常規(guī)變電站智能化改造探索和實踐

徐鶴勇

（國網(wǎng)寧夏電力公司，寧夏 銀川 750001)

1 概述

積極發(fā)展智能電網(wǎng)以適應(yīng)未來可持續(xù)發(fā)展的要求，已成為國內(nèi)外電力發(fā)展的現(xiàn)實選擇。我國在智能電網(wǎng)的建設(shè)過程中，著力打造以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，通過先進的設(shè)備技術(shù)和控制方法，實現(xiàn)電網(wǎng)的安全、高效運行。智能變電站作為堅強智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和節(jié)點支撐是必不可少的建設(shè)內(nèi)容。由于目前變電站多為常規(guī)變電站，重建成本高昂，所以在常規(guī)變電站的改、擴建過程中實現(xiàn)智能化是一種切實有效的辦法。這不僅能夠有效推進智能化建設(shè)，還可實現(xiàn)降本增效。

2 常規(guī)變電站設(shè)備組成

常規(guī)變電站的一次設(shè)備，如斷路器、隔離開關(guān)、互感器等設(shè)備的控制、信號、電壓/電流值等，均是通過電纜與保護裝置、測控裝置等進行連接，然后通過各個裝置上的通訊接口(多為網(wǎng)口或串口)及私有通訊協(xié)議，實現(xiàn)與后臺、遠動主站的通訊及各種信號的傳輸。

目前，常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)的信息采集來源于常規(guī)電磁型電流/電壓互感器(TA/TV)。TA 的額定輸出信號為1 A或5 A，TV的額定輸出信號為100 V或因此，變電站IED設(shè)備(智能電子設(shè)備)必須通過電磁變換回路，將常規(guī)互感器的二次輸出量變換為適合于微電子電路的低電平信號，通過對應(yīng)于每臺設(shè)備的二次電纜將測量值傳送至繼電保護、測控、計量測量及自動化系統(tǒng)。這是一種“并行”傳輸方式，也是目前國內(nèi)大多常規(guī)變電站采用的分散分布式變電站自動化系統(tǒng)。其設(shè)備及通訊網(wǎng)絡(luò)簡單結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 智能化設(shè)備應(yīng)用及通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展是變電站自動化技術(shù)從集中式向分布式發(fā)展的基礎(chǔ)，二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O接口單元，而是通過邏輯功能模塊真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享。以太網(wǎng)技術(shù)正被廣泛用于變電站自動化系統(tǒng)過程層的采集過程，測量單元和間隔層保護、控制單元中，構(gòu)成基于網(wǎng)絡(luò)控制的分布式變電站自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)的通信具有實時性、優(yōu)先級、通信效率高等特點。智能一、二次設(shè)備及通訊網(wǎng)絡(luò)簡單結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與常規(guī)變電站相比，智能化變電站間隔層和站控層的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)接口只是接口和通信模型發(fā)生了變化，而過程層卻發(fā)生了較大的改變，由傳統(tǒng)的電流/電壓互感器、一次設(shè)備以及一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的電纜連接，逐步改變?yōu)殡娮邮交ジ衅鳌⒅悄芑淮卧O(shè)備、合并單元、光纖連接等內(nèi)容。IEC61850將數(shù)字化變電站分為過程層、間隔層和站控層，各層內(nèi)部及各層之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。整個系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)可以分為間隔層通訊網(wǎng)(站控層和間隔層之間)以及過程層通訊網(wǎng)(間隔層和過程層之間)。站控層通信全面采用IEC61850標準，監(jiān)控后臺、遠動通信管理機和保護信息子站均可直接接入符合IEC61850標準的IED設(shè)備，同時提供了完備的IEC61850工程工具，用以生成符合IEC61850-6規(guī)范的SCL文件，可在不同廠家的工程工具之間進行數(shù)據(jù)信息交互。

圖1 常規(guī)變電站典型結(jié)構(gòu)示意

圖2 智能化變電站典型結(jié)構(gòu)

4 智能化改造技術(shù)難點及改造步驟

4.1 智能化改造技術(shù)難點

(1)某220 kV變電站為常規(guī)變電站，作為電網(wǎng)骨架處于運行狀態(tài)，是周邊地區(qū)的重要負荷中心。作為老舊站，站內(nèi)一、二次設(shè)備均已運行較長時間，且在最初設(shè)計規(guī)劃時，由于技術(shù)條件及水平等方面的限制，變電站的自動化、信息化水平相對較低。為了將該變改造成智能變電站，需要進行一次設(shè)備智能化改造、二次設(shè)備更換、信息傳輸及通信網(wǎng)改造以及智能變電站高級功能的實現(xiàn)等。常規(guī)站的智能化改造必須結(jié)合當前變電站內(nèi)一、二次設(shè)備的實際情況，進行合理的規(guī)劃、設(shè)計和實施，從技術(shù)實現(xiàn)的角度上看，其改造難度遠高于常規(guī)綜自改造或新變電站建設(shè)。

(2)該變電站已運行近20年，站內(nèi)一、二次設(shè)備類型繁多，設(shè)備狀況較復(fù)雜，投運后部分設(shè)備和系統(tǒng)進行過多次技術(shù)改造，導(dǎo)致智能化改造難度較大。站內(nèi)部分一次設(shè)備運行時間較長，需結(jié)合改造進行更換；繼續(xù)運行的一次設(shè)備在智能化改造中需充分了解及掌握技術(shù)參數(shù)，以便于在線監(jiān)測裝置的選型與設(shè)計；在改造過程中要保證不破壞原有一次設(shè)備的結(jié)構(gòu)，以保證智能化改造后一次設(shè)備的可靠運行。二次設(shè)備由于運行年限、通信接口以及功能方面的原因，已完全不能滿足智能化需求，需要全部進行更換。

(3)智能化改造不同于以往變電站的技術(shù)改造工程，不僅僅是簡單的設(shè)備更換、功能升級工作。在智能化變電站中，變電站運行模式、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等已完全不同于以往常規(guī)變電站，許多新技術(shù)、新功能都是首次應(yīng)用，仍處于探索研究階段，沒有成熟的經(jīng)驗可供借鑒。變電站智能告警與事故分析、GOOSE網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)視告警、順序控制等功能及系統(tǒng)，仍需要在使用過程中不斷完善和改進，更多基于智能化網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)也需要在試驗和具體應(yīng)用中深入研究。如何合理、有效地將新技術(shù)應(yīng)用到該變電站智能化改造過程中，同時又不會對已有運行設(shè)備的安全可靠運行產(chǎn)生影響，是變電站智能化改造過程中需重點考慮的問題。

(4)目前，變電站智能化改造多采用“廠家驗收+現(xiàn)場調(diào)試”的方法。但在智能化變電站改造過程中，智能化設(shè)備在出廠聯(lián)調(diào)和現(xiàn)場調(diào)試過程中，并沒有特定機構(gòu)進行專門調(diào)試工作，且缺乏設(shè)備調(diào)試方面的流程及技術(shù)標準，調(diào)試內(nèi)容不能完全涵蓋所有技術(shù)指標。部分設(shè)備及功能無法在廠家聯(lián)調(diào)過程中進行，在現(xiàn)場施工過程中如果發(fā)現(xiàn)缺陷，極易造成工期延誤等問題。因此，在實際智能化改造過程中，逐步摸索一次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)及二次智能化設(shè)備的調(diào)試驗收方法，形成相關(guān)調(diào)試手冊及調(diào)試流程，保證智能化變電站具備較高技術(shù)水平，確保其安全可靠運行。

4.2 公用回路改造

在以往常規(guī)變電站綜自改造過程中，首先必須對公用回路進行改造，如電壓回路、公用信號回路，以方便后續(xù)各間隔改造時各種信號及采樣的接入。智能化改造中所使用的電子式電壓互感器，由于全部采用光纖接口，不能滿足新、老母差保護同時運行的條件，所以原有的改造模式并不適用于智能化改造。故可以通過母線分列運行的方式，將所有未改造的間隔掛在一條母線上運行，仍然使用傳統(tǒng)母差保護。隨后即可在空出母線上對傳統(tǒng)母線電壓互感器進行改造，以便后期改造完成間隔的接入。對空出母線上的電壓互感器、公用測控、采用光纖接口的母差保護裝置進行改造安裝完成后，將運行間隔依次停電進行改造。改造完成后，新的一次設(shè)備、二次智能設(shè)備在新母線上運行，改造完成后的間隔接入新母差保護。

4.3 線路間隔改造

各間隔智能化改造過程中，在間隔停電后，按是否需要更換互感器對線路間隔進行改造。如果需要，則將傳統(tǒng)電流互感器更換為電子式電流互感器的間隔；如果不需要，則在開關(guān)場就地增加模數(shù)、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，以實現(xiàn)與智能網(wǎng)絡(luò)對接。對此，需要考慮電流極性并現(xiàn)場進行極性試驗，就地安裝智能終端柜及在線監(jiān)測單元。

在工程實際應(yīng)用中，現(xiàn)階段主要采用“一次設(shè)備機構(gòu)+智能單元+監(jiān)測單元”的方式，其功能是作為一次設(shè)備的智能化接口，與一次設(shè)備間采用傳統(tǒng)電纜連接，與保護、測控等二次設(shè)備間采用光纜連接，通過GOOSE報文上傳一次設(shè)備的本體狀態(tài)信息，同時接收來自保護、測控的分合閘 GOOSE下行控制命令，實現(xiàn)對一次設(shè)備的實時控制。在實現(xiàn)對一次設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測時，采用外置式傳感器，不需對現(xiàn)有常規(guī)一次斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備進行改動。在完成間隔改造，具備投運條件后，將改造后的間隔導(dǎo)入新母線上運行。

4.4 改造中存在的問題

(1)在改造初期，需要停1臺主變及1條母線，對雙主變、雙母線接線形式的變電站而言，存在較大的運行安全風險；尤其是對區(qū)域主供電負荷變電站，一旦運行母線發(fā)生故障，將會造成較大事故。在改造末期，同樣會出現(xiàn)此類問題。在線路間隔陸續(xù)改造期間，會相繼接入已改造完成的母線運行，在母線已有改造完成間隔運行情況下，新投入間隔在接入實驗過程中，易造成已投入運行的母差、主變等保護誤動，存在一定的風險。

(2)在改造過程中，運行設(shè)備與停電改造設(shè)備存在交直流電源共用等問題，曾經(jīng)發(fā)生過因交直流接地短路故障影響運行設(shè)備安全的事故。

(3)智能化改造與常規(guī)站綜自改造不同，在全部間隔(包括一、二次設(shè)備，自動化系統(tǒng))改造完成以前，未改造部分仍然需要具備一定的遙測、遙信功能并滿足系統(tǒng)安全運行監(jiān)視的要求。未改造設(shè)備接入原有監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，已完成改造部分接入基于IEC61850規(guī)約網(wǎng)絡(luò)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)。由于2種系統(tǒng)采用的通信規(guī)約不一致，相互間無法通信，導(dǎo)致無法直接進行數(shù)據(jù)交換；同時由于2套系統(tǒng)并存且同時運行，互為影響的網(wǎng)絡(luò)故障、運行程序的錯誤，都有可能引起自動化控制系統(tǒng)失靈以及保護誤動等嚴重后果。因此，在智能化改造過程中，變電站監(jiān)控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行無法從技術(shù)上得到保障。

5 結(jié)束語

在智能電網(wǎng)建設(shè)過程中，智能化變電站是支撐點，如何安全、可靠地完成對現(xiàn)有常規(guī)變電站的智能化改造是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化的關(guān)鍵步驟，對建設(shè)堅強智能電網(wǎng)具有極為重要的作用。隨著研究的深入，常規(guī)變電站的改造已逐步進入實施階段。

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