分层分布式的用户端智能配电系统

梅轶凡, 柴 熠

(上海电器科学研究院, 上海 200063)

分层分布式的用户端智能配电系统

梅轶凡, 柴 熠

(上海电器科学研究院, 上海 200063)

介绍了用户端智能配电系统的分层分布式拓扑结构,阐述了IEC 61850技术标准及其在用户端智能配电系统的应用,提出了基于IEC 61850的用户端智能配电系统模型,并介绍了用户端智能配电系统各层典型设备的功能。指出通过各种功能的组合及技术优化设计,对智能配电柜系统进行状态监测、测控保护、信息通信等,从而提高其运行效率和可靠性。

智能配电柜; 分层分布式拓扑结构; IEC 61850; 智能化低压电器

0 引 言

用户端智能配电系统位于电力系统末端,直接与终端用户相连,是实现智能电网系统不可或缺的重要组成部分。自进入21世纪以来,计算机技术、信息技术、传感技术、多媒体技术和信号处理技术等飞速发展,现已广泛应用于工业领域,也逐步被可靠性要求极高的电力行业所接受,已经广泛应用于低压智能配电系统中。

智能配电柜设备主要包括断路器、互感器、母线等一次设备和相关智能组件、辅助系统等二次设备。目前实际应用中的趋势是,将集测控、保护、远动等于一体的微机型保护测控装置等二次设备嵌入安装在断路器等一次设备中。

1 分层分布式智能配电柜系统的拓扑结构

智能配电柜系统从整体结构上可以分为三个层次,即过程层、间隔层和管理控制层。

(1) 过程层位于最底层,是指智能化电气设备的智能化部分。过程层由一次设备本体和智能组件两部分构成,具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化等特征[1]。过程层主要完成运行设备的状态监测、操作控制命令的执行和实时运行电气量的采集功能,实现基本状态量和模拟量的数字化输入/输出[2]。

(2) 间隔层是指电能信息终端。其主要功能是采集本配电柜各测控保护装置的实时数据及状态信息;完成对一次设备的测量、计量、检测、控制、保护等功能;并可以同时实现与过程层及管理控制层的高速网络通信功能,达到作为桥梁的通信功能。

(3) 管理控制层包括服务器、通信设备及不间断电源等。其主要任务是通过以太网汇总智能配电柜系统的实时数据信息;接收有关控制执行命令并转由间隔层、过程层执行;具有智能配电柜系统本地监控,人机交互功能;能够实现对间隔层、过程层各设备的实时在线维护及在线参数修改的功能。

2 IEC 61850在用户端智能配电系统中的应用

2002年IEC TC57制订的IEC 61850是关于变电站自动化系统计算机通信网络和系统的标准[3]。 IEC 61850规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言,使不同智能电气设备间的信息共享和互操作成为可能。目前较多的是将IEC 61850应用于变电站通信中,但该标准提出的系统分层、面向对象建模技术、应用与通信分离、配置语言等概念也同样可应用于配电系统中,有助于形成无缝通信体系的配电系统,增强用户端配电系统的兼容性、一致性、互操作性与互换性。

2.1 智能配电自动化系统

智能配电柜应用网络信息技术将断路器、自动切换开关等智能电器构成的系统,采用现代通信技术和测量技术实现系统的寿命管理、故障快速定位、双向通信、电能质量监控等功能。应用于智能配电柜的低压电器信号采集实现数字化,既能确保足够的采样速率和良好的准确度,又便于对事件进行早期评估,通过对实时数据的分析进行故障早期预警,快速定位故障点;通过故障时的故障隔离和非故障区域的自动恢复供电,实现配电柜的快速安全恢复和自愈,从而满足智能配电柜的保护与控制要求。

智能配电柜自动化系统如图1所示,将智能配电柜自动化系统划分为过程层、间隔层和管理控制层三层结构。

图1 智能配电柜自动化系统

过程层的逻辑节点包括XCBR断路器、PTUV欠压保护、XSWI隔离开关、GGIO通用过程I/O、TCTR电流互感器、TVTR电压互感器。IEC 61850目前还没有对应于自动切换开关的逻辑节点,可以使用欠压保护逻辑节点监测实时回路电压。当电压低于正常范围时,通过CSWI发出动作指令,使自动切换开关将电源切换至备用回路供电。TCTR和TVTR分别负责采集实时电流、电压数据并发送到位于间隔层电能信息管理终端的逻辑节点MMXU。XCBR断路器和XSWI隔离开关的开关状态信息由GGIO的Ind属性负责处理,开关的报警状态由GGIO的Alm属性负责处理,GGIO的DPCSO属性负责开关的控制。

间隔层的GAPC通用过程自动控制接收来自GGIO的相应信息。MMXU和GAPC将实时采样值及状态信息发送到位于管理控制层的IHMI人机接口,用于监测及存储。同时,位于管理控制层的CALH故障处理的GrAlm属性将成组的故障电量发送至IHMI。IHMI也可在断路器正常运行情况下直接发控制命令给CSWI,通过CSWI的OpOpn及OpCls属性断开或闭合断路器。

2.2 智能配电自动化系统功能

智能配电自动化系统功能模型如图2所示,由测量模块LD1、保护模块LD2、智能终端模块LD3构成。以断路器的电压测量及过电压保护功能为例,逻辑模块LDl中的MMXU功能单元获取TVTR电压互感器的实际电压有效值。当出现过电压时,MMXU的电压有效值大于PTOV所存储的过电压保护极限值,通过CSWI逻辑连接断路器控制器使断路器断开,从而实现过电压保护。

图2 智能配电自动化系统功能模型

与电压测量及过电压保护功能类似,测量模块LD1中的MMXU从TCTR电流互感器采集电流,并通过保护模块LD2中的相关功能单元完成瞬时过流、定时过流等保护功能,同时将采样值周期性传输到LD3的IHMI人机接口功能单元,并在人机界面上显示并存储,如断路器运行、故障状态的显示及存储等。

通过应用IEC 61850的建模标准,智能配电自动化系统能够实现以下功能:

(1) 统一数据采集。利用分布式数据采集技术,根据各种不同的数据类型,可采用相应的数据采集方式。智能配电自动化系统综合采集运行数据,使目前分散、重复在各自监控系统、管理系统和在线监测装置中的测量、保护、控制数据能在新的、统一的、标准的技术支持系统中逐步集成、整合,并最终实现各配电设备统一的数据采集功能。

(2) 统一数据存储。智能配电柜内对不同时间、不同类型、不同来源的数据进行处理后,实现统一的整合和存储管理,作为统一的历史数据存储平台,以满足历史数据记录的需要。

(3) 适合可再生能源发电的接入和电能效率及质量的提高。一方面为了实现可再生能源的利用以提高电能效率和质量而开发可再生能源发电系统,另一方面随着谐波抑制、无功补偿、瞬变过电压抑制和可再生能源发电系统过电压抑制与保护,自适应的动态抑制设备等大量需求的诞生,对智能配电自动化系统提出了更多更高的要求,传统配电系统将面临延伸和拓展,这将是智能配电自动化系统新的发展机遇。

(4) 具有网络化功能,实现节约资源和保护环境。可再生能源发电系统的应用打破了传统的生产、消费模式,形成了生产者与消费者的双向互动服务体系,也促使传统配电系统向智能化、网络化方向发展。根据用户需求采用灵活配置的方式,促进用户参与电网运行和管理,平衡用户电力需求,满足其需求与供电能力之间的供求关系,减少或转移高峰电能需求,可减少热备发电站,并进一步提高节能效果和供电可靠性,从而最大限度地节约资源和保护环境。这既需要开拓全新的运营管理模式,又需要具有双向通信、双向计量等网络化的智能配电自动化系统的支撑。因此,这些需求也将促进智能配电自动化系统向网络化方向快速发展。

3 智能化低压电器

低压电器是智能电网用户端中智能配电系统的重要组成部分,而智能电网的实质就是信息化技术在传统物理电网中的应用,即信息化与传统电网产业结合的产物,是由信息化技术带动传统产业的技术升级,也为IEC 61850的面向对象建模体系提供了坚实的基础。智能化低压电器是指低压电器操作所需的各种信息由安装在低压电器设备内的微机型测控保护装置直接处理,使低压电器装置能够不依赖于管理控制层的控制系统而独立地执行其本地功能。

3.1 智能化低压电器的特点

智能化低压电器以微处理器为核心,将电力电子、传感器、网络、通信等弱电技术与过电流/过电压保护、高可靠动作等强电技术有机融合所建立的低压电器二次系统,使低压电器具有智能化的操作功能,能够实现智能化控制,并具备以下特点:

(1) 参数状态的采集、传输和使用数字化。对低压电器的状态数据信息能够实现获取、传输和使用的数字化, 确保足够的采样速率和良好的准确度,对低压电器的运行状态进行实时监测,并对一些重要参数进行分析,通过建立统一数据标准和数据存储平台,从而提高智能电网系统可靠性及缩短安装和维护时间等。

(2) 网络控制与信息交互。具有以太网通信接口,能通过以太网以数字方式对设备进行控制,可以与网络上的其他设备相互交换运行参数、设备状态和控制命令等信息; 各设备之间可通过网络通信, 取代传统二次设备与一次设备之间的硬接线。

(3) 自适应能力。能够根据系统实际的运行环境与工作状况对操作过程或设备自身状态进行自适应调节, 使控制过程与设备状态最优[4], 如智能断路器可通过自适应分断实现智能控制, 从而获得最佳运行效果,延长断路器的使用寿命。

智能化低压电器内的微机型测控保护装置,可以通过串口RS-485或现场总线或以太网进行通信。低压电器智能化一方面可为系统提供更为丰富的数字信息,另一方面也可提高设备自身的可靠性和安全性,从而可以构成统一协调的智能用户端配电网乃至整个低压配电网,为智能电网的建设奠定坚实的基础。

3.2 智能化低压电器的功能

智能控制单元的基本功能有以下几点:

(1) 自动识别低压电器的工作状态。低压电器运行状态的准确判定是实现智能化操作的必要前提,需要监测并记录低压电器的相关运行状态及参数信息等。

(2) 显示并记录低压电器的工作状态。低压电器正常运行时,大部分时间保持同一运行状态,测控保护装置持续监测低压电器的工作状态,同时记录低压电器运行状态情况,包括电压/电流参数、低压电器动作类型等信息。

(3) 具有与主控计算机进行通信的功能。测控保护装置可以将低压电器的运行状态记录及其他运行数据传送至主控计算机,主控计算机也可以将操作命令及保护参数等传送给低压电器。

总线技术及数字化通信网络技术的应用,可以把现场输、配电设备和用电设备通过智能设备连接成类似计算机通信网络的系统,实现对设备运行、用电质量、供电质量及供电系统的智能化、自动化管理,满足智能电网的需求[5]。

4 结 语

IEC 61850标准着重强调了设备到模型的抽象过程,随着智能化一次设备网络化和可靠性的不断提高,突出网络化、可通信、自适应、可在线监测和自诊断等功能,将极大地满足IEC 61850对一次设备的要求。符合IEC 61850规范的智能配电系统,将会实现智能用户端的兼容性、一致性、互操作性、互换性,成为构成智能电网的重要组成部分。

[1] Q/GDW Z410—2010 高压设备智能化技术 导则[S].

[2] 殷志良,刘万顺,杨奇逊.基于IEC 61850标准的过程总线通信研究与实现[J].中国电机工程学报,2005,25(8):84-89

[3] 徐宁,朱永利,邸剑,等.基于IEC 61850的变电站自动化对象建模[J].电力自动化设备,2006,26(3):85-89.

[4] 肖文华,衰铎宁,王华敏.智能化断路器综述[J].船电技术,2009(2):27-29.

[5] 蒋兴加,姚彩虹,安宏.多现场总线技市在智能化配电系统中的应用[J].低压电器,2007(10):43-48.

Hierarchical Disitributed Intelligent Distribution System in User Side

MEI Yifan, CHAI Yi

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shanghai 200063, China)

This paper introduced the hierarchical distributed topological structure of intelligent distribution system in user side.IEC 61850 and its applications in the intelligent distribution system were elaborated.The model of user intelliget distribution system based on IEC 61850 was proposed.The functions of typical equipment in the intelligent distribution system were introduced.It is pointed out that the state monitoring,measuring protection,information communication of intelligent power distribution cabinet is carried out by various kinds of functions combination and optimal technique design,to improve the efficiency and reliability of operation intelligent power distribution cabinet.

intelligent power distribution cabinet; hierarchical distributed topological structure; IEC 6180; intelligent low voltage equipment

梅轶凡(1979—),男,高级工程师,从事智能电器及系统方面的研究。

2014-10-28

TM 727.4

B

1674-8417(2015)02-0018-04

柴 熠(1980—),男,工程师,从事楼宇自控与节能方面的研究。