浅谈数字化变电站的应用＊

吴国强

（湖州电力局,浙江湖州 313000）

浅谈数字化变电站的应用＊

吴国强

（湖州电力局,浙江湖州 313000）

随着自动化的发展,IEC61850规约的制定与智能化电气设备的出现,特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化设备推进了自动化发展.变电站自动化技术将进入数字化阶段,电网将成为智能化电网.本文简单论述数字化变电站的一些特征、结构及功能划分.

变电站;数字化;智能化;自动化

变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到了一定的水平,在城乡电网改造与建设中不仅使中低压变电站采用了自动化技术,实现无人值班,而且在220kV及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术,从而大大提高了电网建设的现代化水平,增强了输配电和电网调度的可能性,也大大提高了设备可靠性与效率.然而,技术的发展是没有止境的,自动化从开始的四遥（遥测、遥控、遥信、遥脉）到IEC61850智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟,以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用,势必对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响,全数字化的变电站自动化系统已得到应用.

1 数字化变电站自动化系统的特点

1.1 智能化的一次设备

一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计,简化了常规机电式继电器及控制回路的结构,光纤传输的网络取代了传统的导线连接,电脑监测代替了大量光字牌和告警系统.换言之,变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替,常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替.

1.2 网络化的二次设备

变电站内常规的二次设备,如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造,设备之间的连接全部采用高速的网络通信,二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口,通过网络真正实现数据共享、资源共享,常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块.

2 数字化变电站自动化系统的结构

在变电站自动化领域中,智能化电气的发展,特别是智能开关、光电式互感器机电一体化设备的出现,变电站自动化技术进入了数字化的新阶段.在高压和超高压变电站中,保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元,如A/D变换、光隔离器件、控制操作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分.反言之,智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的I/O部分;在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化,完整地安装在开关柜上,实现了变电站机电一体化设计.

数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类,即智能化的一次设备和网络化的二次设备.在逻辑结构上可分为三个层次,根据IEC61850通信协议草案定义,这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”.如图1、图2所示.

2.1 过程层

过程层是一次设备与二次设备的结合面,或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分.过程层的主要功能分三类：①电力运行实时的电气量检测;②运行设备的状态参数检测;③操作控制执行与驱动.

电力运行的实时电气量检测.与传统的功能一样,主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测,其他电气量如有功、无功、电能量可通过间隔层的设备运算得出.与常规方式相比,不同的是传统的电磁式电流互感器、电压互感器被光电电流互感器、光电电压互感器取代;采集传统模拟量被直接采集数字量所取代,这样做的优点是抗干扰性能强,绝缘和抗饱和特性好.

运行设备的状态参数在线检测与统计.变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统.在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等一些数据.

操作控制的执行与驱动.操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制,电容、电抗器投切控制,断路器、刀闸合分控制,直流电源充放电控制.过程层的控制执行与驱动大部分是被动的,即按上层控制指令而动作,比如接到间隔层保护装置的跳闸指令、电压无功控制的投切命令、对断路器的遥控开合命令等.在执行控制命令时具有智能性,能判别命令的真伪及其合理性,还能对即将进行的动作精度进行控制,能使断路器定相合闸,选相分闸,在选定的相角下实现断路器的关合和开断,要求操作时间限制在规定的参数内.

2.2 间隔层

间隔层设备的主要功能是：①汇总本间隔过程层实时数据信息;②实施对一次设备保护控制功能;③实施本间隔操作闭锁功能;④实施操作同期及其他控制功能;⑤对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制;⑥承上启下的通信功能,即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能.必要时,上下网络接口具备双口全双工方式,以提高信息通道的冗余度,保证网络通信的可靠性.

2.3 站控层

站控层的主要任务是：①通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息,不断刷新实时数据库,按时登录历史数据库;②按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心;③接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行;④具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能;⑤具有或备有站内当地监控和人机联系功能,如显示、操作、打印、报警,甚至是图像、声音等多媒体功能;⑥具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态和在线修改参数的功能;⑦具有或备有变电站故障自动分析和操作培训功能.

3 数字化变电站自动化系统中的网络选型

网络系统是数字化变电站自动化系统的命脉,它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的可用性.常规变电站自动化系统中单套保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是在同一个CPU控制下进行的,使得同步采样、A/D转换和运算、输出控制命令整个流程快速、简捷.而全数字化系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的,如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出是一个复杂的问题,其最基本的条件是网络的适应性,关键技术是网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定.

如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任数字化变电站自动化的技术要求.目前以太网异军突起,已经进入工业自动化过程控制领域,固化OSI七层协议,速率达到100MHz的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现,数字化变电站自动化系统的两级网络全部采用100MHz以太网技术是可行的.

4 数字化变电站自动化系统发展中的问题

在三个层次中,数字化变电站自动化系统的研究正在自下而上逐步发展.目前研究的主要内容集中在过程层方面,诸如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发.国内、省内已有许多设备投运.湖州电力局浔北变将在明年投产,但为了系统安全可靠地运行还需要处理好以下几方面问题：①专业协作需要加强,比如智能化电器的应用至少存在机、电、光三个专业协同攻关,需要加强一次设备可靠性;②材料器件方面的缺陷及改进,使提供的数字量二次电流、电压不失真;③使故障电流、电压实现完全同步或基本同步;④站内各设备之间虽然遵循IEC61850,但各设备之间以及网络还有很多冲突需要解决;⑤试验设备、测试方法、检验标准,特别是EMC（电磁干扰与兼容）控制与试验还是一个薄弱环节.

数字化变电站自动化是一个系统工程,要实现全部数字化变电站自动化的功能,还有一些技术问题需要攻关,但数字化变电站将是变电站今后发展的主流,是国家提出智能电网发展的基础.随着科学技术的发展,今后变电站二、三次系统会更加集中化、规模化和信息化,一个变电站或局部电网被几台电脑监测和控制将会成为可能.

TM734

A

1009-1734（2010）S0-0124-03

2010-05-10

吴国强,工程师,从事数字化研究.