某220kv智能变电站的设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 报报 告告 论文题目论文题目 某 220KV 智能变电站的设计 系部名称 系部名称 电子信息学院 专业班级 专业班级 电气 081 学生姓名 学生姓名 金磊 学学 号 号 200800494129 指导教师 指导教师 李燕斌 教师职称 教师职称 副教授 20122012 年年 5 5 月月 2424 日日 某 220kv 智能变电站的设计 1 摘要摘要 本次毕业设计以某 220kv 智能变电站为主要设计对象 该变电站有两台主 变压器 站内主接线分为 220kv 110kv 和 35kv 三个电压等级 本设计的第一章为绪论 主要阐述了变电站在电力系统中的地位 设计变 电站的原则和目的以及变电站的基本情况 第二章是数字化变电站的简介 主 要介绍数字化变电站的相关技术和知识 第三章是变电站电气主接线的设计和 主变压器的选择 分别通过对 220kv 110kv 和 35kv 侧电气主接线的拟定 选 择最稳定可靠的接线方式 第四章是电气设备的选择 电气设备的选择包括母 线 断路器 隔离开关 电流和电压互感器的选择 第五章是数字化变电站的 二次系统方案 主要对数字化变电站二次系统设计的基本方案进行拟定 第六 章是站内通信网络模型描述 主要是对数字化变电站二次系统通信网络的设计 第七章 是间隔层和过程层设备对时方式选择 对数字化变电站二次系统对时方 式的方案的选择 第八章是网络结构 是对数字化变电站而出网络方案的拟定 综合分析和比较各方案 选择可靠和稳定的方案 通过 220kv 智能变电站的设计 使我对电气工程及其自动化专业的主干课 程有了一个较为全面系 系统的掌握 增强了理论联系实际的能力 提高了工 程意识 锻炼了我独立分析和解决电力工程设计问题的能力 关键词 智能变电站 电气主接线 电气设备 配电装置 间隔层 某 220kv 智能变电站的设计 2 Abstract The graduation design with a 220 kv substations as the main design intelligent objects The substation have two main transformer stood the main connection is divided into 220 kv 110 kv and 35 kv voltage grade three The first chapter of the design for the introduction mainly expounds the substation in power system in the position The design principles and objectives of the transformer substation and the basic situation of the transformer substation Chapter 2 is the introduction of digital substation mainly introduces digitized substation of related techniques and knowledge chapter 3 substations is the main electrical wiring design and the choice of main transformer By 220 kv respectively 110 kv and 35 kv side of the recommended the main electrical wiring choosing the most stable and reliable ways of The fourth chapter are the electrical equipment choice electrical equipment choice including bus bar circuit breakers isolating switch current and voltage transformer choice Chapter 5 of digital substation is second system solutions mainly to the digitized substation secondary system the basic scheme design are worked out The sixth chapter is stand inside communication network model Is mainly to the digitized substation secondary system communication network design Chapter 7 is spacer layer and process equipment way prevailed selection digitized substation secondary system of the way the choice prevailed Chapter 8 is the network structure Is the digital substation and a network of the recommended scheme the comprehensive analysis and compare various solutions choose reliable and stable solution Through the 220 kv substation of intelligent design make I to electrical engineering and its automation specialized backbone course has a more comprehensive department the system master enhance the ability of integrating theory with practice improve the engineering consciousness exercise independent analysis and solve my power engineering design problem ability keyword smart substation main electrical wiring electrical equipment power distribution equipment bay level 某 220kv 智能变电站的设计 0 目录目录 第一章 引言 1 1 1 变电站自动化系统在我国电力系统的发展 1 1 2 数字化变电站的国内外研究状况 1 1 3 课题研究的目的和意义 3 1 4 课题设计原始数据 4 第二章 数字化变电站二次系统的简介 5 2 1 数字化变电站的结构 5 2 2 数字化变电站的特点 6 2 3 数字化变电站的优势 7 2 4 数字化变电站的主要技术 9 2 4 1 电子式互感器及其配置 9 2 4 2 智能化开关 10 2 5 IEC61850 概述 11 2 5 1 IEC61850 标准体系简介 12 2 5 2 IEC 61850 标准的主要特点 13 2 6 合并单元 14 2 7 智能终端 16 2 8 数字化变电站通信网络 16 2 8 1 间隔层和站控层通信总线 16 2 8 2 过程层通信总线 17 2 9 GOOSE 服务介绍 18 第三章 电气主接线和主变压器的选择 19 3 1 电气主接线的设计 19 3 1 1 主接线的设计原则和要求 19 3 2 电气主接线 19 3 2 1 220kv 电气主接线 19 3 2 2 110kv 电气主接线 20 3 2 3 35kv 电气主接线 21 3 3 主变压器的选择 21 3 3 1 主变压器的选择原则 22 3 3 2 主变压器台数的选择 22 3 3 3 主变压器容量的选择 22 3 3 5 绕组数量和连接形式的选择 23 3 3 6 主变压器选择结果 24 第四章 电气设备的选择 24 4 1 断路器型式的选择 25 4 1 1 220KV 侧断路器的选择 27 4 1 2 110KV 侧断路器的选择 27 4 1 3 35KV 侧断路器的选择 28 4 2 隔离开关的选择 29 4 2 1 隔离开关种类和型式的选择 29 4 2 2 220KV 侧隔离开关的选择 30 某 220kv 智能变电站的设计 1 4 3 电流互感器的选择 31 4 3 1 220KV 侧电流互感器的选择 31 4 3 2 110KV 侧电流互感器的选择 31 4 4 电压互感器的选择 32 4 4 1 电压互感器型式选择 32 4 4 2 220kv 侧电压互感器的选择 33 4 4 3 110KV 侧电压互感器的选择 33 4 4 4 35kv 侧电压互感器的选择 34 第五章 站内通信网络模型描述 34 第六章 间隔层和过程层设备对时方式选择 35 第七章 数字化变电站的二次系统方案 38 7 1 总的设计原则 38 7 2 合并单元布置方案 39 7 3 智能终端布置方案 40 7 4 控制和保护的系统方案 41 第八章 网络结构 43 8 1 组网方案 44 8 2 间隔层和过程层之间通信方式 45 8 3 二次设备配置和接线方案 49 8 4 过程层网络的双重化配置 52 8 5 GOOSE 网配置方案 53 总结 58 致谢 58 参考文献 59 某 220kv 智能变电站的设计 0 第一章第一章 引言引言 坚持以信息化推动生产自动化和管理现代化 建设数字化电网 信息化企 业 要积极推广应用紧凑型线路 同塔多回 数字化变电站等先进适用技术 加快变电站技术改造步伐 全面实现 110 千伏 220 千伏变电站无人值班 电 网技术装备及现代化水平步入国内先进行列 1 11 1 变电站自动化系统在我国电力系统的发展变电站自动化系统在我国电力系统的发展 1954 年 我国从前苏联引进了远方终端装置 RTU 东北电网安装了 16 套 遥测装置 1965 年北京实现了第一个遥控变电站 到 1959 年全国已经有 29 个变电站实现遥控和无人值班 此外 还在 2 个水电厂和 7 个火电厂安装了 遥测 遥控 遥信装置 此后 国内开始了系列远动产品的研制工作 并且在 华北 华东和东北三大电网推广应用 20 世纪 60 年代中期 随着电子技术的迅速发展 许多国家都开始了基于 计算机的数据采集和监控系统 SCADA 的研制 20 世纪 70 年代基于微处理器 技术的微机型远动装置问世 微机型远动装置相对于晶体管布线逻辑型的远动 设备具有了明显的优势 这种技术随着微电子技术的发展得到了迅速的应用 20 世纪 80 年代中期开始的四大网引进工程 极大地推动了我国微机型 RTU 技术的发展 从而也大幅提高了我国变电站自动化技术的水平 20 世纪 80 年代中期 我国开始了微机型继电保护装置的研究工作 最早 通过鉴定的微机型继电保护装置是 WXB 01 型 随后研制的 WXB 11 型线路保 护性能得到了很大的提高 产品的实用化水平也不断提高 20 世纪 90 年代数字式保护的广泛应用 使得变电站自动化技术取得快速 的进展 90 年代初研制出的变电站自动化系统是在变电站控制室内设置计算 机系统作为变电站自动化的控制中心 20 世纪 90 年代中期 随着计算机技术 网络通信技术的飞速发展 出现了分 布式变电站自动化系统 1 21 2 数字化变电站的国内外研究状况数字化变电站的国内外研究状况 我国的智能变电站的发展及研究现状 我国变电站综合自动化的研究工作开始于 80 年代中期 1987 年 清华大 学电机工程系研制成功一套符合国情的变电站综合自动化系统 在山东威海 35kV 望岛变电站投入运行 用 3 台微型计算机实现了全站的微机继电保护 监 某 220kv 智能变电站的设计 1 测和控制功能 之后 随着 1988 年由华北电力学院研制的第 1 代微机保护 01 型 投入运行 第 2 代微机保护 WXB 11 1990 年 4 月投入运行并于同年 12 月通过部级鉴定 这样 在远动装置采用微机技术后 更为复杂的继电保护 全面采用微机技术成为现实 至此 随着微机保护 微机远动 微机故障录波 微机监控装置在电网中的全面推广应用 人们日益感到各专业在技术上保待相 对独立造成了各行其是 重复硬件投资 互连复杂 甚至影响运行的可靠性 1990 年 清华大学在研制鞍山公园变电站综合自动化系统时 首先提出了 将监控系统和 RTU 合二为一的设计思想 1992 年 5 月 电力部组织召开的 全 国微机继电保护可靠性研讨会 指出 微机保护与 RTU 微机就地监控 微机 录波器的信息传送 时钟 抗干扰接地等问题应统一规划并制定统一标准 微 机保护的联网势在必行 由南京电力自动化研究院研制的第 1 套适用于综合自 动化系统的成套微机保护系统 ISA 1 于 1993 年通过部级鉴定以后 各地电网 逐步开始大量采用变电站综合自动化系统 1994 年中国电机工程学会继电保护 及自动化专委会在珠海召开了 变电站综合自动化分专业委员会 的成立大会 这标志着对变电站综合自动化的深入研究和应用进入了一个新阶段 90 年代中后期 变电站综合自动化已成为热门话题 研究单位和产品如雨 后春笋般蓬勃发展 典型的变电站综合自动化系统是把保护 控制 PLC RTU 及计算机融为一体 做到数据信息统一 减少控制电缆敷设 优化 二次系统设计 用 PLC 的独特功能解决了诸如变压器分接头的自动调整 电容 器组的自动投切 变压器冷却风扇的自动控制 低周减载及负荷控制等自动控 制问题 将微机保护 控制和测量单元组合在一起 由通信控制器负责管理整 个二次设备 并将信息送给监控计算机和管理计算机 监控计算机负责变电站 的当地功能和远动功能 变电站综合自动化系统的研究和开发之所以会引起这么多的科技工作者和 企业的注意 其根本原因在于有广大的市场需求 国外变电站综合自动化的发展概况 国外从70年代末 80年代初就开始进行保护和控制综合自动化系统的新技 术开发和试验研究工作 如由美国西屋电气公司和美国电力科学研究院 EPRI 联合研制的 SPCS 变电站保护和控制综合自动化系统 由日本关西电力 公司与三菱电气公司共同研制的 SDCS I II 保护和控制综合自动化系统 SDCS I II 系统从1977 1979年进行了现场试验及试运行 80年代初已交付 商业应用 目前 日本日立 三菱 东芝公司 德国西门子公司 SIEMENS AEG 公司 瑞士 ABB 公司 美国通用电气公司 GE 西屋电气公司 某 220kv 智能变电站的设计 2 Wesinghouse 法国阿尔斯通公司 AL STHOM 瑞士 Landis Gyr 公司等国 际著名大型电气公司均开发和生产了变电站综合自动化系统 或称保护与控制 一体化装置 并取得了较为成熟的运行经验 西门子公司于1985年在德国汉诺威正式投运其第一套变电站自动化系统 LSA678 至1993年已有300多套同类型的系统在德国本土及欧洲其他国家不同电 压等级的变电站投入运行 至1995年 该公司在中国也陆续得到十几个工程项 目 基本上是110kV 城市变电站 ABB 公司的变电站综合自动化系统 SCS100 在芬兰生产 用于中 低压变电站 SCS200在瑞典生产 用于高压变电站 国 外变电站综合自动化系统制造厂商颇多 但他们彼此之间一开始就十分注意系 统的技术规范和标准的制定及协调 以避免各自为政造成的不良后果 以便于 这门新技术能够迅速发展和广泛的应用 德国电力行业协会 VDEW 为电子制造商协会 EVEI 制定的关于数字 式变电站控制系统的推荐草案于1987年公布 成为 IEC TC 57在起草保护与控 制之间接口标准的参考 内容非常丰富 美国电力科学研究院 EPRI 委托西屋 电气公司研究起草的变电站控制与保护项目的系统规范 于1983年8月发表 EL 1813 1989年又进行了修改与增补 国际电工委员会第57次技术委员会 IEC TC 57 为了配合变电站综合自动化方面的进展 成立了 变电站控制和 保护接口 工作组 负责起草该接口的通信标准 该工作组共12个国家 主要 集中在北美和欧洲 亚洲有中国 非洲有南非 2000位成员参加 从1994年3月 到1995年4月举行了四次讨论会 于1995年2月向 IEC 秘书处提交了保护通信伙 伴标准 IEC87Q 5 103 为控制与保护之间的通信提供了一个国际标准 1 31 3 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 当前 节能减排 绿色能源 可持续发展成为各国关注的焦点 人类能源 发展面临的第一挑战 是以可再生能源逐步替代化石能源 建造能源使用的创 新体系 以信息技术彻底改造现有的能源利用体系 最大限度地开发电网体系 的能源效率 因此期望通过一个数字化信息网络系统将能源资源开发 输送 存储 转换 发电 输电 配电 供电 售电 服务以及蓄能与能源终端用 户的各种电气设备和其它用能设施连接在一起 通过智能化控制实现精确供能 对应供能 互助供能和互补供能 将能源利用效率和能源供应安全提高到全新 的水平 将污染与温室气体排放降低到环境可以接受的程度 使用户成本和投 某 220kv 智能变电站的设计 3 资效益达到一种合理的状态 这就是智能电网的思想 为了达到变电站自动化要求 就要在变电站内外形成通信网络来实现信息 共享 变电站自动化系统的传输规约和传输网络的标准化 是实现可靠快速通 信的保证 为了制定能够满足功能和性能要求的通信标准 且能够支持将来技 术的发展 很多企业使用 IEC60870 5 103 规约或者各自定义了一些关于变电站 自动化通信的私有协议 即使各个设备生产厂家使用的通信协议都是 IEC60870 5 103 协议 但是由于各自采用不同的方法来实现 因而不能实现兼 容设备之间的通信和互操作性 为了能够在各种自动化系统内部准确 快速地 收集 处理并传送从发电厂 变电站到最终用户接口的各种实时信息 国际标 准化组织正在加紧相关规约标准的制定 特别值得关注的是 2002 正式通过的 IEC61850 变电站通信网络和系统的国际标准草案 将是今后电力系统无缝通信 体系的基础 国内外各大电力公司 研究机构都在积极调整产品研发方向 力 图和新的国际标准接轨 以适应未来的发展方向 数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类 即智能化的一次设 备和网络化的二次设备 在逻辑结构上可分为三个层次 根据 IEC61850信协 议草案定义 这三个层次分别称为 过程层 间隔层 站控层 各层次 内部及层次之间采用高速网络通信 数字化变电站主要技术特征是数字化变电站采用低功耗 紧凑型 数字 化的新型电流和电压互感器代替常规 TA和TV 将高电压 大电流直接变换为 低电平信号或数字信号 利用高速以太网构成变电站数据采集及传输系统 实 现基IEC61850标准的统一信息建模 并采用智能断路器控制等技术使得变电 站自动化技术在常规变电站自动化技术的基础上实现了巨大跨越 数字化变电 站技术主要表现为 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 1 41 4 课题课题设计原始数据设计原始数据 1 环境条件 户内环境温度和周围空气相对湿度 温度 10 55 允许变化率 10 d 相对湿度 5 95 无冷凝 海拔高度 不超过 1000 米 震能力 地面水平加速度 0 4g 某 220kv 智能变电站的设计 4 地面垂直加速度 0 18g 2 电气主接线 1 主变规模及电压等级 主变终期规模 3 180MVA 本期规模 2 180MVA 有载调压变压器 变比考 虑采用 220 8 1 25 115 5 36 75kV 容量变比 180MVA 180MVA 60MVA 2 出线规模 220kV 规划出线 4 回 分别至魏县 漳堡 备用 备用各 1 回 本期出线 2 回 至魏县和漳堡 110kV 规划出线 12 回 分别至杨桥 I 备用 杨桥 II 里店 备用 城关 备用 边马 备用 龙王庙 孙店 备用 备用 备用 备用 本期出线 4 回 分别至杨桥 II 里店 龙王庙 孙店各 1 回 35kV 规划出线 9 回 本期出线 6 回 3 无功补偿 每台主变低压侧安装 4x8 016Mvar 无功补偿电容器 3 电气参数 220kV 设备短路电流开断水平按不低于 40kA 考虑 110kV 设备短路电流开断水平按 31 5kA 考虑 35kV 设备短路电流开断水平按25kA 考虑 4 配电装置型式 本站处于 III 级污秽区 220kV 110kV 配电装置采用常规的户外敞开支持 式管母线分相中型布置方案 35kV 配电装置采用户内开关柜方案 手车柜 电容器采用户外散装成套装置 第二章第二章 数字化变电站数字化变电站二次系统的简介二次系统的简介 2 12 1 数字化变电站的结构数字化变电站的结构 从逻辑上看 数字式变电站可分为一过程层 二间隔层 三变电站层 三 层关系如图 2 1 所示 1 过程层 过程层是一次设备和二次设备的结合面 过程层的主要功能分三类 实 时运行电气量检测 运行设备状态检测 操作控制命令执行 某 220kv 智能变电站的设计 5 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 的保护控制功能 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控制 执行数据的承上 启下通信传输功能 同时高速完成于过程层及变电站层的网络通信功能 上下 网络接口具备双控全双工方式以提供高信息通道的冗余度 保证网络通信的可 靠性 3 变电站层 变电站层的主要功能是 通过两级高速网路汇总全站的实时数据信息 不 断的刷新实时数据库 按时登录历史数据库 将有关数据信息送往电网调度或 控制中心 接受电网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 具有站内当地监控 人机联系功能 具有对间隔层 过程层设备的在线维护 在线组态 在线修改参数的功能等功 能 站站控控单单元元 站站运运行行 支支持持单单元元 通通信信控控制制器器 局局域域网网 接接口口装装置置 星星型型耦耦合合器器星星型型耦耦合合器器 间间隔隔数数据据 采采集集和和 处处理理单单元元 间间隔隔数数据据 采采集集和和 控控制制单单元元 间间隔隔保保护护 单单元元 间间隔隔数数据据 采采集集和和 处处理理单单元元 间间隔隔数数据据 采采集集和和 控控制制单单元元 间间隔隔保保护护 单单元元 智智能能过过程程层层设设备备智智能能过过程程层层设设备备 局局域域网网 接接口口装装置置 远远方方运运行行中中心心 调调度度控控制制中中心心 LAN2 变变电电站站层层 间间隔隔级级1间间隔隔级级N 间间隔隔层层 LAN1 过过程程层层 图 2 1 数字化变电站的逻辑图 2 22 2 数字化变电站的特点数字化变电站的特点 1 一次设备智能化 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 2 二次设备网络化 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 4 数字化变电站的实现条件 现代计算机技术 现代通信和网络技术为改变变电站目前监视 控制 保 护和计量装置及系统分隔的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础 某 220kv 智能变电站的设计 6 过去若干年内 数字化变电站所依赖的技术基础已经取得了长足的进步 实现数字化变电站已经具备了以下条件 智能一次设备已被逐步采用 电子式互感器的已进入实用阶段 光纤通信及以太网技术已被普遍采用 电力行业面向对象的统一建模技术逐步被采用 IEC 为数字化变电站制定的无缝通信体系 IEC61850 基本完成 国外已经开始数字化变电站的试点工作 为我国数字化变电站的实现积 累了一定的经验 另外 变电站站内信息数字化 标准化 在 IEC 61850 到主站的标 准确立以后 调度端将可完全访问变电站的所有信息 除了传统的实时数 据外 调度端还可以直接导入变电站模型乃至主接线图 并能获得在线监 测 设备台帐等运行管理信息 2 32 3 数字化变电站的优势数字化变电站的优势 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 电站通信网络 变电站的保护 测控 计量 监控 远动 VQC 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 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已能新增功能的需求 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 某 220kv 智能变电站的设计 7 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 量约等于设备数量 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 在传输到二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 TA 和 TV 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 TA 和 TV 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 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 TA 断线导致高压 危险 TA 饱和影响差动饱和 CVT 暂态过程影响距离保护 铁磁谐振 绝缘油 爆炸 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 解决设备间的互操作问题 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 某 220kv 智能变电站的设计 8 设备间可实现无缝连接 数字化变电站唯一可用的通信标准为 IEC 61850 IEC 61850 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 2 42 4 数字化变电站的主要技术数字化变电站的主要技术 2 4 1 电子式互感器及其配置 主流产品是基于 Rogowski 线圈的电子式电流互感器 基于法拉第磁光效应 的光学电流互感器以及利用 Pockels 效应的光电电压传感器 无源电子式互感器 Faraday 磁光效应电流互感器及 Pockels 电光效应电 压互感器 这种互感器基于有关光学传感技术 一次侧光学电流 电压传感器 无需工作电源 是独立安装的互感器的理想解决方案 目前正在进行实用化研 究 有源电子式互感器 利用电磁感应等原理感应被测信号 如 Rogowski 线圈 的电子式电流互感器 电阻 电容 电感分压的电压互感器 这种互感器传感 头部分具有需用电源的电子电路 用于 GIS 或者罐式断路器更方便 对于户外 配电装置 则采用激光供能的办法 能较好的解决电源问题 目前有源电子式 互感器在工程中已获得了较多的应用 电子式互感器主要特点 1 高低压完全隔离 安全性高 不存在磁饱和 铁磁谐振等问题 2 频率响应宽 动态范围大 精度高 可同时满足测量和继电保护的需要 没有因漏油而潜在的易燃 易爆等危险 某 220kv 智能变电站的设计 9 3 体积小 重量轻 节约占地面积 无污染 无噪声 具有优越的环保性 能 4 适应电力系统数字化 智能化和网络化的需要 电子式互感器的配置 电子式互感器的配置 20kV 各间隔 主变三侧间隔电流互感器均按照保护双重化原则布置互感器 线圈 线圈布置原则为 2 个保护线圈 Rogowski 线圈 1 个计量线圈 LowPower 铁芯线圈 电流互感器准确级次 5TPE 5TPE 0 2S 110kV 35kV 各间隔 除主变外 均按照保护单套原则布置互感器线圈 线圈布置原则为 1 个保护线圈 Rogowski 线圈 1 个计量线圈 LowPower 铁 芯线圈 电流互感器准确级次 5TPE 0 2S 电压互感器 对于母线型 各电压等级 每条母线均配置 2 个三相二次线圈 无开口三 角线圈 准确级次 0 2 0 2 对于线路型 每回 220kV 线路均配置 1 个单相二次线圈 无开口三角线圈 准确级次 0 2 2 4 2 智能化开关 智能化开关是指具有配有电子设备 数字通讯接口 传感器和执行器 不 但具有分合闸基本功能 而且在监测和诊断方面具有附加功能的开关设备 开关设备 包括断路器和刀闸 的智能化是过程层数字化的重要组成部分 智能化开关的发展方向 1 智能控制功能 保护测控一体化 一 二次功能一体化 除具备传统二 次功能 保护功能 测量功能 外 还具有一次设备本体的控制功能 包括控 制联锁 储能电机和机构电机的保护 顺序控制 受控分合闸等 2 在线监测功能 断路器灭弧室的局放和介损监测 机构动作特性的监测 断路器触头和刀闸的行程 速度 控制回路断线监视 弹簧储能时间 开关工作时间 开关动作次数 切断电流累积 开关柜内温度 触头接触部位的温度监测 分合闸线圈的电流 电压等 某 220kv 智能变电站的设计 10 在线监测的主要目的 实现状态检修 实施在线监测必须考虑可靠性 稳 定性和经济性 3 数字化接口 实现开关信息的数字量传输 4 机构的电子化操动 传统的断路器各类故障 拒分拒合 中机械故障的 比率最大 各级传动齿轮增加了故障概率 也增加了机构体积 电子化操动机构变机械储能为电容储能 变机械传动为变频器通过电机直 接驱动 机械运动部件减少到一个 可靠性大大提高 电子电路的寿命 稳定 性和可靠性成为关键 目前国内的高压开关设备厂家开关设备的智能化水平 受其专业限制 不 能满足现在数字化变电站的要求 一 二次厂家的整合和合作是国内开关智能 化的必然趋势 目前实现方式是 开关不变 信号就地数字化 设置间隔级智能终端 2 52 5 IEC61850IEC61850 概述概述 IEC61850 标准提供了变电站自动化系统功能建模 数据建模 通信协议 通信系统的项目管理和一致性检测等一系列标准 IEC61850 规范了数据的命名 数据定义 设备行为 设备的自描述特征和通用配置语言 使不同智能电气设 备间的信息共享和互操作成为可能 按照 IEC61850 标准建设变电站的通信网络 和系统 是建设数字化变电站的有效途径 IEC61850 标准的发布和符合其标准的设备的推出 为建设数字化变电站提 供了坚实的基础 2 5 1 IEC61850 标准体系简介 IEC61850 标准体系共分为 10 个部分 如下 1 系统方面 Part 1 介绍和概述 Part 2 术语 Part 3 总体要求 Part 4 系统和项目管理 Part 5 功能通信要求和设备模型 2 系统配置 Part 6 变电站中智能电子设备通信配置描述语言 某 220kv 智能变电站的设计 11 3 抽象通信服务 变电站和线路 馈线 设备的基本通信结构 Part 7 1 原理和模型 Part 7 2 抽象通信服务接口 ACSI 4 数据模型 变电站和线路 馈线 设备的基本通信结构 Part 7 3 公共数据类 Part 7 4 兼容逻辑节点和数据类 5 特殊通信服务映射 SCSM Part 8 1 映射到制造商报文 MMS Part 9 1 通过单向多路点对点串行通信连接模拟采样值 Part 9 2 IEEE 802 3 之上的模拟采样值 6 测试 Part 10 一致性测试 2 5 2 IEC 61850 标准的主要特点 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的功能分 为 3 层 即变电站层 间隔层和过程层 远远方方控控制制 NCC 控制 保护 功能 A 保护 控制 传感器执行元件 间间隔隔层层 站站控控层层 过过程程层层 高高压压设设备备 远远方方保保护护 过程层接口 2 33 5 1 3 2 6 44 功能 B 6 远远方方保保护护 图 2 2 分层结构示意图 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 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全站的信息对多个间隔或全站 的一次设备发生作用的功能 如母线保护和全站范围内的逻辑闭锁功能 二是与接口相关的功能 主要指与远方控制中心 工程师站及人机界面的 通信 2 面向对象的数据对象统一建模 IEC 61850 标准采用面向对象的建模技术 定义了基于客户机 服务器 结构数据模型 每个 IED 包含一个或多个服务器 每个服务器又包含一个 某 220kv 智能变电站的设计 12 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 IEC 61850 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 和采用 面向点 的数据描述方法不同 如 103 规约 IEC 61850 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 ACSI ACSI 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 Client Server 定义了诸如控制 获取数据值服务 基于 Peer to Peer 模型 定义了诸如 GOOSE 服务和对模拟测量值采样服务 IEC 61850 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 ACSI 由特定通信服 务映射 SCSM 映射到应用层具体所采用的协议站 如 MMS 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 根据 IEC61850 规范的定义 变电站采用分层分布式结构 整个变电站 分为站控层 间隔层和过程层 站控层主要包括后台监控系统 远动机 五防系统 保护信息系统等 间隔层包括各种保护装置 测控装置以及其 他智能设备 过程层是 IEC61850 标准中提出的新概念 其包括智能 I O 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及实现对智能一次设备的直接控制 各层之间采用 IEC61850 规范传输信息 某 220kv 智能变电站的设计 13 2 62 6 合并单元合并单元 合并单元按照相应的规约接收 A B C 三相电子式互感器的输出信号 对三相电流电压进行同步 并按 IEC60044 8 IEC 61850 9 1 或 IEC 61850 9 2 的标准协议输出给计量及保护测控装置 双重化保护配置的间隔其合并器也应双重化配置 合并单元应具有以下基本功能 可接收来自多路电子式互感器采集器的采样光信号 汇总之后按照 IEC61850 规约以光信号形式对外提供采集数据 以光能量形式 为电子式互感器采集器提供工作电源 接收来自站级或继电保护装置的同步光信号 实现采集器间的采样同步 功能 以线路为例 一台合并单元可完成一条线路的全部模拟量采集 并且可以 将采集到的数据扩展给多个保护和测量装置使用 如图 2 3 所示 图 2 3 合并单元示意图 合并单元的安装位置 合并器宜安装在主控室保护屏上 但对于不同的电压等级 安装位置要求 有所不同 110kV 及以上电压等级 绝缘要求高 互感器的采集器需通过激光供能 由于合并器内的激光器件对于环境要求较高 合并器必须安装在主控室内 35kV 及以下电压等级 绝缘要求低 互感器的采集器可通过电缆供 能 合并器内可不含激光器件 合并器可安装在开关柜上 需要时甚至可 安装在就地端子箱上 2 72 7 智能终端智能终端 智能终端装置是将传统一次设备接入过程层总线的设备 它输入开关位置 低气压 刀闸位置等状态量 输出跳合闸命令 含操作回路 智能终端装置可 以理解成微机型的操作箱 智能终端装置应具有符合 IEC61850 标准的过程层总线接口 可通过过程层 总线与间隔层设备交换信息 还应具有同步脉冲输入接口 可实现全站同步采 样以满足保护和测量设备对采样同步性的要求 智能终端配置一般分为上下两端 根据开关配置 下端智能终端代理开关 某 220kv 智能变电站的设计 14 设备 上端智能终端代理保护和测控设备 上下两端以光纤连接 下端智能终端装置就地安装在一次设备端子箱或开关柜内 应能适应恶劣 的温度 振动和电磁干扰环境 上端智能终端装置安装在主控室保护屏上 可兼有测控功能 传统的测控 装置可取消 上端智能终端也可集成在保护装置内部 作为保护装置的一个插 件 接受下端智能终端来的光纤数字信息 并可将数字信息共享给其他二次设 备 保护双重化配置且断路器双跳闸线圈时智能终端按双 CPU 架构设计 各自 完成一套独立的操作回路 智能终端装置的设计应考虑供电的可靠性 端子箱内的智能终端装置宜采 用直流供电 2 82 8 数字化变电站通信网络数字化变电站通信网络 2 8 1 间隔层和站控层通信总线 站控层设备间 站控层与间隔层间的信息交换共用间隔层和站控层通信网 络 为满足不断增加的信息传输量 同时提高通信的实时性和可靠性 应选择 用 1000 100M 自适应交换以太网 站控层设备较多的大规模变电站 宜设计独立的站控层网络供站控层设备 间信息交换 间隔层和站控层通信总线应符合 IEC61850 标准 2 8 2 过程层通信总线 间隔层设备间 间隔层设备和过程层设备间的信息交换均通过过程层通信 总线完成 不需要传统的控制电缆 过程层通信总线必须满足保护等功能要求的实时性 需采用具有服务质量 QoS 保证的 100M 以太网交换 即支持报文优先级和组播功能 为保证可靠性 交换机应使用直流电源 而且达到保护设备同等的电磁兼 容性能 而且通信介质采用光纤 间隔层设备与交换机距离较近时 通信介质 可采用屏蔽 5 类线 为保证间隔独立性以提高可靠性和便于检修 每个间隔设一个间隔交换机 间隔交换机 UPLINK 级联 到总交换机 一个间隔的所有设备接入本间隔的交换 机 间隔内信息交换仅通过本间隔交换交换机 需要多个间隔信息的设备 如 某 220kv 智能变电站的设计 15 变压器保护 母差保护和备自投等接入总交换交换机 如图 2 4 变电站层设备 间隔层设备 间隔1 间隔层设备 间隔2 间隔层设备 间隔N 互感器 间隔1 开关 间隔1 互感器 间隔2 开关 间隔2 互感器 间隔N 开关 间隔N 100M交换 以太网 100M交换 以太网 100M交换 以太网 母差等跨间隔的 间隔层设备 100M交换 以太网 100M 10M交换 以太网 变电站层设备 间隔层设备 过程层设备 间隔层总线 过程层总线 图 2 4 信息交换示意图 IEC61850 标准支持过程层通信的所有要求 互感器向二次设备传输采样值 采用 IEC61850 9 1 或 IEC61850 9 2 一次设备和二次设备间交换 1 类性能要 求 延时小于 4ms 的开关量采用 IEC61850