智能變電站二次系統物理回路模型設計

國網江蘇省電力有限公司技能培訓中心 吳雙 胡曉麗 吳旻哲

智能變電站的保護監測系統的精準度無法保證,導致變電站設備維修更新頻繁,成本高。因此設計智能變電站二次系統物理回路模型。基于虛端子方法設計二次系統物理回路,設計通訊信號、設備文件、虛擬終端等計算機操作流程。經過模擬實驗驗證,物理回路模型可以完成工作,與傳統回路相比更加精準。

0 引言

近年來,與社會經濟發展、電網穩定運行相關的氣候環境惡化、能源安全問題日益突出。隨著社會信息化、智能化的普及,電器的使用已經滲透到人們工作、生活的方方面面,用戶對用電可靠性的要求越來越高,例如智能家居、智慧大廈、電動汽車等新型電器產品的出現,需要電能的持續供給,對能源分配和存儲提出了新需求。面對社會需求的發展,電網運營亟需做出調整,改變目前的運營模式,提升電能供給的質量,其中最重要的環節就是保障電能供給的穩定性。基于此分析,電網需要外功與內功兼修,全面提升自身的服務質量,外功主要體現在積極拓展電能來源,開發清潔高效的新型能源,形成均衡的互補式供電網絡;內功則體現在升級現有變電設備和供電網絡,建設大規模分布式能源接入電網,提高變電站硬件設施,實現高質量的穩定供電。隨著自動控制技術的進步,智能一次設備、電力信息接口標準的不斷規范,智能變電站的雛形已經初見規模,變電站一、二次設備系統集成和控制方式實現了物聯網互聯,控制能力和自動化水平得以提升,奠定了電網運營質量提升的硬件基礎[1]。智能變電站的二次系統是變電站的重要組成部分,一方面監測、控制并保護一次設備,另一方面擔負著自動運行的關鍵作用。隨著大量智能二次系統設備的投入應用,信息的多樣性和傳輸速度遠超以往,光通信成為主要信息傳輸模式[2]。為了應對變革,適應變電站一次、二次設備的功能提升和接口變化,需要對變電站二次系統的物理回路建立模型,以作為后續研究以及故障診斷的基礎。

1 智能變電站二次系統物理回路模型設計

1.1 虛端子二次回路設計方法

在智能變電站中,傳統的終端已經消失,交流采樣保護、跳變開關通過開關輸出、數字信息傳輸,但二次回路的連接原理沒有改變,傳統的終端和保護整定與傳統變電站的通信仍然可以實現信息查詢和功能控制操作,信號流程與控制體系仍舊保持固有的邏輯關系。保護裝置依然可以通過模擬輸入端輸入保護命令;開關輸出端對應通信輸出信號。在智能變電站中,保護裝置的設定點信號和通信信號被形象地稱為虛擬終端。虛擬終端的功能定義為“分相位置”。由于每個虛擬終端數據屬性具有唯一性,通過信號編碼予以區分,虛擬終端的數據屬性也可以作為內部參考地址。

基于虛擬終端的智能變電站二次回路設計的詳細流程如下。(1)繪制各變電站之間通信及設定值的數據流程圖。通信數據流圖可以反映開關位置、開關位置等信號的數據流。設定值數據流圖反映了設備實時運行狀態下電壓電流采樣數據的流動情況。(2)繪制二次系統各設備之間的物理連接圖。它可以表示智能變電站二次系統中各設備光口之間的光纖連接狀態。(3)繪制智能變電站全站的虛擬終端連接表。根據二次設備廠家提供的設備虛擬終端定義文件,根據前兩步設計的設備之間的通信、設定值數據流程圖和物理連接圖,繪制全站虛擬終端連接表,并向變電站二次系統集成廠家提供全站虛擬終端連接表[3]。將廠商生成的虛擬終端配置文件下載到廠商設備上。(4)完成了全站二次虛擬回路系統的設計。

1.2 二次系統物理回路的實現

本文的智能變電站過程層網絡的設計采用保護直采直跳,通訊信號、設定值信號共網傳輸的方案。其電壓電流采樣的設定值數據流向的詳細示意圖可見圖1。

圖1 采樣值數據流向圖Fig.1 Sampled value data flow diagram

變電所一次設備在改造常規變壓器后,將電壓送入合并單元,通過壓感效應實現隔離電壓感知,以固定周期對感知到的電壓進行數據采樣,實現一次設備中模擬電壓值到二次設備中數字電壓值的模數轉換。為降低電壓波動引入的電磁干擾,信號傳輸采用光通信方式。直接從合并單元采集到的電流、電壓信息以及線路網絡的采樣信息通過合并單元層交換后上傳采樣數據進行處理。測控裝置直接從網絡下載所需的設定值數據。線路間隔的通訊數據流向的詳細協議見表1。

表1 線路間隔數據流表Tab.1 Line interval data flow table

根據表1的接口協議,建立二次系統物理回路的接口關系定義,明確通訊的傳輸內容和信號方向,將二次系統的各個分機有機融合在一起,組成功能體。

分析智能變電站的設計要求與建設特點,將變電站虛擬終端連接表作為一次、二次系統的信號轉換中間平臺,設計變電站的二次虛擬電路。設定值與通信虛擬終端連接表清晰地表達了模擬設定值輸入、開關值通信開放度和二次回路開關值通信開放度之間的數據流關系,反映了智能變電站二次系統設備之間的連接關系[4]。虛擬終端表包含設備名稱、虛擬終端號碼、虛擬終端數據屬性和虛擬終端定義。對端設備名稱、對端虛擬終端號碼、對端虛擬終端數據屬性和對端虛擬終端定義。所設計的線路保護虛擬終端表如表2所示。

表2 線路保護輸入表Tab.2 Line protection input table

科學引文數據庫文件應反映保護、測控設備與組合單元交流通道的對應關系。在科學引文數據庫配置中,為每個合并單元填寫一個集合值地址。在云智慧合并單元中將視頻格式控制塊中的“標記”作為填寫設置值的ID列。選擇要連接配置設置的云智能,并在標簽“2”中選擇“數據組合”。設定值連線方式與通信連接方式一致。選擇要與設定值連接的設備和對應的組合單元,根據通道對應關系選擇設定值,點擊“添加”完成連接。在系統集成科學引文數據庫配置中,設備通信、集數據導入導出為關系表時,往往會從相關廠商的描述文件發生變化,為了保證科學引文數據庫的完整性,必須更新相應的自描述信息文件,更新描述文件,原始通信,打開附件設置值將刷新,必須重新關聯[5]。如果新自描述信息文件中更新的部分與通信和設定點連接無關,則無需重新配置即可導入原有的通信和設定點關系表。當自描述信息文件更新完畢后,可以把原先導出的通訊、設定值開入關系表導入[6]。即可完成該裝置的通訊、設定值連線配置。

基于此,完成了變電站智能化二次系統的物理回路模型設計。

2 實驗

2.1 實驗準備

為了檢查二次系統物理回路模型的實用效能,選擇其中的繼電保護系統的零點漂移、電流、電壓輸入的幅值和相位精度幾項核心指標,開展同步性能測試,以驗證是否滿足技術規程要求。選取某智能變電站為試驗地,使用不同物理回路進行交流量精度對比實驗。

準備測試裝置,測試儀器主要有數字式繼電保護測試儀、電子式互感器模擬儀、智能終端、常規繼電保護測試儀,經檢驗以上幾種測試儀器確認在檢定周期內,測試精度符合要求,結果可信[7]。繼電保護測試儀選取武漢凱默公司生產的光數字繼電保護綜合測試儀,實現基于云智慧設備的設定值采樣、通訊開關量輸入/輸出自動測試配置。采用數字繼電保護測試儀檢驗繼電保護設備的保護功能與性能指標,被保護設備和數字繼電保護測試儀之間采用光纖點對點連接,信號經過模數轉化后以高速串行方式傳輸,通過光纖傳送采樣值和跳合閘信號。

首先對綜合測試儀進行實驗前設置。在軟件主界面右下角點擊“設置”進入設置界面。在做實驗前,要導入全站配置科學引文數據庫文件。點擊所關聯的連線,能夠詳細的看到詳細的虛端子通道連線。在設置界面,對接口編號、通訊速率、輸出設定值、通訊發送、通訊接收等運行參數進行設置。

2.2 實驗結論

測試標準必須符合《繼電保護和電網安全自動裝置檢驗規程》的相關要求。各物理回路零點漂移檢查結果如表3所示:

表3 實驗結果表Tab.3 Experimental result table

由表3可知,無論是本文的物理回路模型還是傳統的回路模型的數字量輸入的保護裝置零點漂移為零,模擬量輸入的保護裝置零點漂移小于額定值的1%,都符合檢驗規章的要求。但是本文設計的物理回路模型與額定值的差別更小,可以證實本文的物理回路模型的精準度。

3 結論

二次系統作為智能變電站的運行保障功能組成,是變電站配送電主體功能安全、性能與效率得以實現的物理基礎,尤其是在智能化水平不斷提升的現代變電站建設中,作用更顯重要。科學合理的使用二次系統的各項功能,是全面發揮并深度挖掘一次系統功能與潛力的主要手段。通過建立二次系統物理回路模型,可以建立二次系統中各組成單元的內在關聯邏輯關系拓撲結構,便于智能變電站運行維護、故障診斷以及升級改造。二次系統物理回路模型是電網數字化建設的重要組成部分,是今后的建設方向。通過對二次系統物理回路模型的設計,為智能變電站全系統的模型設計積累經驗。后續還將深入挖掘模型的細節功能,完善各組成功能分機、模塊的詳細指標和運行參考值,建立完備的指標體系模型,為電網建設提供支持與參考。

引用

[1] 李志梅,肖德貴.紅外遙感模型的輻射場景圖高分辨率研究[J].激光雜志,2020,41(8):119-123.

[2] 周迎偉,高明亮,楊慢慢.電力系統繼電保護二次回路故障狀態實時監測方法[J].自動化與儀器儀表,2021(7):171-174.

[3] 于立強,朱亞軍,周迎偉.基于深度學習的智能變電站繼電保護二次回路故障監測系統[J].自動化與儀器儀表,2021(7):118-121.

[4] 王紅敏,王燕,董濤.無人機用激光雷達跨阻電路改進設計[J].激光雜志,2021,42(3):174-178.

[5] 蘇陽,李樹東,劉明輝,等.用于變電站外破監測的Φ-OTDR系統高速數據采集設計及實現[J].激光雜志,2020,41(11):158-161.

[6] 張歷,辛明勇,高吉普.智能變電站二次設備多維度故障診斷與定位系統方案設計[J].自動化與儀器儀表,2019(5):59-62+67.

[7] 李麗娜,王謙,張偉.基于回路阻抗陣的低壓配電網運行狀態評估方法[J].自動化與儀器儀表,2019(1):155-158.