数字化技术在变电站工程中的应用

2017-01-20王东明

中国设备工程 2017年22期

关键词：控层互感器间隔

王东明

(东莞电力设计院,广东东莞 523000)

数字化技术在变电站工程中的应用

王东明

(东莞电力设计院,广东东莞 523000)

自从提出了智能化电网的概念,电网的发展便衍生出了新的指导思想和发展方向,作为智能化电网的重要组成元素,数字化变电站正经历着革新.数字化技术作为当今变电站工程的核心内容,正在电力系统完善和优化的舞台上并发挥着重要的作用,将带来变电站工业的自动化、快捷化及稳定化.

数字化技术;变电站;自动化

作为电力系统中肩负变电重要使命的变电站,是其他一切电力活动的中转站,具有异常重要的地位.随着我国经济水平的不断提升,电力工程也取得了很大进展,电力系统输电能力也得到了相应的提升,电力系统网络分布和结构越发复杂,传统的电力系统特别是传统变电站早已不能承受日益增长的用电需求.随着科学技术的不断进步,以网络通信技术、微电子技术为主体的数字化技术在变电站工程中得到了广泛的应用并取得了明显的进步.

1 数字化技术用于变电站工程的整体方案

为了实行智能化,可以增设智能终端.将传统电磁式互感器替换为电子式互感器;基于数字化平台开发新型的电能计量装置和测控保护装置;采用数字化输入手段替代传统的模拟量输入手段进行相应装置的数据采集;将传统的102、103变电站标准更新为国际变电站标准IEC 61850;建立总体自动化后台;选择新型数字化装置.

数字化变电站工程建设基本原则:(1)稳妥积极的原则,在保证电网安全性的基础之上,尽可能选择成熟稳定的数字化变电站新设备和新技术,同时也可以尝试选择部分安全可控的新型实验性设备和技术,如此也能对以后数字化变电站的发展进行尝试性的探索.(2)数字化变电站建设工程的基本目标是为了提高变电站的整体自动化程度,同时充分发挥数字化变电站的技术优势,从而降低变电站的运营和维护成本.(3)数字化变电站技术必将成为未来变电站工程建设发展的主要趋势,并能有效发挥技术优势,实现经济优化的重要目标.数字化在变电站工程的应用应当对建设和维护成本进行评估,尽量选择高性价比的具体数字化实施方案.(4)数字化变电站的设计和建设应当选择安全、轻量、环保、节能、经济、少维护、智能化的数字化变电站一次设备和二次设备,并科学合理的安置相应设备,能够最大程度的减少使用空间.

2 过程层组网模式及选择

数字化变电站实现总线的方式,按阶段可具体分为以下三个阶段:第一阶段为点对点连接模式;第二阶段为过程层总线模式;第三阶段为过程层总线和站控层总线的合并模式.

(1)点对点连接模式.数字化变电站实现总线的第一个阶段便是采取点对点的连接模式连接断路器、传感器以及保护设备之间的交互信息.利用过程总线来控制断路器设备和隔离开关,并直接通过点对点连接保护设备进行测量数据的发送,监测和控制均采用过程总线实现.过程层总线和点对点连接均需要采用高网速的以太网,要求遵循各自不同的通信协议.

(2)过程层总线方式.第二个阶段将合并数据测量通信系统和控制通信系统,这两者的合并将有效降低间隔接线的复杂程度,过程层总线模式能够传递数字化电气测量系统的实时数值,因此具有更快的通信速度.

(3)站控层总线和过程层总线合并的方式.第三阶段主要合并站控层总线和过程层总线,也可以将GOOSE网络包括进来.该模式的显著优势在于网络分布和结构简单,单一的通信接口就可以实现各间隔层设备的有效连接,能够有效减少设备成本以及变电站的建设成本.

3 电子式互感器及其分类

众所周知,传统的电磁式互感器本身包含诸如绝缘结构复杂等诸多缺陷,很难满足当今高负载的电力系统基本需求,因此开发和应用新式电子互感器是大势所趋.电子互感器从最初的电磁式电子互感器发展为罗氏线圈电子互感器,再演变为现如今普遍使用的纯光型电子互感器经历了漫长的过程.

现在市面上包含的电子式电流互感器按原理可以分为两大类,即线圈电子式电流互感器和纯光电子式电流互感器.其中,纯光电子式电流互感器又可以按照制作材料细分为光纤型和光学玻璃型;电子式电流互感器按照是否需要电源向高压侧供电细分为无源式和有源式.

以现有的电力系统技术水平,电压互感器还不能做成电子式,所以,电压互感器采用常规互感器,通过二次电缆直接接入装置实现采样,不配置合并单元.电压切换和电压并列方式与常规变电站方式相同.

4 室外光缆连接方案

普遍使用的室外光缆连接方案主要包括以下两类.(1)参考点对点的间隔模式,相互间隔的每条光缆都由36芯或24芯组成,借由端子箱内熔接盒内汇聚而成,最后各自独立接入控制室.(2)采用光纤将室外分段、电压线路以及主变高压侧间隔的光缆组合为两根96芯光缆接入控制室,主变本体端子箱因为距离控制室较近,可以单独分出一条光缆接入控制室.

5 工程主要方案实施

5.1 设备布置

数字化变电站系统按逻辑功能划分为过程层、间隔层、站控层设备.各逻辑功能由相关物理设备实现,单一物理设备可以实现多个逻辑功能.

(1)站控层由自动化站级监视控制系统、站域控制、通信系统、对时系统等组成,实现面向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能,完成数据采集和监视控制(SCADA)、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、设备状态监测、运行管理等相关功能.站控层按一体化电网运行智能系统要求建设一体化业务平台,提供站内运行的人机交互界面,实现对间隔层、过程层设备的监控和管理等功能,形成全站监控和运维管理中心.①站控层采用一体化网络结构.通过对站控层各功能主机进行优化整合,综合实现远动、电能量、PMU、保护及故障录波信息、在线监测、AVC、辅助服务等功能.②站控层选用智能远动机且双机配置.通过智能远动机实现厂站端统一数据出口,满足各级调度端主站接入及运行、维护通信需求,实现变电站SCADA、综合驾驶舱等功能.③站控层支持变电站数据的统一建模及源端维护.全站智能电子设备应按DL/T 860(IEC 61850)标准统一建模,统一数据模型图形描述和传输规约,实现各专业数据统一描述格式、统一传输、统一配置和管理.④站控层配置二次智能运维子站系统.二次智能运维子站系统应完成变电站二次系统信息的全面采集、分析和应用,实现站内二次设备的状态评估、态势感知、状态检修,提升变电站的智能运维管理水平.

(2)间隔层由继电保护装置、系统测控装置、监测功能组主 IED、计量、智能录波器、相量测量装置等组成,实现面向间隔的测量、控制、保护、计量、监测等功能.

间隔层在满足二次设备可靠性的前提下,实现站内间隔层的跨专业功能集成与跨间隔设备集成,实现设备的功能、配置、接口等统一.①35kV及以下电压等级宜采用保护、测控、计量多合一装置,110kV及以上电压等级可采用多功能测控装置,提高装置集成化水平,减少设备配置数量.②结合技术发展现状及实际需求配置站域保护控制装置,站域保护控制装置应根据工程需求配置具体的站域保护控制功能并综合多间隔数据进行逻辑判断,提高全站后备保护的运行可靠性与速动性,实现间隔保护装置和站域控制保护装置间的双套冗余配置.

(3)过程层由变压器、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等组成,支持或实现电测量信息和设备状态信息的实时采集和传送,接受并执行各种操作和控制指令.过程层以一次设备智能化和采样数字化为建设目标,实现站内一次设备测量、控制及监测等信息的数字化采集与网络化传输.① 采用智能化一次设备,实现开关信息网络化输入输出与一二次设备融合.②配置变压器油中溶解气体在线监测、GIS局放带电检测、避雷器泄漏电流带电检测以及开关柜局放带电检测等在线监测应用,提高一次设备的在线监测水平.③结合技术发展现状及实际需求配置变电站智能化作业调控中心、云计算大数据分析平台,实现变电站设备的在线监测、状态检修及智能巡检.过程层设备通过过程层网络与间隔层设备通信,间隔层设备通过站控层网络与站控层通信.数字化变电站通信网络采用工作可靠、结构简单、易于维护的架构,满足实时性和可靠性要求.

5.2 网络布置

主要由过程层网络、变电站层网络及GOOSE网络三部分构成.过程层网络:该网络属于点对点的光纤以太网,其主要功能是监测并保护装置与光CT/PT合并器之间的通信过程,其中CT合并器一般按间隔布置.变电站层网络:该网络的主要功能是监测并保护装置与后台系统之间的通信过程,采取星型方式连接并依据以太网进行组网,为了避免以太网繁杂的技术要求,常采用IEC61850-8进行网络通信.GOOSE网络:该网络主要功能是采用GOOSE报文执行测控、控制输出、开关量输入及保护各装置间联闭锁信息的任务.

6 数字化用于变电站工程的主要特点

(1)全数字化技术,GOOSE网的应用,提高综合自动化水平.选择IEC 61850通信标准与电子式互感器两种强大的数字化技术,使GOOSE通信功能广泛用于各间隔层,从而使数据传送的效率得到了明显提升;同时,GOOSE网络通信先进的优先级控制技术支持数据信息按照优先级设置要求顺利进入相应的优先级队列中,避免直接进入缓冲区,结合具有优先级控制功能的以太网交换机,使数据信息第一时间到达目标位置,较大程度提高了数据信息的传递速率,从本质上提高了变电站监控系统的实时监控性能.

(2)减少站内二次设备数量,实现保护监控等自动化装置一体化.数字化变电站将传统变电站的多功能装置升级为数字化系统相应的功能模块,随着各功能模块可靠性和处理能力的增强,能够极大的减少装置数量并简化数字化系统,最终达成监控、保护、故障录波等自动化装置一体化的基本目标.

(3)二次设备布置分散就地化,改变传统的大控制室设计.随着科技的进步,各种通信设备和电力设备的设计、制造水平明显得到了巨大提升,在设备运行可靠、维护方便的前提下,二次设备可就地布置,就地安装的二次设备采用直接光缆或电缆采样、跳闸的方式.在这种情况下,现场无人管理,只需要通过一台控制显示终端便可以实现远程操控,达到实时监控的目的.能够极大的减少变电站电缆和光缆的数量,有助于快速建成变电站的主体结构并使得相应的设备调试过程简单易行.

(4)分布智能技术保证高速网路处理能力与系统安全性.紧凑型间隔层控制设备和分散式系统结构在很大程度上降低了接线的复杂性;结合分散式开关联闭锁功能和GOOSE网络通信技术能够使数据输入和输出速度得到提升,减少了系统响应时间,使其安全性大大提高.