（电气工程专业论文）220kv数字化变电站设计技术研究.pdf

摘要 摘要 本文以某2 2 0 k v 变电站工程为研究背景，从应用的视角对数字化变电站的电子式 互感器配置、通信网络设计、一次设备智能化、设备布置优化等若干设计关键技术进行 了研究，主要内容和取得的成果体现在： 分析数字化变电站的技术内涵，综述了国内数字化变电站技术与应用现状，指明了 其技术特征及其发展方向，提出了电子式互感器配置、通信网络设计、一次设备智能化、 设备布置优化等数字化变电站设计关键技术。 分析了电子互感器的工作原理和技术发展趋势，对现有电子式互感器性能做了比较 研究，提出了2 2 0 k v 数字化变电站电子式互感器配置原则，并给出了2 2 0 k v 数字化变 电站电子式互感器典型配置方案。 研究了数字化变电站站控层网络、采样值传输网、g o o s e 报文传输网的特征要求 和网络规划组建方法，提出了站控层网络、过程层网络的组网方案和节点分布规划方法。 提出了在实际工程应用中采用智能终端作为开关设备的接口实现开关设备智能化 的替代方案。研究了智能终端的功能与通信要求，提出了智能终端集中式和分布式两种 典型现场布置方案。 开展了设备布置优化方案研究，进一步紧凑了布置场地、缩小电缆沟体积、压缩了 二次设备室房间面积等。 关键字：数字化变电站、电子式互感器、通信网络、设备智能化、设备优化布置 a b s t r a c t t h i st h e s i sa d d r e s s e si s s u e sc o n c e r n i n gd e s i g nt e c h n i q u e so fd i g i t a ls u b s t a t i o n f 把mt h ep e r s p e c t i v eo fa p p l i c a t i o nb a s e do na2 2 0 k vs u b s t a t i o np r o j e c t t h em a i n c o n t e n ta n dt h er e s u l t so ft h i st h e s i si sa sf o i l o w s ： i nc h a p t e ri ，a f t e rr e v i e w i n gt h et e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o ns t a t u s ，t h et e c h n i c a l c o n t e n ta n df e a t u r e so fd i g i t a ls u b s t a t i o na r ea n a l y s e s a n dt h e ns e v e r a lk e yd e s i g n t e c h n o l o g i e so fad i g i t a ls u b s t a t i o n ，s u c ha se l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rc o n f i g u r a t i o n ， c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd e s i g n ，i n t e l l i g e n td e v i c e ，e q u i p m e n tl a y o u to p t i m i z i n g ，a r e p r o p o s e d i nc h a p t e ri i ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sa n dt e c h n o l o g y t r e n d sa r ea n a l y s i sf i r s t l y b a s e do nt h ec o m p a r a t i v es t u d yo nt h ep e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n te l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , t h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rc o n f i g u r a t i o np r i n c i p l e so f 2 2 0 k vd i g i t a ls u b s t a t i o ni sp r o p o s e da n dt y p i c a lc o n f i g u r a t i o ni sp r e s e n t e d i nc h a p t e ri i i ，a f t e ra n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h es u b s t a t i o nb u s a n dp r o c e s sb u s ，t h ep l a n n i n gp r o g r a m so ft h en o d e si ns u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o ni s p r e s e n t e d a n dt h e n ，t h en e t w o r ks c h e m ef u l f i l l i n gt h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c et o t r a n s m i tt h es a m p l i n gv a l u e ，g o o s em e s s a g ei np r o c e s sb u si sp r o p o s e d i nc h a p t e ri v , i n t e l l i g e n tt e r m i n a li n t e r f a c i n gw i t hc i r c u i tb r e a k e ra n ds w i t c h g e a ri s u s e dt os u b s t i t u t ei n t e l l i g e n ts w i t c h e q u i p m e n ta st h ea l t e m a t i v e si np r a c t i c a l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h ef u n c t i o no ft h ei n t e l l i g e n tt e r m i n a l sa n dc o m m u n i c a t i o n r e q u i r e m e n t si ss t u d i e d ，t h e nt y p i c a lc e n t r a l i z e dl a y o u ta n dd i s t r i b u t e dl a y o u to f i n t e l l i g e n tt e r m i n a l so ns i t ea r ep r o p o s e d i nc h a p t e r , t of u r t h e rc o m p a c tt h el a y o u ts p a c eo fp r i m a r ye q u i p m e n t s ，r e d u c e c a b l ec h a n n e lv o l u m ea n ds e c o n d a r ye q u i p m e n tr o o ms i z e ，t h ef a c i l i t y l a y o u t o p t i m i z a t i o np r o g r a mi sr e s e a r c h e di nd e t a i l k e yw o r d s ：d i g i t a ls u b s t a t i o n ，e c t e v t , c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，i n t e l l i g e n t d e v i c e ，e q u i p m e n tl a y o u to p t i m i z i n g i i 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 目j 录。i i i 第1 章绪论 1 1 引言l 1 2 数字化变电站2 1 2 1 数字化变电站技术内涵2 1 2 2 数字化变电站系统结构4 1 2 3 数字化变电站通信网络6 1 3数字化变电站技术与应用现状7 1 3 1 建设情况7 1 3 2 产品状况8 1 3 3 技术状况9 1 4数字化变电站技术特征与发展方向9 1 4 1 现阶段数字化变电站技术特征9 1 4 2 数字化变电站的发展方向1o 1 5论文主要工作1 1 第2 章电子式互感器配置方案研究1 3 2 1电子式互感器1 3 2 1 1 电子式互感器的标准与定义1 3 2 1 2 电子式互感器分类1 4 2 1 3 电子互感器研究现状16 2 1 4 电子式互感器发展趋势及供货现状1 7 2 2电子式互感器选型比较18 2 2 1 电子式电流互感器选型比较1 8 2 2 2 电子式电压互感器选型比较1 9 2 2 3 电子式互感器选型结论。2 0 i i i 东南大学丁程硕： ：学位论文 2 3电子式互感器的配置原则2 0 2 3 1 电子式电流互感器配置原则。2 0 2 3 2 电子式电压互感器配置原则2 0 2 4 电子式互感器配置方案2 l 2 4 1 主变间隔2 2 2 4 2 2 2 0 k v 间隔一2 2 2 4 3 1 l0 k v 间隔2 2 2 4 4 3 5 k v 间隔2 3 2 5重点问题及解决思路2 5 2 6，j 、结2 8 第3 章开关设备智能化方案研究2 9 3 1智能开关2 9 3 2智能终端2 9 3 2 1 i智能终端功能3 0 3 2 2 智能终端通信要求3 2 3 3智能终端选型比较3 4 3 4智能终端安装位置3 5 3 5智能终端布置方式3 6 3 6 重点问题及解决思路3 7 3 7小结3 8 第4 章变电站通信网络设计方案研究 4 1变电站通信网络3 9 4 2变电站层组网方案一4 1 4 3 过程层组网方案一4 l 4 3 1 s m v 采样值网络4 l 4 3 2 g 0 0 s e 网络4 2 4 4重点问题及解决思路4 3 4 5 d 、结4 4 第5 章变电站设备布置优化方案研究 5 1户外a i s 站点一次设备布置优化方案4 5 i v 日录 5 2二次设备布置优化方案4 8 5 3二次电缆沟布置优化方案4 9 5 4 小结5 0 第6 章总结与展望 5 1 6 1本文工作总结5 1 6 2未来工作展望5 1 附录1 ：x x 2 2 0 k v 变电站主接线图 附录2 ：变电站自动化系统配置图 附录3 ：互感器及合并单元配置图 附录4 ：各典型间隔组网及接口方案图 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间取得的研究成果 v 驺 弘 弱 钞 勰 佗 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 变电站自动化技术经过十多年发展已达到一定水平，但目前仍存在诸多问题，如： 二次接线复杂、功能独立缺少集成、数据缺乏有效应用等，有待于新的技术升级。近年 来，随着通信技术、信息技术、电子式互感器技术、数字化保护及测控技术的快速发展， 各制造厂家、科研单位在数字化变电站技术领域作了大量的研究工作，国家电网公司所 属各网省公司跟随技术的发展，分期建设了不同模式的数字化变电站，在i e c6 1 8 5 0 标 准应用、电子式互感器、过程层采样值组网与同步、g o o s e 应用及文件配置、智能开 关设备、在线监测设备、辅助系统集成等技术方面做了大量有益的探索，取得了大量数 字化变电站研究成果和建设经验。 2 0 0 9 年5 月，国家电网公司明确提出建设“具有信息化、自动化、互动化的智能 电网”，计划到2 0 2 0 年全面建成统一坚强智能电网。数字化变电站是电网运行数据的采 集源头和命令执行单元，是智能电网的基础和重要环节，必然且必须要从由创新研究和 示范工程建设阶段走向全面推广应用阶段。 江苏电网规模和自动化水平在全国均处于领先行列，但在数字化变电站，尤其是 2 2 0 k v 及以上应用研究方面尚无业绩。2 0 0 9 年江苏省电力公司将数字化变电站技术研究 列为科技项目。本课题结合该科技项目，研究2 2 0 k v 数字化变电站设计技术，通过在江 苏2 2 0 k v 试点变电站应用，力争实现如下应用价值：( 1 ) 共享信息平台，减少重复投 资；( 2 ) 通信光缆和数据电缆取代控制电缆；( 3 ) 解决传统互感器固有问题，提升测量 精度；( 4 ) 解决i e d 设备间互操作问题；( 5 ) 避免电缆带来的系列抗干扰问题，提高 信号传输可靠性。 在试点变电站技术方案得以成功实施的基础上，课题研究成果可进一步总结优化， 供江苏今后工程推广应用，真正为设计、施工、调试等建设环节减少工作量，实现运行 管理自动化水平的提高。 东南人学工程硕七学位论文 1 2 数字化变电站 1 2 1 数字化变电站技术内涵u 。1 帕 数字化变电站是近年来国内电力系统的研究热点，但目前并无严格的理论定义。 般认为数字化变电站的定义是：变电站内一次电气设备和二次电子设备均实现数字化通 信，并具有全站统一的数据模型和通信平台，在此平台基础上实现智能装置间的互操作 性。 数字化变电站的技术特点主要体现在：一次设备数字化，二次设备网络化，数据平 台标准化。一次设备数字化主要体现为带数字输出的电子式互感器和智能开关；二次设 备网络化体现在二次设备对上和对下联系均通过网络通信；数据平台标准化体现为 i e c 6 1 8 5 0 标准。 数字化的一次电气设备是指具备数字接口的一次电气设备，从而一次系统和二次系 统的信息交互不再依靠二次电缆，而是通过网络通信。数字化的一次电气设备主要包括： 电子式互感器、数字化开关、数字化变压器以及其它数字化的电气辅助设备。 网络化的二次设备是指二次装置能够实现全数字化的信息传输，二次装置之间、二 次装置和站控层设备之间、二次装置和一次电气设备之间均以网络通信方式代替二次电 缆，以实现信息传递。 如果一、二次设备之间实现数字化通信，变电站内智能装置的数量急剧增加，因此 全站智能装置需要采用统一的数据建模及数据通信平台，确保实现互操作性。按照目前 的技术发展现状，i e c6 1 8 5 0 是唯一的一部能够满足变电站内通信和互操作需要的国际 标准，因此数字化变电站内的智能装置应该基于i e c6 1 8 5 0 建模并通信。 图1 - 1 从左至右表示了从常规变电站到数字化变电站二次系统结构上的变化。 2 第l 章绪论 ：兰芝釜控制中心 _ _ _ _ _ - 一一 嫠i 畔电压i 扑 转绞l1 囊 刖设备 图1 1 数字化变电站基本特征示意 数字化变电站技术的运用，有利于变电站的安全稳定运行，也有利于变电站降低成 本： ( 1 ) 新型电子式互感器的运用，避免了传统常规电磁式互感器的磁饱和、铁磁谐 振等问题。电子式互感器可以使得一次系统和二次系统完全隔离。 ( 2 ) 可以大量减少站内二次电缆的数量，简化站内二次接线。节省了二次电缆投 资，也在一定程度上避免了运行中由于二次电缆和二次网络引发的变电站事 故。 ( 3 ) 数字化的一次电气设备一般体积偏小，二次电缆被光缆代替又可以节省电缆 层和电缆沟的空间，这样有利于变电站空间布置的紧凑化。 ( 4 ) 站内智能装置基于i e c 6 1 8 5 0 标准建模并通信，有效的缩短设备调试周期，节 省人工成本。 ( 5 ) 由于数据高度共享，二次系统配置可以简化或者合并，节约了二次系统设备 投资和占地面积。 智能电网概念的提出，赋予了数字化变电站新的内涵。数字化变电站作为智能电网 的物理基础，同时作为高级调度中心的信息采集和命令执行单元，是智能电网的重要组 成部分。作为智能电网当中的一个重要节点，数字化变电站是指以变电站一、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，实现站内 外信息共享和互操作，并以网络数据为基础，实现测量监视、控制保护、信息管理等自 3 铡翌 峨懦冀罗 护爱 俺骧j l l _ l l _ 1 ： 东南人学t 程硕十学位论文 动化功能的变电站。在智能电网环境下，数字化变电站应具有“全站信息数字化、通信 平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化”等四个重要特征。 ( 1 ) 全站信息数字化：实现一、二次设备的灵活控制，且具备双向通信功能， 能够通过信息网进行管理，满足全站信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化。 ( 2 ) 通信平台网络化：采用基于i e c 6 1 8 5 0 的标准化网络通信体系。 ( 3 )信息共享标准化：统一标准化信息模型，实现站内外信息共享。数字化变 电站将统一和简化变电站的数据源，形成基于同一断面的唯一性、一致性基础信息，通 过统一标准、统一建模来实现变电站内外的信息交互和信息共享，可以将传统变电站内 多套孤立系统集成为基于信息共享基础上的业务应用。 ( 4 )高级应用互动化：实现各种站内外高级应用系统相关对象间的互动，全面 满足智能电网运行、控制要求。 1 2 2 数字化变电站系统结构 数字化变电站系统从功能上由变电站层、间隔层和过程层三部分组成，并通过分层、 分布、开放式网络系统实现连接，如图1 2 所示。 ( 1 )过程层 i 坦r 式歼夏1 2 器 疆感器( 塞垒、酝路器、刀阐) 图1 - 2 数字化变电站系统结构 4 变电站层 电站层秘络 间隔层 程层网络 过程层 第1 章绪论 过程层是一次电气设备与二次智能装置的结合面，或者说过程层是指电气设备的 数字化接口部分。过程层的主要功能分三类：电力运行的实时电气量检测、运行设备的 状态参数检测、操作控制执行与驱动。 1 ) 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、电压以及谐波 分量的检测，其他电气量如有功、无功、频率可通过间隔层的设备运算得出。与传统方 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电子式电流互感器光电电 压互感器取代；采集值模拟量传送被采用数字化传送所取代。 2 ) 运行设备状态参数在线监测与统计。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、隔离开关、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。在线监测的 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。 3 ) 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、隔离开关合分控制，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 置的跳闸指令、电压无功控制的投切命令、对断路器的遥控开合命令等。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。例如对真空断路器的同步操作要求能做到断路器触头在零电 压时关合，在零电流时分断等。 ( 2 )间隔层 间隔层设备主要实现保护和监控功能，并实现相关的控制闭锁和间隔级信息的人机 交互功能，间隔层设备可以通过间隔层总线实现设备间相互对话机制，间隔层设备可以 集中组屏或就地下放。间隔层设备的主要功能是： 1 ) 汇总本间隔过程层实时数据信息。 2 ) 实施对一次设备保护、控制、测量、计量等功能。 3 ) 实施本间隔操作闭锁功能以及间隔之间的联闭锁功能。 4 ) 实施操作同期及其他控制功能。 5 ) 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。 6 ) 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。 ( 3 )变电站层 变电站层设备包括变电站就地操作后台系统、外部数据交互接口( 控制中心数据转 s 东南人学- t 程硕： ：学位论文 发、保护信息管理系统数据接口、设备管理系统) 和通用功能服务等。通用功能服务模 块通过间隔层设备传送来的信息实现变电站级跨间隔的控制服务，如变电站防误闭锁功 能、电压无功控制，也可接收来自控制中心的命令实现区域系统防误操作、区域安全稳 定控制和区域电压无功优化控制等功能。变电站层的主要任务是： 1 ) 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。 2 ) 按既定协议将有关数据信息送往调度或控制中心。 3 ) 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。 4 ) 具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能。 5 ) 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，甚 至图像、声音等多媒体功能。 6 ) 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。 7 ) 具有( 或备有) 变电站故障自动分析和操作培训功能。 1 2 3 数字化变电站通信网络 i e c6 1 8 5 0 按照变电站内监控和继电保护二大功能，从逻辑和功能上将未来变电站 内智能设备分为三层1 1 5 , 1 6 1 ：变电站层、间隔层和过程层，如图1 3 所示，它定义了数字 化变电站功能分层和接口模型，这是i e c6 1 8 5 0 标准系列的基础。 远方控制中心技术支持 远 7 二高压设备7 二、-， 图1 3i e c 6 1 8 5 0 标准中定义的变电站内通信结构 按照i e c6 1 8 5 0 的观点，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， 6 第1 章绪论 与之对应，在逻辑层次上，数字化变电站通信网络分为过程层网络和变电站层网络，分 别连接过程层、间隔层和变电站层设备。 ( 1 )过程层网络 过程层网络分为s m v 采样值网络和g o o s e 网络。前者的主要功能是实现电流、 电压交流采样值的上传；后者的主要功能是实现开关量的上传及分合闸控制量的下行。 ( 2 )变电站层网络 功能和结构与传统变电站的监控网络基本类似，依靠m m s g o o s e 进行通信，实 现全站信息的汇总及防误闭锁等功能。 现有的大多数变电站自动化系统中，并没有独立的逻辑接口4 和5 ，因为过程层大 多数功能都是在间隔层中实现的，过程层到间隔层通常采用大量的并行电缆进行连接。 过程层和过程总线通信这两个新概念的提出与电子式互感器技术和智能电气设备技术 的发展是密不可分的。 1 3 数字化变电站技术与应用现状 1 3 1 建设情况 以国网公司系统内各地上报的6 6 座( 截止到2 0 0 9 年5 月2 6 日的统计数据) 数字 化变电站为调研样本，对公司内的数字化变电站建设情况进行分析。3 0 座为已经投运， 占总数的4 5 5 ；3 2 座为在建站，占总数的4 8 5 ；其余为规划中建设。从统计来看， 目前已投、在建数字化站的主要技术可分为： ( 1 ) 间隔层以上采用i e c 6 1 8 5 0 标准； ( 2 ) 过程层以上采用i e c 6 1 8 5 0 标准； ( 3 ) 个别早期数字化站过程层采用i e c 6 0 0 4 4 标准，间隔层以上采用i e c 6 1 8 5 0 标 准。 从统计来看，目前已投、在建数字化站所采用主要设备可分为： ( 1 ) 间隔层以上采用基于i e c 6 1 8 5 0 标准的设备； ( 2 ) 过程层采用电子式互感器、常规互感器；开关设备采用智能操作箱、电缆接 线连接； ( 3 ) 过程层设备构成可能是上述设备应用的各类组合。 总体上看，数字化变电站主要存在两种模式。一是间隔层以上应用i e c 6 1 8 5 0 标准 7 东南人学t 程硕i ：学位论文 的建设模式，主要是在间隔层和站控层之间采用i e c 6 1 8 5 0 标准建模和进行通信交互， 采用映射到m m s ( 制造报文规范) 的方法，应用i e c 6 1 8 5 0 标准。二是过程层以上应 用i e c 6 1 8 5 0 标准的建设模式，该模式较之传统变电站的变化，在于信息的数字化进程 触及到了过程层及其一次设备。就应用情况而言，由于开关类设备目前尚不具备智能化 条件，多以智能操作箱对其进行测控、保护跳闸等；对于互感器则采用数字输出电子式 互感器、模拟输出电子式互感器或传统互感器。 1 3 2 产品状况 目前，国内参与数字化变电站相关研发的主要厂家有南京南瑞继保有限公司、北京 四方继保自动化股份有限公司、国电南京自动化有限公司、许继电气股份有限公司、南 京新宁光电自动化有限公司、国电南瑞科技有限公司、深圳南瑞科技股份有限公司、中 国电力科学研究院等几家公司与科研单位。这些公司与科研单位基本都参与了国调中心 组织的6 次国内i e c 6 1 8 5 0 互操作实验，部分厂家还通过了国际权威机构荷兰k e m a 公 司的i e c 6 18 5 0 一致性检测与认证。国内厂家已能提供数字化变电站全系列站控层、间 隔层设备，可实现设备国产化。 截至目前，国内已有的数字化变电站相关研发产品主要有：电子式互感器及合并单 元、数字接口智能终端、全系列数字化接口继电保护及测控装置、支持i e c 6 1 8 5 0 标准 的全套监控设备及软件、数字化接口测试仪、工程配置工具。 ( 1 ) 电子式互感器。国内几个二次设备主流厂家均有电子式互感器的相关系列产 品。多数产品通过必要的型式试验，部分产品已有3 5 年的挂网运行经验。国内电子 式互感器的实现原理和制造工艺不断改进，已具备一定的技术水平，但其长期运行的可 靠性和稳定性还有待于进一步考核。 ( 2 ) 数字接口智能终端。智能终端就地实现高压开关设备的遥信、遥控、保护跳 闸等功能，并通过基于i e c6 1 8 5 0 标准的通信接口实现与过程层的通信功能。目前，国内 已有一系列的智能终端设备，并有一定的运行经验，智能终端设备可以作为现阶段实现 一次设备完全智能化相对困难时，实现一次设备数字化现实有效的方法。 ( 3 ) 数字化变电站间隔层和站控层设备。国内几个二次设备主流厂家均有符合 i e c 6 1 8 5 0 标准的全系列数字化接口继电保护及测控装置、监控设备，具有较高技术成熟 度。还研制了基于i e c6 1 8 5 0 标准的新型数字化接口测试仪，可完成数字化变电站新型 数字式保护装置的调试工作。 8 第1 章绪论 ( 4 ) 电子式电能表。部分厂家研发了具有全数字接口，支持i e c6 1 8 5 0 9 标准的电 子式电能表。个别厂家还获得了计量许可证。 总之，国内数字化变电站的相关产品技术水平发展迅速，具有较高的技术成熟度， 在各地数字化变电站示范工程建设中得到普遍采用。 1 3 3 技术状况 针对上述统计分析，目前完成的数字化变电站建设主要特点是： ( 1 ) 2 2 0 k v 以上数字化变电站主要基于间隔层以上应用i e c 6 1 8 5 0 标准的模式为 主，较少涉及过程层的改造： ( 2 ) 2 2 0 k v 及以下数字化变电站涉及过程层以上应用i e c 6 1 8 5 0 标准的模式，但总 体较为审慎； ( 3 ) 在过程层数据采集与传输标准上，i e c 6 1 8 5 09 1 应用最多，i e c 6 0 0 4 4 8f t 3 只有个别厂家应用，。i e c 6 18 5 09 - 2 刚刚开始应用； ( 4 ) 在统一建模和一致性测试方面，工作明显滞后；数字化变电站性能测试、全 站试验的案例较少，尤其是全站动模试验； ( 5 ) 由于一次设备智能化的滞后，没有一个采用智能一次设备，全部采用智能终 端与传统开关相结合模式。 1 4 数字化变电站技术特征与发展方向 1 4 1 现阶段数字化变电站技术特征 ( 1 ) i e c 6 1 8 5 0 标准的应用 现阶段数字化变电站的第一大特点是i e c 6 1 8 5 0 标准的应用。i e c 6 1 8 5 0 标准与以往 的通信规约相比，有着本质的不同。以往规约主要用于传输电力系统实时数据和一些定 值及配置信息，完全基于点表方式，缺乏对变电站系统模型和功能模型的描述，也没有 将系统应用与通信技术进行分层处理，同时还缺乏一致性测试，因此变电站自动化系统 的应用受到通信技术的限制，传输的信息量偏少，且互操作性差，扩展性差。 i e c 6 1 8 5 0 标准采用面向对象的思想对变电站自动化功能进行统一建模，明确了一 致性测试标准，将变电站自动化系统功能与通信技术进行有效分离。其优点具体表现在： 分层的智能电子设备和变电站自动化系统，满足实时信息传输要求的服务模型，采用抽 9 东南大学t 程硕上学位论文 象通信服务接口、特定通信服务映射，以适应网络发展。采用对象建模技术，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要求。采用配置语言，在信息 源定义数据和数据属性，传输采样测量值。采用一致性测试，可以验证和测试同一制造 商或不同制造商的i e d 之间交换信息和互操作能力。 总之，应用i e c 6 1 8 5 0 ，变电站的信息化、标准化和互操作性大幅提升，为电力系 统一直在大力推广的“统一标准、统一模型、互联开放”奠定了基础，使变电站信息建 模标准化成为可能，信息共享具备了可实旄的基础。 ( 2 ) 非传统互感器应用 现阶段的数字化变电站的第二大特点是基于传统互感器或电子式互感器的分布式 同步采样技术的应用。传统互感器或电子式互感器通过合并单元，以通信报文方式提供 面向一个间隔，甚至是跨间隔的多个个模拟量，站中的二次电缆大量减少，二次保护与 测控设备a d 单元取消，设计趋于简化。从源头统一采集资源并实现数字化，简化了二 次系统设计，实现了全站数据的一致性、唯一性，减轻了二次系统检修工作量。 ( 3 ) 通信网络的重要性同益突出 现阶段的数字化变电站的第三大特点是通信的重要性迅速上升。数字化变电站建立 在通信体系上，其核心纽带就是通信。一旦通信除了问题，直接影响系统安全，危及电 网的安全运行。可以说，通信安全性和可靠性上升到非常重要的地位。 1 4 2 数字化变电站的发展方向 数字化变电站的技术发展方向从外观上向小型化、模块化方向发展；在功能上向标 准化、智能化方向发展；在可靠性上向自诊断、自治方向上发展。主要技术发展方向有 以下几点： 一是高度的数字化和信息化。纵观变电站自动化的发展历程，就是一个数字化范围 不断扩大的过程。变电站自动化发展到了数字化变电站阶段，信息数字化的范围逐渐由 二次设备延伸到一次设备中。伴随着数字化技术的发展，信息化也自然成熟起来，变电 站自动化从最初只能处理遥测和遥信，发展到处理四遥，处理保护事件和保护波形，信 息化的内容越来越多，可视、可利用的信息越来越多，可以认为，数字化变电站与传统 变电站的一个重要区别就在于其更加信息化。由此可见，数字化、信息化是数字化变电 站的发展方向。 二是信息交互标准化。虽然变电站的信息越来越多，但由于设计理念的不同、算法 1 0 第1 章绪论 的不同、模型的不同，导致信息差异巨大，难以充分利用。i e c 6 1 8 5 0 的应用就是要实 现“一个世界、一种技术、一种标准 ，其主要目的也是提供标准化信息和交互流程， 便于互相访问和方便地提取信息。从国内变电站自动化发展史也可以看出，从五花a v j 的通信规约逐步过渡到国家标准、国际标准，再加上一致性测试，走的就是标准化的道 路。标准化的信息模型和交互方式是数字化变电站的发展方向。 三是对电网提供数据支撑。未来数字化变电站不仅会对电网安稳、调度等传统业务 提供基础信息支撑和技术实现支撑，还可以通过对区域电网态势的感知，实现区域电网 的自适应调节，进一步保证电网安全可靠、经济高效地运营。 四是各专业日趋融合。由于数字化变电站强调了信息的共享和继承应用，站内信息 的采集、处理、传输和应用突破了以往专业管理以装置为划分界面的模式，各种系统不 再孤立，常规变电站的保护专业、自动化专业及通信专业工作界面完全打破，各专业的 融合将成为技术发展的必然趋势。 1 5 论文主要工作 本课题在跟踪国内外一次设备智能化、二次设备网络化、以及i e c6 1 8 5 0 标准应用 等方面基础研究和试点应用成果基础上，结合江苏省电力公司“2 2 0 k v 数字化变电站标 准化研究与应用 科技项目，以某2 2 0 k v 数字化变电站( 附录l ：主接线图，附录2 ：自 动化系统配置图) 工程为研究背景，研究2 2 0 k v 数字化变电站设计技术，探索适合江苏 电网、数字化较为全面的2 2 0 k v 变电站设计技术，并形成具体实施方案。论文的主要 工作如下： 第一章分析数字化变电站的技术内涵，综述了国内数字化变电站技术与应用现状， 指明了其技术特征及其发展方向，明确了论文研究内容，为论文的后续分析奠定了基础。 第二章分析电子互感器的工作原理、技术发展趋势，对现有电子式互感器性能做了 比较研究，提出了2 2 0 k v 数字化变电站电子式互感器配置原则，并给出了2 2 0 k v 数字 化变电站电子式互感器典型配置方案。 第三章基于现阶段智能开关设备研究进程相对缓慢和滞后的现状，提出了在实际工 程应用中采用智能终端作为开关设备的接口实现开关设备智能化的替代方案。研究了智 能终端的功能与通信要求，提出了智能终端集中式和分布式两种典型现场布置方案。 第四章研究数字化变电站站控层网络、采样值传输网、g o o s e 报文传输网的特征 1 2 第2 章电了式互感器配置方案研究 第2 章电子式互感器配置方案研究 数字化变电站电子式互感器配置方案研究主要包括两个方面：不同类型的电子式互 感器基本工作原理，运行性能、国内外设备生产厂家供应情况；电子式互感器在2 2 0 k v 数字化变电站中的配置原则与配置方案。 2 1 电子式互感器 常规的电磁式互感器由于存在饱和、铁磁谐振过电压、绝缘结构复杂等缺点，已越 来越难以适应电力系统的发展。在此背景下，电力系统的科研工作者进行了电子式互感 器的研究，并在最近几年取得重大进展。 2 1 1 电子式互感器的标准与定义1 1 7 i 鉴于光电互感器以及其他新型互感器的快速发展，国际电工委员会( i e c ) $ 1 j 定了电 子式电压互感器标准i e c6 0 0 4 4 7 、电子式电流互感器标准i e c6 0 0 4 4 8 。按照 此标准，电子式互感器的含义包括所有的光电互感器及其他使用电子设备的互感器。此 标准还规定了电子式互感器的使用条件、额定值、接地方式、实验要求等。 电子式电流互感器是在正常使用条件下，其二次转换器的输出实质上正比于一次电 流，且在联结方向正确时相位差约为零的电流测量装置。国际电工委员会( i e c ) $ 1 j 定的 电子式电流互感器标准i e c6 0 0 4 4 8 标准给出了电子式电压互感器的通用框图， 如图2 1 所示。 m r 维修申请 图2 - 1单相电子式电流互感器的通用框图 一次电流传感器包括电气、电子、光学或其他类型的装置，用以传输信息到二次设 东南大学t 程硕：i 二学位论文 备，直接或采用一次转换器，产生正比于一次端子电流的信号；一次转换器是一种转换 信号的装置，将来自一个或多个一次电流传感器的信号转换成适合于传输系统的信号； 传输系统是指一次和二次部件问传输信号的短距或长距耦合装置，例如光纤；一次电源 是向一次转换器和或一次电流传感器供电的电源；二次转换器将传输系统传来的信号 转换成为正比于一次端子电流的量，供给测量仪器、仪表、保护及控制装置。对于模拟 量输出的电子式电流互感器，二次转换器的输出直接供给测量仪器、仪表和保护或控制 装置。对于数字量输出的电子式电流互感器，二次转换器的输出一般通过合并单元供给 二次设备。合并单元是一种物理单元，用以对来自二次转换器的电流和或电压数据作 时间相干组合。合并单元可以是现场变换器之一的一个部件，也可以是单独的单元，例 如装在控制室里。 电子式电压互感器是由一次电压传感器、传输系统和转换器组成，用于传输正比于 被测量的信号，供给测量仪器仪表、保护或控制装置。国际电工委员会( i e c ) $ 1 j 定的电 子式电压互感器i e c6 0 0 4 4 7 标准，该标准给出了电子式电压互感器的通用框图，如 图2 2 所示。 曰 图2 2 单相电子式电压互感器的通用框图 一次电压传感器由分压器( 电阻式或电容式) 或光学装置实现；一次转换器将传感器 的输出信号进行适当变换，并变换为光信号送入光纤，同时必须保证系统要求的准确度。 目前一次转换器可以采用3 种实现方式：模拟调制方式、电压频率转换( v f c ) 方式、模 数转换( a d c ) 方式。 2 1 2 电子式互感器分类1 1 7 l 电子式互感器根据其高压部分是否需要工作电源，可分为有源式和无源式两大类， 如图2 3 所示。有源型是指在传感部分( 高压部分) 因有电子电路需要用电源；无源型 1 4 图2 - 3 电子式互感器分类示意图 无源型互感器基于f a r a d a y 效应磁光变换原理和p o c k e l s 效应电光变换原理，由于 存在双折射和光学材料温度稳定性问题，实用化进程比较缓慢。基于传统测量器件和数 字通信的有源型电子式互感器，传感单元性能稳定，是目前最接近实用的测量方案，比 较典型的是无铁心的空心线圈( r o g o w s k i ) 电流互感器、电阻分压或阻容分压的电压互 感器等。 有源型电子式互感器具有体积小、重量轻、暂态响应和运行性能良好等优点，由于 其输出一般是微弱的电信号( 毫伏级) ，故将其用于高电压系统时，需就地数字化，并 通过光纤传输。由于电子式互感器和间隔层的保护、测控等设备一般来自于多个生产厂 商，为保证兼容性和互操作性，设备之间数字化接口通信的标准化十分重要，这是目前 电子式互感器应用于变电站中亟待解决的重要问题。 东南大学丁程硕f ：学位论文 2 1 3 电子互感器研究现状 国外一些大公司凭借其强大的技术和经济实力，早已涉足电子式互感器的研制领域， 并已实现产品化，在一些变电站投入使用。 a b b 公司已经研制出可用于6 9 k v 到7 6 5 k v 电压等级的光电电流互感器，测量电 流范围为5 a - 2 0 0 0 a ，准确度达到士o 2 ；同时研制了用于g i s 中的复合电子式电压、 电流互感器，电流测量范围为5 a , - 一2 0 0 0 a ，电压测量范围为6 9 k v 一- 5 0 0 k v ，准确度都 达到士0 2 ，电压测量采用电容环测量，不用分压器。其电子式互感器已在插接式智能 组合电器( p a s s ) 、g i s 、高压直流( h v d c