35kV數(shù)字化變電站關鍵技術研究

梁貴

(廣西電網(wǎng)公司柳江供電公司，廣西 柳江 545100)

35kV數(shù)字化變電站關鍵技術研究

梁貴

(廣西電網(wǎng)公司柳江供電公司，廣西 柳江 545100)

我國電網(wǎng)正處于向智能電網(wǎng)高速發(fā)展的階段，傳統(tǒng)變電站已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)發(fā)展的需要，數(shù)字化變電站關鍵技術可以有效的解決傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)的技術瓶頸，成為智能電網(wǎng)變電、配電環(huán)節(jié)的重要技術支撐，有助于變電、配電環(huán)節(jié)實現(xiàn)信息化、互動化、自動化。35kV變電站作為配電網(wǎng)(農(nóng)網(wǎng))的電源支撐，實現(xiàn)其數(shù)字化改造，對于我國的智能配電網(wǎng)發(fā)展有巨大的推動作用。

數(shù)字化;變電站;關鍵技術

1 引言

電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展以及電力市場改革的不斷深化對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行和電能質量提出了更高的要求。變電站作為輸電與配電網(wǎng)絡的執(zhí)行終端和信息源，要求提供的信息量與實現(xiàn)的集成控制越來越多，數(shù)字化、信息化以及信息模型化的要求越來越迫切［1－6］。

數(shù)字化變電站為數(shù)字化電力系統(tǒng)的建設奠定了基礎，與傳統(tǒng)變電站相比，數(shù)字化變電站的一次設備與二次設備實現(xiàn)了數(shù)字化通信，具有全網(wǎng)統(tǒng)一的數(shù)字模型與通信平臺，最突出的特點是一次設備數(shù)字化、二次設備網(wǎng)絡化、數(shù)字平臺標準化［7－12］。

研究35kV數(shù)字化變電站的關鍵應用技術特點，確立35kV數(shù)字化變電站的技術體系架構，分析35kV數(shù)字化變電站的可靠性以及安全性，對于未來構建數(shù)字化變電站，乃至數(shù)字化配電網(wǎng)具有非常重要的意義。

2 35kV數(shù)字化變電站構架體系

與高電壓等級數(shù)字化變電站相似，35kV數(shù)字化變電站要求以數(shù)字方式的傳遞和共享實現(xiàn)電氣設備之間的通信，各種智能化一次設備、網(wǎng)絡化二次設備在IEC61850通信規(guī)范基礎上實現(xiàn)信息共享和互操作。35kV數(shù)字化變電站在邏輯上采用IEC61850規(guī)定變電站層、間隔層、過程層的三層結構，各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡通信，三個層次關系如圖1所示。

2.1 變電站層

變電站層通過兩級高速網(wǎng)絡匯總全站的實時數(shù)據(jù)信息，將有關數(shù)據(jù)信息送往電網(wǎng)調(diào)度控制中心與遠方運行中心，并且接收調(diào)度控制中心與遠方運行中心有關控制命令，并將其轉向間隔層、過程層執(zhí)行，另外，變電站層還具有對間隔層、過程層設備的在線維護、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)等功能。

圖1 數(shù)字化變電站的構架體系

2.2 間隔層

間隔層主要進行信息的匯總與分流，實現(xiàn)對一次設備的保護與控制，可實施本間隔操作閉鎖功能，也可實施操作同期及其他控制功能;對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制，具有承上啟下的通信功能，上下網(wǎng)絡接口具備雙口全雙工方式以提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡通信的可靠性。

2.3 過程層

過程層是數(shù)字化變電站中的一次設備與二次設備相結合的部分，也是智能化電氣設備的智能化部分，過程層可進行實時的電氣檢測、設備的參數(shù)檢測以及對設備進行控制執(zhí)行與驅動。

3 35kV數(shù)字化變電站的關鍵設備

數(shù)字化變電站在電氣量采集環(huán)節(jié)采用了非常規(guī)的互感器技術，一次系統(tǒng)的電流、電壓、功率、頻率等電氣量信息通過合并單元變?yōu)榈碗娖降臄?shù)字信號，經(jīng)光纜直接傳遞給變電站二次系統(tǒng)。在數(shù)字化變電站中，一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)可以實現(xiàn)有效的電氣隔離。智能的數(shù)字化設備是實現(xiàn)數(shù)字化變電站的前提，本小節(jié)主要研究電子式互感器、智能斷路器與電子式互感器接口設備的特點。

3.1 電子式互感器

在常規(guī)變電站中廣泛采用電磁式電流、電壓互感器，但是電磁式互感器具有磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小等缺點，而且隨時電網(wǎng)電壓等級的升高，電磁式互感器的絕緣結構更加復雜、體積增加，造價也隨之大大提高，可見電磁式互感器很難適應智能電網(wǎng)發(fā)展的需求。

數(shù)字信號處理、光纖通信以及光電子技術的迅速發(fā)展有力的推動了電子式電壓、電流互感器(EVT/ECT)推廣應用。目前，在數(shù)字化變電站中電子式互感器已經(jīng)逐步進入了實用化階段。在實際工程應用中的電子式互感器分為有源和無源兩大系列，由于其實現(xiàn)原理、構成、關鍵技術有較大的差異，因此在一些應用特征上也體現(xiàn)了一定的差別。

3.2 智能斷路器

智能斷路器與傳統(tǒng)斷路器不同，是一種具有較高性能的斷路器和控制設備，需要額外配備電子設備、傳感器與執(zhí)行器，除了具有傳統(tǒng)斷路器的功能還具有包括監(jiān)測與診斷方面的附加功能。一般由數(shù)據(jù)采集、智能識別和執(zhí)行裝置3個基本模塊構成。

3.3 電子式互感器接口設備

合并單元是電子式電流、電壓互感器接口的重要組成部分，其主要功能是同步采集多路輸出的數(shù)字信號后按照標準規(guī)定的格式發(fā)給保護、測控設備。

4 全數(shù)字化保護系統(tǒng)的可靠性

在數(shù)字化變電站中，保護系統(tǒng)屬于全數(shù)字化保護系統(tǒng)，傳統(tǒng)的電磁式電流、電壓互感器以及斷路器的連接被光纖代替，信息的傳遞由模擬量轉變?yōu)閿?shù)字量，通過合并單元匯總到總線。

與傳統(tǒng)的模擬量保護系統(tǒng)相比，全數(shù)字化保護系統(tǒng)具有較多的電子裝置，而且保護裝置內(nèi)部的通信網(wǎng)絡直接參與保護與測控，通信網(wǎng)絡的可靠性直接確定著數(shù)字化變電站的可靠性，因此有必要研究全數(shù)字化保護系統(tǒng)的可靠性。

利用可靠性框圖可以分析系統(tǒng)中每一個元件失效對系統(tǒng)整體可靠性的影響，系統(tǒng)之間的基本連接關系可分為串聯(lián)、并聯(lián)。由N個元件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，在串聯(lián)系統(tǒng)中任何一個元件失效均構成系統(tǒng)失效，即必須系統(tǒng)中所有元件均正常運行才能保證系統(tǒng)正常運行，如圖2所示。

圖2 串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖

其可靠性計算公式如下:

式中:λs為平均停運率;λ'i為元件i的故障停運率;λ″i為元件i的檢修停運率。

式中:Us為系統(tǒng)的平均年停運時間;r'i為元件i的平均故障修復時間;r″為元件i的平均檢修持續(xù)。

式中:rs為系統(tǒng)的平均停運時間。

圖3所示的是由N個獨立元件組成的并聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)中所有元件均失效才會導致系統(tǒng)失效，即只要其中任何一個元件正常運行，系統(tǒng)仍能保持運行。

圖3 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖

其可靠性計算公式如下:

式中:Up為并聯(lián)系統(tǒng)的不可靠率;Ui為各元件的不可靠率;rp為并聯(lián)系統(tǒng)的平均停運持續(xù)時間;λp為并聯(lián)系統(tǒng)的故障率。

利用可靠性框圖來研究、比較傳統(tǒng)保護系統(tǒng)、基于單網(wǎng)的數(shù)字化保護系統(tǒng)與基于PRP的保護系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)保護系統(tǒng)、基于單網(wǎng)的數(shù)字化保護系統(tǒng)與基于PRP的保護系統(tǒng)如圖4～6所示。

圖4 傳統(tǒng)保護系統(tǒng)

圖5 基于單網(wǎng)的數(shù)字化保護系統(tǒng)

圖6 基于PRP的保護系統(tǒng)

研究表明:

(1)與傳統(tǒng)保護系統(tǒng)相比，雖然數(shù)字化保護系統(tǒng)中減少了大量的二次電纜，但保護系統(tǒng)內(nèi)包含了更多的電子設備，使得結構更為復雜。在不考慮網(wǎng)絡冗余時，數(shù)字化保護系統(tǒng)的可靠性會較低。

(2)當交換機的可靠性還不夠高時，基于PRP的保護系統(tǒng)的可靠性較低，甚至會低于常規(guī)保護系統(tǒng)。

5 35kV數(shù)字化變電站系統(tǒng)的安全性

35kV數(shù)字化變電站系統(tǒng)基于以太網(wǎng)的通信方式，大大節(jié)省了運行成本，也帶來變電站的信息共享，但同時也會引起相關的網(wǎng)絡安全問題，包括網(wǎng)絡安全威脅與人員的威脅，網(wǎng)絡安全威脅包括截獲、中斷、篡改、偽造、惡意程序、權限管理不當、Internet安全漏洞;人員的威脅包括電力系統(tǒng)內(nèi)部人員無意識的失誤、人為的惡意攻擊。

綜合脆弱性狀態(tài)圖與可靠性理論相關知識，引入度量變電站系統(tǒng)安全性指標的系統(tǒng)脆弱性程度函數(shù)Rs(c)，Rs(c)指系統(tǒng)在特定條件、特定攻擊代價c下處于安全狀態(tài)的概率，Rs(c)越大，說明系統(tǒng)脆弱性越小，即系統(tǒng)安全性越好。)

式中:c為供給代價;C為攻擊行為達到目的的等效代價，取決于系統(tǒng)安全強度和入侵者的知識水平;λ為脆弱度因子，體現(xiàn)的是攻擊行為成功的難易程度。

圖7 串聯(lián)系統(tǒng)安全性框圖

串聯(lián)模型如圖7所示，如果只有一條攻擊行為可能導致系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)，則該事故發(fā)生的條件等同于所有子路徑的串聯(lián)，故串聯(lián)模型可靠度函數(shù)為:

圖8 并聯(lián)系統(tǒng)安全性框圖

并聯(lián)模型如圖8所示，如果可能有多條攻擊路徑導致系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)，則該事故發(fā)生的條件等同于所有子路徑的并聯(lián)。并聯(lián)系統(tǒng)可靠度函數(shù)為:

數(shù)字化變電站是通過站控層和過程層網(wǎng)絡連接而成的典型的分布式系統(tǒng)，攻擊行為利用通信系統(tǒng)脆弱性以實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)間的轉移，并由此導致系統(tǒng)可能處于不安全狀態(tài)。

數(shù)字化變電站系統(tǒng)的安全策略具有特殊性，針對其實時要求高的特點，一般的安全防護措施為:安全隔離與擴展GOOSE/SMV報文。

6 總結

以數(shù)字信號處理技術、光電子為應用基礎的非常規(guī)互感器技術的發(fā)展，IEC61850標準的頒布實施，以太網(wǎng)通信技術的逐漸成熟，智能斷路器技術的發(fā)展使變電站自動化領域進入了新的發(fā)展階段，變電站自動化系統(tǒng)從信息采集、傳輸、處理具備了實現(xiàn)全數(shù)字化的可能，數(shù)字化變電站已成為未來變電站自動化技術發(fā)展的趨勢。研究35kV數(shù)字化變電站的關鍵技術，對于未來構建數(shù)字化配電網(wǎng)具有非常重要的意義。

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Key Techniques of 35 kV Digital Substation

LIANGGui
(Guangxi Power Grid Corporation Liujiang Power Supply Bureau，Yongning Nanning Guangxi，545100)

To smartgrid，power grid in China is in rapid development stage，the traditional substation cannotalready satisfy the needs of the development of grid，key technologies of digital substation can effectively solve the traditional transformer substation automation systems technology bottleneck，become an important technology of the smart grid substation and distribution support，and help to substation，distribution，interactive，automation and informatization．35 kv substation as(site)of the power distribution network，achieving its digital transformation，for the development of smart distribution network has a huge role．

digital;transformer substation;key technology

TM63

B

1004－289X(2013)03－0066－04

2013－04－25

梁貴(1984－)，男，助理工程師，從事電網(wǎng)建設工程管理。