数字化变电站技术发展与应用概要.doc

数字化变电站技术发展与应用杨然静 白小会（1. 北京电力设计院 北京100055；2. 北京电力设计院 北京100055；）【摘要】： 目前，国家电网公司及所属部分电力公司已经开展了数字化变电站的试点建设，已有多个数字化变电站投运或部分间隔挂网运行。因目前我国对数字化变电站尚无统一的建设标准，各地数字化变电站的建设方案不尽相同。其差异集中体现在采用了不同原理的电子式互感器、过程层二次设备采用IEC 60044-8FT3或IEC61850-9-1或IEC61850-9-2规约、站控层组网的不同拓扑结构、GOOSE 技术应用等方面。本文在广泛调研的基础上，试从数字化变电站概念、特点及优势、方案类比等方面进行阐述，介绍数字化变电站设备发展情况，并提出建设数字化变电站应重点考虑的几点问题。【关键词】：数字化变电站、数字式互感器、IEC618501前言目前，我国变电站自动化技术经过多年的发展已经达到一定的水平，在变电站（含超高压）建设中大量采用自动化新技术，大大提高了电网建设的现代化水平，增强了电网运行的安全性及电网调度的自动化水平，降低了变电站建设的总造价。然而技术的发展是没有止境的，随着智能化电气的发展，特别是智能化开关、电子式互感器等机电一体化设备的出现及一次设备的在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日渐成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发利用，变电站即将进入数字化的新阶段。国家电网公司及所属电力公司都在积极跟踪数字化变电站的最新发展技术，部分电力公司已率先开展了数字化变电站的研究工作，并建设了试点站。在2003年已经开始有按IEC61850标准进行数字化建设的变电站挂网运行。近期兴建了一些数字化110kV 、220kV 数字化变电站示范站，并投入运行，而且数字化建设的步伐已延伸到 500kV等级的变电站。以上情况表明目前数字化变电站的研究已进入实际工程应用阶段。为探索适应于北京电力公司110kV 、220kV 变电站数字化的技术路线和技术方案，并使公司数字化变电站能够平稳、顺利、成功的进行，我院对数字化变电站的技术做了调研及跟踪，以下将数字化建设中的基本设备、技术构成及应用趋势做一浅析介绍。2数字化变电站的概念、特点及优势2.1数字化变电站的概念数字化变电站是指信息采集、传输、处理、输出及执行过程完全数字化的变电站。基本特征为设备智能化、通讯网络化、运行管理自动化等。具体是变电站内一次电气设备和二次电子装置均实现数字化通信，具有全站统一的数字模型和数据通信平台，在此平台的基础上实现智能装置的互操作性。2.2数字化变电站特点数字化变电站主要有以下特点：(1一次设备的智能化采用数字输出的电子式互感器、智能开关（或传统开关和智能终端组合）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。(2二次设备的网络化二次设备全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备间用通讯网络交换模拟 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变电站运行管理自动化系统应包括自动故障分析系统、设备健康状态检测系统和程序 化控制等自动化系统。变电站运行发生故障时能及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，实现变电站一、二次设备的“状态检修”。2.3数字化变电站的优势数字化变电站的一次设备和二次设备均采用智能设备，设备间交互的信息均按统一的模型数字化。数字化较常规变电站具有以下几方面优势：(1变电站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通信标准IEC61850，按统一的通信标准接入变电 站通信网络。变电站的保护、测量、计量、远动、VQC 等系统均共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，不需要重复建设信息采集、传输和执行系统。(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，无需改造和更换原有设备，减少变电站全寿命周期成本。(3通信网络取代复杂的控制电缆，减少二次接线数字化变电站一次设备和二次设备间、二次设备之间均采用计算机通信技术，一条通 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。因此大幅度减少了二次电缆的数量和二次接线的复杂程度。(4测量精度提高数字化变电站采用电子式互感器，传输过程中均不会产生附加误差，提高了保护系统、测量系统和计量系统的精度。(5信号传输的可靠性提高数字化变电站的信号传输均通过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效验码和通道自检信息，拒绝误传信号和监视通信系统的完好性，PT 断线、CT 断线的判断将不再是问题。数字信号可以用光缆传输，从根本上解决了抗干扰问题。数字化变电站二次设备和一次设备之间采用绝缘的光纤连接，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。(6电子式互感器较传统互感器性能好电子式互感器和传统互感器比较，具有以下优点：1 电子式电流互感器具有无磁饱和、频率响应范围宽、精度高、暂态特性好等优点。 电子式电压互感器测量准确度高，并解决了传统电压互感器可能出现铁磁谐振的问题。2 电子式互感器通过光缆连接互感器的高低压部分，绝缘结构大为简单。以绝缘脂替代传统的油或SF6气体，互感器性能更加稳定，同时避免了传统充油互感器渗漏油现象，也避免了SF6互感器的SF6气体对环境的影响。无需检压、检漏，运行过程中免维护。3 互感器无油设计彻底避免了充油互感器可能出现的燃烧、爆炸等事故，高低压部分光电隔离，使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能导致的危及设备或人身安全等问题不复存在。4 电子式互感器具备完备的自检功能，若出现通信故障或电子式互感器故障，保护装置会因收不到效验码正确的数据而直接判断出互感器异常。5 价格低廉的光纤光缆的应用，大大降低了电子式互感器的综合使用成本。6 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，均遵循 IEC61850标准，设备间可实现无缝连接。7 进一步提高自动化和管理水平数字化变电站通信系统传输的数据更完整，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、二次设备和通信网络都可具备完善的自检功能，可根据设备的健康情况实现设备的状态检修。3 数字化变电站设备发展及应用情况介绍3.1 电子式互感器国外各大电力公司从上世纪八十年代就开始了电子式互感器的研究。ABB 公司研制出的电子式互感器，在PASS 、GIS 和高压直流（HVDC ）及中低压开关中都有应用。用于GIS 中的电子式互感器都达到了0.2级的准确精度；500kV 等级的电子式电流互感器已于2002年应用于500kV 龙政直流输电工程及随后的500kV 三广直流输电工程，使用情况良好。SIEMENS 、日本三菱电机公司研制的电子式互感器也在多个变电站得到成功应用。我国关于电子式互感器的研究始于1970年， 1979年研制出第一台样机。90年代后，新一代的光电式互感器又引起重视，主要集中在各大高校和研究院所，目前，相关单位已并取得了突破性的研究及应用成果。从应用及市场调研情况看互感器在高压、低压应用情况各有差异，具体如下：(1110kV及以上电压等级互感器数字化变电站常用的高压互感器统称为非常规互感器或数字式互感器，可分为有源、无源两大系列。有源式互感器又称为电子式互感器（ECT 或EVT ）；无源式互感器又称为光电式互感器（OCT 或OVT ）。对比电子式互感器，国内早期多数电子式高压CT 均为有源型，多采用罗式线圈原理，其高压侧需要激光电源辅助供电。光学互感器因受传感头寿命的影响，市场占有率小，运行经验少，目前尚未大批量采用。(210kV、35kV 互感器低电压互感器目前常用的为小模拟信号输出的数字式互感器，应用情况分为两种：一是采用此类互感器，每组均配置合并单元，转换成数字信号输入保护测控装置，此种方案增加合并单元部分投资，但适用于需配置集中式保护（如母线差动保护、低周减载装置）的变电站；二是采用一体化CT/PT，常规YX/YK开入、开出，直接接入10/35kV保护测控装置，仅在受电、分段断路器配置相应的合并单元，用于主变保护及10kV 备自投。此方案较适用于新型的测控保护IED 就地下放的中低压开关柜，造价低，建设周期短，维护方便运行，方式灵活，并且可以节省PT 柜、减少电压并列装置及电压小母线和大量电缆。但由于CT/PT输出为小模拟信号，较短距离接入本柜保护测控装置可行，不能满足引出开关柜接入其他设备的要求。另从调研情况看，数字化变电站低压侧用常规互感器的情况也较多，因为数字式互感器在高电压等级应用优势更加明显，低电压等级互感器在抗饱和特性、节省电缆等方面无太大优势，且数字式互感器较常规互感器增加投资，故数字化变电站低电压等级用常规互感器在经济性方面更具优势。3.2一次设备智能化非常规互感器的出现以及计算机技术的发展，使得对于断路器设备内部的电、磁、温度、机械动作状态监测成为可能，通过收集分析监测数据，判断断路器运行状况及趋势，安排检修和维护，实现设备的“状态检修”，代替传统的定期检查和试验。目前，断路器的智能化尚处于研制阶段，ABB 公司仅在较低电压等级的PASS 开关中做了应用，在高压断路器中现阶段一般采用智能操作箱实现开关量的上送及GOOSE 命令的下行。国内目前通常采用“常规一次设备智能终端”的方式实现一次设备智能化方案，既考虑了常规一次设备丰富的运行经验，又结合智能终端设备实现了采集和控制信号的数字化传输。调研情况表明，该方案在内蒙220kV 杜尔博特数字化变电站、云南110kV 翠峰变电站等中得到了成功的应用。采取“常规一次设备智能终端”模式实现对一次设备的控制、实时在线状态监测、数据交换、信息处理，是当前完全智能化的一次设备选型相对困难时实现完整意义上的数字化变电站的一种现实可行的方式。3.3 IEC61850标准及二次设备国外几个大的电力设备公司，如ABB 、西门子等，已开发了全套的数字化变电站一次设备和二次设备，并得到成功的应用。在IEC61850标准的制定过程中，进行了各厂家设备间的互操作试验并在示范变电站得到应用。电科院和国内的各大电力设备制造厂商从2001年就开始关注IEC61850，并且开始对该标准进行翻译。到目前IEC61850的国产化工作已基本完成。数字化站的二次设备与传统二次设备相比发生了很大的变化。在设计理念上，将变电站内二次设备统一放置在同一数据网络中，数据共享，继电保护和自动化和计量等二次专业统一按照“大二次”考虑，模糊专业界限。在技术实现上，尽可能地减少二次控缆，引入了光纤通信技术，利用光纤传输容量大，抗干扰的特点，在一次设备区将各种数据、信息收集在一起，通过有限数量的光缆将信息打捆上传给二次设备，从而，大大减少了二次控缆的数量。引入了计算机网络技术，二次设备具备能与智能一次设备共用通信系统交换数字信息的能力，从而实现二次设备智能化和网络化；统一采用了IEC61850通信协议，实现了站控层、间隔层、过程层的全程数字化，规范了通信协议。在设备功能实现方面，软件逻辑连接替代了传统的控制电缆连接。目前，国内外的主要设备制造商都在积极进行产品研发。国内的南瑞科技、国电南自、南瑞继保、北京四方等主要的电力自动化设备制造商较早投入到数字化变电站相关产品的研发中，现已能提供数字化变电站的全套二次设备，部分厂商所提供的设备已被一些电力公司采用，并投入运行。4数字化变电站方案重点考虑问题目前，“国家电网公司关于开展电网先进适用技术研究示范和推广应用的实施意见”、“国家电网公司关于开展电网运行管理技术研究和推广应用的实施意见”中均提及数字化变电站相关内容，全国各电力公司也在积极开展工作。通过对数字化变电站的学习及调研，数字化变电站方案应重点从以下几个方面进行考虑。4.1一次设备问题4.1.1数字式电流、电压互感器选型目前有不少厂家都在进行电子式互感器产品的研究和生产。其中：无源型的例如西安同维研制了光学电子式CT ；西安高研研制了模拟小信号输出的电子式CT/PT；有源型的例如伟钰光电实现了多电压等级的多种模式电子式互感器；另外尚有不少厂家在宣传中提及。但是各厂家CT/PT工作原理各有不同，性能各有千秋，。建议做数字化变电站方案时重点从安全、可靠及经济性角度考虑，进行详细经济技术比较，根据结果对220kV 、110kV 及低电压等级互感器进行选型。建议220kV 、110kV 等级互感器使用电子式互感器；低电压等级采用一体化数字式互感器或常规互感器。4.1.2数字式电流、电压互感器安装从调研情况来看，智能化断路器目前技术尚不成熟。目前，市场上尚不具备完全意义上的智能一次设备，只能靠二次设备厂商为传统开关配套相应的智能操作箱来部分实现一次设备的智能化。对于城市户内站，一次设备多为GIS ，智能操作箱、光CT/PT能否布置在GIS 汇控柜或仓内，相应地GIS 设备订货等问题还需要与主要的一次设备制造商以及二次设备制造商进行沟通。4.2二次设备的问题数字化变电站是目前的最前沿技术，国内外的主要设备制造商都在积极进行产品研发。他们在研发过程中对数字化变电站有不同的理解，数字化变电站的实现方式各有千秋，例如保护测控合一或分别配置的方式；针对不同的一次设备配置，保护测控装置选用模拟量或数字接口；对于保护装置跳闸方式，采用GOOSE 网方式或一对一跳闸方式等。对于各厂商所提供的产品协议能否互通，数据采样的同步、操作软件的直观性、可靠性和兼容性等问题，我们还需要对国内主要自动化设备生产商进行广泛调研，了解他们对数字化变电站实现方案的不同见解、各自产品的生产及运行情况，进行充分对比，结合各公司的实际情况，确定符合实际情况的数字化变电站实施方案。4.3 IEC61850标准还需要进一步深入研究、完善和标准化，以便实现一、二次设备的接口及互操作性IEC61850是一个较新的国际标准，虽然在制订时进行了很多考虑，但随着世界范围内工程的应用仍然发现了一些不足，这些问题可能影响现场设备的互操作性，从而给我们的设备选择、设备的维护和管理带来不小的麻烦。据了解，目前，基于间隔层和变电站层之间的IEC61850通信的互操作试验情况较好，但在过程层的应用较为复杂：如过程层二次设备采用IEC 60044-8FT3或IEC61850-9-1或IEC61850-9-2规约等方面，这些都将可能影响设备的选型采购工作。实现真正意义的互操作毕竟需要一个过程，无法做到一蹴而就，无论在国际上，还是在国内，各厂商之间的互操作操作试验也是稳步推进的。所以，在实现数字化变电站过程中，我们应要求项目中涉及厂家就各自设备实现互联进行试验。进行多厂家之间的合作和互联验证，更能验证各厂家的标准化、一致性，推动各厂家生产标准化的设备，实现设备的互换，从而实现IEC61850的标准化。4.4为应对数字化新技术，我们还需要进一步的研究和制定相应设备调试、验收、运行、维护和管理办法数字化变电站带来的是一场整体革命而不是局部的变革。数字化变电站的实施，在技术层面上使继电保护和自动化专业紧密结合在一起，所有的数据实现了共享，专业之间已经没有了界限。目前，伴随新技术带来的流程乃至生产关系方面的变革尚未尘埃落定，已有的若干试点站基本上都受管理模式制约而存在差异。数字化变电站广泛采用了智能设备，将对现有的设备调试、验收、运行、维护和管理方法提出了挑战。例如，许多设备的输入输出接口都由传统的模拟接口和硬接线变为数字通信接口，必须有新的调试、检验设备规程。还有许多原来由不同部门管理的功能现由同一设备实现也造成一些问题。因此，在数字化变电站的建设中，应结合运行单位的实际情况，在现有综合自动化变电站的基础上调整设备制造、试验、验收、运行、维护和管理规程，以适应数字化变电站的特点，通过试点探索出一套具有可操作性的数字化变电站管理规程。5 现阶段应用的数字化变电站设计方案 目前数字化变电站设计方案大致可分为以下几种： （1）一次采用常规设备，保护测控装置仍为模拟量开入，将站控层、间隔层设备的规约 统一为基于 61850 标准的协议。例如北京顺义 500kV 变电站的实施方案。 （2）一次设备采用非常规互感器，断路器间隔配置智能单元及合并器组成过程层设备， 保护测控装置为数字量开入，将站控层、间隔层设备的规约统一为基于 61850 标准的协议。 例如我院调研的广东沙坪 110kV 变电站改造工程实施方案。 （3） 一次设备部分采用非常规互感器 （110kV 及以下电压等级） 部分为常规互感器 、 （220kV 以上电压等级） ，断路器间隔配置智能单元及合并器组成过程层设备，保护测控装置为数字 量或模拟量开入，将站控层、间隔层设备的规约统一为基于 61850 标准的协议。例如我院调 研的广东三乡 220kV 变电站改造工程实施方案。 6 其他网省公司工程应用总结 6.1 电子设备在一次设备区运行的可靠性 MU、智能终端安装在一次设备区，其电子设备在强电磁常环境的抗干扰能力、温湿度 变化引起的电子设备工作环境适应能力异常突出。目前已投运的数字化变电站运行年限有 限，以上问题导致的智能设备的局部、系统问题尚未充分暴露和验证。 6.2 设备商用的成熟程度 从目前厂家的业绩看，110kV 及以下电压等级业绩较多，运行年限 35 年，逐步走向 稳定成熟。在 220kV 及以上电压等级，运行业绩较为匮乏，有些仅为单间隔挂网运行。 6.3 设备在工程过程中的配套问题 目前数字式互感器生产厂家较少，产品型号有限，不能满足现场运行要求。如内蒙古杜 尔伯特 220kV 数字化站，线路电路互感器变比较大，在 MU 处采用软件修正方法调整变比。 互感器技术有待完善。 6.4