数字化变电站技术是当今世界最先进的电力自动化技术,引领着电力技术发展方向,其主要特征是“一次设备智能化,二次设备网络化,符合IEC61850标准”,由电子式互感器、智能化终端、数字化保护测控设备、数字化计量仪表、光纤以太网及IEC61850规约组成的全智能化的分层分布式变电站,即站内信息全部做到数字化,信息传递实现网络化,通信模型达到标准化,使各种设备和功能共享统一的信息平台。数字化的110k V燕南变电站在系统可靠性、经济性、维护简便性方面均比常规变电站有大幅提升,在智能化、数字化技术日新月异的今天,这必将对深圳智能电网建设产生深远影响(如图1)。
1 数字化110k V燕南变电站关建技术
1.1 智能化的一次设备
智能化的一次设备包括光电/电子式互感器,智能化断路器等一次设备。
1.1.1 光电/电子式互感器
110kV燕南变电站按无人值守数字式变电站设计,按照数字式程控化变电站设计要求,一次设备配置光电式电流、电压互感器。
光电/电子式互感器的最大特点是可以输出低压模拟量和数字量信号,直接用于微机保护和电子式计量设备,特别是光电/电子式互感器的应用,克服了传统互感器绝缘复杂、体积大且笨重,CT动态范围小、易饱合且二次输出不能开路,电磁式PT易产生铁磁谐振等诸多缺点。光电/电子式互感器具有绝缘简单、体积小、重量轻等优点,特别是CT动态范围宽、无磁饱合、二次输出可以开路,PT无谐振现象,精度高,暂态特性好。
1.1.2 智能化断路器
110kV燕南变电站按数字化变电站的设计要求配置智能化断路器。110kV设备采用合资户内GIS装置,额定电流2000A,开断电流40kA,动稳定电流100kA;10kV开关柜选用合资厂中置柜,柜中配进口或合资厂真空断路器,电动弹簧操作机构,电动手车及电动机构接地开关。断路器同时配有微处理器、传感器和执行器,不仅具有开关设备的基本功能,还具有附加功能,尤其在监测和诊断方面。
智能化断路器代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器,实现按电压波形控制跳、合闸角度,精确控制跳、合闸时间,减少暂态过电压幅值;检测电网中断路器开断前一瞬间的各种工作状态信息,自动选择和调节操动机构以及灭弧室状态相适应的合理工作条件,以改变现有断路器的单一分闸特性;在轻载时以较低的分闸速度开断,而在系统故障时又以较高的分闸速度开断等,这样就可获得开断时电气和机构性能上的最佳开断效果;断路器设备的信息由微处理器直接处理,并独立执行当地功能。
1.2 网络化的二次设备
1.2.1 二次回路参数
直流电压110V,交流电压380V/220V。110kV电流、电压互感器采用光学电子式互感器(ECT,EPT),提供数字输出。10kV采用一体化模拟小信号输出的电子式一体化电流/电压互感器(ECT/EPT),提供模拟小信号输出。
1.2.2 继电保护
110kV燕南变电站继电保护按《继电保护和安全自动装置技术规程》GB 14285-2006的要求配置。110kV线路、分段及主变保护组屏安装于二次设备室,采用直接接入数字量输入的数字型保护装置。10kV部份采用保护与测控一体化并支持IEC 61850的常规模拟量输入保护装置,安装在开关柜上。
1.2.3 防误操作闭锁
10kV配电装置采用带五防功能的开关柜,110kV GIS部分采用带现场布线式电气闭锁的汇控柜。变电站自动化系统五防功能按照与变电站自动化系统一体化配置,并应满足《广东电网110kV~220kV变电站自动化系统技术规范》要求。变电站五防子系统应由站控层防误和间隔层防误两层构成,站控层防误包括防误闭锁软件系统、电脑钥匙及锁具,间隔层防误是由测控装置的软件逻辑闭锁来完成。
现场布线式电气闭锁也作为整个变电站五防的组成部分,并应满足《广东电网防止电气误操作闭锁装置技术规范》要求,实现本间隔内电动隔离开关(接地开关)、断路器之间的电气闭锁,以及为完成线路倒闸操作所必需的母线接地开关与线路隔离开关之间跨间隔的电气闭锁。现场布线式单元电气闭锁与变电站自动化系统五防子系统相互配合,共同完成刀闸闭锁,正常操作时,二者之间逻辑为“与”的关系。
1.2.4 测量
110kV燕南变电站由数字化综自系统实现电气测量,二次设备室及配电装置不设常规测量表计。110kV部分采用直接采集数字量输入的测控装置,于主控室集中组屏。10kV保护测控装置采用支持IEC 61850,按照点对点面向间隔配置的保护测控一体化装置,支持模拟小信号输入,采用下放10kV开关柜分散布置。
测量采集符合现行标准《电测量及电能计量装置设计技术规程》DL/T 5137-2001,向地调传送的遥测量还应满足《广东电网110kV~220kV变电站自动化系统技术规范》及深圳供电局企业标准《调度和变电站监控系统信息规范》的要求。
1.2.5 同期
本站同期点为全站110kV断路器,同期功能由数字化综自系统间隔层测控单元完成。
1.2.6 继保信息管理子站
设继保信息管理子站一套,继电保护信息与监控系统共享,采用扩展103规约并经一路2M专用光纤通道将采集的保护及故障信息上送地调保护管理及故障信息主站。
1.2.7 GP S时间同步系统
全站设一套专用的GPS对时系统,系统独立组网,系统满足《广东电网变电站GPS时间同步系统技术规范》(Q/GD001.1154.3-2005)的要求。为全站微机保护装置、测控装置和站控层设备等提供统一的时间基准。全站设一套专用的数字采样同步对时系统,建立同步采样对时网络,用于过程层设备的同步采样对时满足要求。
1.3 IEC61850标准
IEC61850是关于变电站自动化系统结构和数据通信的国际标准,其目的是使变电站内不同厂家的电子设备(IED)之间通过一种标准(协议)实现互操作和信息共享。IEC61850标准主要围绕四个方面展开。
(1)功能建模。从变电站自动化通信系统的通信性能(PICOM)要求出发,定义了变电站自动化系统的功能模型(PART5)。
(2)数据建模。采用面向对象的方法,定义了基于客户机/服务器结构的数据模(PART7-3/4)。
(3)通信协议。定义了数据访问机制(通信服务)和向通信协议栈的映射,如在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到MMS(IEC61850-8-1),在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络(IEC61850-9-1)或映射成基于IEEE802.3标准的过程总线(IEC61850-9-2)(PART7-2,PART8/9)。
(4)变电站自动化系统工程和一致性测试工。定义了基于XML(Extensible Make up Language)的结构化语言(PAPT 6),描述变电站和自动化系统的拓扑以及IED结构化数据。变电站自动化系统工程和一致性测试工。定义了基于XML(Extensible Make up Language)的结构化语言(PAPT 6),描述变电站和自动化系统的拓扑以及IED结构化数据(如图2)。
IEC61850明确表示,支持互操性(interoperability)是其主要目标。EC61850互操性支持的是颁布在不同IED中的自动化子功能之间的信息互通和协调操作能力,为此IEC61850将常规的变电站自动化功能进行了分解(decomposition),分解后的最小单元称为LN(逻辑节点),它代表“能够进行信息交换的最小模块”,也就是可参与到应用集成中的最小模块。IEC61850互操作性定义中的“协同操作能力”正是由LN之间的协调配合完成的。
2 数字化110kV燕南变电站系统结构
根据IEC61850A通信协议定义,数字式自动化系统采用变电站功能分层方式,分为3层,即变电站站控层、间隔层和过程层。各层次内部及层次之间采用高速网络通信,通信媒介为网络线或光纤。三个层次的关系如图3所示。
2.1 站控层
站控层设备由主机/操作员站(双套,其中一套设置于变电站,1套设置于集控中心)、远动装置(双套)、五防工作站、继电保护信息子站等组成,按全站最终规模设置。站控层设备采用100M工业以太网(双星型),系统按照IEC61850通信标准进行建模和信息传输。监控网络设A/B双网及对时网。配置公用设备接口单元、公用测控单元各一台,用于接入其他非IEC61850规约的装置(如直流、站用电、视频等)。
站控层主要功能:(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)具有站内当地监控,人机联系功能,如显示、操作、打印、报警、甚至图像,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,在线修改参数的功能。(7)具有变电站故障自动分析和操作功能。
2.2 间隔层
间隔层设备包括保护装置、测控装置、备自投装置等设备,所有间隔层设备之间及间隔层对站控层的网络均采用100M工业以太网(双星型),系统按照IEC61850通信标准进行建模和信息传输,应支持GOOSE方式实现间隔层防误闭锁功能。
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式方式,以提高信息通道的冗余度,保证网络通信的可靠性。
2.3 过程层
过程层是一次设备与二次设备的结合面,或者说过程是指智能化电气设备的智能化部分。
过程层设备主要包括光电式/电子式互感器、智能一次设备等,现阶段智能化开关考虑由开关设备+智能终端方式来实现开关设备智能化。断路器、刀闸等一次设备,采用智能操作装置对一个完整电气单元(含断路器及相关刀闸)的遥控/遥信进行处理,并经过GOOSE网进行联系,从而在过程层、间隔层和站控层实现IEC 61850规约。间隔层设备与过程层MU之间的数字通信协议必须符合IEC 61850的要求。
合并单元(MU):基于IEC61850标准的合并单元是用于与数字/或模拟小信号输出的电子式互感器连接。其主要功能是同步采集多路(面向一个间隔、最多12路)ECT/EPT输出的数字信号后并按照规定的格式发送给保护、测控设备。因此,MU实际上是作为电子式互感器的一部份。根据本期电子式互感器的配置方案,本方案中使用两种MU。其一是支持接入数字输出110kV ECT及EPT的数字接口MU;其二是支持接入10kV及以下的传统互感器/或模拟小信号输出电子式互感器的模拟接口MU。
过层程的主要功能:(1)电力运行的实时电气量检测。(2)运行设备的状态参数在线检测与统计。(3)操作控制的执行与驱动。
3 数字化110kV燕南变电站的优势
3.1 以新型光电式/电子式互感器取代常规互感器,具有以下优点
(1)高低压完全隔离,安全性高,具有优良的绝缘性能。(2)不含铁芯,消除了磁饱和和铁磁谐振等问题。(3)抗电磁干扰性能好,解决低压侧开路引起的过电压问题。(4)动态范围大,测量精度高,频率响应范围宽。
3.2 智能断路器技术
智能操作断路器是配有电子设备、数字通讯接口、传感器和执行器,不但具有分合闸基本功能,而且在监测和诊断方面具有附加功能的开关设备。本站采用符合数据通信要求的断路器智能操作控制装置,主要实现目前操作箱的基本功能,并实现就地化布置。同时,由于智能操作箱引入了微电子技术、计算机技术,因此,除完成基本操作功能外,还可以有效地实现对于断路器状态的监视。这种方案的最大优点在于基于成熟的间隔层数字化技术,能在大量减少电缆、节约占地、提升数字化水平的同时,满足可靠性和稳定性的要求。
具体体现有:(1)节约了电缆等设备投资以及相应的施工投资。(2)节约了保护小室及二次设备室等的占地面积和投资。(3)GIS智能控制柜优化了二次回路和结构。(4)智能控制装置提供了系统的交互性。
3.3 网络通信技术
通信技术是变电站自动化系统信息传输的基础,所采用的技术必须满足变电站内通信网络传输时间要求,随着以太网技术不断成熟和改进,嵌入式以太网在工业控制领域地广泛应用,在网络负荷得到有效控制的情况下,变电站网络采用低廉、成熟的以太网可以满足变电站实时通信的要求。
对数字化变电站有重要影响的网络技术主要有:(1)交换式以太网技术。根据实验,在网络负荷小于25%情况下,以太网响应时间要比令牌总线网络快得多。(2)IEEE802.IP排队特性。该技术使得数字化变电站过程总线和变电站总线有可能合并为同一个物理网络。(3)虚拟局域网VLAN(Virtual Local Area Network)。VLAN使得变电站中控制网段和非控制网段可以从逻辑上划分,而不需依赖物理组网方式以及设备的安装位置,从而有效保证了控制网段的安全性。(4)快速生成树协议IEEE802.lw。在变电站网络中可以采用多种冗余链路设计,以保证网络的可靠性。
3.4 程序化控制技术
变电站程序化操作是指变电站内智能设备依据变电站操作票的执行顺序和执行结果校核要求,由站内智能设备代替操作人员,自动完成操作票的执行过程。实际操作时只需要变电站内运行人员或调度运行人员根据操作要求选择一条程序化操作命令,操作票的执行和操作过程的校验由变电站内智能电子设备自动完成。
本站考虑由间隔层设备和程序化操作服务器共同实现站内设备程序化操作,可以减少甚至杜绝因为人为原因导致的误操作,提高自动化水平,减员增效,缩短事故情况下电网的恢复时间,简化管理流程,提高管理效率。程序化操作是无人值班变电站展的必然。
总之,变电站采用数字化程控操作技术使变电站获得提高信息传输可靠性;简化二次接线;提高测量精度;共用统一信息平台,减少重复设备;便于功能扩充;操作管理自动化,提高生产可靠性,减员增效的优势。
4 结语
数字化110kV燕南变电站还将节约能源、降低能耗、保护环境全面融入电网规划、设计、建设、运营和管理全过程。数字化110kV燕南变电站以传统变电站不可比拟的绿色环保、节约土地、节约资源、节能降耗、安全生产、供电可靠等优点,引领了国内和国际科技发展的潮流,产生了良好的经济和社会效益。作者提昌在开展节能设计、环保设计,推行全过程和全寿命周期最优化设计的同时,建设数字化型、资源节约型、环境友好型绿色智能电网。
摘要：数字化变电站技术涉及计算机、通信网络、继电保护自动化等多个高端科研领域,随着智能化电气的发展,变电站自动化技术即将进入数字化时代。数字化变电站技术是变电站自动化技术发展中具有里程碑意义的一次变革。本文结合110kV燕南变电站论述了数字化变电站自动化技术特征、网络结构及系统组成等。
关键词：变电站,自动化,数字化,智能化