（电力系统及其自动化专业论文）智能化变电站架构及标准化信息平台研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m sf a c e sm a n yc h a l l e n g e s s m a r tg r i di s r e g a r d e da sa ne f f i c i e n ts o l u t i o n i n t e l l i g e n ts u b s t a t i o ni so n eo ft h ef o u n d a t i o n a la n d p i v o t a ll i n k so fc o n s t r u c t i o no fas t r o n gs m a r tg r i d t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fd i g i t a ls u b s t a t i o n ，a n ds t a t e st h e c o n c e p ta n dm a i nf e a t u r e so fi n t e l l i g e n ts u b s t a t i o n t h ed i f f e r e n c e o fd i g i t a l s u b s t a t i o na n di n t e l l i g e n ts u b s t a t i o ni s c o m p a r e d af r a m e w o r ko fi n t e l l i g e n t s u b s t a t i o nb a s e do ni n t e g r a t i o no fp r i m a r ye q u i p m e n t sa n ds e c o n d a r ye q u i p m e n t si s p r o p o s e d ，w h o s es i g n i f i c a n c eo fi se m p h a s i z e dt h e n a no p e na n dc o m m o ni n f o r m a t i o ns y s t e mi st h eb a s i co fs gt h i sa r t i c l e a n a l y z e sp r o b l e m so fp o w e rg r i di n f o r m a t i o ns y s t e mt o d a y ；p r o p o s e saf r a m e w o r ko f s gi n f o r m a t i o n s y s t e m ；e m p h a s i z e s t h e i m p o r t a n c e o f d i g i t a l i z a t i o n a n d s t a n d a r d i z a t i o no fb a s i cd a t a c o n s i d e r i n gt h es i g n i f i c a n tp o s i t i o no fs u b s t a t i o n si n p o w e rs y s t e m s ，af r a m e w o r kf o rb a s i cd a t ap l a t f o r mo fs u b s t a t i o n si sd e s i g n e d t h e p l a t f o r mc a np r o v i d eb a s i cd a t aw i t hs t a n d a r d i z e dp r o t o c o l ，s t a n d a r d i z e df o r m a ta n d s y n c h r o n o u st i m e s t a m p s ，w h i c he n a b l ea l l - i n o n em a n a g e m e n t t h es t r u c t u r eo ft h i s p l a t f o r mc a nb ec a s c a d e dt oas t r u c t u r eo fs g a s y n c h r o n o u sm e a s u r e m e n tu n i t ( s m u ) i sd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do ng p s a n dt i m es y n c h r o n i z a t i o no ne t h e r n e ta n dc a na c h i e v er e a l i z i n gd a t aa c q u i s i t i o na n d r e a l - t i m et r a n s m i s s i o ns i m u l t a n e o u s l y s m uc a np r o v i d ea c c u r a t ed a t aw i t hu n i f i e d t i m el a b e l ，b yp r o c e s s e so ft i m es y n c h r o n i z i n g ，s a m p l i n ga n dt i m e m a r k i n g t h e a p p l i c a t i o no fs m uc a np r o v i d eh i g hp e r f o r m a n c eb a s i ci n f o r m a t i o nf o rs g k e yw o r d s ：s m a r tg r i d ；s u b s t a t i o n ；d i g i t a l ；i n t e l l i g e n t ；i n t e g r a t i o n ；i n f o r m a t i o n s y s t e m ；s t a n d a r d i z a t i o n ；s y n c h r o n o u ss a m p l e ；t i m e s t a m p 浙江大学硕士学位论文 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。据我所知，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，也不包含为获得澎姿盘堂或其他教育机 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。 一繇彳矽p 7 僻幻夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿叁茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的伞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) 靴敝储戤：彬矿7 签字日期：沙汐年孑旁夕日 导师签名 签字日期 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章智能电网概述 1 1 智能电网的提出背景和意义 电能是现代社会应用最广泛的二次能源。电力工业将各种一次能源转换为电 能，并通过电网传输、分配，满足生产、生活需要。电力工业的发展水平，直接 影响着社会和经济的安全与发展，资源和环境的节约与保护。进入新世纪以来， 电力系统在不断发展壮大的同时，面临着许多问题和矛盾： 1 ) 经济发展与电力建设之间的矛盾 改革开放以来，我国的经济迅速发展，工业和生活用电的迅速增长，对电力 建设提出了更高的要求。虽然我国的总装机容量和发电量均已居全球首位，但在 冬、夏负荷高峰期( 如2 0 0 9 年冬) ，许多省市仍需拉闸限电。历史和经验告诉我 们，电力建设一旦迟缓，就会对生产生活和经济发展造成严重影响【。 2 ) 一次能源分布和负荷分布之间的矛盾 我国煤炭等化石能源和风能、太阳能等清洁可再生能源主要集r f l 于西北部地 区，水电资源则主要集中于西南地区，但负荷巾心却集巾在东南沿海。因此必须 面对和解决大容量电能远距离、大范围地安全、可靠、经济传送问题，使得建设 特高压输电系统成为必然选择【2 1 。但特高压交直流输电在加强区域电网间联系， 缓解能源负荷不平衡分布矛盾的同时，也成了扩大扰动、事故影响范围的通道， 并引出一系列的技术和工程难题。如何对其进行有效的驾驭是一个值得深入研究 的课题。 3 ) 电网复杂度增加与控制技术之间的矛盾 出于节约资源、保护环境，发展低碳经济的需求，越来越多的分布式电源将 接入电网，各种电力电子装置也将更广泛地应用，使得电网的复杂程度增加，对 电力系统的安全稳定控制技术要求更高【3 】。 4 ) 电能质量与用户要求之间的矛盾 现代电力系统用电负荷复杂，有的有非线性、冲击性以及不平衡性的用电特 性，对电能质量造成严重的污染。而基于计算机的控制设备和电子装置在生产、 生活中大量应用，对电能质量非常敏感。在电力市场机制下，在开放竞争的环境 中，电力用户对电能质量要求越来越高1 4 , 5 l 。 浙汀大学硕士学位论文 5 ) 电力发展与环境恶化之间的矛盾 气候变化已成为当今人类社会面临的最严重的全球环境问题，c 0 2 等温室气 体的排放被认为是导致气候变暖的主要原因。减少温室气体排放量、发展低碳经 济是全球发展的必然趋势。我国是世界能源消耗大国，煤炭等一次能源资源有限， 却在发电结构中占到8 0 左右。有必要充分考虑本国能源资源结构特点，进一步 发展、提升电力行业的技术水平，调整、优化能源结构，提高能源利用效率，节 约资源，保护环境，促进可持续发展。 6 ) 建设投资大与已有资源不充分利用之间的矛盾 当电力系统的运行需要在可靠性与有效性之间选择、权衡时，无论是设计还 是操作，都偏向于降低有效性以保证可靠性。于是一方面在设计时，不断加大投 资，提高建设标准；另一方面在建成后，为保留足够的( 有时是过量的) 稳定裕 度，不能充分发挥已有资源的作用。这在电力市场环境下，增加了电网运营商用 最少的资源( 资金、设备、环境代价) 实现最优的电网运行( 可靠、安伞、稳定、 优质、高效、环保等) 的压力。 以上的矛盾在全球范围内具有普遍性，有的问题，如能源和负荷的不平衡分 布等，在我国显得尤其突出。这些矛盾既有各自的角度和特点，又相互制约和联 系。从技术上看，现有手段和策略不足以解决电力系统所面临的前述所有问题， 对电力工业而言，亟需一种突破。 于是智能电网的概念被提出，并被确定为电力工业下一阶段的建设目标。智 能电网的称谓，最初有i n t e l l i g e n tg r i d 、g r i d w i s e 等，内涵和意义大同小异。目 前，欧洲最先提出的“s m a r tg r i d ”的称呼，已被全世界普遍接受。智能电网的 发展最早可以追溯到2 0 世纪8 0 年代的自动读表系统和由此发展而来的高级计量 体系。到目前，其概念已经发展成为融合先进的信息技术、通信技术、计算机技 术、电力电子技术的输配电基础设施高度集成、高度自动化的新型技术密集型电 网。尽管对智能电网的研究才处于起步阶段，但作为电力工业和能源产业的美好 愿景，智能电网在全球范围内受到了极度的关注。 1 2 智能电网的国内外研究现状 1 2 1 国外智能电网研究简况 2 浙江大学硕士学位论文 智能电网以安全可靠、经济高效、节能环保为运行目标，有自愈、兼容、坚 强、优化、开放、支持电力市场等特征【6 】，能够有效地解决当前电力工业发展遇 到的问题，是电力系统发展的必然趋势，也是电力系统发展的理想形式。在欧美 国家，建设智能电网已经成为增加国内需求，推动经济发展的主要手段之一【7 j 。 我国也于2 0 0 9 年5 月正式提出建设和发展统一坚强智能电网的目标【8 1 。 世界各国建设智能电网的背景不同【9 】【l o 】，根源于对电力系统的要求与电网建 设现状的差异。因此，智能电网的建设与发展，具有地域性的特点，各国对智能 电网的愿景规划、建设内容、发展模式、实施步骤等方面有不同的理解和侧重。 美国、加拿大、澳大利亚、欧洲各国以及日、韩等国都相继开展了智能电网 相关研究，而其中最具代表性的是美国与欧洲。作为发达国家，其电力工业已经 大体成熟和平稳，电力需求趋于饱和，输电网架结构变化较小。因此，欧美对智 能电网的研究更侧重于配网侧的建设和提升1 6 1 ，侧重于一个更加安全、高效、环 保、灵活的智能电力系统的建立，更关注系统运行的最优化和市场效益的最大化； 而在输电侧，其智能化推进缺少驱动力。对于美国，对复杂大电网的安伞稳定控 制，有效抵御恐怖袭击，是其智能电网发展最初的驱动和最重要的研究课题【7 j ； 而欧洲的智能电网，更趋向于节能减排，保护环境，控制温室气体排放，因此清 洁可再生能源分布式接入和微网发电研究是其重点【i 。日本政府通过比较与美国 电力工业特征的不同，结合自身国情，决定构建以应用新能源为主的智能电网。 1 2 2 我国电网现状与问题 改革开放3 0 年来，我国电力工业取得了长足的发展，迄今总装机容量已跃 居世界第一，输电电压等级不断提高，电网规模和容量日益扩大，越来越多的新 技术、新装备在电力系统中获得应用，整个系统的信息化、自动化水平日益提高， 并在特高压输电技术、大电网安全防御技术等领域取得了世界领先的地位。但在 低碳经济与能源产业可持续发展要求的背景下，目前我国电网凸显出了诸多不利 于长远发展的问题，主要表现在： 1 ) 电网发展模式相对落后。迄今为止，我国电网在发展中，总是以资源配 置、投资建设的重复性、冗余性，来换取电网运行的可靠性。随着电网容量和规 模的扩大，新增的硬件和软件难以与原有的资源有机融合，电网的可靠性完全依 赖于实体的冗余。发展模式的落后是造成许多问题的根源。 3 浙江大学硕士学位论文 2 ) 电源和负荷分布不平衡，电网建设相对滞后，网架结构相对薄弱。我国 煤电集中于西部和北部，水电偏于西南，而负荷中心主要集中于东南部及沿海经 济发达地区。因此必须推动大煤电、大水电、大核电和大型可再生能源基地的集 约化开发和高效利用，进行跨区域、远距离、大容量的电力传输。然而目前电网 架构依然薄弱，电网体系不够完善，无法满足全国范围内资源优化配置的需求。 因此以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展的电网结构建设迫在眉睫。 3 ) 电网规模庞大，结构复杂，可控性、灵活性差。我国装机总容量已跃居 世界第一，未来更将建成世界上电压等级最高、系统规模最大、资源配置能力最 强的特大型交直流互联电网。但电网中电源( 尤其是风电等大型集约式间歇性电 源) 的接入与退出、电能的分配与传输等都缺乏弹性，电网并没有因为规模和容 量的增大获得更多的调整和缓冲余地。电网的整体运行效率低，调度、控制、运 行灵活性差，资产运营效益低，虽然随着f a c t s 技术和装置的发展、应用有所 改善，但并未彻底解决问题。 4 ) 信息系统结构松散，全网协调调控水平低。虽然电网的局部自动化程度 在不断提高，但是现有各应用系统都是基于本业务或本部门的需求，互相之间缺 乏沟通和协作，彼此相对独立，存在信息采集不同步且“各自为政”、信息格式 和通信规约没有统一规范等问题，造成信息资源分散，横向不能共享，纵向贯通 困难。在全网范围内，尚未建成一体化的电网信息模型和共享支撑平台，难以实 现大电网电源、电网和用户资源的一体化分级互动协调控制。 5 ) 电源结构相对单一，分布式电源技术不成熟。我国电源结构中，仍以大 煤电、大水电为主，分布式清洁能源所占比重甚小，不利于推进可持续发展。近 年来风能、太阳能等分布式发电获得较大发展，但仍因其随机性、间歇性与不确 定性，造成可再生能源集约发电的预测、控制、并网和调度困难。另方面，目 前配网接纳能力的不足，也造成了分布式可再生能源发电的大规模接入与远距离 送出，以及实现在更大范围内的优化配置的困难。 6 ) 市场化程度低，与用户双向互动弱。电力改革已取得定成效，但市场 化程度依然不高。电力公司对客户的服务简单，基于双向互动和需求响应的双赢 服务业务机制还未建立。用户端高级量测、电能双向交换、新能源与储能元件接 入等双向互动技术有待开发与完善，电能在终端能源消费中的比重有待更进一步 4 浙汀大学硕士学位论文 提高。 7 ) 电力电予等新兴技术与设备的研发与推广应用缺乏统一的战略部署和规 划。为解决和改善电网中的诸多问题而进行的包括电力电子技术与设备研发在内 的各种新技术和新设备的研发，缺乏系统联系和统一规划，造成研究工作整体目 标不明确，研究力量在相关问题上的配置不合理，研究成果发挥功效不明显、甚 至难以推广应用。 对于我国而言，需结合具体国情，结合社会和经济发展需求，结合电网实际， 以加强网架结构，提高输电能力，满足负荷需求为目的，建设统一坚强的智能电 网【l o 】。 1 2 3 我国智能电网发展战略 2 0 0 6 年，国家电网公司启动了“s g l 8 6 ”工程，以加快构建数字化电网与建 设信息化企业，为建设和发展智能电网打下了坚实的基础。2 0 0 7 年，华东电网 公司率先启动了智能电网可行性研究项目1 2 】。 为了更好地服务国家经济社会发展，巩固和提丌我国电网的技术水平和国际 竞争力，推动和促进我国能源结构调整与发展，在2 0 0 9 年5 月于北京举行的“2 0 0 9 特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司提出了立足自主创新，加快建设以 特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，兼容清洁可再生能源并网发电，通 过先进的信息技术和电网控制技术，在发电、输电、变电、配电、用电和调度等 环节，实现数字化管理、智能化决策、互动化交易，具有信息化、数字化、自动 化、互动化特征的统一的坚强智能电网的发展目标【8 1 。 信息化是指实时和非实时信息的高度集成、共享和利用；数字化是指电网对 象、结构及状态的定量描述和各类信息的精确高效数字化采集与传输；自动化是 指电网控制策略的自动优选、运行状态的自动监测和故障状态的自动恢复；互动 化是指电源、电网和用户资源的友好互动和协调运行。 同时，国家电网公司制定、公布了我国智能电网“三步走”建设时间表和具 体内容【1 3 】f 1 4 1 ： 2 0 0 9 釉0 1 0 年是规划试点阶段，重点开展坚强智能电网发展规划，制定 技术和管理标准，开展关键技术研发和设备研制，开展各环节的试点； 2 0 1 1 釉0 1 5 年是全面建设阶段，将加快特高压电网和城乡配电网建设， 5 浙江大学颁士学位论文 初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广 泛应用： 2 0 1 6 年2 0 2 0 年是引领提升阶段，将全面建成统一的坚强智能电网技术 和装备达到国际先进水平。届时，电阿优化配置资源能力将大幅提升，清洁能源 装机比例达到3 5 ，分布式电源实现“即插即用”，智能电表普及应用。在旋电、 输电、变电、配电、用电和调度等环节，实现数字化管理、智能化决策、互动化 交易的坚强智能电网。 我国智能电网建设的愿景如图1 所不。在全国范围内形成若干个区域电网， 由坚强的特高压输电骨干网架互联，可在全国范围实现电能的大规模、远距离转 移，实现南北互供和西电东送。区域电网包括区域性的超高压输电网架和高、中、 低压智能配网，运用先进的装备和技术实现对电网的可靠、经济、柔性控制。主 要由风能、太阳能发电系统、储能装置和智能用电负荷等组成的分布式微嘲大规 模经智能化变电站接入智能配阿。能源结构获得优化调整，核电及可再生能源发 电比例大大提高。智能化变电站成为紧密联系智能电网各个层次、各个环节的关 键节点，并对智能电网功能的实现起到有力的支撑作用。建成后的智能电网是可 在伞网范围内实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，具有信息 化、数字化、自动化、互动化特征的坚强可靠、经济高效、清洁环僳、透明开放、 友好互动的统一坚强智能电网。 图】：我国的统一坚强智能电网愿最 浙江大学硕士学位论立 13 智能电网的关键支撑技术 智能电网是现代电网、信息、控制和管理等多学科领域技术的深度交叉与融 合。建设智能电网既是一项系统工程，也是一个战略任务，不仅需要面对和解决 众多的电力系统技术问题，还需要深入地研究与之相关的经济政策、市场机制、 经营管理等方面的问题，如图2 所示。所有的这些问题中，最为关键的还是技术 上的问题。 围2 ：智能电嘲曲影响吲索 本质上讲，智能电网与传统电网的最大区别( 特点) 主要在如下4 个方面得 以体现： l 、智能电网的信息系统构建在数字化、标准( 规范) 化、一体化基础信息 平台上能够高速、全面、及时、可靠、准确地获取具有统一时标的数字化、标 准( 规范) 化的电网全景信息，并透明、开放地为电网中的吾种功能应用服务。 2 1 智能化的实体电网，体现为发、输、变、配、用各个环节一、二次设备 的智能化综合集成和系统建设，实现电力流与信息流的完美整合与管理，为智能 调度与控制、双向互动，支撵并保障电网安全、可靠、稳定运行，以及电力流的 优化流动和转移等奠定坚实基础条件。 3 1 基于电力电子的智能化柔性电力设备( 如s v c 、s t a t c o m 、u p f c 、 s s f c l 、t c s c 、a p f 等) 在电力系统、特别是配电系统中获得广泛应用，电网 结构更加坚强、灵活，能够实现风电、光伏发电等间歇性电源的无约柬自由接入， 电网参数及电能质量等运行指标可以根据需要灵活、方便地进行优化控制。 浙江大学硕士学位论文 4 ) 智能化的电网控制决策系统( 高级应用技术，涉及发电、输电、变电、 配电、用电及调度、管理等各个环节) ，能够利用先进的分析、决策支持工具， 对电网全景信息进行智能分析并制定出最优控制策略，实现全网智能化设备的协 调控制、电力流的优化调度和实时双向互动等。 上述四个特点实际上正是构建以“数字化、信息化、自动化、互动化”为特 征、以“统一坚强、安全可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动为 目标的智能电网的基础核心与关键支撑技术所在。换句话说，建设智能电网，必 须深入研究、彻底解决如下四大方面的基础核心与关键技术问题： 1 ) 智能电网信息系统及支撑技术研究，包括：智能电网信息系统体系与架 构研究，智能电网基础信息的数字化、标准( 规范) 化、一体化实现及相关技术 研究，智能电网信息采集系统与装置研究，智能电网标准信息模型及交换技术研 究，智能电网信息存储与管理技术研究，智能电网信息分析和应用集成技术研究， 智能电网信息安全关键技术与装备研究，智能电网同步时钟推广应用研究等。 2 ) 智能电网一、二次设备智能化集成技术研究，涉及变压器、开关设备、 输配电线路及其配套设备、以及新型柔性电气设备( 装置) 等电力系统巾各种一 次设备与控制、保护、状态诊断等相关二次设备的智能化集成技术。这些一次设 备实现智能化集成后，实体电网将是一个由各利，对内( 面向自身) 具备完善控制、 保护、诊断等功能，对外( 面向整个系统) 具有数字化、标准( 规范) 化信息接 口并发挥不同功能作用的智能体的有机组合，这些智能体能够在智能化电网控制 决策系统的协调控制下，既相对独立又友好合作，共同完成智能电网的运行目标。 3 ) 基于电力电子的智能化柔性电力设备的研发及其在电力系统、特别是配 电系统巾应用技术的研究，包括不同柔性电力设备的拓扑结构研究，数学模型研 究，功能特性及其对电网影响仿真与试验研究，以及自身控制与相互间协调控制 策略研究等。目前已在电力系统中获得不同程度应用的智能化柔性电力设备主要 包括晶闸管控制串联补偿器( t c s c ) 、静止无功补偿器( s v c ) 、静止同步补偿 器( s t a t c o m ) 、有源滤波器( a p f ) 等，它们在改善电力系统控制性能、提高 系统电压稳定性与电能质量等运行品质方面发挥了重要作用；处于研发或不同程 度试验巾的柔性电力设备还有静止无功发生器( s v g ) 、固态限流器( s s f c l ) 、 统一潮流控制器( u p f c ) 、静止同步串联补偿器( s s s c ) 、晶闸管控制移相器 8 浙i t 大学硕士学位论文 ( t c p s t ) 等，这些设备投运后，必将进一步改善、提高电力系统的控制性能、 运行稳定性、电能质量等运行品质。随着智能电网建设的步伐的推进，必将研发 出更多不同功能的柔性电力设备并在电力系统中获得应用。 4 ) 智能电网的高级应用技术研究，包括：大电网智能调度技术研究，新能 源发电与并网技术研究，智能输电技术研究、智能变电技术研究、智能配电技术 研究、智能用电技术研究等。 可以看出，对于电力工业而言，智能电网既代表了其今后发展的必然趋势和 方向，又促进、汇集了所有电网及其相关的高薪技术的发展和应用，使电力工业 成为高端技术密集型行业。智能电网已成为一系列有关技术的总称，而不再是一 个具有广泛接受的规范定义的特定名词。 1 4 本文研究内容 与传统电网相比，智能电网将进一步优化各级电网控制，构建结构扁平化、 功能模块化、系统组态化的柔性体系架构，由发电、输电、变电、配电、用电和 调度等各个环节组成。在垂直架构上，将由智能装备层、智能生产调度层和决策 管理层构成；在横向层面上，将由大、巾型区域电网通过坚强骨干电网联系。各 区域网络则分层分区柔性接入各类集巾式和分布式电源以及终端用户【l 引。对智能 电网的研究是一项系统、复杂和长期的任务。 基于变电站在电网中的重要地位和关键作用，本文选取了智能电网背景下的 智能化变电站为对象，进行了研究和阐述。 第二章分析了变电站的功能和作用；说明了传统常规变电站在应用装备和技 术上的问题及其影响；对基于i e c 6 1 8 5 0 标准的数字化变电站的结构、功能、组 网方式、关键设备和技术等做了简要论述。 第三章阐述了智能化变电站的概念和功能特点；说明了智能化变电站的关键 技术和主要研究内容；并与数字化变电站的功能和技术进行了比较；提出了一种 以智能化变电站为支撑，实现传统电网向智能电网过渡的策略；最后在现有变电 站自动化系统的集成化水平的基础上，提出了一种将过程层与间隔层一、二次设 备综合集成的智能化变电站架构，经过分析，该架构具有诸多优点，能够适应未 来智能电网的发展需求，可作为新一代变电站的发展模式。 第四章阐述了开放、共享的信息系统在电网中的意义和作用；分析了电网信 q 浙江大学硕士学位论文 息系统的现状和存在的问题；强调了基础信息的数字化、标准化、规范化的重要 性：基于变电站的特殊地位，以其为例设计了基础信息一体化平台框架，该平台 能够实现信息协议( 规约) 标准化、格式规范化、时标同步化、管理一体化，并 可通过级联扩展成全网信息系统而基本结构不变。 第五章设计了一种基于时间同步技术的智能化测控装置实现方案，该智能化 测控装置在同步时钟作用下，能够实现全网范围的数据同步采集，并按照标准化 的模型，实现规范化信息处理和时标同步处理，能够从源头上为智能电网的各级 应用提供格式统一、规约统一、时标统一、来源唯一的高品质基础信息。 第六章对本文的研究内容做了总结，并指出了本文研究存在的不足，说明了 今后相关内容的研究方向。 1 0 浙江大学硕士学位论立 第二章数字化变电站的架构和技术特征 变电站足电网中输电和配电的集结点，足分布式微网发电系统并入电网的接 入点，是变换电压、接受和分配电能、控制电力流向和调整电压水平的重要电力 设施是电刚能量传递的枢纽，是电网运行信息的最主要来源，是电网操作控制 的执行地。如图3 。 超( 特j 蕊嗡菌确箍能量传递的枢纽 _ - j 目l 一_ _ - - i l _ _ _ r “摹雾“；龚磬。蕈。璺= 一 疆霞疆涵礤醯疆圈圈嘲 墨l l ；爵蜘螽瑟 运行控制的执行地 各种信息的交汇点 中低压配电弛络分靠微州麓咆系统 终端喹终端鹰终端奎阻1 u太刚能鸺麓系统 _ i i i i i 图3 ：变电站在电网中的地位和作用 为了保障和维护变电站的安全可靠运行，需要对变电站的一、二次系统和设 备合理地规划、设计、优化、升级、发展。作为变电站自动化技术的重要体现， 变电站综合自动化系统技术经过多年的发展，得到了广泛的应用，其功能主要包 括3 十方面：( 1 ) 控制系统：运行人员监视与控制自动控制，电力系统紧急控 制与当地后各控制，故障录波与事件记录，测量与计量，自动数据分析；( 2 ) 保 护系统：线路保护及自动重合闸，母线保护，变压器保护；( 3 ) 运行支持系统： 设备维修支持，设备非正常状态的恢复支持，电力系统故障恢复支持，自动故障 恢复。除此之外，还包括系统组杰、通信管理和软件管理等功能 i ”。 随着经济和技术的发展，电力系统对变电站运行的安全性、可靠性、信息精 确性、操作可控性等要求越来越高。传统的常规变电站的部分原有技术和设各逐 渐凸显出弊端，例如采用传统的互感器及开关设备，p t 和c t 负载重，需要大 量地铺设二次电缆，一、二次设备接线复杂，二次回路检修工作量大，通信抗干 扰能力弱，不同的功能系统重复性地配置数据采集和控制装置，予系统功能重复 配置，系统间信息不共享，装置间协同操作性差，变电站整体可靠性差而投资成 浙江大学硕士学位论文 本大等问题，限制了变电站综合自动化系统功能的发展，成为制约变电站自动化 水平提高的因素 1 6 a 7 】。 于是，提出了数字化变电站的概念。与之相关的新型一、二次设备的研究、 统一信息模型和规约的制定、光纤网络技术的应用、同步对时系统的开发等等， 都成为了电力行业关注和研究的热点。数字化变电站具有数据采集数字化、系统 分层分布化、系统结构紧凑化、系统建模标准化、信息交互网络化、信息应用集 成化、设备检修状态化、设备操作智能化等技术特点( 详见本章下文) ，能有效 地解决传统常规变电站存在的问题，促进电力系统整体水平的提高。有的如系统 建模的标准化等设计思想，更是代表了今后电力系统发展的必然趋势。目前来看， 数字化变电站具有一定的先进性，可以满足当前电力系统发展的要求。 2 0 0 5 年我国国家电网公司实施“s g l 8 6 工程，开始进行数字化电网和数字 化变电站的框架研究和示范工程建设。数字化变电站以变电站一、二次设备为数 字化对象，主要指二次系统的数字化【1 8 】，即变电站的信息采集、传输、处理、 输出过程全部数字化【1 9 1 。数字化变电站的主要标志是采用数字化电气量测系统 ( 如光电式互感器或电了式互感器) 采集电流、电压等电气量，实现一、二次系 统在电气上的有效隔离，增大电气量的动态测量范围并提高了测量精度，从而为 实现常规变电站装置兀余向信息，几余的转变以及信息集成化应用提供基础【2 0 1 。 智能化变电站与数字化变电站有密不可分的联系。数字化变电站是智能化变 电站的前提，是智能化变电站的初级阶段，智能化变电站是数字化变电站的发展。 对数字化变电站的认识和了解是构建和设想智能化变电站的基础。理清数字化变 电站的关键技术和特点，对智能化变电站的研究十分有帮助。 本章主要对基于i e c 6 18 5 0 标准的数字化变电站的结构、功能、组网方式、 关键设备和技术等做了简要论述。 2 1ie c 6 18 5 0 标准与数字化变电站的分层结构 采用变电站自动化系统可以把原来分隔的控制、保护、监视、通信和测量等 装置以合适的形式进行集成，由少量多功能智能电子设备( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i c d e v i c e ，i e d ) 组成自动化系统，通过站内的通信网络实现信息共享。在此集成 过程中，面临的最大障碍是不同厂家的l e d ，甚至同一厂家不同型号的i e d 所采 用的通信协议和用户界面的不相同，因而难以实现无缝集成和互操作。 1 2 浙汀大学硕士学位论文 变电站通信网络和系统即i e c 6 1 8 5 0 标准在2 0 0 2 年提出草案，2 0 0 4 年 正式出版大部分内容，已成为变电站自动化系统的国际标准，对数字化变电站的 实现和推广具有重要的意义【2 1 1 。i e c 6 1 8 5 0 运用先进的信息技术，为变电站建立 了统一的对象模型和通信接口，可以实现i e d 的互操作性，降低整个系统的设 计、工程、运行、维护等费用，节约开发和施工时间【2 2 】。 就概念而言i e c 6 1 8 5 0 标准主要围绕以下4 个方面展开：( 1 ) 功能建模。从变 电站自动化通信系统的通信性能要求出发，定义了变电站自动化系统的功能模 型。( 2 ) 数据建模。采用面向对象的方法，定义了基于客户机服务器结构的数 据模型。( 3 ) 通信协议。定义了数据访问机制( 通信服务) 和向通信协议栈的映 射。( 4 ) 变电站自动化系统工程和一致性测试。定义了基于x m l ( e x t e n s i b l em a k e u pl a n g u a g e ) 的结构化语言，描述变电站和自动化系统的拓扑及l e d 结构化数据。 i e c 6 1 8 5 0 标准按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和继电保护三 大功能，从逻辑上将系统分为3 层：变电站层( 级) 、间隔层( 级) 和过程层( 级) 。 过程层主要完成开关量i o 、模拟采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功 能；间隔层则利用本间隔内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；变电站层的功能分为两类，一是与过程相关的功能，主要指 利用各个间隔或伞站的信息对多个间隔或伞站的一次设备发生作用的功能，如母 线保护和拿站范围内的逻辑闭锁功能，二是与接口相关的功能，主要指与远方控 制巾心、工程师站及人机界面通信等。数字化变电站基本功能结构如图4 ： 姑鬣 远方远行中心 溺度控麟中。 萄竣网接口 襞置 一一 癣礴数据i i 问暖数搦 聚纂和l i 采豢鞠 地理荤元“控制单元 肇轳 图4 ：数字化变电站功能结构示意 1 3 qj一悯订 警玉一 罢 一级一隰_ 向 浙江大学硕士学位论文 数字化变电站站内过程层、间隔层、变电站层设备之间通过高速网络进行信 息交互，二次设备不再出现功能重复的i o 接口，采用标准以太网技术实现了数 据及资源共享【2 0 1 。各层的功能及接l j 关系如图5 所示：其中是间隔层和变电站 层之间交换保护数据；是间隔层和远方保护之间交换保护数据；是同一间隔 以内交换数据；是过程层和间隔层之间t a 和t v 瞬时交换数据；是过程层和 间隔层之间交换控制数据；是过程层和变电站层之间交换控制数据：是变电 站层和远方工程师工作站之间交换数据；是不同间隔之间直接交换数据；是 变电站层之间交换数据：是变电站层和控制中心之间交换控制数据。 近疗控制啊c c ) t t 技术服务 变电站屠f 辎a 变电站屠 l 功能p 鼍功携bli f 篡! 鼍= = = = ：= 糍霪笋 远乃缫护i 国 过稃屠l 避靠接l t - - _ _ _ - - - - - - - _ - _ _ _ - 。- _ - _ _ _ _ - - 一 ll _ 一 f 远力保护 _ j 睦垩堑塑 lt 南瓜设蔷9 一一。 图5 ：数字化变电站各层级功能及接口示意 图5 中网络化的信息流可概括为：过程层与间隔层之间的信息交换，即过程 层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；变电站层与不同设备 之间的通信等。 2 2 数字化变电站的关键设备及组网 配电和输电变电站中的一次设备包括：断路器、隔离开关和接地开关、负荷 开关、互感器、s f 6 气体绝缘开关( g i s ) 、避雷器、变压器等，本文不做具体介 绍。需要指出的是，常规变电站中应用的电磁式电流、电压互感器或电容式电压 互感器，因系统电压增高，使互感器的绝缘结构复杂、体积增加，造价升高，同 时还有不能避免磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、暂态特性差等缺点。新型电子 1 4 浙江大学硕士学位论文 式互感器结构紧凑、体积小、抗电磁干扰、不饱和，易于数字信号传输，更能适 应变电站的可靠性要求【2 3 1 。 合并单元位于过程层，主要功能是同步采集多路电流、电压信息并按 i e c 6 18 5 0 标准要求的格式组帧发送给二次保护和测控设备( 间隔层i e d ) ，可以 实现电气检测数据源的归一化。合并单元具有以下功能：( 1 ) 电力运行实时电气 量检测，包括电压、电流信号和开关量状态信号；( 2 ) 运行设备状态参数检测， 包括设备的属性信息和初始化状态信息；( 3 ) 操作控制执行与驱动，包括跳合闸 驱动等执行机构。 合并单元主要靠近一次设备安装，用来实现一次设备电压、电流和开关信号 的数据同步采集、传输以及控制命令的执行。不同的合并单元之间通过基于g p s 的全网同步时钟模块实现同步数据采集，并按i e c 6 1 8 5 0 标准实现数据与信息的 交互1 2 4 j 。 多功能智能电子设备( i e d ) 位于间隔层【2 2 】，围绕保护、测量、计量、参数 设置等功能与上下层设备交换信息，向上主动传送报告记录、故障启动动作、 变位、模拟信号量、录波数据等报文，接收上层发出的各种控制参数设置( 如日 志控制、报告控制、g o o s e 、g s s e 等设置) 、开断开关或断路器的控制指令、 查询记录( 或召唤) 、对时等操作请求；向同一个间隔单元或者不同间隔单元的 i e d 发出互锁、报警、故障等信号，进行分布式功能的服务调用；向下接受过程 层合并单元传来的周期性实时采样数据，将主站控制操作断路器的命令下传给智 能断路器控制器，能对合并单元的采样值控制模块设置采样周期、传输方式等参 数，以改变传输质量。 变电站间隔层i e d 数量众多，可达1 0 0 台以上，相应的自动化系统网络节 点数量众多，组网技术复杂，网络运行状况难以评估，出现问题不易诊断，网络 实时性、可靠性面临考验。同时i e d 共同协助完成自动化功能的场合越来越多， 对于不同间隔i e d 相互协同的功能，依赖于通信网络的高可靠性和实时性【2 5 】。 根据组网方式的不同，数字化变电站系统可分为全集成自动化系统和组合总 线伞集成自动化系统。全集成自动化系统指的是间隔内执行的控制、保护、故障 录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能理集成在一个统一的多功能数 字装置( u m d ) 内，间隔内部、间隔间以及间隔同变电站层间用两层光纤总线 1 5 浙江大学硕士学位论文 ( 过程总线和站控总线) 进行网络通信，如图6 所示。组合总线全集成自动化系 统则将过程和站控总线合并，以减少间隔层控制装置的数字接 j ，如图7 所示。 可以看出，间隔层对过程层设备和网络的依赖性很大，其可靠性很大程度上 依赖于光纤通信网络的可靠性，一旦网络出现故障，全站所有保护、控制功能都 将失效，后果非常严重。 图6 、图7 中，s c u 站级控制；o s u 站级运行与维护；g t w - 通信控制；d a p 间隔层保护；d a c 间隔层控制；u m d 一多功能数字装置( 包括间隔运行与维护、 间隔控制、间隔继电保护等) ；i e d l 隔离接地开关智能控制；i e d 2 一断路器智能 数字化控制；d o i u 数字光电量测。 远方运行或调度控翻中心 图6 ：数字化变电站全集成自动化系统 远方送行或谖度搀锯中心 id a * m d a ci 团 一，一，f 中中申 l 集成开关i 叠各系统i 图7 ：数字化组合总线变电站全集成自动化系统 2 3 变电站同步时钟 时钟同步对于电力系统的运行管理、操作控制、状态监视、故障分析都具有 重要意义。电力系统运行状态时刻变化，描述状态变化的信息量浩瀚如海。全网 统一、同步的时间基准是实时掌握电力系统运行状况，有效处理和分析电力系统 运行信息的基础，特别是在事后分析各类事件，如系统故障的发生、发展过程， 1 6 浙江大学硕士学位论文 对系统实现优化保护和控制，防止灾难性事故发生的应用中。全网范围的所有互 感器，所有间隔和所有变电站都应当在统一同步时钟的作用下，实现对信息的同 步采集和同步时标处理。本节内容只对变电站时间同步的方案进行讨论。具体的 数据同步采集和时标同步处理内容，在第五章中阐述。 电力自动化设备对时间同步精度有不同等级的要求【2 6 1 。例如线路行波故障 测距装置、同步相量测量装置、电子式互感器的合并单元等，要求时间同步精度 不大于l u s 。故障录波等，要求时间同步精度不大于l m s 。微机保护装置、安全 自动装置等要求时间同步精度不大于1 0 m s 。电能量计费系统、电气设备在线状 态监测等要求时间同步精度不大子1 s 。但在计算机技术的发展下，现有的d s p 和单片机的运算能力，已足以保证时间同步的需要，因此变电站范围甚至全网范 围的时间同步精度可以统- n 最高精度。初看之下，似乎是提高了对授时系统和 对时装置性能的要求。但对于今后应用的，采用了高性能( 同时廉价) 的计算机 芯片的电子装置，对时过程所占用的芯片资源完全可以忽略。所以，统一的以最 高精度对时( 部公电子装置可利用自身配备功能模块进行分频) 事实上，在新的 技术条件下，简化了授时系统的结构。 电力系统的时间同步技术包括无线电授时、网络授时和卫星授时等【27 1 。其 中卫星授时精度最高，覆盖范围最广，应用最广泛。 目前伞世界有4 套卫星导航系统可以用于授时：中国北斗、美国g p s 、俄罗 斯“格洛纳斯”、欧洲“伽利略”。北斗卫星导航系统( 英文简称c o m p a s s ，中 文音译名称b e id o u ) 是中国正在实施的自主发展、独立运行的伞球卫星导航系 统。该系统主要服务国民经济建设，旨在为中国的交通运输、气象、石油、海洋、 森林防火、灾害预报、通信、公安以及国家安全等诸多领域提供高效的导航定位 服务。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括五 颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和豁测站 等若干个地面站，用户段由北斗用户终端以及与美国g p s 、俄罗斯g l o n a s s 、 欧洲