数字化变电站研究报告

深圳市国电南思系统控制有限公司 张结 关于数字化变电站的研究 数字化变电站的特征 一次设备的智能化 二次设备的网络化 变电站的信息化 数字化变电站的实质 数字化变电站的价值 数字化变电站的技术路线 设计、运行、维护管理的变革 需要的准备工作 数字化变电站所涉及的技术 过程数据的获取和过程通信 变电站信息建模和信息交换 运行、维护中的通信监视 报告内容 进一步发挥变电站效益的有效途径 “ 变电站自动化各专业技术的界线越来越模糊 ， 对变电站自动化采集的信息进行进一步处理 ， 加以充分利用 ， 是进一步提高变电站自动化效益的主要途径 ” 。 “ 信息技术和自动化技术相结合是降低成本 ， 提高供电可靠性 ， 提高供电部门竞争能力的重要因素 。 ” 技术进步提供的条件和带来的挑战 通信技术和网络技术的发展 基于全面的信息共享和信息交换的变电站自动化系统 目前的状况 适合于数字化变电站的自动化装臵 数字化变电站的通信网络 变电站自动化系统的形态 （ 进步缓慢 ） 变电站的发展 过 程 层 间 隔 层 站 控 层 数字化变电站特征 与传统的变电站相比，数字化变电站具有的特点 采用新型互感器 ， 通过过程总线实现测量信息的全面共享 间隔层 ， 甚至站控层自动化功能突破智能装置的 “ 边界 ” ，实现自由分布和应用集成 取消传统的 “ 硬接线 ” ， 自动化功能之间的逻辑配合关系建立在信息交换的基础上 变电站作为电力自动化系统的信息源和控制终端 ， 通过信息传输为控制中心系统提供更加完整和丰富的信息 ， 例如一次设备监测信息 、 二次设备监测信息 、 电网运行状态信息 、 电网故障信息 、 计量信息等 变电站自动化系统成为整体电力自动化系统的有机组成部分 ， 通过变电站信息传输可以实现如区域无功优化策略 、区域防误策略 、 区域备自投策略 、 电网故障分析系统等控制中心功能 。 数字化变电站特征 数字化变电站特征 一次设备的智能化 数字接口的电子式互感器 智能终端 = A D 1 7 - KB2S t e u e r u n g / S c h u t zF l l a n d e nF e l d s t e u e r g e r t R E C 2 1 6 m i t M e s s u n g u n d S y n c h r o c h e c kL E I T U N G S H A U P T S C H U T Z R E L 3 1 6 * 4 P R F S T E C K E RI0S C H U T Z E I N / A U SI0WE - B L O C KI0S T U F E N V E R L .R e s e tA U SS A M M E L S C H I E N E N S C H U T Z R E B 5 0 0 R E S E R V E S C H U T ZS C H U T Z E I N / A U SA U S2 2 0 V D C S P A N N U N G S Y S 1 2 2 0 V D C S P A N N U N G S Y S 2S Y N C H R O N I S I E R U N G H A N DV E R R I E G E L U N G2 x 2 2 0 / 2 4 V D C / D C S P A N N U N G S V E R S O R G U N G- X1C o n t r o l / P r o t e c t i o n C u b i c l e s= A D 1 7 - KB2S t e u e r u n g / S c h u t zF l l a n d e n= A D 1 7 F L L A N D E N2a1a100 3002000M E S S A N W A H LS P A N N U N G- 240+ 4 8 0- 480B L I N D L E I S T U N GW I R K L E I S T U N G+ 2 4 0- JA1( L21)- JA2( L21)- JA5( L216)- JA6( L2136)LS HYDRAUIKPUMEZU VIELANFLEISTUNGCHAREINSCHALTKRBLOCKIERT ()ANTRIEBSMODULAUSGNRELISTRUNGSCHALTNDUGUNVOLSTDIGSAMELCHINSCHUTZGERSTRUNGACHTUNG !SCHALTNDUGVERIGLTSAMELCHIN-/SCHALTERVG-SCHUTZ AGELLEITUNGS-RESERVESCHUTZAUSGELTLS AUEKRI-BERWACHNUG 2ANGESPROCHLEISTUNGCHARPHASEN-DISKREPANZAUSGELTLEISTUNGCHARAUSSCHALTKREISBLOCKIERT ()LS HYDRAUIKPUMENLAFZITBERSCHITNHORNQUITLAMPENTESTZUSTANDEINEIN AUSRCK-STELNAUS-FHRENANTRIEBSUGNORMALDIREKTFERNLOKALEISTUNGCHAR/TREN/DPOSITN GER20V DC/3ASCHUTZ-STEUERSPG. 0 -SPANNUGLEISTUNGCHARSF -GAS NACHFLELEITUNGS-HAUPTSCZSTRUNGLEITUNGS-HAUPTSCZ AUSGELT24V DCPROZES INTFACSPG. TRUNLS HYDRAUIKFEDRSPANUGSTRUNG (OC)LS AUEKRI-BERWACHNUG 1ANGESPROCH100 3002000100 3002000FERNLOKA /NRMLOKA /DIRETS A M M E L S C H I E N E N S P A N N U N G- JA4( L21)PUMENRCK-STELNRSTSAMELR BETRISZUANDRST- J F 1( L215)( L214)SPANNUGSWANDLERSICHERUNGBW.ANGESPROCHFELDSTURGALRMQUITSIGNAL-/RMETREN/DMOTRSCHUZANGESPROCH500 150010000RTSS T R O MRELAISHU 2RELAISHU 3RELAISHU 4500 150010000500 150010000WANDLERMGASCHUTZKOMBIWANDLERFEDR /SEIN-BLOCKRTAUS-BLOCKIERTI n t e r b a ybusS t a r c o u p l e rA B BP o w e r A u t o m a t i o n A GR E R 1 1 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C MR x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 1N e t w o r k c o n t r o l c e n t r e A B BP o w e r A u t o m a t i o n A GC O M 5 8 1CC o m m u n i c a t i o nC o n v e r t e r d g t a ld g i t a l- Q1- Q0- Q8Process Interface- Q9- Q2P r o c e s sH V L i n e b a y S u b s t a t i o n A u t o m a t i o n S y s t e mCTVTRESERVESCHUTZALTEISTSSTZST. 0 SFLSRESERVESCHUTZALTEISTSSTZST. 0 SFLSRESERVESCHUTZALTEISTSSRESERVESCHUTZALTEISTSSTZST. 0 SFLTZST. 0 SFLSSProcess InterfaceProcess Interface数字化变电站特征 一次设备的智能化 数字接口的电子式互感器 智能终端 I n t e r b a ybusS t a r c o u p l e rA B BP o w e r A u t o m a t i o n A GR E R 1 1 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 1d g a lN e t w o r kC e n t r eA B BP o w e r A u t o m a t i o n A GC O M 5 8 1CC o m m u n i c a t i o nC o n v e r t e rd g a- Q 1- Q 0- Q 8FeederMarsha l l ing- Q 9- Q 2P I S AP I S AAP I S ABP I S AA- Q 1- Q 2- Q 5 1- Q 0- T 1- Q 9- Q 8P r o c e s sB u sP r o c e s s b u sS t a r c o u p l e rA B BP o w e r A u t o m a t i o n A GR E R 1 1 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 1S a m p l i n gA D - C o n v e r s i o nS i g n a l P r o c e s s i n gS i g n a l F i l t e r i n g= D 0 4 + R 0 12 2 5 k V L I G N E A B O B O 1A B B 1 2 5 V D C D i s t r i b u t u i o n B a t t e r y A1 2 5 V D C D i s t r i b u t u i o n B a t t e r y BB A Y C O N T R O L R E L A Y R E C 3 1 6 * 41A B BA B B N e t w o r k P a r t n e rR E L 3 1 6 * 42435678912111314151610L O C A L C O N T R O L M E T E R I N GL I N E P R O T E C T I O N R E L A Y R E L 3 1 6 * 41A B BA B B N e t w o r k P a r t n e rR E L 3 1 6 * 42435678912111314151610B U S B A R P R O T E C T I O N R E B 5 0 0A B BA B B N e t w o r k P a r t n e rR E B 5 0 0A B B= D 0 4 A B O B O 1- Q 2SEL- Q 1SEL- Q 0SEL= W 1= W 2F E R M E RO U V R I REXEESCL A M P ET E S T ED I S T A N C EL O CA B BP O W E R M O N I T O R I N G U N I T? L O C A LR E M O T ESETO P E R A T I O NMMMD r i v e c o n t r o l & m o n i t o r i n g c i r c u i t r yI n t e l l i g e n t P r i m a r y E q u i p m e n tS u b s t a t i o n A u t o m a t i o n S y s t e mLN for process images (process equipment) LN for bay level functions LN for station level functions YLTC ATCC GAPC IHMI GGIO CALH XCBR CSWI XSWI CILO CILO IHMI Generic Automatic Process Control means a generic node for all not pre-defined functions Generic Input and Output means a generic node for all not pre-defined process devices Interlocking (on station level) Interlocking (on bay level) Circuit Breaker Tap Changer Automatic Tap Changer Controller Isolator Human Machine Interface Alarm Handler Circuit Breaker Controller 数字化变电站特征 二次设备的网络化 信息流取代硬接线 自动化功能的分布和集成 Technical Services Remote control (NCC) CONTR. PROT. FCT. A FCT. B PROT. CONTR. Sensors Actuators Remoteprotection BAY/UNIT LEVEL STATION LEVELPROCESS LEVEL HV Equipment Remoteprotection Process Interface 1,63 37981,63 34,54,5数字化变电站特征 二次设备的网络化 基于通信的信号流 控制中心 HMI 工程维护 以太交换机 路由器 保护 A 间隔控制 常规开关 常规 CT / VT 保护 B 保护 A 间隔控制 常规开关 保护 B 常规 CT / VT 数字化变电站特征 二次设备的网络化 星型结构 控制中心 HMI 工程维护 路由器 保护 A 间隔控制 常规开关 常规 CT / VT 保护 B 保护 A 间隔控制 常规开关 保护 B 常规 CT / VT 以太交换环网 数字化变电站特征 二次设备的网络化 环型结构 控制中心 HMI 工程维护 路由器 保护 A 间隔控制 新型开关 新型 CT / VT 保护 B 保护 A 间隔控制 新型开关 新型 CT / VT 保护 B 以太交换环网 数字化变电站特征 二次设备的网络化 环行 +过程共享结构 一次系统或设备 继电保护 安自装置 继电保护 安自装置 故障录波 故障录波 专用通道 数据网络（ WAN） 远方保护维护 故障信息处理 远动、计量 远动、计量 调度自动化系统 电能量计量计费 厂站 LAN 厂站 LAN 数字化变电站特征 自动化系统的信息化 数字化变电站的价值 简化二次回路设计 ,使变电站自动化系统的可靠性得到了进一步提高 减少自动化设备数量 ， 节省建设投资 ， 提高变电站自动化的整体可靠性 利用新型互感技术 ， 提高保护正确动作率 减少信号电缆 ， 节省建设投资 方便设备的维护检修 ， 减少二次设备的退出次数和退出时间 ， 提高设备的使用效率 ， 降低运行维护成本 采用统一建模技术和通信接口 ， 系统不再依赖于设备制造商 ， 方便了设备的升级维护 ， 方便变电站的扩建及自动化系统的扩充 变电站信息得到统一规划、充分共享，发挥信息技术的优势、提高电力系统运行和管理效率 数字化变电站的实质 技术路线 将通信与功能配合进行分离 功能配合 逻辑的信号交换 不依赖于物理的接线 （代价 不可见了） 自由分布和优化组合 依赖于过程数据共享 （代价 时效的保证方法） IEC61850 作为协议 优势为自身服务 作用并没有跨越 103 作为信息交换模型 可设计、支持功能配合的修改 代替了对端子的定义，及二次回路设计。 过程数据的数字化 必须的技术条件 数字化变电站的实质 数字化变电站的实质 （ 1） 一致的约定 面向对象封装（ 2） 面向对象建模（ 3） 通讯服务 通讯协议 数据 服务约定 语义约定 信息 互操作性 功能分解（ 4） 过程数据 最小信息语义 可共享的过程 信息 功能自由分布 模型结构 数字化 信息化 自动化功能的彻底分布和集成应用 设计、运行、维护管理的变革 使信息交换过程可见 设计、 运行、事后 使自动化功能的完备性可见 通信原因 对信息交换设计过程的支持和可控 对功能配合 互操作性的支持和可控 技术、管理 数字化变电站的实质 自动化产品 活的 功能范围确定 但可选择（设计阶段、运行阶段） 物理通信方法唯一 没有端子 逻辑通信（信息交换方法） 依赖设计可自动调整 功能及可交换信息、所获取信息 必须公布 ICD模型文件 根据设计结果 SCD、 CID文件 决定运行状态 设计 决定作用 以自动化整体性能的最优为目标 决定着自动化产品的实际运行能力 以自动化产品提供的 ICD模型文件为输入 以变电站模型 SCD文件为输出 过程数据的共享范围 物理的、逻辑的 通信产品的选择 时效保证、可监视、可控制 运行 变电站运行 变电站整体、自动化装臵局部 功能的完备性 是否出现降级 通信、信息交换的可靠性 监视 管理 调试、投运 自动化系统故障分析 通信、信息交换、功能配合 互操作性 信息模型、信息语义 数字化变电站的实质 IED配置 IED 数据库 当地文件传输 远程文件传输 IED能力描述 (LN, DO, 等 ) 采用 IEC61850服务进行文件传输和参数初始化 工程制作环境 变电站自动化系统 IED IED IED IED 变电站网关 单线图，预制报表等的关联 工程工作站 系统配置 数字化变电站的实质 需要的准备工作 数字化变电站功能规范和相关设备技术条件 对数字接口的电子式互感器 、 继电保护装置 、测控装置和计量仪表的调试和校验规程 数字化变电站的设计 、 施工 、 验收 、 管理规程或指导书 数字化变电站安全性 、 可靠性评价规程 数字化变电站信息模型及信息语义一致性评价规程 数字化变电站的实质 过程数据的获取 新型 non-conventional instrument transformer (NCIT)互感器 合并单元 Merging Unit (MU)， 它可以提供所有相，或整条线路的采样数据。 辅助 执行机构 也可被智能化为 Breaker IED. 组网方式（ IEC61850-9-1、 IEC61850-9-2） 同步技术 时效保证 数字化变电站所涉及的技术 组网方式 站控层网络 间隔网络 间隔间网络 过程网络 数字化变电站所涉及的技术 数字化变电站所涉及的技术 OSI模型的基本准则包括： 网络设备之间如何联系，使用不同协议的设备如何通信。 网络设备如何获知何时传输或不传输数据。 如何安排、连接物理网络设备。 确保网络传输被正确接收的方法。 网络设备如何维持数据流的恒定速率。 电子数据在网络介质上如何表示。 OSI模型的组成，如右图。 数字化变电站所涉及的技术 数字化变电站所涉及的技术 基于 IEEE802.3传统交换机的弊端 秒级线路故障恢复，可靠性低 逐级交换，报文传输时延长且不确定 没有对业务的通道隔离，服务质量差 无法有效承载包括 RS232/485信号在内的多种业务 数字化变电站的要求 毫秒级环切换和线路故障恢复，可靠性高 快速转发，端到端时延、抖动高可控性 按业务类型分类并分道传输，服务质量高 可以同时有效承载多种业务，如 E1、 RS232/485等 双向传输，动态分配带宽，带宽利用率和传输效率高 数字化变电站所涉及的技术 新的线路传输协议 线路故障恢复时间小于 10毫秒 业务分道传输，传输通道可以物理隔离 结合波分复用技术，可实现纳秒级端到端传输时延 可提供从协议链路层到 IP层的通讯记录，以及对设备自身性能的报告 可提供以太网、 E1、 RS232/485等多种业务接口 可对每个传输通道端到端的业务流量进行控制 数字化变电站所涉及的技术 以太网、 E1、 RS232/485等业务接口 光纤或双绞线 100M-2.5G线路带宽 数字化变电站所涉及的技术 重点在于共享、可靠、同步 自动化装臵信息模型 IEC61850信息模型 缺失的信息语义 :选相功能 PSEP、间隙接地保护 PIEF、合闸于故障的保护 PCOF、非全相保护 PNCP、非全相运行中故障保护 PONC、充电保护 PCAG、死区保护 PDEZ、匝间故障保护 PCIR、失磁保护 PLEX、无电压检测功能 RTUV、收信跳闸功能 PPOS、非电量保护 PNED 变电站互操作模型 二次信号流 对互操作语义的集中管理 一致性维护 语义字典、装臵模型 装臵模型的建立和集中管理 模型合法性、合理性分析