智能变电站测控装置文献综述

文献综述文献综述 智能变电站测控装置研究智能变电站测控装置研究 摘要 智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑 是电网运行数 据的采集源头和命令执行单元 与其他环节联系紧密 是统一坚强智 能电网安全 优质 经济运行的重要保障 也是实现智能电网自动化 特征的主要体现 智能化变电站是以 IEC61850 的数字化变电站为基 础和前提的 是数字化变电站的发展和升级 数字化变电站基本上所 有的自动化功能和技术特征智能化变电站都具备 智能变电站是是 从传统变电站到数字化变电站发展的必然结果 建立智能电网是一 项巨大的历史性工程 而智能变电站是智能电网的核心内容之一 测 控装置是间隔层中的最基本同时也是最重要的装置 它提供了具有 智能集成一体化功能的面向工业测控系统的应用开发平台 测控装 置作为智能变电站运行数据信息采集和执行设备操作控制的主要设 备 是实现系统安全稳定运行的重要基础 第第 1 1 章章 研究背景研究背景 1 11 1 智能变电站智能变电站 智能变电站是采用先进 可靠 集成 低碳 环保的智能设备 以全站信息数字化 通信平台网络化 信息共享标准化为基本要求 自动完成信息采集 测量 控制 保护 计量和监测等基本功能 并可根据需要支持电网实时自动控制 智能调节 在线分析决策 协同互动等高级功能 实现与相邻变电站 电网调度等互动的变电 站 1 与常规变电站相比 智能变电站具有节能 环保 结构紧凑 提高自动化水平 消除大量安全隐患等优点 其实现了一二次设备的 智能化 运行管理的自动化 更深层次体现出坚强智能电网的信息化 自动化和互动化的技术特点 2 5 传统的电网主要注重的是信息化传输 数字化变电站或数字电 网注重的是实现信息的网络交互 而升级后的智能电网则更加注重 信息的互换互用以及功能的智能化应用 确切地说 智能化电网是 在网络信息交互共享的基础上实现信息互用 这需要建立电力企业 的大信息平台 并在此基础上逐步实现智能电网所要求的诸多强大功 能 随着信息技术 微电子技术 网络通信技术的发展 智能化自 动装置在电网控制邻域得到广泛的应用 我国的变电站自动化系统 也经历了飞速发展 6 智能变电站是由数字化变电站发展演变而来 智能变电站的研究与建设离不开数字化变电站在技术和实际运行积 累的长期经验 国内的一些电力企业和科研院所在国家电网公司的 组织下 开展了数字化电网的框架性研究 同时各个电压等级的数 字化变电站试点也在不同层次上进行 随着多个不同电压等级的数 字变电站的陆续投入运行 为变电站的全数字化建设取得了宝贵的 经验 这对我国智能变电站的建设有非常重要的意义 1 21 2 标准 标准 IEC61850 标准是由国际电工委员会 International Electro technical Commission 第 57 技术委员会于 2004 年颁布的 应用于 变电站通信网络和系统的国际标准 作为基于网络通讯平台的变电 站唯一的国际标准 IEC61850 标准吸收了 IEC60870 系列标准和 UCA 的经验 同时吸收了很多先进的技术 对保护和控制等自动化产品 和变电站自动化系统 SAS 的设计产生深刻的影响 它将不仅应用 在变电站内 而且将运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中 心之间 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 变电站通信体系 IEC61850 将变电站通信体系分为 3 层 变电站 层 间隔层 过程层 测控装置是间隔层的重要装置 智能变电站中的测控装置 是实现测量和控制功能的前端二次 设备 能够实现对站内设备的遥控以及对各个间隔遥测 遥信量的 采集 7 为运行人员提供最原始的信息 是变电站实现综合自动化 的基础 8 也是实现系统安全稳定运行的重要基础 对测控装置进 行研究具有非常重要的意义 对于智能变电站的研究以及推广能够 发挥积极的作用 第 2 章 智能变电站测控装置 2 12 1 测控装置介绍测控装置介绍 测控装置是变电站自动化系统间隔层的核心设备 主要完成变 电站一次系统电压 电流 功率 频率等各种电气参数测量 遥测 一 二 次设备状态信号采集 遥信 接受调度主站或变电站监控 系统操作员工作站下发的对开关 刀闸 变电站分接头等设备的控 制命令 遥控 遥调 并通过联闭锁等逻辑控制手段保障操作控制 的安全性 同时还要完成数据处理分析 生成事件顺序记录等功能 测控装置在变电站二次系统中的位置如图 2 1 所示 左图为传统变 电站 右图为智能 数字化 变电站 保保护护 装装置置 测测控控 装装置置 其其他他 IED CT PT 保保护护 装装置置 测测控控 装装置置 其其他他 IED ECVT MU智智能能终终端端 过过程程层层网网络络 MMS 电电缆缆 过过程程层层 间间隔隔层层 站站控控层层 传传统统互互感感器器 光光缆缆 SMV 电电子子式式互互感感器器 传传统统变变电电站站智智能能 数数字字化化 变变电电站站 G GP PS S 工工作作站站1 1工工作作站站2 2远远动动站站 G GP PS S 工工作作站站1 1工工作作站站2 2远远动动站站 IEC61850 IEC60870 5 103 图图 2 1 测控装置在变电站自动化系统中的位置测控装置在变电站自动化系统中的位置 2 2 测控装置功能实现方式 测控装置功能实现方式 变电站测控功能的实现方式经历了集中式和单元式两个阶段 2 1980 年代及以前 变电站的远动功能主要依靠集中式 RTU 装置实现 通过变送器及一些数字接口电路对变电站二次系统的一些测量和信 号进行采集 对采集量进行集中处理 RTU 装置按照功能分为遥信 单元 遥测单元 遥控单元 遥调单元等 此类系统称为集中 RTU 模式 RTU 模式二次系统接线复杂 不利于维护和扩展 1990 年代初期 随着嵌入式处理器及网络通信技术的发展 集 中式 RTU 向单元式测控装置转变 测控功能按一次设备对象单独形 成装置 完成一个设备间隔内的测量与控制功能 这种面向对象 分层分布的系统模式大幅度地减少了二次连接电缆 减少了电磁干 扰对传送信息的影响 具有更高的可靠性 并且易于使用 方便管 理及维护 目前被大量应用 2 2 测控装置类型及功能 测控装置类型及功能 目前 变电站的测控装置均采用按一次设备间隔配置的方式 根据监测对象的不同 测控装置主要分为线路或断路器测控 母线 测控 主变测控 公用测控等类型不同类型测控装置功能配置见表 2 1 表表 2 12 1 测控装置功能分配测控装置功能分配 序号序号类型类型功能配置功能配置 1线路测控 主要用于变电站线路或断路器单元的测量与控制 采集 线路电压 电流 频率 功率等电气量 实现间隔内的断路器 刀闸等一次设备的控制 2母线测控 主要用于变电站内母线电压的采集和母线刀闸设备的控 制 3主变测控 主要用于变电站内变压器间隔的电气参量采集 实现变 压器档位调节控制 并实现变压器温度等非电气量的监测 4公用测控 主要用于集中采集站内的辅助系统状态量信号以及二次 设备的告警信号 有时也兼顾站内所用变的运行状态监测和控 制 2 2 测控装置相关文献 测控装置相关文献 在文献 9 中 作者指出了智能变电站一些关键技术研究方向 其中之一就是数字化测控技术 提出了在数字化变电站平台上 研 究设备数字化测控技术 文献 10 中指出测控装置在变电站综合自动化系统中肩负着测量 与控制的任务 它的功能的实现对变电站有着重要的意义 作者结 合变电站综合自动化系统的设计思路的发展 电子 通信等技术和 测量控制的理论进步 提出了新型测控装置的设计方案 新型测控 装置是基于间隔设计的 外部通信接口选用以太网 能够方便 灵 活地实现与变电站层的通信 网络带宽高 并可实现间隔之间的信 息共享和遥控操作的全局防误闭锁 并以软件的方式实现可编程逻 辑运算 内部通信采用 CAN 总线 双 CAN 互为冗余 可靠性高 处 理突发事件能力增强 装置采用模块化设计 各功能模块可按现场 的要求灵活配置 交流采样按功能模块设计 算法上可实现多种配 置 并可对误差进行补偿 测量精度高 文献 11 中也基于变电站综 合自动化系统 设计了智能化变电站测控系统的硬件电路 控制系 统和测控软件 该测控系统由高性能十六位单片机 M37753 为核心 组成 可对变电站二次侧电压 电流等电量进行监测 并采集开关 的分合状态信息 根据需要对开关的分合状态进行控制 具有遥信 遥测 遥控和遥调即 四遥 功能及与上位机的通信功能 实现了 变电站的实时监控 文献 12 13 14 中 都提出了将各种具有 高性价比的新型处理器芯片和外围芯片大量应用到变电站测控装置 上 文献 15 中 研究间隔层保护测控装置的通信 一方面是间隔层 保护测控装置与站控层监测主机之间的通信 将保护测控装置底层 通信映射到制造报文规范 MMS 上 另一方面是实现间隔层保护测 控装置之间的 GOOSE 通信 用于实时性要求比较高的间隔闭锁和传 送跳闸信号 文献 16 中基于数字化变电站的理论基础 本文分析与 研究了变电站间隔层中的保护测控装置的软硬件平台 提出了一种 基于 DSP 与 ARM 的双处理器的保护测控装置的设计方案 对硬件结 构进行了设计 主处理器采用高性能的 DSPTMS320F2812 芯片作为 运算处理 保护功能 从处理器采用 ARMS3C44BOX 芯片作为通信 人机接口等功能 详细阐述了主从处理器间通过双口 RAM 交换数据 的问题 同时也着重对以太网通信功能模块进行了阐述 实现了符 合 IEC61850 标准统一的以太网接口 并通过移植集成有完整的 TCP IP 协议栈的 uCIimix 操作系统到保护测控装置上 实现了嵌入式 操作系统在 IED 上应用的例证 文献 17 中 指出随着变电站智能化的发展 面对全新的数据接 口和其带来的相应问题 对测控设备的测量功能提出了一种实用的 新方案 从理论分析和仿真实验的角度验证了其正确性 并应用于 实际系统中 文献 18 中提出了一种新的测控装置硬件方案 将 CAN 总线引入到测控装置 增强了装置的抗干扰能力 在装置内设立了 MASTER 主站 专门负责通讯 MASTER 插件的 CPU 带有嵌入式以太网 接口 可以方便地接入以太网 提高了装置的实时性 用 14 位逐次 逼近型 ADC 代替 VFC 构成新的数据采集系统 在设计中采用大量可 配置信息 并在人机接口插件上采用了大液晶显示器 使人机界面 更加友好 在文献 19 中 设计出的测控装置能够实时测量两段母线 电压的相位等 以 MMS 报文等方式上送后台和远动 从而实现装 置或监控的自动核相 以达到准同期合闸的目的 在文献 20 中 作者结合数字化变电站保护测控装置的研发经验 全面总结和阐述了智能变电站保护测控装置开发设计的一般思路 保护测控装置采用 IEC61850 标准建立对象模型 利用 IEC61850 模块 化思想和面向对象技术进行装置的程序设计 采用 PLC 可编程组态 技术生成装置程序 并选择高可靠性的网络拓扑及冗余技术来保证 通信网络的可靠性 文献 21 中 总结了目前几种典型的不同电压等 级智能变电站的测控实现方案 并对比分析其优缺点 最后提出智 能变电站测控技术的发展方向 提出今后测控将呈功能集成化 结 构紧凑化方向发展 多功能测控和集中式测控技术的深入研究 文 献 22 中 作者指出了智能变电站线路保护测控装置相关技术的研究 包括智能变电站结构研究 电子式互感器技术的研究以及合并单元 研究 并设计了智能变电站线路保护测控装置的硬件架构和软件架 构 硬件架构包括 CPU 插件 通讯扩展插件 电源插件等相关插件 软件设计基于 IEC61850 标准的统一软件平台 采用 Vxworks 嵌入式 实时操作系统 引入面向对象的设计思想 装置的测控类功能如测量 模块 遥信处理模块 保护类功能距离保护 过流保护 重合闸功能 等都变成了一个个 对象 在 IEC61850 标准中称之为 逻辑节点 在程序中对每个功能对象进行封装 第 章第 章 总结与展望总结与展望 变电站经历了常规变电站 综合自动化变电站 数字化变电站 到智能变电站的发展 数字化 是变电站自动化的基础 智能变电 站是变电站朝自动化方向发展的必然结果 2009 年年底国家电网推 出了 智能变电站技术导则 作为新的变电站标准 并在随后又发 布了一系列相关细化标准 对智能变电站的设计 改造原则与技术 规范作了详细的规划 测控装置也随之获得了相应的发展 早期的发展中 主要的问题是通信的一致性问题 导致变电站 内不同厂商智能电子设备 IED 之间存在互操作性问题 早期的变 电站测控装置主要是由单片机作为其处理器 软件设计采用结构化 的程序设计语言原则 其缺点是功能简单 处理能力较差 响应速 度较慢等 因而这些装置能够完成的功能和应用范围都受到限制 2004 年 国际电工委员会制定了 IEC61850 标准 这是基于网络通信 平台的变电站自动化系统唯一国际标准 也是我国电力行业相关标准 的基础 随着集成电路和计算机技术的飞速发展 高性能低价位处 理器芯片和外围芯片的大量出现 各种新型集成电路进一步应用在测 控装置上 如 32 位 CPU 数字信号处理芯片 DSP 高速高精度 A D 转换芯片 大容量 Flash 存储芯片 可编程逻辑器件 CPLD FPGA 等 这些新器件的应用使测控装置的电路板更加小型集成化 同时 各 种成熟的商用嵌入式实时操作系统的采用使装置在通信 数据存储 及处理等方面的能力更强 性能大幅提高 并利用利用 IEC61850 模 块化思想和面向对象技术进行装置的软件程序设计 2009 年 5 月国家电网公司提出了建设以特高压电网为骨干网架 各级电网协调发展的坚强电网为基础 利用先进的通信 信息和控 制技术构建以信息化 自动化 互动化为特征的自主创新 国际领 先的统一坚强智能电网的战略发展目标 这对变电站的发展提出了 信息化 自动化 互动化的要求 相应的测控装置也获得了新的发 展 测控可以充分利用资源高度共享的优势使装置往集成化的方向 发展 在对测控装置进行研究时 必须达到以下要求 具有多个不 同用途的以太网通信接口 具备与光电互感器和智能开关设备数字 接口和大流量数据处理能力 统一的硬件平台 良好的互操作性 具有间隔录波和事故简报功能 功能强大 方便易用的配套工具 以此来适应现代技术水平的通信体系 实现完全的互操作 体系向下 兼容 基于现代技术水平的标准信息和通信技术平台 通过标准化数 据交换接口实现开放式系统 参考文献 1 国家电网公司 智能变电站技术导则 S 北京 2009 2 高翔 数字化变电站应用技术 M 北京 中国电力出版社 2008 53 一 156 3 高翔 数字化变电站应用展望 J 华东电力 2006 34 8 47 一 53 4 余贻鑫 面向 21 世纪的智能配电网 J 南方电网技术研究 2006 2 6 14 一 16 5 李斌 薄志谦 智能配电网保护控制的设计与研究 J 中国电机工程学报 2009 6 周和 智能变电站的设计及其应用 J 华北电力大学 2011 7 IEC61850 Communication Networks