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数字式变电站概述 张沛超上海交通大学电气工程系pczhang 传统变电站自动化系统存在的不足 一 二次设备之间互操作性不够在变电站自动化系统发展初期 人们就期待解决不同生产厂家二次设备之间的互操作性 interoperability 甚至互换性 interchangeability 但这个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功能和接口规范 以及通信标准的采用缺乏一致性 互操作 一个厂家 私有 两个厂家 协商 三个厂家 互操作 众多的通信规约 DNP LON 60870 5 101 4 60870 5 103 FIELDBUS PROFIBUS Station Gateway Central Functions MVB CAN others Protection Control 规约转换成本 传统变电站自动化系统存在的不足 二 对象建模的差异使信息难以共享由于对变电站自动化系统 变电站与控制中心之间的通信以及控制中心层面不同应用之间缺乏统一的建模规范 从变电站自动化系统采集的各种信息在向控制中心进行传递以及控制中心不同应用之间的共享这两个层面都存在一定障碍 传统变电站自动化系统存在的不足 二 对象建模的差异使信息难以共享由于对变电站自动化系统 变电站与控制中心之间的通信以及控制中心层面不同应用之间缺乏统一的建模规范 从变电站自动化系统采集的各种信息在向控制中心进行传递以及控制中心不同应用之间的共享这两个层面都存在一定障碍 信息孤岛 传统变电站自动化系统存在的不足 三 新技术应用的适应性问题按照莫尔定律 计算机芯片的集成度每18各月翻一番 随着IT技术的迅猛发展 与变电站自动化系统相关的通信 嵌入式应用等技术的更新速度比变电站自动化系统 一般认为其更新周期应在12年以上 的更新速度快得多 由于互操作性和信息共享的原因 现有的变电站自动化系统设备部分更新时需要付出很大的附加成本 例如 在变电站自动化系统中更新一套继电保护装置时 由于通信接口和通信协议的差别往往需要增加规约转换设备 并且需要进行现场调试 甚至还可能需要更改自动化系统的数据库定义并进行相应的试验验证 采用不同厂家的设备更新时则更加困难 传统变电站自动化系统存在的不足 四 二次电缆对系统可靠性的影响虽然现有的变电站自动化系统实现了设备的智能化 但这些智能设备之间以及智能设备与一次系统设备和变电站自动化系统之间仍然采用电缆进行连接 电缆遭受电磁干扰和一次设备传输过电压可能引起二次设备运行异常 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 数字式变电站系统的技术特征 系统建模标准化数据采集数字化设备操作智能化系统分层分布化系统结构紧凑化信息交互网络化信息应用集成化设备检修状态化 过程层的数字化 系统结构 信息交换 数字式变电站系统的技术特征 系统建模标准化IEC61850确立了电力系统的建模标准 为变电站自动化系统定义了统一的 标准的信息模型和信息交换模型 a 实现智能设备的互操作 采用了对象建模技术 抽象通信服务接口ACSI AbstractCommunicationServiceInterface 技术和设备自我描述规范 使得变电站自动化功能不但在语法上而且在语义上都得以标准化 并使功能完全独立于具体的网络协议 可以实现真正的互操作 b 实现变电站信息共享 对一 二次设备进行统一建模 资源采用全局统一命名规则 变电站内及变电站与控制中心之间实现了无缝通信 c 简化系统维护 配置和工程实施 设备功能 系统配置乃至网络连接都可以用基于XML的变电站配置语言SCL SubstationConfigurationLanguage 进行描述 存储 交换 配置和管理 变电站配置描述语言SCL 数字式变电站系统的技术特征 数据采集数字化在电流 电压的采集环节采用数字化电气量测系统 如光学互感器或电子式互感器 实现了电气量数据采集的数字化应用 其优点 实现了一 二次系统电气上的有效隔离 电气量动态测量范围大 测量精度高 实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转变 实现信息集成化应用提供了基础前提 IEC61850标准技术概述 数字式变电站系统的技术特征 设备操作智能化高压断路器二次技术的发展趋势是用微机 电力电子技术和新型传感器建立新的断路器二次系统 如ABB公司的PASS Plug SwitchSystem SIEMENS公司的HIS HighlyIntegratedSwitchgear 等 其主要特点是 a 由微机控制 电力电子组成执行单元 代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器 实现按电压波形控制跳 合闸角度 精确控制跳 合闸过程的时间 减少暂态过电压幅值 b 断路器设备的信息由设备内微机直接处理 并能独立执行当地功能 而不依赖于变电站级的控制系统 c 非常规传感器与微机相配合 独立采集运行数据 可早期检测设备缺陷和故障 d 具有自检功能 可监视断路器设备一次和二次系统 发现缺陷及时报警 为状态维修提供参考 数字式变电站系统的技术特征 系统分层分布化IEC61850体系提出了过程层 间隔层 站控层的三层结构模型 采用面向对象建模技术 软件复用技术 高速以太网技术 嵌入式实时操作系统RTOS Real TimeOperatingSystem 技术 以及XML ExtensibleMarkupLanguage 技术等 满足了电力系统实时性 可靠性要求 有效地解决了异构系统间的信息互通 装置的自我描述 互操作以及系统的扩展性等问题 使得变电站分层分布式方案的实施具备了可靠的技术基础 数字式变电站系统的三层结构 ControlCenter HMI Engineering 100MBit sSwitch Router StationBus RelayA BayController ModernSwitchgear ModernCT VT s RelayB RelayA BayController ModernSwitchgear ModernCT VT s RelayB ProcessBus 数字式变电站系统的技术特征 系统结构紧凑化数字化电气量测系统具有体积小 重量轻等特点 可以有效地集成在指智能开关设备系统中 按变电站机电一体化设计理念进行功能优化组合和设备布置 在高压和超高压变电站中 保护装置 测控装置 故障录波及其他自动装置的I O单元 如A D变换 光隔离器件 控制操作回路等作为智能一次设备的一部分 实现智能电子装置的所谓 近过程化 process close 而在中低压变电站则将保护 监控装置小型化 紧凑化 完整地安装在开关柜上 系统结构紧凑化 数字式变电站系统的技术特征 信息交互网络化采用低功率 数字化的新型互感器代替常规互感器 将高电压 大电流直接变换为数字信号 变电站内设备之间信息交互全部采用高速的网络通信 二次设备不再出现常规功能装置重复的I O现场接口 通过标准以太网技术真正实现数据共享 资源共享 a 网络拓扑结构能根据实际需要灵活选择 容易利用冗余技术提高系统可靠性 网络拓扑结构的改变不会影响变电站功能的实现 b 实现数据共享 当过程层采用基于IEC61850 9 2的过程总线时 利用多播 multicasting 技术 一套传感器的采样数据可同时发送至测控 保护 故障录波 相角测量单元等 c 利用网络线代替导线 可以大大减少变电站内二次回路的连接线数量 从而提高系统的可靠性 例如 常规变电站一个间隔内大约有200 500根线需要安装与测试 工作量巨大且容易出错 数字式变电站的信息接口 BayLevel Protection Control StationLevel FunctionA FunctionB BayLevel Protection Control 3 1 3 1 6 6 9 4 5 4 5 8 7 TechnicalServices 数字式变电站系统的技术特征 信息应用集成化常规变电站的监视 控制 保护 故障录波 量测与计量等几乎都是功能单一 相互独立的装置和系统 硬件重复配置 信息不共享 投资成本大 数字化变电站使得原来分散的二次系统装置 具备了进行信息集成和功能合理优化 整合的基础 数字化变电站将是未来 数字化电力系统 中的功能和信息节点 IEC针对电力系统操作与运行制定了一整套标准 如图2 3所示 以逐步统一电力系统内各自动化系统的信息模型和信息交换模型 消除由于缺乏统一建模 系统异构而导致的各种 信息孤岛 IEC电力系统操作与运行标准体系 电力企业统一信息架构 信息高速公路 数字式变电站系统的技术特征 设备检修状态化以往的设备状态检修主要指一次设备 电气二次设备的状态监测对象不是单一的元件 而是一个单元或一个系统 虽然IED装置本身具备状态检修的实施基础 但二次设备的状态检修必须作为一个系统性的问题来考虑 或者说状态监测环节应包含交流输入 直流 操作回路等 因此 常规变电站内很难实施二次系统的状态检修 在数字化变电站中 可以有效地获取电网运行状态数据 各种IED装置的故障和动作信息 监测操作及信号回路状态的有效监视 数字化变电站中将几乎不再存在未被监视的功能单元 设备状态特征量的采集上没有盲区 设备检修策略可以从常规变电站设备的 定期检修 变成 状态检修 这将大大提高系统的可用性 availability 实现数字式变电站的意义 在技术上 实现数字式变电站可以减少设备的退出次数和退出时间 提高设备的可用性 减少自动化设备数量 简化二次接线 提高系统的可靠性 设备具有互操作性 方便了设备的维护和更新 减少投运时间 提高工作效率 可以方便变电站的扩建及自动化系统的扩充 在经济上 可以实现信息在运行系统和其他支持系统之间的共享 减少重复建设和投资 减少占地面积 从而减少基建投资 减少变电站寿命周期内的总体成本 包括初期建设成本和运行维护成本 数字式变电站系统的关键技术 非常规传感器的稳定性IED的互操作性通信网络的可靠性 实时性信息的同步性信息的安全性 数字式变电站系统的关键技术 非常规传感器的稳定性无源式互感器的主要问题是 因线性双折射现象 发光源LED器件发光强度下降 光传输环节引起的偏振角变化以及维尔德常数因材料不同随着外界温度的变化等因素造成测量精度的不稳定和偏差 有源式互感器的主要问题是 其工作时需要工作电源 利用激光供电技术实现对高压侧电子模块供电 激光供电的合并单元与有源电子式互感器之间的物理距离受一定的限制 激光供电器件的稳定性会直接影响应用的效果 另外 Rogowski线圈易受电磁干扰 在运行中传感线圈应严格屏蔽 同时 Rogowski线圈无法传变一次系统中的非周期信号 衰减的直流分量 非常规互感器分类 数字式变电站系统的关键技术 IED的互操作性IED设备的互操作性甚至互换性是制定IEC61850标准的重要驱动力 为保证互操作性 需要开展两类试验与测试 一致性测试和性能测试 一致性测试属于 证书 测试 目的是测试IED是否符合特定标准 IEC61850 10中专门定义了一致性测试方法 性能测试属于应用测试 目的是测试IED是否满足运行性能要求 一致性测试一般由授权机构完成 而性能测试则由用户组织实施 一致性测试和性能测试的关系 国外厂家频繁的进行互操作性测试 测试小组 MU AREVAPROT AREVAMU ABBPROT ABBTEST OMICRON UCA 数字式变电站系统的关键技术 通信网络的可靠性 实时性在IEC61850中 对变电站自动化系统报文性能作了严格详细的规定 依据对时间的要求将报文划分为1 快速报文 2 中速报文 3 低速报文 4 生数据报文 5 文件传输报文 6 时间同步报文 7 具有访问控制的命令报文 等七大类 其中 快速跳闸报文 以及对保护和控制的 生数据报文 的时间要求达3ms 传统以太网采用随机的网络仲裁机制 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetection 其传输不确定性是以太网进入实时控制领域的主要障碍 IEC61850对生数据 rawdata 传输的实时性要求 数字式变电站系统的关键技术 信息的同步性为避免电气量的相位和幅值产生误差 二次设备需要在同一个时间点上获得采样数据 传统电磁式互感器输出的模拟信号不存在这个问题 但由合并单元输出的数字采样信号就必须含有时间信息 现场试验需要验证合并单元采样数据的时间同步准确度 以满足系统测量和控制的需要 IEC61850将对时间同步的要求划分为T1 T5共5级 其中 T1要求最低 为1ms T5要求最高 为1us 由于传统以太网自身的技术限制 想通过多播的方式在网络内实现时间同步是很困难的 IEC61850采用SNTP SimpleNetworkTimeProtocol 实现不同设备间的采样同步 以UTC UniversalTimeCoordinated 作为时钟同步源 IEC61850对信息同步性的要求 数据延时 传输延时 序列化延时 处理延时 数字式变电站系统的关键技术 信息的同步性 续 由于过程层总线负载大 同步误差要求控制在1微秒 因此 过程层同步标准必须采取IEEE1588标准 一个IEEE1588精密时钟 VAP 系统包括多个节点 每一个都代表一个时钟 时钟之间经由网络连接 按工作原理 时钟可以分为普通时钟和边界时钟两种 二者的区别