（电气工程专业论文）数字化变电站应用研究(1).pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 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，基本采用变电站综合自动化系统。许多老变电站也通 过改造实现变电站综合自动化。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、电子式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站 运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应 用，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 化建设的必然趋势。 本文介绍了数字化变电站概念、主要特点、相关技术研究和工程应用进展， 结合电子式互感器、智能终端技术、网络通信技术和i e c6 1 8 5 0 的实施情况，阐明 了现阶段开展数字化变电站建设的可行性，指出作为未来数字化电网基本单元的 数字化变电站是变电站技术发展的重要方向，并结合济南供电公司在2 0 0 7 年试点 建设的第一座1 1 0 千伏数字化变电站朱庄变电站的实际经验，对变电站数字化的 实现方案进行了详细的探讨。 数字化变电站是现已普及的综自站在数字技术上进一步发展的方向，数字化 变电站的建设方案是本文研究的重点。本文介绍了数字化变电站的概念及构成， 分析了国内外数字化变电站研究应用的发展和现状，研究了数字化变电站的实现 方案。数字化变电站就是利用数字化技术使变电站的信息采集、传输、处理、计 量、输出过程全部数字化，并使通信网络化、模型和通信协议统一化、设备智能 化、运行管理自动化。通过建立全数字化变电站来提升变电站综合自动化水平。 关键词：数字化变电站，电子式互感器，i e c6 1 8 5 0 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs u b s t a t i o na u t o m a t i o nt e c h n o l o g yf o rm o r et h a nt e n y e a r s ，t h et e c h n o l o g yi no u rc o t m t r yh a sr e a c h e dc e r t a i nl e v e l n om a t t e rw h a ti si t s v o l t a g el e v e l ，n o w a d a y st h en e wb u i l ts u b s t a t i o nw i l la d o p ti n t e g r a t e ds u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m m e a n w h i l e ，t h r o u g hv a r i o u st e c h n i q u em o d i f i c a t i o n s ，m a n yo l d f a s h i o ns u b s t a t i o nr e a l i z e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o na sw e l l t h ew i d e l ya d o p t i o no f s u b s t a t i o na u t o m a t i o nt e c h n o l o g y i n c r e a s e st h el e v e lo fm o d e r n i z a t i o no fp o w e rg a d b u i l d i n g ，i m p r o v e st h ed i s p a t c h i n ga b i l i t yo fp o w e r 鲥da n do ft r a n s m i s s i o na n d d i s t r i b u t i o na n dd e c r e a s e st h et o t a lc o s to fs u b s t a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l e c t u a ls w i t c h ，e l e c t r o n i cc ta n dp t ，o n l i n es t a t ee v a l u a t i o no fp r e l i m i n a r y o p e r a t i o ne q u i p m e n t ，o p e r a t i o nt r a i n i n ga n ds i m u l a t i o no fs u b s t a t i o na n dt h ea p p l y i n g o fc o m p u t e rh i 班s p e e dn e t w o r ki nr e a l - t i m es y s t e m ，s u b s t a t i o nw i t hi t si n f o r m a t i o n c o l l e c t e d ，t r a n s m i t t e da n dp r o c e s s e db yd i g i t i z i n gw i l lb e c o m et h eg o a lo fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t ，m a i nc h a r a c t e r ，r e l a t e dr e s e a r c ha n da p p l y i n g o fd i g i t i z e ds u b s t a t i o n c o m b i n e dw i 廿lt h ea p p l y i n go fe l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r , i n t e l l e c t u a lt e r m i n a l ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n di e c618 5 0 ，t h i sp a p e r c l a r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo fb u i l d i n gd i g i t i z e ds u b s t a t i o na n dp o i n t so u tt h a td i g i t i z e d s u b s t a t i o n ，t h eb a s i cu n i to ff u t u r ed i g i t i z e dp o w e rg r i d ，i st h ei m p o r t a n td e v e l o p i n g d i r e c t i o no fs u b s t a t i o nt e c h n o l o g y w i t ht h ea c t u a l e x p e r i e n c e o fz h u z h u a n g s u b s t a t i o n ，w h i c hi st h ef i r s t110k vd i g i t i z e ds u b s t a t i o nb u i l tb yj i n a ne l e c t r i c c o m p a n y ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ea p p r o a c ho fr e a l i z i n gt h ed i g i t i z e ds u b s t a t i o ni n d e t a i l d i g i t i z e ds u b s t a t i o ni st h ef u r t h e rd e v e l o p i n gd i r e c t i o no fi n t e g r a t e da u t o m a t i c s u b s t a t i o ni nd i g i t a lt e c h n i q u e ，a n dt h eb u i l d i n gp l a no fd i g i t i z e ds u b s t a t i o ni st h e e m p h a s i so ft h i sp a p e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec o n c e p ta n dc o m p o s i n go fd i g i t i z e d s u b s t a t i o n ，a n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h ea p p l y i n go fd i g i t i z e d s u b s t a t i o nh o m ea n da b r o a da n di n v e s t i g a t e dt h er e a l i z i n gp l a no fd i g i t i z e ds u b s t a t i o n 山东大学硕士学位论文 u s i n gd i g i 【t a lt e c h n i q u e ，d i g i t i z e ds u b s t a t i o nr e a l i z e dt h ed i g i t i z i n go fi n f o r m a t i o n c o l l e c t i n g ，t r a n s m i t t i n g ，d i s p o s i n g ，m e a s u r i n ga n do u t p u t t i n g b e s i d e s ，i tm a d e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k e d ，m a d e m o d e la n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lu n i f i e d ，m a d e e q u i p m e r i ti n t e l l e c t u a la n dm a d eo p e r a t i o nm a n a g e m e n ta u t o m a t i c i tb o o m st h el e v e l o fi n t e g r a t e da u t o m a t i o no fs u b s t a t i o nt ob u i l dd i g i t i z e ds u b s t a t i o n k e yw o r d s ：d i g i t i z e ds u b s t a t i o n ，e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ，i e c6 18 5 0 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：过型至 e l 期：塑! 宣：! ：! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：因建互：导师签名：迷邀胃 期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 变电站的数字化进程 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 站。由于当时通信带宽和可靠性低、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热点。 1 2 数字化变电站试点实施的必要性 随着我国骨干电网电压等级的不断提高，基于铁芯电磁感应原理的常规互感 器的弊端如绝缘结构复杂、体积大、造价高、易饱和等问题体现得越来越明显， 基于新原理的电子式互感器能够有效地解决这一系列问题，为电力系统的可靠、 稳定运行带来切实保障。 尽管我省紧凑型g i s 变电站建设减少了占地，简化了维护，但是大量二次控 制电缆仍然存在，基于一、二次优化整合理念的g i s 智能化控制柜能提高g i s 控制的智能化水平，大量减少二次控制电缆，减少维护工作量。代表了开关智能 化发展的方向。 随着间隔层、过程层数字化进程的加快，变电站内的智能电气设备种类和型 号越来越多，迫切需要一个新的通信标准来规范不同设备间的信息交换。i e c 6 1 8 5 0 的出现和应用将使变电站内不同的智能电气设备间的信息共享真正成为 可能。大大简化了变电站建设和调试的工作量。 数字化变电站的建设将为电力系统带来切实效益，降低变电站的建设和维护 成本，提高变电站建设的数字化水平，将对电网建设和运行带来显著的影响。 山东大学硕士学位论文 1 3 数字化变电站的概念 做为变电站自动化技术的提升，数字化变电站是一个不断发展的过程，就目 前技术发展现状而言，经过调研，数字化变电站是由电子式互感器、智能化开关 等智能化一次设备、网络化二次设备分层构建，建立在i e c6 1 8 5 0 n 吲通信标准的 基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站； 从长远看，随着一次设备智能化的进步，数字化变电站还应实现设备状态的实时 监测以真正达到状态检修的目的，并能够实现仿真培训。 国家电网公司科技部和南京自动化研究院曾组织召开“数字化变电站和数 字化电网关键技术研究框架 研讨，提出“数字化变电站是以变电站一、二次设 备为数字化对象，以高速网络通信平台为基础，通过对数字化信息进行标准化，实 现信息共享和互操作，并以网络数据为基础，实现继电保护、数据管理等功能，满 足安全稳定、建设经济等现代化建设要求的变电站。 “数字化变电站 的特征可通俗地理解为以下几个方面： 1 ) 一次设备的数字化和智能化。变电站内传统的电磁式互感器由电子式互感 器替代，直接向外提供数字式光纤以太网接口：站内采用具备向外进行数字通信 的智能断路器、变压器等设备，或者在这些一次设备就地加装智能终端实现信号 的数字式转换与状态监测，达到一次设备数字化和智能化的要求。 2 ) 二次设备的数字化和网络化。数字化变电站的二次设备除了具有传统数字 式设备的特点外，还具备对外光纤网络通信接口，与传统变电站信息传输以电缆 为媒介不同，数字化变电站二次信号传输基于光纤以太网实现。 3 ) 变电站通信网络和系统实现i e c6 1 8 5 0 标准统一化。传统变电站中信息描 述和网络通信协议标准的差异，导致了不同设备间信号识别困难、互操作性差： 数字化变电站全站通信网络和系统实现均采用i e c6 1 8 5 0 标准，该标准的完整性、 系统性、开放性保证了数字化变电站站内设备具备互操作性n 2 1 的特征。 4 ) 运行管理系统的自动化。在现有综自系统已经具备较大程度的自动化特征 的基础上，数字化变电站在站内设备的互操作性、信号的光纤传输、网络通信平 台的信息共享等方面进一步体现了运行管理自动化的特点。 1 4 数字化变电站的构成 数字化变电站的名称由国内提出，目前主要是电子式互感器、智能开关和i e c 2 山东大学硕士学位论文 6 1 8 5 0 的实现和应用。 1 4 1l e c6 1 8 5 0 的实现和应用 目前实施的变电站自动化系统缺乏统一的系统规范，广泛应用的 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约只是变电站内传输规约，缺乏对变电站系统模型、二次功 能模型的描述，没有将系统应用与通信技术进行分层处理，其应用受到通信技术 的限制，缺乏一致性测试标准，因此1 0 3 规约不适合作为数字化变电站的统一信 息平台。 为适应变电站自动化和数字化技术的发展，1 9 9 5 年，国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e c t c 5 7 ) 开始制定变电站通信网络和系统规范体系i e c6 1 8 5 0 标准， 目前该标准已成为变电站自动化领域统一的、权威的标准体系，是数字化变电站 实现无缝通信和互操作性的基础。其主要特点包括： 1 ) 信息分层 按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和保护三大功能提出了变电站 内功能分层的概念：无论从逻辑概念上还是从物理概念上都将变电站n 1 的功能分 为3 层，即变电站层、间隔层和过程层。 变电站层包括监控主机、操作员工作站、维护工程师站等，其主要功能是为 变电站提供运行、管理、工程配置的界面，并记录变电站内所有相关信息；远动 机：其功能是将变电站内信息应用标准远动规约和远动通道，实现变电站信息向 监控中心远传，并实现监控中心远方控制：保护信息子站：其采集变电站内各种 保护以及故障录波信息，并向保护信息主站传输。远动机、保护信息子站与后台 系统之间相互独立，互不影响。所有变电站层设备均采用1 0 0 m 悟刀工业以太网， 并按照i e c6 1 8 5 0 通信规范进行系统建模并进行信息传输。 间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用，如线路保 护设备或间隔控制设备，间隔层主要包括保护装置测控装置以及其他智能设备。 针对采用g i s 开关设备的变电站，将保护、测控装置下放至g i s 控制柜，节省了 传统方式下一次开关设备到保护控n - 次设备间的大量电缆，间隔层设备对变电 站层采用以太网通信方式。 过程层是i e c6 1 8 5 0 标准中提出的新概念，其包括智能i 0 单元、电子式互 感器、智能一次设备、智能传感器等，主要功能是实现各种电气量的就地采集以 山东大学硕士学位论文 及实现对智能一次设备的直接控制。 变电站层与间隔层之间采用以太网通信方式睁1 0 1 ，并采用i e c6 1 8 5 0 规范； 过程层与间隔层设备之间的通信，对于智能i 0 单元采用i e c6 1 8 5 0 标准，对于 电子式互感器，可以采用i e c6 1 8 5 0 9 标准，也可以采用i e c 6 0 0 4 4 系列电子式 互感器规范进行。变电站内还包括其他辅助设备，包括通信装置，其功能是将站 内不支持i e c6 1 8 5 0 的智能设备( 如u p s 、直流屏等) 转换成符合i e c6 1 8 5 0 规 范；此外，设置一套g p s 对时设备，实现变电站内统一对时。 i e c6 1 8 5 0 的分层模式与现有大多数变电站自动化系统不同，现有系统中的 过程层功能都是在间隔层设备实现的，随着电子式互感器的应用，现代电力技术 的发展趋势是将越来越多的间隔层功能下放到过程层，可见i e c6 1 8 5 0 是面向未 来的开放式标准。 2 ) 面向对象的数据对象统一建模 i e c6 1 8 5 0 标准采用面向对象的建模技术，定义了基于c l i e n t s e r v e r 结构 数据模型。每个i e d 包含一个或多个服务器，每个服务器又包含一个或多个逻辑 设备，逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属 性构成的公用数据类的命名实例。i e c6 1 8 5 0 建模了大多数公共实际设备和设备 组件。这些模型定义了公共数据格式、标识符、行为和控制，例如变电站和馈线 设备( 诸如断路器、电压调节器和继电保护等) 。 3 ) 数据自描述 与采用“面向点 的数据描述方法不同( 如1 0 3 规约) ，i e c6 1 8 5 0 标准对 于信息均采用面向对象的自描述。面向对象的数据自描述在数据源就对数据进行 自我描述，传输到接受方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理 量对应、标度转换等工作。因数据本身带有说明，这就不受预先定义的限制进行 传输，简化了数据管理和维护工作。在实际应用中只需要在客户端配置服务器网 络地址就可以访问服务器模型，可以通过通信方式获得测点名，无需手动配置。 4 ) 抽象通信服务接口a c s i 啪1 a c s i 定义了独立于所采用网络和应用层协议的公用通信服务。通信服务分 为基于c 1 i e n t s e r v e r ，定义了诸如控制、获取数据值服务；基于p e e r - t o - p e e r 模型，定义了诸如g o o s e 服务和对模拟测量值采样服务。 4 山东大学硕士学位论文 i e c6 1 8 5 0 标准总结了变电站内信息传输所需的通信服务，对类模型和服务 进行了抽象的定义。客户通过抽象通信服务接口a c s i ，由特定通信服务映射s c s m 映射到应用层具体所采用的协议站，如m m s 。这些服务模型定义了通信对象及如 何对这些对象进行访问。这些定义由各种各样的请求、响应及服务过程组成。服 务过程描述了某个具体服务请求如何被服务器响应和应采取什么动作在什么时 候以什么方式响应。 1 4 2 电子式互感器及相关配套二次设备 电子式电流电压互感器n 具有绝缘简单、体积小、重量轻、安全、线性度好、 输出信号可直接与数字化二次设备接口等优点。互感器利用低功率铁芯线圈 ( l p c t ) 传感测量级电流，利用空芯线圈传感保护级电流，利用电容分压器传感 被测电压。互感器由低功率铁芯线圈、空芯线圈、电容分压器和传感模块等部分 组成，互感器的输出为数字光信号。 。合并单元是联系电子式互感器和网络化的二次设备之间的设备，用于对来自 传感模块的各相电流电压信号进行时间相关性( 同步) 组合，并转发给二次设备。 合并单元可完成各相电流电压的采样同步控制。 燕传感模块到合并单元之间为光纤联系，采用规约传送，合并单元到各二次设 备痿间可采用光纤点对点串行通讯或者光纤以太网，传输规约可采用 i e c 6 0 0 4 4 - 8 、i e c6 1 8 5 0 9 1 或i e c6 1 8 5 0 - 9 - 2 传送。 与互感器相配套的合并单元同步处理电流电压采样的数字信号，输入输出路 数可根据不同的应用情况灵活配置。 数字式互感器接口的保护及测控系统虽然是新一代产品，但保护原理与已经 得到大量应用的传统保护相同，采样取自合并单元的数字信号，而不再像传统保 护一样由交流模块模拟采样。新一代保护测控装置能够满足基于电子式互感器的 数字化变电站的需要。 电子式互感器产品主要有三种n 引： 1 ) g i s 用的电子式电流电压互感器 用于g i s 的电子式电流电压互感器每相各两台，分别安装在开关断口的两 侧。每一台互感器包括相互独立的两组传感器及其相应的传感模块。每组传感器 包括一个电容分压器、一个低功率铁芯线圈和一个空芯线圈。 山东大学硕士学位论文 2 ) 敞开式独立安装的电子式电流电压互感器 独立安装的电子式电流电压互感器，包括相互独立的两组传感器及其相应的 传感模块。每组传感器包括一个电容分压器、一个低功率铁芯线圈和一个空芯线 圈。 3 ) 低功率互感器( l p c t ) 电子式电流电压互感器的经济性和优势与电压等级成正比，因为只有在高电 压等级的互感器上，c t 饱和、绝缘复杂、体积大、造价高的缺点才表现得越显 著。因此不应在变电站内各电压等级都盲目地推广和应用电子式互感器。我们认 为在1 l o k v 以下，特别是对1 0 3 5 k v 而言，应用电子式互感器是不必要和不经济 的。而采用l p c t ( 低功率互感器) 是一个现实和经济的解决方案。 长期以来，电力系统中一直使用传统大功率电磁式电流互感器测量一次侧电 流，为二次计量及保护等设备提供电流信号。传统的电磁式互感器c t 的额定输 出信号为l a 或5 a 。但是随着电力系统的发展，系统电压越来越高，二次计量及 保护设备趋于微机化，传统的电流互感器已逐渐暴露其缺点：( 1 ) 当c t 变比较 小时铁芯面积会较大，且精度难以保证，应用l p c t 能显著地缩小互感器体积并 能保证精度；( 2 ) 动态范围小，当电流较大时，c t 会出现饱和现象，c t 的饱和 会影响二次保护设备正确识别故障； 带铁心线圈的低功率电流互感器( l p c i ) 是常规感应式电流互感器的发展。 由于现代电子设备要求的输入功率很低，l p c t 可以为此实现体积较小但测量范 围却较广的设计方案。 基于l p c t 的新型电流互感器有体积小、动态范围大、精度高的优势。同时 由于结构简单，不需添加附属电子设备、二次设备改动不大，技术风险小，所以 在2 2 0 k v 以下的低电压等级变电站中有着广泛的应用前景。 l p c t 新型电流互感器的二次额定输出电流为2 0 0 m h ，试验证明，l p c t 能够 在满足精度的前提下提供更大的动态范围，并且显著地缩小了互感器体积。 1 4 3 智能化开关 开关的智能化口钉是指将智能化传感器技术、微处理技术、数字通信应用于开 关设备，用于监视控制回路的完好性，监视开关的气体压力、温度、密度、断口 的行程、压力泵的起动时间累计等，为状态检修创造条件。 6 山东大学硕士学位论文 1 5 数字化变电站的主要特点n 3 ，1 4 1 ： 1 ) 一次设备智能化 电子式电流电压互感器 智能型断路器隔离开关 智能型变压器 其它数字化的辅助设备 采用数字输出的电子式互感器、智能开关( 或配智能终端的传统开关) 等智 能一次设备。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样 值、状态量、控制命令等信息。 一次二次设备之间的数字通信内容 电气量采样值的数字化传输 跳合闸命令的数字化传输 “状态信号及故障告警信号的数字化传输 付 舔温度等测量值的数字化传输 曦2 ) 二次设备网络化 ! 粕二次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取消控制电 争： 缆： 3 ) 运行管理系统自动化 应包括自动故障分析系统、设备健康状态监测系统和程序化控制系统等自动 化系统，提升自动化水平，减少运行维护的难度和工作量。 现在我国电力变电站已基本普及变电站自动化系统。常规意义的变电站自动 化系统的监控、远动、继电保护、自动安全装置等三次和二次设备已经基本采用 数字技术。在现有基础上，应用智能化开关、光电式互感器、一次设备在线检测 等设备后，即发展为全数字化变电站。 1 6 数字化变电站的优势 数字化变电站近年成为业内关注的热点，主要是源于其在建设、运行、维护 和管理等方面有其独特的优势d 5 1 。 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信息模型，按统一的通信标准接入变电 7 山东大学硕士学位论文 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1 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。传统变电站与数字化变电 站对比n 氐1 力如图1 - 1 所示： 常规综自站t i 一砍 梗拟量 测控 数字量 监控 l 设备 保护系统 i 1 模拟量数字量 数字化站t 图卜1 常规综自站与数字化变电站对比图 2 ) 便于变电站新增功能和扩展规模 变电站的设备间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，减少变电站全生命周期成本。 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能满足己能新增功能的需求，可在原 有的设备上运行新增功能的软件，不需要硬件投资。 3 ) 通信网络取代复杂的控制电缆 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 等予设备数量。因此数字化变电站的二次接线将大幅度简化。 4 ) 提升测量精度 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 8 山东大学硕士学位论文 传输n - - 次设备和二次设备处理的过程中均不会产生附加误差，提升了保护系 统、测量系统和计量系统的系统精度。 例如采用0 2 级的t a 和t v ，传统变电站由于电缆和电表带来的附加误差， 计量系统总误差在0 7 的水平。而数字变电站计量系统的误差仅由t a 和t v 产生，可达到0 4 的水平。 5 ) 提高信号传输的可靠性 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，一方面杜绝误传信号，另一方面在通 信系统故障时可技术告警。 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。而且传输模拟信号难以使用光纤技 术，易受干扰。 。 一专 二6 ) 应用电子式互感器解决传统互感器固有问题 ：数字化变电站采用电子式互感器，没有传统互感器固有的t a 断线导致高压 危险、t a 饱和影响差动饱和、c v t 暂态过程影响距离保护、铁磁谐振、绝缘油爆 煨六氟化硫泄漏等问题。 7 ) 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。 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近期仍时有发生并对继电保护产生不良影响，甚至 造成设备误动作。 8 ) 解决设备的互操作问题 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，设 备间可实现无缝连接。 9 山东大学硕士学位论文 数字化变电站唯一可用的通信标准为i e c6 1 8 5 0 。i e c6 1 8 5 0 的信息自解释 机制，在不同设备厂家使用了各自扩展的信息时也能保证互操作性。 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 试和维护的难度，降低了通信系统的性能。 9 ) 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。 传统变电站由于通信系统传输信息的完整性、实时性和可靠性有限，许多自 动化技术只能停留在试验室里，难以工程应用。 l o ) 减少二次接线 数字化变电站的一次设备和二次设备间采用计算机通信技术，一条信道可传 输多个通道的信息，加上使用网络技术，大幅度减少了二次接线的数量和复杂度。 在技术上，实现数字化变电站可以减少设备的退出次数和退出时间，提高设 备的使用效率；避免信号传输和处理带来的附加误差，提高保护、测量和计量系 统的精度；减少自动化设备数量，简化二次接线，提高系统的可靠性；设备具有 互操作性，方便了设备的维护和更新，减少投运时间，提高工作效率；方便变电 站的扩建及自动化系统的扩充。 在经济上，可以实现信息在运行系统和其他支持系统之间的共享，减少重复 建设和投资；减少站地面积，从而减少建设投资；减少变电站寿命周期内的总体 成本，包括初期建设成本和运行维护成本。 数字化变电站的这些优势和特点，将在技术、运行和管理水平上较传统变电 站有一个全面的提升，减少投运后运行成本、促进减员增效、提高自动化水平， 具有重大的技术意义和经济效益。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章数字化变电站研究应用现状 2 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 c6 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 年到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 c6 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 年到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。 2 2 国内研究应用现状 2 。2 1le c6 18 5 0 标准 电科院和国内的各大电力设备制造厂商从2 0 0 1 年就开始关注i e c 6 1 8 5 0 n9 2 引，并且开始对该标准进行翻译。到目前i e c6 1 8 5 0 的国产化工作已基 本完成。 2 0 0 4 年下半年由国调中心辛耀中总工程师布置，国调中心自动化处具体负 责，计划用2 年时间通过6 次互操作性试验检验和促进i e c6 1 8 5 0 系列产品的开 发和兼容情况。国内较有影响力的电力自动化设备供应商积极响应并参与了此互 山东大学硕士学位论文 操作性试验，相关单位有：国调中心、电科院、南瑞继保、国电南自、国电南瑞、 北京四方、东方电子、鲁能积成、融科联创等。按照计划，在2 0 0 6 年底，参与 厂商提供的各种设备应能完成i e c6 1 8 5 0 规约定义的所有功能，能达到标准规定 的一致性测试和无缝互操作要求。 由于各电力公司发展数字化变电站的步伐加快，国调中心将从i e c6 1 8 5 0 的第四次互操作试验开始加入过层程通信的内容，保证2 0 0 6 年1 0 月全部试验完 成后国内主要厂商提供的数字化变电站设备的互操作性。 2 2 2 国产数字化变电站设备 2 2 2 1 互感器汹捌 输出数字信号的电子式互感器即为智能化互感器。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l o k v - - 5 0 0 k v ，部分产品的鉴定水平达 到国际先进。目前，国内的南瑞继保、南自新宁、广东中钰等单位已研制出有源 电子式互感器并挂网运行。现已有数十套国产电子式互感器在多个变电站投入运 行，最长有3 0 个月的连续稳定运行经验。 2 2 2 2 开关等其他一次设备堙嘲1 由于国内一次设备厂家的电子技术能力相对较弱，尚没有开展智能开关设备 等其他智能一次设备的研究工作。 为解决开关等其他次设备智能化的问题，一些二次设备厂家开发了用于一 次设备智能化的智能终端( 或称智能单元) 。智能终端安装在一次设备端子箱， 采集设备状态和控制设备，用光纤通信与二次设备交换信息。智能化g i s 中，电 流互感器采用空芯线圈，电压互感器采用电容分压技术，输出信号以数字形式经 光纤传输。目前，国内g i s 设备生产厂商尚不能成套提供，主要与南瑞继保、南 自新宁等厂商联合提供智能化g i s 。 2 2 2 3 具备过程层通信接口的二次设备 传统二次设备与一次设备间用硬接线交换模拟信息，数字化变电站的二次设 备需具备能与智能一次设备用通信系统交换数字信息的能力。 国内主要二次设备厂家通过改造成熟二次设备，为其增加过程层通信接口， 现已能提供数字化变电站的全套二次设备。 同时，国内主要二次设备厂家已全面开展具备过程层通信接口的新一代二次 1 2 山东大学硕士学位论文 设备的研究工作，预计今年内将投入应用。 2 2 3 国内数字化变电站建设的研究胁1 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示范站的建设， 已有不少于3 个数字化ll o k y 变电站投入运行，今年上半年还将有约十个数字化 变电站投入运行，其中包括2 2 0 k v 变电站。 综上所述，国际上数字化变电站的研究己从实验室阶段进入实际工程应用阶 段，我国已建成了一些数字化变电站示范站。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，数字化变电站将是我国变电站技术的发展方向。 国内厂家已能提供数字化变电站所需的大部分设备，可基本实现设备国产 化。通过各电力公司和国内厂家的不懈努力，定将在近期内依靠自主创新实现变 电站的全面数字化，提高电力系统的经济性、可靠性和自动化化水平。 山东大学硕士学位论文 第三章数字化变电站的研究及可行性分析 数字化变电站是现已普及的综自站在数字技术上进一步发展的方向。较建设 常规综自站，数字化变电站存在以下几个方面的特点： 3 1 通信标准 选用i e c 6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统标准。该标准包含通信要求、信息模 型、通信协议、工程管理和一致性检测等内容，支持站控层、间隔层和过程层通 信，完全满足数字化变电站的要求。已成为变电站自动化领域统一的、权威的标 准体系，是数字化变电站实现无缝通信和互操作性的基础。 i e c6 1 8 5 0 标准将数字化变电站分为过程层、间隔层和站控层三层结构形式 c a s l , 如图3 1 所示。 ： 亘e 过程层匡亘亘 lfi 弋三一高压设备 三 图3 1 数字化变电站的三层结构形式 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：站控层有些类似于传统变电站的综自系统，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 c6 1 8 5 0 标准实现。 3 2 站控层设备 长期以来，变电站自动化系统通信、站内设备描述等规约标准的差异，导致设 1 4 山东大学硕士学位论文 备之间互操作性差，成为了变电站自动化技术发展的“瓶颈 。i e c6 1 8 5 0 标准提 出至今，己成为变电站自动化系统领域权威的标准体系。 为促进i e c6 1 8 5 0 标准的实施和推广，截止2 0 0 6 年底，我国国调中心先后组 织了6 次站控系统及设备的i e c6 1 8 5 0 互操作试验嘲，极大地促进了国内产品的 发展和成型。因此监控、远动通信服务器等站控层设备需支持i e c6 1 8 5 0 标准信 息模型和通信协议。远动通信服务器的远动通信接口仍支持常用的c d t 、i 0 1 或 1 0 3 等规约。 3 3 间隔层设备( 二次设备) 间隔层设备主要包括数字式保护、测控与电能计量、故障录波、安全稳定控 制等二次系统。由于数字化变电站的数据传输模式由模拟量向数字量的改变，迫 切需要基于光纤接口和i e c6 1 8 5 0 汹1 通信协议相应二次系统的研究和开发，以适 应全站数字化的要求。 数字化变电站二次设备与传统二次设备的主要差异是由光电转换接口插件 替换原来的模数转换插件。其他环节( 信号处理、保护原理和算法等) 并无本质差 异，目前，国内相关产品女n d t s d d s s d l 0 5 6 数字式电能表、p s l 6 0 0 数字式线路保 护装置、p s l 6 3 0 数字式断路器保护装置、p s t l 2 0 0 系列变