数字化变电站技术新PPT课件

数字化牵引变电所技术交流,陈德明电话箱南交通大学电气工程学院,目录,数字化变电站,1、自动化系统-发展需求,数字化是智能牵引供电的基础牵引供电系统还停留在综自阶段，需要奋起直追,电力系统的发展趋势,智能电网,1、自动化系统-发展需求,1、自动化系统-发展需求,2015年国家电网公司智能电网工作目标：完成6类41项智能电网创新示范工程建设任务建成50座新一代智能变电站新建1400座智能变电站,1、自动化系统-发展需求,1、自动化系统-综自发展历程,1）继电器保护RTU继电器完成保护功能，保护动作后给出节点信息RTU完成测量、控制功能等传统四遥功能（遥测、遥信、遥控、遥调）,2）微机保护RTU微机保护装置完成保护功能RTU完成测量、控制功能等传统四遥功能（遥测、遥信、遥控、遥调）RTU采集保护动作节点信息或与保护装置通信获取保护动作报告,3）变电站综合自动化系统保护、测量、控制功能综合考虑，功能分布式配置，通过网络组成整体传统RTU转变为通信单元，通过通信而不是节点采集来收集变电所的运行状态，四遥功能下放到微机装置利用计算机的强大功能取代中央信号盘实现当地监控功能故障记录功能，记录保护动作前、后的有关故障信息，以利于分析故障,过程层：设备复杂电缆连接的问题数据共享问题一次设备智能化提出了新需求,间隔层：通信技术和网络五花八门通信规约不统一多系统互联（保护双重化）困难,传统自动化系统存在的问题,1、自动化系统-发展需求,1、自动化系统-发展需求,二次系统防雷问题,供电臂,1、自动化系统-发展需求,功能的提升-以供电臂为单元的网络化保护,1、自动化系统-数字化变电站关键技术,2001UCA（北美推广）,1994德国（SAS标准）,1995IECTC57（WG10/11/12）,1998IECWG10/11/12（标准草案）,2000IECTC57SPAG（国际标准）,2003.9-2005.6（1.0Ed正式颁布）,2、IEC61850-发展历程,2、IEC61850-组成,系统方面Part1:介绍和概述Part2:术语Part3:总体要求Part4:系统和项目管理Part5:功能通信要求和设备模型,测试Part10:一致性测试,数据模型变电站和线路（馈线）设备的基本通信结构Part7-4:兼容逻辑节点和数据类Part7-3:公共数据类,抽象通信服务变电站和线路（馈线）设备的基本通信结构Part7-2:抽象通信服务接口(ACSI)Part7-1:原理和模型,特殊通信服务映射(SCSM)Part8-1:映射到制造商报文MMSPart9-1:通过单向多路点对点串行通信连接模拟采样值Part9-2:IEEE802.3之上的模拟采样值,配置Part6:变电站中智能电子设备通信配置描述语言,CommunicationNetworksandSystemsinSubstations(变电站通信网络和系统)”-“CommunicationNetworksandSystemsforPowerUtilityAutomation(公用电力事业自动化的通信网络和系统)”。,2、IEC61850-结构和发展,数据属性,逻辑节点,数据对象,逻辑设备,物理设备,PHD（Server）,LD,LN,DO,DA,实际的保护装置,公用/保护/测量/控制/录波,Str,Op,保护动作,保护启动,general,phsA,phsB,phsC,是否动作（总）,A相是否动作,B相是否动作,C相是否动作,接地距离I段：PDIS1接地距离II段：PDIS2接地距离III段：PDIS3,1,1,0,0,分层模型,2、IEC61850-技术特征-面向对象建模,面向对象建模（ACSI-数据是如何定义的）,LN中的DO,2、IEC61850-技术特征-面向对象建模,DO中的DA,2、IEC61850-技术特征-面向对象建模,树形结构用来代表完整的语义空间,数据模型由LD、LN、DO和DA四个不同层次的语义所构成的空间承载。,2、IEC61850-技术特征-面向对象建模,2、IEC61850-技术特征-抽象通信服务接口,抽象通信服务接口（SCSM-如何实现具体通信）,2、IEC61850-技术特征-抽象通信服务接口,以数据集为通信，保证通信效率和实时性,数据集,保护程序,通信程序,负责刷新数据集中数据的值,置1：表示动作,置0：表示返回,监视数据集中数据值的变化,一旦发生变化就认为产生一个事件,以特殊的重传机制发送GOOSE报文,2、IEC61850-技术特征-抽象通信服务接口,面向实时的服务（如何保证实时性）,-类型1（快速报文）-类型1A（跳闸报文）-类型2（中等速度报文）-类型3（低速报文）-类型4（原始数据报文）-类型5（文件传输功能）-类型6（时间同步报文）,2、IEC61850-技术特征-面向实时的服务,性能要求：P1P3（3ms500ms）对时精度：T1T5（1ms1us,SV和GOOSE是IEC61850的重要创新！,2、IEC61850-技术特征-面向实时的服务,GOOSE的通讯机制,GOOSE采用组播方式传输数据-以太网传输方式：单播、广播、组播GOOSE采用连续多次传送的方式实现可靠传输,2、IEC61850-技术特征-面向实时的服务,2、IEC61850-报文示例,3）保护与合并单元,模拟量,合并单元,智能终端,SV,GOOSE,1）保护与监控主机,保护动作信息/异常告警信息定值信息/录波信息等,2）保护与智能终端,采样值信息（SV）,状态信息（GOOSE）,开关量,监控主机,MMS,MMS,三类服务模型：MMS、GOOSE和SV,2、IEC61850-技术特征-面向实时的服务,ICD，IEDCapabilityDescriptionSSD，SystemSpecificationDescriptionSCD，SubstationConfigurationDescriptionCID，ConfiguredIEDDescription四种SCL文件实现了IED与SAS的描述与关联，简化了配置工作并可以实现SAS和IED的自动更新与远程配置。统一格式的SCL配置文件大大简化了系统的集成和管理难度。,2、IEC61850-技术特征-统一建模,统一建模（与用户交互-基于电力系统统一建模）,系统配置关系,2、IEC61850-技术特征-统一建模,电子式互感器相对于电磁式互感器的优点：绝缘性能好无磁饱和、无铁磁谐振、无磁滞和剩磁体积小重量轻动态范围大、可测交、直流频带宽抗干扰能力强电压等级越高，电子互感器优势越明显。,3、智能一次设备-电子互感器-优点,3、智能一次设备-电子互感器-分类,罗可夫斯基空心线圈电流互感器,空心线圈的感应电压与被测电流的导数成正比（Rogowski，1912年）,被测电流,线圈感应电压,3、智能一次设备-电子互感器-原理1,分压型电压互感器（有源）,阻容分压,电容分压,电阻分压,与常规电容式电压互感器原理相同，输出电压不超过5V,3、智能一次设备-电子互感器-原理2,普通光,起偏器,偏振光,磁光材料,磁场B,检偏器,Faraday旋光角,光学电流互感器,法拉第磁旋光效应（1846年）,入射光,出射光,电流,旋转角与电流I成正比关系,3、智能一次设备-电子互感器-原理3,3、智能一次设备-电子互感器-实例,3、智能一次设备-电子互感器-就地数字化方案（推荐）,3、智能一次设备-智能变压器示意,整体结构：开关设备本体+智能组件，如右图所示。基本功能：测量，控制和监测，可集成保护和计量。技术特征：测量数字化，控制网络化，状态可视化，功能一体化，信息互动化。,3、智能一次设备-智能开关-含义,智能组件分类：监测功能智能组件合并单元智能终端（智能操作箱、智能单元）合并智能单元,3、智能一次设备-智能开关-组成示意,智能设备发展示意图,3、智能一次设备-智能一次设备-发展方向,目前的主要实现形式是智能操作箱（智能IO单元）,就地安装在AIS附近的端子箱中，将控制电缆、信号电缆限制在AIS和智能操作箱之间；,通过过程层网络，按IEC61850向间隔层设备输入输出I/O信息，并支持远方配置参数和调试。,实现了传统操作箱的所有功能，并具备简单的保护、测控功能；,AIS,3、智能一次设备-目前主要应用方式,GIS,目前的主要实现形式是智能汇控柜,1.节约了电缆等设备投资以及相应的施工投资；2.节约了保护小室及主控室等的占地面积和投资；3.GIS智能控制柜优化了二次回路和结构；4.智能控制装置提供了系统的交互性；5.联调在出厂前完成，现场调试工作量减少；6.一次二次联合设计，减轻了设计院的负担；7.基于通信和组态软件的联锁功能比传统硬接点联锁方便；8.缩小了与互感器的电气距离，减轻了互感器的负载。,对原有的GIS开关柜做智能化改造，把模拟量采集、保护、测控与GIS控制功能整合在一起。,3、智能一次设备-目前主要应用方式,中低压一体化开关柜,含保护测控功能智能单元合并单元,3、智能一次设备-目前主要应用方式,智能变电站二次系统的三层架构,组网方案,3、智能一次设备-过程层网络方案,概念：三网合一、四网合一,(1)排队问题,IEEE802.1p优先级,(2)流量控制问题,IEEE802.1qVLAN,3、智能一次设备-过程层网络问题解决,4、数字化变电站-定义,数字化变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，并遵循IEC61850标准实现了变电站内各种信息采集、传输、处理、共享全程数字化的现代化变电站。,关键技术：IEC61850电子互感器智能开关技术,主要特征：一次设备智能化二次设备网络化设备状态可视化,数字化变电站的技术要点可以归纳为：,智能化一次设备：电子式互感器、智能开关,过程层网络：三层体系、GOOSE、SMV报文,IEC61850标准(DL/T860),数字化变电站=智能化一次设备+过程层网络+IEC61850！,4、数字化变电站-数字化要点,4、数字化变电站-与传统变电站的对比,采用智能设备，一次、二次设备通过光纤通信交互避免雷击对二次设备的损害数据共享，减少电缆用量定期检修到状态修统一信息平台，标准化建模实现设备“互连、互换、互操作”采用电子互感器消除传统互感器的缺陷实现采样数据共享工厂化施工、调试减少现场施工、调试工作量实现设备“即插即用”保护功能的集成和优化,4、数字化变电站-数字化优点,（1）IEC61850数字化变电站IEC61850协议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。按照IEC61850协议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协议从根本上来说是一个通信协议，它并不是数字化变电站，所以说数字化变电站的建设离不开设备的数字化，智能化的一次设备才是数字化变电站建设的根本。而IEC61850协议仅仅是为了解决数字化后设备与设备间的互操作性、互换性而提供的一个统一平台协议。,4、数字化变电站-消除认识的误区,（2）使用电子互感器才是数字化变电站?,一次设备就地数字化优点：有利于二次设备实现优化集成可保证采样数据的唯一性，方便信息共享有利于实现二次设备接口标准化使常规互感器体积减小，集成度提高，可靠性提高多种有效措施保证就地数字化采样的可靠性,4、数字化变电站-消除认识的误区,数字化变电站实现的程度、模式多样性变电站层和间隔层实现IEC61850采用电子互感器电子互感器智能操作箱一次设备就地数字化全数字化,4、数字化变电站-实现的方式,全数字化保护需要解决的主要问题可靠性问题大量电子设备的可靠性安全性问题公开标准的安全防护同步问题保护对时钟同步的依赖问题实时性问题网络延时,4、数字化变电站-问题,智能变电站技术导则中对智能变电站做出了如下阐述：,5、智能变电站-定义,发展：数字化变电站是智能变电站建设的起点！,5、智能变电站-智能化要点,基本功能的提升智能化的评估和决策功能站内智能协同功能（站级的优化运行）电网智能协同功能（系统级的优化运行）,这四个层次逐级深化了“智能化”的内涵,5、智能变电站-功能提升,5、智能变电站-一体化监控系统,5、智能变电站-与数字化的区别,国网公司近期提出构建以“集成智能化设备+一体化业务系统”应用为特征的新一代智能变电站通过整合系统功能，优化结构布局，采用“一体化设备、一体化网络、一体化系统”技术构架，有效提升变电站智能水平,实现专业设计向整体集成设计的转变，一次设备智能化向智能一次设备的转变，是先进适用技术的集成应用,5、智能变电站-新一代智能变电站,标准化设计、工厂化加工、装配式建设,5、智能变电站-既有智能变电站结构,5、智能变电站-新一代智能变电站结构,5、智能变电站-对比,2011年铁道部重点课题（2011J017-B）智能牵引供电系统架构研究2013年铁路总公司重点课题（2013J003-A）铁路牵引变电所智能化技术研究2011年四川省科技支撑计划(2011GZ0079)高速铁路数字化变电站集成保护技术研究与设备研制国家自然科学基金重点项目（U1134205）高速铁路电力牵引系统的安全性预测与控制,支撑课题：,6、数字化牵引变电所-数字化实践,理论研究,2013.3开始平台研制2013.8.15通过技术方案评审2013.12.27厂内调试完成2014.1.24通过型式试验2014.3.24通过试用评审2014.4.26王家庄一次投运成功,IEC61850标准研究IEC61850牵引供电建模数字化变电站关键技术研究智能牵引变电站架构研究保护控制方案研究,中南通道试验,2003-2012,2013-2014,6、数字化牵引变电所-数字化实践,6、数字化牵引变电所-中南通道试验,山西中南部铁路通道重载综合试验-数字化牵引变电所试验,6、数字化牵引变电所-中南通道试验,6、数字化牵引变电所-现场系统,6、数字化牵引变电所-现场一次设备,传统变电所连线方式,虚端子连线方式,一对一,光纤,电缆,发布、订阅,6、数字化牵引变电所-二次系统对比,6、数字化牵引变电所-系统结构,6、数字化牵引变电所-主要工作-RTDS动模,6、数字化牵引变电所-主要工作-RTDS动模,6、数字化牵引变电所-主要工作-RTDS动模,6、数字化牵引变电所-主要工作-新功能,基于GOOSE的母线快速保护基于GOOSE的断路器失灵保护,变压器双重化保护方案,6、数字化牵引变电所-主要工作-新功能,6、数字化牵引变电所-主要工作-新功能,基于模式匹配的故障测距原理,基于GOOSE的供电系统重组,6、数字化牵引变电所-主要工作-新功能,快速跳闸,故障切除,供电重组,失灵,切换定值区,避免供电系统停电，提高了牵引供电的可靠性！,就地闭锁主要缺点：二次接线复杂复杂的闭锁逻辑实现困难已有的闭锁逻辑难以