（电气工程专业论文）石楼110kv数字化变电站方案研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文石楼1l o k v 数字化变电站方 案研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盈砼数日期：2 ：三： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：2 砬鱼 日期：丝包三：! 导师签名： 日 期：2 f ! ! 互! ， 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 随着电子技术、信息技术、通信技术的快速发展，变电站综合自动化系统已 得到广泛的应用。但是数据交互方面由于受到规约的限制，不同厂家的设备间不 能互相通信和资源共享，装置间相对独立，不具备互操作性，导致重复投资、建 设，设备利用率低、可扩展性差，运行维护人员工作量大等问题。变电站中所有 信息采集、传输、处理和应用的全数字化是电力系统的发展方向，具有可靠性高、 测量精度高、便于扩展和检修等优势的数字化变电站是电力技术发展的必然。 本文首先介绍数字化变电站的基本概念、技术特征、优势和国内外研究应用 现状；然后综合叙述了i e c6 1 8 5 0 标准体系的内容结构、特点，它对变电站各种 设备的互联互通做了的统一规范；之后研究了电子式互感器、智能断路器以及网 络通信技术等几项数字化变电站的关键技术；最后，针对北京第一个1 l o k v 示范 站，给出了数字化变电站的设计方案，并进行了技术和经济性分析。数字化变电 站将对北京变电站自动化系统的建设、运行和管理带来深远影响，具有较高的推 广应用价值。 关键词：数字化变电站，i e c6 1 8 5 0 ，电子式互感器 a b s t r a c t a se l e c t r o n i c ，i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l y , i n t e g r a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e d b u td u et ol i m i t a t i o no f d a t a e x c h a n g e c a u s e db y s t a t u t e ，d e v i c e so fd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sc o u l dn o t c o m m u n i c a t ea n ds h a r er e s o u r c ew i t ho t h e r s d e v i c e sa r ei n d e p e n d e n t ，d o n th a v e i n t e r o p e r a b i l i t y , r e s u l t i n gi nd u p l i c a t i o no fi n v e s t m e n t ，l o we q u i p m e n tu t i l i z a t i o n ，p o o r o fs c a l a b i l i t y , h a r r yo fo p e r a t i o n i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，p r o c e s s i n ga n d a p p l i c a t i o nu e s i n gd i g i t a lt e c h n o l o g ya r et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n d i g i t a lt e c h n o l o g y w i t hh i g hr e l i a b i l i t y , a c c u r a c ya n de x p a n s i o na d v a n t a g e si st h ed e v e l o p m e n ti n e v i t a b l y t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h ec o n c e p t s ，c h a r a c t e r s ，a d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o n o fd i g i t a ls u b s t a t i o n ；t h e na n a l y z e dt h ec h a r a c t e ro fi e c618 5 0s t a n d a r ds y s t e m i t u n i f i e d s p e c i f i c a t i o n f o rs u b s t a t i o ni n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nv a r i o u s t y p e so f e q u i p m e n t ；a n a l y z e de l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , i n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r , c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n do t h e rt e c h n o l o g i e s ；f i n a l l y , p r o p o s e da l le x a m p l ef o rt h ef i r s t l10 k v d i g i t a ls u b s t a t i o ni nb e i ji n g ，a n a l y z e dt h et e c h n i c a t i o na n de c o n o m i c a t i o n d i g i t a l s u b s t a t i o nw i l lh a v e g r e a ti n f l u e n c e o nb e i ji n gs u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m c o n s t r u c t i o n ，o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，s oi ti sw o r t h yf o ra p p l i c a t i o n w a n gt i n g t i n g ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gw e i 坐垄盔堂三堡堡主童些堂垡迨窒 k e y w o r d s ：d i g i t a ls u b s t a t i o n ，i e c6 1 8 5 0s t a n d a r d ，e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 2 华北电力人学。l ：程硕十专业学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论：l 1 1 选题背景及意义1 1 2 数字化变电站的概念。l 1 3 数字化变电站的技术特征1 1 4 数字化变电站的优势3 1 4 1 变电站的各种功能可共享统一的信息平台，避免设备重复一3 1 4 2 便于变电站新增功能和扩展规模。4 1 4 3 通信网络取代复杂的控制电缆，减少二次接线。4 1 4 4 测量精度提高4 1 4 5 信号传输的可靠性提高4 1 4 6 避免电缆带来的电磁兼容、传输过电压和两点接地等问题4 1 4 7 解决设备阳j 的互操作问题5 1 4 8 进一步提高自动化和管理水平5 1 4 9 电子式互感器较传统互感器性能优越5 1 5 国内外数字化变电站研究应用现状6 1 5 1 国外研究应用现状6 1 5 2 国内研究应用现状6 1 6 本文的主要工作7 第二章i e c6 1 8 5 0 标准体系综述9 2 1i e c6 1 8 5 0 标准体系的内容结构9 2 2i e c6 18 5 0 标准的特点1 0 2 2 1 采用分层分布式结构1 0 2 2 2 面向对象建模技术1 l 2 2 3i e d 之间的互操作性1 1 第三章数字化变电站关键技术1 2 3 1 非常规互感器1 2 华北电力人学。i ：程硕十专业学位论文 3 1 1 电子式电压电流互感器简介1 3 3 1 2 非常规互感器的特点1 4 3 1 3 非常规互感器的数据接口标准1 5 3 2 智能断路器17 3 2 1 智能断路器的工作原理1 7 3 2 2 智能断路器的工作模式1 8 3 2 3 智能断路器的重要功能。1 9 3 2 4 智能操作的优越性1 9 3 3 网络通信技术2 0 3 3 1 网络通信模型2 0 3 3 2 网络通信关键技术2 l 第四章石楼1 1 0 k v 数字化变电站方案研究2 4 4 1 基本概况2 4 4 1 1 建设规模及概况2 4 4 1 2 主要配电装置选型2 4 4 2 石楼l10 k v 数字化变电站方案总体思路2 5 4 2 1 网架结构2 6 4 2 2 各层设备配置及功能2 6 4 2 3 设备之问的通信方案2 6 4 2 4 配置原则2 6 4 3 石楼110 k v 数字化变电站方案分析3l 4 3 1 主要技术特点分析3 l 4 3 2 经济效益预期分析3 2 4 3 3 建设石楼数字化变电站的意义3 2 4 4 ，j 、结3 3 第五章总结与展望3 4 参考文献。3 6 致谢3 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，随着电子技术、信息技术、通信技术的快速发展，变电站 综合自动化系统已经得到广泛的应用。但是数据交互方面由于受到规约的限制，不 同厂家的设备之间不能互相通信和资源共享，装置之间相对独立，不具备互操作性， 并且重复的投资和建设导致设备的利用率低、可扩展性差、运行和维护人员工作量 大；变电站的高压电气设备和保护、监控等二次设备的控制、信号发送、模拟量采 集需采用大量的控制电缆来实现，其接线复杂、价格较高、易受干扰、可靠性和稳 定性不高，而且还不能实现高、低压设备之间的电气隔离。 i e c6 1 8 5 0 标准为变电站自动化系统定义了统一的国际通信标准，是新一代的网 络通信体系，它使变电站设备之间能够无缝连接、能够互相操作、能够信息共享并 协调工作成为可能。智能化电气设备的发展，特别是电子式电压和电流互感器、智 能断路器等在变电站中的逐渐应用，以及光电技术、信息技术和网络通信技术的高 速发展，为建设数字化变电站奠定了必要的技术基础。这些技术的快速发展必然对 已有的变电站自动化技术产生革命性的影响，变电站中所有信息的采集、传输、处 理和应用的全数字化是电力系统的发展方向，建设具有可靠性高、测量精度高、便 于扩展和检修等优势的数字化变电站是电力技术发展的必然1 1 2 数字化变电站的概念 数字化变电站是指信息采集、传输、处理、输出及执行过程完全数字化的变电 站。数字化变电站建立在i e c 6 1 8 5 0 标准的基础上，其一次电气设备和二次电子装置 均实现数字化通信。数字化变电站具有全站统一的数字模型和数据通信平台，是能 够实现变电站内智能电气设备间的信息共享和互操作的现代化变电站。 数字化变电站采用低功率、紧凑型、数字化的新型电流、电压互感器代替常规 的t a 和t v ，将高电压、大电流直接变换为低电平信号或数字信号，利用高速以太 网构成变电站数据采集及传输系统，实现基于i e c6 1 8 5 0 标准的统一信息建模，并采 用智能断路器控制等技术，这使得变电站自动化技术在常规变电站自动化技术的基 础上实现了巨大跨越【i j 。 1 3 数字化变电站的技术特征 华北电力大学工程硕士专业学位论文 数字化变电站的技术特征主要体现以下几个方面： ( 1 ) 数据采集数字化：在电流、电压采集环节采用非常规互感器，采用光电 式互感器，如电子式互感器或光电式互感器，实现了电气量数据采集环节的数字化 应用，从而实现一次、二次系统电气上的有效隔离，且电气量动态测量范围大，测 量精度高，为实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转变和信息集成化应用提供了 前提，对于低驱动功率的变电站二次系统设备可以实现数字化接口应用。 ( 2 ) 系统分层分布化：根据i e c6 1 8 5 0 标准的描述，变电站的一次、二次设备 可分为站控层、间隔层、过程层三层。过程层是指变电站内的变压器和断路器、隔 离开关及其辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。变电站综合自动化系统主要 指站控层和间隔层。间隔层一般按断路器间隔划分，具有测量、控制单元或继电保 护元件，测量、控制元件负责该间隔的测量、监视、断路器的操作控制和联闭锁、 时间顺序记录等，保护元件负责该间隔线路、变压器等设备的保护、故障记录等， 这些装置通过局域网或串行总线与变电站层联系，也可以设有数据管理机和保护管 理机与变电站层通信；站控层包括监控主机、远动通信机等，设现场总线或局域网， 实现各主机之间、监控主机与间隔层之间信息交换。 ( 3 ) 系统结构紧凑化：数字化变电站由智能断路器或其他紧凑型断路器设备、 非常规互感器、集成自动化系统按照先进设计理念进行设备布置在变电站中保护装 置、测控装置、故障录波及其它自动装置的i o 单元( 一般包括a d 变换、光隔离器 件、控制操作回路等) 作为一次设备的一部份。 ( 4 ) 系统建模标准化：i e c6 1 8 5 0 标准为变电站自动化系统定义了统一、标准 化信息和信息交换模型，从而实现智能设备的互操作性、变电站信息共享、支持系 统协调工作。i e c 6 1 8 5 0 标准的核心可归纳为信息建模、抽象服务、具体映射三个部 分，定义了二十多种公共数据类型c d c ( c o m m o nd a t ac l a s s ) ，近一百种兼容逻辑 节点c p l n 和三百多种兼容数据类型c p d c ，定义了抽象通信服务接口a c s i ( a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei n t e r f a c e ) 、特定通信服务映射s c s m ( s p e c i a lc o m m u n i c a t i o n s e r v i c em a p p i n g ) ，将a c s i 映射到特定的通信网络协议。这三个核心部分有机地结 合起来，完善地解决了面向对象自我描述问题，显著简化了数据维护，i e c6 1 8 5 0 为实现变电站一次、二次设备建模标准化提供了有效工具。 ( 5 ) 信息交互网络化：数字化变电站内设备之间连接全部采用高速的网络通 信，二次设备不再出现常规功能装置重复的i o 现场接口，通过网络真正实现数据共 享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。数字化变电站自动化系统 在逻辑上分为变电站层、间隔层、过程层三个层次，这种分层结构有利于信息流在 过程层与间隔层之间、间隔层内部、间隔层之间、间隔层与变电站层之间不同设备 间的交换。 ( 6 ) 信息应用集成化：常规变电站的监视、控制、保护、故障录波、测量与 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 计量等几乎都是功能单一的相互独立的装置或系统，其硬件重复配置、信息不共享、 t v 和t a 负载重、二次接线复杂、整体可靠性差、投资成本大。数字化变电站采用 面向对象技术，将原来分散的二次装置进行合理的功能集成，有利于简化二次系统 结构，提高系统的可靠性和可用率。数字化电气测量技术和智能集成开关系统的开 发和应用，可提供数据和信息的集中采集、统一传送、不同功能共享的模式。 ( 7 ) 设备检修状态化：设备检修体制由事后检修故障检修发展到预防性检修， 预防性检修主要有两种模式：以时间为依据的检修，也就是预先设定检修工作内容 与周期的定期检修；以可靠性为中心的检修。数字化变电站中电流电压的采集、二 次系统设备状况、操作命令的下达和执行完全可以通过光纤实现信息的有效监测， 变电站内可以有效地获取电网运行状态数据、各种智能电子设备的故障和动作信 息、监测操作及信号回路状态，设备状态特征量的采集上没有盲区，在此基础上， 数字化变电站可以实现建立在设备状态有效检测基础上的状态检修，通过状态检测 手段诊断设备健康状态，确定设备是否需要检修或最佳检修时机，从而减少设备停 运时间，提高可靠性和可用系数，延长设备寿命、降低运行检修费用、改善设备运 行性能。 ( 8 ) 设备操作智能化：高压断路器二次技术的发展趋势是用微电子、计算机 技术和非常规互感器建立新的断路器二次系统。实现断路器的智能化必须在断路器 内嵌入电压和电流变换器，并作为智能控制元件的输入，断路器系统的智能性由微 机控制单元、智能型接口装置和相应的控制软件来实现。保护和控制命令可以通过 光纤网络而非常规的变电站二次系统，实现与断路器操作机构的数字化接口应用。 1 4 数字化变电站的优势 数字化变电站的一次设备和二次设备均采用智能设备，设备间交互的信息均按 统一的模型数字化。数字化变电站较常规变电站具有以下几方面优势： 1 4 1 变电站的各种功能可共享统一的信息平台，避免设备重复 数字化变电站的所有信息采用统一的通信标准i e c 6 1 8 5 0 ，按统一的通信标准接 入变电站通信网络。变电站的保护、测控、计量、监控、远动、v q c 等系统均用同 一个通信网络接收电流、电压和状态等信息以及发出控制命令，不需为不同功能建 设各自的信息采集、传输和执行系统。 传统变电站由于各种功能采用的通信标准和信息模型不尽相同，二次设备和一 次设备间用电缆传输模拟信号和电平信号，各种功能需建设各自的信息采集、传输 和执行系统，增加了变电站的复杂性和成本。 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 4 2 便于变电站新增功能和扩展规模 变电站的设备问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，无需改造或更换原有设备，保护用户投资， 减少变电站全寿命周期成本。 数字化变电站的各种功能的采集、计算和执行分布在不同设备实现。变电站在 新增功能时，如果原来的采集和执行设备已能满足新增功能的需求，可在原有的设 备上运行新增功能的软件，不需要硬件投资。 1 4 3 通信网络取代复杂的控制电缆，减少二次接线 数字化变电站的一次设备和二次设备间、二次设备之间均采用计算机通信技 术，一条信道可传输多个通道的信息。同时采用网络通信技术，通信线的数量约等 于设备数量。因此数字化变电站的二次接线将大幅度简化，大幅度减少了二次电缆 的数量和复杂度。 1 4 4 测量精度提高 数字化变电站采用输出数字信号的电子式互感器，数字化的电流电压信号在传 输到二次设备和二次设备处理的过程中均不会产生附加误差，提高了保护系统、测 量系统和计量系统的系统精度。 传统变电站互感器输出的模拟信号通过电缆传输时和二次设备的数据采集过 程中都将产生附加误差，系统精度难以提高。 1 4 5 信号传输的可靠性提高 数字化变电站的信号传输均用计算机通信技术实现。通信系统在传输有效信息 的同时传输信息校验码和通道自检信息，杜绝误传信号和监视通信系统的完好性， p t 断线、c t 断线的判断将不再是问题。数字信号可以用光纤传输，从根本上解决抗 干扰问题。 传统变电站一次设备和二次设备间直接通过电缆传输没有校验信息的信号，当 信号出错或电缆断线、短路时都难以发现。而且传输模拟信号不能采用光纤技术， 易受干扰。 1 4 6 避免电缆带来的电磁兼容、传输过电压和两点接地等问题 数字化变电站二次设备和一次设备之间使用绝缘的光纤连接，电磁干扰和传输 过电压没有影响到二次设备的途径，而且也没有二次回路两点接地的可能性。 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 传统变电站的二次设备与一次设备之间仍然采用电缆进行连接，电缆感应电磁 干扰和一次设备传输过电压可能引起的二次设备运行异常，在二次电缆比较长的情 况下由电容耦合的干扰可能造成继电保护误动作。尽管电力行业的有关规定中要求 继电保护二次回路一点接地，但由于二次回路接地点的状态无法实时检测，二次回 路两点接地的情况仍时有发生，对继电保护产生不良影响，甚至造成设备误动作。 1 4 7 解决设备间的互操作问题 数字化变电站的所有智能设备均按统一的标准建立信息模型和通信接口，均遵 循i e c 6 1 8 5 0 标准，设备间可实现无缝连接。 传统变电站的不同生产厂家二次设备之间的互操作性问题至今仍然没有得到 很好地解决，主要原因是二次设备缺乏统一的信息模型规范和通信标准。为实现不 同厂家设备的互连，必须设置大量的规约转换器，增加了系统复杂度和设计、调试、 运行和维护的难度，降低了通信系统的性能。 1 4 8 进一步提高自动化和管理水平 数字化变电站的采用智能一次设备，所有功能均可遥控实现。通信系统传输的 信息更完整，通信的可靠性和实时性都大幅度提高。变电站因此可实现更多、更复 杂的自动化功能，提高自动化水平。一次设备、二次设备和通信网络都可具备完善 的自检功能，可根据设备的健康状况实现状态检修。 传统变电站由于仍然采用模拟量进行信息采集，使得模拟通信系统传输信息的 准确性、实时性和可靠性有限。 1 4 9 电子式互感器较传统互感器性能优越 电子式互感器和传统互感器比较，具有以下优点： ( 1 ) r o g o w s k i 线圈实现的大电流传变，使得电子式电流互感器具有无磁饱和、 频率响应范围宽、精度高、暂态特性好等优点，有利于新型保护原理的实现及提高 保护性能。电流互感器测量准确度达o 2 s 级，保护优于5 t p e 。电子式电压互感器采 用了串行感应分压器，测量准确度达n o 2 级，并解决了传统电压互感器可能出现铁 磁谐振的问题。 ( 2 ) 电子式互感器通过光缆连接互感器的高低压部分，绝缘结构大为简单。以 绝缘脂替代传统的油或s f 6 气体，互感器性能更加稳定，同时避免了传统充油互感 器渗漏油现象，也避免了s f 6 互感器的s f 6 气体对环境的影响。无需检压、检漏，运 行过程中免维护。 ( 3 ) 采集器处于和被测量电压等电位的密闭屏蔽的传感头部件中，采集器和合 华北电力大学工程硕士专业学位论文 并器通过光纤相连，数字信号在光缆中传输，增强了抗e m i 性能，数据可靠性大大 提高。 ( 4 ) 互感器无油设计彻底避免了充油互感器可能出现的燃烧、爆炸等事故， 高低压部分光电隔离，使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能导致的 危及设备或人身安全等问题不复存在。 ( 5 ) 电子式互感器具备完备的自检功能，若出现通信故障或电子式互感器故 障，保护装置会因收不到正确效验码的数据而可以直接判断出互感器异常。 ( 6 ) 价格低廉的光缆的应用，大大降低了电子式互感器的综合使用成本。由 于绝缘结构简单，在高压和超高压中，电子式互感器这一优点尤其显著。 1 5 国内外数字化变电站研究应用现状 1 5 1 国外研究应用现状 国外几个大的电力设备公司，如a b b 、西门子等，已开发了全套的数字化变电 站一次设备和二次设备，并得到成功的应用。在i e c 6 1 8 5 0 标准的制定过程中，进行 了各厂家设备间的互操作试验并在示范变电站得到应用。 国外厂商已经开发出符合i e c6 1 8 5 0 要求的智能电子设备，不但有保护装置，还 有符合该标准的过程层设备，如智能断路器，带数字接口的光c t 、p t 等。a b b 公司 开发的p a s s 系统将智能化的开关设备和互感器集成在一起，并将融和了部分保护功 能和测控功能。该系统在国外已有一定范围的应用。 从1 9 9 8 年至u 2 0 0 0 年，a b b ，a l s t o m 和s i e m e n s 合作在德国进行了o c i s ( o p e n c o m m u n i c a t i o ni ns u b s t a t i o n s ) 计划，完成了间隔层设备和主控站之间的互操作试验。 试验中由a b b 完成主控站通过在以太网上实现i e c 6 1 8 5 0 8 1 来连接a b b 、a l s t o m 和s i e m e n s 的设备。2 0 0 1 年，在加拿大，a b b 和s i e m e n s 进行了间隔层设备的互 操作试验，由s i e m e n s 的保护装置向a b b 的开关模拟器发送跳闸信号，a b b 的开关 模拟器收到信号后将开关打开，并将开关打开的g o o s e 信息发给其他设备，配置为 重合闸装置的a b b 保护向断路器发送重合命令。2 0 0 2 年1 月，a b b 和s i e m e n s 在美 国，进行了采样值传输互操作试验，同年9 月，这两个公司又进行了跳闸和采样值 互操作性试验，试验都很成功。2 0 0 2 年至1 j 2 0 0 4 年之间，a b b 、a l s t o m 和s i e m e n s 在德国柏林进行了间隔层设备的互操作试验，这次成功的试验证明了互操作性和简 化工程难度的可行性。 1 5 2 国内研究应用现状 上世纪七十年代开始发展的变电站计算机远动技术，将数字技术引入了变电 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 站。由于当时通信带宽较窄、可靠性低、计算机性能低且价格昂贵，数字技术仅用 于调度主站和变电站的r t u ( 远方采集控制单元) 。 随着计算机技术和电子技术按摩尔规律持续发展，由微机保护、测控装置、 远动通信服务器和计算机监控系统构成的变电站自动化系统经过上世纪八九十年 代快速发展，现在已成为变电站建设的标准。变电站自动化系统实现了站控层和间 隔层设备数字化，以及两层间信息交换的数字化。 本世纪初，实时性和可靠性满足保护功能要求的网络通信技术，以及适应互感 器、开关等过程层设备恶劣环境的电子技术已基本成熟，实现间隔层信息交换数字 化、过程层设备数字化以及间隔层与过程间信息交换数字化的全数字化变电站成为 变电站技术发展的必然趋势。 国内许多电力公司都在跟踪数字化变电站的最新发展，并做了大量实际工作。 一些电力公司已经开始按i e c6 1 8 5 0 标准进行数字化变电站的建设，已有许多数字化 1 1 0 k v 和2 2 0 k v 变电站投入运行。国网公司及部分电力公司开展了数字化变电站的研 究工作，我国已建成了一些数字化变电站示范站，数字化变电站的研究已进入实际 工程应用阶段。数字化变电站将是我国变电站技术的发展方向，实现变电站的全面 数字化，能够提高电力系统的经济性、可靠性和自动化化水平。 通过各电力公司和国内厂家的不懈努力，国内厂家已能提供数字化变电站所需 的各种设备，可基本实现设备国产化。已有多个国内厂家的电子式互感器通过鉴定 和投运，电压等级涵盖1 0 k v 5 0 0 k v ，部分产品的鉴定水平达到国际先进。电子式 电流电压互感器在许多变电站投入运行，其中包括1 1 0 k v 、2 2 0 k v 、3 3 0 k v 以及 5 0 0 k v 变电站，具有丰富的连续稳定运行经验，应用范围包括户外站、半户内站、户 内站等。 我国变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平。如今新建变电 站，无论电压等级高低，基本采用变电站自动化系统。许多老变电站也通过改造实 现变电站自动化。变电站自动化技术的广泛采用提高了电网建设的现代化水平，增 强了输配电和电网调度的能力，降低了变电站建设的总造价。随着智能化开关、非 常规互感器、i e c 6 1 8 5 0 标准、网络通信等技术日趋成熟，变电站中所有信息的采集、 传输和处理全数字化的变电站将成为变电站自动化建设的必然发展趋势。 1 6 本文的主要工作 状； 本文将致力于以下研究内容： 1 、深入了解数字化变电站的基本概念、技术特征、优势和国内外研究应用现 2 、综合叙述i e c6 1 8 5 0 标准体系的内容、特点，它对变电站各种设备的互联互 7 兰型塑燮堂三堡堡主童些堂垡堡窒 通做了统一规范： 3 、研究电子式互感器、智能断路器以及网络通信技术等几项数字化变电站的 关键技术； 4 、针对北京第一个1 1 0 k v 数字化变电站的示范站案例，给出数字化变电站的总 体设计方案，并进行技术分析和经济性分析。 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章i e c6 18 5 0 标准体系综述 i e c6 1 8 5 0 是国际电工委员会推出的、旨在解决变电站内i e d 间互操作问题的最 新国际标准。 2 1i e c6 1 8 5 0 标准体系的内容结构 i e c 6 1 8 5 0 标准系列由1 0 个部分构成。每个部分的内容及其颁布情况见下表： 表2 1 i e c 6 18 5 0 标准体系 标准号名称内容说明 i e c6 1 8 5 0 一l 基本原则包括i e c6 1 8 5 0 标准的介绍和概貌 i e c6 1 8 5 0 2 术语 包括质量要求( 可靠性、可维护性、系统可用性、轻便性、 m c6 1 8 5 0 3 一般要求 安全性) ，环境条件，辅助服务，其他标准和规范 包括工程要求( 参数分类、工程工具、文件) ，系统使用 周期( 产品版本、工程交接、工程交接后的智齿) ，质量 m c6 1 8 5 0 - 4 系统和工程管理 保证( 责任、测试设备、典型测试、系统测试、工厂验收、 现场验收) 功能和装置模型的 包括逻辑节点的途径( a c c e s so f l o g i c a ln o d e s ) ，逻辑通信 i e c6 1 8 5 0 5 链路，通信信息片p i c o m ( p i e c eo fi n f o r m a t i o nf o r 通信要求 c o m m u n i c a t i o n ) 的概念，功能的定义 变电站自动化系统 m c6 1 8 5 0 - 6包括装置和系统属性的形式语言描述 结构语言 变电站和馈线设备 i e c6 1 8 5 0 7 一l 的基本通信结构：原 理和模式 变电站和馈线设备 的基本通信结构：抽包括抽象通信服务接口的描述，抽象通 m c6 1 8 5 0 - 7 - 2 象通信服务接口 信服务的规范，服务数据库的模型 a c s i 变电站和馈线设备 i e c6 18 5 0 7 - 3 的基本通信结构：公包括抽象公共数据级别和属性的定义 共数据级别和属性 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 标准号名称内容说明 变电站和馈线设备 的基本通信结构：兼 m c6 1 8 5 0 _ 7 - 4容的逻辑节点和数包括逻辑节点的定义，数据对象及其逻辑寻址 据对象d o ( d a t a o b j e c t ) 寻址 特殊通信服务映射 m c6 1 8 5 0 。8 变电站和间隔层内以及变电站层和间隔层之间通信映射 s c s m 特殊通信服务映射 i e c6 1 8 5 0 - 9 间隔层和过程层内以及间隔层和过程层之间通信映射 s c s m i e c6 1 8 5 0 1 0 一致性测试 2 2i e c6 1 8 5 0 标准的特点 2 2 1 采用分层分布式结构 变电站层 间隔层远方 过程层 远方控制技术支持 厂 高压设备+ 一 方保护 图2 1数字化变电站的功能分层和接口模型 i e c6 1 8 5 0 标准从逻辑上将变电站自动化系统分为三层，即变电站层、间隔层、 过程层，如图2 1 所示。数字化变电站过程层主要包括电子式互感器、断路器和变压 器等高压一次设备及其智能终端，该层主要实现信号的采集和对系统的操作控制； 间隔层包括数字式保护、计量、监控等二次设备，负责间隔内信息的运算处理与控 制，以及与过程层和站控层的网络通信工作；变电站层有些类似于传统变电站的综 l o 华北电力大学工程硕士专业学位论文 自系统，负责全站信息的管理和远方调度等信息的通信。层间信号传输均由光纤以 太网实现站内信息描述和通信规约均按i e c 6 1 8 5 0 标准实现。变电站各个层次之间的 联系都将建立在数字通信的基础上，过程层与间隔层之间基于交换式以太网的数字 通信方式在标准中称为过程总线( p r o c e s sb u s ) 通信，间隔层与变电站层之间串行通信 方式称为站级总线( s t a t i o nb u s ) 通信。 如上图所示，i e c6 1 8 5 0 标准定义了数字化变电站分为3 层结构，共有1 0 种逻辑 接口： 1 ) 间隔层和变电站层之间保护数据交换。 2 ) 间隔层和远方保护之间保护数据交换。 3 ) 间隔层内数据交换。 4 ) 过程层和间隔层之间t v 和t a 暂态数据交换( 主要是采样) 。 5 ) 过程层和间隔层之间控制数据交换。 6 ) 间隔层和变电站层之间控制数据交换。 7 ) 变电站层与远方工程师站数据交换。 8 ) 间隔之间直接数据交换，尤其是像联闭锁这样的功能。 9 ) 变电站层内数据交换。 l o ) 变电站装置和远方控制中心之间的控制数据交换。 2 2 2 面向对象建模技术 i e c6 1 8 5 0 标准对于信息采用面向对象建模技术，面向设备建模和自我描述，以 适应功能扩展，满足应用开放互操作的要求。 i e c6 1 8 5 0 标准采用u m l ( 统一建模语言) 作为建模语言，它是一种定义良好、 易于表达、功能强大、普遍适应的可视化建模语言，不仅可以支持面向对象的分析 和设计，更重要的是能够强有力的支持从需求分析开始的软件开发全过程，具有标 准性、系统性、可视化、自动化等优点。 2 2 3l e d 之间的互操作性 制定i e c6 1 8 5 0 标准的重要驱动力是实现变电站内各种智 毙i e d 设备之间的互 操作性，甚至互换性，i e d 设备互操作性可以最大限度地保护用户原来的软硬件投 资，实现不同厂家产品集成。i e c6 1 8 5 0 标准中互操作性被表述为：“来自同一厂家 或不同厂家智能装置i e d 之间交换信息和正确使用信息协同操作的能力“。为了达 到互操作性，i e c6 1 8 5 0 标准专i 1 5 0 定了一致性测试方法( i e c6 1 8 5 0 - 1 0 ) 。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章数字化变电站关键技术 光电子、光纤通信和数字信号处理技术的发展和应用，推动了数字化电压和电 流量测技术的快速发展。随着光电技术在传感器应用领域的突破，i e c 6 1 8 5 0 标准的 颁布实施，以太网通信技术的应用，以及智能断路器技术的发展，使变电站自动化 技术面临了一个崭新的发展机遇。这些相关技术的发展和应用意味着可能突破原来 “信息孤岛式变电站的“瓶颈”，实现变电站内各种信息的有机整合，提高系统 的集成化度和信息应用的效率。 3 1 非常规互感器 国际上将有别于传统的电磁型电压电流互感器的新一代互感器统称为非常规 互感器。非常规互感器根据其变换原理可以分为有源和无源两大类：一种是有源非 常规互感器又称为电子式电压电流互感器( e v t e c t ) 。其特点是需要向传感头提 供电源，主要是以罗柯夫斯基( r o g o w s k i ) 线圈为代表；另一种是无源非常规互感 器，主要是指采用法拉第效应光学量测原理的电流互感器，又成为光电式电压电流 互感器( o v t o c t ) ，其特点是无需向传感器提供电源。 叵 叵 叵 匦 j 图3 1非常规互感器 电子式互感器利用了传统互感器原理技术成熟的优势，避开了纯光学互感器光 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 路复杂、稳定性差等技术难点，这里主要介绍电子式互感器。 3 1 1 电子式电压电流互感器简介 目前，电子式互感器已经逐步进入实用阶段。 电子式电压电流互感器主要以罗氏线圈为代表，其特点是要向传感头提供电 源，所以也称之为有源互感器。目前，成熟的产品都采用光纤供能方式。 罗氏线圈，是一种较成熟的电流测量元件，广泛地应用在各个领域。它实际上 是一种特殊结构的空心线圈，将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架 上，如图3 2 所示。它可根据被测电流的变化，感应出被测电流i ( t ) 变化的信号， 其特点在于被测电流几乎不受限制，反应速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒级 的电流，且准确度可优于0 1 。 图3 2罗氏线圈结构示意图 当被测电流从线圈中心通过时，在线圈两端将会产生一个感应电压，若线圈匝 数密度n 及线圈截面积s 均匀，则线圈感应电压的大小为： ，= 一瑚一d i ( 3 1 ) v - 甜。瑚瓦 l 扣1j 式中，甜0 为真空磁导率。上式表明空芯线圈的感应信号与被测电流的微分成正 比，经积分变换等信号处理便可获知被测电流的大小。 电子式电流互感器高压侧有电子电路构成的电子模块，电子模块采集线圈的输 出信号，经滤波、积分变换及a d 转换后变为数字信号，通过电光转换电路将数字 信号变为光信号，然后通过光纤将数字光信号送至二次侧供继电保护和电能计量等 设备用。有源电子式电流互感器高压侧的电子模块需工作电源，利用激光供电技术 实现对高压侧电子模块的供电是目前普遍采用的方法，这也是有源电子式互感器的 关键技术之一。 电子式电压互感器一般采用电容分压或电阻分压技术，利用与有源电子式电流 1 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 互感器类似的电子模块处理信号，使用光纤传输信号。其额定容量在毫瓦级，输出 电压不超过5 v 。 3 1 2 非常规互感器的特点 ( 1 ) 高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能。 电磁式互感器的被侧高压信号与二次线圈之间通过铁芯耦合，绝缘结构复杂， 其造价随电压等级呈指数关系上升。非常规互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好 的光纤传输n - - 次设备，这使得其绝缘结构大大简化，电压等级越高其性价比优势 越明显。非常规互感器利用光缆而不是电缆作为信号传输工具，实现了高低压的彻 底隔离，不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成 的危害，安全性和可靠性大大提高。 ( 2 ) 不含铁芯，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题。 电磁式电流互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁谐振等问 题。非常规互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，一般不用铁芯做磁耦合， 因此