風電場升壓變電站智能化技術方案與應用

田 艷，任 強，盛和樂

(1.北京國電華信誠電力技術咨詢有限公司，北京 100029；2.華北電力設計院工程有限公司，北京 100120)

1 概述

隨著國家電網公司積極推進堅強智能電網建設的步伐，很多智能化的城市變電站都率先建設并投入使用，但在風力發(fā)電中應用還是很少的。

近幾年，作為清潔能源的風力發(fā)電在電網中所占比重也越來越大，深入研究風電場相關技術，包括智能化升壓站的監(jiān)控系統(tǒng)、風力發(fā)電機在線狀態(tài)監(jiān)測、電網接納能力及對電網安全穩(wěn)定影響研究等關鍵技術已刻不容緩，這些技術的研究及應用將為風電的有效并網和高效利用提供有效保證。220kV密馬鬃梁變電站作為渾源地區(qū)風力發(fā)電的匯集站，匯集了寒風嶺風電場和澤清嶺風電場的發(fā)電容量，以總容量450MW送出至220kV渾源變電站，考慮寒風嶺風電場和220kV渾源變電站按智能化建設，為了實現(xiàn)與相鄰風電場、變電站及電網調度中心的互動， 220kV密馬鬃梁變電站也按智能化建設，本文對變電站智能化技術在風電領域的應用進行了有益的探索。

220kV密馬鬃梁變電站建成并已投入使用，站內設1臺容量為100MVA的升壓變壓器，220kV采用單母線接線，1回進線，3回出線；35kV采用單母線接線。全站按照無人值班站設計，采用常規(guī)一次設備，配置了網絡化的二次設備(保護、測控、故障錄波、合并單元、智能單元等)，按IEC61850-9-2 LE標準分層構建，實現(xiàn)了程序化控制，研究了數(shù)字化采樣光纖差動保護裝置與常規(guī)采樣保護裝置間采樣數(shù)據(jù)同步的問題。

2 風電場智能化技術方案

與傳統(tǒng)變電站相比，220kV密馬鬃梁變電站是基于IEC61850標準的通信協(xié)議，智能化的二次設備實現(xiàn)了過程層通信。本站保護的采樣和跳閘采用點對點傳送，雙重化配置的保護、測控等裝置使用的GOOSE網和SV網絡遵循相互獨立的原則，不跨接雙重化的兩個網絡。

2.1 IEC61850 工程化配置

在基于IEC61850通信體系的變電站中，裝置功能、裝置間的通信、裝置與監(jiān)控后臺或遠動裝置的通信，均嚴格依賴于智能電子設備(IED)模型的工程化配置。本期投運的測控和保護裝置來自國內多個自動化廠家，需要統(tǒng)一的配置工具對這些裝置進行集成。

220kV密馬鬃梁變電站各二次設備廠家提供的IED功能描述文件由專用組態(tài)軟件統(tǒng)一集成，組態(tài)完成的變電站配置文件提供給監(jiān)控后臺、遠動裝置和220kV保護子站，將配置過的IED描述文件提供給各二次廠家下載到各自設備。測控和保護裝置模型嚴格遵循IEC61850工程應用模型配置規(guī)范。

2.2 組網方式

220kV密馬鬃梁變電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)按功能可分為站控層和間隔層。

站控層布置2臺主計算機、2臺遠動裝置、1臺公用信息管理機和2臺報文規(guī)范(MMS)網交換機。主計算機對變電站一次設備和二次設備進行監(jiān)視、記錄及控制；站內監(jiān)控系統(tǒng)通過2臺遠動裝置與華北網調、山西省調、大同地調通信，并實現(xiàn)程序化控制功能；公用信息管理機作為站內智能設備接入的智能轉換終端，與站內直流系統(tǒng)、不間斷電源(UPS)等輔助系統(tǒng)通信后接入MMS網。

間隔層設備將采集和處理后的信息經MMS網傳輸?shù)秸究貙樱g隔層網絡采用IEC61850通信標準。測控裝置組成雙光纖網后通過網絡交換機接入MMS網，具有測量、防誤、同期檢測等功能。

2.3 智能化設備

密馬鬃梁變電站220kV配電裝置均采用常規(guī)化的一次設備(即常規(guī)斷路器、常規(guī)互感器)，智能系統(tǒng)按功能可分為站控層、間隔層和過程層，見圖1。

圖1 變電站智能網絡結構圖

間隔層數(shù)字化測控裝置模擬量分別從斷路器的合并單元中采集電流、電壓信號，同時計算線路有功和無功功率。至渾源220kV變電站側為數(shù)字化接口光纖差動保護，直接采集合并單元的數(shù)字量。數(shù)字化測控裝置、保護裝置的常規(guī)交流采樣部分取消，測控裝置、保護裝置采用獨立網口分別接入MMS網和過程層網絡。

過程層采用常規(guī)電流互感器、常規(guī)電壓互感器以及就地智能化一次設備(常規(guī)開關設備配置智能單元實現(xiàn)智能化)。常規(guī)互感器加裝采集單元實現(xiàn)采樣值的數(shù)字化，通過配置現(xiàn)場采集單元將互感器輸出的模擬量采集處理后輸出，并通過光纖接入合并單元，合并單元接入過程層網絡。

按照IEC61850-9-2 LE標準的要求，智能化變電站需配置時鐘同步系統(tǒng)，以滿足數(shù)據(jù)采集同步的要求。本站采用B碼對時系統(tǒng)對變電站智能設備進行時間同步，通過實現(xiàn)B碼對時，全變電站采用冗余的GPS/北斗系統(tǒng)，該GPS/北斗系統(tǒng)通過光纖給每個裝置下發(fā)B碼對時信號，做到全站各智能設備的時間統(tǒng)一。

3 智能化技術的實現(xiàn)

密馬鬃梁變電站在采用IEC61850通信標準的基礎上，實現(xiàn)了一系列智能化技術，如智能化一次設備(智能終端)、網絡化二次設備的應用和程序化控制等。

3.1 智能終端的應用

智能終端是過程層的另一重要設備，邏輯上是一種智能組建，他與一次設備采用電纜連接，與保護、測控等二次設備基于GOOSE機制采用光纖連接，實現(xiàn)對一次設備(如：斷路器、隔離開關、主變壓器)的測量、控制等功能。智能終端適用于安裝在戶內柜或戶外柜等封閉空間內。

密馬鬃梁變電站智能終端安裝于室外柜內，放置于一次設備(斷路器、隔離開關或地刀等)旁，所有直流量開關輸入(斷路器、隔離開關、地刀位置以及其他信號)在戶外智能終端柜就地完成采集，轉換為數(shù)字量后通過IEC61850標準規(guī)約從網絡傳輸；所有的開關量控制以及控制的閉鎖也由網絡通信(GOOSE報文)完成，在智能終端轉換為硬接點輸出，最后通過二次電纜連接斷路器、隔離開關或地刀等實現(xiàn)分合控制。

3.2 基于IEC61850標準統(tǒng)一建模

IEC61850標準采用面向對象的建模技術，對一次設備、二次設備統(tǒng)一建模，為變電站定義了統(tǒng)一、標準的信息模型及信息交換模型，以實現(xiàn)變電站信息共享及設備間的互操作。

密馬鬃梁變電站采用了不同的IEC61850標準服務實現(xiàn)設備間互操作。例如：間隔層設備創(chuàng)建不少于8個報告實例實現(xiàn)與監(jiān)控后臺、遠動裝置及保護子站的連接；通過數(shù)據(jù)采集模型、報告控制塊模型、定值組控制塊模型實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的信息交換；通過SBOw(帶值選擇)控制模型實現(xiàn)控制操作；通過GOOSE實現(xiàn)間隔層閉鎖等。同時在工程化配置時進行了具體規(guī)定，例如：統(tǒng)一各保護裝置、測控裝置數(shù)據(jù)集名稱和中文描述。

基于IEC61850標準統(tǒng)一建模和通信能使變電站運行人員得到更多的共享信息，使得系統(tǒng)運行維護變得方便。

3.3 220kV線路數(shù)字化保護裝置的應用

密馬鬃梁變電站與其接入側渾源變電站均為智能化變電站，因此線路光纖差動保護裝置無需考慮采樣數(shù)據(jù)的同步問題。

密馬鬃梁變電站220kV線路保護裝置按雙重化獨立配置，即配置了兩套不同原理、不同廠家的快速主保護。這兩套獨立的快速主保護裝置應安裝在獨立的柜上，分別接用兩組獨立的直流蓄電池組、兩組獨立的CT次級繞組、兩組獨立的CVT次級繞組，保護裝置的交流采樣直接取自相應間隔的合并單元，其跳閘命令直接接入相應間隔的智能終端。

3.4 常規(guī)電流互感器直采直跳方案

《智能變電站技術導則》明確規(guī)定：保護應“直采直跳”。密馬鬃梁變電站采用常規(guī)互感器加裝采集單元實現(xiàn)采樣值的數(shù)字化，過程層采樣值和繼電保護相關GOOSE信息采用點對點傳輸即直采直跳，其他非繼電保護(如錄波系統(tǒng))的GOOSE信息、采樣值傳輸采用網絡模式，其中繼電保護相關的采樣值報文通信采用IEC61850標準，報文通信基于GOOSE協(xié)議。此外，非繼電保護的過程層采樣值傳輸網絡和GOOSE網絡完全獨立配置，且按電壓等級分別組網。以本站220kV線路保護及變壓器保護為例，系統(tǒng)接線圖如圖2所示：

圖2 直采直跳配置方案

本站均按雙重化配置保護裝置，每套保護包含完整的主、后備保護功能，對時采用IRIG-B碼方式，保護功能要求與常規(guī)變電站相同。特別強調的是，變壓器各側(含低壓側)及公共繞組的MU均按雙重化配置，中性點電流、間隙電流并入相應側MU；變壓器保護跳母聯(lián)、分段斷路器及閉鎖備自投、啟動失靈等可采用GOOSE網絡傳輸。變壓器非電量保護采用就地直接電纜跳閘，信息通過本體智能終端上送過程層GOOSE網。

3.5 GOOSE組網模式的應用

GOOSE替代了傳統(tǒng)硬接線的通信方式，為邏輯節(jié)點間通信提供了快速高效的方案。GOOSE報文不僅可傳輸狀態(tài)信息、模擬量信息，還可傳輸時間同步信息，在實現(xiàn)網絡化連接的同時極大地節(jié)省了二次電纜的敷設，降低了變電站建設和維護的成本。

智能變電站中GOOSE服務主要用于一次設備、智能單元等與間隔層保護測控裝置之間的信息傳輸，包括傳輸跳合閘信號或命令，不同類型的GOOSE報文(保護跳閘命令傳送、開關位置信號、一次設備狀態(tài)信號等)優(yōu)先級不同。

GOOSE的一個典型應用是實現(xiàn)防誤閉鎖功能。密馬鬃梁變電站站控層、間隔層均具有防誤閉鎖功能，間隔層測控裝置通過GOOSE報文實時獲取并判別隔離開關位置狀態(tài)，從而實現(xiàn)全站防誤閉鎖。通過專用組態(tài)軟件，可以完成全站防誤邏輯的組態(tài)。

3.6 程序化控制

程序化控制是指通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)預先設定的程序對變電站設備進行系列化操作。進行程序化控制時，調度中心或變電站內發(fā)出的操作命令是批命令，由監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)遙測、遙信的變化判斷每一步操作是否完成，只有確認該操作完成才進行下一步操作，否則立即停止程序化控制，并給出告警提示。

程序化控制的流程如下：①在監(jiān)控后臺生成全部典型操作票，并導入遠動裝置中；②在監(jiān)控后臺進行程序化控制時，如開關狀態(tài)變化，遠動裝置可根據(jù)開關狀態(tài)變化的遙信量查找到相應操作票，將本操作票傳送到監(jiān)控后臺進行核對，核對正確后監(jiān)控后臺向遠動裝置下發(fā)控制命令；③當有事故發(fā)生，或者操作票中某控制對象防誤閉鎖時，遠動裝置會立即中斷程序化控制并提示中斷原因。執(zhí)行過程流程圖如圖3所示：

3.7 自動調節(jié)和控制

監(jiān)控后臺檢查相關測量值和設備的狀態(tài)，根據(jù)自動電壓無功控制(AVC)可以自動發(fā)出投入或切除電容器、電抗器的指令，以實現(xiàn)對電網電壓和功率因素的自動調節(jié)。AVC的邏輯功能包括閉鎖邏輯、控制策略、提示信息輸出功能、整定及統(tǒng)計功能等。

自動調節(jié)和控制功能啟動或停止，均可以產生操作報告并可打印輸出。

4 結語

智能化變電站一次設備和二次設備的智能化簡化了二次接線設計和變電站繼電保護的配置，密馬鬃梁變電站采用常規(guī)互感器，使得采集單元獨立配置，方便于后期工程中將常規(guī)互感器改造為電子式互感器。且保護的“直采直跳”避開了交換機環(huán)節(jié)及對同步對時信號的依賴，實現(xiàn)了智能變電站的信息數(shù)字化傳輸和功能的集成化，但造成保護及合并單元所需網口較多，發(fā)熱量較大，所使用光纜和交換機的數(shù)量較多。

隨著網絡交換機技術的發(fā)展，網絡傳輸協(xié)議應用研究的不斷深入，保護的“直采直跳”以及SV網和GOOSE網的分網運行必將被“三網合一”的發(fā)展趨勢所取代，而過程層網絡的構架方案也將日趨完善和穩(wěn)定。

[1]Q/GDW383-2009，智能變電站技術導則.2009.

[2]IEC61850 Communication networks and systems in substation[S].2003.

[3]賈巍，曹津平，李偉.數(shù)字化變電站中過程層的技術研究[J].電力自動化設備，2008，28(10).

[4]孫一民，李延新，黎強.分階段實現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng)的工程方案[J].電力自動化設備，2007，31(5).