變電站數(shù)字化管理技術(shù)

摘要：數(shù)字化變電站是當(dāng)前變電站研究的熱點，它集中了當(dāng)前變電站發(fā)展的最新技術(shù)：非常規(guī)互感器、智能化開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，本文對此進行了探討。

關(guān)鍵詞：互感器 智能斷路器技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1 非常規(guī)的互感器

隨著計算機和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制和保護裝置已廣泛用于電力系統(tǒng)，它的輸入僅需要土SV電壓和mw級功率，電力計量與繼電保護已日漸實現(xiàn)自動化、微機化。電磁式電流互感器的SA或IA輸出必需經(jīng)過相應(yīng)的隔離變換才能與數(shù)字化保護和測控設(shè)備接口，而非常規(guī)互感器本身就是利用光電技術(shù)的數(shù)字化設(shè)備，可直接與數(shù)字化保護和測控設(shè)備接口，避免中間環(huán)節(jié)。非常規(guī)互感器具有如下一系列優(yōu)點：①高低壓完全隔離，安全性高，具有優(yōu)良的絕緣性能。電磁式互感器的被側(cè)高壓信號與二次線圈之間通過鐵芯禍合，絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其造價隨電壓等級呈指數(shù)關(guān)系上升。非常規(guī)互感器將高壓側(cè)信號通過絕緣性能很好的光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備，這使得其絕緣結(jié)構(gòu)大大簡化，電壓等級越高其性價比優(yōu)勢越明顯。非常規(guī)互感器利用光纜而不是電纜作為信號傳輸工具，實現(xiàn)了高低壓的徹底隔離，不存在電壓互感器二次回路短路或電流互感器二次開路給設(shè)備和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。②不含鐵芯，消除了磁飽和和鐵磁諧振等問題。電磁式電流互感器由于使用了鐵芯，不可避免地存在磁飽和及鐵磁諧振等問題。非常規(guī)互感器在原理上與傳統(tǒng)互感器有著本質(zhì)的區(qū)別，一般不用鐵芯做磁禍合，因此，消除了磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象，從而使互感器運行暫態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn)定性好，保證了系統(tǒng)運行的高可靠性。⑧抗電磁干擾性能好，低壓邊無開路高壓危險電磁式電流互感器二次回路不能開路，低壓側(cè)存在開路危險。非常規(guī)互感器的高壓側(cè)與低壓側(cè)之間只存在光纖聯(lián)系，信號通過光纖傳輸，高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，互感器具有較好的抗電磁干擾能力，低壓側(cè)無開路引起的高電壓危險。④動態(tài)范圍大，測量精度高。電網(wǎng)正常運行時，電流互感器流過的電流并不大，但短路電流一般很大，而且隨著電網(wǎng)容量的增加，短路電流越來越大。電磁式電流互感器因存在磁飽和問題，難以實現(xiàn)大范圍測量，一臺互感器很難同時滿足測量和繼電保護的需要。非常規(guī)互感器有很寬的動態(tài)范圍，一臺非常規(guī)互感器可同時滿足測量和繼電保護的需要。⑤頻率響應(yīng)范圍寬。非常規(guī)互感器的頻率范圍主要取決于相關(guān)的電子線路部分，頻率響應(yīng)范圍較寬。非常規(guī)互感器可以測出高壓電力線上的諧波，還可進行電網(wǎng)電流暫態(tài)、高頻大電流與直流的測量，而電磁式互感器是難以進行這方面的工作的。

2 智能斷路器技術(shù)

數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展對于斷路器控制回路的智能化提出了必然的要求，符合數(shù)據(jù)通信要求的斷路器接口設(shè)備應(yīng)運而生，或可稱為智能斷路器控制裝置，主要實現(xiàn)目前操作箱的基本功能，并實現(xiàn)就地化布置，同時，由于智能操作箱引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)，因此，除完成基本操作功能外，還可以有效地實現(xiàn)對于斷路器狀態(tài)的監(jiān)視。如斷路器跳合閘回路的完好性，斷路器操作次數(shù)統(tǒng)計，彈簧儲能狀態(tài)，SF6氣體壓力等，并可具備監(jiān)視數(shù)據(jù)的分析功能，機械磨損，電氣磨損，氣體泄漏，趨勢圖，線圈監(jiān)視等。如果從合并單元引入電流、電壓量就可以具備斷路器單元控制功能，實現(xiàn)斷路器最佳時刻的分合閘操作，并更好地判斷斷路器的運行狀態(tài)。智能操作斷路器是在現(xiàn)有斷路器的基礎(chǔ)上引入智能控制單元，它由數(shù)據(jù)采集、智能識別和調(diào)節(jié)裝置3個基本模塊構(gòu)成。(見圖1)

圖中實線部分為現(xiàn)有斷路器和變電站的有關(guān)結(jié)構(gòu)和相互關(guān)聯(lián)。智能識別模塊是智能控制單元的核心，由微處理器構(gòu)成的微機控制系統(tǒng)，能根據(jù)操作前所采集到的電網(wǎng)信息和主控制室發(fā)出的操作信號，自動地識別當(dāng)次操作時斷路器所處的電網(wǎng)工作狀態(tài)，根據(jù)對斷路器仿真分析的結(jié)果決定出合適的分合閘運動特性，并對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出調(diào)節(jié)信息，待調(diào)節(jié)完成后再發(fā)出分合閘信號；數(shù)據(jù)采集模塊主要由新型傳感器組成，隨時把電網(wǎng)的數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式提供給智能識別模塊，以進行處理分析；執(zhí)行機構(gòu)由能接收定量控制信息的部件和驅(qū)動執(zhí)行器組成，用來調(diào)整操動機構(gòu)的參數(shù)，以便改變每次操作時的運動特性。此外，還可根據(jù)需要加裝顯示模塊、通信模塊以及各種檢測模塊，以擴大智能操作斷路器的智能化功能。這種智能操作要求斷路器具有機構(gòu)動作時間上的可控性，目前斷路器常用的氣動操作機構(gòu)，液壓操作機構(gòu)和彈簧操作機構(gòu)由于中間轉(zhuǎn)換介質(zhì)等因素，控制時間離散性大，其運動特性很難達(dá)到理想的可控狀態(tài)。采取電磁操作機構(gòu)的斷路器利用電容儲能、永磁保持、電磁驅(qū)動、電子控制等技術(shù)，當(dāng)機構(gòu)確定后運動部件只有一個，沒有中間轉(zhuǎn)換介質(zhì)，分合閘特性僅與線圈參數(shù)相關(guān)，可以通過微電子技術(shù)來實現(xiàn)微秒級的控制，通過對于速度特性控制實現(xiàn)斷路器的智能化操作。

3 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

通信技術(shù)是變電站自動化系統(tǒng)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，所采用的技術(shù)必須滿足變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸時間要求，對數(shù)字化變電站有重要影響的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有：①交換式以太網(wǎng)技術(shù)。變電站內(nèi)數(shù)據(jù)流方向，既有同一層橫向數(shù)據(jù)交換，也有層和層之間縱向數(shù)據(jù)交換。不同層次不同方向的數(shù)據(jù)交換其數(shù)據(jù)流量、時間響應(yīng)特性要求也各不相同。國外專門對比研究了普通以太網(wǎng)和令牌總線網(wǎng)的性能，結(jié)論是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷小于25％情況下，以太網(wǎng)響應(yīng)時間要比令牌總線網(wǎng)絡(luò)快得多。②IEEE802.1P排隊特性。實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)在同一個網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，容易發(fā)生競爭服務(wù)資源的情況。IEEE802.1P排隊特性采用帶IEEE802.1Q優(yōu)先級標(biāo)簽的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，使得具有高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀獲得更快的響應(yīng)速度。該技術(shù)使得數(shù)字化變電站過程總線和變電站總線有可能合并為同一個物理網(wǎng)絡(luò)。③虛擬局域網(wǎng)VLAN。VLAN是一種利用現(xiàn)代交換技術(shù)，將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備邏輯地，而不是物理地劃分成多個網(wǎng)段的技術(shù)。這樣，變電站中控制網(wǎng)段和非控制網(wǎng)段可以從邏輯上劃分，而不需依賴物理組網(wǎng)方式以及設(shè)備的安裝位置，從而有效保證了控制網(wǎng)段的安全性。④快速生成樹協(xié)議IEEE802.1w。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)拓?fù)渲胁荒艹霈F(xiàn)環(huán)路，因為由廣播產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包會引起無限循環(huán)而導(dǎo)致阻塞。環(huán)路問題依靠生成樹算法解決。快速生成樹協(xié)議使算法的收斂過程從1min降低到1—10s。這樣，在變電站網(wǎng)絡(luò)中可以采用多種冗余鏈路設(shè)計，以促證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)字化變電站的神經(jīng)系統(tǒng)，其可靠性、寥時性和安全性直接決定了數(shù)字化變電站系統(tǒng)的可用性。

總之，相對常規(guī)變電站自動化技術(shù)，數(shù)字化技術(shù)使變電站獲得以下優(yōu)勢：①信息傳輸可靠性高；②二次接線簡單：③測量精度高。④共用統(tǒng)一信息平臺，減少重復(fù)設(shè)備；⑤便于功能擴充；⑥管理自動化。目前，國內(nèi)數(shù)字化變電站系統(tǒng)的應(yīng)用和實施尚處于探索、起步階段，尤其是過程層和間隔層IED之間數(shù)字通信方案還停留在開發(fā)研究的初期，還需要相關(guān)專家、從業(yè)人員不斷的努力和探索。