数字化过程层技术

数字化过程层技术（精选8篇）

数字化过程层技术 第1篇

IEC61850是基于通用网络通信平台变电站自动化系统的国际标准。它根据功能将变电站自动化系统分为变电站层、间隔层和过程层[1]3层。过程层位于最底层,主要实现基本状态量和模拟量的输入/输出。其典型设备为远方I/O、智能传感器和控制器。

过程层自动化直接影响变电站的信号采集方式,相对于传统变电站,其一次、二次设备都发生了变化:一次设备上电子式互感器逐步取代电磁式互感器,智能化开关取代传统开关设备;在二次设备上,使用过程层总线实现信息共享,这些都为变电站的数字化奠定了基础。

1 一次设备的发展

1.1 电子式互感器

随着电力系统的发展,发电和输变电容量不断增加,电网电压不断提高,传统的电磁式互感器暴露出磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、暂态特性差等缺点,而且在高电压等级下,由于绝缘结构复杂,体积庞大,使得保护、控制功能集成困难[2]。

近几年,由于电力电子和光纤技术的快速发展,电子式互感器也有了长足的进步,而IEC60044-7电子式电压互感器和IEC60044-8电子式电流互感器,以及IEC61850-9系列标准的颁布和推行也使得电子式互感器的开发有章可循。

电子式互感器按原理通常分为2类:一类是基于光效应的互感器,如采用法拉第效应等磁光变化原理的电流互感器,和泡克尔效应等电光原理的电压互感器等。这类互感器直接用光进行信息变换和传输,与高压电路完全隔离,具有不受电磁干扰、不饱和、测量范围大、效应频带宽,体积小、重量轻等优点,适合于各种电压特别是超高压开关设备中的应用。由于互感器处于高电位的部分不需要电源,故称为无源电子式互感器。另一类是空心线圈(Rogo鄄wski)电流互感器、带铁心的低功率电流互感器、电阻分压或阻容分压的电压式互感器等,这类电子式互感器体积小、重量轻、暂态性能和运行性能良好,但这类电子式互感器处于高电位的传感器需要电源,故称为有源电子式互感器[2]。

互感器按信号输出分为模拟和数字2种[3]。在中低压开关柜内,传感器与二次保护和测量设备通常安装在同一柜内,距离一般不超过1 m,互感器可选用模拟输出,采取适当的抗干扰措施,将传感器的模拟输出量和二次设备直接连接。对高电压等级的情况一般采用数字输出,经过合并单元(MU),然后再通过交换机实现数据共享,其二次装置通过网络取出模拟和状态信息[4]。电子式互感器的传输过程如图1所示,图中,IV为输出无效,EF为装置失败,MR为请求维修。

1.2 集成智能开关设备系统

高压开关设备主要是用于关合及开断电力线路,以输送及倒换电路负荷,以及从电力系统中退出故障设备和线路,以保证系统安全运行的重要设备。

传统的断路器使用一排硬线连接的机电式继电器,其典型控制功能是:单项控制、反跳跃、相位移、失气压闭锁及分闸储能不足闭锁等。

国际大电网会议第13研究委员会对高压断路器的可靠性进行过2次世界范围的调查,调查结果表明,从主要故障在部件上的分布看,控制和辅助回路占29%;从次要故障看,控制和辅助回路占20%。无论从主要还是次要故障都可看出,机电控制装置引起的现代高压断路器的故障率很高。

采用微处理器的控制装置不仅能提高断路器的可靠性,而且可实现:

a.降低设备造价;

b.减少土建;

c.实现设备在线自动监视和诊断;

d.改进维修性;

e.有可能采用先进的通信方式;

f.降低监视和诊断费用;

g.分合闸操作智能化,即按电压波形控制合闸角,按最佳灭弧时间控制跳闸,以减少操作过电压,延长开关设备寿命。

开关的智能化由微机控制的二次系统、人工智能接口装置(IED)和相应的智能软件实现。数字技术、在线监测技术、网络技术和通信技术在户外高压开关设备中的应用,提高了系统的自动化程度,极大地方便了运行和维护[5]。

智能化电气的发展,特别是智能开关、电子式互感器的出现,使得变电站自动化技术数字化成为可能。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信号采集部分,如信号采集和开入、开出回路等将割离出来作为智能化一次设备的一部分。而在中、低压变电站可直接取自电子式互感器输出的模拟信号,将保护、测控装置小型化、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[6]。

2 二次设备的真正数字化

微机保护和自动化设备目前已经在国内大范围的使用,其无疑为二次装置的一次革命,但由于受一次设备的制约,其数字化只能在二次装置内部实现,站内均以模拟信号的形式传输,所以数字的概念并不全面,而且由于传输的是模拟信号,其连接方式也受到制约。随着IEC61850将网络概念引进到变电站信号传输中,带来了变电站二次设备的发展,变电站的结构也发生了变化。

2.1 传统连接方式

使用传统的一次设备和二次设备,是点对点的通信模式,通过电缆将模拟和开关信号传送到各个装置中。传统的变电站过程层的接线形式一般如图2所示。

2.2.1 基于IEC61850-9-1通信协议的结构

IEC61850-9-1规定了对变电站的间隔层和过程层之间通信的特定通信服务映射,它规定了建立在与IEC60044-8相一致的单向多路点对点连接之上的映射。这种传输基于与IEC60044-8相一致的单向多路点对点串行通信链路。它可用于变电站内电子式电压互感器或电流互感器的合并单元和诸如继电保护这样的间隔层设备之间的通信。图3说明了这种接口的原理[7]。

就工程的实际意义上而言,IEC61850-9-1只是个过渡性的协议,为了使电子式TV、电子式TA得到更快速的推广和实现而提出的,电子式互感器虽然取代了传统互感器,光缆取代了电缆,但一个装置仍需要一个采集点,并没有实现信息共享,一次设备的优势也没有得到充分的发挥。在系统结构上并没有实现网络化和真正意义上的数字化。其网络结构与传统结构类似。

2.2.2 基于IEC61850-9-2通信协议的结构

为了满足更高的要求,如果对采样频率有更高的要求,或者除了通用数据集以外还需要其他采样值数据集,或者是采用了间隔之间的通信和同步,IEC61850提出了IEC61850-9-2。IEC61850-9-2详细说明了依照IEC61850-7-2部分中的抽象规范而定义的传输采样值的特殊通信服务映射,它是一个基于混合协议栈的抽象模型,为传输采样值而结合IEC61850-8-1部分直接访问ISO/IEC 8802-3链路。在间隔层和过程层的通信上,较IEC61850-9-1有了很大的提高。

过程总线采用快速、交换式以太网技术,可为传输电流、电压互感器瞬时值提供足够的带宽,分散数据流,消除网络上的碰撞。将用于与开关间隔设备、智能化一次设备以及电子式互感器接口[8]。其结构图如图4所示[9]。

在实际应用中,(过程层)通信总线可以采用以下不同的组网方式:

a.每个间隔有自己的总线段;

b.每个间隔总线段覆盖多个间隔,多段总线要求的数据流通过交换机或路由器传输;

c.全站范围单一通信总线;

d.面向功能的总线结构,这取决于数据流要求、可靠性要求或者安装过程中的实用性;过程总线应当视为一个带有规定接口的变电站整体,因此过程总线可能包含可靠性等属性和反映接口特性的某些特性。这些属性与其他实体一样将包含在变电站的设计和集成中[10]。

2.2 IEC61850

使用智能的一次设备(即电子式互感器和智能开关)后,过程层的结构也发生了变化,通常有2种结构。

3 面临的问题

过程层的自动化目前还面临着很多问题,如果得不到解决就无法推广和应用。

a.电源供电。主要是针对有源电子式互感器,常见的有:激光供电、高压线取电、电池供电、交流直接供电等多种方式[11],但各有利弊[12]。

b.电子式互感器模拟输出的抗干扰处理。变电站的电磁环境比较恶劣,电子式互感器的模拟输出信号很小,一般为几伏或者是几百毫伏的电压输出,小的干扰就会对信号产生大的影响,因此需要加强抗干扰能力。

c.稳定性和寿命。过程层设备由传统的电磁式换成电子式,其性能稳定性和使用寿命都需要接受检验。

d.测量标准和方法。电子式互感器、配套保护装置和测控装置等的开发过程中,目前普遍使用的测试标准、测试方法和测试产品都显得略为滞后,给产品开发带来困难。

e.同步问题。许多保护需要不同间隔的电流和电压信号,在传统的变电站自动化系统中,信号都是以模拟量的形式传输,到了二次装置内部再进行同步采集和处理,所以同步问题不是很明显。现在将信号采集部分转移到一次设备上,则必须保证这些信号的采集同步[13]。

f.通信实时性。实时性即保证(如测量、保护、控制、事件记录的报文传输等)信息响应足够快。通常认为以太网具有载波侦听多路访问/冲突检测(CS鄄MA/CD)的本质,其对“实时”信息传输造成的延迟无法预测,因而它不能满足实时系统的需要[14]。因为2个或多个以太网节点同时访问共享的传输介质局域网(LAN)时,就会造成数据冲突。此时,所有冲突的节点会按照一定的退避算法随机延迟一定的时间间隔,然后试图重新访问介质,以获得介质的访问权。这通常会导致无法确切地估计出冲突节点需要的随机等待时间,因此有可能造成“实时”信息传输无效[15]。

g.设备的互操作性。由于各厂家对协议的理解以及具体情况不同,在产品的开发理念上不尽相同,可能会造成开发初期需要磨合。

h.二次设备的变化。二次设备的采集方式发生变化后会带来一系列的问题。并不仅仅停留在接口方式上的变化,还要关心通信模式改变后,对通信过程可能出现的问题如同步丢失、漏包等对二次装置的影响。

4 结语

数字化变电站是一个广泛的概念,现在国内外很多厂家和研发机构都在做相关的研究工作,相关的产品也在不断推出。仅仅只是某些一次装置的智能化或者是二次装置的接口的改变是不能称为真正意义上的数字化。影响的范围很大,数字化的进程不是单个设备就能造就的,它给变电站的通信概念注入了新的含义,整个变电站的结构也会发生非常大的变化。数字化变电站是现代电力系统的发展趋势,但不能期待它能一蹴而就,需要一次设备和二次设备协作发展,在变电站的应用也需要时间的考验,应该有计划、有步骤地逐步推广。

摘要：对基于变电站通信网络和自动化系统的国际标准——IEC61850的变电站过程层进行了研究。通过与电磁式互感器和传统开关装置相比较,介绍了电子式互感器、智能开关的特点和使用方法。由二次设备的通信结构,阐述了二次设备数字化和网络化的特点;说明了过程层变电站结构的变化。论述了IEC61850-9-1通信协议是对变电站的间隔层和过程层的通信协议,给出了单向多路点对点串行链路应用图;IEC61850-9-2通信协议在间隔层和过程层的通信上有了提高,给出了IEC61850-9-2变电站结构图。分析了过程层自动化发展过程中要求考虑的有源电子式互感器供电、抗干扰、稳定性/寿命、测量标准/方法、同步、通信实时性、设备互操作等问题。并建议其过程层的发展需要一、二次设备协调发展。

数字化过程层技术 第2篇

一项产品的诞生，要经历创意、概念设计，产品定义、详细定义、批量生产、工艺规划、工装设计等等环节……而这一过程中，数字化研制技术发挥着不可替代的作用，尤其对是以航飞机为代表的复杂产品来说，这所有的一切都有赖于高效正确的工程设计（产品并行定义）。

由此可以看到，企业的核心竞争力包括两方面：产品研制数字化是企业的核心竞争力，即数字化研制技术（技术创新、研发新产品）；企业管理信息化提高企业管理水平和效率如：ERP（企业资源计划）、办公自动化等（降低成本、缩短研制周期）。

MBD全新的数字化定义方法

飞机产品制造过程的实质上是对一个产品进行数字化建模定义、从上游向下游的数据传递、拓延和加工处理的过程。最终形成的飞机产品可以看作是数据的物质表现。所以要研究产品怎样建模定义、数据传递、拓延和加工处理的方法，首先应研究数字化定义方法。

数字化技术贯穿了整个产品研制过程，从根本上改变了产品的研制方法，即从人工作图到计算机辅助的工作方式、从串行研制到并行协同的研制模式。从模拟量传递到全数字量传递的制造过程；并形成了完整的应用体系，与其他先进技术相融合。目前，数字化定义正在向MBD技术发展。

计算机的出现，使产品描述的通用介质突破了“只有长、宽两种尺度的图纸”。人们逐步把三维模型引入到工程定义中，三维模型在工程定义中的地位从参考、辅助过渡到主导。基于模型定义（ModelBasedDefintion，MBD）技术，由波音公司提出，是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进的数字化定义方法。

MDB规范制造信息与产品结构关系

对于飞机的设计来说，仅靠三维模型，往往难以进行产品生产和检验。也就是说，三维模型中没有以让技术人员立刻明白的方式，将生产技术、模具设计与生产，部件加工、部件与产品检验等工序所必须的设计意图添加进来。三维模型包含了二维图纸所不具备的详细形状信息。但三维数据中却不包括几何公差、尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等仅靠形状而无法表达的（非形状）信息。另外，基于注释的形状提示、关键部位的放大图和剖面图等能够更为灵活而合理地传达设计意图的手段也存在不足。

MBD技术使制造信息和设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中，不仅是三维尺寸标注，更重要的是规范地定义了各种制造信息和产品结构关系（零件表）

MBD技术能够解决以下两个问题：（1）MBD中加入了能以让技术人员立刻明白的方式定义三维产品制造信息PMI（3DProductManufacturingInformation），进一步解决CAD到CAM（加工、装配、测量、检验等）的集成问题，可不再使用2D图纸；

（2）MBD不仅定义了几何信息，而且定义了非几何信息（包括产品结构，如物料表以及设计、工艺、检验和管理等信息）。

数字化产品定义数据实施标准

三维CAD的模型中，要表达注释和尺寸线等非形状类设计信息。为此，1997年，美国机械工程师协会（ASME）开始本标准的研究和制定工作，于2003年制定了“Y14.41（DigitalProductDefinitionDataPractices）”标准。

该标准的主导思想不只是简单地将二维图纸的信息反映到三维数据中，而是充分利用三维模型所具备的表现力，去探索便于用户理解、且更具效率的设计信息表达方式。而在此过程中最为艰难的是“要从二维图纸文化这种现有概念中跳出来，从零开始研究新的信息表达方式”。为此，首先应针对概念设计、初步设计、详细设计、生产筹备、评估与检验等每个阶段，弄清楚“哪些是产品制造中所必须的信息”。

对于数字化产品定义数据实践（DigitalProductDefinitionDataPractices）ASME的Y14，41-2003标准，美国机械工程师（ASME）的这一标准支持两方面的应用：一是仅有模型和模型加数字化图纸；二是面向所有机械行业的一般性规定。紧接着有两方面工作要做：软件的实现和各行业的自己的标准。

转变企业文化是转向MBD的基础

大型飞机是并行协同数字化研制的产物。波音MBD数字化系统是覆盖全球的产品数字化网络研制系统，在波音全球协同研制环境（GCE），逻辑相关的单一产品数据源LSSPD（LogicalSingleSourceofProductData）能够支持虚拟产品的集成开发

GCE环境能够形成单一无缝的研制集团，协调所有研制工作；建立新的研制模式和全新的商业飞机研制模式：以标准化方式贯穿整个供应链，是新一代飞机设计和管理平台。

可以预见，MBD是在原有的数字化技术基础上发展起来的，正在逐步完善中，是数字化技术发展的新阶段、总趋势（汽车和发动机等行业也也已启动研究应用），将渗透到设计和制造技术的各个环节，并应有相应的标准和软件应用系统。

数字化过程层技术 第3篇

1 智能数字化变电站过程层总线通信技术实现背景

1.1 变电站IEC61850国际标准

变电站IEC61850国际标准是新一代智能数字化变电站自动化系统通信网络和系统通信协议的技术标准, 通过对变电站内部所有IED设备数据对象的统一信息集成建模, 并按照面向对象服务技术和抽象通信服务规范接口的统一语言描述定义, 从而实现变电站内所有分层分布式智能IED电子设备间数据信息资源的无缝通信实时共享。应用IEC61850标准中的通信协议可以实现智能数字化变电站自动化系统中所有智能IED设备间的互操作性、以及系统自动化功能的扩展兼容性和运行长期精确稳定性, 是实现变电站自动化系统中数据信息资源实时共享的基础前提, 为智能数字化变电站自动化系统的过程层智能IED电子设备实现信息集成建模的基础数字化的重要保证, 是变电站自动化系统过程总线通信技术的研究发展重要方向。

1.2 电子式互感器与智能化断路器

电子式电流/电压互感器为变电站系统运行中, 特征电参量数据信息的实时采集、监视、保护、控制等智能IED电子设备提供重要的数据信息。由于不同智能IED设备通常来自不同厂家或同厂家不同型号的产品, 因此, 利用电子式电流/电压互感器为不同智能IED电子设备间提供标准化、系统化的数据信息, 也是变电站自动化系统过程层实现不同智能IED电子设备间数据信息资源实时共享和互操作的重要技术支撑。断路器智能化的二次系统可以实现断路器监测系统信息量的最大化、准确化、故障事故逻辑判定程序多样化、以及断路器监控保护技术手段智能自动化等多种功能, 可以有效提高智能数字化变电站系统在实际运行中对系统故障和事故定位的实时精确化。

1.3 网络通信集成网络化技术

数据信息的实时通信是实现变电站自动化系统智能数字化的关键技术。光纤通信技术、交换式以太网、以及虚拟局域网 (VLAN) 等网络通信技术在变电站自动化系统中应用的不断完善深入, 使得变电站自动化系统的二次信号回路和控制回路逐步向集成网络化等方向快速发展。用数字通信技术手段代替传统的电量信号传输模式;用光纤作为传输介质代替传统控制、信号电缆的硬接线模式, 为变电站自动化系统从集中式向分散分布式信息集成等方向发展提供了重要技术支撑。过程层中二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O输入输出接线端口, 通过过程层网络真正实现不同智能IED电子设备间数据信息资源的实时共享和互操作。

2 智能数字化变电站过程总线应用结构体系

智能数字化变电站自动化系统汇中过程层和过程总线通信的提出, 是基于IEC61850国际系统规范标准对传统变电站自动化系统的通信协议体系 (如UCA2.0) 进行信息集成通信的重大技术变革, 也是智能数字化变电站区别传统变电站自动化系统的重要指标特征之一。按照智能数字化变电站IEC61850标准要求, 过程总线应用结构应采用集成网络化通信结构代替传统变电站的二次控制、信号电缆硬接线模式。智能数字化变电站过程总线应用结构应以工业以太网为通信核心, 按照不同的组网方式构筑满足不同数据信息流需求的合理灵活的逻辑拓扑结构。目前, 智能数字化变电站自动化系统建设和改造工程中常用的过程总线应用结构体系主要包括星形拓扑、总线拓扑、环形拓扑、以及网状拓扑四种模式。但是从大量工程应用效果来看, 星形结构从信息流通信实时可靠性、逻辑拓扑结构清晰性、以及使用成熟完善性等方面均较其它三种应用结构体系较为完善合理。加上变电站智能IED电子设备制造成本的不断下降, 采用冗余设计模式的星形网络拓扑结构, 已成为智能数字化变电站过程总线首先的通信应用保护结构。

在大量工程应用实践经验的基础上, 很多电力研究学者又在过程层总线中通过将保护IED设备和合并单元两者相互组合, 并利用时钟源进行在线分析的改进过程层总线保护结构模式, 其具体结构如图1所示:

结构

从图1中可知, 电力研究学者在标准冗余星形结构的基础上, 引入了考虑间隔层与过程层设备单元间的可用性因素, 利用合理的合并单元与断路器控制组合体与保护IED电子设备间的运行可靠性判断, 通过功能整合有效提高智能数字化变电站中过程通信总线运行可靠性、精确性、以及实时可靠性。

3 智能数字化变电站过程层总线应用功能的实现

按照图1中所述的功能整合过程总线冗余保护结构, 推出了实际变电站自动化系统工程应用中的过程层功能合并单元 (合并单元/断路器控制器) 的整合设计方案。此处以ABB制造厂家的智能数字化变电站过程总线保护结构体系为例, 其具体过程总线保护实现方案如图2所示:

从图2可知, ABB推出基于ELK-CP3组合采集分析处理装置 (组合式电压/电流互感器) 的过程总线保护结构。

结束语

随着变电站自动化系统中过程层电气一次设备的智能化、数字化, 以及二次设备的集成网络化, 采用数据和信息的集中标准化采集模式, 并基于IEC61850标准的过程层通讯网络结构, 实现了变电站自动化系统中过程总线上数据信息的集成统一采集传送, 完成了变电站中不同智能IED设备间功能数据信息的实时共享和互操作, 促进了变电站自动化系统向智能数字化方向快速稳定发展。

摘要：在对智能数字化变电站过程层总线通信技术实现背景进行归纳总结后, 分析了智能数字化变电站过程总线中的改进型冗余设计星型保护结构体系。最后, 结合ABB制造厂家的智能数字化变电站过程总线保护结构方案, 分析智能数字化变电站过程层总线应用功能的具体实现技术手段。

关键词：智能数字化变电站,过程总线,总线通信技术,保护结构

参考文献

[1]殷志良, 刘万顺, 杨奇逊, 等.基于IEEE1588实现变电站过程总线通信采样值同步技术[J].电力系统自动化, 2005, 29 (13) :60-63.

数字化变电站过程层设备的配置选型 第4篇

关键词：数字化变电站,过程层,设备选型

通过近年来的不断发展, 我国变电站的自动化水平相比于老式变电站已经有了质的飞跃, 使用自动化系统实现了电网调度的智能化, 将相应建设的造价降低到较为理想的水平。数字化改造是变电站实现自动化的下一步进展, 在抗事故能力上更进一步。大量数字化设备在变电站中的应用, 实现了多种操作过程的数字化。目前, 在国内, 系统的数字化变电站设计体系尚未形成, 对变电站过程层中各种设备的配置选型进行研究具有重要意义。

1 数字化变电站

相比于传统的变电站, 数字化变电站中大量运行光电技术, 网络通信技术以及信息技术, 尤其是在二次系统中, 信息应用的模式发生了彻底的改变, 各种电气量实现了数字化输出;通过运用相关技术, 对电力系统的信息进行统一建模, 信息的交互通过网络通信的方式实现。在设备上, 摒弃了常规的TA和TV, 采用的是新型的数字化互感器, 具有紧凑和低功耗的特点;将电力系统中的运行量直接变换成数字信号, 结合基于以太网的数据采集以及传输系统, 进行统一的信息建模。

主要的技术特征表现在以下几个方面:1) 数字化的数据采集。在电流和电压的采集环节, 采用光电式互感器, 实现采集信号的数字化, 不仅能够有效隔离一二次系统的电气连接, 而且提高了测量的精度, 为信息的集成化应用提供保证。2) 分布化的系统分层。分布式分层系统能够实现分布式的配置, 该配置是面向对象的配置, 将具有测量控制以及保护功能的元件, 比如:电子式保护单元, 测控单元等独立的安装在各个不同的电气设备上, 这样一来, 就能实现在故障情况下, 单个故障系统不会影响整个系统运行的好处。CPU模式的采用, 使得分布式系统中的装置具有独立的数据处理能力。3) 网络化的信息交互。在逻辑结构上, 数字化变电站的自动化系统可以分为三个层次:变电站层, 间隔层以及过程层, 它们之间的数据传输包括:过程层中的智能传感器与间隔层中的装置实行信息交互, 各个层内部信息的交换与通信。通过高速的网络通信, 数字化变电站中的二次系统实现了数据和资源的共享。4) 智能化的设备操作。执行元件采用以计算机技术为基础的控制回路组成, 摒弃了传统的辅助继电器;装在断路器设备内部的控制单元直接处理断路器设备的专用信息;实现了自我检测以及对断路器一二次系统设备的监视。

2 非常规互感器的选型与配置

电流电压互感器能够为电力系统的电能计算提供相关信息, 它们的精度与可靠性关系着电力系统的安全。传统的互感器是电磁感应式的, 与变压器的结构类似。随着输电能量的不断增加, 这种互感器的缺点逐渐暴露出来:电网运行的电压等级提高后对绝缘性要求也有所提高, 导致绝缘结构的复杂性增大, 提高造价, 也增加了产品的重量;由于在电磁式的电流互感器中, 磁饱和现象依然存在, 二次输出的电流很容易发生畸变, 畸变严重的情况下会造成继电保护的误动作;电磁式的互感器输出的是模拟量, 无法实现与数字化设备的直接连接, 阻碍了数字化进程。

与传统的电磁式互感器不同, 目前出现的一种更符合变电站发展需要的互感器被称为非常规互感器, 大致可以分为有源和无源两大类, 其中, 前者也被称为电子式互感器, 主要特点是需要电源对传感头进行供电, 它既可以采用电流电压的混合式配置, 也可以按照间隔进行独立的配置, 在35KV及以上的电压等级中, 数字信号输出的电子式互感器是较为理想的选择, 而对于电压等级较低的, 可以选择输出电压信号较小的电子式互感器;后者又被称为光电式互感器, 主要是利用法拉第光学测量原理, 不需要电源对传感头进行供电。为了配合继电保护配置的双重化, 电子式互感器的传感模块需要进行冗余配置, 保证在某套系统出现故障时继电保护不会出现拒动作。以计量为主要任务的电子式互感器, 其传感模块和合并单元可以与继电保护的共用。同时应该注意, 合并单元的输出协议应该支持IEC61850-9-1。

非常规互感器配置原则的具体为:对于新建的变电站来说, 35kv以上电压等级中, 宜采用电子式互感器, 数字化转换采用合并单元, 该合并单元中带有模拟插件, 在主变压器各侧宜采用具有相同特性的电子式互感器。需要扩建和改造的变电站可以采用常规的电磁式互感器, 当条件成熟时, 可以换成电子式互感器。在220KV及以上等级中, 电流互感器的保护绕组应该按照双重化的要求进行配置。110KV以下电压等级中的电流互感器按照单重化的要求进行保护绕组的配置。出线和主变压器的进线电压互感器中, 母线上的保护绕组应该按照双重化的要求进行配置。

3 智能化一次设备的选型与配置

3.1 智能化一次设备的概念

在进行数字化改造过程中, 常常需要在变压器等一次设备上安装智能终端, 将各种模拟量转换成数字信号, 然后通过光纤输送至主控室的保护测控装置上, 由此传送到智能终端上, 智能终端能够将这些信号转换成电信号, 对断路器的分合闸进行控制。当前, 智能化一次设备的一体化还未成熟, 普遍采用智能化终端作为接口, 满足一次设备的功能要求, 包括:1) 设备均带有传感器, 在线检测各种重要的状态参量;2) 能够对自身数据进行采集和数字化, 记录事件, 具有可靠的报警装备;3) 具有标准化的通信接口, 便于进行数据通信和互操作;4) 断路器具备操作箱的功能, 便于分合闸的操作;5) 电磁兼容性良好, 具有较强的抗干扰和抗震能力。

3.2 智能开关

智能开关实现了在断路器的内部嵌入电流和电压的变换器系统、二次系统以及相应的智能软件系统, 其智能化程度较高。理想的智能开关具有很多优点, 能够在间隔内实现自动闭锁的五防功能, 为设备和工作人员的安全提供保障, 合闸角的控制是通过电压的波形进行的;在最佳的灭弧时间内进行跳闸的控制, 有效的减小了操作过电压;同时, 它也能够在线检测和诊断设备, 保证状态检修的高效率;重合闸能够就地进行以及其他能够在就地执行的功能。

3.3 智能终端

智能终端采用光纤通信技术以及GOOSE协议与间隔层设备实现信息的传递。利用二次电缆实现与断路器和变压器的连接, 对各种所需信号进行采集和控制。在技术上, 智能终端具有一些特定的要求:应该采用电缆连接智能终端和一次设备, 采用光纤连接智能终端和二次设备。为了实时控制一次设备, 应该支持GOOSE协议方式, GOOSE在进行信息处理时应该保证较小的时延。应该具备有GOOSE命令的记录功能, 同时提供便捷的查看方式。应该具备完整的闭锁报警功能, 在电源, 通信中断或是异常等情况下及时发出报警信号。在户外, 智能终端的屏体保护等级要适当, 电磁兼容性满足指标要求, 保证在较为恶劣的工作环境下也能够正行工作。

智能终端的配置原则根据电压等级的不同有所区别。在330KV及以上电压等级上, 智能终端应该按照断路器的双套配置, 配合双分闸圈。220KV电压等级的间隔智能终端采用双套配置方案, 配合双重化保护。66KV到11KV电压等级的智能终端按照单套进行配置。在330KV及以上电压等级的变电站, 主变压器的三相侧间隔智能化终端应该按照双套进行配置, 配合双重化保护。在每台主变压器上都应该配置相应的本体智能终端, 保护主电压器的主体非电量, 实现有载调压和控制启动的风冷, 支持非电量信号的上传等等。

3.4 智能在线监测设备

对一次设备进行在线监测, 及时发现设备的潜在故障能够提高供电可靠性, 降低检修成本。在线监测的实现方式主要有以下几种:

1) 变电站内的各种设备分别安装在线监测系统。设置相应的就地采集单元, 对传感器输出的信号进行采集。将监测主机安置在监控室内, 将站内采集单元上的信息进行汇总, 采用专家系统软件分析诊断。主机和就地采集单元通过现场总线连接。这种方式比较容易实现, 目前采用的也较多, 主要的缺点是需要在变电站内设置较多的监测系统, 各个厂家提供各自的系统模型和通信协议, 无法实现监测系统和监控系统的数据共享。

2) 按照系统集成商统一约定, 实现监测数据的建模, 全站统一使用IEC61850的标准通信协议。采用以太网方式进行就地采集单元与站控层网络的连接, 上传监测信息采用MMS系统。当监测的数据量较小时, 可以采用监控主机进行监测数据的汇总工作;当数据量较大时, 应该设置特定的在线检测主机, 通过数据网的方式, 实现信息的远传。这种方式的优点是将变电站内的检测系统和监控系统统一起来, 实现了数据的共享, 但是, 进行数据建模和通信规约时工作量大。

3) 通过以太网, 利用智能一次设备将在线监测信息直接上传, 进行统一的数据建模, 在信息的上传上支持GOOSE方式, 后台专家系统软件的维护由一次设备的厂家负责。这种方式使得变电站内的设备简洁, 具有清晰的界面, 但是一次设备厂家的开发能力尚不足, 制造水平也有待提高, 目前实现难度较大。

4 结语

经过多年的不断发展, 变电站的自动化水平有了很大的提高, 微机保护在二次系统中的应用也覆盖了从保护到监控的整个过程。随着制造技术的不断发展, 电子式电流电压互感器的出现已经在电力系统中的应用, 变电站的数字化逐渐变成现实, 也逐渐成为电网建设的重点。本文针对数字化变电站过程层设备的配置选型进行研究, 希望能够同行一些参考和启发。

参考文献

[1]李九虎, 郑玉平, 古世东.等2电子式互感器在数字化变电站的应用[J].电力系统自动化, 2007.

[2]方春恩, 李伟, 王佳颖.等2基于电阻分压10KV电子式电压互感器[J].电工技术学报, 2007.

智能变电站过程层应用技术研究 第5篇

IEC61850将智能变电站自动化系统分为站控层、间隔层、过程层三层结构。过程层是智能变电站区别于常规变电站的亮点之一,但其实现方案饱受争议,相比传统的变电站,智能变电站的过程层可以有效地解决设备容易受干扰、高低压不能有效隔离、信息不能共享等缺点。同时,过程层设备采用了大量复杂的新技术,新增了不少设备,其实时性、可靠性要求极高,对继电保护设备的性能产生重大影响。目前,相关设备运行业绩少、时间短,相关方案尚未完全达成共识,随之而来的安全性和可靠性方面的担忧也不能忽视。

本文结合国网的相关导则、规范,提出了几种典型的技术方案,并分析研究了其关键技术。

1 过程层的概念与构成

1.1 过程层的概念

智能变电站自动化系统三层之间用分层、分布、开放式网络系统实现连接。过程层位于最底层,是一次设备与二次设备的结合面,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[1]。

具体而言,变电站中原来间隔层的部分功能下放到过程层,如模拟量的A/D转换、开关量输入和输出等,相应的信息经过程层网络进行传输,它直接影响变电站信息的采集方式、准确度和实时性,是继电保护正确动作的前提。

过程层信息传输基于光纤通信方式,其服务分采样值传输(SMV)和GOOSE信息传输两类。

1.2 过程层的构成

过程层包括变压器、断路器、隔离开关、电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置[2]。

相对于传统变电站,智能变电站的一、二次设备发生了较大的变化,一次设备上电子式互感器取代了电磁式互感器,智能化开关取代了传统开关设备;多个智能电子设备之间通过GOOSE、采样值传输机制进行信息的传递。这些特征有利于实现反映变电站电力系统运行的稳态、暂态、动态数据以及变电站设备运行状态、图像等的数据的集合,为电力系统提供统一断面的全景数据。

2 过程层的基本要求

2.1 采样值传输技术要求

采样值传输是变电站自动化系统过程层与间隔层通信的重要内容,智能变电站过程层上最大的数据流出现在电子式互感器和保护、测控之间的采样值传输过程中。采样值报文(以及跳闸报文)的传输有很高的实时性要求,即使在极端情况下也要确保报文响应时间是可确定性的[3]。

对采样值传输的几个重要技术要求为:

(1)对于传输流量大而且实时性要求高的采样值传输通信,采用发布者/订阅者结构。

(2)根据IEC61850-9-2标准定义,采样值传输以光纤方式接入过程层网络,间隔层保护、测控、计量等设备不与合并单元直接相连,而是通过过程层交换机获取采样值信号,以实现信息共享;同时通过交换机本身的优先级技术、虚拟VLAN技术、组播技术等可以有效地防止采样值传输流量对过程层网络的影响[4]。在我国,一种典型的接入方式是直接采样,即点对点方式,采样同步应由保护装置实现[2]。

2.2 GOOSE实时性要求

GOOSE是一种面向通用对象的变电站事件,其基于发布/订阅机制,能快速和可靠地交换数据集中的通用变电站事件数据值的相关模型对象和服务,以及这些模型对象和服务到ISO/IEC8802-3帧之间的映射。

智能变电站中GOOSE服务主要用于智能一次设备、智能单元等与间隔层保护测控装置之间的信息传输,包括传输跳合闸信号或命令,GOOSE报文数据量不大但具有突发性。由于在过程层中GOOSE应用于保护跳闸等重要报文,必须在规定时间内传送到目的地,因此对其实时性要求远高于一般的面向非嵌入式系统,对报文传输的时间延迟在4 ms以内[5,6]。

2.3 合并单元与智能终端的基本要求

2.3.1 合并单元的基本要求

合并单元主要是对来自二次转换器的电流/电压数据进行时间相关组合和处理的物理单元,是针对电子式互感器,为保护/测控等二次设备提供一组时间同步(相关)的电流和电压采样值,其主要功能是汇集/合并多个电子式互感器的数据,获取电力系统电流和电压瞬时值,并以确定的数据品质传输到继电保护设备等;其每个数据通道可以承载一台或多台的电子式电流或电压互感器的采样值数据。它是过程层采样值传输技术的主要实现者,物理形式上可以是互感器的一个组成件,也可以是一个分立的单元。

在智能变电站中,合并单元的重要性与继电保护装置相似,因此要求其正常工作时的地点应无爆炸危险,无腐蚀性气体及导电尘埃、无严重霉菌、无剧烈振动源,同时有防御雨、雪、风、沙、尘埃及防静电措施等。

合并单元的同步对时及守时要求极高,具体如下:

(1)合并单元应能够接收IEC61588或B码同步对时信号。当采用组网方式时,同步采样方式宜采用IEC61588 V2对时方式。

(2)合并单元正常情况下的对时精度应为±1μs,守时精度范围为±4μs。

(3)当外部同步信号失去时,合并单元应该利用内部时钟进行守时。当守时精度满足同步要求时,采样值报文中的同步标识位“Smp Synch”应为TRUE。当守时精度不满足同步要求时,采样值报文中的同步标识位“Smp Synch”应为FALSE。

2.3.2 智能终端的基本要求

智能终端是过程层的另一重要设备,逻辑上是一种智能组件,它与一次设备采用电缆连接,与保护、测控等二次设备基于GOOSE机制采用光纤连接,实现对一次设备(如:断路器、刀闸、主变压器等)的测量、控制等功能。智能终端适用于安装在户内柜或户外柜等封闭空间内,当安装在户外控制柜内时,装置壳体防护等级应达到IP42,安装在户内柜时,防护等级应达到IP40。

智能终端主要技术要求如下:

(1)应支持以GOOSE方式进行信息传输,GOOSE信息处理时延应小于1 ms。

(2)应具备GOOSE命令记录功能,记录收到GOOSE命令时刻、GOOSE命令来源及出口动作时刻等内容,并能提供查看方法。

(3)智能终端应具有信息转换和通信功能,支持以GOOSE方式上传一次设备的状态信息,同时接收来自二次设备的GOOSE下行控制命令,实现对一次设备的实时控制功能。

3 三种典型过程层方案

3.1 常规互感器方案

本方案以220 kV线路保护为例,采用常规互感器加装采集单元实现采样值的数字化,通过配置现场采集单元将互感器输出的模拟量采集处理后按FT3格式输出,并通过光纤接入合并单元,通过同步处理以符合IEC61850-9-2标准接至间隔层保护测控装置或网络交换机。系统结构图如图1所示。

本方案中,整站系统基于IEC61850标准,保护装置不经过交换机而直接采样,直接经GOOSE跳断路器,且可经GOOSE网络方式启动断路器失灵、重合闸。本方案的优点是由于采集单元独立配置,方便于后期工程中将常规互感器改造为电子式互感器。缺点是增加采集单元后提高了系统结构的复杂度,且常规电流互感器的饱和问题等没有有效解决。

此外,对于采用常规电压、电流互感器的变电站数字化建设工程,也有将模拟量直接接入保护测控装置的应用。

3.2 电子式互感器直采直跳方案

本方案以220 kV线路保护及变压器保护为例,整站建立在IEC61850标准基础上,由于采用了电子式互感器,因此不需要采集单元。过程层采样值和继电保护相关GOOSE信息采用点对点传输即直采直跳,其他非继电保护(如录波系统)的GOOSE信息、采样值传输可采用网络模式,其中继电保护相关的采样值报文通信采用IEC61850-9或IEC60044-8标准,报文通信基于GOOSE协议。此外,非继电保护的过程层采样值传输网络和GOOSE网络完全独立配置,且按电压等级分别组网。系统结构如图2所示。

本方案均按双重化配置保护装置,每套保护包含完整的主、后备保护功能,对时采用IEEE1588或IRIG-B码方式,保护功能要求与常规变电站相同。

特别强调的是,变压器各侧(含低压侧)及公共绕组的MU均按双重化配置,中性点电流、间隙电流并入相应侧MU;变压器保护跳母联、分段断路器及闭锁备自投、启动失灵等可采用GOOSE网络传输。变压器非电量保护采用就地直接电缆跳闸,信息通过本体智能终端上送过程层GOOSE网。本方案的优点是避开了交换机环节及对同步对时信号的依赖,实现了智能变电站的信息数字化传输和功能的集成化;缺点是保护及合并单元所需网口较多,发热量较大,所使用光缆和交换机的数量较多。

3.3 过程层三网合一方案

本方案以变压器保护为例,采用IEC61850-9-2采样信息、GOOSE信息、IEEE1588对时信息共网传输。间隔层与过程层合并单元遵循IEC61850-9-2标准,与过程层智能终端采用GOOSE通信协议。过程层网络按间隔配置独立的间隔交换机,各间隔通过主干网交换机组成过程层网络实现信息共享。系统结构图如图3所示。

本方案的优点是实现了GOOSE、采样值传输、IEEE1588三网合一,最大程度地实现了信息共享,网络结构清晰,节省了大量的光缆,便于设计、维护,是代表未来技术发展的一种方案;但由于网络技术的要求比较高,技术难度大,且欠缺有效的冗余手段,其可靠性受到一定的质疑和担忧。因此,基于IEC 62439标准的PRP冗余技术[7,8]得到广泛的关注。

3.4 三网合一测试方案及效果

为验证采样值传输、GOOSE、IEEE1588对时三网合一的可靠性和GMRP应用的稳定性,2010年4月,参与了某电力科学研究院组织的国内六家知名企业相关测试,针对三网合一方案,主要试验了GMRP组播协议稳定性、IEEE1588性能检查、大背景流量下网络试验、时钟切换试验、智能终端动作固有延时测量和同步报文的拷机试验,组网方式如图4所示。

通过此次试验,得到以下结论:

(1)在上述组网方式下,三网合一技术可行,合并单元、交换机、保护装置可以满足三网合一运行要求。

(2)在12 h拷机试验中,同一厂家的交换机组网下,GMRP组播协议可以稳定运行,可以动态刷新组播列表。在GMRP组播协议下,系统区内故障保护可靠动作,区外故障可靠不动作。

(3)IEEE1588网络对时协议用于过程层网络,经过三级交换机带来的同步误差小于100 ns。

(4)在大背景流量(70 Mbps,100 M以太网)下,GMRP协议和IEEE1588协议可以在各厂家交换机网络下稳定运行。

4 PRP并行冗余技术方案

IEC61850标准中对网络冗余标准没有制定,为了实现双网冗余,有的厂家提出了私有的双网冗余解决方案,这对IEC61850提倡的开放性和互操作性产生了负面影响;冗余方案基本上都是在应用层进行冗余处理,增加了程序的复杂度,降低了数据处理效率。最严重的是,在网络发生故障时,现有的私有方案双网切换时间过长,一般在15 s到20 s或更长时间,不能满足变电站系统的要求。

PRP(Parallel Redundancy Protocol)是IEC62439-3中定义的网络冗余协议,IEC62439已于2010年3月份正式颁布。IEC61850 Ed2.0中明确引用IEC62439-3,作为其冗余协议。

在基于PRP技术的变电站冗余网络中,每个PRP冗余节点(例如保护装置、合并单元)需两个网络端口并行运行。工作时,端口通过链路冗余体与网络层相连,其作为一个单独的网络接口软件管理处理以太网卡和上层网络协议的通信接口,如图5所示。

对于冗余管理,链路冗余体在发出的报文中追加一个冗余校验标签(RCT,Redundancy Check Tag),包括帧的序列号,用来发现重复。另外,链路冗余体周期性地发送PRP监视报文,并且分析其收到的监视报文来评估其他PRP节点的工作状态。

节点中的两个以太网卡具有相同的MAC地址和IP地址,这使得冗余对于上层是透明的,上层程序无需为冗余做任何处理。PRP是基于第二层网络协议的网络拓扑结构,它不需要进行改动就可以正常使用网络管理,工程配置非常简单,同时支持第二层网络冗余,对变电站系统而言就是完全支持GOOSE和SMV数据通信。

本方案中,网络的冗余切换是无缝的,它可以极大地提高网络通信系统的可用度[9],其应用前景备受关注。当然,由于每个网络节点(如保护装置)需要冗余网口,因此相比于一般的三网合一,交换机的数量将会增加,相应地网络投资会有所增加。

5 结语

过程层是智能变电站区别于常规变电站的亮点之一,也是饱受争议的部分。本文对其概念和构成以及基本要求进行了分析阐述,列举了过程层目前比较典型的组网方案,对过程层三网合一组网方案进行了实际测试,提出了一种基于IEC61439的PRP并行冗余技术方案,它可显著提高通信网络的可用度。

摘要：过程层是智能变电站区别于常规变电站的亮点之一,但其实现方案饱受争议。阐述了智能变电站过程层的概念和组成及其基本要求,对过程层典型组网方案的优缺点进行了分析,同时对三网合一方案进行了实际测试,提出了一种基于IEC62439的PRP并行冗余技术方案,它可显著提高通信网络的可用度。该研究对于推广应用智能变电站过程层技术具有一定的指导意义。

关键词：智能变电站,过程层,合并单元,智能终端,三网合一,IEC62439,PRP

参考文献

[1]殷志良,刘万顺,杨奇逊.基于IEC61850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.YIN Zhi-liang,LIU Wan-shun,YANG Qi-xun.Research and implementation of the communication of process bus based on IEC61850[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(8):84-89.

[2]Q/GDW383-2009:2-3国家电网公司企业标准.智能变电站技术导则[S].

[3]王改云,苏磊.35kV数字化变电站设计方案探讨[J].现代电子技术,2009,21(308):189-192.WANG Gai-yun,SU Lei.Discussion on35kV digitized substation[J].Modern Electronics Technique,2009,21(308):189-192.

[4]郑新才,施鲁宁,等.IEC61850标准下采样值传输规范9-1、9-2的对比和分析[J].电力系统保护与控制,2008,36(18):47-50.ZHENG Xin-cai,SHI Lu-ning,et al.Comparison and analysis of sampled value transmission specification9-1and9-2in IEC61850standard[J].Power System Protection and Control,2008,36(18):47-50.

[5]高翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社,2009:77.

[6]宋丽君,王若醒,等.GOOSE机制分析、实现及其在数字化变电站中的应用[J].电力系统保护与控制,2009,37(14):31-34.SONG Li-jun,WANG Ruo-xing,et al.Analysis and implementation of GOOSE mechanism and its application in digital substation[J].Power System Protection and Control,2009,37(14):31-34.

[7]Hubert Kirrmann,Mats Hansson,Peter Müri.IEC62439PRP:bumpless recovery for highly available,hardreal-time industrial networks[C].//12th IEEE Conference Emerging on Technologies&Factory Automation.2007.

[8]IEC62439high availability automation networks[S].

智能变电站过程层应用技术研究 第6篇

1 智能变电站过程层的内涵

随着科技的不断进步, 在电力系统的发展中实现变电站的自动化和智能化被提上日程。智能变电站能有效实现信息数字化, 同时, 也具有一定的信息采集和处理能力, 可达到信息共享的目的。其主要是由间隔层、过程层和站控层组成。其中, 过程层居于整个智能系统的最底层, 主要由断路器、变压器、电流互感器和隔离开关等一次设备以及智能元件构成, 用来检测整个电力设备, 并实施相关操作命令等, 以保证变电站的正常运行。过程层与间隔层、站控层相比, 与一次设备的接触度最高。因此, 过程层的运行状态直接关系着整个智能变电站运行的稳定性。

2 过程层应用的基本原则

在整个智能变电站中, 过程层起着至关重要的作用。因此, 要想保证智能化系统运行的稳定性和安全性, 就要遵循一定的原则, 实现过程层安装的合理性和管理的有效性。

2.1 实时性

GOOSE属于面向通用对象的变电站事件, 可有效保证信息交换、传输过程中的合理性。而GOOSE服务在智能变电站中的主要工作职能是为一次设备和智能单元提供有效的信息传输服务, 比如传递跳闸、合闸的命令和信号的传输服务。虽然GOOSE服务传输的数据信息量不大, 但传输的数据均比较重要。同时, 由于在GOOSE服务的数据信息传输过程中具有一定的突发性, 因此, 需要遵循实时性原则。只有这样, 才能将数据信息有效传送至指定地点, 实现信息共享。

2.2 智能终端设计

智能终端是智能变电站中的重要设备之一, 属于智能组件, 主要通过一次设备与电缆连接, 进而发挥其测量和监测性能。智能终端是针对智能变电站运行中存在的GOOSE服务而提出的, 可提高智能终端安装的合理性, 保证监测和控制的质量。在设计智能终端时, 要注重传输数据信息的实时性、具有记录GOOSE服务命令的功能、提供具体的信息查看方法等方面, 还应具备通信能力、转换能力, 从而增强相关控制命令的执行力。在安装智能终端时, 应将其安装在较为封闭的空间内, 且保证其具有较高的防护性能。

2.3 采样值数据传输技术

采样值数据传输主要是指间隔层与过程层间的重要通信内容。在传输过程中, 智能变电站过程层中的最大数据流存在于电子互感器、测控与保护间的采值数据传输中。因此, 该技术需要具有较高的实时性, 其相关技术原则包括:采样值数据传输需要通过光纤与过程网的连接;用于间隔层保护和监测的设备不能直接与合并单元连接, 需要借助过程层上的交换机获得采样值信号, 从而完成信息共享;采用直接采样 (点对点接入) 的方式, 充分发挥过程层交换机中的优先级技术和虚拟技术, 从而提高网络的安全性和稳定性。

3 智能变电站过程层应用技术分析

3.1 电子式互感器技术

以220 k V线路保护为例, 规划其电子式互感器的技术方案, 可实现直采直跳的效果, 即过程层采样值与继电保护相关的GOOSE信息采取点对点的传输方式。由于在智能变电站中采用了电子式互感器, 所以, 不必安装采集单元。在该方案中, 继电保护的相关采样值主要建立在IEC61850-9标准基础上。此外, 非继电保护的过程层采样值传输的网路和GOOSE网络要实行独立配置, 并按照电压等级分别组网。该方案主要采用双重化配置保护装置, 可保证设备的安全性、稳定性;去除了交换机环节, 提高了数据信息传输的便捷性, 实现了信息的集成化和数字化。但由于该方案在执行过程中需配备较多的保护、合并单元网口, 且发热量较大, 因此, 需要较多的交换机和光缆, 且配件较为复杂。

3.2 三网合一技术

三网合一技术是指IEEE1588对时信息、GOOSE信息与IEC61850-9-2采样信息的共网传输。本文以变压器保护为例建立三网合一系统。在该技术方案中, 过程层和间隔层的合并单元均采取IEC61850-9-2的表展, 过程层的智能终端合并单元采用GOOSE通信协议, 并通过各主干网交换机和间隔交换机达到信息共享的目的。三网合一技术可有效实现数据信息的共享, 其网络结构清晰、简单, 不需要较多的交换机和光缆辅助连接。同时, 该技术的设计、安装和后期维修管理环节较为简单、方便。但由于实施该方案对技术的要求比较高, 加之其可靠性还需要进一步验证, 且缺乏一定的冗余技术手段, 在实施该方案时, 需要重视应用先进的冗余技术, 从而提高三网合一技术应用的可靠性和安全性。

4 结束语

综上所述, 智能变电站作为未来电力系统发展的主流, 可有效提高配电网的安全性和稳定性。在智能变电站系统中, 过程层属于比较关键的环节, 研究其相关应用技术是十分必要的。在实时性原则、智能终端设计原则、采样值数据传输技术原则的支持下, 智能变电站过程层的系统结构将得到进一步完善, 从而推动智能变电站的健康、可持续发展。

摘要：主要从智能变电站过程层的内涵入手, 提出了过程层应用的基本原则, 并深入分析了智能变电站过程层应用的电子式互感器技术和三网合一技术, 以期为类似的研究工作提供可靠的理论依据, 从而推动智能变电站的飞速发展。

关键词：智能变电站,过程层,三网合一技术,电子式互感器

参考文献

[1]易永辉, 王雷涛, 陶永健.智能变电站过程层应用技术研究[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (21) :1-5.

数字化过程层技术 第7篇

智能变电站与常规变电站相比具有信号数字化、传输网络化的技术优势，采用光信号进行数据传输，光纤替代了80%以上的传统电缆。传统变电站一般通过电缆号头来确定回路信息，通过纸质图纸表达回路原理，便于施工、调试、运行、维护单位作业。智能变电站的光纤没有号头，取而代之的是光纤标签，回路原理的设计逐渐由常规纸质图纸向光缆联系图和全站SCD文件表达方式转变[1]。

智能变电站中光缆标签的格式和内容目前国家电网公司暂无统一的规定，标签上通常按照常规变电站电缆号头的习惯表达了光缆的起点、终点位置和光缆编号，但这种表达方式各地区也并不统一，另一方面直接通过标签信息去图纸中查找原理信号回路也不够直观，一般只能对应找到光缆联系图中的相关信息，原理回路细节还需要通过各类工具软件在SCD文件和虚端子图中查找，不利于施工单位施工、对调试和运行单位也带来困扰，不利于智能变电站的统一建设[2,3,4,5]。

论文针对目前智能变电站过程层光缆标签无法展示所传输的虚端子信息，不便于现场调试、检修的弊端，结合施工、调试、运行环节的应用需求，参照前期部分地区研究的智能变电站光缆标签标识设计的原则，首先在二次系统施工图设计中统一规范光缆标签的回路编号、光缆去向和信息内容，在此基础上应用先进的数字编码技术，研究智能变电站过程层光缆智能标签的编码、生成及解析方法，实现过程层光缆标签信息的“即扫即看”，而且可批量查找一根纤芯内的所有虚端子信号，可极大提高智能变电站调试、检修和改扩建的效率及正确性，准确实现过程层物理回路与逻辑回路的“虚实对应”。

1 光缆连接信息的虚实对应实现思路

智能变电站过程层中的光缆是保证整个站内二次系统可靠运行的重要环节，与常规变电站的电缆一样，光缆应该有格式统一、内容明确、表达清晰、易于施工的标签系统，为工程的调试和运行服务。智能变电站过程层光缆连接信息分为物理连接关系和虚端子连接关系[6,7,8,9,10]。

对于物理连接关系，在实际安装过程中，光缆尾缆的铺设以设计院提供的光缆清册为依据，各类装置、交换机、光纤配线架的端口连接以光缆联系图为依据，完成光缆尾缆的物理安装和连接工作，为清晰地表达光缆尾缆的去向，需要在光缆尾缆上挂吊牌，表示光缆尾缆的起点和终点以及编号，而对于装置、交换机、光纤配线架端口上的纤芯通常由厂家粘贴标签，表示纤芯端口的对应关系。

对于虚端子连接关系，在智能变电站调试过程中，装置间的回路原理是否正确，验证依据依赖全站虚端子表和SCD文件，虚端子表可以由人工阅读，了解每个装置间的信号逻辑，SCD文件便于各类调试软件和仪器解析，通过调试测试仪，验证每一个SCD文件中定义好的信号逻辑，保证装置的动作正确。

目前智能变电站中光缆物理连接关系和虚端子连接关系是分开表达的[11]。在实际的工程调试阶段，当需要通过物理信息查找虚端子信息或者通过虚端子信息查找所经过的物理信息时，工作则完全由调试人员通过在多个文件中对照查找完成，操作繁琐，工作量也较大。

在《Q/GDW 11396-2012 IEC61850工程继电保护应用模型》规定了GOOSE、SV接收访问点物理端口关联[12]：即采用在“ExtRef”元素“intAddr”属性中增加物理端口描述的方式，示例如下：

在标准的SCD文件Inputs中引入物理端口的方式，为“虚实对应”的实现体现了理论依据。软件可通过虚回路中的物理端口信息准确定位实际的物理路径，实现物理回路和虚回路的信息绑定，从而实现准确的“虚实对应”关系。

本文中将智能标签作为“虚实对应”的查询入口，通过扫描终端扫描智能标签实现展示，即将光缆连接的物理信息和虚端子连接信息两种连接结合起来，通过物理端口能够查找端口连接的纤芯和端口传送的虚端子信号，通过网络中传输的虚端子信号能够快速定位虚端子所经过的装置、交换机、光纤配线架的物理端口。过程层光缆“虚实对应”具体实现思路如图1。

如图1，利用智能标签实现物理连接路径和虚回路连接路径的对应，提出了过程层光缆“虚实对应”的实现思路。将变电站中的场地分布、组屏、装置配置、装置端口连接信息和光缆走向信息均使用XML的方式构建在物理模型文件中，物理模型文件中的装置端口信息与SCD文件中的装置端口信息相关联，借助智能标签的扫描，在计算机上就能直接实现虚实对应的查阅、导航、搜索等功能，可以直接解析出装置的端口分布和端口传输虚端子信息，也可以解析出装置虚端子和虚端子传输的物理路径。通过光缆智能标签的应用，可以实现设计文件中光缆联系图的无纸化交互和管控，有利于提升工程改扩建的效率和调试过程中的信息查询效率。

2 光缆智能标签的实现

过程层光缆智能标签的实现主要包括标签编码、生产和解析三步骤[13]。

2.1 光缆智能标签的编码

对于智能变电站光缆标签而言，信息编码采用二维码或RDIF均能够满足使用的需求，但是综合考虑成本因素，二维码标签使用目前常见的标签打印机均能支持，便于标签制作，而RFID标签由于需要读写内部存储器，必须使用专用的标签打印机，成本较高，因此优先选择二维码方式实现智能标签功能。

二维码具有多种编码格式，其中QR-CODE矩阵式编码应用最为常见，QR码整体呈正方形，只有黑白两色；在4个角落的其中3个印有较小的“回”字型图案，用来帮助解码软件定位，使用者不需要对准，无论以任何角度扫描，资料均能被正确读取。使用这种编码方式方便调试人员在现场环境下快速读取标签信息。

在智能变电站过程层中，需要粘贴标签的地方包括连接装置端口的光缆纤芯，光纤配线架上的标签栏，屏柜中的光(尾)缆，针对三种标签，下面以光(尾)缆标签为例，给出智能标签的编码方法。见图2光(尾)缆智能标签编码样式。

光缆编号：使用与其连接的光缆编号。

光缆规格：使用“X(Y)”代表光缆中的光纤信息，“X”代表本光缆光纤总芯数，“Y”代表本光纤备用纤数。

光缆起点：光缆起点所连接的屏柜名称。

光缆终点：光缆终点所连接的屏柜名称。

纤芯二维码：用于识别出该光缆中所有的纤芯连接信息，二维码中包含该光缆的序号、光缆起点屏柜序号信息，根据这些序号在工程数据库中搜索出完整的光缆联系信息。

在光缆、尾缆智能标签中，除了原有的信息外，通过二维码标签，快速展现该根光缆、尾缆的纤芯信息。

2.2 光缆智能标签的生成

过程层光缆智能标签生成过程通过获取变电站物理配置信息和虚端子配置信息，整理成后期打印标签和解析标签所需的数据格式，生成智能标签文件，包括光缆、尾缆标签，纤芯标签和光配口标签等，标签打印机实现标签的自动打印。光缆智能标签的生成流程见图3。

图中光缆智能标签生成主要包括三大步骤，即建模配置、虚实对应及标签生成。

1)建模配置阶段。站内物理信息建模，用于构建二次系统设备的配置库，包括装置的型号、插件、端口等信息。根据工程的场地布局要求，构建站内的小室、屏柜信息，完成整个工程的二次系统设备的物理模型的构建；二次系统回路配置，主要用于按照变电站接线方式，完成二次系统物理回路的配置，包括设备间端口连接信息，所经交换机和光纤配线架的信息等；光(尾)缆分配编号，主要在二次系统回路配置的基础上，根据国网公司对于二次系统设计的要求，计算和分配光(尾)缆信息，包括编号、规格等。分配规则包括同一小室内的屏柜间使用尾缆，不同小室间、场地到小室间、场地间的屏柜使用光缆，屏柜内使用跳纤，不同套别的装置间光(尾)缆和光配架需分开，保留最少20%备用芯等。然后根据光(尾)缆编号的要求，给不同走向的光(尾)缆分配具体编号。

2)虚实对应阶段。完成文件绑定和虚端子配置，智能变电站中虚端子配置是保证变电站正常运行的核心功能，一般都通过ICD文件与装置绑定，绑定校验ICD文件合法性，之后提供虚端子配置界面，实现虚端子的配置功能；生成标签数据库文件。每一个工程在其数据库中均有完备的设备物理连接信息和虚拟连接信息，因此，可以通过读取其数据库的方式完成站内虚端子与装置端口的虚实对应配置，以及构建智能标签所需的标签数据库文件。

3)智能标签的生成阶段。关联标签数据库文件，生成标签文件，完成标签模板制作及打印。

2.3 光缆智能标签的解析

过程层光缆智能标签的解析流程主要包括二维码标签的扫描、数据库文件的下载，数据库文件的图形化展示。光缆智能标签的解析流程见图4。

图中光缆智能标签解析流程主要包括两大步骤，即扫描和展示。

1)光缆智能标签扫描。即通过扫描一个智能标签上的二维码，根据二维码的类型，若属于光缆、尾缆二维码将从物理关系文件中下载全站配置图、屏柜光缆联系图以及纤芯联系图等。若属于纤芯二维码将虚端子配置文件中下载端口虚端子图和设备虚端子图。

2)标签信息的展示。若属于光缆、尾缆二维码，则展示该缆中的物理连接信息；若属于纤芯二维码，则展示该纤芯中的虚端子信息。同时也可以将物理连接信息和虚端子信息进行对应展示，自动关联。

3 工程应用

3.1 工程实际问题考虑

在实际现场环境中，需要考虑智能标签的一些实际应用问题。

1)标签材质选择的问题。采用ABS材质，可以耐折压、耐高温、可回收；印字清晰，靓丽、持久，色牢度高，便于扫码终端的扫描。

2)屏内照明不足的问题。当屏内照明不够时，需要扫描终端自动开启自备照明，方便扫描。

3.2 工程应用实例

论文的研究成果在江苏镇江220 kV华山变得到了示范应用。

在设计阶段，首先配置工程内的物理信息模型，包括中标设备的型号、板卡和端口信息、组屏信息、小室分布信息等，其次进行虚端子回路配置，配置工程所需的虚端子回路信息，最后自动将端口信息与光缆纤芯信息进行“虚实关联”，上述文件随同其他设计资料一同交付给安装和调试单位。

在安装阶段，安装单位使用标签打印机，打印出光缆、尾缆标签，纤芯标签和光纤配线架标签，并粘贴在光缆、尾缆、纤芯、跳纤、光配架等处，供调试使用。

在提示阶段，使用手持标签扫描终端上读入智能标签信息，显示全站的小室、屏柜配置信息以及终端、设备的连接信息等。

3.3 工程应用效果

以往现场人员需要根据设计院交付的装置背板图、装置间光缆联系图要了解现场的物理连接信息，需要根据SCD文件了解装置的虚回路信息，由于不了解物理端口与虚回路信息对应关系，还需要通过比对不同文件甚至询问不同的设备厂商之后才能了解具体纤芯的作用，即人工“虚实对应”，按每核对一根纤芯作用平均需要1 min计算，按中等规模站500芯计算，则核对全站所有纤芯作用需要500min，按差错率5%计算，则存在25根纤芯作用描述不准确，对检修、运维构成隐患。而引入智能标签“即查即看”的方式，不需要人工方式核对阶段，直接提供给客户完整的“虚实对应”关系，并且由软件非人工的方式描述纤芯作用，完全可以保证零差错率。

通过在华山变的应用表明，使用智能标签能够极大地提高过程层光缆的运维效率，减少光缆维护的差错率。

4 结语

数字化过程层技术 第8篇

1 橡胶沥青应力吸收层的优点

(1) 防止反射裂缝的发生。

(2) 使层间具有良好的粘结性能。

(3) 具有良好的防水性能。

(4) 相对减薄路面厚度。

2 橡胶沥青的制作注意事项

2.1 基质沥青的选择

橡胶沥青所用的基质沥青采用90号道路石油沥青, 其技术要求见表1。

2.2 橡胶粉的选择

橡胶粉颗粒规格应符合表2要求。橡胶粉筛分应采用水筛法进行试验。

橡胶粉密度应为1.15±0.05 g/cm3, 应无铁丝或其它杂质, 纤维比例应不超过0.5%, 一般含有橡胶粉重量4%的碳酸钙, 以防止胶粉颗粒相互粘结。

橡胶粉供应商应提供橡胶粉质量保证书, 质保书应说明橡胶粉规格、加工方式、加工的废旧轮胎类型等。

2.3 橡胶沥青制备地点的选择

橡胶沥青反复加温和长时间加温会导致运动粘度迅速衰减, 从而影响橡胶沥青的雾化效果;如果异地运输橡胶沥青, 会导致橡胶沥青加温时间和次数都有所增加, 所以橡胶沥青应力吸收层的施工需要在施工现场制作橡胶沥青。

3 石料的选择

3.1 石料的规格

石料采用9.5~13.2 mm石灰岩碎石或玄武岩碎石。

3.2 石料的试验指标

石料的试验指标应符合表3的要求。

4 施工工艺

4.1 施工前准备工作

先人工用竹扫帚将基层表面进行全面清扫, 再用2~3台森林灭火鼓风机沿纵向排成波线将浮灰吹净, 若不能达到“除净”的要求, 则用水冲洗, 清除基层表面浮灰和泥浆, 尽量使基层顶干净。

4.2 橡胶沥青、碎石同步施工

(1) 石料、橡胶沥青喷洒

在施工时, 为保证橡胶沥青的粘度要求及正常的沥青喷洒雾化效果, 封层车中的橡胶沥青加热到195~200℃, 实测施工现场的喷洒温度为190℃, 粘度为2.5 Pa·s, 橡胶沥青用量达到设计要求, 石灰岩石料撒布率约为85%, 用量约控制在15kg/m2。

(2) 人工修复

由于碎石封层车在撒布碎石时, 出现局部石料不均匀分布现象, 需要人工进行修复, 人工撒布石料时要保证均匀, 并且撒布要及时, 紧跟封层车进行修复, 避免石料与橡胶沥青的粘结力降低, 导致脱粒。对多余石料的清扫、收集要彻底, 不能产生石料重叠现象, 避免多余石料与稳固石料产生相互挤压, 导致脱粒现象发生。

(3) 碾压

采用25t胶轮压路机碾压, 碾压时紧跟碎石封层车, 做到碾压及时、充分。第一遍碾压速度要快些, 碾压速度为2.5km/h, 由于橡胶沥青撒布到路面之后, 温度迅速降低, 如不及时碾压, 石料与沥青的粘结性能降低, 出现脱粒现象。之后的碾压速度稍慢些, 起到稳定石料的作用。错轮碾压2遍, 控制在15min内完成。

4.3 后期养护

施工结束后, 在碾压完成的基础上, 应尽快限速开放交通。在低于30km/h的前提下, 使行车自然碾压, 避免急刹车对路面造成的脱粒现象。对于行车碾压所产生的多余浮料及时进行清扫、回收。

5 施工过程中的注意事项

5.1 石料的覆盖率

橡胶沥青应力吸收层一个重要的指标就是石料的覆盖率。规范要求石料的覆盖率为80%~90%。覆盖率偏低, 橡胶沥青相对石料的比值增加, 出现泛油的机率会随着增大;覆盖率偏高, 导致面层与基层粘结力减小, 出现面层推移等后果。

5.2 橡胶沥青的雾化

橡胶沥青雾化效果的好坏直接影响着工程质量。橡胶沥青雾化效果主要存在以下两个问题:

(1) 雾化扇面无重叠, 存在漏喷

形成漏喷的原因:两个喷嘴之间没有交叉的公共面积, 导致橡胶沥青成间隔状喷洒, 形成条状, 雾化扇面没有完全打开。

解决上述问题的方法:及时更换橡胶沥青循环过滤网;加注沥青时增加过滤网;更换橡胶沥青中胶粉种类。上述方法的实施, 解决了喷嘴堵塞而引发的漏喷问题。

(2) 雾化扇面虽然重叠, 但出现条状分布现象

施工时喷洒的扇面虽然打开, 但在重叠部分的沥青薄膜过厚, 石料撒布后, 在自然行车碾压作用下, 形成条状的线条。

分析产生上述问题的原因:橡胶沥青的喷洒粘度偏高, 在行车速度及沥青泵转速相同的条件下, 橡胶沥青粘度偏高时, 雾化扇面并非呈完全打开状态, 交叉公共面积的橡胶沥青偏多, 从而形成较厚的沥青薄膜, 产生了条状分布现象。

解决方法:对于粘度高的橡胶沥青, 储存在升温罐时, 必须加温使其粘度降低, 才能保证施工时雾化充分、完全, 表观均匀。

5.3 橡胶沥青粘度的控制

橡胶沥青随着温度的升高, 运动粘度随之减小, 橡胶沥青随着温度的降低, 运动粘度随之增大, 橡胶沥青持续高温时运动粘度迅速衰减。而橡胶沥青粘度的高低直接影响着工程的质量, 所以必须严格控制加热温度, 保证橡胶沥青粘度不受损失。

5.3.1 需要测量粘度的时间

(1) 橡胶沥青到场时运输车在当时温度下的粘度;

(2) 升温罐的粘度;

(3) 施工前碎石封层车撒布时的粘度;

(4) 施工后碎石封层车撒布时的粘度。

5.3.2 橡胶沥青持续高温时运动粘度迅速衰减的应对办法

橡胶沥青洒布车内的橡胶沥青在持续的高温加热的状态下, 橡胶沥青的运动粘度迅速衰减。为减缓橡胶沥青运动粘度的衰减速度, 保证其合格的运动粘度, 这就要求施工时尽量缩短橡胶沥青在碎石封层车中的停留时间, 在不影响雾化效果的前提下, 降低加热温度, 避免长时间高温加热。

5.4 人工撒布、清扫

由于碎石封层车在撒布碎石时, 出现局部石料不均匀的现象, 人工的后续撒布尤为重要。人工撒布要均匀, 不要产生重叠石料。并且撒布要及时, 不要等到橡胶沥青温度降低后再进行人工修补, 温度降低后, 石料与橡胶沥青的粘结力降低, 容易产生脱粒现象。

对多余石料的清扫要彻底, 不能产生石料重叠现象。多余的石料与已经稳固的石料会产生相互挤压, 导致严重的脱粒现象。

5.5 温度对施工的影响

温度是影响施工质量的重要因素之一。温度的高低直接影响着石料与橡胶沥青的结合能力。温度过低时, 橡胶沥青迅速降温, 石料无法嵌入到沥青中, 石料与沥青不能稳固的结合。温度过低时, 橡胶沥青失去了爬升能力, 与石料的结合性能降低, 出现严重的脱粒现象。当室外温度低于15℃、地表温度低于20℃时, 应停止嵌入式橡胶沥青碎石封层工程施工。

6 结束语

近几年橡胶沥青应力吸收层多次应用在辽宁省内的高速公路以及一些一级公路, 经过实践检验充分体现了橡胶沥青应力吸收层防止反射裂缝发生、使层间具有良好的粘结性能、具有良好的防水性能等优点。

摘要：论述了橡胶沥青应力吸收层在应用过程中需要注意的几个问题, 确保应力吸收层的工程质量, 从而使路面工程达到理想的效果。