淺析數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)研究與工程實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　淺析數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)研究與工程實(shí)現(xiàn)</p><p>　　摘要：本文介紹了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站的區(qū)別，數(shù)字化變電站的概念和主要特征，數(shù)字化變電站的優(yōu)勢(shì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，最后列舉分析了現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站的幾個(gè)工程方案。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；主要特征；關(guān)鍵技術(shù)；工程實(shí)現(xiàn) </

2、p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TM63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p>　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)電力的需求量日益增加，對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。如何保證供電質(zhì)量，以及電力系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，已成為電力部門(mén)關(guān)注的主要問(wèn)題。變電站作為電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)著電能轉(zhuǎn)換、分配、控制和管理的任務(wù)。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)、信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得變電站自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)水平不斷提高，加上

3、智能設(shè)備等技術(shù)的日趨成熟，促使以數(shù)字化技術(shù)為中心的數(shù)字化變電站建設(shè)成為可能。 </p><p>　　一、數(shù)字化變電站的主要特征 </p><p>　　數(shù)字化變電站以數(shù)字化且低功率的新型互感器取代常規(guī)互感器，并以數(shù)字信號(hào)直接替換大電流和高電壓信號(hào)。數(shù)字化變電站內(nèi)設(shè)備間經(jīng)高速網(wǎng)絡(luò)完成信號(hào)的相互交換，而二次設(shè)備再無(wú)重復(fù)功能的I/O接口，此時(shí)具備常規(guī)功能的裝置轉(zhuǎn)化成了具備邏輯功能的模塊，即基于標(biāo)準(zhǔn)

4、化的以太網(wǎng)技術(shù)完成資源和數(shù)據(jù)的共享。圖一展示了網(wǎng)絡(luò)化信息流程，該流程主要包括如下內(nèi)容：間隔層與過(guò)程層間的信息交換（或間隔層的裝置與過(guò)程層的執(zhí)行器及智能傳感器間自由地實(shí)現(xiàn)信息的交換）；間隔層內(nèi)部系統(tǒng)間的信息交換；各間隔層間的彼此通信；變電站層與間隔間間的通信；各變電站層設(shè)備間的彼此通信。研究表明，數(shù)字化變電站的信息交換網(wǎng)絡(luò)化特征具有如下優(yōu)點(diǎn)：可完全基于實(shí)際需要選取與之完全對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可基于冗余技術(shù)完成整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的提高，而變

5、電站功能的正常作用不會(huì)受到改變著的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響；以網(wǎng)線取代導(dǎo)線可實(shí)現(xiàn)變電站二次回路連線數(shù)目的減少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的提高。 </p><p>　　二、數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站的區(qū)別 </p><p>　　常規(guī)變電站采集的一次設(shè)備的模擬量，通過(guò)電纜將模擬信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)控保護(hù)裝置，裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后處理數(shù)據(jù)，然后通過(guò)網(wǎng)線將數(shù)字量傳到后臺(tái)監(jiān)控。同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)控保護(hù)裝置對(duì)一次設(shè)備的控制通過(guò)

6、電纜傳輸模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)其功能，如圖1所示。 </p><p><b>　　圖1 傳統(tǒng)變電站 </b></p><p>　　數(shù)字化變電站就是將信息采集、傳輸、處理、輸出過(guò)程完全數(shù)字化的變電站。全站采用統(tǒng)一的通訊規(guī)約IEC61850構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)、VQC等系統(tǒng)均用同一網(wǎng)絡(luò)接收電流、電壓和狀態(tài)信息，各個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息共享。數(shù)字化變電站一次設(shè)備采集信息

7、后，就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)光纜上傳至測(cè)控保護(hù)裝置，然后傳到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，而監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)控保護(hù)裝置對(duì)一次設(shè)備的控制也是通過(guò)光纜傳輸數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)其功能，如圖2所示。 </p><p>　　圖2 數(shù)字化變電站 </p><p>　　三、數(shù)字化變電站的關(guān)鍵技術(shù) </p><p>　　數(shù)字化變電站的關(guān)鍵技術(shù)包括高穩(wěn)定性的非常規(guī)傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性、信息的同步性等，

8、本文主要從前兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)討論。 </p><p>　?。ㄒ唬⒏叻€(wěn)定性的非常規(guī)傳感器 </p><p>　　研究證實(shí)，數(shù)字化變電站運(yùn)行的可靠性很大程度上取決于數(shù)字化電氣測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。所謂非常規(guī)互感器（NCIT），其是一種區(qū)別于電磁型電壓或電流互感器的互感器。需注意的是，無(wú)源式互感器具有測(cè)量結(jié)果偏差大且精度不穩(wěn)定等局限性；有源式互感器具有對(duì)工作電源的依賴較大等局限性，而基于激光供電

9、技術(shù)完成對(duì)高壓側(cè)電子模塊的供電卻受制于有源互感器與激光供電合并單元間的物理間距，且激光供電器件的穩(wěn)定性對(duì)互感器的使用效果存在直接性的影響，則務(wù)必要就傳感線圈予以嚴(yán)格屏蔽處理。所以，新型互感器的廣泛應(yīng)用為數(shù)字化變電站一次應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了可能。 </p><p>　?。ǘ?、通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性 </p><p>　　數(shù)字化變電站對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的依賴特別突出，而其實(shí)時(shí)性和可靠性很大程度上受到變

10、電系統(tǒng)可用性的直接性影響。通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性多依賴于冗余技術(shù)和可靠性高的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖三為基于冗余技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的實(shí)現(xiàn)方案：每一個(gè) IDE均附有雙網(wǎng)卡，支持分別與不同的交換機(jī)相連接；站級(jí)總線和過(guò)程總線均使用了環(huán)形拓?fù)?。?shí)踐證實(shí)，此方案可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的有效提高。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化，該優(yōu)化步驟務(wù)必要就經(jīng)濟(jì)性、可靠性等予以綜合性考慮。 </p><p>　　四、數(shù)字化變電站的工程實(shí)現(xiàn) </p&

11、gt;<p>　　投運(yùn)數(shù)字化變電站國(guó)內(nèi)外的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮，但是，實(shí)際上這些工程只是數(shù)字化變電站初步具備了局部特征。不可能在短時(shí)間內(nèi)數(shù)字化變電站的推廣一步到位，各地實(shí)際情況需要根據(jù)分階段逐步實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　方案一:采用傳統(tǒng)一次設(shè)備的過(guò)程層，在間隔層和變電站層實(shí)施IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　由于運(yùn)輸安裝要求高，電子式互感器造價(jià)高，造價(jià)太高的國(guó)外智能

12、一次設(shè)備，國(guó)內(nèi)很少有產(chǎn)品替代，使用傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)和傳統(tǒng)的電磁式互感，可以節(jié)約昂貴的成本通過(guò)傳統(tǒng)的保護(hù)測(cè)控裝置。 </p><p>　　方案二:過(guò)程層采用傳統(tǒng)的互感器和一次設(shè)備加裝智能終端，間隔層和變電站層實(shí)施IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　在一次設(shè)備附近或本體加裝模擬式智能控制單元和輸入合并單元完成過(guò)程層設(shè)備的智能化。間隔層設(shè)備中開(kāi)入和開(kāi)出、模擬輸入全部取消，僅按照IEC6185

13、0-9-1/2通過(guò)通信與合并單元、按照智能控制單元與GOOSE連接，測(cè)控裝置采用數(shù)字式保護(hù)；過(guò)程層、間隔層完全通過(guò)數(shù)字化連接，大量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬接線連接被取消。 </p><p>　　方案三:間隔層、過(guò)程層和變電層全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。信息合并單元，采用電子式互感器，數(shù)字化電度表，智能化一次設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息傳輸、采集、輸出、處理，控制全部網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化。 </p><p>　　實(shí)現(xiàn)信息的同步性，電氣量的

14、幅值和相位為了避免產(chǎn)生誤差，在二次設(shè)備的同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上一般需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。為避免由傳統(tǒng)互感器輸出模擬信號(hào)不產(chǎn)生這種問(wèn)題，數(shù)字采樣信號(hào)由合并單元輸出的就必須含有時(shí)間信息，如圖3所示。 </p><p>　　圖3 數(shù)字化系統(tǒng)信號(hào)示意圖 </p><p>　　時(shí)間同步準(zhǔn)確度在合并單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時(shí)應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，以滿足控制和系統(tǒng)測(cè)量的要求。對(duì)時(shí)間同步的要求IEC61850分為T(mén)1-T

15、5共5級(jí)，其中T5要求最高，為1μs；T1要求最低，為1ms。由于以太網(wǎng)傳統(tǒng)自身的限制，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通過(guò)多種方式很難實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，因此以UTC作為時(shí)鐘同步源的IEC61850，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間采用SNTP的同步采樣。 </p><p>　　四、數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)的展望 </p><p>　　綜合國(guó)內(nèi)外數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，本文認(rèn)為數(shù)字化變電站技術(shù)應(yīng)適時(shí)解決如下問(wèn)題；數(shù)字化變電站內(nèi)電

16、子式互感器運(yùn)行的可靠性問(wèn)題；數(shù)字化電氣測(cè)量的變換問(wèn)題等。 </p><p>　?。ㄒ唬?、數(shù)字化變電站內(nèi)電子式互感器運(yùn)行的可靠性問(wèn)題 </p><p>　　研究證實(shí)，一次測(cè)量設(shè)備等一次設(shè)備運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性直接影響著數(shù)字化變電站系統(tǒng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，數(shù)字式光電互感器是數(shù)字化變電站的常見(jiàn)設(shè)備，其保證了互感器電流和電壓信號(hào)與二次設(shè)備間傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，且對(duì)計(jì)量、保護(hù)和測(cè)量系統(tǒng)的可靠發(fā)揮保障性

17、作用。現(xiàn)階段，電子式互感器的實(shí)用性及電子器件、光學(xué)器件對(duì)互感器易耗元件的影響要求就互感器運(yùn)行的可靠性做深入地研究。 </p><p>　?。ǘ?shù)字化電氣測(cè)量的變換問(wèn)題 </p><p>　　研究證實(shí)，電氣測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性直接影響著數(shù)字化變化的成敗?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了非常規(guī)互感器功能的擴(kuò)展，即穩(wěn)定性測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備；對(duì)設(shè)備發(fā)揮電磁干擾作用等。非常規(guī)互感器包括光線二次回路網(wǎng)絡(luò)和光電傳感

18、器，其對(duì)數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性造成很大的影響。 </p><p>　　總之，建立數(shù)字化變電站是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)，數(shù)字化變電站自動(dòng)化是一個(gè)系統(tǒng)工程，要提高全面數(shù)字化變電站的自動(dòng)化程度還有許多技術(shù)問(wèn)題需要攻關(guān)解決。 </p><p>　　數(shù)字化是手段，而不是目的，數(shù)字化是一個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程，數(shù)字化變電站的建設(shè)應(yīng)從生產(chǎn)上的迫切需要出發(fā)，考慮技術(shù)上、管理上的現(xiàn)實(shí)可能，積極探索，穩(wěn)妥推