变电站自动化技术的未来发展一概要

变电站自动化技术的未来发展(一电力市场与协调型自动化曾庆禹(中国电力科学研究院, 北京摘要:电网发展和电力市场化对变电站, 特别是高压、超高压变电站自动化系统在功能、可靠性、经济性方面均提出了新的要求, 随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展, 变电站自动化系统将向集成化方向发展。文中介绍了各个独立的控制、保护和监测设备通过局域网在变电站层集成为协调型自动化系统的基本结构; 除保护和控制外, 将设备的状态监测也纳入自动化系统功能; 同时对该系统相应的技术支持进行了分析; 介绍了日本已投入运行的类似变电站系统的运行经验。关键词:变电站; 自动化; 电力市场; 保护; 控制; 集成中图分类号:TM 764; F 12319收稿日期:; 修回日期:。0引言随着大型、特大型水电站、大型坑口火电站的建设, 远距离大容量输电线路和互联电网的发展, 高压和超高压变电站在规模和容量方面日益增加, 对其控制和保护系统的可靠性也提出了更高的要求。电力工业的经营机制正在从行业垄断转向竞争的电力市场。电力经营机制变革的目标是降低电价, 提高供电质量, 改善服务, 提高电力企业自身的经济效益。同时高新技术的发展和应用, 对电能质量和供电可靠性提出了新的要求。高压、超高压变电站的控制和保护系统必须适应这种新形势, 以便更有效、更经济地运行1。目前, 用于变电站的监视、控制、保护, 包括故障录波、紧急控制装置, 虽然已实现了微机数字化, 但几乎都是功能单一的独立装置, 各个装置缺乏整体协调和功能的优化, 且功能交叉; 输入信息不能共享, 接线复杂, 从整体上降低了可靠性; 同时, 不能充分利用微机数据处理的强大功能和速度, 经济上也是一种资源浪费。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。高压、超高压变电站正面临着一场技术创新。1电力市场与变电站自动化在电力市场环境下, 发电厂竞价上网, 用户对选择供电权力的自由度增加, 因此电网潮流变化加剧,通过变电站的进、出电力流向不确定性增加, 在某些情况下, 使线路和变电站有可能运行到接近极限的程度(如热稳定极限 , 电网的充裕度减少。为了电网的安全, 变电站必须对线路、变电站设备的输电能力实时监控, 在必要情况下将使用FA CT S 技术对潮流进行控制。这种运行状态的多变性, 将导致运行参数的变化, 保护装置整定值的协调将变得突出, 对变电站的监视、控制和保护提出了新的要求。实时监视并快速控制联络线的功率使之保持在允许的范围内将更为迫切。对与联络线较为紧密的变电站来说, 它的保护和控制的性能及可靠性指标要求更为重要。特别是要加强互联电网预防和紧急控制的研究, 如广域系统稳定控制(w ide 2area systemstab ilizing con tro l 、广域过负荷控制、广域预防电压崩溃控制(w ide 2area con tro l again st vo ltageco llap se 、广域低频和高频保护与广域预防故障连锁反应保护(w ide 2area p ro tecti on again st sequenceof distu rbances 2。这些控制装置及其输入信号的检测和控制任务的执行都是在变电站内进行的。例如, 执行过负荷控制任务, 需实时检测线路负荷, 要区分过负荷与故障的差别, 执行相应负荷控制; 预防电压崩溃控制, 需要实时检测电压, 快速切除当地的合理负荷, 快速无功控制。当然, 控制还必须在不同层次进行协调。众多的控制措施将增加变电站自动化布置的复杂性, 促进变电站控制和保护装置的集成要求。无人值班管理已在我国广泛推广。超高压变电站实现无人值班并且完全由远方操作和监控将是今后的发展趋势。集控中心或调度控制中心对变电站12000年9月25日Sep. 25, 2000的监控与操作要求变电站传送足够信息, 要求变电站的保护定值和控制装置的整定能在中心进行设定, 要求各类保护在电网一级进行协调和匹配。为完成上述功能要求, 高可靠性数据传输的通信系统是必不可少的条件, 并且要求有合理的通信规约, 或者各种设备能容易适应各种不同规约。竞争的电力市场将促进变电站新的自动化技术的开发和应用。在经济效益的驱动下, 变电站将向全集成自动化方向发展3。2自动化的功能、现状与发展要求变电站自动化系统的具体功能要求主要决定于变电站在电力系统中的地位、作用和变电站的规模、电压等级及一次设备状况。高压、超高压变电站自动化系统的主要功能要求, 概括起来有3个方面: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备控制, 故障录波与事件记录, 测量与计量, 自动数据分析; 保护系统:线路保护及自动重合闸, 母线保护, 变压器保护; 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。每个变电站自动化的功能将随原来系统的运行经验、成本和性能的要求不同而变化, 但它们都要适应以下基本要求4:a 1当电力系统发生故障时, 继电保护系统准确检测故障, 跳开相应开关, 迅速切除故障, 不造成故障连锁反应, 使故障造成的影响限制在尽可能小的范围;b 1收集、处理各种设备的运行信息和数据, 按要求发送到集控中心和远方调度控制中心, 满足调度部门对电力系统的监视、控制和运行操作;c 1收集设备的状态数据, 支持设备的状态维修和可靠性为中心的维修系统, 提高设备可用率和使用寿命;d 1在集控中心或调度控制中心对变电站失去监控的情况下, 变电站的后备控制能对变电站进行控制;e 1收集并及时传送电力市场实时交易所需的技术数据, 促进安全交易, 减少交易风险。到目前为止, 变电站一次设备实行计划维修制度。今后变电站的设备维修趋势将是基于设备状态的预测维修和以可靠性为中心的维修, 简称状态维修。这种维修需配备传感器, 在线收集运行数据, 利用微机和人工智能技术对数据进行处理, 及时发现潜在的故障, 为维修决策提供依据。它的显著特点是无需设备退出运行即可进行检查, 发现问题。因此,设备运行、状态维修支持系统将成为今后变电站自动化系统的重要组成部分。目前广泛应用的变电站自动化系统为常规自动化系统, 它应用自动控制技术、计算机数据采集和处理技术、通信技术, 代替人工对变电站进行正常运行的监视、操作、电压无功控制、量测记录和统计分析, 故障运行的监视、报警和事件顺序记录与运行操作(见1998年2月中国电机工程学会的研究报告变电站自动化技术政策与基本功能要求, 大多不涉及继电保护、紧急控制、故障录波、R TU 、维修状态信息处理等功能, 功能相对比较简单。在这种多个相互独立系统中, 有如下缺点:如硬件重复配置、信息不共享、电压互感器(TV 和电流互感器(TA 负载过重、站内二次联线复杂等, 微机装置固有的高可靠性被错综复杂的二次线所抵销。随着电力市场对变电站功能和可靠性要求的提高, 这种情况亟需改变。把现在仍然分隔的保护、监视、控制、通信和量测等装置(系统 以合适的形式进行集成, 由少量的多功能集成数字装置组成变电站自动化系统, 减少组成变电站元件的数量, 提高元件质量, 使变电站紧凑化, 做到占用空间小、寿命周期成本小、环境友好是变电站自动化技术的发展趋势。变电站自动化系统的集成可分为2个层次, 即间隔级和变电站级。间隔级的集成是构筑一个通用的硬件和软件平台, 将间隔内的控制、保护、测量等功能集成在这个通用的平台上。通用的硬件平台指的是由一组元件组成一个多功能装置, 用于各个间隔。通用的软件平台指的是在多功能装置内建立一个通用的功能软件库和数据库。通过通用的硬件和软件采集各功能需要的数据和状态量, 实现数据共享。这样, 原来控制、保护等功能将不再需要专用的硬件装置和专用的输入、输出通道, 而是由合理的软件设计来实现。站级的集成是将变电站自动化需在站级处理的各个功能通过信息网络组合在一个系统中。这样, 原来站级各个分隔的系统及其多个通信网络将不再需要, 从而简化了网络结构和通信规约。根据变电站自动化集成的程度, 可将未来的自动化系统分为协调型自动化和集成型自动化。协调型自动化仍然保留间隔内各自独立的控制、保护等装置, 各自采集数据并执行相应的输出功能, 通过统一的通信网络与站级相连, 在站级建立一个统一的计算机系统, 进行各个功能协调。而集成型自动化既在间隔级, 又在站级对各个功能进行优化组合, 是现代控制技术、计算机技术和通信技术在变电站自动化系统的综合应用。 23协调型自动化系统协调型自动化系统的基本结构如图1所示。其主要特点是:用微机数字处理和光纤数字通信优化变电站级和间隔级间的功能配置; 控制、保护和运行支持系统通过局域网彼此互相连接, 共享数据信息; 简化单个系统的结构, 同时保持各个系统的相对独立性。这样, 既可提高自动化系统的经济性, 又可改善可靠性和运行性能 。图1基本系统结构F ig 11Ba sic conf igura tion of the coord i na ted syste m从图1可以看出, 控制和运行支持系统由间隔级分布式单元和站级集中单元组成, 而保护系统仅由间隔级单元构成。控制系统由间隔级的DA C 、站级的SCU 、间隔级LAN 1和站级LAN 2组成。DA C 采集间隔内运行参数, 按站级的SCU 的指令对间隔各一次设备进行控制; 站级的SCU 通过各间隔的DA C 对整个变电站实现集中控制。如果变电站实现无人值班, 站级的控制单元变为远方控制系统的当地后备控制单元。远方控制系统直接对变电站进行监控。保护系统由一套微机硬件装置用功能模块软件集成间隔内线路和变压器的主保护与后备保护; 电压、电流直接输入, 跳闸信号直接作用于跳闸; 保护的运行信息和故障信息经过DA C 向站级的SCU 传送; 来自SCU 的远方定值整定和校验经DA C 送到P ro t 。运行支持系统由间隔级的DA P 、站级的O SU 、间隔级LAN 1和站级LAN 2以及装在变压器和开关等一次设备的传感器组成。间隔级DA P 收集各传感器的数据, 并转换成数字信息, 与管理的数据进行比较, 把处理的结果传给站级的O SU ; O SU 执行维修运行和恢复支持。在维修支持方面, O SU 显示变压器、开关设备的电气和机械性能趋势, 检验故障的征兆, 利用人工智能方法提供巡视和检修指南, 指导状态维修。在恢复支持方面, O SU 利用设备传感器的信息、开关状态和保护设备的信息, 识别故障部分, 利用专家系统提供恢复指南, 进行自动恢复操作。如果变电站实行无人值班, 则O SU 将设在远方维修中心。通过传感器连续监视高压设备, 主要是高压开关和变压器状态变量。一般应根据过去的运行经验重点监测和记录那些导致故障率较高的参数。因此, 开发并合理配置传感器是发挥运行支持系统作用的基础。间隔内各个单元, 包括DA C , P ro t 和DA P 等装在控制柜内, 它们可安装在紧靠高压设备的现场场地, 即把所有保护和控制等二次设备从集中的控制室下放到高压设备现场。这样, 可减少房屋建筑和安装空间, 缩短控制电缆, 提高可靠性, 有显著的经济效益。但是, 对于户外、空气绝缘变电站来说, 控制柜下放现场, 其设计技术条件应满足露天环境的要求。间隔级的控制、保护和设备监视单元可以是不同厂家制造的。因此, 它的数据传输系统要求有一个开放式的系统结构5。这样的系统应考虑如下要求:抗变电站内的强电磁干扰; 系统的可扩展性; 大容量、高速度的数据传输; 同步高速数据采样; 结构简单, 可靠性高; 性能价格比好。光缆具有数据传输容量大、速度快、不受电磁干扰、可靠性高的特点。近年来, 其价格在不断下降。因此, 间隔级LAN 宜采用光纤星形接口的总线系统。这样的系统, 易于扩充, 并且安装和试验所需一次成本低。当需要增加DA C 或DA P 等装置时, 只要将它们接到星形耦合器没有用的端口, 在很短的时间内便可完成。局域网接口装置的作用:间隔级和站级LAN 间传输的数据规约转换; 编辑从DA C 和DA P 传到SCU 和O SU 的数据; 对两局域网的误差进行监视。在日本, 1984年开始开发类似的协调型自动化系统, 1990年投入商业化运行6。1994年, 有3个电力公司的21个超高压变电站装备了协调型自动化系统。到1997年, 这种自动化系统已在8个电力公司30多座超高压变电站运行。这些系统的运行经验表明, 它们既可提高可靠性、可操作性, 又可大大降低整个变电站的运行和维修成本。从1990年到1994年, 对21个已运行的协调型自动化系统进行故障统计分析, 其结果是:在变电站内没有发生过事3专家论坛曾庆禹变电站自动化技术的未来发展(一 电力市场与协调型自动化故; 光纤局域网和局域网接口装置没有出现任何故障; DA C 和保护系统等发生51次故障, DA C 和保护系统年故障率分别为01061和01039。保护系统的故障率与独立运行的保护系统几乎是一样的。在51次故障中, 6次由软件引起, 其中5次由设计不当引起, 1次是由不同厂家制造的设备技术条件解释不同而造成的。装在开关现场的保护系统年故障率为01039, 与1980年1991年统计的装在控制楼数字保护的故障率0. 038几乎没有差别; 没有出现电磁干扰和室外温度与湿度变化引起的故障。协调型自动化系统不但可用于新建的高压、超高压变电站, 而且可用于现有变电站的更新改造, 做到整个变电站性能升级、功能增加、可靠性提高、从有人值班变为无人值班, 产生新的经济效益。图2为现有变电站改造, 应用协调自动化系统的可能系统结构 。图2自动化改造用的系统基本结构F ig 12Ba sic conf igura tion for upgrad i ng考虑原有的保护已布置在控制楼, 保护设备的运行和故障数据信息通过保护终端单元(PTU 传送到SCU ; 变电站无人值班, 因此运行支持单元O SU 将直接布置在远方运行中心; 变电站的SCU 仅作为当地后备单元, 远方设置系统控制单元。协调型自动化系统用于变电站改造可以做到从一个间隔到另一个间隔逐个替换, 这种替换处理方法有如下优点:a 1被替换的间隔停止运行, 而其他间隔照常运行, 并保持原有的可靠性。b 1停止运行的时间可缩短到最小。c 1替换容易, 要求替换工作场所小。4结论与建议经济性和可靠性是今后变电站及其自动化系统设计和技术开发应考虑的主要问题。除了通常的监视、控制和保护外, 根据需要与可能, 运行支持系统, 包括维修支持系统和恢复支持系统, 应逐步纳入变电站自动化系统, 以进一步发挥变电站自动化对提高电网运行可靠性、降低运行和维修成本的作用。根据以往变电站各类设备的故障概率, 开发监视设备状态的传感器, 特别是用于断路器的传感器, 应用人工智能系统包括专家系统对设备在线诊断是建立运行支持系统的基础。协调型自动化系统保持了继电保护系统相对独立的特点, 在间隔级, 主要在站级优化了自动化系统的其他功能, 结构清晰简化, 自动化装置数量减小, 可提高可靠性, 降低成本并适应运行人员的现有工作经验。高压、超高压变电站内的控制、保护和设备在线监视装置组成控制柜安装在开关场现场, 能充分利用现场场地, 大量减少连接电(光 缆, 减少控制楼土建, 建议逐步推广; 光缆数据传输容量大、可靠性高、不受电磁干扰, 建议开发变电站专用光纤通信设备和光电传感器。参考文献1曾庆禹(Zeng Q ingyu . 电力市场及其对电力系统的影响(Pow er M arket and Its Effect on Pow er System . 见:面向21世纪电机工程科技发展战略论文集(In :T he P roceedings on E lectrical Engineering T echno logies Tow ards 21st Cen tu ry . 北京:中国电力出版社(Beijing :Ch ina E lectrical Pow er P ress , 19992Kezunovic M . 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Paris :1996曾庆禹, 男, 咨询委员, 教授级高级工程师, 主要从事电力系统运行与控制、电网互联、变电站自动化、电力市场等方面的研究。(下转第34页con tinued on p age 34 机组组合优化的系统日有功优化调度计划的制订, 在电力市场环境中可作为ISO 制订优化交易计划的策略。参考文献1周全仁, 张清益(Zhou Q uan ren , Zhang Q ingyi . 电网分析与发电计划(A nalysis of Pow er System s and Generati on Schedu ling . 长沙:湖南科学技术出版社(Changsha :H unanScience and T echno logy P ress , 19962T alukdar S N , R am esh V C . A M u lti 2A gen t T echn iquefo r Con tingency Con strained Op ti m al Pow er F low s . IEEE T ran s on Pow er System s , 1994, 9(2 :8558613H uang C M , Yang H T . B i 2O b jective Pow er D ispatch U sing Fuzzy Satisfacti on 2M ax i m izing D ecisi on A pp roach . IEEE T ran s on Pow er System s , 1997, 12(4 :171517214W ang D . A n Inexact A pp roach fo r L inear P rogramm ing w ith Fuzzy O b jective and R esou rce . Fuzzy Sets andSystem s , 1997, 89(1 :61685Sakaw a M , Yano H . A n In teractive Fuzzy Satisfacti on M ethod fo r M u lti 2O b jective N on linear P rogramm ing P rob lem s w ith Fuzzy Param eters . 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Changsha U n iversity of E lectric Pow er Changsha Ch ina ; 2. H unanE lectric Pow er D ispatch &Comm un icati on Bu reau Changsha Ch ina Abstract A new m u lti 2ob jective fuzzy op ti m izati on model fo r daily active pow er dispatch is p ropo sed . By u sing fuzzy set theo ry the m u lti 2ob jective functi on is fuzzified and is refo rm u lated in to a standard single 2ob jective non 2linear p rogramm ing p rob lem by m ean s of m ax 2m in operato r . T hen it can be so lved by the p ri m al 2dual in teri o r po in t algo rithm . T he num erical resu lts indicate that the schem e ob tained from the m u lti 2ob jective fuzzy model can m eet functi on s better than that ob tained from the single 2ob jective determ in istic model w ith sligh t variati on in the every single 2ob jective .T h is p ro ject is suppo rted by H unanP rovincial N atu ral Science Foundati on ; N o . 99JJY 20059. Keywords daily active pow er dispatch m u lti 2ob jective fuzzy op ti m izati on fuzzy set theo ry p ri m al 2dual in teri o r po in talgo rithm(上接第4页co