智能变电站二次系统物理回路模型设计

国网江苏省电力有限公司技能培训中心 吴双 胡晓丽 吴旻哲

智能变电站的保护监测系统的精准度无法保证,导致变电站设备维修更新频繁,成本高。因此设计智能变电站二次系统物理回路模型。基于虚端子方法设计二次系统物理回路,设计通讯信号、设备文件、虚拟终端等计算机操作流程。经过模拟实验验证,物理回路模型可以完成工作,与传统回路相比更加精准。

0 引言

近年来,与社会经济发展、电网稳定运行相关的气候环境恶化、能源安全问题日益突出。随着社会信息化、智能化的普及,电器的使用已经渗透到人们工作、生活的方方面面,用户对用电可靠性的要求越来越高,例如智能家居、智慧大厦、电动汽车等新型电器产品的出现,需要电能的持续供给,对能源分配和存储提出了新需求。面对社会需求的发展,电网运营亟需做出调整,改变目前的运营模式,提升电能供给的质量,其中最重要的环节就是保障电能供给的稳定性。基于此分析,电网需要外功与内功兼修,全面提升自身的服务质量,外功主要体现在积极拓展电能来源,开发清洁高效的新型能源,形成均衡的互补式供电网络;内功则体现在升级现有变电设备和供电网络,建设大规模分布式能源接入电网,提高变电站硬件设施,实现高质量的稳定供电。随着自动控制技术的进步,智能一次设备、电力信息接口标准的不断规范,智能变电站的雏形已经初见规模,变电站一、二次设备系统集成和控制方式实现了物联网互联,控制能力和自动化水平得以提升,奠定了电网运营质量提升的硬件基础[1]。智能变电站的二次系统是变电站的重要组成部分,一方面监测、控制并保护一次设备,另一方面担负着自动运行的关键作用。随着大量智能二次系统设备的投入应用,信息的多样性和传输速度远超以往,光通信成为主要信息传输模式[2]。为了应对变革,适应变电站一次、二次设备的功能提升和接口变化,需要对变电站二次系统的物理回路建立模型,以作为后续研究以及故障诊断的基础。

1 智能变电站二次系统物理回路模型设计

1.1 虚端子二次回路设计方法

在智能变电站中,传统的终端已经消失,交流采样保护、跳变开关通过开关输出、数字信息传输,但二次回路的连接原理没有改变,传统的终端和保护整定与传统变电站的通信仍然可以实现信息查询和功能控制操作,信号流程与控制体系仍旧保持固有的逻辑关系。保护装置依然可以通过模拟输入端输入保护命令;开关输出端对应通信输出信号。在智能变电站中,保护装置的设定点信号和通信信号被形象地称为虚拟终端。虚拟终端的功能定义为“分相位置”。由于每个虚拟终端数据属性具有唯一性,通过信号编码予以区分,虚拟终端的数据属性也可以作为内部参考地址。

基于虚拟终端的智能变电站二次回路设计的详细流程如下。(1)绘制各变电站之间通信及设定值的数据流程图。通信数据流图可以反映开关位置、开关位置等信号的数据流。设定值数据流图反映了设备实时运行状态下电压电流采样数据的流动情况。(2)绘制二次系统各设备之间的物理连接图。它可以表示智能变电站二次系统中各设备光口之间的光纤连接状态。(3)绘制智能变电站全站的虚拟终端连接表。根据二次设备厂家提供的设备虚拟终端定义文件,根据前两步设计的设备之间的通信、设定值数据流程图和物理连接图,绘制全站虚拟终端连接表,并向变电站二次系统集成厂家提供全站虚拟终端连接表[3]。将厂商生成的虚拟终端配置文件下载到厂商设备上。(4)完成了全站二次虚拟回路系统的设计。

1.2 二次系统物理回路的实现

本文的智能变电站过程层网络的设计采用保护直采直跳,通讯信号、设定值信号共网传输的方案。其电压电流采样的设定值数据流向的详细示意图可见图1。

图1 采样值数据流向图Fig.1 Sampled value data flow diagram

变电所一次设备在改造常规变压器后,将电压送入合并单元,通过压感效应实现隔离电压感知,以固定周期对感知到的电压进行数据采样,实现一次设备中模拟电压值到二次设备中数字电压值的模数转换。为降低电压波动引入的电磁干扰,信号传输采用光通信方式。直接从合并单元采集到的电流、电压信息以及线路网络的采样信息通过合并单元层交换后上传采样数据进行处理。测控装置直接从网络下载所需的设定值数据。线路间隔的通讯数据流向的详细协议见表1。

表1 线路间隔数据流表Tab.1 Line interval data flow table

根据表1的接口协议,建立二次系统物理回路的接口关系定义,明确通讯的传输内容和信号方向,将二次系统的各个分机有机融合在一起,组成功能体。

分析智能变电站的设计要求与建设特点,将变电站虚拟终端连接表作为一次、二次系统的信号转换中间平台,设计变电站的二次虚拟电路。设定值与通信虚拟终端连接表清晰地表达了模拟设定值输入、开关值通信开放度和二次回路开关值通信开放度之间的数据流关系,反映了智能变电站二次系统设备之间的连接关系[4]。虚拟终端表包含设备名称、虚拟终端号码、虚拟终端数据属性和虚拟终端定义。对端设备名称、对端虚拟终端号码、对端虚拟终端数据属性和对端虚拟终端定义。所设计的线路保护虚拟终端表如表2所示。

表2 线路保护输入表Tab.2 Line protection input table

科学引文数据库文件应反映保护、测控设备与组合单元交流通道的对应关系。在科学引文数据库配置中,为每个合并单元填写一个集合值地址。在云智慧合并单元中将视频格式控制块中的“标记”作为填写设置值的ID列。选择要连接配置设置的云智能,并在标签“2”中选择“数据组合”。设定值连线方式与通信连接方式一致。选择要与设定值连接的设备和对应的组合单元,根据通道对应关系选择设定值,点击“添加”完成连接。在系统集成科学引文数据库配置中,设备通信、集数据导入导出为关系表时,往往会从相关厂商的描述文件发生变化,为了保证科学引文数据库的完整性,必须更新相应的自描述信息文件,更新描述文件,原始通信,打开附件设置值将刷新,必须重新关联[5]。如果新自描述信息文件中更新的部分与通信和设定点连接无关,则无需重新配置即可导入原有的通信和设定点关系表。当自描述信息文件更新完毕后,可以把原先导出的通讯、设定值开入关系表导入[6]。即可完成该装置的通讯、设定值连线配置。

基于此,完成了变电站智能化二次系统的物理回路模型设计。

2 实验

2.1 实验准备

为了检查二次系统物理回路模型的实用效能,选择其中的继电保护系统的零点漂移、电流、电压输入的幅值和相位精度几项核心指标,开展同步性能测试,以验证是否满足技术规程要求。选取某智能变电站为试验地,使用不同物理回路进行交流量精度对比实验。

准备测试装置,测试仪器主要有数字式继电保护测试仪、电子式互感器模拟仪、智能终端、常规继电保护测试仪,经检验以上几种测试仪器确认在检定周期内,测试精度符合要求,结果可信[7]。继电保护测试仪选取武汉凯默公司生产的光数字继电保护综合测试仪,实现基于云智慧设备的设定值采样、通讯开关量输入/输出自动测试配置。采用数字继电保护测试仪检验继电保护设备的保护功能与性能指标,被保护设备和数字继电保护测试仪之间采用光纤点对点连接,信号经过模数转化后以高速串行方式传输,通过光纤传送采样值和跳合闸信号。

首先对综合测试仪进行实验前设置。在软件主界面右下角点击“设置”进入设置界面。在做实验前,要导入全站配置科学引文数据库文件。点击所关联的连线,能够详细的看到详细的虚端子通道连线。在设置界面,对接口编号、通讯速率、输出设定值、通讯发送、通讯接收等运行参数进行设置。

2.2 实验结论

测试标准必须符合《继电保护和电网安全自动装置检验规程》的相关要求。各物理回路零点漂移检查结果如表3所示:

表3 实验结果表Tab.3 Experimental result table

由表3可知,无论是本文的物理回路模型还是传统的回路模型的数字量输入的保护装置零点漂移为零,模拟量输入的保护装置零点漂移小于额定值的1%,都符合检验规章的要求。但是本文设计的物理回路模型与额定值的差别更小,可以证实本文的物理回路模型的精准度。

3 结论

二次系统作为智能变电站的运行保障功能组成,是变电站配送电主体功能安全、性能与效率得以实现的物理基础,尤其是在智能化水平不断提升的现代变电站建设中,作用更显重要。科学合理的使用二次系统的各项功能,是全面发挥并深度挖掘一次系统功能与潜力的主要手段。通过建立二次系统物理回路模型,可以建立二次系统中各组成单元的内在关联逻辑关系拓扑结构,便于智能变电站运行维护、故障诊断以及升级改造。二次系统物理回路模型是电网数字化建设的重要组成部分,是今后的建设方向。通过对二次系统物理回路模型的设计,为智能变电站全系统的模型设计积累经验。后续还将深入挖掘模型的细节功能,完善各组成功能分机、模块的详细指标和运行参考值,建立完备的指标体系模型,为电网建设提供支持与参考。

引用

[1] 李志梅,肖德贵.红外遥感模型的辐射场景图高分辨率研究[J].激光杂志,2020,41(8):119-123.

[2] 周迎伟,高明亮,杨慢慢.电力系统继电保护二次回路故障状态实时监测方法[J].自动化与仪器仪表,2021(7):171-174.

[3] 于立强,朱亚军,周迎伟.基于深度学习的智能变电站继电保护二次回路故障监测系统[J].自动化与仪器仪表,2021(7):118-121.

[4] 王红敏,王燕,董涛.无人机用激光雷达跨阻电路改进设计[J].激光杂志,2021,42(3):174-178.

[5] 苏阳,李树东,刘明辉,等.用于变电站外破监测的Φ-OTDR系统高速数据采集设计及实现[J].激光杂志,2020,41(11):158-161.

[6] 张历,辛明勇,高吉普.智能变电站二次设备多维度故障诊断与定位系统方案设计[J].自动化与仪器仪表,2019(5):59-62+67.

[7] 李丽娜,王谦,张伟.基于回路阻抗阵的低压配电网运行状态评估方法[J].自动化与仪器仪表,2019(1):155-158.