自动化技术在数字化变电站中的应用研究

曾湘聪

(兰州倚能电力设计咨询有限公司,甘肃兰州 730000)

变电站自动化技术的发展及应用提升了电网的自动化、管理水平。我国城乡电网改造与建设中在低压变电站、高压变电站建设中均引用了自动化技术,提高了电网建设的现代化管理水平。通过利用输配电和电网调度,降低了变电站建造成本。随着科学技术的不断发展智能化控制、光电式电流电压互感器、一次运营设备在线检测、变电站运行培训仿真装置等技术逐渐成熟完善,以及计算机高速网络在电网系统中的开发应用,深刻影响了原有的变动站自动化技术,自动化管理系统应用于数字化变电站中,对优化电网运行、提升电力系统的发展稳健性具有深远的影响意义。

1 数字化变电站的结构方式

数字化变电场是由智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关等)和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建[1],IEC 61850标准和通信规范对变电站内智能电气设备间信息共享和互操作建立现代化变电站有着非凡的作用。数字化变电场是介于IEC 61850变电站和智能化变电站之间的一种过渡型变电站方式。通过电子式互感器、智能化开关等设备,减少了二次电缆资源使用。但是却忽略了考虑数字式电能表、在线检测等问题。

网络化二次设备分层过程层在电力运行时主要是完成功能执行和动力驱动工作。其功能主要有电气量的检测,各项设备运行时检测状态参数,操作控制等,过程层仅存在数字化变电站之中,普通的变电站只设有间隔层和站控层。过程层通过合并器、互感器的输出连接,可以让跨间隔的数据联系在一起进行传输。智能终端对控制动作进行操作。

网络化二次设备分层间隔层是电力系统自动化结构中的组成部分。他具有保护控制一次设备的作用;通过设备信息采集装置采集汇总存在于本间隔过程层中的输出数据信息;间隔层的隔操作通过自动化启动闭锁功能,实现设备的关闭;控制设备统计功能,对数据进行运算分析,采集到的数据利用设备传输给计算机进行解读,并利用智能化功能对其下达控制命令。另外,上下网络接口是一种双口全双工的接口方式,其接口方式可以更加使网络通信更稳定,完美提高信息传输速度[2]。

网络化二次设备分层站控层指厂站级设立的监控设备,例如变电站中监控设备运行情况的监控系统、子站系统等。监控主站、工程师站、信息子站等为站控层主要设备。其具有站内摄像监控、人与机器联系功能;可以在线维护、组态、修改参数等间隔层、过程层设备的能力;变电站故障自动化分析、培训演示的作用。

2 数字化变电站的技术特点

数字化变电站基本特征为:“智能化一次设备”和“二次设备分层网络化”以及IEC 61850标准统一化。

2.1 智能化的一次运营设备

一次运营设备是通过微处理器和光电技术设计,利用一次运营设备接收信号并检测信号回路、操作控制驱动回路的信息传输,将数据进行处理已实现智能化。将机电式继电器、控制回路,连接数字程控器和公共信号网络,通过使用可编程控制器替代二次回路中继电器及逻辑回路强电模拟器信号,光电数字和光纤代替控制电缆。智能化一次运营设备具有独立性,与变电站的控制系统无关[3]。

2.2 二次设备分层网络化

变电站二次设备功能设置为保护、控制一次运营设备。设备内容如测量仪表、继电器、操作开关、按钮、自动控制设备、计算机、信号设备、控制电缆以及提供这些设备能源的供应电能的装置。变电站二次设备利用计算机设计制造标准化、模块化的处理设备,利用移动网络,将各机电设备信息链接,实现各设备网络化。

2.3 IEC 61850标准统一化

IEC 61850是变电站自动化系统结构和数据通信的国际标准,目的是保证智能电子设备(IED)之间通过执行一种标准来实现信息共享,减少协议转换环节和设备转换,使系统调试方便快捷。智能设备互操作的实现需要建模、抽象通信服务接口以及设备符合自我描述规范。在XML 变电站标准语言的基础上网络链接,系统设备的配置和功能等进行储存、读写、配置、交换和管理,简化系统工程实施、配置以及维护的工序。数字化变动站具有运行管理自动化的优点,能够分析处理故障。利用微处理技术、智能化传感器技术实现自我诊断、控制在线监测及设备等作用。使用管理自动化性能时,当变电器在运行过程中发生缺陷时系统会利用自身的警报装置进行自动报警,同时该功能会对出现的故障进行分析确定原因、提出解决办法并出具此次变电站设备的检测报告、维修记录等。数字化电气测量系统可以对一次运营设备、二次设备分层网络化进行电气隔离,以此扩大电气量的在开展动态测量时的范围并提高测量的精确度。颁布实施IEC 61850标准,标志着变电站将开始转变为自动化变电站[4]。

3 数字化变电站自动化应用优势

(1)数字化变电站自动化的功能需要全部实现,还存在一些技术上困难。但是其通过IEC 61850标准开展模型的建造及通讯化信息的建设,建立数字化变电站对电网原有的智能化一次设备、网络化二次设备进行了优化并完成了变革性改变。变电站的所有保护系统、测量控制系统、计算运行系统及监控系统都可以只通过一个网络接收电流、电压信息,不再需要分门别类地建设对应的系统信息。统一标准的信息、数据功能模型可以提高变电站的信息共享模式和增强系统互操作性能,实现信息不同系统之间的共享,降低投资成本及变电站运行寿命中的维护成本。

(2)数字化变电站各种设备间信息交换是通过通信网络实现,那么在变电站不满足功能需求需要增项或者扩模时,只需要在通信网络中接入新增加购买的设备,各设备之间就可以实现信息互通,不需要将原有设备进行更换,降低了投资成本,节约了资源。同时也可以使得数字化变电站的运行简单化、提高工作效率[5]。

(3)在变电站的通信设备信息接收和传输时,传统的接收传输方式是利用电缆来实现的,存在电缆资源需求大、人力成本高、检修维护不变等缺点。数字化变电站则是利用光纤技术代替电缆,只需要光纤线或者电缆线,满足电磁兼容性要求,对高压系统和低压系统之间实现了电源与用电回路作电气上的隔离,降低故障的发生率,减少了变电站设备维修、调试等工作量。数字化变电站选择取消二次回路接线降低回路,并利用光纤或者网线代替电缆进行信息传输,一定程度上杜绝了二次回路接触、绝缘等安全隐患,降低了各项成本、提高了系统的安全性和稳定性。

(4)在使用变电站互感器输出信息时,因电缆传输及二次回路接线会影响信号的传递,降低信号的准确性,为解决这一问题,数字化变电站采用新的信息互感器接收信号信息,因其减少了二次回路接线并使用光纤或网线进行数据传输提高了准确性,提高了变电站运行质量及速率。

(5)数字化变电站自动化应用在研究人员开展电力实时仿真实验时,电力稳定状态与暂时状态同时存在可以利用使用电气化自动化驱动技术来实现,让研究人员实现同步开展实验。接收大量准确数据不仅可以为系统的稳定运行提供数据支撑,同时也为仿真实验的实施开展提供了更高的准确性。在这种模拟仿真实验环境中,科研人员可以进行电力装置的测试,搭建混合型的实时电力仿真实验室[6]。

(6)随着科技、社会经济的快速发展,电力的使用覆盖了几乎所有行业,若电力系统的能源因故障停电一天,将对众多行业造成严重的经济损失和影响。国家、社会对电力系统提供的电力安全稳定性要求高,电力系统要利用自动化提高电力能源的效率保证能源的稳定性和安全性。电力系统实现智能化的核心部分为电气自动化技术,他可以提高电力系统工作人员工作准确度,对系统的运行故障进行分析给出原因并自行自我修复。电力系统精准高效率的运行离不开智能化的自动控制。

4 数字化变电站自动化应用存在的问题

(1)数字化变电站自动化系统的研究还处于初期发展阶段,现目前大部分研究都集中在过程层,如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等。对于低电压登记采取合并器造成的成本增加、不分高低压电流互感器稳定性不足导致运行不畅,二次设备共享数据信号如何实现等问题该如何解决。此外,开发过程中材料器件方面的缺陷、电磁干扰与兼容控制等问题都需要进一步改善解决。

(2)数字化变电站的保护校验装置在变电站运行时无法做到对分间隔提供校验保护。目前现有继电保护校验装置无法使用,因为电压和电流需要通过合并器才能进入到保护装置,而这个过程需要电流电压量大量的保护校验,这个是目前无法解决的问题。所以我们虽然按照IEC 61850标准统一生产了一次设备和二次设备但是仍然无法解决其限制,无法给变电站的网络提供良好的安全保护[7]。

(3)数字化变电站在过程层如果全面自动化,设备和合并的使用将会增多,经过多个合并器开展数据交换输送,会降低系统的可靠性。

(4)由于目前数字化变电站的资料并不完善,体系未成形,投入运行的数字化设备资料不能将其应用知识和技能整理成系统资料参考。运行和检修也没有统一标准规范执行,涉及到通信接口、协议等信号传输技术测试缺乏统一的参考标准。IEC 61850标准制定参考了欧美国家标准,其部分的标准设定不符合我们使用的保护功能、类型,未对GOOSE 报文重发时间、次数进行说明,可能增加GOOSE 报文重发次数、延迟报文。

(5)数字化变电站自动化使用时间仅仅不过十年,而且随时跟随新技术开展技术升级,使得设备检修方式和任务转变较快,原有的技术无法满足现在的设备检修要求,对维护人员技术提出了高要求。如GOOSE报文重发次数、延迟报文的问题,原维修技术人员可能无法解决该项问题。缺少与新技术相适应并满足邀请的技术人员。

5 结语

综上所述,数字化变电站自动化技术在我国得到了不错的应用,其科研技术的发展也非常迅速,但是这还远远不能达到社会电力行业对其实际需求。数字化变电站自动化技术在应用时仍然有很多问题有待解决。在数字化变电站中,信息的采集运输工作自动化已经全面实现,自动化系统的使用大大优化了电网的运行效率,提高了工作质量,其设备的稳定性、安全性也得到了较大的提升。数字化变电站技术体现了兼容性,并且具有测量更加准确、功能更加全面、安全性提升、降低成本等优点。所以在未来的发展中,数字化变电站自动化应该大力发展,改革创新、不断进取,促进电力系统的科学可持续发展,实现技术的优化与升级,满足更多电力系统发展需求,为电力系统抢占国际电力技术席位出一份力。