數字化技術在變電站工程中的應用

王東明

(東莞電力設計院,廣東 東莞 523000)

數字化技術在變電站工程中的應用

王東明

(東莞電力設計院,廣東 東莞 523000)

自從提出了智能化電網的概念,電網的發展便衍生出了新的指導思想和發展方向,作為智能化電網的重要組成元素,數字化變電站正經歷著革新.數字化技術作為當今變電站工程的核心內容,正在電力系統完善和優化的舞臺上并發揮著重要的作用,將帶來變電站工業的自動化、快捷化及穩定化.

數字化技術;變電站;自動化

作為電力系統中肩負變電重要使命的變電站,是其他一切電力活動的中轉站,具有異常重要的地位.隨著我國經濟水平的不斷提升,電力工程也取得了很大進展,電力系統輸電能力也得到了相應的提升,電力系統網絡分布和結構越發復雜,傳統的電力系統特別是傳統變電站早已不能承受日益增長的用電需求.隨著科學技術的不斷進步,以網絡通信技術、微電子技術為主體的數字化技術在變電站工程中得到了廣泛的應用并取得了明顯的進步.

1 數字化技術用于變電站工程的整體方案

為了實行智能化,可以增設智能終端.將傳統電磁式互感器替換為電子式互感器;基于數字化平臺開發新型的電能計量裝置和測控保護裝置;采用數字化輸入手段替代傳統的模擬量輸入手段進行相應裝置的數據采集;將傳統的102、103變電站標準更新為國際變電站標準IEC 61850;建立總體自動化后臺;選擇新型數字化裝置.

數字化變電站工程建設基本原則:(1)穩妥積極的原則,在保證電網安全性的基礎之上,盡可能選擇成熟穩定的數字化變電站新設備和新技術,同時也可以嘗試選擇部分安全可控的新型實驗性設備和技術,如此也能對以后數字化變電站的發展進行嘗試性的探索.(2)數字化變電站建設工程的基本目標是為了提高變電站的整體自動化程度,同時充分發揮數字化變電站的技術優勢,從而降低變電站的運營和維護成本.(3)數字化變電站技術必將成為未來變電站工程建設發展的主要趨勢,并能有效發揮技術優勢,實現經濟優化的重要目標.數字化在變電站工程的應用應當對建設和維護成本進行評估,盡量選擇高性價比的具體數字化實施方案.(4)數字化變電站的設計和建設應當選擇安全、輕量、環保、節能、經濟、少維護、智能化的數字化變電站一次設備和二次設備,并科學合理的安置相應設備,能夠最大程度的減少使用空間.

2 過程層組網模式及選擇

數字化變電站實現總線的方式,按階段可具體分為以下三個階段:第一階段為點對點連接模式;第二階段為過程層總線模式;第三階段為過程層總線和站控層總線的合并模式.

(1)點對點連接模式.數字化變電站實現總線的第一個階段便是采取點對點的連接模式連接斷路器、傳感器以及保護設備之間的交互信息.利用過程總線來控制斷路器設備和隔離開關,并直接通過點對點連接保護設備進行測量數據的發送,監測和控制均采用過程總線實現.過程層總線和點對點連接均需要采用高網速的以太網,要求遵循各自不同的通信協議.

(2)過程層總線方式.第二個階段將合并數據測量通信系統和控制通信系統,這兩者的合并將有效降低間隔接線的復雜程度,過程層總線模式能夠傳遞數字化電氣測量系統的實時數值,因此具有更快的通信速度.

(3)站控層總線和過程層總線合并的方式.第三階段主要合并站控層總線和過程層總線,也可以將GOOSE網絡包括進來.該模式的顯著優勢在于網絡分布和結構簡單,單一的通信接口就可以實現各間隔層設備的有效連接,能夠有效減少設備成本以及變電站的建設成本.

3 電子式互感器及其分類

眾所周知,傳統的電磁式互感器本身包含諸如絕緣結構復雜等諸多缺陷,很難滿足當今高負載的電力系統基本需求,因此開發和應用新式電子互感器是大勢所趨.電子互感器從最初的電磁式電子互感器發展為羅氏線圈電子互感器,再演變為現如今普遍使用的純光型電子互感器經歷了漫長的過程.

現在市面上包含的電子式電流互感器按原理可以分為兩大類,即線圈電子式電流互感器和純光電子式電流互感器.其中,純光電子式電流互感器又可以按照制作材料細分為光纖型和光學玻璃型;電子式電流互感器按照是否需要電源向高壓側供電細分為無源式和有源式.

以現有的電力系統技術水平,電壓互感器還不能做成電子式,所以,電壓互感器采用常規互感器,通過二次電纜直接接入裝置實現采樣,不配置合并單元.電壓切換和電壓并列方式與常規變電站方式相同.

4 室外光纜連接方案

普遍使用的室外光纜連接方案主要包括以下兩類.(1)參考點對點的間隔模式,相互間隔的每條光纜都由36芯或24芯組成,借由端子箱內熔接盒內匯聚而成,最后各自獨立接入控制室.(2)采用光纖將室外分段、電壓線路以及主變高壓側間隔的光纜組合為兩根96芯光纜接入控制室,主變本體端子箱因為距離控制室較近,可以單獨分出一條光纜接入控制室.

5 工程主要方案實施

5.1 設備布置

數字化變電站系統按邏輯功能劃分為過程層、間隔層、站控層設備.各邏輯功能由相關物理設備實現,單一物理設備可以實現多個邏輯功能.

(1)站控層由自動化站級監視控制系統、 站域控制、 通信系統、對時系統等組成,實現面向全站設備的監視、控制、告警及信息交互功能,完成數據采集和監視控制(SCADA)、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、 設備狀態監測、運行管理等相關功能.站控層按一體化電網運行智能系統要求建設一體化業務平臺,提供站內運行的人機交互界面,實現對間隔層、過程層設備的監控和管理等功能,形成全站監控和運維管理中心.①站控層采用一體化網絡結構.通過對站控層各功能主機進行優化整合,綜合實現遠動、電能量、PMU、保護及故障錄波信息、在線監測、AVC、輔助服務等功能.②站控層選用智能遠動機且雙機配置.通過智能遠動機實現廠站端統一數據出口,滿足各級調度端主站接入及運行、維護通信需求,實現變電站SCADA、綜合駕駛艙等功能.③站控層支持變電站數據的統一建模及源端維護.全站智能電子設備應按DL/T 860(IEC 61850)標準統一建模,統一數據模型圖形描述和傳輸規約,實現各專業數據統一描述格式、統一傳輸、統一配置和管理.④站控層配置二次智能運維子站系統.二次智能運維子站系統應完成變電站二次系統信息的全面采集、分析和應用,實現站內二次設備的狀態評估、態勢感知、狀態檢修,提升變電站的智能運維管理水平.

(2)間隔層由繼電保護裝置、 系統測控裝置、監測功能組主 IED、計量、智能錄波器、相量測量裝置等組成,實現面向間隔的測量、控制、保護、計量、監測等功能.

間隔層在滿足二次設備可靠性的前提下,實現站內間隔層的跨專業功能集成與跨間隔設備集成,實現設備的功能、配置、接口等統一.①35kV及以下電壓等級宜采用保護、測控、計量多合一裝置,110kV及以上電壓等級可采用多功能測控裝置,提高裝置集成化水平,減少設備配置數量.②結合技術發展現狀及實際需求配置站域保護控制裝置,站域保護控制裝置應根據工程需求配置具體的站域保護控制功能并綜合多間隔數據進行邏輯判斷,提高全站后備保護的運行可靠性與速動性,實現間隔保護裝置和站域控制保護裝置間的雙套冗余配置.

(3)過程層由變壓器、斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器等一次設備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置等組成,支持或實現電測量信息和設備狀態信息的實時采集和傳送,接受并執行各種操作和控制指令.過程層以一次設備智能化和采樣數字化為建設目標,實現站內一次設備測量、控制及監測等信息的數字化采集與網絡化傳輸.① 采用智能化一次設備,實現開關信息網絡化輸入輸出與一二次設備融合.②配置變壓器油中溶解氣體在線監測、GIS局放帶電檢測、避雷器泄漏電流帶電檢測以及開關柜局放帶電檢測等在線監測應用,提高一次設備的在線監測水平.③結合技術發展現狀及實際需求配置變電站智能化作業調控中心、云計算大數據分析平臺,實現變電站設備的在線監測、狀態檢修及智能巡檢.過程層設備通過過程層網絡與間隔層設備通信,間隔層設備通過站控層網絡與站控層通信.數字化變電站通信網絡采用工作可靠、結構簡單、易于維護的架構,滿足實時性和可靠性要求.

5.2 網絡布置

主要由過程層網絡、變電站層網絡及GOOSE網絡三部分構成.過程層網絡:該網絡屬于點對點的光纖以太網,其主要功能是監測并保護裝置與光CT/PT合并器之間的通信過程,其中CT合并器一般按間隔布置.變電站層網絡:該網絡的主要功能是監測并保護裝置與后臺系統之間的通信過程,采取星型方式連接并依據以太網進行組網,為了避免以太網繁雜的技術要求,常采用IEC61850-8進行網絡通信.GOOSE網絡:該網絡主要功能是采用GOOSE報文執行測控、控制輸出、開關量輸入及保護各裝置間聯閉鎖信息的任務.

6 數字化用于變電站工程的主要特點

(1)全數字化技術,GOOSE網的應用,提高綜合自動化水平.選擇IEC 61850通信標準與電子式互感器兩種強大的數字化技術,使GOOSE通信功能廣泛用于各間隔層,從而使數據傳送的效率得到了明顯提升;同時,GOOSE網絡通信先進的優先級控制技術支持數據信息按照優先級設置要求順利進入相應的優先級隊列中,避免直接進入緩沖區,結合具有優先級控制功能的以太網交換機,使數據信息第一時間到達目標位置,較大程度提高了數據信息的傳遞速率,從本質上提高了變電站監控系統的實時監控性能.

(2)減少站內二次設備數量,實現保護監控等自動化裝置一體化.數字化變電站將傳統變電站的多功能裝置升級為數字化系統相應的功能模塊,隨著各功能模塊可靠性和處理能力的增強,能夠極大的減少裝置數量并簡化數字化系統,最終達成監控、保護、故障錄波等自動化裝置一體化的基本目標.

(3)二次設備布置分散就地化,改變傳統的大控制室設計.隨著科技的進步,各種通信設備和電力設備的設計、制造水平明顯得到了巨大提升,在設備運行可靠、維護方便的前提下,二次設備可就地布置,就地安裝的二次設備采用直接光纜或電纜采樣、跳閘的方式.在這種情況下,現場無人管理,只需要通過一臺控制顯示終端便可以實現遠程操控,達到實時監控的目的.能夠極大的減少變電站電纜和光纜的數量,有助于快速建成變電站的主體結構并使得相應的設備調試過程簡單易行.

(4)分布智能技術保證高速網路處理能力與系統安全性.緊湊型間隔層控制設備和分散式系統結構在很大程度上降低了接線的復雜性;結合分散式開關聯閉鎖功能和GOOSE網絡通信技術能夠使數據輸入和輸出速度得到提升,減少了系統響應時間,使其安全性大大提高.

7 數字化變電站相對于常規變電站的優勢

第一,從根本上降低了變電站事故的發生幾率.第二,有效增強了信號傳輸的可靠性.第三,節約了投資和成本.第四,進一步提升了管理水平和自動化水平.

8 結語

綜上所述,隨著科技的進步和社會的發展,智能化設備將逐漸滲透到人們的日常生活中,這必將帶來變電站工程新一輪數字化革命.同時,伴隨著日益增長的用電需求,電力系統正承受著日益增長的用電需求和輸電配電要求,這就要求積極發展更加先進的數字化變電站技術以應對電力系統提出的挑戰.

[1]陳文杰.基于圧IEC61850的數字化變電站技術的實用化探討[D].廣州:華南理工大學,2012.

[2]周井生.智能變電站一次設備在線監測系統的研究[J].中國高新技術企業,2012(19):45-47.

[3]李穎瑾,李波,王樂天.變電站三維設計的應用探討[J].中國電業(技術版),2012(4):62-65.

[4]王文杰,馬建,陳鑫.淺析電子式互感器在數字化變電站中的應用[J].中國電業:技術版,2012(12):14-16.

[5]徐大可,孫志杰,黃德祥.電子式互感器在數字化變電站中的應用[J].科技信息,2009(09):89-90.

TM63;TM76

A

1671-0711(2017)11(下)-0160-03