（电力系统及其自动化专业论文）数字化变电站若干关键技术研究.pdf

是本 成果 表或 使用 说明 并向 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：导师签名： 日期：兰竺! ! ：! ：，罗日期：丝 ! ：兰：争 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 以非常规互感器技术的发展，i e c 6 1 8 5 0 标准的颁布实施，以太网通信技术的逐渐 成熟，变电站自动化领域进入了新的发展阶段，实现从信息采集、传输、处理具备了实 现全数字化的可能，数字化变电站已成为未来变电站自动化技术发展的趋势。本课题针 对数字化变电站的特点及功能要求，主要研究i e c 6 1 8 5 0 规约及其建模、信息传输网络、 电子式互感器以及继电保护配置等技术难点，并结合上述三方面的研究成果，以唐山郭 家屯2 2 0 k v 数字化变电站工程实例，分析数字化变电站工程应用的实际问题，并提出 智能化变电站是数字化变电站的发展前景及其有待深入研究的若干关键技术。 关键词：数字化变电站，i e c 6 1 8 5 0 ，网络，电子式互感器、智能化变电站 a b s t r a c t t h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi s g o i n g i n t on e wd e v e l o p m e n ts t a g e s 、j l ，i m a d v a n c e m e n to ft h et e c h n o l o g yo fn o n - c o n v e n t i o n a lt r a n s d u c e r s ，t h ei m p l e m e n t a t i o no f i e c 618 5 0s t a n d a r d , t h ea p p l i c a t i o no fe t h e m e t t h ed i g i t a ls u b s t a t i o ni sb e c o m i n gt h e t e n d e n c yo ff u t u r es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m s ，i nw h i c hi n f o r m a t i o ni sc 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 a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i na l l u s i o nt oi t s c h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nc e r t a i nr e s e a r c h , w h i c ha r ei e c 618 5 0s t a n d a r d , c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , e c t e v t , p r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o n a n ds oo n t h ep r i n c i p l e sa b o v ea r eu s e di nt h et a n g s h a ng u o j i a t t m2 2 0 k vd i 西t a ls u b s t a t i o n , t h e s ep r a c t i c a lp r i n c i p l e sa l ea l s oa n a l y z e db yt h ep r o j e c t i na d d i t i o n ，s m a r ts u b s t a t i o nw i l l b et h et e n d e n c yo ff u t u r ed i g i t a ls u b s t a t i o na n db r i n gi t ss e v e r a lt e c h n i q u e sf o r w a r dt o r e s e a r c h z h a n gy o n g p i n g ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o fw a n gz e n g p i n g 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 c 6 1 8 5 0 ，n e t w o r k , e c t e 巩s m a r ts u b s t a t i o n 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 非常规互感器技术的应用情况2 1 2 2i e c 6 1 8 5 0 标准的发展及应用情况4 1 2 3 数字化变电站的信息传输网络的应用情况5 1 2 4 数字化变电站的应用概况6 1 2 5 数字化变电站向智能化变电站过渡的发展前景6 1 3 课题研究的主要内容7 第二章数字化变电站的整体设计方案8 2 1 数字化变电站的特点8 2 2 数字化变电站的基本功能和基本要求8 2 2 1 过程层9 2 2 2 间隔层1 0 2 2 3 变电站层1 0 2 3 数字化变电站的整体设计方案1 2 2 4 小结1 5 第三章数字化变电站的几个关键问题的研究1 6 3 1i e c 6 1 8 5 0 规约及其建模1 6 3 1 1i e c 6 1 8 5 0 规约概述1 6 3 1 2i e c 6 1 8 5 0 数据建模1 9 3 2 数字化变电站的信息传输网络2 l 3 2 1 变电站层网络j 2 l 3 2 2 过程层网络2 3 3 2 3 网络结构冗余2 9 3 3 光电互感器3 1 3 3 1 光纤互感器的选择3 l 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 2 合并单元3 2 3 3 3 合并单元数据同步问题3 3 3 4 继电保护配置3 4 3 5 小结3 5 第四章数字化变电站的工程应用问题4 2 4 1 测控保护一体化4 2 4 2 故障录波4 4 4 3 系统的分布式安装4 5 4 4 系统的可靠性4 6 4 5 小结4 7 第五章结论与展望。4 8 5 1 结论4 8 5 2 展望4 8 5 2 1 亟待解决的智能化变电站重点问题4 8 5 2 2 智能化变电站关键技术支撑4 9 5 3 小结5 l 参考文献5 2 致谢5 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 7 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 我国在变电站自动化技术领域，经过1 0 多年的发展，已居国际先进水平，具 有自主知识产权的变电站自动化系统和设备完全实现了国产化。在我国城乡电网建 设与改造中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班，在2 2 0 k v 以上及超 高压变电站建设中也大量采用了自动化新技术，从而大大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可靠性，降低了变电站建设的总造价u , 2 j ，这些已 经成为不争的事实。 截至2 0 0 9 年初，华北公司直属2 2 0 k v 及以下不具备无人值班条件的变电站中 共有3 8 座。其中，9 座l l o 千伏变电站( 新寨、银城铺、苏家洼、卑家店、西南郊、 开平、榛子镇、刘田庄、昌黎) 综自改造为2 0 0 8 年跨年度项目，现正在实施中并 基本完成；同时，2 0 0 9 年底计划完成唐山、秦皇岛、廊坊的奔城、雷庄、康仙3 个 2 2 0 k v 站和8 个l1 0 k v 改造；2 0 1 0 年计划安排兴城、虹桥2 个2 2 0 k v 和平开等l1 个1 1 0 k v 常规r t u 站改造，为全面实现无人值班奠定基础。 随着变电站自动化系统应用范围的拓展，常规变电站自动化系统逐渐显露出信 息难以共享、系统可扩展性差等技术瓶颈问题1 3 , 4 1 。然而，伴随着微电子技术、光电 技术、网络通信等现代技术的发展，使变电站自动化系统面临了一个崭新的发展机 遇，数字化变电站关键技术将能有效地突破以上若干常规变电站自动化系统的“技术 瓶颈”，数字化变电站的实施解决了许多常规变电站难以解决的问题，其中具体比较 突出的是：互操作问题、传统电磁式互感器带来的问题、二次回路复杂的问题、控 制电缆引起的电磁干扰问题、一次设备智能化问题、继电保护状态检修问题 5 , 6 1 等， 有力扩宽变电站科技应用范围；并且成为智能电网变电环节的重要技术支撑，有助 于变电环节实现信息化、互动化、自动化的智能特征。 1 2 国内外研究现状 变电站自动化技术的发展直接表现为变电站自动化系统结构的变迁，即经历了 集中式和分层分布式2 个阶段。新一代变电站的结构在增强了变电站自动化系统功 能的同时，提高了系统的实时性、可靠性、可扩展性和灵活性，达到了节省系统投 资以及简化维护等目的。数字化变电站的系统结构继承了分层分布式变电站结构的 优点，同时，由于非常规互感器、高速以太网、以及i e c6 1 8 5 0 标准的实施，使得 数字化变电站的系统结构又有了不同于常规变电站的革新性变化f 7 一。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 非常规互感器技术的应用情况 传统的电流、电压互感器是电磁式互感器，它具备维护成本低，可靠性高的特 点。但是其存在的问题也是显而也易见的，主要有：电流互感器在大电流情况下， 会出现铁芯饱和现象，这是继电保护不正确动作的主要原因之一；暂态传变特性差， 降低了继电保护动作速度。而改善暂态传变特性需增加投资：电流互感器二次侧输 出对负载有严格要求，当开关场到控制室的距离过远时，难以保证传变精度；电流 互感器二次不能开路，否则会产生数千伏的高压，危及人身和设备的安全；电压互 感器二次不能短路，否则也将危及设备的安全；为解决绝缘和传变特性，当电压等 级越高，短路电流越大时，必然将增大体积，使设备变得更加笨重，安装运输不方 便1 9 1 0 1 。 随着电网的发展，高电压大容量输电要求控制、保护设备响应速度更快，监测 精度更高，传统的电流、电压互感器要满足上述技术要求，制造工艺将更复杂、体 积将更大，造价增加比电压等级增加要快的多。同时，在数字化变电站中采用电子 式互感器，电子式互感器则具备体积小、重量轻；具备数字接口，通过光纤输出； 不含铁芯，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题；暂态特性好，测量精度高，频率响应 范围宽；绝缘性能好，造价低等优点。电子式互感器的出现解决了传统互感器的问 题，具备很高的性价比，特别是在高电压条件下优势更为明显1 1 1 , 1 2 。但是，就目前 电子式互感器几个方面仍需关注： 1 2 1 1 互感器的选择 随着光电子技术、微电子技术及光纤通信技术的发展，基于光学传感技术的光 学电流互感器，及基于罗柯夫斯基( r o g o w s k i ) 空芯线圈原理的电子式互感器技术得 到了快速发展，这种互感器技术能有效克服传统电磁式互感器的缺点，国内外已先 后研制出多种光学电流互感器和电子式互感器样机并挂网试运行。 国际上将有别于传统的电磁型电流电压互感器的新型互感器统称为非常规互 感器n c i t ( n o d c o n v e n t i o n a li n s t r u m e n tt r a n s f o r m e r ) 。其中，基于电光效应的互感 器称为光学电流电压互感器o c t o v t ( c u r r e n t v o l t a g et r a n s f o r m c rw i t ho p t i c a l s e n s o r ) 其余的泛称为电子式电流电压互感器e c t e v t ( e l e c t n i cc u r r e n t v o l t a g e t r a n s f o r m e r ) 。前者又称为无源式互感器，后者又称为有源式互感器。无源式互感器 与有源式互感器不同在于无源式互感器是基于光学传感技术的电光效应，无需电源 供电，而电子式互感器技术是基于罗柯夫斯基( r o g o w s k i ) 空芯线圈原理，需要激光 电源供电。 我国自二十世纪九十年代以来先后有清华大学、华中理工大学、中国电力科学 研究院、国电南京自动化股份有限公司、上海互感器厂及广东伟任光电科技有限公 2 华北电力大学硕士学位论文 司等多家单位从事电子式电流电压互感器的研究1 1 3 a 4 ，研制多种样机，并取得了一 定的试运行经验。其中，国内厂家以南京新宁公司基于罗氏线圈的o e t 7 0 0 电子式 互感器应用最具代表性，目前已经在国内几十个1 l0 k v 至2 2 0 k v 变电站中挂网运行。 电子式互感器随着原理的改善、工艺水平及产品稳定性不断提高，在实际工程 中得到较为广泛地应用。同时，虽然鉴于光学互感器具有优异的线性度和测量精度、 不受电磁干扰等突出优点，得到了国内外广泛重视，目前国内多家单位在进行此方 面的研究，随着此类互感器测量精度及运行稳定性受外界环境因素影响较大的技术 难题得到有效的解决，光电互感器将成为未来非常规互感器发展的主要方向。 1 2 1 2 合并单元( m u ) 新型互感器定义了一个新的物理元件合并单元( m u ) ，合成来自二次转换器 的电流及电压数据，将7 只以上的电流互感器( 3 只测量，3 只保护，1 只备用) 和5 只以上的电压互感器( 3 只测量、保护，1 只母线，1 只备用) 合并为一个单元组，并 将输出的瞬时数字信号填入到同一个数据帧中，体现了数字信号的优越性。数字输 出的光电式互感器与变电站监控、计量和保护装置的通信通过合并单元实现，将接 收到的互感器信号转换为标准输出，同时接收同步信号，给二次设备提供一组时间 一致的电压、电流值。 i e c 的三个技术委员会正就新的电子t a 、v t 以及它们对二次设备的接口展开 工作：t c3 8w g2 3 和w g 2 7 以及t c5 7w g1 2 。t c3 8w g 2 3 和w g 2 7 正致力于 因这种新的传感技术的引入而产生的新的技术要求和试验。t c 5 7 负责变电站的总 体的通信标准。同时，t c 3 8 已经发布了一个电力电压互感器的标准：i e c 6 0 0 4 4 7 和i e c6 0 0 4 4 - 8 标准，这两个标准定义典型的1 0 v 范围内的低功率模拟电压输出。 i e c 6 0 0 4 4 8 ( 和i e c 6 1 8 5 0 9 1 ) 定义了对二次设备的数字接口，通过“合并单元”与 传感器实现数据交换，精度要求由合并单元的输出决定。合并单元连接七个电流传 感器( 其中3 个测量e t a ，3 个保护e t a ，1 个中性e t a ) ，下面5 个电压互感器( 3 个保护测量e v t ，1 个母线e v t ，1 个中性e v t ) ，通过多路点对点的连接为二次 设备提供一组同步的电流和电压数据。 国外几家大公司从上世纪5 0 年代就开始研制电子式互感器，目前已经研制出 1 1 5 7 5 6 k v 精度达到0 2 级的电子式互感器并进行了挂网运行，取得了较丰富的运行 经验，部分电子式互感器已经进入商业化运行。我国自二十世纪九十年代以来有多 家科研机构开始进行研制工作，目前有多种电子式和光电式互感器样机研制出来， 取得了一定的试运行经验，并逐步进入实用化阶段。电子式互感器与断路器设备集 成技术将是今后的研究方向。 1 2 1 3 数据同步 3 华北电力大学硕士学位论文 在电力系统电流差动保护中，两侧数据一般在同一时刻的前提下保护理论才能 正确应用，保护设备j 能可靠动作。传统的电磁式互感器输出连续的模拟量，各个 模拟量之间基本同步 1 5 a 6 l 。但是，电子式互感器输出为离散的数字量，在代入保护 算法计算之前必须保证各相以及各侧数据是同一时刻的，由此便引入了数据同步问 题。随着电子式互感器的实用化，其同步问题越来越凸现出来，主要表现在如下 几个方面： ( 1 ) 同一间隔内的各电压电流量的同步。某一间隔的有功功率、无功功率、 功率因数、电流电压相位、序分量及线路电压等问题都依赖于对同步数据的测量计 算。i e c 6 0 0 4 4 标准规定，每间隔最多可有1 2 路的测量量，经同一合并单元处理后 送出，这1 2 路数据首先必须是同步的。 ( 2 ) 关联多间隔之间的同步。变电站内存在某些二次设备需要多个间隔的电 压电流量，典型的装置如母线保护、主设备( 变压器等) 纵联差动保护等，相关 间隔的合并单元送出的测量数据应该是同步的。 ( 3 ) 关联变电站问的同步。输电线路保护采用数字式纵联电流差动时，差动 保护需要线路两侧的同步数据，这有可能将数据同步问题扩展到多个变电站之问。 ( 4 ) 广域同步。大电网广域监测系统需要全系统范围内的同步相角测量，在 大规模使用电子式互感器的情况下，必将解决全系统内采样数据同步问题。 在电力系统电流差动保护中，两侧数据一般在同一时刻的前提下保护理论才能 正确应用，保护设备才能可靠动作。为进一步确保同一间隔内的各电压电流量、关 联多间隔之间、关联变电站间以及广域同步，数据同步作为合并单元重要的问题有 待研究之一。 1 2 2i e c 6 1 8 5 0 标准的发展及应用情况 i e c 6 1 8 5 0 标准是国际电工委员会( i e c ) t c 5 7 工作组( w g i o 11 1 2 ) 从1 9 9 5 年开 始制定一部面向未来的变电站内的通信标准，2 0 0 4 年大部分内容正式颁布。它的制 定和发布为构建数字化变电站的通信网络提供了理论基础和技术依据，将逐步成为 变电站自动化系统统一的国际标准。我国也正在将该标准等同引用为国家标准 g b t 8 6 0 。随着i e c 6 1 8 5 0 在变电站逐步应用，它所提供的对象调用将极大的满足主 站实时数据调用的自由度与效率，表现为：在同一模型下可以根据对象路径以获取 主站应用需要的数据，包括可以在子站制定所需的报告、事件等以便进行数据过滤 并向主站进行实时告警和报告，可以在子站定制日志以便主站使用等。从远程中心 ( 调度中心集控中心) 应用需求出发，发挥最大效能、最迫切、最实际的就是首先 在变电站加速建立符合i e c 6 1 8 5 0 和制造报文规范( m m s ) 的子站系统，逐步实现远 4 华北电力大学硕士学位论文 程中心对变电站的数据获取将完全面向对象、面向目标应用和面向点对点通信 1 7 , 1 8 , 1 9 。 a b b 、西门子、a r e v a 等国外公司在数字化变电站的相关技术研发方面起步较 早，都参与了i e c 6 1 8 5 0 标准的研究制定和数字化变电站工程的建设，在技术链的完 整性上比国内企业更胜一筹。国内电力自动化企业虽然在i e c 6 l8 5 0 规约方面处于跟 随国外企业的位置，但技术发展非常迅速，相关技术日趋成熟。国内企业的主要优 势体现在成本较低，服务更优，对用户的需求了解深入，系统更适合中国市场需要 等方面。在一次设备方面，目前部分企业在自发地进行数字化设备的相关研究，进 展很快，但还需在标准规范等方面得到更大的支持。 目前世界主要发达国家已经将i e c 6 1 8 5 0 标准作为变电站自动化系统的通用技 术标准采用。2 0 0 3 年，i e c 6 1 8 5 0 标准已被等同引用为我国电力行业标准( d l t 8 6 0 系列) 。2 0 0 5 年起，国家电网公司调通中心组织进行了6 次i e c 6 1 8 5 0 互操作实验。数 字化变电站技术被列入作为国家电网公司“十一五科技发展规划中提高电网自 动化水平的五大重点技术课题之一。 1 2 3 数字化变电站的信息传输网络的应用情况 通信网络是数字化变电站自动化系统的命脉，其可靠性与信息传输的快速性决 定了系统的可用性。用现场总线来做通信网，从工程实践看是比较成功的，但随着 变电站自动化系统由低压变电站向高压、超高压大型变电站的应用，特别是在数字 化变电站中，现场总线的实时性、开放性方面的局限性就逐渐暴露出来【聊1 i 。 随着以太网技术不断成熟，基于微控制器微处理器的软、硬件环境的嵌入式以 太网在工业控制领域地广泛应用，因而使其应用于工业控制领域大为方便，这使变 电站网络有条件采用低廉、成熟的以太网。同时，国外大量的实验证明，在网络负 荷小于2 5 情况下，以太网可以满足变电站实时通信的要求。 实时以太网将成为解决工业以太网实时性的一个根本措施。实时以太网将以太 网上的节点分为两类：实时节点和非实时节点。实时节点按照优先级的高低，决定 是否坚持发送竞争信号，还是把信道让给更高优先级的节点。非实时节点若检测到 冲突，都会在实时节点发送完一个竞争信号之前停止信号发送。通过这种总线竞争 仲裁机制，使实时节点的通信实时性得到保证。可以预计，千兆以太网的和下一代 局域网成功应用将使变电站的通信网络得到简化，也使站内、外数据通信更加可靠、 快速。 基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化变电站结构分为三层：站控层( 变电站层) 、间隔层和 过程层，这三层设备通过两个网络相联，即联系站层和间隔层的变电站总线，联系 5 华北电力大学硕士学位论文 间隔层和过程层的过程总线，在站层网络上传送保护动作事件、保护定值、录波文 件、五遥信息等，在过程网络传送保护跳闸、保护启动、保护闭锁、断路器位置、 采样值等实时信息。 1 2 4 数字化变电站的应用概况 自2 0 0 2 年9 月美国u t i l i t yi n i t i a t i v e 会议上进行的第一次i e c 6 1 8 5 0 标准的互操作 试验以来，随着i e c 6 18 5 0 标准逐渐完善，国内外数以百计基于i e c 6 18 5 0 标准的变电 站自动化系统得到了试点运行。2 0 0 5 年1 0 月，国内首套采用i e c 6 l8 5 0 标准的变电站 自动化系统在无锡正式投入运行。2 0 0 6 年l1 月，云南省曲靖11 0 k v 翠峰变电站数字 化改造通过鉴定，该站采用了南京新宁公司生产的电子式互感器，提供了一定的运 行经验。国家电网公司在上海、江苏、浙江、山东、内蒙古等地区均开始了试点工 作。目前全国已经签订约l o 多个数字化变电站合同，已投运至少6 个变电站。南方 电网的广东电网公司、云南电网公司也开始试点工作f 2 2 1 。广东电网公司编制了广 东电网公司1 10 k v 数字化变电站建设原则，目前南方电网正在组织编制中国南方 电网数字化变电站技术规范。 2 0 0 6 年华北电网开展两项数字化变电站试点工作，一是改造承德地区西地变电 站为数字化变电站，二是新建唐山2 2 0 k v 郭家屯站开展数字化变电站。唐山2 2 0 k v 郭家屯站开展数字化变电站的试点工作经历2 0 0 6 年立项、2 0 0 7 年研究论证、2 0 0 8 年 设备招标及2 0 0 9 年1 月开始设备安装调试的阶段，并预计2 0 0 9 年7 月投产。 郭家屯变电站自动化系统改造更符合数字化电网的需求，首次全面采用了 i e c 6 1 8 5 0 规约和变电站程序化操作技术。郭家屯变电站自动化系统采用i e c 6 1 8 5 0 标 准规约，真正实现了变电站二次系统的平台统一和无缝连接，取消了不同厂家设备 接入监控所需要的规约转换器，在统一平台上实现互联互通。在充分研究有关规约、 标准的前提下，选择南京南瑞继保公司和北京四方继保公司两个二次设备厂家利用 i e c 6 1 8 5 0 技术进行无缝连接，是国内的第一次成功尝试另外，结合一、二次设备 具体情况，在郭家屯变电站试点开展变电站程序化操作，将多项涉及一、二次设备 的操作项目组合成不同的操作任务，通过完善的安全自检机制，实现智能化操作代 替人工操作，减少或无需人工操作，最大限度地减少操作失误，缩短操作时间，提 高变电站的安全运行水平。郭家屯变电站投产后成为华北电网第一座采用了变电站 程序化操作技术的变电站，具有重要的示范意义。 1 2 5 数字化变电站向智能化变电站过渡的发展前景 变电站是智能电网建设的重要节点之一，其主要作用就是为智能电网提供标准 的、可靠的节点( 包含一、二次设备和系统) 支撑设备信息和运行维护策略与电力 6 华北电力大学硕士学位论文 调度实现全面共享互动，实现基于状态的全寿命周期综合优化管理，实现全网运行 数据的统一采集、实时信息共享以及电网实时控制和智能调节，支撑各级电网的安 全稳定运行和各类高级应用1 2 4 1 。 另外，随着智能电网不断发展，枢纽及中心变电站全面建成或改造成为智能化 变电站。其中，高可靠性的设备是变电站坚强的基础，综合分析、自动协同控制是 变电站智能的关键，设备数字化、功能集成化、结构紧凑化是发展方向f 2 5 , 2 6 1 ，亟待 关注以下几个方面：( 1 ) 变电站内，完善和整合站控层功能，提升变电站管理运行 水平和自动化水平；( 2 ) 作为智能电网的关键节点，将为智能调度提供基础数据， 并参与“坚强智能电网”的分布式调度；( 3 ) 实现智能调度中心的异地分布式容灾建 设和快速分布式建模。 总的来说，智能化变电站是变电站自动化技术发展的必然方向，它的发展和成 熟对建立坚强智能电网有重要意义。智能化变电站在向适应智能电网发展方向进一 步深化和推广，逐步完善并实现信息化、自动化、互动化的智能技术特征，有效成 为智能电网变电环节的重要组成部分。 1 3 课题研究的主要内容 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 全面概括数字化变电站的定义、特点、基本功能以及基本要求，进行数字化 变电站系统整体方案的设计。 2 研究数字化变电站非常规互感器、i e c 6 1 8 5 0 规约及其建模、数字化变电站 的信息传输网络以及继电保护配置等技术难点，其中包括非常规互感器的选择、合 并单元m u 、数据同步、g o o s e 网、采样值网配置、网络冗余及可靠性。 3 依托唐山供电公司郭家屯数字化变电站的具体实例，并结合上述关键技术研 究，进行工程实例的比较与验证。 4 借鉴国内外已有智能化变电站经验及相关资料，探索数字化变电站向智能化 变电站过渡的关键技术。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章数字化变电站的整体设计方案 2 1 数字化变电站的特点 数字化变电站要求电气设备之间的通信是以数字方式传递和共享，由智能化一 次设备( 电子式互感器、智能化开关等) 和网络化二次设备分层( 过程层、间隔层、 站控层) 构建，建立在i e c 6 1 8 5 0 通信规范基础上，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【”1 。 智能化一次电气设备主要包括：电子式电流电压互感器、智能型断路器隔离开 关、智能型变压器及其他电气辅助设备如消弧线圈、电抗器、避雷器等。一次设备 数字化是数字化变电站的基础。数字化与智能化密不可分，智能化就是设备具有实时 数据的采集和处理能力，有与其他电子智能设备( i e d ) 实时交换数据的能力，有设备的 自我描述和诊断能力。i e c 6 18 5 0 标准是国际电工委员会推出的、旨在解决变电站内 i e di 日j 互操作问题的最新国际标准。它采用了面向对象的建模技术、分层映射的通 信技术、标准化的配置语言以及系统工程化方法等先进的计算机及通信技术思想， 为搭建数字化变电站全站统一的数据和通信平台提供了科学有力的手段。 网络化二次装置是应用最先进网络通信技术以使整个系统性能达到最优。 i e c 6 1 8 5 0 标准将变电站自动化系统分为三层：变电站层、间隔层和过程层，提出了 各层的标准逻辑接口，针对典型的功能规定了特定的消息类型、传输速度的要求以 及网络宽带的选择等，这些都为实现数字化变电站提供了指导依据。 数字化变电站的主要特点是一次设备智能化，二次设备网络化。在一个实际的 变电站中，会有大量来自不同厂家的一次设备和二次设备，一次智能化设备与二次 设备之间的信息传递，二次设备之间的逻辑闭锁配合，都以网络通信方式取代了现 有的电缆硬接线方式。众多来自不同厂家的设备通过网络通信进行配合，因此互操 作是必须解决的问题。为实现互操作，各厂家需要采用统一的通信标准。在现有的 各种协议和标准中，只有i e c 6 1 8 5 0 能够提供满足数字化变电站的通信需求和互操 作要求。i e c 6 1 8 5 0 是目前建设数字化变电站唯一可选用的网络通信标准。 2 2 数字化变电站的基本功能和基本要求 数字化变电站在逻辑上采用i e c 6 1 8 5 0 规定过程层、间隔层和站控层三层结构。 各层次内部及层次之间采用高速网络通信，三个层次关系如图2 1 所示。 其中，过程层主要是指智能化电气设备的智能化部分，其功能有三类i 电气量 参数检测、设备健康状态检测和操作控制执行与驱动；数字化变电站的间隔层设备在 8 华北电力大学硕士学位论文 自动化方面比现在有很大的变化，主要体现在对象的统一建模、通信信息的分层、 通信接口的抽象化和描述规范等技术的应用；数字化变电站的站控层除实现变电站 与控制系统无缝通信外，基于信息共享的站控层具有运行支持、协调功能；基于这 样的一个三层结构的统一标准平台，数字化变电站的功能将不局限于传统的测控和 保护功能，还可以涵盖计量、故障录波和测距、安稳装置、动态监测、电能质量监 测、信息管理、仿真、遥视等不同的应用领域。那么将来对变电站内各自动化子系 统进行功能优化和整合是很可能和必要的。这就要求站控层计算机系统具有识别和 实时处理变电站内所有对象模型和相关属性( 测量值、质量、性能、时标) 的能力， 可以用于实时运行、配置和维护管理。 从物理上看，数字式变电站仍然是一次设备和二次设备( 包括保护、测控、监 控和通信设备等) 两个层面。由于一次设备的智能化以及二次设备的网络化，数字 式变电站一次设备和二次设备之间的结合更加紧密。 远方运行中心 调度控制中心 2 2 1 过程层 图2 - 1 数字化变电站的架构体系 过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的 智能化部分。过程层的主要功能分三类：电力运行的实时电气量检测；运行设 9 华北电力大学硕士学位论文 备的状态参数检测；操作控制执行与驱动。 电力运行的实时电气量检测与传统的功能一样，主要是电流、电压、相位以 及谐波分量的检测，其他电气量如有功、无功，电能量可通过问隔层的设备运算得 出。与常规方式相比所不同的是传统的电磁式电流互感器、电压互感器被光电电流 互感器、光电电压互感器取代；采集传统模拟量被直接采集数字量所取代， 这样 做的突出优点是抗干扰性能强，绝缘和抗饱和特性好，开关装置实现了小型化、紧 凑化。 运行设备状态参数在线检测与统计变电站需要进行状态参数检测的设备主 要有变压器、断路器开关、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。在线 检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。 操作控制的执行与驱动操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控 制、电容、电抗器投切控制、断路器刀闸合分控制以及直流电源充放电控制等。过 程层的控制执行与驱动大部分是被动的，即按上层控制指令而动作，比如接到间隔 层保护装置的跳i 、甲j 指令、电压无功控制的投切命令、对断路开关的遥控开合命令等。 在执行控制命令时具有智能性，能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的 动作精度进行控制，能使断路器定相合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器 的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。又例如对真空开关的同步操作 要求能做到开关触头在零电压时关合，在零电流时分断等。 2 2 2 间隔层 间隔层的主要功能是：汇总本间隔过程层实时数据信息；实施对一次设备保护 控制功能；实施本间隔操作闭锁功能；实施操作同期及其他控制功能；对数据采集、 统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；承上启下的通信功能，即同时高 速完成与过程层及变电站层的网络通信功能，必要时，上下网络接口具备双口全双 工方式以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。 2 2 3 变电站层 变电站层的主要任务是：通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷 新实时数据库，按时登录历史数据库：按既定协约将有关数据信息送往调度或控制 中心；接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；具有在线可编 程的全站操作闭锁控制功能；具有( 或备有) 站内当地监控、人机联系功能，如 显示、操作、打印、报警等功能以及图像、声音等多媒体功能；具有对间隔层、过 程层诸设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能：具有( 或备有) 变电 站故障自动分析和操作培训功能 1 0 华北电力大学硕士学位论文 i e c6 1 8 5 0 体系下的数据流，如图2 2 所示： y 蠢压设备 图2 - 2i e c6 1 8 5 0 体系下的数据流 丁土 一一 间隔层和变电站层之间保护数据交换； 间隔层和远方保护之间保护数据交换； 间隔层内数据交换； 过程层和间隔层之间t a 和t v 暂态数据交换( 主要是采样) ； 过程层和间隔层之间控制数据交换； 间隔和变电站层之间控制数据交换； 变电站层与远方工程师站数据交换； 间隔之间直接数据交换，尤其是像联闭锁这样的功能； 变电站层内数据交换； 变电站装置和远方控制中心之间的控制数据交换； 上述信息接口又可简单归结为如下五类：过程层与间隔层之间的信息交换， 过程层的各种智能传感器和执行器可以自由地与间隔层的装置交换信息；间隔层 华北电力大学硕士学位论文 内部的信息交换；间隔层之间的通信；间隔层与变电站层的通信；变电站层 的内部通信，在变电站层不同设备之间存在信息流。 2 3 数字化变电站的整体设计方案 如图2 3 所示，对于上述网络有如下两种基本功能结构1 2 8 , 2 9 l ：合并总线。全 站唯一网络结构该结构将上述三部分网络连接成全站唯一网络，全站所有设备均与 该网络连接，任一设备均可通过该网络访问到其他设备。这种结构的优点是可最大限 度地共享全站数据，充分发挥自动化系统的效能，减少重复性设备投资，需最少的网络 设备。该结构的缺点在于对网络设备的要求很高，要求其网络设备具有很高的通信速 率、处理速度和较大的内存等，具有灵活划分( v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ，v l a n 虚拟局 域网) 和优先级的能力；该结构还降低了变电站的安全运行的可靠性，海量的数据共享 控制不好就会引起网络风暴，设备的独立性降低给运维带来困难并引入相应的风险。 独立站层总线。相对独立的网络结构该结构将全站各级网络相对解耦，可以降低网 络设备的要求和提高运行维护的可靠件。根据网络设备的性能和运行维护的要求 可以将上述三部分网络进行不同的组合，以满足不同的需要。网络的整合程度越高， 数据共享程度越高，设备数量越少，运行管理的自动化程度越高，但安全性和可靠性也 越低，网络设备的要求也越高。 远方运行中心。迈刀还仃甲一d 调度控制中心 ( b ) 合并总线 mm e r g e ds t a t i o na n dp r o c e s sb u s 华北电力大学硕士学位论文 远方运行中心。迈万还仃一d 调度控制中心 ( a ) 独立站层总线 ( a ) i n d i v i d u a ls t a t i o nb u s 图2 3 可选的变电站总线结构 现有的网络设备尚不能满足合并总线结构的要求，即使在将来网络设备提升的 情况下，合并总线结构带来的安全性降低和运行维护的困难仍然是其应用的主要障 碍。因此独立站层结构成为现阶段和将来数字化变电站组网的基本结构。 国内工程实践应用比较多的是如图2 4 所示的“三层两网”通信架构。这种架构 实际上i e c 6 1 8 5 0 三层通信模型的直接应用。“三层”指变电站层、间隔层和过程层。 “两网”指变电站层与间隔层之间的通信网络变电站层网络以及间隔层与过程层之 间的通信网络过程层网络。变电站层网络与过程层网络在物理上分开，信息独立。 变电站层网络主要传输实时性要求不高的四遥信息，而过程层网络则传输保护跳闸 等实时性要求很高的信息。 图2 5 给出了一个“三层两网”模式的实例。考虑到一次设备的技术发展水平， 国内目前都是通过在过程层配备智能操作箱和合并单元实现一次设备的智能化改 造。这两种设备通过过程层总线与间隔层l e d 通信。 值得一提的是，对时和同步是数字化变电站需要考虑的重要技术问题。目前国 内外普遍采用g p s 时钟源对站内设备进行对时如图2 6 所示。通过s n t p 以网络方 华北电力大学硕士学位论文 式对变电站层的设备进行对时，s n t p 的精度为士1 0 m s 可以满足变电站层监控、远 动、故障信息子站等设备对时间精度的要求。间隔层l e d 以及过程层智能操作箱需 要产生s o e ，为了达到s o e + i m s 的时标精度要求，使用i r i g b 方式进行硬件对时。 通过p p s 或 蛄控l 昙f 。 设备 ll 问隔层厂 网络 ll 间隔层厂 设备 il 过程层r ， 网络 il 过程层厂 设备 ll 飞 一次设i 参 图2 - 4 典型的三层两网模式 i r i g - b 对合并单元进行对时。无论是i r i g b 还是p p s 方式，都需要铺设对时光缆 介质。这增加了成本和工程量，目前国内外普遍看好无需专用介质的网络对时方式 i e e e l 5 8 8 。 图2 - 5 三层两网模型的实例 1 4 2 4 小结 图2 - 6 站内对时系统 智能操作箱 本章全面概括数字化变电站的定义、特点，从过程层、间隔层和变电站层角度 分析数字化变电站的基本功能以及基本要求，并对数字化变电站系统整体方案进行 框架性的设计。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 第三章数字化变电站的几个关键问题的研究 3 1ie c 6 18 5 0 规约及其建模 数字化变电站的主要特点是一次设备智能化，二次设备网络化。在一个实际的 变电站中，会有大量来自不同厂家的一次设备和二次设备，一次智能化设备与二次 设备之间的信息传递，二次设备之间的逻辑闭锁配合，都以网络通信方式取代了现 有的电缆硬接线方式。众多来自不同厂家的设备通过网络通信进行配合，因此互操 作是必须解决的问题1 3 0 , 3 h 。为实现互操作，各厂家需要采用统一的通信标准。在现 有的各种协议和标准中，只有i e c 6 1 8 5 0 能够提供满足数字化变电站的通信需求和 互操作要求。i e c 6 1 8 5 0 是目前建设数字化变电站唯一可选用的网络通信标准。下面 主要针对i e c 6 1 8 5 0 通信服务和建模这两项关键技术进行简要概括。 3 1 1ie c 6 18 5 0 规约概述 i e c 6 1 8 5 0 标准的全称是变电站通信网络和系统，该标准对变电站的网络通 信提出了一套完成解决方案，包括：变电站通信要求、数据模型、通信服务、工程 配置语言、一致性测试等内容。i e c 6 1 8 5 0 标准是国际电工委员会( i e c ) t c 5 7 工作组 ( w g i o 11 1 2 ) 从1 9 9 5 年开始制定一部面向未来的变电站内的通信标准，2 0 0 4 年大 部分内容正式颁布。它的制定和发布为构建数字化变电站的通信网络提供了理论基 础和技术依据，将逐步成为变电站自动化系统统一的国际标准1 3 2 1 。 我国也正在将i e c 6 1 8 5 0 标准等同引用为国家标准g b t 8 6 0 。该标准所采用的 技术和方法通用性很强，不仅用于变电站内网络通信，也可用于电力系统其他领域。 目前i e c 已经在i e c 6 1 8 5 0 基础上制定了风力发电、水电厂监控、电能质量、数字 开关、分布式能源等标准。因此，i e c 6 1 8 5 0 未来将成为电力自动化技术的重要技术 支撑之一。 为了适应通信技术的快速发展，