智能变电站技术应用现状和展望.pdf

第 3 3卷增-? l】 1 湖南电力 H U N A N E L E C T R I C P 0 WE R 2 0 1 3年 7月 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 0 1 9 8 2 0 1 3 Z 1 0 0 3 智能变电站技术应用现状和展望 刘海峰，赵永生，谭建群，荀吉辉，欧阳帆 ( 湖南省 电力公司科学研究院，湖南 长沙 4 1 0 0 0 7 ) 摘 要 ：介绍国内变电站技术的发展历程和智能变电站的技术特点 ，总结分析 目前智能 变电站技 术的应 用现状。提 出未来智能变电站可能的技 术发展方向。 关键词 ：智能变电站 ；发展现状；技术展 望 中图分类号 ：T M 6 3 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 8 0 1 9 8 ( 2 0 1 3 ) S 1 0 0 0 9 0 6 变电站是 电力生产 消费过程 中的一个重要组成 部分 ，它连接着 电源和负荷 ，担 负着 电压等级 变 换 、电能分配 、潮流控制和电压调节的功能。经过 6 0余年的发展 我 国变 电站技术有 了突飞猛进的 发展 ，突出表现在继电保护装置及综合 自动化系统 的技术变革。继 电保护装置从继 电器式 到晶体管 式 、集 成 电路式 ，再 到微 机式 ； 自动 化 系 统从 R T U装置到综合 自动化 系统 。从集 中式到 分布式 再到分层分布式结构。微处理器技术和通信技术的 发展不断推动着继电保护和变 电站综合 自动化系统 的更新换代 。进入 2 l 世 纪后 ，变电站技术进入到 了数字化的时代 出现了数字化变电站并进一步发 展演化为智能变 电站 。本文主要介绍了变电站技术 的发展历程 以及智能变 电站 的发展现状 和发展趋 势 。 1 变电站的发展 历程 变 电站的发展历程并没有严格 的定义 ，其发展 阶段也主要根据继电保护装置和变电站综合 自动化 系统的技术 变革来进行 划分。上个 世纪 5 0年 代 ， 阿城继电器厂引进消化了当时国外先进 的继电器制 造技术 ，建立了我国 自己的继 电器制造业 。由此拉 开了我 国继 电保 护专业 的 发展历程 。5 0年代末 ， 我国开始研究晶体管继电保护。6 0年代中期到 8 0 年代中期是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的 时代。在此期间，从 7 O年代中期开始，基于集成 收稿 日 期：2 0 1 3 0 4 1 5 运算放大器的集成 电路保护已着手研究。到 8 0年 代末 9 0年代初 。集成电路保护 已逐渐取代 了晶体 管保护。国内微机保护的研究开始于 7 0年代末期 ， 相 比国外起 步较晚，但发展很快 。1 9 8 4年，研 制 出了我国第一套微机距离保护样 。 1 9 9 0年第二代微 机线路保护装置正式投入运行 到今天大量应用的 已经是第四代产品。 早期变电站 的继电保护装置都是孤立运行的 。 互不相干 ，没有监控和系统的概念 ，而且没有故障 自诊断能力 。在运行 中若 自身出现故障 ，不能提供 告警信息。直到 2 0世纪 8 0年代 中后期 ，随着微 处理器和通信技术的发展 。利用微型机构成的远动 装置 ( 简称 R T U) 的功 能和性能有很 大 的提 高 ， 才 出现了变电站综合 自动化系统的概念。 1 1 R T U式常规变电站【 2 该类变 电站是在原常规有人值班变电站的基础 上 ，在 R T U中增加 了遥控 、遥调功能 ，站 内仍保 留传统 的控制屏、指示仪表 、光字牌等设备。所有 信号由 R T U集 中采集 ，遥控 、遥调指令通过 R T U 装置硬接点输出，由控制 电缆引入控制回路 与保 护不能交换信息， 保护动作信号仍需通过继电器节 点采集 ，是综合 自动化系统的初级阶段。 1 2 综合 自动化变电站 2 0世纪 9 O年代 ，随着微机继 电保护技术的广 泛应用以及计算机 、网络、通信技术 的发展 变电 站 自动化技术取得了实质性进展 。应用网络通信技 9 第 3 3卷增刊 1 湖南电力 2 0 1 3年 7月 术和微机测控装置建成 了变电站综合 自动化系统 通过网络通信进行信息交换 ，实现了对变电站设备 运行情况的监视 、测量 、控制和协调，并先后经历 了集中式 、分布式和分层分布式等不同结构形式。 通过综合 自动化系统的远方监控 逐渐实现了变电 站的无人值守，成为变电站发展历史上革命性的进 步。 1 3数字化 变 电站 2 1 世纪初 随着数字技术 的发展和 I E C 6 1 8 5 0 标准规约在 国内的应用 ， 现 了基于 I E C 6 1 8 5 0的 数字化变 电站。数字化 变电站具 有全站信息数字 化 、通信平台网络化 、信息共享标准化和高级应用 互动化 4个特7 iF 。数字化变电站主要体现在一次设 备智能化和二次设备网络化 ，并出现了多种多样的 组网方式 。这 一时期数字化变 电站最典型 的特 征就是 I E C 6 1 8 5 0通信规约的应用。 1 4智能变电站 2 0 0 9年 。国家 电网公 司提 出了建设坚强智能 电网的 目标 ，包括了发 、输 、变 、配 、用 、调度 6 个环节 根 据定 义 ，智 能 变 电站是 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 。因此 ，除了具有数字化变电站 的典型特征外。它更强调二次设备的高度集成和在 数字信息标准化及共享化下的高级应用 ；强调变电 站对内和对外的信息共享 从而实现变电站之间甚 至整个 电网的实时控制和协同互动 。 2 智能变电站 的关键技术 2 1 I EC6 1 8 5 0标 准 I E C 6 1 8 5 0标准 南 I E C标准化委员会制 定，主 要应用于变电站 自动化系统，它定义了变电站内的 各种智能 电子装置 ( 1 E D)之间的通讯标准以及相 关的系统要求 着力于解决变电站内部不同厂家设 备之间的互操作性和信息共享等问题 。 与以往的通信规约相 比，I E C 6 1 8 5 0标准有着 本质的不同。以往的通信规约主要用于传输 电力系 统实时数据 、告警和配置等信息 ，双方信息基于点 表 的方式表达和映射 ，规约种类和版本众多，缺乏 一 致性 I E C 6 1 8 5 0标准则采 用了面向对象 的建模 技术 、抽象通信服务接 口和特定通信服务映射 、变 l 0 电站配置语言和功能分层的结构 ，实现了对全站设 备的统一建模和自我描述，增强了设备之间的互操 作性 ，可以在不 同厂家的设备之间实现无缝链接。 根据 I E C 6 1 8 5 0通信协议定义 。智能变 电站综 合 自动化系统在逻辑结构上可分为 3个层次，分别 称为 “ 过程层” 、“ 间隔层”和 “ 站控层”。如图 1 所示 图 1 智 能 变电站综合 自动化 系统 逻辑 结构 图 1 )过程层。过程层是一次设备与二次设备的 结合面，主要是指合并单元 、智能终端及在线监测 就地采集单元等二次设备 。实现与一次设备的接口 及交互功能。合并单元主要用来实现与互感器之间 的数据交互，用于采集 电压 、电流等模拟量。智能 终端主要用来实现与断路器及刀闸等一次设备之间 的接 口实现对这些设备状态的采集和控制驱动等 功能 。在线监测就地采集单元主要为了实现在线监 测系统数据的采集和上传等功能。 2 )间隔层。间隔层设备 主要 是保 护 、测控 、 计量等二次设备 ，主要是实现继电保护功能及二次 测控系统的功能等 ，与常规综 自站相同。但数据传 输 由二次光纤取代二次电缆，传输的信号由数字信 号取代模拟信 号。 3 )站控层。站控层 主要是变 电站后台 自动化 系统 实现对全站各 间隔一次设备数据 的实 时监 控 、二次设备异常信息的监控告警及全站一次设备 的控制等功能。并可能包含五防联闭锁 、小电流接 地选线 、无功控制及顺序控制 、智能告警等高级应 用功能。 2 2电子 式互 感器 电子式互感器从传感头有无电源的角度分为无 源电子式互感器和有源电子式互感器。无源电子式 互感器常指光电流互感器 ( O C T )和光电压互感器 ( O P T ) ，是一种采用 “ 光学传感+ 光纤传输 ”模式 第3 3卷增刊 1 刘海峰等：智能变电站技术应用现状和展望 2 0 1 3 年7月 的互感器 如图 2所示。 图2光纤电流互感器结构原理 图 无源电子式互感器 的传感头采用 了光学器件 ， 如光纤陀螺或磁光玻璃 。电流互感器基于法拉第磁 光效应原理实现 ，电压互感器基于波克尔效应原理 实现。通过检测入射光和出射光的偏转角 ，实现对 电流或电压的计算 。无源电子式互感器输 出的是数 字信号 ，数据采集 的方式发生了根本性的变化 。 有源电子式互感器传感头部分需要提供工作 电 源 ，其传变常采用罗格夫斯基 ( R o g o w s k i )线 圈传 变电流、电容分压传 变 电压 ，其 传感基 于电气原 理 是一种 “ 电气 传感 + 光纤 传输 ”模式 的互 感 器。如图 3所示。 图3 有源式电子互感器原理 图 有源 电子 式互感器采用 的依 旧是 电磁感 应原 理 ，只是由于取消了铁芯 ，采用了空心线圈，使得 互感器不易饱和，传感线性度 比较好。电压互感器 采用分压原理将高电压变为低 电压，实际二次侧采 样值依然是模拟量 通过互感器的信号调理 电路将 模拟量信号转换为数字信号。 2 3智能一次设备 理想中的智能化一次设备一般应具备在线监测 功能 、智能控制功能及操动机构电子化功能。在线 监测实现如跳合闸电流、s F 气体密度、压力、温 度 、开关 电寿命 、机构动作速度 、小信号监测等功 能 。智能控制提供 开关本体保 护 、分合 闸脉冲控 制 、基于网络通信的联锁功能 、开关柜 内环境的智 能控制 、顺序控制及最佳开断时刻 的计算和选择。 对外 只提供 1 个或多个光纤接 口实现与间隔层设 备之间的数据交互。 2 4 网络通讯技术 网络通讯技术的应用是智能变电站 的显著特点 之一 。主要是指过程层二次设备的网络化。所谓过 程层网络化 ，是指将常规变电站 内的实时模拟量 、 非实时模拟量信号和开关量信号 ，由传统的电缆传 输方式转变为光纤以太网传输方式。借助光纤 以太 网的传输方式 可以实现站内信息的全景共享 。 在 I E C 6 1 8 5 0标准体系 中定义了 2种服务来完 成对应信号的传输 ，分别为 G O O S E ( g e n e r i c o b j e c t o r i e n t e d s u b s t a t i o n e v e n t ) 服 务 和S V ( s a m p l e d v a l u e )服务。其中 s V模型应用于采样值传输及相 关服务 ，而 G O O S E模型则提供 了变 电站事件 ( 如 命令 、 告警等)快速传输的机制，可用于跳闸和 故障录波启动等。 3 技术应用现状 3 1 电子式互感器的应用 相 比较 电磁式互感器 ，电子式互感器有其独特 的优点 ，如绝缘结构简单 ，绝缘性能优 良；在不含 铁芯的罗氏线圈互感器中消除了磁饱和 、铁磁谐 振等问题；高压侧与低压侧之间只存在光纤联系 抗电磁干扰性能好 等。因此 ，2 0 1 0年 国家电网公 司第一批智能变电站试点工程中普遍采用了电子式 互感器 ，如全光纤式的电流互感器和基于分压原理 的电压互感器。从试点的效果来看 ，其可靠性还有 待进一步提高。主要问题是全光纤式电流互感器在 小 电流情况下波形不光滑 ，毛刺较多；而电压互感 器 由于高压传感头部分有电子电路器件 ，需要外部 供 电，电磁兼容需要特殊处理。同时 ，由于电子式 互感器均有二次调理电路 使用寿命和一次部件不 同步 ，需要周期性的更换。考虑到实际运行 的可靠 性等因素 ，在智能变电站大规模建设阶段 ，多数都 采用了常规 电磁式互感器加合并单元 的 A D采样 模式。因此 ，其技术的发展成熟还需要时间，目前 以试点积累经验为主。 3 2 一次设备智能化 目前 ，一次设备的智能化是通过二次设备整合 一 次设备来实现的，通过合并单元 、智能终端等过 程层设备实现一次设备与间隔层设备之间的数据接 口。与常规综 自站相 比，增加了就地装置这一层设 备 ，而一次设备如变压器 、断路器等本身没有任何 改变。这种方式不应当是智能变电站一次设备智能 化的最终实现方式 ，更多的是在 当前技术发展程度 下的一种过渡形式 一 次设备智能化 比较理想的实现方式是一次设 备整合二次设备，合并单元及智能终端的功能由一 第 3 3卷增刊 1 湖南电力 2 0 l 3年 7月 次设备 自身集成实现，对外与间隔层设备之间仅有 光纤通信的联系，不必通过外部加装二次设备来实 现。但一次设备是机械结构的，而电子元器件的寿 命与机械部分差别很大 ，受振动、湿度 、温度等环 境因素的影响较大 ，是否具备整合人一次设备的条 件还需要深人的研究。因此 ，一次设备智能化的发 展情况将是推动智能变电站发展的关键因素，当前 阶段仍需要靠二次整合一次的方式实现。 3 3 装置下放就地的运行可靠性 问题 在智能变 电站 中，合并单元 、智能终端及过程 层交换机被下放到 了就地汇控柜中电子元器件受 气候 、运行环境影响很大，尤其是在湖南夏季高温 高湿的天气情况下 ，对于汇控柜在室外的户外敞开 式变电站影响更大 而第一批智能变电站试点工程 从 2 0 1 0年底投产到现在只有 2年多的时间 就地 设备还没有经过长期运行环境的考验因此。其长 期运行可靠性 尚待进一步验证 。 为了维持汇控柜内良好的运行环境 ，目前普遍 采用的方法是提高密封性能 。在汇控柜内除了设有 加热驱潮装置外 。还增设 了空调或热交换器 ，增加 了设备投资。 在 目前一次设备智能化靠二次设备来实现的方 式下 ，这种模式必然会长期存在 ，其长期运行可靠 性的问题显得格外重要 ，需要通过长期的数据统计 进行深人的研究 3 4直采直跳和网采网跳 按照 智能变 电站继 电保护技术 规范 的要 求 ，继电保护装置采用点对点直采直跳，跨间隔的 联闭锁信息 、失灵启动等信息宜采用 G O O S E网络 传输方式。直采直跳 由于不经过交换机环节 ，链路 延时同定 可以采用插值的方法实现多问隔的采样 同步 ，最大程度的保证了保护装置的运行可靠性 。 但这种方式使智能变电站采样数字化和传输 网络化 的优势发挥不 出来 ，全站 的二 次光纤链 路非常复 杂 。 网络采样最大的问题是经过了交换机环节 ，传 输延时不固定， 需要依赖于外部时钟进行采样值的 同步 ，这就降低了保护装置的动作可靠性 。在智能 变电站中报文流量最大的是 S V报文 ，G O O S E报文 的流量很小 。所 以受交换 机传输 的影响较小。因 此 可以进一步试点直采网跳的模式 ，并在一系列 技术发展成熟后 逐渐过渡到 网采 网跳 的理想模 式 l 2 3 5 VL AN技术和 GMR P技术 过程层 网络上传输的大部分数据都是组播 ，而 组播不加过滤 的话 ，交换机会 把它和广播 一样处 理 ，因此 ，这就需要我们对组播进行有效的管理和 过滤 ，以减少网络负载 ，提高网络的效率，降低 网 络上 的 延 时 等。常 用 方 法 是 虚 拟 局 域 网技 术 ( V i r t u a l L o c a l A r e a N e t w o r k，V L A N)和组播注册 协议 技 术 ( G A R P Mu h i c a s t R e g i s t r a t i o n P r o t o c o 1 G MR P) 。 V L A N是一种将局域网设备从逻辑上划分成一 个个 网段 ，从而实现虚拟T作组 的数据交换技术。 数据 只会 在 本 V L A N 中传输 ，而 不 会 到其 他 的 V L A N中去。常用 的划分 方法 有基 于端 口、MA C 地址 、网络层 协议 、I P组 播 、基 于策 略等几 种 ， 在智能变 电站中最常用 的是基于端口划分和基于策 略规则 2种 。这种方法配置简单 、便于理解 ，使用 较多。但 V L A N技术是一种静态的管理技术 一旦 设置好后 。端 口之间不具备互换性 。 G MR P是一种动态组播技术它主要提供一种 类 似于 I G MP ( I n t e r n e t G r o u p Ma n a g e m e n t P r o t o c o 1 ) 探查技术的受限组播扩散功能。它通过 J o i n i n报 文和 L e a v e报 文 动 态 的管 理 本 组 的 成 员 端 口。 G MR P允许各种智能装置 向连接到相同局域网段的 以太网交换机动态注册组成员信息 并且这些信息 可 以 被 传 播 到 支 持 扩 展 过 滤 服 务( E x t e n d e d F i l t e r i n g S e r v i c e s )的局域网中的所有交换机 这种 技术是一种动态的虚拟局域网管理技术，交换机的 不同端 口可以互换不同的接入装置而不影响他们原 本所在的虚拟局域 网段。但这种技 术实现 比较复 杂 ，实际使用较少。 3 6高级应用功能 按照 智 能变 电站技术导则 的规定，智能 变电站应具有顺序控制 、站 内状态估计 、区域控 制 、防误操作 、源端维护等基本功能和设备状态可 视化 、智能告警及分析决策 、故障信息综合分析决 策 、经济运行与优化控制 、与外部系统交互信息等 高级应用功能。从技术角度而言 顺序控制功能在 G I S站和 A I S内都可以实现，但 由于 A I S站在一次 操作时需要人工确认是否到位 ，所以从管理上不允 许一次设备以顺序控制的方式实现运行方式问的转 换 。防误操作 即通过监控系统实现五防闭锁功能 ， 经济运行与优化控制主要是 实现了 V Q C的功能。 而其余的如源端维护 、区域控制 、智能告警等功能 还没有成熟的使用案例 。 第3 3 卷增刊 1 刘海峰等：智能变电站技术应用现状和展望 2 0 1 3年7月 3 7调试 流 程及建 设模 式 根据 智能变电站调试规范的规定，智能 变电站调试 分组态配 置 、系统测试 、系统动模 测 试 、现场调试 、投产试验 5个环节。其中组态配置 阶段主要完成 S C D文件 的配置和检查 、C I D文 件 的下装和测试等_T作 ：系统测试主要是对二次设备 进行功能的单体 调试和全站二 次设 备的系统级 测 试 ；系统动模测试主要是当某种新技术首次应用到 其最高电压等级且可能影响到变 电站安全稳定运行 时，需进行 系统动模试验 ：现场调试主要是二次回 路检查 、通信链路检查 、辅助系统的调试和一二次 设备的整组联调 ；投产试验主要是带负荷检查等。 这是一个合理而理想的调试过程 ，通过增加系 统测试这个环节 ，可以在技术并不成熟的情况下将 问题解决在 出厂阶段 。但实际上 由于受工期等各方 面因素的影 响实 际执行 与流程设计 有较大 的出 人 。主要体现在如下几个方面 ： 1 )系统测试前设计院和系统集成商有 时难 以 完成 S C D文件 的配置 。组 态配置阶段的工作往往 和系统测试 同步进行 。边调试边修改 S C D配置文 件，这样做大大降低了系统测试的效率，一些测试 工作出现反复 2 )系统测试阶段装置不全 。在系统测试 阶段 要求二次设备提供商将所有的设备发到系统集成商 处 ，搭建完整的二次系统进行测试。但实际上 由于 合并单元和智能终端需要集成到汇控柜中，这部分 设备需要发货到一次设备厂家完 成二次回路配线。 这导致发到系统集成商处 的设备不全 ，经常只有典 型间隔配置，以调通为主要 目的。这带来一个非常 大 的弊端 ，就是系统测试 阶段没有完成全部设备的 试验 ，全站 网络级的系统试验无法完成 。这个阶段 的部分试验需要在现场调试阶段进行 。不仅增加 了 现场调试的难度 ，而且受制于现场 的条件 ，一些 系 统级别 的测试也难以开展 。 3 ) 目前在 出厂之前 的系统测 试大概 需要 2 0 多天 ，这个 阶段设备提供商 、调试 、设计 、运维等 单位的人员均需要到现场进行配合 。而且需要系统 集成商提供较大的场地来搭建二次系统 。这种方式 大大增加了业主单位和厂家的人力 、物力 、财力和 场地成本。当智能变 电站大规模建设的时候 不论 是系统集成商还是调试单位可能都是难 以承受的。 3 8 智能变电站扩建时的设备接入问题 当变电站扩建时，有新的装置需要接人母差保 护 、失灵保护及后 台监控系统等公用设备。常规综 自站新上设备与公用设备之间仅有 回路联系 不需 要更改运行设备的程序文件。由回路和逻辑连接关 系可见 ，可以通过回路查线和整组试验量回路通断 的方式 ，验证 回路接线 的正确性。 智能变电站 的二次设备是基于 S C D文件运行 的 ，回路 和逻 辑链接关 系不可 见 。需要重新配 置 S C D文件并重新下装这些 装置 的 C I D文件 ，并 通 过试验验证相 互之 间逻辑连 接关系 的正确性 同 时 ，还需要对交换机的 V L A N重新进行划分 ，并做 相应 的试验。但实际上变电站很难全停 ，那么交换 机和重新下装 了 C I D文件 的装置就难以通过 整组 试验来验证 S C D文件配置 的正确性 。 4展 望 4 1 集中式保护 与常规微机保护相 比，智能变电站保护装置的 原理和算法没有变化。仅是外部接 口方式发生了变 化。保护装置在去掉 A D采样板和开关 量板后仅 剩 电源板 、C P U板和光纤接 口通讯 板几部分 ，装 置功能以保护计算为主。在微处理器计算能力高度 发达 的今天 ，有可能用 1块 C P U板或多块 C P U板 实现多个间隔的保护计算 ，从而大大减少间隔层保 护装置的数量 ，实现按电压等级配置的集 中式保护 和间隔层装置 的高度集成。构建一种间隔层集 中、 过程层分散的分层分布式变电站 自动化系统结构。 4 2专用交换机 目前智能变电站所采用的交换机均为通用的商 用交换机 ，根据端 口地址表来寻址和数据交换 所 以 。对于过程层的组播数据就需要采用虚拟局域网 技术来控制端 口的数据流量。实际上 当过程层交换 机的每个端 1 5 所接人 的装置固定后 ，它的数据流向 是一定的，不需要重复的寻址过程。而且 ，在智能 变 电站 中所用到 的功能仅为它所具有 功能的一部 分 。因此 ，可以识别 S C D文件 的专用交换机可能 是未来技术发展 的一个方向。通过导入 S C D文件 固定交换机各端 口之间的数据走向。简化交换机的 功能配置 ，可以提高组网方式下的通信可靠性 。减 少时间延时的不确定性。另外 还可以将专用交换 机与网络记录分析仪相结合，通过在交换机部分进 行数据的前置预处理 ，提高网络记录分析仪的处理 能力和处理速度 5 小 结 与常规综 自站相 比，今天的智能变电站 自动化 1 3 第 3 3卷增刊 1 湖南电力 2 0 1 3年 7月 系统相当于将保 护测控装置的 A D采样模块下放 就地成为合并单元 ，将开关量板和操作箱下放就地 成为智能终端 。用光纤取代 A D转换到 D S P之间的 数据总线以及操作箱到一次设备之间的二次电缆实 现数据的传输。这种方式与将保护装置按间隔下放 就地有异曲同_T的地方。这种形式不应是智能变电 站的最终实现方式 ，只是在当前相关技术还不够成 熟下的一种实现方案 。随着通信技术和关键一次设 备智能化技术的发展，智能变电站技术必将越来越 成熟 ，高级应用功能也越来越强大 从而发挥出其 独特的优势。 参考文献 1 唐 雪松 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