標(biāo)簽：數(shù)字化變電站 電網(wǎng)

由于電力系統(tǒng)對設(shè)備小型化、智能化、可靠性的要求越來越高，而常規(guī)的變電站自動化系統(tǒng)在應(yīng)用中又存在諸多不足，已不能適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展和電力市場化的需要，所以變電站技術(shù)發(fā)展的前景是數(shù)字化變電站。論述了數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的主要技術(shù)特征、結(jié)構(gòu)和發(fā)展前景，分析了數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)選型中的要求，詳細(xì)研究了數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的三種結(jié)構(gòu)模式。對數(shù)字化變電站通信體系規(guī)劃、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施方案等作了全面闡述。

0 引言

變電站自動化技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到一定的水平，在我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造與建設(shè)中大多數(shù)變電站均采用了綜合自動化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無人值班，從而降低了變電站建設(shè)的總造價(jià)和運(yùn)行成本，大大提高了電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平。隨著智能化開關(guān)、光電式互感器、一次運(yùn)行設(shè)備在線狀態(tài)檢測等技術(shù)逐步成熟，以及計(jì)算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)用，全數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)。

目前，隨著高壓、超高壓系統(tǒng)發(fā)展，對電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠、控制、信息交互等提出了更高要求。國家電網(wǎng)公司在《國家電網(wǎng)公司“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃》中將“數(shù)字化變電站技術(shù)”列入電網(wǎng)自動化技術(shù)的五大課題之一。數(shù)字化變電站技術(shù)是今后變電站綜合自動化技術(shù)的發(fā)展方向。

1 數(shù)字化變電站的特點(diǎn)

數(shù)字化變電站具有以下幾個(gè)主要特征：

(1)一次設(shè)備的數(shù)字化和智能化

電子式或光電式互感器替代了變電站內(nèi)傳統(tǒng)的電磁式互感器，它能直接向外提供數(shù)字式光纖以太網(wǎng)接口;站內(nèi)采用具備向外進(jìn)行數(shù)字通信的智能斷路器、變壓器等設(shè)備，或者在這些一次設(shè)備就地加裝智能終端實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)字式轉(zhuǎn)換與狀態(tài)監(jiān)測，達(dá)到一次設(shè)備數(shù)字化和智能化的要求。

(2)二次設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化

數(shù)字化變電站的二次設(shè)備除了具有一般數(shù)字式設(shè)備的特點(diǎn)外，還具備對外光纖網(wǎng)絡(luò)通信接口，與傳統(tǒng)變電站信息傳輸以電纜為媒介不同，數(shù)字化變電站二次信號傳輸是基于光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。

(3)變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)化

傳統(tǒng)變電站中信息描述和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的差異導(dǎo)致了不同設(shè)備間信號識別困難、互操作性差;數(shù)字化變電站全站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的完整性、系統(tǒng)性、開放性保證了數(shù)字化變電站站內(nèi)設(shè)備具備互操作性的特征。

(4)運(yùn)行管理系統(tǒng)的自動化

在現(xiàn)有綜自系統(tǒng)已經(jīng)具備較大程度的自動化特征的基礎(chǔ)上，數(shù)字化變電站在站內(nèi)設(shè)備的互操作性、信號的光纖傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信平臺的信息共享等方面進(jìn)一步體現(xiàn)了運(yùn)行管理自動化的特點(diǎn)。綜上所述，基于光電技術(shù)的互感器應(yīng)用構(gòu)成了變電站電氣量信息采集的數(shù)字化應(yīng)用;IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施為變電站實(shí)現(xiàn)信息的統(tǒng)一建模奠定了基礎(chǔ);以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為變電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)方式的信息交換提供了技術(shù)支持;智能斷路器技術(shù)的發(fā)展使變電站自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備向一次設(shè)備的應(yīng)用延伸。

2 數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的要求

2.1 功能要求

通信網(wǎng)絡(luò)的根本任務(wù)是解決綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)部以及與其他系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)信息交換，網(wǎng)絡(luò)是不可或缺的功能載體，構(gòu)建一個(gè)可靠、實(shí)時(shí)、高效的網(wǎng)絡(luò)體系是通信系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。2000年國際大電網(wǎng)會議第34組(保護(hù)與控制組)，討論和介紹了變電站自動化及其通信系統(tǒng)，其基本一致的思想就是通信技術(shù)是變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵。通信網(wǎng)絡(luò)是連接站內(nèi)各種智能電子設(shè)備(IED)的紐帶，因此它必須能支持各種通信接口，滿足通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化。隨著變電站的無人化以及自動化信息量的不斷增加，通信網(wǎng)絡(luò)必須有足夠的空間和速度來存儲和傳送事件、電量、操作、故障以及錄波等數(shù)據(jù)。為改善電壓運(yùn)行質(zhì)量，無人值班變電站要求通信網(wǎng)絡(luò)具有電壓無功自動調(diào)節(jié)功能、系統(tǒng)對時(shí)功能等。另外自診斷、自恢復(fù)以及遠(yuǎn)方診斷、在線狀態(tài)檢測是針對運(yùn)行維護(hù)提出的幾項(xiàng)功能要求。

2.2 性能要求

通信網(wǎng)絡(luò)的性能要求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)可靠性由于電力生產(chǎn)的連續(xù)性和重要性，站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性是第一位的，應(yīng)避免個(gè)別裝置損壞導(dǎo)致站內(nèi)通信中斷。隨著數(shù)字、圖像信息的多媒體技術(shù)的應(yīng)用，監(jiān)控會更加依賴通信網(wǎng)絡(luò)，因此一個(gè)可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是首要條件。

(2)開放性站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)是調(diào)度自動化的一個(gè)子系統(tǒng)，除了保證站內(nèi)IED設(shè)備互連、便于擴(kuò)展外，它還應(yīng)服從電力調(diào)度自動化的總體設(shè)計(jì)，硬件接口應(yīng)滿足國際標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)選用國際標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，方便用戶的系統(tǒng)集成。

(3)實(shí)時(shí)性因測控?cái)?shù)據(jù)、保護(hù)信號、遙控命令等都要求實(shí)時(shí)傳送，雖然正常運(yùn)行時(shí)站內(nèi)數(shù)據(jù)流不大，但出現(xiàn)故障時(shí)要傳送大量的數(shù)據(jù)，要求信息能在站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)上快速傳送。

2.3 實(shí)施方法

(1)變電站站內(nèi)光纖網(wǎng)絡(luò)化變電站站內(nèi)光纖網(wǎng)絡(luò)化，站內(nèi)一、二次設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化光纖網(wǎng)通信。主要包括電氣量采集值數(shù)字化傳輸保護(hù)等二次設(shè)備、跳合閘、狀態(tài)信號及故障告警信號的數(shù)字化傳輸，智能變壓器告警信號、分接遙調(diào)、溫度等模擬量的數(shù)字化傳輸。

(2)全站統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化平臺統(tǒng)一的信息模塊、數(shù)據(jù)模型、功能模型，統(tǒng)一的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)無縫交換、信息傳輸?shù)目煽啃?、完整性、?shí)時(shí)性。各種設(shè)備共享統(tǒng)一信息，具有互操作性。經(jīng)過功能的組合化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代化通信技術(shù)和信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對全變電站的主要設(shè)備和輸配電線路的自動監(jiān)視、自動控制與保護(hù)以及與調(diào)度通信等綜合性的自動化功能。

(3)數(shù)字化/智能化一次設(shè)備一次設(shè)備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動回路，采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程控制器代替。

(4)減少二次控制和信號電纜以光纜和少量通信電纜替代戶外和控制室成捆的二次控制電纜和信號電纜。減少二次接線占地面積，降低變電站的總造價(jià)，降低運(yùn)營成本。

(5)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)就地采集采用光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳輸，信號采集精度高、可靠性強(qiáng)，數(shù)據(jù)信號源唯一，重復(fù)投資少，實(shí)現(xiàn)分層控制及分層數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用的效率。

3 數(shù)字化變電站的通信標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字化變電站的通信體系基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850提供了變電站自動化系統(tǒng)功能建模、數(shù)據(jù)建模、通信協(xié)議、通信系統(tǒng)的項(xiàng)目管理和一致性檢測等一系列標(biāo)準(zhǔn)。按照IEC61850建設(shè)變電站的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，是建設(shè)數(shù)字化變電站的有效途徑。IEC61850的發(fā)布為建設(shè)數(shù)字化變電站提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，變電站的功能應(yīng)分為站控層、間隔層和過程層。數(shù)字化變電站通信系統(tǒng)應(yīng)有圖1所示通信接口。

①站控層設(shè)備之間的通信接口;②站控層與間隔層設(shè)備的通信接口;③間隔層設(shè)備之間的通信接口;④間隔層與過程層設(shè)備的通信接口;⑤站控層設(shè)備與遠(yuǎn)方控制中心的通信接口;⑥間隔層設(shè)備與遠(yuǎn)方保護(hù)的通信接口。

其中通信接口③根據(jù)情況在通信接口②或④上實(shí)現(xiàn)，通信接口①和②在小規(guī)模的變電站可共用一個(gè)物理通信網(wǎng)絡(luò)。通信接口①～④應(yīng)按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。為了能與現(xiàn)有的調(diào)度系統(tǒng)接口，通信接口⑤仍采用IEC60870-5-101或104規(guī)約，但遠(yuǎn)動通信接口設(shè)備應(yīng)有能升級到IEC61850的能力。通信接口⑥主要用于縱差保護(hù)、遠(yuǎn)跳裝置等，由設(shè)備制造廠定義，應(yīng)能在變電站間的通信系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字化變電站的物理設(shè)備間應(yīng)能實(shí)時(shí)、高效、可靠的交換信息，以太網(wǎng)通信技術(shù)是滿足這種要求的最佳選擇。根據(jù)IEEE及EPRI的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，現(xiàn)有的以太網(wǎng)通信技術(shù)完全能夠滿足變電站自動化的通信要求。以太網(wǎng)技術(shù)是主流的通信技術(shù)，具有極佳的經(jīng)濟(jì)性，并且仍在快速發(fā)展中，為變電站自動化系統(tǒng)提供了廣闊的發(fā)展空間。

4 IEC61850數(shù)字化變電站通信方案

數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)改變了變電所控制系統(tǒng)和電氣量采集系統(tǒng)、斷路器設(shè)備間連接的形式，推進(jìn)了變電站內(nèi)IED設(shè)備之間信息交互的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)，數(shù)字化變電站通信方案可以分為三種模式：點(diǎn)對點(diǎn)模式、過程總線模式、過程總線和站總線合并模式。

4.1 點(diǎn)對點(diǎn)連接模式

測量數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)化就是傳感器、斷路器和保護(hù)設(shè)備之間信息交互采取點(diǎn)對點(diǎn)的連接模式。隔離刀閘、斷路器設(shè)備的控制經(jīng)由過程總線來完成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。測量數(shù)據(jù)通過直連到保護(hù)設(shè)備的點(diǎn)對點(diǎn)的連接來發(fā)送，過程總線用于控制和監(jiān)測以及從合并單元到間隔處理單元的有效值的發(fā)送。點(diǎn)對點(diǎn)連接和過程總線都是基于10Mbit/s的以太網(wǎng)，只是各自使用的通信協(xié)議不同。測量數(shù)據(jù)遵循規(guī)約。這種應(yīng)用模式的特點(diǎn)是保護(hù)的測量數(shù)據(jù)和控制通信數(shù)據(jù)嚴(yán)格分離，由于通信模塊的使用，這種模式已經(jīng)為下一步變換數(shù)據(jù)過程總線做好了準(zhǔn)備。

4.2 過程總線模式

控制和測量數(shù)據(jù)的分離通信系統(tǒng)將合并到一起，IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)化是出于對過程總線的考慮，這種應(yīng)用模式見圖3?？刂坪蜏y量數(shù)據(jù)的合并減少了間隔接線的復(fù)雜性，但間隔層IED設(shè)備需要兩個(gè)以太網(wǎng)口分別與過程總線和變電站總線連接。由于傳送了來自合并單元的數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)的瞬時(shí)值，此種通信方式比第一種通信方式更快。出于這個(gè)原因?qū)⑹褂?00Mbit/s以太網(wǎng)，保護(hù)裝置的跳閘命令通過過程總線發(fā)送到斷路器。

4.3 過程總線和站總線合并模式

由于在第一、二種模式中過程總線和變電站總線都使用了基于MMS應(yīng)用層通信堆棧的以太網(wǎng)，因此隨著以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展，使得變電站總線和各種過程總線連接構(gòu)成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)將不會影響變電站內(nèi)信息通信系統(tǒng)的運(yùn)作。統(tǒng)一總線的優(yōu)點(diǎn)是信息的完全共享、統(tǒng)一的訪問和存儲方式;間隔層中的設(shè)備只需要一個(gè)通信接口，將大大降低設(shè)備和變電站運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。結(jié)構(gòu)圖見圖4所示。

5 結(jié)束語

數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字化變電站系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)?？梢灶A(yù)計(jì)，在現(xiàn)有技術(shù)水平不斷發(fā)展和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不斷總結(jié)的基礎(chǔ)上，數(shù)字化變電站將以其在數(shù)字化、自動化、智能化、安全性和互操作性等方面的優(yōu)勢，成為未來變電站技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

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作者簡介：

鞠 陽(1963-)，男，碩士，副教授，主要從事電網(wǎng)監(jiān)視與控制、變電站綜合自動化方面的教學(xué)和研究工作。