珠海220kV琴韵数字化变电站关键技术研究

I 摘 要 随着光电子、数字信号处理技术 作为 应用基础的非常规互感器技术的 进步 ， 计算机网络技术的高速发展， 准的颁布实施，一次设备在线状态 监测 等技术的 成熟 ， 数字化变电站技术的研究和相关项目 已进入实际工程应用阶段。 数字化变电站是智能化的一次设备、网络化的二次设备在 信协议技术上分层构建的，它继承并发展了分层分布式变电站结构的特点 ， 数字化变电站具有自动化 程度高、可靠性高、节省工程造价等优势， 是未来变电站建设发展 的 方向。本论文 结合珠海 220韵 数字化变电站工程 建设实例， 在研究数字化变电站相关理论和技术的基础上，总结数字化 变电站 的现状和 关键技术 ，提出数字化变电站的特征和需求的功能， 对琴韵数字化变电站创新技术的应用进行 了 分析 。 本文的主要工作如下： 1. 分析 国内外数字化变电站的研究现状及应用情况， 对电子式 互感器技术、合并单元、 智能终端、 准、数字化变电站的通信网络 技术 应用情况 进行 了研究。 2. 对 数字化变电站的 关键技术，包括 整体设计 方案 、通信组网方案、继电保护方案进行了对比和分析，结合琴韵数字化变电站的实际情况， 提出整体的设计方案。3. 对 220韵数字化变电站设计原则 、 系统接入方式 、 一次设备、二次设备的选型、保护装置配置、在线式五防系统、综合自动化系统 进行了 研究。 4. 对数字化变电站的 在线监测技术进行了研究，对变压器在线监测 、 线监测、 部放电 在线 监测技术进行分析，研究了在线监测系统的设计和实现 。5. 对琴韵数字化变电站 应用的 创新技术，光伏发电并网情况，社会效益和经济效益进行了分析，对 3C 绿色变电站与常规 标 准设计 变电站进行了比较 。 关键词 ：数字化变电站 ； 在线监测 ； 电子式互感器 ； 流量控制 of on of of of of of of by is It of is of of its of of 20it of of of as 1. of 2. of of 3. of 220 4. of in of IS of 5. of f 3C of 录 摘 要 . I . 一章 绪 论 . 1 题研究背景和意义 . 1 内外研究现状 . 2 外研究现状 . 2 内研究现状 . 2 字化变电站的优势 . 3 大提高变电站运行可靠性 . 3 高信号传输可靠性 . 3 约投资和成本 . 3 一步提高自动化和管理水平 . 4 论文的主要内容 . 4 第二章 数字化变电站基本概念 . 6 字化变电站技术特征 . 6 统分层分布化 . 6 据采集数字化 . 7 统结构更加紧凑 . 7 统建模实现标准化 . 8 字化变电站关键技术 . 8 子式互感器 . 8 并单元 . 11 . 13 能终端 . 13 字化变电站的二次设备 . 14 字化变电站 组网 . 14 V 第三章 220韵数字化变电站一次设计 . 18 要设计原则 . 18 体设计原则 . 18 接线设计 . 19 韵站接入系统方式 . 19 层级电压配电装置 . 20 20电系统在琴韵变电站的应用 . 21 0网电压等级的局限 . 21 韵站配网电压等级设计 . 22 韵站 20备选用 . 24 变压器的选择 . 24 220电装置的选择 . 25 闭组合电器 . 25 子式电流电压互感器 . 26 第四章 220韵数字化变电站二次设计 . 28 韵变电站网络构架设计 . 28 韵站控层网络组网 . 29 韵站过程层网络组网 . 29 韵站 过程层流量控制设计 . 32 线式五防 . 35 统微机五防的缺点 . 35 线式五防系统的设计 . 35 用 实现 20线快速保护方案 . 37 变低压侧快速母线保护原理及构成 . 37 统的母 线快速保护 . 37 于 络的母线快速保护 . 38 第五章 220韵数字化变电站在线监测设备 . 39 线监测概述 . 39 20韵数字化变电站在线监测项目方案 . 39 线监测系统系统结构 . 39 线监测系统网络结构 . 40 韵站间隔层在线监测项目 . 41 韵站在线监测软件功能 . 46 第六章 琴韵 数字化变电站技术创新与效益分析 . 48 阳能光伏发电系统在琴韵站的应用 . 48 伏太阳能发电简介 . 48 韵站光伏太阳能发电系统构成 . 49 网技术在变电站中的应用 . 50 络分析及故障录波一体化 . 50 文记录装置和故障录波一体化装置的技术背景 . 50 文记录分析及故障录波一体化装置的硬件结构 . 50 于网络处理器（ 构的报文分析一体化装置的软件结构 . 52 体化装置的特点 . 54 域控制技术 . 55 于 “双套双钟冗余技术 ”的网络对时 . 55 于网络的站域控制技术 . 57 韵变电站综合效益分析 . 58 济效益分析 . 58 会环境效益分析 . 59 韵数字化变电站与标设变电站的比较 . 59 结 论 . 63 参 考 文 献 . 64 攻读硕士学位期间取得的研究成果 . 67 致 谢 . 68 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 题研究背景 和意义 20 世纪 90 年代以来 ， 随着 变电站综合自动化技术的 不断 发展 ， 微机保护的广泛应用 ，使得 电网的自动化 控制 水平 得到极大地提高 ，但是由于变电站自动化系统 应用范围的拓展，常规数字化变电站 逐渐出现技术瓶颈 。 变电站内 不同厂家 设备的通信协议不统一， 经过规约转换以后， 可能 导致 系统 通讯异常， 不利于 系统 的 紧密 集成，设备 的 互操作性 不强 ， 自动化设备异常处理维护工作多，升级改造影响范围广，实施周期长 。 与此同时，变电站内的保护跳闸回路、断路器控制回路、信号回路、电气量采集回路都需要敷设大量的电缆来传输信号， 因此 工程造价较高， 也未使高低压设备实现完全的电气隔离。 随着 计算机网络技术、自动化技术的不断发展，变电站内各 电气设备通过 智能电子设备 使出自不同制造商的设备之间具有了较强的互操作性， 逐步实现了分布式模式的发展。 准的发布，使变电站内通信标准得到统一， 提高了 变电站通信的可靠性 ； 而 光电式 、电子式 互感器 技术的不断成熟 ， 智能化变压器、 智能化 断路器的 不断发展， 都使得数字化变电站的全面建设具备了良好的基础。 珠海横琴岛位于珠江出海口西侧，海岛面积 方公里，地理位置得天独厚。其东有莲花大桥与澳门相连，南濒南海，西临磨刀门水道，北有横琴大桥与珠海南城区相连。 2009 年 8 月 14 日，国务院正式批准实 施横琴岛总体发展规划，以 10 年到15 年的努力 把 横琴岛建设为连通港澳、区域共建的开放岛，经济繁荣、宜居宜业的活力岛，知识密集、信息发达的智能岛，资源节约、环境友好的生态岛。在这种背景下，数字化变电站 技术作为 电网发展的关键技术 ，是实现横琴岛智能、高效、绿色的重要保障。 根据珠海横琴新区电网专项规划，从 2013 年起，香洲区电网 220电容量将出现缺额， 2014 年缺额达 116考虑到横琴岛目前尚无 220电站 ， 且 未来几年 用电负荷将飞速增长， 220韵输变电工程 凸显出其重要性 。 在上述背景下， 对 220韵数字化变电站的关键技术进行研究，对数字化变电华南理工大学工程硕士学位论文 2 站建设、运行和管理 及数字化变电站关键技术 进行总结 是非常必要的 。 内外 研究现状 外研究现状 数字化变电站 技术的发展 是 以 准 为基础的， 国外 开展 准的研究 时间 较早， 在美国、德国等国均 有 多个工程对标准进行研究和验证，通过不断的实践，使标准不断得以完善。 国外较大的几个电力设备公司，均已 研制出 数字化变电站一次设备和二次设备 ， 从制定标准开始，完成了多次设备互操作试验，并应用于多个示范变电站。 2001 年， 西门子在德国合作，进行了间隔层设备和站控层设备之间的互操作试验，试验由西门子保护设备向 路器发送跳闸信号， 路器收到信号后，将开关动作 号发送至其它设备，并 在 重合闸装置 收到该信号后 发出重合闸令至 路器实现重合试验 ， 同年，西门子和 完成了采样值 、跳闸信号传输 的互操作试验。国外公司多次间隔层设备互操作试验， 验证了数字化变电站工程实用的可行性。 目前， 基于 1850 系统 的 变电站层和间隔层结构的 已较成熟， 在国外 得到较快推广 ，国外主要电力设备制造企业的二次产品 基本都支持 议 。 内研究现状 从 国际制定 准开始，国内一直跟踪该标准的发展。自 2000 年起，经过 5 年时间，全国电力系统管理及其信息交换标准化技术委员会完成了将 准向行业标准 860 的转化 。 2004 年至 2006 年期间，国家电力调度中心组织完成了多次互操作 性 试验，促进了 品的研发和 改进，在此期间，多个厂家合作测试 约定义的所有功能，符合标准规定的一致性测试和互操作要求。 到 2009 年 ，我国已基本完成了 国产化工作 ，已有多个国内厂家的光电互感器已通过国家级鉴定， 涵盖 10 500压等级产品，且在投运后获得了较长时间的连续稳定运行经验。 国内主要的二次设备生产厂家 的产品， 已 能具备兼容 与第一章 绪 论 3 智能一次设备直接接口。 字化变电站的优势 大提高变电站运行可靠性 我国微机保护在原理和技术上已相当成熟，常规变电站发生事故的主要原因在于电缆老化接地造成误动、特性恶化和特性不一致引起故障、季节性切换压板易出错等。这些问题在数字化变电站中都能得到根本性的解决。 数字化变电站中采用电子式互感器根 本性地解决了 态范围小及饱和问题，从源头保证了保护的可靠性。信息传递全部采用光纤网络后，二次回路设计极大简化，保护压板、按钮和把手大大减少，显著减少运行维护人员的“三误”事故，光纤的应用也彻底解决了电缆老化问题，系统可靠性得到充分保障。 高信号传输可靠性 数字化变电站的信号传输均通过计算机通信技术实现，通信系统在传输有效信息的同时传输信息效验码和通道自检信息，拒绝误传信号和监视通信系统的完好性，电压互感器、电流互感器断线的判断将不再成为问题；数字化变电站二次设备和一次设备之间采用光纤连接， 从根本上解决了抗干扰问题，而且也没有二次回路两点接地的可能性。 工业以太网是随着微机保护开始应用于电力系统的，更是成为近几年的变电站自动化系统的主流通信方式。在大量的工程实践证明站控层与间隔层之间的以太网通信的可靠性不存在任何问题。而间隔层与过程层的通信对实时性、可靠性提出了更高的要求，但通过近两年的研究与实践，这一难点问题也已经解决。可以说原来制约数字化变电站发展的因素目前已经得到逐一排除。 约投资和成本 标准化的信息模型实现了变电站信息共享，原先必须由 块来实现了，如母线保护、备自投等，设备的减少同时减少了变电站的占地面积，节约了大量成本，而且提高了可靠性。二次回路设计简化，接线大大华南理工大学工程硕士学位论文 4 减少，显著降低了安装、调试、维护工作量，把维护人员从繁杂的布线核查中解脱出来。数字化变电站中实现了信息共享，设备提供了更丰富的状态监测信息，根据这些信息可实现更智能化的维护工作，包括故障诊断和定位，维护更简便。电缆的显著减少也节约了大量的投资。这些方面节约的资金足以抵消网络投资的增加。虽然总投资与常规变电站相仿，但数字化变电站的性价比大大提高了。 变电站间隔层 的信息交换均通过 通信网络完成；变电站在扩充功能和扩展规模时，只需在通信网络上接入新增设备，无需改造和更换原有设备，由此降低了变电站全寿命周期成本。 一步提高自动化和管理水平 数字化变电站的所有信息采用统一的信息数据模型，站内的保护、测控、计量、监控、远动等系统均通过同一个通信网络接收电流电压测量值及控制命令等信号，不需要按不同的功能设计各种的信息采集、传输和执行系统，使得 数字化变电站通信系统传输数据更加完整，通信可靠性和实时性大幅度提高，由此提高了自动化水平。一次、二次设备和通信网络都可具备完善的自检功能，可 根据 监测 设备的健康情况 ，二次设备自检情况， 实现设备的状态检修。 论文的主要内容 本课题针对数字化变电站若干关键技术，主要进行以下几方面的研究工作： 1. 分析国内外数字化变电站的研究现状及应用情况，对电子式互感器技术、合并单元、智能终端、 准、数字化变电站的通信网络技术应用情况进行的研究。 2. 对数字化变电站的关键技术，包括整体设计方案、通信组网方案、继电保护方案进行了对比和分析，结合琴韵数字化变电站的实际情况，提出整体的设计方案。 3. 对 220韵数字化变电站设计原则， 一次设备、二次设备的选型、保护装置配置、在线式五防系统配置、综合自动化系统配置、在线监测系统配置研究。 4. 对数字化变电站的在线监测技术进行了研究，对变压器在线监测、 线监测、 部放电监测技术进行了分析，研究了在线监测系统的设计和实现。 第一章 绪 论 5 5. 对琴韵数字化变电站在微网技术、站域控制等新技术应用情况进行了分析，对 3C 绿色变电站建设情况进行了经济效益和社会效益分析。 华南理工大学工程硕士学位论文 6 第二章 数字化变电站 基本 概念 数字化变电站的 概念是在 国内提出，目前主要是 通过光电 /电 子式互感器、智能 断路器，在 标准规范下 应用 和构建的 。 数字化变电站的继承并发展了分层分布式 综合自动化 变电站 的系统结构 ，同时随着 光电 /电子式互感器、智能 断路器 技术的不断发展和 应用，使得数字化变电站的系统 特征相对于 常规变电站 发生了巨大的 变化，也呈现 出 鲜明的技术特征。 字化变电站技术特征 统分层分布化 变电站自动化系统的发展经历了从集中式向分布式的转变，第二代分层分布式变电站自动化系统大多采用成熟的网络通信技术和开放式互连规约，能够更完整地记录设备信息，并显著地提高系统的响应速度。变电站自动化系统引入了过程层的概念，信息应 用模式发生了根本变化，基于网络的信息交互更加广泛，更加智能化的一次设备与二次设备的界限变得模糊，一次和二次设备实现了初步的融合，这也符合未来的技术发展趋势。 视和继电保护三大功能，将变电站自动化系统按功能和逻辑通信抽象为 3层体系结构：变电站层、间隔层和过程层。变电站总线用于站控层和间隔层间通信，过程总线用于间隔层和过程层间通信，其结构如图 2 互 感 器 开 关过 程 层功 能 A 功 能 护 控 制控 制 保 护过 程 接 口间 隔 层站 控 层远 方 通 信过 程 接 口远 方 通 信互 感 器 开 关网 络 通 信 网 络 通 信网 络 通 信过 程 层 网 络站 控 层 网 络图 2能分层的变电站自动化系统图 第二章 数字化变电站 基本 概念 7 据采集数字化 数字化变电站的主要标志是采用数字化电气量测系统 (如光电式互感器或电子式互感器 )采集电流、电压等电气量，各类数据从源头实现数字化，真正实现信息集成、网络通信、数据共享，为实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转变，为实现信息集成化应用提供了基础。打破常规变电站的监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等几乎都是功能单一、相互独立的装置的模式，改变了硬件重复配置、信息不共享、投资成本大的局面。 基于 1850标准的 数字化变电站 在站控层、间隔层和过程层全部实现了数字化，其 结构与传统变电站的对比见 图 2 R C R C 其 他I E / P P C 其 他I E V 智 能 单 元G O O S 过 程 层间 隔 层站 控 层传 统 互 感 器光 缆电 子 式 互 感 器传 统 变 电 站 结 构 图 A I S 数 字 化 变 电 站 结 构 图G P 站 1 工 作 站 2 远 动 站G P 站 1 工 作 站 2 远 动 站I E C 6 1 8 5 0I E C 6 0 8 7 0- 5 - 1 0 3图 2字化变电站与传统变电站结构对比 统结构更加紧凑 数字化电气量测系统具有体积小、重量轻等特点，可以将其集成在智能开关设备系统中，按变电站机电一体化设计理念进行功能优化组合和设备布置。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其它自动装置的 I/如 A/隔离器件、控制操作回路等 )作为一次智能设备的一部分，实现了 8 (计；在中低压变电站可将保护及监控装置小型化、紧凑化并完整地安装在开关柜上。 统建模实现标准化 变电站自动化系统定义了统一的、标准的信息模型和信息交换模型，实现智能设备的互操作，实现变电站信息共享。对一、二次设备进行统一建模，资源采用全局统一命名规则，变电站内及变电站与控制中心之间实现了无缝通信，从而简化系统维护、配置和工程实施。 字化变电站关键 技术 数字化变电站是智能化的一次设备、网络化的二次设备在 够实现智能设备间信息共享和互操作 ，数字化变电站主要有以下几项关键技术 。 子式 互感器 1. 传统 电磁式 互感器 存在问题及电子互感器概述 传统的 电流 互感器和电压互感器 是利用电磁 感应 原理而构造的 ， 其结构 类似变压器， 具有 设备 可靠性高、 检修 维护成本低 等特点 。 随着电力系统电压 等级的提高和传输容量的不断增加，传统互感器存在的问题也暴露出来，主要有以下几个方面： （ 1）电压等级越高， 互感器的 绝缘结构越复杂，设备体积大、造价高，安装运输不方便。 （ 2） 传统互感器 动态范围小，电磁式电流互感器的铁芯存在饱和现象，线性度不好，对继电保护装置的正确动作和动作速度都有影响。 （ 3） 传统 电流互感器二次侧不能开路， 电压互感器二次侧不能短路， 否则可能发生影响人身和设备的安全事故 ，此外，电磁式电压互感器 还可能由于操作不当导致铁磁 谐振 。 （ 4） 传统电流互感器的二次侧回路对输出负荷要求较高，若二次电缆较长，在第二章 数字化变电站 基本 概念 9 电容耦合的干扰下，可能造成传输数据精度降低，甚至导致设备误动作。 电子式 互感器 是基于光学技术 、 微电子技术 、微机技术 的非常规互感器， 利用光纤传感 或 光电子技术来实现 电压电流量的 测量。 它从原理上避免了传统互感器的铁芯饱和、有开路和短路危险等诸多问题，具有不受电磁干扰、不饱和、测量范围大、效应频带宽，体积小重量轻等优点。 根据原 理的不同， 电子式 互感器可分为 有源型和无源型 两类 。 2. 有源电子式电流互感器 有源 电子式 电流互感器 是 利用 法拉第 电磁感应原理， 利用罗氏线圈及低功率线圈传感被测一次电流。 罗氏线圈是一种特殊结构的空心线圈， 由 测量导线均匀 地 密绕于非磁性 材料上 的螺线管， 由于不含铁芯 ，在传感结构上根本解决了铁芯线圈电流互感器的磁路饱和问题， 具有很好的线性度， 其构造如 图 2示。 图 2氏线圈（空心线圈）构造 当被测电流从线圈中心通过时，将在线圈两端产生一个感应电压，当线圈截面积 n 均匀时，则空芯线圈的输出电 压信号 e 与被测电流 i 之间 关系 见式（ 2： -)( （ 2 式 2 0为真空磁导率， n 为线圈匝数密度， s 为线圈截面积。对 e(t)进行积分，可求被测电流 i。从公式可见，罗氏线圈两端电压只反映电流变化率，所以不能用于测量稳恒直流电流。罗氏线圈测量速度快，能够测量前沿上升较短时间纳秒级的电流，测量精度高，可达 ,一种理想的测量大交流电流的敏感元件。 电流模拟量 采样和电光转换在互感器设备的高压部分完成，将 高压侧信号 通过光纤传递 到 低压侧 ， 再将 光信号转换成电信号， 通过合并单元处理后 输出 到 到网络中 ，华南理工大学工程硕士学位论文 10 供继电保护装置等设备用 。此类互感器的优点是稳定 性高、结构简单、精度高，但也存在 高压侧数据的产生装置结构比较复杂， 对高压侧电子模块供电可靠性要求高的缺点 。 无源型光电电流互感器的传感器部分无需电源 ， 利用 光 学原理 进行测量变换和传输 。传感器采用法拉第 磁旋 光 效应原理， 当 线性偏振光通过 放置在磁场中的法拉第旋光材料后， 偏