變電站電氣自動(dòng)化與電力安全運(yùn)行分析

張旭東

（內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010020）

1 引言

變電站是電力系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制電力流向，接收并分配電能的設(shè)備的總稱(chēng)，可利用變壓器對(duì)各級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)系。電氣自動(dòng)化可以理解為以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)變電站的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。而電力安全運(yùn)行所強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是以安全管理需要達(dá)成的目標(biāo)為前提，通過(guò)對(duì)安全監(jiān)管體系加以完善，為電網(wǎng)系統(tǒng)打造可長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)境，為人們提供學(xué)習(xí)、工作以及日常生活所需電能。

2 電氣自動(dòng)化和電力安全運(yùn)行的意義

在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，變電站均處于自動(dòng)化水平偏低的狀態(tài)，這一問(wèn)題給其運(yùn)行質(zhì)效所造成的影響較為深遠(yuǎn)，無(wú)論是對(duì)客戶(hù)還是對(duì)電力單位而言，變電站實(shí)現(xiàn)電力安全運(yùn)行以及電氣自動(dòng)化均具有重要意義，可使管理變電站的水平得到顯著提高。近幾年，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)規(guī)模較之前有所擴(kuò)大，隨著覆蓋范圍的增加，社會(huì)各界對(duì)變電站所提出的要求自然變得更加嚴(yán)格，變電站的日常工作難度和強(qiáng)度均不可同日而語(yǔ)，電力安全運(yùn)行以及電氣自動(dòng)化，可通過(guò)提升管理水平的方式，使電網(wǎng)工作所取得效果達(dá)到預(yù)期，隨著管理變電站的任務(wù)完成，后續(xù)的優(yōu)化電力系統(tǒng)等工作也具備了有序開(kāi)展的先決條件[1]。另外，變電站電氣自動(dòng)化與電力安全運(yùn)行可以使人們學(xué)習(xí)、工作和日常生活所需電能得到有力保障。作為清潔能源的代表，電能對(duì)改善人們生活質(zhì)量、加快社會(huì)發(fā)展具有重大作用，隨著電氣設(shè)備類(lèi)型及數(shù)量的增多，人們的生活變得更加便利，但是，要使電氣設(shè)備發(fā)揮出應(yīng)有的作用，應(yīng)不斷提高電氣自動(dòng)化水平并為電力運(yùn)行的安全性提供保證。

3 基于建筑變電站的電氣自動(dòng)化分析

基于自動(dòng)化運(yùn)行建立的變電站調(diào)度機(jī)房嵌入管控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可被劃分成3 層：站控層、間斷層和網(wǎng)絡(luò)層。站控層的作用是以信息技術(shù)為依托，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行控制；間斷層負(fù)責(zé)傳遞指令并分析故障；網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)主要是傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 變電站調(diào)度機(jī)房嵌入管控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 通用平臺(tái)

該系統(tǒng)的通用平臺(tái)強(qiáng)調(diào)將分布性、開(kāi)放性和擴(kuò)展性良好的客戶(hù)機(jī)-服務(wù)器系統(tǒng)（Client/Server）作為核心，通過(guò)實(shí)時(shí)處理海量數(shù)據(jù)的方式，確保網(wǎng)元管理系統(tǒng)及能量管理系統(tǒng)所提出要求得到滿(mǎn)足。

平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)模型規(guī)定任一客戶(hù)機(jī)均有服務(wù)程序?qū)?yīng)，由服務(wù)程序負(fù)責(zé)對(duì)服務(wù)器信息進(jìn)行獲取，根據(jù)相關(guān)信息對(duì)鏈路進(jìn)行建立?？蛻?hù)機(jī)所安裝應(yīng)用的連接對(duì)象為本地服務(wù)程序，如圖2 所示[2]。

圖2 通用平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)模型

結(jié)合圖2 所傳遞信息可知，服務(wù)器與任一客戶(hù)機(jī)間的數(shù)據(jù)鏈路僅有1 條，本地應(yīng)用服務(wù)器端為本地網(wǎng)絡(luò)程序，而系統(tǒng)客戶(hù)端同樣為本地網(wǎng)絡(luò)程序。兩級(jí)結(jié)構(gòu)模式的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：（1）減少了網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)量，使管理網(wǎng)絡(luò)的難度有所降低；（2）除特殊情況，客戶(hù)應(yīng)用均不關(guān)聯(lián)系統(tǒng)服務(wù)器，可使應(yīng)用數(shù)據(jù)更加透明；（3）本地程序以實(shí)際需求為依據(jù)，對(duì)鏈路進(jìn)行增刪，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)效率進(jìn)行提高的方式，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)得到減輕；（4）不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路的無(wú)縫切換，還保證了切換過(guò)程透明。

3.2 分布式管理

3.2.1 通信管理

基于主站系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，其工作方式可被概括如下：（1）在客戶(hù)端與服務(wù)器之間建立數(shù)據(jù)鏈路，為通信實(shí)時(shí)性提供保證；（2）以標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為依據(jù)，在客戶(hù)端與服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享；（3）將客戶(hù)端提出的服務(wù)請(qǐng)求上傳至相應(yīng)服務(wù)器；（4）由服務(wù)器以客戶(hù)端提出的請(qǐng)求為依據(jù)，定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

3.2.2 數(shù)據(jù)追趕

數(shù)據(jù)追趕指的是以歷史數(shù)據(jù)庫(kù)因故停止運(yùn)行為前提，在一定時(shí)間內(nèi)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行，待相關(guān)服務(wù)器故障解除、恢復(fù)正常運(yùn)行后，對(duì)停機(jī)期間所產(chǎn)生數(shù)據(jù)加以恢復(fù)的功能。對(duì)該功能加以應(yīng)用，可使系統(tǒng)更加可靠且穩(wěn)定。

3.2.3 軟總線訪問(wèn)

系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(kù)所提供服務(wù)為依據(jù)，對(duì)訪問(wèn)請(qǐng)求進(jìn)行處理，使其成為形式固定的邏輯客戶(hù)。而符合通用平臺(tái)特點(diǎn)的管理機(jī)制通常設(shè)有3 類(lèi)接口（見(jiàn)圖3），這樣設(shè)計(jì)的目的主要是確保邏輯客戶(hù)可對(duì)軟總線進(jìn)行有效訪問(wèn)[3]。

圖3 軟總線訪問(wèn)模式

4 如何保證變電站電力得到安全運(yùn)行

要使電力系統(tǒng)運(yùn)行安全，關(guān)鍵是以變電站需求及現(xiàn)行管控標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)原有方案進(jìn)行升級(jí)，以數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，由監(jiān)控系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)提供全方位的保護(hù)，保證變電站運(yùn)行方案的安全性。

4.1 將電氣自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合

4.1.1 自動(dòng)巡查

電氣運(yùn)行所采用的巡查方式為機(jī)器人巡查，強(qiáng)調(diào)以自動(dòng)處理系統(tǒng)為依托，使自動(dòng)檢測(cè)得到有效控制。以安全運(yùn)行相關(guān)規(guī)范為依據(jù)，對(duì)巡檢機(jī)制進(jìn)行完善，保證每次巡檢時(shí)，機(jī)器人均可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)檢查與全面復(fù)審，通過(guò)定期排查變電站線路、設(shè)備元件的方式，確保潛在故障可被盡快解決，使電力系統(tǒng)的安全性得到維護(hù)。

4.1.2 信號(hào)處理

將自動(dòng)處理機(jī)制與電氣系統(tǒng)相結(jié)合，可使設(shè)備狀態(tài)等信息被及時(shí)上傳至計(jì)算機(jī)，不僅系統(tǒng)操作更加規(guī)范，電力運(yùn)行也會(huì)更加安全。由此可見(jiàn)，只有確保各項(xiàng)工作的開(kāi)展均與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相符，才能盡量避免出現(xiàn)安全隱患。

4.1.3 信息回傳

電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)可憑借自動(dòng)處理功能對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)且有效的回傳，確保故障信息均有對(duì)應(yīng)的處理指令，使計(jì)算機(jī)所具有的保護(hù)功能得到充分發(fā)揮，為變電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合安全抽檢結(jié)果對(duì)潛在問(wèn)題進(jìn)行糾正，通過(guò)提高管控水平保證管控效果。這也表明相關(guān)技術(shù)可被用來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)的日常運(yùn)行加以約束，例如，對(duì)運(yùn)行模式進(jìn)行糾正，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決自動(dòng)巡查相關(guān)模塊存在的故障。

4.2 將電氣自動(dòng)化與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)結(jié)合

為確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，應(yīng)以自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理模塊提出的要求為依據(jù)，通過(guò)電氣自動(dòng)化及時(shí)收集模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)，為脈沖狀態(tài)的判斷提供參考。例如，對(duì)斷路器所處狀態(tài)、故障警告和故障跳閘情況進(jìn)行分析，確保隔離開(kāi)關(guān)始終處于可控狀態(tài)，為變電站的長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行提供保證。

4.3 將電氣自動(dòng)化與技術(shù)升級(jí)結(jié)合

對(duì)變電站所用技術(shù)進(jìn)行管控時(shí)，相關(guān)部門(mén)應(yīng)將重心放在技術(shù)管理要點(diǎn)上，這是因?yàn)橹挥斜ＷC運(yùn)行管控平臺(tái)更加完善，才能減少安全隱患，確保電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定[4]。

此外，以下內(nèi)容也應(yīng)引起重視：（1）將操作人員納入管理計(jì)劃，保證操作人員能夠以技術(shù)規(guī)范為依據(jù)，對(duì)各項(xiàng)工作進(jìn)行貫徹落實(shí)，以發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)為前提，將技術(shù)使用不合理造成的負(fù)面影響降至最低；（2）根據(jù)技術(shù)人員的需求，定期組織專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)活動(dòng)，保證工作人員的技術(shù)水平可達(dá)到安全管理的要求；（3）定期檢查各項(xiàng)技術(shù)的落實(shí)情況，將技術(shù)管理工作交由監(jiān)督部門(mén)負(fù)責(zé)，通過(guò)定期模擬并開(kāi)展演練的方式，使技術(shù)管理質(zhì)量得到提高；（4）對(duì)消防設(shè)備進(jìn)行完善，通過(guò)建立切實(shí)可行的管控機(jī)制為安全管理相關(guān)工作的有序開(kāi)展助力。

4.4 安全數(shù)據(jù)信息的獲取

為確保電氣自動(dòng)化以及電力設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，需要校驗(yàn)電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性，獲取具體的短路基準(zhǔn)電流值和阻抗值。

通常情況下需按照三相短路計(jì)算，短路計(jì)算點(diǎn)選擇通過(guò)導(dǎo)體和電氣設(shè)備短路電流最大的點(diǎn)。根據(jù)上述原則，選取220 kV 母線、110 kV 母線、10 kV 母線，計(jì)算點(diǎn)定義為1、2、3。取基準(zhǔn)容量Sj=100 MV·A，基準(zhǔn)電壓Uj一般為各級(jí)平均電壓Up，即Uj=Up=1.05UN，UN為電壓有效值，又被稱(chēng)為標(biāo)稱(chēng)電壓。3 個(gè)計(jì)算點(diǎn)的基準(zhǔn)電壓結(jié)果為：

根據(jù)母線短路時(shí)基準(zhǔn)電流Ij=Sj/（Uj），可得到3 個(gè)計(jì)算點(diǎn)所在母線的短路時(shí)基準(zhǔn)電流為：Ij1=0.25 kA；Ij2=0.5 kA；Ij3=5.5 kA。

基準(zhǔn)阻抗：X′=UkSj/(100×SNT)式中，Uk為阻抗電壓；SNT 為阻抗標(biāo)幺值所對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)值。

220 kV 母線實(shí)用阻抗：XΣ(220)=0.16/1.1=0.15 Ω

110 kV 母線實(shí)用阻抗：XΣ(110)=(0.16+0.006)/1.1=0.15 Ω

10 kV 目前實(shí)用阻抗：XΣ(10)=(0.16+0.006+0.09)/1.1=0.23 Ω

通過(guò)上述計(jì)算公式對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行中的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行獲取是確保安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，能夠?yàn)殡姎庾詣?dòng)化升級(jí)方案提供數(shù)據(jù)支持。在電氣自動(dòng)化控制中，相關(guān)人員應(yīng)關(guān)注電路基準(zhǔn)點(diǎn)電壓、電流最大有效值、短路電流沖擊值，短路容量等數(shù)據(jù)，并將其納入計(jì)算機(jī)平臺(tái)，以此獲得相對(duì)完善的參考值，為決策制定提供參考，為電氣自動(dòng)化與安全運(yùn)行奠基。

5 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行是變電站的職責(zé)，并且在加快電力改革速度方面發(fā)揮著重要作用。通過(guò)上文的分析可知，電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行及其自動(dòng)化與人們的日常生活存在密切聯(lián)系，相關(guān)單位應(yīng)視具體情況制訂針對(duì)性的運(yùn)行和管理方案，通過(guò)提升管理水平的方式為電力系統(tǒng)提供安全可靠的運(yùn)行環(huán)境。以電力行業(yè)的實(shí)際情況為依據(jù)構(gòu)建自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)工作人員的素質(zhì)與能力進(jìn)行提高，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除潛在危險(xiǎn)，使電能供應(yīng)能夠滿(mǎn)足人們的需求。