智能变电站集成一体化方案的应用研究

2010-06-23陈力孙嘉牛强姜帅

电气技术 2010年8期

陈力孙嘉牛强姜帅

（1.重庆电力公司，重庆 400014；2. 许继电气股份有限公司，河南许昌 461000）

1 引言

智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑。按照“统一规划、统一标准、统一建设”的原则，为指导智能变电站建设，国家电网公司组织编写了《智能变电站技术导则》。导则积极创新变电站建设理念，着力推广新技术，探索新型运维管理模式，并融合了调度、生产、基建、科研等方面的需求，充分展现智能变电站技术前瞻、经济合理、环境友好、资源节约等先进性，引领智能变电站技术发展方向。

本文结合辽宁省马山变电站的具体工程，分析变电站自动化系统网络结构及各层设备配置；针对智能变电站导则的要求提出了一些新技术方案，包括集成一体化保护测控装置、IEEE-1588对时技术的应用、智能一次设备、智能变电站高级应用等。

2 智能变电站系统构成

智能变电站技术导则[1]给出了智能变电站的如下定义：采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。

智能变电站系统可分为站控层、间隔层和过程层，由站级总线和过程总线完成各层的信息交互，各层之间的联系均可采用光缆，或过程层采用光缆，站级总线采用电缆。导则强调对智能变电站高级应用功能的研究，强调互动，双网双保护的智能变电站结构如图1所示。

图1 智能变电站分层结构图

2.1 站控层

站控层包括自动化系统、站域系统、通信系统和对时系统等设备。站控层实现面向全站或一个以上的一次设备的测量和控制功能，完成数据采集和监视控制、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。

2.2 间隔层

间隔层设备一般指继电保护装置、测控装置和故障录波等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能。间隔层通过光纤与过程层通信。

2.3 过程层

过程层包含由一次设备和智能组件构成的智能设备、合并单元和智能终端，完成变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监测等相关功能。光电技术的应用使得一次设备智能化，过程层的智能化使得间隔层与过程层之间采用光信号通信技术成为现实，其关键在于基于罗科夫斯基（Rogowski）线圈效应或光学原理的或法拉第（Faraday）磁光效应的电子式互感器[2]在电力系统中的应用。罗科夫斯基 CT是通过环形抗磁铁心上的均匀线圈的感应磁场变化到高阻抗的A/D变换单元的方式来实现电流测量及输出信号的数字化。法拉第磁光效应原理的互感器是在一次电流导体产生的磁场中，安装闭环块状磁光玻璃作为传感元件，通过光纤信号传输至二次处理系统得到一次电流量。由于采用光电技术，不再有常规 CT二次负载的担忧，因此，也不像常规 CT那样需要多个次级线圈。断路器、隔离开关等设备仍采用具有丰富运行经验的GIS。

马山变按照站控层、间隔层、过程层三层结构设计。站控层与间隔层通信规约为IEC61850-8-1,间隔层与过程层采样值通信规约为IEC61850-9-2，间隔层与过程层开关量通信规约为GOOSE。其中220kV间隔采样值和跳闸信息均按照点对点模式通信。

3 集成一体化保护

3.1 整体构架

马山变借鉴了早期集成一体化保护、测控装置设计理念，遵循IEC 61850标准，基于过程总线和强大的软硬件平台，将目前变电站内多台间隔层IED集中在一台IED上完成，例如，采用2台IED（其中 1台作为冗余）来实现原来需要 10台 IED实现的功能。原来每个IED在被抽象成为一个逻辑保护、测控单元，简称逻辑设备（LD），每个 LD保持功能上的相对独立性并通过统一的通信接口与其他设备进行交互。系统构架如图2所示。

图2 新型集成一体化IED架构及应用

3.2 线路间隔结构

马山变遵循智能变电站技术导则倡议的保护应直接采样，为此提出过程层220kV线路及母联间隔，采样值和跳闸信息均采用点对点方案，其他开入量GOOSE信息等采用网络模式传输。某线路间隔组网结构如图3所示。

图3 线路间隔组网结构图

4 技术特点

智能变电站设备的基本原则是具有信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、状态可视化等主要技术特征，符合易扩展、易升级、易改造、易维护的工业化应用要求。

本方案提出一些新技术，包含集成一体化保护测控装置、IEEE-1588对时技术的应用、智能一次设备、智能变电站高级应用等技术。

4.1 集成一体化保护测控装置

遵循IEC61850标准，基于过程总线和强大的软硬件平台，将目前变电站内多台间隔层IED集成在一台一体式保护服务器上完成，例如，采用2台一体式保护服务器来实现原来需要10台甚至更多IED实现的功能，每个现有装置被抽象成为一个逻辑保护、测控单元，简称逻辑设备[3]（LD），每个LD保持功能上的相对独立性并通过统一的通信接口与其他备进行交互。它符合IEC 61850的思想。

马山变220kV间隔，由一台集成一体化保护测控装置实现 7条线路的保护测控功能，其中每个CPU实现一个间隔的保护测控功能，各个间隔之间没有数据通信，互相不影响。集成一体化保护如图4所示。马山变采用集成一体化保护测控装置方案，可以大量节省装置、屏体数量，并可节约占地面积。其中节省保护测控装置54台，节省屏体21面。

图4 220kV线路集成一体化保护

4.2 IEEE-1588对时

站控层和过程层都采用 IEEE-1588[4]对时方案，对时服务器通过过程层网络和站控层网络实现全站对时，取消专用的对时网络，其中合并单元对时精度达到1 µs，保护测控装置对时精度达到1ms。

对时服务器具备主备切换功能，任何时候两个时钟源必须同步，输出IEEE-1588对时规约到过程层和站控层网络。每台服务器配置 3个IEEE-1588对时接口，其中一个用于站控层对时，两个用于过程层对时。

4.3 智能变电站高级应用

（1）设备状态可视化

采集变电站主要设备状态信息，一次设备包括变压器、断路器、电容器、避雷器等，二次设备包括各继电保护设备及安全自动装置、稳控装置等，数字化、智能化变电站尤其应加强网络交换机等设备的在线监视，将设备的自检诊断信息、运行工况信息等通过标准协议，送达变电站监控系统进行可视化展示，并通过远动装置发送到上级调度/集控系统为电网实现基于状态监测的设备全寿命周期综合优化管理提供基础数据的支撑。

（2）智能告警及分析决策

建立变电站故障信息[5]的逻辑和推理模型，实现对故障告警信息的分类和信号过滤，对变电站的运行状态进行在线实时分析和推理，自动报告变电站异常并提出故障处理指导意见。智能告警实现系统框图如图3所示。

图5 智能告警系统框图

统一事件信息模型：告警信息综合分类，句法和语义定义等；任何一个事件源学习其对应的告警信息描述规范，并注册该告警信息源；事件源使用公共处理流程的发送代理发送事件。

公共处理流程：告警信息传递和分发中介，单纯的技术实现模块。

知识库系统：以变电设备运行原理和普遍经验构建的知识库系统，具备简单的知识录入工具；智能处理过程不仅可使用其知识条目，还能根据实际工程要求智能地添加知识条目。

智能体集合：把系统功能拆分为五个主要功能模块，按照智能体的要求去设计，每个智能体具备足够的独立性，由告警信息作为触发信号进行并行或串行处理。

智能告警系统的应用可以有效的提高运行维护人员的工作效率，并确保准确、快速地处理事故和异常。

（3）故障信息综合分析决策。

将故障关联数据分类、整理、形成一次完整的故障信息，为继保专业人员提供故障时刻信息的综合展示；变电站事故信息综合分析辅助决策系系统设计了集中展示的功能，让用户可以在同一界面中查看某次故障的所有综合信息。

综合稳态数据、暂态数据和动态数据对故障过程进行全景事故反演。

变电站事故分析辅助决策专家系统是一个具有专门知识与经验的程序系统,根据某个领域的专家提供的知识和经验进行推理和判断,模拟专家的决策过程,以解决那些需要专家决策的复杂问题。

4.4 智能一次设备

智能一次设备是由高压设备本体、传感器和控制器、智能组件组成的，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特征的高压设备。

智能一次设备监测技术是智能设备的核心部分，包括以下内容：在线监测手段、监测信息的传递、处理和存储、故障特征量的提取、故障机理分析、故障诊断的方法和理论分析。

5 经济效益

（1）简化网络、降低成本并实现装置冗余

本工程设计的 1台装置即可实现原来需要几台（甚至十几台）IED的功能，显而易见，本工程大幅度的减少了网络节点，从而减轻了网络流量、简化了网络结构；冗余配置该设备可提高系统得可靠性。

在实现了软、硬件冗余的情况下，硬件成本将有大幅度的降低。以前述方案为例，现有的10台IED可由2台本方案替代，虽然本方案单个CPU核心插件成本会有所提高，但因为设备数量由10个减少为2个，故单设备总成本仍将降低；此外，可以直接减少80%的电源插件、80%的人机界面插件、80%的机箱，减少80%的通信端口及电源接线端子等，显然，硬件总成本可大幅度下降。

（2）减少了设备安装占地面积

本方案可根据实际情况安装于控制室，设备数量大幅度减少因此进一步减少了设备安装占地面积，取消了保护小室，减少变电站寿命周期内的总体成本包括初期建设成本和运行维护成本。

合并单元就地安装，本方案基于光纤以太网与合并单元、智能开关等连接，因此它仍然具备分散式下放的优点。这样，可减少房屋建筑和安装空间，缩短控制电缆，提高可靠性。