数字化变电站的建设

1、数字化变电站的建设,谢国喜,2,数字化变电站概念,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，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。 智能化一次设备:电子式互感器、智能化开关等 过程层、间隔层、站控层,3,与传统变电站的比较,4,数字化变电站,电子式互感器的实现 智能化开关的实现 网络化二次设备及IEC61850的应用 数字化变电站建设中需要考虑问题,5,电子式互感器的定义,IEC60044-7/8 电子式互感器: 一种装置，由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量

2、仪器、仪表和继电保护或控制装置。在数字接口的情况下，一组电子式互感器共用一台合并单元完成此功能。 电子式电流互感器（ECT） 一种电子式互感器，在正常使用条件下，其二次转换器的输出实质上正比于一次电流，且相位偏差在联结方向正确时为已知相位角 电子式电压互感器(EVT) 一种电子式互感器，在正常使用条件下，其二次电压实质上正比于一次电压，且相位差在联结方向正确时接近于零。,6,(1)高低压完全隔离，绝缘简单，安全性高；没有因漏油而潜在的易燃、易爆等危险。 (2)不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。 (3)频率响应宽，动态范围大，精度高，可同时满足测量和继电保护的需要。 (4)体积小，重量轻，节约占地面

3、积；无污染，无噪声，具有优越的环保性能。 (5)CT二次输出可以开路。PT二次输出可以短路。 (6)数字信号分享更为容易，带负载能力强。 (7)成本与电压等级的关系不大。因此电压等级越高，经济性越明显。 (8)方便地实现电压电流组合式。 (9)适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要。,电子式互感器的主要优势,7,电子式互感器的构成,电子式互感器通常由传感模块和合并单元 两部分构成，传感模块又称远端模块,安装在 高压一次侧，负责采集、调理一次侧电压电流 并转换成数字信号。 合并单元安装在二次侧，负责对各相远端 模块传来的信号做同步合并处理。,8,合并单元的基本结构,9,电子式互感器的分类,按一

4、次传感部分是否需要供电划分 有源式电子互感器 无源式电子互感器(纯光学互感器),10,电子式互感器的分类,按结构及应用场合划分-GIS电子互感器,11,电子式互感器的分类,按结构及应用场合划分-独立式电子互感器,12,电子式互感器的分类,按结构及应用场合划分-低压用电子式互感器(Sensor),13,电子式互感器应用情况,合并单元,线路保护,14,有源电子式互感器 利用电磁感应等原理感应被测信号 CT：空心线圈(RC)；低功率线圈(LPCT) PT：分压原理 电容、电感、电阻 传感头部分具有需用电源的电子电路 利用光纤传输数字信号,电子式互感器的原理,15,电流互感器利用空芯线圈及低功率线圈传

5、感被测一次电流。低功率线圈（LPCT）的工作原理与常规CT的原理相同，只是LPCT的输出功率要求很小，因此其铁芯截面就较小。空芯线圈是一种密绕于非磁性骨架上的螺线管，如图所示。空芯线圈不含铁芯，具有很好的线性度。 空芯线圈的输出信号e与被测电流i有如下关系：,电子式电流互感器原理,16,电压互感器利用电容分压器测量电压。为提高电压测量的精度，改善电压测量的暂态特性，在电容分压器的输出端并一精密小电阻。电容分压器的输出信号U0 与被测电压Ui有如下关系： 式中C1为高压电容，C2为低压电容。利用电子电路对电压传感器的输出信号进行积分变换便可求得被测电压。,电子式电压互感器原理,17,有别于常规互

6、感器的主要参数,18,1、远端传感模块的稳定性和可靠性（安置在室外时温度、电磁干扰等） 2、绕制在陶瓷骨架上的空芯线圈结构的稳定性对测量精度的影响。 3、对独立结构的有源式电子互感器的远端模块取电技术。 4、与保护的通讯配合,有源电子式互感器的关键技术,19,与有源式电子互感器相比，无源式电子互感器的传感模块利用光学原理，由纯光学器件构成，不含有电子电路，其有着有源式无法比拟的电磁兼容性能 利用光纤传输传感信号 传感头部分不需电子电路及其电源 独立安装的互感器的理想解决方案 Faraday磁光效应（电流互感器） Pockels电光效应（电压互感器）,无源电子式互感器,20,无源电子式互感器的分

7、类,磁光玻璃式 优点：技术难度较小，原理简单 缺点：1、系统由分立元件组成，结构复杂，抗振动能力差 2、光学元件间用光学胶粘接，长期运行稳定性差 3、采用的分立光学元件加工困难，一致性难以保证 FOCT 优点：1、无分立元件，全光纤结构简单，抗振动能力强 2、光纤熔接后连接可靠，长期稳定性好 3、所有光学器件基于光纤制作，工艺成熟，一致性好 缺点：技术难度大，原理复杂，,21,无源电子式互感器结构,22,无源电子式互感器,23,无源电子式互感器的应用,24,电子式互感器远端模块的配置,25,电子式互感器与合并单元接口,26,应用电子式互感器需要面对的几个问题 电子式互感器的配置方案 同步采样问

8、题 采样数据传送标准的选择 10KV侧的解决方案,电子式互感器配置,27,配置方案 配置原则是保证一套系统出问题不会导致保护误动，也不会导致保护拒动 电子式互感器的远端模块和合并单元需要冗余配置 远端模块中电流需要冗余采样 合并单元冗余配置并分别连接冗余的电子式互感器远端模块，合并单元可以安装在开关附近或保护小室,电子式互感器配置,28,220kV双母线方式2,29,同步采样问题 常规互感器与电子式互感器会并存，如电压、电流之间，变压器不同的电压等级之间 三相电流、电压采样必须同步 变压器差动保护从不同电压等级的多个间隔获取数据存在同步问题 母线差动保护从多个间隔获取数据也存在同步 线路纵差保

9、护线路两端数据采样也存在同步,合并单元数据同步,30,解决同步采样的两种方案 基于GPS秒脉冲同步的同步采样 同步方法简单 秒脉冲丢失时存在危险 二次设备通过再采样技术(插值算法)实现同步 采样率要求高 硬件软件要求高，实现难度较大 不依赖于GPS和秒脉冲传输系统,合并单元数据同步,31,采样数据传送标准（1） IEC60044-8：点对点光纤串行数据接口 传输延时短，且确定 可以采用再采样技术实现同步采样 硬件和软件实现简单 适合保护要求,合并单元数据分发,32,采样数据传送标准（2） IEC61850-9-1/2：网络数据接口 传输延时不确定（400us-3ms） 无法准确采用再采样技术

10、硬件软件比较通用，但对交换机要求极高 硬件和软件实现都将困难 不同间隔间数据到达时间不确定，不利于母差、变压器等保护的数据处理 比较适合测控、电能仪表一类,合并单元数据分发,33,低压互感器的输出为小信号 (保护150-225MV、测量4V、电压3.256.5V) 小信号的主要问题： 1、带负载能力弱，长距离传输影响精度，电磁兼容问题。 2、不易分享,低压电子式互感器的配置,34,1、全数字化，采用独立的简易合并单元,低压电子式互感器的配置,35,2、采用电流电压组合式 优点：解决了母线PT的共享问题 缺点：体积较大，局放问题 3、母线PT采用常规，并不增加电缆。 4、采用合并单元和保护合一装

11、置，柜外设备从保护装置出数字量。,低压电子式互感器的配置,36,智能化开关设备,实施方案 利用现有的成熟的二次技术，结合传统开关设备，提升智能化水平 智能化GIS控制柜+GOOSE网络 (室内GIS) 智能终端+GOOSE网络 (AIS),37,智能化GIS汇控柜,38,基于保护及智能控制柜的变电站基本结构,39,智能控制柜方案的优势,1、节约了电缆等设备投资以及相应的施工投资； 数字化变电站建设的一个主要现实目标是为了减少变电站内控制电缆的数量，一方面由于原材料的涨价，电缆成本越来越高，一方面，光缆电磁兼容性能远好于电缆，能显著提高变电站内信号传输的可靠性。另外，变模拟信号为数字信号能大大增

12、加传输的带宽和信息量。 2、节约了保护小室及主控室等的占地面积和投资； 应用智能化GIS控制柜使得保护控制下放成为可能，从而能够显著减少保护小室和主控室的占地面积，这对一些需要尽量减少变电站土地的城市变电站和地下变电站来说有明显的效益。,40,智能控制柜方案的优势,3、GIS智能控制柜优化了二次回路和结构； 原来由于一次和二次的专业细分，使得原传统汇控柜内的许多功能与保护控制二次中的功能相重复，例如防跳、压力闭锁、三相不一致等等。基于一二次整合的GIS智能控制柜能够有效地取消和简化冗余回路，提高了整个二次回路的可靠性。 4、智能控制装置提供了系统的交互性； 引入智能控制装置以后，友好的中文液晶

13、人机界面以及丰富的自检和就地操作报告功能，使得运行维护人员无论在就地还是远方都能及时了解GIS的运行情况。,41,智能控制柜方案的优势,5、联调在出厂前完成，现场调试工作量减少； 传统方案中，一次设备和二次设备的电缆连接和调试只能到现场后完成，调试周期比较长，新方案中一二次设备联调在厂内完成，到现场后调试工作量极小。能够显著地缩短投运周期。 6、一次二次联合设计，减轻了设计院的负担； 原来一次和二次设备分别有双方厂家分别出图，中间的电缆信号连接由设计院完成，应用一二次结合的新方案后，由两个厂家联合出图并对图纸的正确性负责。,42,智能控制柜方案的优势,7、基于通讯和组态软件的联锁功能比传统硬接

14、点联锁方便； 智能控制装置能够采集到间隔内所有刀闸位置，且间隔间也有光缆连接，所以可以方便地实现基于软件和通讯的联锁，能显著减少机构辅助接点数量，提高系统的可靠性。 8、缩小了与互感器的电气距离，减轻了互感器的负载； 新方案下互感器与保护控制设备的电气距离大大缩短，使得互感器的容量选择更为容易，也为小功率互感器（LPCT）的应用创造了条件。,43,能够在不改变开关现有条件下实现一次设备和间隔级设备的数据通信 GOOSE方式 智能终端扮演的角色 也能解决保护间的屏间连线 针对不同应用场合，成对使用或单独使用 可靠性、实时性,智能终端及操作箱,44,GOOSE，即Generic Object Or

15、iented Substation Event（通用面向对象的变电站事件），是IEC61850的特色之一,提供了网络通讯条件下快速信息传输和交换的手段。 当发生任何状态变化时，智能电子装置将借助变化报告，高速传送二进制对象、通用面向对象变电站事件报告，该报告一般包含有：状态输入、起动和输出元件、继电器等实际和虚拟的每一个双点命令状态。 在第一次报告后，该报告一般以间隔2，4，860,000ms顺序重发。（第一重发延时不固定，可长可短）。GOOSE报告允许高速传输跳闸信号，具有高传输成功概率。 GOOSE服务直接映射到网络数据链路层上，确保重要信息的优先级传递，使用广播地址进行信息的多路发送。,

16、GOOSE,45,GOOSE报文的发送和接收分别由publisher和subscriber来执行。 对于publisher，GOOSE报文的发送并不是按固定时间间隔来发送的，在没有事件发生时，GOOSE报文的发送间隔相对比较长，按固定时间间隔来进行，但是在发生事件时，数据发生了变化，发送时间间隔就会设置为最小，在此阶段，发送时间间隔会逐渐增大，直到事件状态稳定，GOOSE报文的发送又变为固定长时间间隔。该过程如下图所示：,GOOSE,46,网络结构比较和选择,总线型,47,网络结构比较和选择,星型,48,网络结构比较和选择,环型,49,网络结构比较和选择,三种网络结构中，总线结构网络可靠性及传

17、输速度最差，不适合作为GOOSE网络实施方案，仅适用于对实时性和可靠性要求不高的控制系统；星型结构和环形结构从可靠性上满足变电站GOOSE网络的要求，均可作为实施方案。 星型结构与环型结构技术对比 从前面的分析可看出，星型结构在运行维护、传输时间及可靠性等多方面优于环型结构，宜采用星型结构构建变电站的GOOSE网络。,50,网络结构比较和选择,星型结构的选择 1、按间隔配置or按电压等级配置 2、低压侧(10-35KV)的考虑 3、单网和双网的考虑 4、与MMS网或SMV共网的问题,51,GOOSE网络交换机的选择,1.Goose网交换机应符合IEC 61850-3 中规定的电磁兼容标准以保证

18、在变电站环境下可靠运行。Goose网交换机与保护功能是否正常直接相关，应在各种电磁干扰下保证通讯正确，不发生丢包或错包。 2.Goose网交换机应具备管理功能，支持以下二层和三层特性，用以确保关键报文传输的实时性 a)IEEE 802.3 全双工模式工作（无冲突） b)IEEE 802.1p 优先级队列 c)IEEE 802.1Q VLAN 3.Goose网交换机应支持将多个端口的报文镜像到一个端口的功能，以满足报文监视和录波的需要。 4.单网应用时，Goose网交换机应支持实现链路冗余的相关协议，如IEEE802.1w RSTP等，以保证数据传输的可靠性。,52,智能终端及GOOSE交换机,

19、53,IEC61850的应用,IEC61850是国际电工委员会(IEC)TC57工作组制定的变电站通信网络和系统系列标准，是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。 IEC61850规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言，使不同智能电气设备间的信息共享和互操作成为可能。 不仅规范保护测控装置的模型和通信接口，而且还定义了电子式CT、PT、智能化开关等一次设备的模型和通信接口。,54,IEC61850的应用,特点 信息分层（站控层、间隔层、过程层） 面向对象建模和信息自我描述，适应开放互操作性要求 采用抽象通信服务接口，适应通信网络技术迅猛发展 传输采样测

20、量值 快速传输变化值（GOOSE）,55,IEC61850的服务和协议栈,Client /Server,通讯,模拟量采样值,(,SAV),模型,对象,服务,实时性要求,以太链路层,带优先级的以太物理层,IP,TCP,MMS,特定通讯服务映射,(,SCSM),通用变电站对象事件,GOOSE,56,互操作试验 国调中心组织国内各大厂家进行了6次互操作试验。南瑞继保全程参与并通过了互操作试验 外陈变、蓝溪变的互联互操作,IEC61850的应用,57,国内第一家通过 KEMA Level A级 认证试验 承接海外工程,IEC61850的KEMA认证,58,网络化二次设备,网络化二次设备要求 具有数字化接口 满足电子式互感器的要求 满足智能开关的要求 网络通信功能 满足IEC61850的要求 基于IEC61850的间隔层和站控层设备 RCS-9700变电站自动化系统 PCS-900系列保护装置 PCS-9700系列测控装置 RCS-9000C系列四合一保护测控装置 RCS-9700系列通信设备,59,数字化变电站建设的一些实际问题,电子式互感器的校验 电子式互感器对线路差动的影响 电压切换和电压并列 故障录波器的实现 故障信息子站的实现 数字式电度