)的可用性。

2 數(shù)字化變電站的系統(tǒng)組成

數(shù)字化變電站是智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備在IEC62850通信協(xié)議技術(shù)上分層構(gòu)建的，能夠?qū)崿F(xiàn)智能設(shè)備間信息共享和互操作。下面分別對(duì)三個(gè)組成部分進(jìn)行介紹。

2.1 智能化的一次設(shè)備

智能化的一次設(shè)備包括光電/電子式互感器，智能化斷路器等。光電/電子式互感器的最大特點(diǎn)是可以輸出低壓模擬量和數(shù)字量信號(hào)，直接用于微機(jī)保護(hù)和電子式計(jì)量設(shè)備，適應(yīng)電子系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要，由于其動(dòng)態(tài)范圍比較大，能同時(shí)適用于測(cè)量和保護(hù)兩種功能的應(yīng)用。光電/電子式互感器具有良好的絕緣性能、較強(qiáng)的抗電磁干擾能力、測(cè)量頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)。

智能化斷路器由微機(jī)、電力電子組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器，實(shí)現(xiàn)按電壓波形控制跳、合閘角度，精確控制跳、合閘時(shí)間，減少暫態(tài)過電壓幅值。檢測(cè)電網(wǎng)中斷路器開斷前一瞬間的各種工作狀態(tài)信息，自動(dòng)選擇和調(diào)節(jié)操動(dòng)機(jī)構(gòu)以及滅弧室狀態(tài)相適應(yīng)的合理工作條件，以改變現(xiàn)有斷路器的單一分閘特性。在輕載時(shí)以較低的分閘速度開斷，而在系統(tǒng)故障時(shí)又以較高的分閘速度開斷等，這樣就可獲得開斷時(shí)電氣和機(jī)構(gòu)性能上的最佳開斷效果。斷路器設(shè)備的信息由設(shè)備內(nèi)微機(jī)直接處理，并獨(dú)立執(zhí)行當(dāng)?shù)毓δ埽灰蕾囉谧冸娬炯?jí)的控制系統(tǒng)。

2.2 變電站內(nèi)的二次設(shè)備

變電站內(nèi)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、測(cè)量控制裝置、防誤閉鎖裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、故障錄波裝置及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理器設(shè)計(jì)制造，二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場(chǎng)接口，它們之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，并且通過網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享。

2.3 IEC 61850

IEC 61850是國(guó)際電工委員會(huì)TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，它是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它不僅規(guī)范保護(hù)測(cè)控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數(shù)字式TA、TV、智能式開關(guān)等一次設(shè)備的模型和通信接口。它將變電站通信體系分為3層：變電站層、間隔層、過程層。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范(MMS)、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng)。變電站內(nèi)的智能電子設(shè)備(IED，測(cè)控單元和繼電保護(hù))均采用統(tǒng)一的協(xié)議,通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

該標(biāo)準(zhǔn)通過對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的對(duì)象統(tǒng)一建模，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口，增強(qiáng)了設(shè)備之間的互操作性，可以在不同廠家的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。它解決了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。采用該標(biāo)準(zhǔn)還可使變電站自動(dòng)化設(shè)備具有自描述、自診斷和即插即用的功能，極大的方便了系統(tǒng)的集成，降低了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的工程費(fèi)用。在我國(guó)采用該標(biāo)準(zhǔn)系列將大大提高變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)水平，提高變電站自動(dòng)化系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，節(jié)約檢修維護(hù)的人力物力、實(shí)現(xiàn)完全的互操作性。

3 數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)IEC61850通信協(xié)議定義，數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)分為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這三個(gè)層次分別稱為“過程層”、“間隔層”、“站控層”。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，通信媒介為網(wǎng)絡(luò)線或光纖，見圖1。

3.1 過程層

過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說(shuō)過程層是指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過程層的主要功能分三類：電力運(yùn)行實(shí)時(shí)的電氣量檢測(cè);運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè);操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。電力運(yùn)行的實(shí)時(shí)電氣量檢測(cè)，主要包括電流和電壓幅值、相位以及諧波分量的檢測(cè)，與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式互感器被光電/電子式互感器取代，傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代。 運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)，變電站需要進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)的設(shè)備主要有變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)。在線檢測(cè)的內(nèi)容主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機(jī)械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、隔離開關(guān)合分控制，直流電源充放電控制。

3.2 間隔層

間隔層設(shè)備的主要功能是：匯總本間隔過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，實(shí)施對(duì)一次設(shè)備保護(hù)控制功能，和本間隔操作閉鎖、操作同期及其他控制功能;對(duì)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級(jí)別的控制;承上啟下的通信功能，即同時(shí)高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。必要時(shí)，上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工作方式，以提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

3.3 站控層

站控層設(shè)備的主要功能是：通過兩級(jí)高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，按時(shí)登錄歷史數(shù)據(jù)庫(kù);按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心;接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行;具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;具有站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，人機(jī)聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報(bào)警、圖像、聲音等多媒體功能;具有對(duì)間隔層、過程層諸設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)的功能。

4 數(shù)字化變電站應(yīng)用中存在的問題

目前光電/電子式互感器的生產(chǎn)廠家數(shù)量有限，產(chǎn)品可選型號(hào)相對(duì)較少，部分高電壓等級(jí)的電流互感器變比較大，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需要。如內(nèi)蒙古220 kV杜爾伯特?cái)?shù)字化變電站，線路電流互感器變比為1200/5，為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，只能在合并器(作用是將各電流互感器傳回的電流數(shù)據(jù)和由電壓互感器傳來(lái)的電壓數(shù)據(jù)處理后打包輸出，供各保護(hù)和測(cè)控裝置使用)上采用軟件的方法修改變比，使得TA的輸出精度可能無(wú)法滿足要求，給變電站的計(jì)量、保護(hù)都帶來(lái)一定的負(fù)面影響。

由于光電/電子式互感器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式，導(dǎo)致互感器的角差、比差現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難以進(jìn)行，甚至極性試驗(yàn)也無(wú)法開展，只能等到設(shè)備投運(yùn)帶電后，才能檢驗(yàn)接線的準(zhǔn)確性。另外，光電/電子式互感器的局放試驗(yàn)、伏安特性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)也與常規(guī)設(shè)備有很大的區(qū)別，這都需要設(shè)備廠家和運(yùn)行主管單位專門制定。

數(shù)字化變電站保護(hù)校驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜，在變電站運(yùn)行的條件下對(duì)部分間隔保護(hù)校驗(yàn)的難度很大，目前的常規(guī)繼電保護(hù)校驗(yàn)裝置無(wú)法提供數(shù)字化保護(hù)所需的電流量和電壓量，因?yàn)殡娏髁亢碗妷毫勘仨毥?jīng)過合并器才能進(jìn)入保護(hù)裝置，而要完成試驗(yàn)必須自帶合并器提供模擬試驗(yàn)中的電流量和電壓量，要完成母差保護(hù)這類需要