自動化技術在數字化變電站中的應用研究

曾湘聰

(蘭州倚能電力設計咨詢有限公司,甘肅蘭州 730000)

變電站自動化技術的發展及應用提升了電網的自動化、管理水平。我國城鄉電網改造與建設中在低壓變電站、高壓變電站建設中均引用了自動化技術,提高了電網建設的現代化管理水平。通過利用輸配電和電網調度,降低了變電站建造成本。隨著科學技術的不斷發展智能化控制、光電式電流電壓互感器、一次運營設備在線檢測、變電站運行培訓仿真裝置等技術逐漸成熟完善,以及計算機高速網絡在電網系統中的開發應用,深刻影響了原有的變動站自動化技術,自動化管理系統應用于數字化變電站中,對優化電網運行、提升電力系統的發展穩健性具有深遠的影響意義。

1 數字化變電站的結構方式

數字化變電場是由智能化一次設備(電子式互感器、智能化開關等)和網絡化二次設備分層(過程層、間隔層、站控層)構建[1],IEC 61850標準和通信規范對變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作建立現代化變電站有著非凡的作用。數字化變電場是介于IEC 61850變電站和智能化變電站之間的一種過渡型變電站方式。通過電子式互感器、智能化開關等設備,減少了二次電纜資源使用。但是卻忽略了考慮數字式電能表、在線檢測等問題。

網絡化二次設備分層過程層在電力運行時主要是完成功能執行和動力驅動工作。其功能主要有電氣量的檢測,各項設備運行時檢測狀態參數,操作控制等,過程層僅存在數字化變電站之中,普通的變電站只設有間隔層和站控層。過程層通過合并器、互感器的輸出連接,可以讓跨間隔的數據聯系在一起進行傳輸。智能終端對控制動作進行操作。

網絡化二次設備分層間隔層是電力系統自動化結構中的組成部分。他具有保護控制一次設備的作用;通過設備信息采集裝置采集匯總存在于本間隔過程層中的輸出數據信息;間隔層的隔操作通過自動化啟動閉鎖功能,實現設備的關閉;控制設備統計功能,對數據進行運算分析,采集到的數據利用設備傳輸給計算機進行解讀,并利用智能化功能對其下達控制命令。另外,上下網絡接口是一種雙口全雙工的接口方式,其接口方式可以更加使網絡通信更穩定,完美提高信息傳輸速度[2]。

網絡化二次設備分層站控層指廠站級設立的監控設備,例如變電站中監控設備運行情況的監控系統、子站系統等。監控主站、工程師站、信息子站等為站控層主要設備。其具有站內攝像監控、人與機器聯系功能;可以在線維護、組態、修改參數等間隔層、過程層設備的能力;變電站故障自動化分析、培訓演示的作用。

2 數字化變電站的技術特點

數字化變電站基本特征為:“智能化一次設備”和“二次設備分層網絡化”以及IEC 61850標準統一化。

2.1 智能化的一次運營設備

一次運營設備是通過微處理器和光電技術設計,利用一次運營設備接收信號并檢測信號回路、操作控制驅動回路的信息傳輸,將數據進行處理已實現智能化。將機電式繼電器、控制回路,連接數字程控器和公共信號網絡,通過使用可編程控制器替代二次回路中繼電器及邏輯回路強電模擬器信號,光電數字和光纖代替控制電纜。智能化一次運營設備具有獨立性,與變電站的控制系統無關[3]。

2.2 二次設備分層網絡化

變電站二次設備功能設置為保護、控制一次運營設備。設備內容如測量儀表、繼電器、操作開關、按鈕、自動控制設備、計算機、信號設備、控制電纜以及提供這些設備能源的供應電能的裝置。變電站二次設備利用計算機設計制造標準化、模塊化的處理設備,利用移動網絡,將各機電設備信息鏈接,實現各設備網絡化。

2.3 IEC 61850標準統一化

IEC 61850是變電站自動化系統結構和數據通信的國際標準,目的是保證智能電子設備(IED)之間通過執行一種標準來實現信息共享,減少協議轉換環節和設備轉換,使系統調試方便快捷。智能設備互操作的實現需要建模、抽象通信服務接口以及設備符合自我描述規范。在XML 變電站標準語言的基礎上網絡鏈接,系統設備的配置和功能等進行儲存、讀寫、配置、交換和管理,簡化系統工程實施、配置以及維護的工序。數字化變動站具有運行管理自動化的優點,能夠分析處理故障。利用微處理技術、智能化傳感器技術實現自我診斷、控制在線監測及設備等作用。使用管理自動化性能時,當變電器在運行過程中發生缺陷時系統會利用自身的警報裝置進行自動報警,同時該功能會對出現的故障進行分析確定原因、提出解決辦法并出具此次變電站設備的檢測報告、維修記錄等。數字化電氣測量系統可以對一次運營設備、二次設備分層網絡化進行電氣隔離,以此擴大電氣量的在開展動態測量時的范圍并提高測量的精確度。頒布實施IEC 61850標準,標志著變電站將開始轉變為自動化變電站[4]。

3 數字化變電站自動化應用優勢

(1)數字化變電站自動化的功能需要全部實現,還存在一些技術上困難。但是其通過IEC 61850標準開展模型的建造及通訊化信息的建設,建立數字化變電站對電網原有的智能化一次設備、網絡化二次設備進行了優化并完成了變革性改變。變電站的所有保護系統、測量控制系統、計算運行系統及監控系統都可以只通過一個網絡接收電流、電壓信息,不再需要分門別類地建設對應的系統信息。統一標準的信息、數據功能模型可以提高變電站的信息共享模式和增強系統互操作性能,實現信息不同系統之間的共享,降低投資成本及變電站運行壽命中的維護成本。

(2)數字化變電站各種設備間信息交換是通過通信網絡實現,那么在變電站不滿足功能需求需要增項或者擴模時,只需要在通信網絡中接入新增加購買的設備,各設備之間就可以實現信息互通,不需要將原有設備進行更換,降低了投資成本,節約了資源。同時也可以使得數字化變電站的運行簡單化、提高工作效率[5]。

(3)在變電站的通信設備信息接收和傳輸時,傳統的接收傳輸方式是利用電纜來實現的,存在電纜資源需求大、人力成本高、檢修維護不變等缺點。數字化變電站則是利用光纖技術代替電纜,只需要光纖線或者電纜線,滿足電磁兼容性要求,對高壓系統和低壓系統之間實現了電源與用電回路作電氣上的隔離,降低故障的發生率,減少了變電站設備維修、調試等工作量。數字化變電站選擇取消二次回路接線降低回路,并利用光纖或者網線代替電纜進行信息傳輸,一定程度上杜絕了二次回路接觸、絕緣等安全隱患,降低了各項成本、提高了系統的安全性和穩定性。

(4)在使用變電站互感器輸出信息時,因電纜傳輸及二次回路接線會影響信號的傳遞,降低信號的準確性,為解決這一問題,數字化變電站采用新的信息互感器接收信號信息,因其減少了二次回路接線并使用光纖或網線進行數據傳輸提高了準確性,提高了變電站運行質量及速率。

(5)數字化變電站自動化應用在研究人員開展電力實時仿真實驗時,電力穩定狀態與暫時狀態同時存在可以利用使用電氣化自動化驅動技術來實現,讓研究人員實現同步開展實驗。接收大量準確數據不僅可以為系統的穩定運行提供數據支撐,同時也為仿真實驗的實施開展提供了更高的準確性。在這種模擬仿真實驗環境中,科研人員可以進行電力裝置的測試,搭建混合型的實時電力仿真實驗室[6]。

(6)隨著科技、社會經濟的快速發展,電力的使用覆蓋了幾乎所有行業,若電力系統的能源因故障停電一天,將對眾多行業造成嚴重的經濟損失和影響。國家、社會對電力系統提供的電力安全穩定性要求高,電力系統要利用自動化提高電力能源的效率保證能源的穩定性和安全性。電力系統實現智能化的核心部分為電氣自動化技術,他可以提高電力系統工作人員工作準確度,對系統的運行故障進行分析給出原因并自行自我修復。電力系統精準高效率的運行離不開智能化的自動控制。

4 數字化變電站自動化應用存在的問題

(1)數字化變電站自動化系統的研究還處于初期發展階段,現目前大部分研究都集中在過程層,如智能化開關設備、光電互感器、狀態檢測等。對于低電壓登記采取合并器造成的成本增加、不分高低壓電流互感器穩定性不足導致運行不暢,二次設備共享數據信號如何實現等問題該如何解決。此外,開發過程中材料器件方面的缺陷、電磁干擾與兼容控制等問題都需要進一步改善解決。

(2)數字化變電站的保護校驗裝置在變電站運行時無法做到對分間隔提供校驗保護。目前現有繼電保護校驗裝置無法使用,因為電壓和電流需要通過合并器才能進入到保護裝置,而這個過程需要電流電壓量大量的保護校驗,這個是目前無法解決的問題。所以我們雖然按照IEC 61850標準統一生產了一次設備和二次設備但是仍然無法解決其限制,無法給變電站的網絡提供良好的安全保護[7]。

(3)數字化變電站在過程層如果全面自動化,設備和合并的使用將會增多,經過多個合并器開展數據交換輸送,會降低系統的可靠性。

(4)由于目前數字化變電站的資料并不完善,體系未成形,投入運行的數字化設備資料不能將其應用知識和技能整理成系統資料參考。運行和檢修也沒有統一標準規范執行,涉及到通信接口、協議等信號傳輸技術測試缺乏統一的參考標準。IEC 61850標準制定參考了歐美國家標準,其部分的標準設定不符合我們使用的保護功能、類型,未對GOOSE 報文重發時間、次數進行說明,可能增加GOOSE 報文重發次數、延遲報文。

(5)數字化變電站自動化使用時間僅僅不過十年,而且隨時跟隨新技術開展技術升級,使得設備檢修方式和任務轉變較快,原有的技術無法滿足現在的設備檢修要求,對維護人員技術提出了高要求。如GOOSE報文重發次數、延遲報文的問題,原維修技術人員可能無法解決該項問題。缺少與新技術相適應并滿足邀請的技術人員。

5 結語

綜上所述,數字化變電站自動化技術在我國得到了不錯的應用,其科研技術的發展也非常迅速,但是這還遠遠不能達到社會電力行業對其實際需求。數字化變電站自動化技術在應用時仍然有很多問題有待解決。在數字化變電站中,信息的采集運輸工作自動化已經全面實現,自動化系統的使用大大優化了電網的運行效率,提高了工作質量,其設備的穩定性、安全性也得到了較大的提升。數字化變電站技術體現了兼容性,并且具有測量更加準確、功能更加全面、安全性提升、降低成本等優點。所以在未來的發展中,數字化變電站自動化應該大力發展,改革創新、不斷進取,促進電力系統的科學可持續發展,實現技術的優化與升級,滿足更多電力系統發展需求,為電力系統搶占國際電力技術席位出一份力。