（电气工程专业论文）iec+61850标准应用于变电站技术改造的研究.pdf

浙江人学硕i j 学位论文 摘星 a b s t r a c t i e c618 5 0i ss of a rt h em o s tp e r f e c ts u b s t a t i o ns y s t e m sc o m m u n i c a t i n g s t a n d a r db yl e t t e r i th a st u r n e di n t ot h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no w i n gt oi e c618 5 0 s t a n d a r dd i g i t i z a t i o nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n si no u rc o u n t r ys u b s t a t i o nt e c h n o l o g y o p e r a t i o na n da d m i n i s t r a t i o nt oo u rc o u n t r ys u b s t a t i o nw i l lb r i n ga b o u tf a r - r e a c h i n g i n f l u e n c e a tp r e s e n t ，m a n yd i g i t i z a t i o nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n so w i n gt oi e c6 18 5 0 s t a n d a r dh a v eb u i l ti nt h eh o m e l a n d t h ea p p l i c a t i v ep a t t e m ，d e p t hd i f f e rf r o mo n e a n o t h e r b u ta s p e c ta p p l yv e r yf e wt o r u n n i n gs u b s t a t i o ne q u i p m e n tm a k eo v e e b a s i c a l l yi st a k e st h ei e c6 18 5 0s t a n d a r d st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lu s e t h e d e p t ha p p l y i n gi si n s u f f i c i e n t s t i l lh a v eal o to fp r o b l e mi nt h er e s p e c to fr u n n i n ga t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nr e f o r ma p p l i c a t i o nr e m a i n i n gt ob es o l v e d d e v e l o p m e n to ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nc o u r s e ，t h em a i nb o d yo fab o o kh a s b e e ni n t r o d u c e df i r s ts i m p l e l y , i e c618 5 0s t a n d a r dc h a r a c t e r i s t i c sa n di e c618 5 0 s t a n d a r da d v a n t a g ea p p l y i n g i th a ss u r v e y e dr o u t i n et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n t e c h n i c a lt r a n s f o r m a t i o nc u r r e n ts i t u a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c i th a sa n a l y s e dt h e f e a s i b i l i t yt h a tr o u t i n et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nd i g i t i z a t i o nr e f o r m s a n dt h e n , t oi e c 618 5 0s t a n d a r d sa p p l yt or o u t i n et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ne q u i p m e n tm a k eo v e rh a v e b e e ni n p r o g r e s ss t u d y i n g s u g g e s tt h a t t h e t e c h n o l o g ys c h e m e a n ds c e n e i m p l e m e n t a t i o np l a n f i n a l l y , h a sc a r d e do nt h es u m m a r yt ot h ef u l lt e x t ，h a s f o r e c a s tt h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nm o v e m e n ta n dt h em a n a g e r i a lt e c h n i q u er e s e a r c h d i r e c t i o n f u l lt e x ti sm a i nc o n t e n ta sf o l l o w s ： i th a ss t u d i e dt h et e c h n o l o g ys c h e m eo fs u b s t a t i o nd i g i t i z a t i o nr e f o r m sa n dt h e i n t e l l i g e n c eu n i ta s s e m b l i n go nt h es p o t i th a sr e f o r m e dt h ep r i m a r ye q u i p m e n t m a k i n g u s eo fm a t u r es e c o n d a r yt e c h n i q u e ，e x a l t i n g p r i m a r ye q u i p m e n t i n t e l l e c t u a l i z e dl e v e l i tp e r f e c t ss e c o n d a r ye q u i p m e n t ，a d a p t i n gt ot h et r a n s i t i o n a l d e m a n di nt h er e f o r m i n gp e r i o d i tp a s s e st h en e t w o r ke x c h a n g em e s s a g e ，s t r u c t u r e s t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k i ta l s o e x p a t i a t e s o nt h e 浙江人学硕f j 学位论义摘要 p r o g r a m m e do p e r a t i o no ft h ew h o l es u b s t a t i o n sp r i m a r y ，s e c o n d a r ye q u i p m e n ta n d a d o p t sg o o s em e s s a g et or e a l i z ep r o t e c t i o nt r i p sa n dp r o t e c t i o nc l o s i n g ，s t a r t u p a t r e s i ab e t w e e np r o t e c t i o na n de q u i p m e n to p e r a t i o n t h et h e s i sh a ss t u d i e dt h es c e n ei m p l e m e n t a t i o np l a no fe q u i p m e n tr e f o r m s a n di th a sw o r k e do u tt h ef a c t o r yt e s t i n gc o n t e n t ，t h es c e n ei m p l e m e n t i n g p l a n ，t h e p r o t e c t i v er e l a y i n g st r a n s i t i o ns c h e m ea n dt h ee q u i p m e n t sa n t i m i s t a k eo p e r a t i o n t a c t i c so ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nr e f o r m i n g k e y w o r d s ：i e c6 18 5 0 g o o s ea p p l i c a t i o n s d i g i t a ls u b s t a t i o nt e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a t i o nt r a n s i t i o ns c h e m e 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂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谢意。 学位论文作者签名亏伯佘签字眺吖年2 月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿态堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乡循缸 签字日期：吖年，2 月7 日 导师 解嗍：呷钆堋7 日 浙江人学硕 j 学化论文 敛谢 致谢 衷心感谢吴国忠教授和何云良高工对我论文工作的大力支持。在完成学位 论文的过程中，吴教授严谨踏实的治学态度、开拓进取的科学精神、诲人不倦 的教育风范，给我树立了榜样，使我更加认真努力学习，提高论文的水平。 感谢在我研究生课程学习阶段给我上课的老师。 感谢金华电业局各位领导给我创造很好的学习、研究的机会。 感谢我的家人，感谢所有曾给我帮助的人，祝他们学习顺利、事业成功! 李有春 20 0 9 年10 月于浙江大学 浙江人学坝i 学位论文绪论 1 绪论 1 1 引言 5 0 0 k v 双龙变于1 9 9 7 年投运，是国内首座采用计算机监控系统的5 0 0 k v 变 电站。投运以来，系统经历多次扩建，接入的信息量也相应增加了近3 倍，相 应的具体功能也扩充了很多，系统设备的配置形式呈多样化趋势。从多年的运 行情况看，双龙变计算机监控系统运行安全、稳定、可靠，各项功能和技术指 标满足变电站安全运行的需要。但是双龙变计算机监控系统投运至今已达1 2 年，系统设备暴露的问题较之往年明显增多，而且西门子公司l s a6 7 8 系列产 品已于2 0 0 2 年停产，自2 0 1 1 年9 月起不再为开关联闭锁装置l s a8 t k 提供备 品备件，一旦系统发生故障，将危及变电站安全运行。 公司已专门立项研究延长5 0 0 k v 双龙变计算机监控系统的使用寿命，已取 得了一定的成果，但是双龙变计算机监控系统势必要进行改造，必须提前谋划、 早做准备。 目前每年都有大量的变电站需要进行技术改造，改造的工作量和投资非常 庞大，改造工作给电网安全运行带来了挑战，必须探索、研究运用新技术进行 变电站改造。 众多基于i e c6 1 8 5 0 标准的数字化变电站建成投运，尤其是5 0 0 k v 兰溪( 芝 堰) 变采用了就地安装的智能单元、g o o s e 技术的运用和实现程序化操作为 50 0 k v 变电站技术改造提供了新的思路。 常规变电站设备技术改造面临着电网安全运行、设备停役难以安排以及技 术条件复杂等诸多困难，数字化变电站成功建设的经验并不完全适用于常规变 电站改造，不能照搬照套，i e c6 1 8 50 标准在常规变电站设备改造的应用需要 根据具体情况作专题研究。 1 2 课题意义 根据本课题研究成果，常规变电站运用新技术进行技术改造，使常规变电 站具有数字化特征，提高智能化水平，自动化系统满足变电站运行和管理要求。 浙江人学坝 ：学位论文 绪论 本课题研究成果对于变电站设备技术改造具有较强的指导、示范作用和推广价 值。表现在： ( a ) 保护原有设备投资，对于运行状况良好的一次设备不进行更换改造，对 其进行智能化改造，提升智能化水平； ( b ) 采取切实有效的过渡方案和措施，有效解决了实施过程的难点，降低了 改造过程中的安全风险和电网运行风险； ( c ) 减少了现场调试工作量，缩短了改造实施所需的设备停役时间，提高了 电网可靠性和供电保障能力。 1 3 研究现状和趋势 ( 1 )数字化变电站研究现状 国际上数字化变电站的研究已由实验室阶段进入实际工程应用阶段，2 0 0 2 年9 月进行的第一次i e c6 1 8 5 0 标准的互操作试验以后，工程应用的步伐明 显加快了，目前，全数字化变电站已有一些运行案例。 从1 9 9 5 年德国提出制定i e c6 18 5 0 标准的设想开始，我国就一直关注i e c 6 1 8 5 0 的发展，国家电网公司等电力公司、科研院校全面开展了研究工作，国 内设备制造商也积极进行了标准研究和产品开发。近年来对i e c6 1 8 5 0 标准的 研究以及设备研制和工程实践有重大意义的事件有： ( a ) 2 0 0 4 年以来国调中心成功组织了6 次大规模互操作试验n ； ( b ) 2 0 0 8 年投运的浙江2 2 0 k v 外陈( 宣家) 变采用南瑞科技、南瑞继保、 g e 等八家国内外设备制造商的i e d 装置互联，现场验证了i e c6 1 8 5 0 标准的互 操作性； ( c ) 2 0 0 9 年4 月浙江省电力公司发布了企业标准q g d w - 1 1 - 1 5 2 - 2 0 0 9i e c 6 1 8 5 0 工程应用模型； ( d ) 2 0 0 9 年4 月1 5 日5 月2 2 日国家电网仿真中心对5 0 0 k v 兰溪( 芝堰) 、 海宁变电站全站保护系统进行了国内外首次全站二次设备的系统级整体动模试 验。考验了采用i e c6 18 5 0 标准的保护及二次设备设备在故障期间的动作行为、 整体配合性能、各类保护及录波信息的正确性。 ( 2 ) 新建变电站的数字化实践 目前国内设备制造商已能提供数字化变电站所需的大部分设备，现已有多 浙江人学硕 j 学位论文 绪论 个基于i e c6 1 8 5o 标准的变电站投入运行3 ，例如，西安1 10k v 少陵变、云南 1 10k v 翠峰变、山东2 20 k v 午山变、广西5 0 0 k v 桂林变、浙江50 0 k v 兰溪( 芝 堰) 变等。i e c6 1 8 5 0 标准的深化应用已初步具备条件。 20 0 9 年7 月投运的浙江50 0 k v 兰溪( 芝堰) 变电站为国家电网i e c6 1 8 5 0 标准示范工程，各类设备统一建模，其自动化系统主要特点是全站间隔层设备 ( 继电保护、测控和录波器等) 均采用i e c6 18 5 0 标准与变电站层设备通信， 采用智能终端并就地安装在开关场地实现间隔内开关闸刀等操作及信号反馈， 全站5 0 0 k v 及2 2 0 k v 继电保护和故障录波器均采用g o o s e 技术传输实时保护信 号，全站测控装置采用g o o s e 技术间隔联闭锁信号。 ( 3 ) 数字化改造实践 当前，一谈起数字化变电站，言必称电子式互感器、智能化断路器、全数 字化变电站，对于变电站设备改造，首先想到的是更换二次设备和互感器，很 少考虑巨大的设备投资，设备制造商基本上不开展常规变电站改造方面的研究 工作。 各网、省电力公司对常规变电站数字化改造进行了一些研究，工程实践涉 及各种电压等级的变电站，数字化改造的模式不同、i e c6 1 8 5 0 标准应用的深 度不一，为常规变电站数字化改造积累了经验。 ( a ) 上海5 0 0 k v 南桥变电站 南桥变电站计算机监控系统改造采用了西门子公司产品，分为间隔层i o 测控系统和变电站层后台人机系统，根据南桥变小室分布间隔层i o 测控系统 分为5 个环网，采用1 0 0 m b i t s 冗余光纤以太网，设备间的通信基于i e c6 1 8 5 0 标准。断路器、隔离开关联闭锁信息通过g o o s e 机制传送，成功实施了基于g o o s e 技术的监控系统防误操作方案( 4 - 5 j 。 ( b ) 北京5 0 0 k v 顺义变电站 北京5 0 0 k v 顺义变电站改造考虑在间隔层和变电站层实现i e c6 1 8 5 0 标准。 改造时逐步将后台监控系统、测控装置、保护装置和其他站内智能设备改造为 支持i e c6 1 8 5 0 标准。未改造的设备使用原有的网络，已改造的设备构成一个 新的i e c6 18 5 0 网，改造期间两个网络互相独立，同时接入后台监控系统。改 造完成后，原有二次网络被新的i e c6 18 5 0 网络取代，实现间隔层和变电站层 设备的数字化。顺义变改造主要与间隔层和变电站层有关，不涉及过程层设备。 浙j i = 人! 学坝f 学化论义绪论 ( c ) 上海5 0 0 k v 徐行变电站 5 0 0 k v 徐行变电站数字化改造正处于前期准备阶段。将选择挣2 主变间隔进 行试点，5 0 0 k v 侧选用光互感器，中低压侧选用常规电流互感器，过程层采用 网络方式实现采样值、开入开出量的传输。采用三个就地设备舱解决老站改造 的屏位问题。 ( 4 ) i e c6 1 8 5 0 标准的应用分析 基于i e c6 1 8 5 0 标准的数字化变电站工程实践取得了很大的效果，成果主 要应用在新建变电站工程，较少应用在常规变电站数字化改造。 前文所述三座变电站改造案例基本上代表了目前国内5 0 0 k v 变电站数字化 改造的模式和应用水平，新建变电站的成功应用未能在变电站改造工程中得到 进一步应用。究其原因，除了改造安全压力大、电网运行风险高、设备停役困 难等原因外，还有技术及工程实施方面的因素。 ( a ) 常规变电站数字化改造的研究有待进一步加深； ( b ) 现有符合i e c6 1 8 5 0 标准的产品比较适合在新建变电站使用，对于变电 站改造，设备缺乏针对性； ( c ) 改造期间，新旧设备同时运行，现场实施工作难度大，尤其是母差保护 和设备防误操作方面； ( d ) 改造工程管理复杂。 ( 5 ) 发展趋势 随着对i e c6 1 8 5 0 标准研究的不断深入，基于i e c6 1 8 5 0 标准的产品不断 完善、数字化变电站工程实践的广泛开展，应用的深度、广度都将不断增加， 不但新建变电站将全面应用，常规变电站改造也将广泛应用该标准。 1 4 研究内容 变电站设备改造大致有三种方式，一种是全站异地重建，重建期间变电站 继续运行，待新变电站建好后再改接线路投运，老变电站退出运行，这种改造 方式类似于新建一座变电站；第二种方式是全站原址重建，将现有变电站停运 进行原地址重建，这种改造方式也是新建一座变电站；第三种是改造期间变电 站继续运行，逐个间隔顺序停役进行改造。只有极少数变电站有条件采用第一、 二种改造方式，绝大多数变电站改造只能采用第三种方式。 4 浙江人学顾 j 学位论文 绪论 本课题针对第三种改造方式开展研究工作，研究内容是5 0 0 k v 变电站采用 i e c6 18 5 0 标准进行设备改造的技术方案和实施方案。技术方案涉及变电站通 信网络建设、提升一次设备智能化水平等关键技术研究；实施方案主要是研究 设备停役改造的计划以及改造期间继电保护、设备防误操作方面的过渡方案。 ( 1 ) 变电站通信网络的研究 变电站通信网络是联接全站智能电子设备( i e i ) ) 的纽带，是变电站数字化 改造的关键，i e c6 18 5 0 标准并未对网络的物理结构作具体规定，标准指出，“通 信总线可以采用不同的组网方式，这取决于数据流要求、可靠性要求或安装过 程中的具体情况”。 ( 2 )传统一次设备智能化改造研究 研究提升传统一次设备智能化水平方案，设计一种适合在开关场安装的智 能单元，具备支持常规互感器测量的功能，具备信号采集功能，能够进行断路 器、隔离开关分合闸控制，基于i e c6 1 8 5 0 标准采用通信方式交换信息，实现 传统的互感器、断路器、隔离开关和网络化二次设备间信息共享和互操作。 ( 3 ) 二次设备改进研究 基于i e c6 1 8 5 0 标准，根据常规变电站设备特点和数字化变电站设备需求， 以及变电站设备改造过程中的过渡需求，改进、完善现有的二次设备，保障改 造工程顺利实施。 ( 4 ) g o o s e 技术应用研究 根据通用面向对象的变电站事件( g e n e r i co b j e c to r i e n t e ds u b s t a t i o n e v e n ，g o o s e ) 技术机制，研究采用g o o s e 技术实现全站设备防误操作、保护动作 跳合闸、保护间相互启动闭锁，研究g o o s e 技术应用的实现方法、安全策略。 ( 5 )程序化操作方案研究 变电站程序化操作是指利用变电站自动化系统中的程序化控制程序或模块 对变电站传统操作票和操作程序进行描述，结合完善的防误操作闭锁逻辑，通 过变电站二次设备实现变电站电气一次、二次设备的自动控制，从而实现对应 间隔设备的倒闸操作“。目前变电站程序化操作主要应用于g i s 设备，对二次 设备的操作应用较少，本课题研究的程序化操作方案面向一次设备和二次设备， 实现全站设备程序化操作。 浙i 1 人学顾 j 学位论义 绪论 ( 6 ) 继电保护过渡方案研究 新旧继电保护设备共存，两类保护跳合闸出口、相互启动闭锁等功能的实 现方法不同，旧保护采用二次回路实现，而新保护采用g o o s e 技术。研究如何 实现新、旧保护配合，确保变电站设备在改造期间不失去保护是本课题的重点 之一，也是保证变电站改造成功的关键，这其中母差保护是重点。 ( 7 ) 设备防误操作保障措施研究 改造过程中原有的设备防误操作体系的完整性遭到破坏，设备停复役操作 量大、频繁，研究现场实施阶段设备防误操作的保障措施和新设备防误操作体 系的逻辑验证方案。 6 浙江人学颂i j 学化论文 町行竹分析 2 可行性分析 2 1 常规变电站现状 经过多年发展，变电站自动化技术已经达到一定的水平。1 ，目前运行的常 规变电站基本上采用计算机监控系统、微机型继电保护及安全自动装置，二次 设备和系统之间通过通信方式交换信息。常规变电站一、二次设备问的信息交 互通过电气回路实现，一次设备模拟量和开关量信号的数字化处理依靠二次设 备自身完成，一、二次设备之间通过二次电缆连接，开关场一次设备和控制室 二次设备间需要敷设大量的二次电缆，无法做到一次设备和二次设备之间的电 气隔离( 8 - 1 1 ： ，常规变电站存在诸多不足。常规变电站结构如图2 1 所示。 图2 1 常规变电站结构图 2 1 1 一次设备智能化程度不高 传统电流、电压互感器都是电磁感应式设备，结构复杂，随着电压等级的 提高，设备的绝缘要求随着提高，机构越来越复杂；随着二次系统要求的不断 提高，电流互感器二次侧输出越来越多，电压互感器也被要求提高二次负载能 力；传统电流、电压互感器的输出为模拟量，不能直接与数字化设备接口，模 拟量测量需要有隔离变压器、a d 转换器等环节“。电子式互感器已在各电压 7 浙江人学顺f j 学位论文 。j ，性分析 等级电网挂网运行，但设备寿命、运行的稳定性和可靠性尚有待验证( i l 2 j 。 断路器执行正常操作和事故快速隔离故障的功能，总体上可分为断路器本 体和操作机构量大部分，继电保护或测控装置的分合闸命令通过二次回路进行 传递。从历年的运行情况可知，断路器操动机构、二次回路引起的故障占断路 器故障的7 0 8 0 左右“3 。国内外都在进行智能断路器的研究，近年来已有 很多智能化断路器面市，真正意义上的智能断路器未发现在超高压电网运行。 2 1 2 二次设备互操作性不强 由于二次设备缺乏统一的功能和接口规范，许多生产厂家采用各自特定的 专用通信协议，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。采用不同生产厂家的智能电子设备要进行复杂的协议转换和繁重 的现场调试工作。 2 1 3 二次回路过于复杂 常规变电站的继电保护、安全自动装置、测控装置和计量等二次设备都是 功能单一相互独自的设备，相互之间信息共享程度很低，每个装置自主采集所 需的信息。变电站二次回路有： 电源回路：操作电源回路、工作电源回路、控制电源回路、信号电源回路； 二次设备各自的电流回路； 母线电压、线路( 主变) 电压回路以及电压切换、并列回路； 一次设备运行状态信号回路； 一次设备健康状况信号回路； 一次设备操作、控制回路； 二次设备相互间闭锁、启动信号回路； 继电保护、安全自动装置动作命令、动作信号； 常规变电站采用二次电缆传递电网运行信息、设备健康状况和控制命令， 不同的一设备之间、不同的二次设备之间、一二次设备之间都可能存在电缆连 接，二次回路非常复杂，容易遭受电磁干扰和形成寄生回路。 2 1 4 信息共享水平低 变电站不同设备之间、变电站与电网调度中心、运行监控中心存在大量信 息交换，这些信息大致可以分为： ( a ) 电力系统运行信息( 系统频率、电压、负荷电流功率、设备分合闸位置 r 浙i i ：人学帧l ：! 学位沦文 口，i j 性分析 和变压器有载开关位置、油温等) ； ( b ) 一次设备健康状态信息； ( c ) 变电站自动化系统自身的健康状态信息； ( d ) 继电保护运行与故障信息； ( e ) 一次设备在线监测系统信息； ( f ) 电能质量监测信息。 上述信息系统相互之间互相独立，分别由不同的设备、技术主管部门建设、 运行、维护，由于多种原因存在大量通信规约的转换问题，信息共享程度很低， 甚至发生相互矛盾的现象。主要原因有： ( a ) 技术方面缺乏统一的建模规范； ( b ) 各信息系统关注重点存在差异，系统建设缺乏统筹规划、协调，导致重 复建设； ( c ) 变电站内主要采用二次电缆“点对点”传输的方式进行信息交换； ( d ) 多种规约之间规约转换可能引起信息丢失； ( e ) 部分技术标准制约了信息共享。 2 1 5 调试、运行、维护不方便 ( a ) 变电站中一次设备不能提供自身的状态信息，比如绝缘、老化程度、介 损等情况。设备状态信息缺乏，导致运行、检修有失科学性和合理性。 ( b ) 由于信息共享程度低，各信息系统的数据不能直接利用，运行人员需要 从不同的系统录入数据，做大量重复性工作。 ( c ) 一方面变电站自动化系统都是采用硬接线点对点方式连接，厂站设计复 杂、调试复杂，另一方面变电站继电保护、自动化设备未采用面向对象自描述 技术，接收端需要对数据进行大量的工程物理量对应、标度转换等工作c 13 1 造 成调试工作量繁重，需要大量人工对点工作。 2 2i e c6 18 50 标准简介 2 2 1 概述 i e c6 1 8 5 0 是国际电工委员会( i e c ) t c 5 7 工作组制定的变电站通信网 络和系统系列标准，是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标 准。i e c6 18 5o 标准包括变电站通信网络和系统的总体要求、功能建模、数据 9 浙江人学硕f j 学位论文口r 行忤分析 建模、通信协议、项目管理和一致性检测等一系列标准。标准规范了数据的命 名、数据定义、设备行为，设备的自描述特征、通用配置语言、智能装置的模 型和通信接口，指导变电站自动化的设计、开发、工程、维护等各个领域。 该标准通过对变电站自动化系统中的对象统一建模，采用面向对象技术和 独立于网络结构的抽象通信服务接口，增强了设备之间的互操作，使不同智能 电气设备间的信息共享和互操作成为可能，可以在不同厂家的设备之间实现无 缝连接钉。 2 2 2i e c6 1 8 5 0 标准的主要特点 i e c6 1 8 5 0 标准同传统的标准相比，不仅是单纯的通信规约，而是数字化 变电站的标准，该标准具有一系列特点和优点：分层的智能电子设备和变电站 自动化系统；根据电力系统生产过程的特点，制定了满足实时信息和其他信息 传输要求的服务模型；采用抽象通信服务接口、特定通信服务映射以适应网络 技术迅猛发展的要求，o 采用对象建模技术，面向设备建模和自我描述以适应应 用功能的需要和发展，满足应用开放互操作性要求；快速传输变化值；采用配 置语言，配备配置工具，在信息源定义数据和数据属性；定义和传输元数据， 扩充数据和设备管理功能；传输采样测量值等n 钉。 标准还制定了变电站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性 测试等标准。 ( 1 ) 信息分层 i e c6 1 8 5 0 标准提出了变电站内信息分层的概念，从逻辑概念上将变电站 的通信网络体系分为变电站层、间隔层和过程层三个层次，这些功能层及逻辑 接口1 10 的逻辑关系如图2 2 所示。 各种接口含义： i f l ：间隔层和站层之间保护数据交换； i f 2 ：间隔层与远方保护( 不在本标准范围) 之间保护数据交换； i f 3 ：间隔层内数据交换； i f 4 ：过程层和间隔层之间电压、电流互感器瞬时数据交换( 尤其是采样) ： i f 5 ：过程层和间隔层之闻控制数据交换； i f 6 ：间隔和站层之间控制数据交换； i f 7 ：变电站层与远方工程师办公地数据交换； l o 浙江人学顺f j 学化论义 町行件分析 围) 。 i f 8 ：间隔之间直接数据交换，尤其是用于连锁这样快速功能； i f g ：变电站层内数据交换； i f l0 ：变电站( 装置) 和远方控制中心之间控制数据交换( 不在本部分范 变电盔层 弼隧j ，单元屡 远方缳垆 过程瑶 选寿保护 图2 2 数字化变电站功能层及逻辑接口示意图“t “3 ( a ) 过程层 过程层完成与过程接口的所有功能，基本状态量和模拟量的输入输出功能， 例如电气量参数检测、设备健康状态检测和操作控制执行与驱动n 。过程层是 指一次设备与传统二次设备的结合面，智能化电气设备的智能化部分。 ( b ) 间隔层 间隔层主要使用一个间隔数据并作用于整个间隔的一次设备，对相关一次 设备进行保护、测量和控制，对采集的信息进行处理上送，响应接收并响应变 电站层、远方主站的操作要求，并在变电站层、远方主站控制失效的情况下仍 能完成保护、测量和控制功能。间隔层设备主要由各间隔控制、保护、监视设 备组成。间隔层设备应用了对象的统一建模、通信信息的分层、通信接口的抽 象化和自描述规范等技术。 浙i l ：人学坝f j 学位论义 n j 行十牛分析 ( c ) 变电站层 变电站层使用一个以上间隔数据或整个变电站数据，控制一个以上间隔的 一次设备或整座变电站，例如站级连锁、程序控制、母线保护等，实现与变电 站运行功能协调工作。 ( 2 )面向对象统一建模 i e c6 1 8 5 0 标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机f l r 务器结 构数据模型。任何智能电子设备( i e d ) 都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。任何一个客户可通过抽象通信服务接口( a c s i ) 和服务 器通信可访问数据对象。 ( 3 )数据自描述 i e c6 1 8 5 0 标准对于信息采用面向对象自我描述的方法。智能电子设备在 数据源对数据进行了自我描述，数据带有自我说明，接收端不需要对数据进行 工程物理量对应、标度转换等工作。由于自我描述，接收端就不受预先定义的 限制进行传输，简化了数据管理和维护工作。 由于技术的不断发展，变电站内的应用功能不断发展，需要传输的信息不 断发生变化，采用数据自描述方法可以适应这种发展的要求。 ( 4 ) 抽象通信服务接口 i e c6 1 8 50 标准设计出抽象通信服务接口，它是一个与智能电子设备( i e d ) 的一个虚拟接口，为逻辑设备、逻辑节点、数据和数据属性提供抽象信息建模 方法，为连接、变量访问、主动数据传输、装置控制及文件传输服务等提供通 信服务，与实际的通信栈和协议集无关。 客户服务通过抽象通信服务接口，由s c s m 映射到采用的通信栈或协议子 集。在服务器侧，通信栈或协议子集通过s c s m 和a c s i 接口。i e c6 1 8 5 0 标准 使用a c s i 和s c s m 技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾， 即当网络技术发展时只要改动s c s m ，而不需要修改a c s i c 13 3 。 2 2 3 应用i e c6 18 5 0 标准的优势 ( 1 )实现设备互操作 i e c6 1 8 5 0 标准在第1 部分概述中就对互操作性进行了解释，按照i e c 6 1 8 5 0 的定义，互操作性是指“一个制造厂或者不同制造厂提供的两个或多个 浙江人学坝i j 学位论文町行忖分析 智能电子设备( i n t e l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e s ，i e d ) 交换信息和使用这些信 息执行特定功能的能力”。标准明确指出“使用本标准可以实现不同厂家设备间 的互操作”。 ( 2 ) 提高信息共享水平 面向对象的数据对象统一建模、数据自描述和高速以太网的应用，使得变 电站信息共享水平得到大幅度提高，变电站所有设备都可以从通信网络系统中 获取所需要的其他设备的信息，并通过通信网络系统向其他设备传递输出信息 和控制命令，设备间能实时、高效、可靠地交换所有设备的完整信息，优化变 电站自动化系统功能分布，各种运行支持系统可以功能优化并与变电站的运行 系统协调工作。 ( 3 )降低设备全寿命周期成本 不同变电站自动化厂商的技术很难兼容，设备间的兼容性问题带来了设备 全寿命周期中成本的上升1 8 3 0 主要表现在：设备采购成本、运行维护设备、人 员培训成本、备品备件成本和电网供电能力下降： ( a ) 在设备采购时受到很多限制，而在变电站改造、扩建时设备选择则受到 更多制约，往往需要采购与一期设备兼容的产品，若不能找到和一期能够兼容 的设备，则全站二次系统需重建或一、二期设备互相独立； ( b ) 变电站信息共享程度低，造成功能相似的设备重复建设，重复投资； ( c ) 在变电站改造、扩建时，存在大量的协议转换工作，加大了工程调试工 作量，延长设备停役时间，造成电网供电能力降低； ( d ) 多种变电站自动化技术的并存局面给运行维护人员带来了许多困难，增 加了技术人员培训成本和备品备件成本。 如果变电站自动化设备都能遵循i e c6 1 8 5 0 标准，上述问题都将得到有效 解决，设备全寿命周期总体成本将大幅度下降n8 1 。 ( 4 ) 减少电网运行风险 ( a ) 数字化变电站改造、扩建时能够做到“厂家集中联调，现场测试验证”， 在设备厂家就已解决问题，缩短改造、扩建工程的设备停役时间，极大地简化 了二次回路，降低了工作安全风险，提高了电网运行可靠性； ( b ) 基于i e c6 1 8 5 0 标准的变电站简化了二次回路，减少了电磁干扰和回路 复杂带来的风险。 浙江人学f 吹 学位论文可行性分析 2 3 数字化变电站典型结构和设备要求 数字化变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，建立在i e c 6 18 5 0 标准基础之上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的 变电站c 1 93 。 2 3 1 基本结构 i e c6 1 8 5 0 标准将变电站分为变电站层、间隔层、过程层三个层面，基本组 成为智能化一次设备、网络化二次设备和变电站通信网络系统，各智能电气设 备间采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口，采用光纤通信， 在不同设备之间实现交换信息并使用这些信息进行正确协同操作。数字化变电 站结构如图2 3 所示。 图2 3 数字化变电站结构图 2 3 2 设备要求 数字化变电站仍然是由一次设备和二次设备( 包括保护、测控、监控和通信 设备) 两类设备组成。典型数字化变电站内一次设备主要有智能断路器、电子式 互感器等设备组成。二次设备由继电保护装置、测控装置、故障录波及其它自 动装置组成。智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制模块代替了常规继 电保护、测控装置的i o 部分，变电站一、二次设备实现了集成，一次设备和 二次设备之间的结合比常规变电站更加紧密，一、二次设备的界限难以区分。 1 4 浙_ i 1 = 人学坝t 学位论文口f 行r t 分析 ( 1 ) 一次设备 ( a ) 互感器 互感器是实现电网运行电流、电压变换、测量的装置，电子互感器是一次 设备中测量电网电流、电压，输出低电平模拟信号和( 或) 提供数字输出的变 送器。相比传统互感器，电子互感器的可靠性有待进一步提高，设备寿命未经 考验。i e c6 0 0 4 4 - 7 8 标准规定电子互感器的输出可以是模拟或数字两种方式， 若采用模拟输出，二次设备可以无需改造；若采用数字输出，该输出可以直接 与继电保护等二次设备连接，二次设备的测量功能由电子互感器完成，继电保 护等二次设备可以省略隔离变压器等测量模块。 ( b ) 断路器 断路器( 包括断路器和隔离开关) 的智能化是过程层数字化的重要部分。智 能断路器具备传感器、电子化执行元件和数字通讯接口，能够直接接入变电站 通信网络。可按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合闸过程的时间； 独立采集运行数据，可早期检测设备缺陷进行故障预报；采用传感器技术对高 压设备的运行状态进行记录、分类和评估，为设备维护、维修提供决策c 2 0 - 2 1 3 。 继电保护和测控等装置的控制命令通过变电站通信网络实现与断路器操作 机构的接口，跳、合闸命令通过网络进行传输，采用基于i e c6 1 8 5 0 标准的g o o s e 报文实现跳、合闸操作。 ( 2 ) 二次设备 变电站内二次设备( 如继电保护装置、安全自动装置、故障录波装置、测 控装置、电压无功控制、防误操作装置等) 全部基于标准化、模块化的设计制 造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现功能重复的 现场接口，通过网络传输实现数据、资源共享。 一次设备智能化程度的提高影响了二次设备，二次设备可以简化甚至省略 电气量测量、运行信息采集模块和控制命令、联锁信号的输出模块；解决信息 共享、处理、防误等问题，同时需提高电网、设备运行信息的信息同步能力， 提升二次设备的智能化水平。 ( 3 )变电站通信网络系统 数字化变电站通过变电站通信网络系统实现智能电气设备间信息共享和互 操作，总体而言，变电站通信网络系统传递的信息量庞大，而且实时性、可靠 浙i 1 ：人学坝j j 学位论文町仃仆分析 性要求很高。变电站层网络数据的特点是突发性强、数据量大，传送实时性要 求相对不高；过程层网络传输的信息主要是g o o s e 报文和s v 报文，g o o s e 报文 特点是数据量不大，具有突发性，传输要求可靠性高、实时性强；s v 报文特点 是数据量特别大，呈周期性，传输的要求是实时性、稳定性、可靠性都要非常 高，延时需要确定。 变电站通信网络必须满足可靠性、可用性、安全性，可维护性要求，尤其 要满足变电站扩建、检修时网络的安全性、可靠性要求。 2 4 数字化改造可行性 常规变电站计算机监控系统在逻辑结构上可以分为“两层一网”结构，两 层即“变电站层”、“间隔层”，一网即“变电站层”网络。而数字化变电站在逻 辑结构上为“三层两网”结构，即“变电站层”、“间隔层”、“过程层”，以及“变 电站层”网络和“过程层”网络。 数字化变电站与常规变电站相比，主要是对间隔层设备进行网络化升级改 造，增加了过程层，将一次设备就地数字化，一次设备的模拟量和开关量就地 测量、就地采集，用光纤代替现有的二次电缆连接，实现过程层设备之间以及 与间隔层设备之间的通信。 数字化变电站已由研究阶段进入工程应用阶段，国内外已有全数字化变电 站的运行案例，国内厂家已能提供数字化变电站所需的大部分设备，i e c6 1 8 5 0 标准的深化应用已初步具备条件。近几年国家电网公司、南方电网公司新建了 许多基于i e c6 1 8 5 0 标准应用模式、深度不尽相同的数字化变电站，常规变电 站数字化改造进行了一些尝试，取得了一定的经验。 1 6 浙江人学硕l j 学位论文技术方案 3 技术方案 目前需进行改造的常规变电站，一次设备、二次设备基本上是传统设备， 二者的寿命周期差异较大，设备健康状态也不尽相同，一、二次设备同步改造 的情况较少，更多的是只涉及二次设备。通常，变电站技术改造难以采用全站 新建的方式进行，需采用逐个间隔顺序停役进行的方式开展改造工作，改造时 间紧，劳动强度大，安全风险高。 在当前技术条件下，常规变电站采用基于i e c6 1 8 5 0 标准进行数字化改造， 使传统的一次设备与网络化的二次