110 kV數字化變電站研究與應用

徐 文，王振祥

（中國交通建設股份有限公司，北京 100088）

0 引言

神華集團黃驊港2號110 kV變電站位于滄州市渤海新區，2010年3月開工，2011年1月16日一次性送電成功并投入使用，項目為神華集團2010年重點工程，緩解現有110 kV變電站供電能力飽和的狀態，同時滿足煤碼頭三期工程以及南、北港區發展的用電需要，在此基礎上，對整個港區的供電系統進行調整，使布局更加合理，提高供電系統的效率，降低電能損失。

1 概述

常規綜合自動化變電站的一次設備采集模擬量，通過電纜將模擬信號傳輸至測控裝置，裝置進行模數轉換并處理，之后通過網線將數字量傳到后臺監控系統。數字化變電站是將信息采集、傳輸、處理和輸出過程完全數字化，并采用IEC61850構建通信網絡，保護、測控、計量、監控、遠動等系統均用同一網絡接收信息，各個系統實現信息共享。近年來，國內各網省公司都進行了數字化變電站試點，并已建成一定數量的數字化變電站，應用程度和技術水平各不相同，目前國內已有科研項目建立了完整的技術標準體系，編制了關鍵設備檢測、網絡性能測試，以及變電站建設運行一整套規范，隨著技術的不斷進步和發展，建立數字化變電站對相關產業鏈的發展具有深遠意義。

黃驊港2號110 kV數字化變電站利用智能化的一次設備和網絡化的二次設備使變電站的信息采集、處理、傳輸和輸出過程全部數字化，變電站采用數字輸出和光纖傳輸的光電式電流互感器、電子式電壓互感器，并通過加裝在一次設備上的智能單元，按IEC61850規約，實現運行狀態數字化的變電站。IEC61850作為電力系統實現無縫通信的規約，大幅減少現場驗收、運行、監視、診斷和維護等工作，解決了變電站自動化系統的互操作性和協議轉換的問題，采用該標準還可以使變電站自動化設備具有自描述、自診斷和即插即用的特性[1]。

2 系統結構

黃驊港2號110 kV數字化變電站按IEC61850標準在邏輯結構上將系統分為過程層、間隔層和變電站層三個層次。

過程層是一次設備和二次設備的結合面，主要由光纖、光纖熔接盒、網線、雙絞線、交換機、路由器等構成，主要功能：①電氣運行的實時電氣量檢測。即利用光電電流、電壓互感器及直接采集數字量等手段，對電流、電壓、相位及諧波分量等進行檢測。②運行設備的狀態參數在線檢測與統計。如對變電站的變壓器、斷路器、母線等設備在線檢測溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態等數據。③操縱控制的執行與驅動。在執行控制命令時具有智能性，能判定命令的真偽及其公道性，還能對即將進行的動作精度進行控制，如能使斷路器定向合閘，選相分閘，在選定的相角下實現斷路器的關合和開斷。

間隔層主要由各小室的通訊管理機、綜合保護裝置、集中測控裝置和通訊管理機等設備構成，主要功能是進行本間隔過程層實時數據信息的匯總，然后在和變電站層連起來，將各種實時信息量上傳，具有承上啟下的作用。主設備端均有獨立設置的測控裝置負責設備的信息采集、處理，在與網絡交換機連接將數據傳至上層。對于變電站設備中暫無法實現數字化設備的，且可實現但成本高過設備的，均采用數字通訊管理機負責信息的采集、處理和上傳，實現數字化功能。每個測控裝置和通訊管理機均通過兩根光纖和交換機連接，通信規約采用IEC61850，在通過交換機連接至變電站層后臺處理。

變電站層構成主要有前置服務器、數據服務器、WEB服務器、集控工作站、報表工作站、圖形工作站、五防工作站、維護工作站、兩票服務器、電能質量服務器、視頻監控服務器、大屏服務器等組成一個總的網絡結構，通過供電集控調度自動化系統作為終端用來完成整港電力調度的全部工作，其它輔助系統包括視頻監控系統、大屏幕顯示系統和調度電話系統等。

集控調度自動化系統由操作系統軟件、支撐軟件和應用軟件等組成，軟件遵循有關國際標準和國家標準，具有可靠性、兼容性、可移植性和可擴性。操作系統軟件采用Unix/Linux/Windows平臺結構，數據服務器和數據采集通信機選擇64位小型服務器，其它服務器和工作站選擇32位PC服務器和工作站，各個節點之間采用100/1 000 M雙網結構。支撐軟件和應用軟件采用模塊式結構，便于修改和維護。支撐軟件包括網絡通信管理軟件、數據庫及數據庫管理系統、圖形報表系統和防病毒軟件等。應用軟件系統具有常規電力監控應用軟件外，擴展并研發了新功能和新應用，主要包括故障預判與限值告警、手機短信發布、視頻聯動系統、批處理功能、“兩票”管理和電能管理和考核等。

3 應用軟件

3.1 故障預判與限值告警

通常電氣設備只有在發生故障時才會報警，如果是關鍵設備或關鍵部件的故障嚴重時可導致全站停電檢修，給安全生產構成嚴重威脅。為了加強對全站供電系統停電事故的有效控制，通過對設備日常運行參數的分析和比對，及時、準備的預判可能出現的故障點，及時、準確、高效地采取有效措施，以防事故發生。

當系統中電容器溫度、GIS壓力、密度、不平衡電流、母線電壓、主變負荷、線路負荷等量測異常時，除了相關保護告警外，這些值如果超過額定上下限值則會越限告警。基于故障預判斷的需要，系統提供這些量測的集中列表監視界面、趨勢變化曲線監視及三級以上限值等級監視，即預告警上下限、額定上下限和上上限下下限。第一個限值是指還沒到額定的上下限，做為故障預判斷的手段。

系統采用兩種算法對限值進行判斷，簡單算法：一有越限，馬上就進行告警。延時算法：當有越限發生時，持續時間沒有超過“延遲時間”，則不告警，只有持續“延遲時間”后仍然越限，才進行告警。這里“延遲時間”用戶可以定義。

3.2 手機短信發布

通常在電網發生事故時，需相關人員相互配合，及時協調處理事故，將事故影響降至最低，這就要求所有相關人員應在第一時間掌握事故情況，為事故處理爭取時間，基于此需求我們開發了手機短信平臺應用軟件。

目前手機短信已經在信息點播中得到廣泛的應用，調度系統支持在調度機房配置一臺手機裝置，經過授權的客戶可以點播諸如電度、YC、總加等實時數據，可以在電網發生事故時在第一時間內把信息發送到需要的負責人的手機上。

在所轄電網安全監視的同時，可對特定的電網事故和故障建立相應的電話信息、語音查詢，撥通特定手機或相關電話，以手機短信息、語音方式通知電網發生的事故或故障類型。系統具有方便、快捷報警信息定義界面，支持告警特性及多種信息組合的綜合信息定義。

短信模塊程序也可將告警窗中的告警（告警類型可選），通過裝置以手機短消息的方式發送給指定的手機，發送對象可以是一個手機也可以是多個手機。智能短信平臺可以按區域、職能和權限來發送短信。

多條短信可以同時發送，發送間隔最短為1 s。裝置聯入系統可以通過串口接到任意一臺工作站上，或者通過網線接到SCADA內網的交換機上。

3.3 視頻聯動系統

目前電力自動化系統已實現了遙視功能，此功能只具備設備間及重點區域的視頻監控，系統相對獨立，應用較為單一。為更大的發揮其功能和擴展與設備關聯的應用，經過多方論證與實驗，最終實現了在設備報警時，此設備間的攝像機及時轉動、拍攝報警設備，并將拍攝到的實時畫面傳送至視頻監控系統與大屏幕投影系統供值班人員識別和處理，提高變電站運行和維護的及時性與安全性。

系統前置服務器通過網絡通訊與視頻系統的主服務器連接，按照預先制定的通訊協議進行通訊，當系統需要聯動時，將需要聯動的攝像機的廠站號、通道號、預制位、是否需要錄像、是否需要抓圖等信息通過通訊協議傳遞給視頻監控系統，由視頻監控系統負責和攝像機通訊，將攝像機根據預制位轉到相應位置，并在視頻系統和大屏幕系統上顯示該攝像機的實時監控畫面。

具體實現方法：首先服務端主程序啟動，同時啟動聯動程序，服務端建立客戶端client連接[IP、端口信息從數據庫中讀取]；聯動程序啟動后，建立一個Server Socket連接，啟動偵聽[端口55558]；聯動程序通過判斷綜自裝置發送過來的事故YX信息，通過邏輯判斷位與位的比較，一旦發現某個事故YX變位[無論分合與否]，將此變位事故YX信息發送給視頻服務端，而后服務端根據此事故YX信息向硬盤錄像機發送指定的預置位命令，同時通知視頻客戶端自動切換到相應畫面。

圖1 系統鏈接圖

3.4 批處理功能

為提高工作效率和探索管理新模式，專門針對110 kV站級管理開發了批處理應用軟件，即事先按照一定的操作流程及處理結果，有規律的事先編寫某一電氣操作的具體步驟，這樣既明確了某一個具體的開關量，又明確了該開關量的目的操作狀態，同時將各類開關量按照固定的操作順序排列組合，以形成完整的某一策略，需要操作時可直接調出策略執行即可，該功能極大地減輕了操作人員的工作量，并減少了誤操作概率。

圖2 批處理策略選擇與執行

3.5 “兩票”（操作票、工作票）管理系統

“兩票”制度是電力系統保證安全工作的重要組織措施。目前許多企業對工作票還是采用人工管理的模式，即手工開票、人工傳票逐級簽發、許可、執行、變更、延期、歸檔等流轉步驟。人工管理工作票的模式存在許多弊端，如書寫的字跡潦草不清、容易出錯重寫、工作票審核周期長、數據難以共享、大量紙質工作票的保存困難、統計分析工作繁雜、需要大量的人力資源等，對工作票實行電子化管理成為一種必然趨勢。

“兩票”系統采用最方便用戶的B/S（瀏覽器/服務器）架構，基于Internet/Intranet運行，可實現各種工作票（如發電和變電的第一、二、三種工作票，電力線路的第一、二種工作票等）在互聯網上的開票、簽發、接收、許可、執行、終結等流轉工作，可存儲海量工作票，同時方便對其進行查詢和統計分析。用戶可自定義工作票格式、審批流程及流程審批權限，采用電氣接線網絡拓撲分析，支持多種開票方式（手工開票、圖形開票、調用歷史票、調用典型票），使工作票的安全措施具有準確性、嚴謹性和規范性。

操作票以計算機管理系統的監控中心層為主，通過監控中心層集中管理，能夠進行微機防誤操作并在模擬操作過程中能夠實現自動生成操作票，模擬操作人即操作票的填寫人可以通過管理系統提交到審核人處，審核人審核完畢后自動返回填寫人處。操作票管理模塊嚴格而靈活，它繼承了傳統的操作票格式，生成的操作票字體整齊、票面美觀，有專用的報表系統對生成的操作票進行管理。除能夠對生成的操作票進行顯示、查詢、存取、分類、編號及自動打印，還可根據操作票的執行情況做新票、歷史票、已執行、作廢、部分已執行等標志，具有操作票的歷史記錄和查詢統計，附合運行值班部分的日常管理規定。開票時，用戶在圖形界面下選擇操作對象后，系統自動分析并顯示所選設備當前的工作狀態（運行、備應用、檢修等）方便用戶根據設備當前狀態選擇相應的操作任務。操作票生成后，自動進入票編輯界面，在此界面下，用戶可仔細檢查票的正確性，對多余項、缺項、項順序錯誤及字詞不準確等情況，均可在此界面下很方便地調整，一般只需鼠標控制，毋需鍵盤操作。可以智能生成以下類型的操作票：線路操作、母線操作、變壓器操作、PT操作、開關操作、電容器操作、電抗器操作。

3.6 電能管理和考核

隨著用電負荷增大，設備種類繁多，電能計量點不斷增加，原來的作業班組生產效率統計方法非常繁瑣且容易出錯，對原有電能管理和考核系統進行了功能擴展和數據擴充，該系統充分考慮數據采集的實時性、精確性和效率，實現數據采集分析的自動化、智能化和網絡化，并提供考核評價、查詢輸出等功能，系統具有運行穩定、安全可靠、操作簡易靈活、界面友好等特點。軟件通過獲得全港供配電所中各計量裝置的電能數據實現負荷監控、單機電能的分布統計、班組噸煤耗電考核、表計運行狀況監測等多種功能。加強公司的用電管理，促進電能合理利用而達到節能降耗的目的。電能分析考核的重點是實現電能量數據的自動采集，以此為基礎進行多層次的數據計算、統計和分析，實現作業班組考核和企業的智能化、網絡化電能利用評估，系統分為系統管理、數據錄入、計算分析、綜合查詢、系統診斷五大功能模塊[2]。

系統管理：完成監測終端、監測點的信息維護和管理，采集方案的定制與維護，實現對子站設備的遠程維護，最大可能實現系統的運行穩定，以減少人工物力支出。

數據錄入：對于系統計算分析所需而系統無法獲取或系統可獲取但需要人工調整的數據，需用戶錄入，數據主要有班組作業量、人工追加各種電能、班組對應的設備故障、停電記錄、設備檢修計劃和設備檢修停電事件等。

計算分析：系統針對線路按不同時段對各項電能質量指標進行數據趨勢分析或頻譜分析。

綜合查詢：報表可打印，并能方便地導入到EXCEL電子文檔中，用戶選擇一個以上監測點，以電能質量各項作為評估依據，判斷各項指標的合格率是否達標。

系統診斷：當線路發生暫態事件時，監測終端對監測點進行錄波，系統提供圖形分析，ITIC曲線分析，SARFI指標分析等分析手段。當線路發生穩態事件時，系統提供多種事件查詢分析方法。

4 效益分析

4.1 社會效益

數字化變電站可減少設備的退出次數和退出時間，提高設備的使用效率，提高保護、測量和計量系統的精度，方便變電站的擴建及系統的擴充。

數字化變電站的安全性和可靠性對保障電網安全穩定運行和實現減員增效具有重要的社會效益。

4.2 經濟效益

設備維護安全可靠。光電電壓互感器不存在二次短路，光電電流互感器不存在二次開路，避免因此而造成的人身傷亡事故和設備損壞而造成的經濟損失。

運營維護工作量減小。數字化變電站除電源回路外無電源二次接線，只有相應的二次邏輯回路，較一般綜合自動化變電站更為簡單，光纜的維護量較之電纜的維護量大幅較少，且光纜數字回路具有完善的自檢功能，維護更為方便。

5 結語

黃驊港2號110 kV變電站于2011年1月16日投入使用，運行正常，投運后大大減少了人工維護登記、人工抄表、故障查找與處理、報表統計等大量工作。系統自動生成的各種計算報表，對于掌握港口整體用電、系統運行變化、煤耗電量考核提供真實有效的數據，為制定企業能源規劃和港口科學發展提供了可靠依據。