风电场升压变电站智能化技术方案与应用

田 艳，任 强，盛和乐

(1.北京国电华信诚电力技术咨询有限公司，北京 100029；2.华北电力设计院工程有限公司，北京 100120)

1 概述

随着国家电网公司积极推进坚强智能电网建设的步伐，很多智能化的城市变电站都率先建设并投入使用，但在风力发电中应用还是很少的。

近几年，作为清洁能源的风力发电在电网中所占比重也越来越大，深入研究风电场相关技术，包括智能化升压站的监控系统、风力发电机在线状态监测、电网接纳能力及对电网安全稳定影响研究等关键技术已刻不容缓，这些技术的研究及应用将为风电的有效并网和高效利用提供有效保证。220kV密马鬃梁变电站作为浑源地区风力发电的汇集站，汇集了寒风岭风电场和泽清岭风电场的发电容量，以总容量450MW送出至220kV浑源变电站，考虑寒风岭风电场和220kV浑源变电站按智能化建设，为了实现与相邻风电场、变电站及电网调度中心的互动， 220kV密马鬃梁变电站也按智能化建设，本文对变电站智能化技术在风电领域的应用进行了有益的探索。

220kV密马鬃梁变电站建成并已投入使用，站内设1台容量为100MVA的升压变压器，220kV采用单母线接线，1回进线，3回出线；35kV采用单母线接线。全站按照无人值班站设计，采用常规一次设备，配置了网络化的二次设备(保护、测控、故障录波、合并单元、智能单元等)，按IEC61850-9-2 LE标准分层构建，实现了程序化控制，研究了数字化采样光纤差动保护装置与常规采样保护装置间采样数据同步的问题。

2 风电场智能化技术方案

与传统变电站相比，220kV密马鬃梁变电站是基于IEC61850标准的通信协议，智能化的二次设备实现了过程层通信。本站保护的采样和跳闸采用点对点传送，双重化配置的保护、测控等装置使用的GOOSE网和SV网络遵循相互独立的原则，不跨接双重化的两个网络。

2.1 IEC61850 工程化配置

在基于IEC61850通信体系的变电站中，装置功能、装置间的通信、装置与监控后台或远动装置的通信，均严格依赖于智能电子设备(IED)模型的工程化配置。本期投运的测控和保护装置来自国内多个自动化厂家，需要统一的配置工具对这些装置进行集成。

220kV密马鬃梁变电站各二次设备厂家提供的IED功能描述文件由专用组态软件统一集成，组态完成的变电站配置文件提供给监控后台、远动装置和220kV保护子站，将配置过的IED描述文件提供给各二次厂家下载到各自设备。测控和保护装置模型严格遵循IEC61850工程应用模型配置规范。

2.2 组网方式

220kV密马鬃梁变电站计算机监控系统按功能可分为站控层和间隔层。

站控层布置2台主计算机、2台远动装置、1台公用信息管理机和2台报文规范(MMS)网交换机。主计算机对变电站一次设备和二次设备进行监视、记录及控制；站内监控系统通过2台远动装置与华北网调、山西省调、大同地调通信，并实现程序化控制功能；公用信息管理机作为站内智能设备接入的智能转换终端，与站内直流系统、不间断电源(UPS)等辅助系统通信后接入MMS网。

间隔层设备将采集和处理后的信息经MMS网传输到站控层，间隔层网络采用IEC61850通信标准。测控装置组成双光纤网后通过网络交换机接入MMS网，具有测量、防误、同期检测等功能。

2.3 智能化设备

密马鬃梁变电站220kV配电装置均采用常规化的一次设备(即常规断路器、常规互感器)，智能系统按功能可分为站控层、间隔层和过程层，见图1。

图1 变电站智能网络结构图

间隔层数字化测控装置模拟量分别从断路器的合并单元中采集电流、电压信号，同时计算线路有功和无功功率。至浑源220kV变电站侧为数字化接口光纤差动保护，直接采集合并单元的数字量。数字化测控装置、保护装置的常规交流采样部分取消，测控装置、保护装置采用独立网口分别接入MMS网和过程层网络。

过程层采用常规电流互感器、常规电压互感器以及就地智能化一次设备(常规开关设备配置智能单元实现智能化)。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输出，并通过光纤接入合并单元，合并单元接入过程层网络。

按照IEC61850-9-2 LE标准的要求，智能化变电站需配置时钟同步系统，以满足数据采集同步的要求。本站采用B码对时系统对变电站智能设备进行时间同步，通过实现B码对时，全变电站采用冗余的GPS/北斗系统，该GPS/北斗系统通过光纤给每个装置下发B码对时信号，做到全站各智能设备的时间统一。

3 智能化技术的实现

密马鬃梁变电站在采用IEC61850通信标准的基础上，实现了一系列智能化技术，如智能化一次设备(智能终端)、网络化二次设备的应用和程序化控制等。

3.1 智能终端的应用

智能终端是过程层的另一重要设备，逻辑上是一种智能组建，他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、隔离开关、主变压器)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。

密马鬃梁变电站智能终端安装于室外柜内，放置于一次设备(断路器、隔离开关或地刀等)旁，所有直流量开关输入(断路器、隔离开关、地刀位置以及其他信号)在户外智能终端柜就地完成采集，转换为数字量后通过IEC61850标准规约从网络传输；所有的开关量控制以及控制的闭锁也由网络通信(GOOSE报文)完成，在智能终端转换为硬接点输出，最后通过二次电缆连接断路器、隔离开关或地刀等实现分合控制。

3.2 基于IEC61850标准统一建模

IEC61850标准采用面向对象的建模技术，对一次设备、二次设备统一建模，为变电站定义了统一、标准的信息模型及信息交换模型，以实现变电站信息共享及设备间的互操作。

密马鬃梁变电站采用了不同的IEC61850标准服务实现设备间互操作。例如：间隔层设备创建不少于8个报告实例实现与监控后台、远动装置及保护子站的连接；通过数据采集模型、报告控制块模型、定值组控制块模型实现系统数据的信息交换；通过SBOw(带值选择)控制模型实现控制操作；通过GOOSE实现间隔层闭锁等。同时在工程化配置时进行了具体规定，例如：统一各保护装置、测控装置数据集名称和中文描述。

基于IEC61850标准统一建模和通信能使变电站运行人员得到更多的共享信息，使得系统运行维护变得方便。

3.3 220kV线路数字化保护装置的应用

密马鬃梁变电站与其接入侧浑源变电站均为智能化变电站，因此线路光纤差动保护装置无需考虑采样数据的同步问题。

密马鬃梁变电站220kV线路保护装置按双重化独立配置，即配置了两套不同原理、不同厂家的快速主保护。这两套独立的快速主保护装置应安装在独立的柜上，分别接用两组独立的直流蓄电池组、两组独立的CT次级绕组、两组独立的CVT次级绕组，保护装置的交流采样直接取自相应间隔的合并单元，其跳闸命令直接接入相应间隔的智能终端。

3.4 常规电流互感器直采直跳方案

《智能变电站技术导则》明确规定：保护应“直采直跳”。密马鬃梁变电站采用常规互感器加装采集单元实现采样值的数字化，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。以本站220kV线路保护及变压器保护为例，系统接线图如图2所示：

图2 直采直跳配置方案

本站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。

3.5 GOOSE组网模式的应用

GOOSE替代了传统硬接线的通信方式，为逻辑节点间通信提供了快速高效的方案。GOOSE报文不仅可传输状态信息、模拟量信息，还可传输时间同步信息，在实现网络化连接的同时极大地节省了二次电缆的敷设，降低了变电站建设和维护的成本。

智能变电站中GOOSE服务主要用于一次设备、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，不同类型的GOOSE报文(保护跳闸命令传送、开关位置信号、一次设备状态信号等)优先级不同。

GOOSE的一个典型应用是实现防误闭锁功能。密马鬃梁变电站站控层、间隔层均具有防误闭锁功能，间隔层测控装置通过GOOSE报文实时获取并判别隔离开关位置状态，从而实现全站防误闭锁。通过专用组态软件，可以完成全站防误逻辑的组态。

3.6 程序化控制

程序化控制是指通过计算机监控系统预先设定的程序对变电站设备进行系列化操作。进行程序化控制时，调度中心或变电站内发出的操作命令是批命令，由监控系统根据遥测、遥信的变化判断每一步操作是否完成，只有确认该操作完成才进行下一步操作，否则立即停止程序化控制，并给出告警提示。

程序化控制的流程如下：①在监控后台生成全部典型操作票，并导入远动装置中；②在监控后台进行程序化控制时，如开关状态变化，远动装置可根据开关状态变化的遥信量查找到相应操作票，将本操作票传送到监控后台进行核对，核对正确后监控后台向远动装置下发控制命令；③当有事故发生，或者操作票中某控制对象防误闭锁时，远动装置会立即中断程序化控制并提示中断原因。执行过程流程图如图3所示：

3.7 自动调节和控制

监控后台检查相关测量值和设备的状态，根据自动电压无功控制(AVC)可以自动发出投入或切除电容器、电抗器的指令，以实现对电网电压和功率因素的自动调节。AVC的逻辑功能包括闭锁逻辑、控制策略、提示信息输出功能、整定及统计功能等。

自动调节和控制功能启动或停止，均可以产生操作报告并可打印输出。

4 结语

智能化变电站一次设备和二次设备的智能化简化了二次接线设计和变电站继电保护的配置，密马鬃梁变电站采用常规互感器，使得采集单元独立配置，方便于后期工程中将常规互感器改造为电子式互感器。且保护的“直采直跳”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，但造成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。

随着网络交换机技术的发展，网络传输协议应用研究的不断深入，保护的“直采直跳”以及SV网和GOOSE网的分网运行必将被“三网合一”的发展趋势所取代，而过程层网络的构架方案也将日趋完善和稳定。

[1]Q/GDW383-2009，智能变电站技术导则.2009.

[2]IEC61850 Communication networks and systems in substation[S].2003.

[3]贾巍，曹津平，李伟.数字化变电站中过程层的技术研究[J].电力自动化设备，2008，28(10).

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