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      某220kV数字化变电站的主要技术特点与建设中关键技术分析

      发布时间:2022-03-02 05:24:00 来源:上海巨沈电气有限公司


      摘要:详细介绍保定白洋淀220kV 数字化变电站中电子互感器、智能化断路器、网络结构方案、监控系统等的主要技术特点,并对数字化变电站设计与建设中电子式互感器的二次饱和、GOOSE网络结构的设计等关键问题提出了解决方案。

      由于数字化变电站在建设、运行、维护和管理等方面具有独特优势,近年来在国内取得了较快的发展。白洋淀220 kV 数字化变电站是河北省南部电网第一座数字化户内GIS 变电站,采用了IEC 61850 标准和电子式互感器,保护和测控装置均为就地布置,通过光纤实现数据通信,二次回路大为简化,是国内具有代表性的户内GIS 型数字化变电站。

      1 白洋淀数字化变电站的主要技术特点

      白洋淀变电站包括220 kV、110 kV、35 kV 3 个电压等级,220 kV 和110 kV 采用GIS 配电装置,35kV 采用手车柜,户内布置。

      全站依据IEC 61850 标准构建,采用电子互感器实现采样值的数字化,采用GIS 智能控制装置实现GIS 智能开关的数字化,应用GOOSE 服务,实现开关量传输的数字化。

      1. 1 电子式互感器

      结合GIS 配电装置的特点,选用有源式电子互感器,采用站内直流供电,方案具有成熟可靠的优点。GIS 电子式互感器是整体结构,包含罐体、传感模块、采样绕组在内的电子式互感器整体设计,两端通过变径法兰和绝缘子与GIS 设备配合,接口配合清晰。

      在不加大GIS 设备体积的情况下,进出线采用组合式电流电压互感器,配置三相电压互感器,相应间隔二次设备电压均取自本间隔电压互感器,取消电压切换回路,简化合并器的逻辑判别功能。

      1. 2 智能化断路器

      结合白洋淀变电站GIS 设备户内布置特点,外部采用智能化GIS + 保护就地分散布置的数字化方案,其中智能化GIS 应用先进的计算机技术,采用GIS 智能控制装置实现对GIS 设备的位置信号采集和监视、模拟量信号采集与显示、远方/ 就地控制、信号与操作事件记录与上传、谐波分析、储能电机的驱动和控制、在线监测、基于网络通信的软件联锁等功能。将传统的测控功能与GIS 二次监控有机结合,联合组屏设计、优化控制回路,构成智能的控制功能,取消了传统的GIS 汇控柜。

      白洋淀变电站通过就地布置的智能控制装置、保护装置、数字计量表实现断路器的智能化,即常规GIS 断路器加外置的控制、保护、测量、计量等功能组件实现断路器的智能化,见图1 。

      1. 3 网络结构方案

      依据IEC 61850 通信标准,网络结构采用开放式分层分布式自动化系统,三层两网结构,由站控层、间隔层和过程层组成,分为站控层网络和过程层网络[ 1 ] 。

      站控层网络(MMS 网络) 采用双重化光纤以太网络、热备用方式运行,MMS 报文和GOOSE 报文共网传输,通过GOOSE 报文实现间隔层设备之间的联闭锁和电气闭锁构成完整的五防逻辑。过程层网络分为采样值网络和GOOSE 网络,分别单独组网。

      采样值信息采用点对点方式传输,对于母线保护、故障录波等需要多间隔采样值信息的装置,设置二级同步合并器实现数据的同步传输。

      GOOSE 信息通过点对点和网络相结合方式传输。220 kV 和110 kV 电压等级各线路、母联间隔通过电缆就地跳闸。主变压器保护采用主从式分散布置保护装置, 主机和从机之间以点对点光纤GOOSE 网通信。35 kV 使用保护测控合一装置,就地布置于开关柜,35 kV 母线保护、低周减载、过负荷联切及低压备自投等跨间隔开关量信息通过GOOSE 网络,采用单星型网络结构,见图2 。


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      1. 4 监控系统

      白洋淀数字化变电站监控系统按数字化、无人值班变电站设计,采用南京南瑞继保电气有限公司生产的PCS 9700 型监控系统,整站网络建立在IEC 61850 标准的基础上,按分层分布式来实现整站数字化及变电站内智能电气设备间的信息共享与互操作性。

      按照IEC61850 标准,白洋淀数字化变电站从网络通信角度可分为站控层、间隔层和过程层。站控层包括监控主机、操作员工作站、维护工程师站等,其主要功能是为变电站提供运行、管理、工程配置的界面,并记录变电站内所有相关信息;RCS9698H 为远动机,即将变电站内信息应用标准远动规约和远动通道,实现变电站信息向监控中心远传,并实现监控中心远方控制;远动机与后台系统之间相互独立,互不影响。所有站控层设备均采用100 M 工业以太网,并按照IEC 61850 通信规范进行系统建模及信息传输。

      间隔层主要包括PCS 900 系列保护装置、PCS 9000 系列测控装置以及其他智能设备。针对采用GIS 开关设备的变电站,将保护、测控装置下放至GIS 控制柜,节省了传统方式下一次开关设备到保护控制二次设备间的大量电缆,间隔层设备对站控层采用以太网通信方式。

      过程层是一次设备与二次设备的结合面,过程层的主要设备是提供了数字接口的电子式互感器、合并单元和智能单元。

      此外, 变电站内其他辅助设备包括RCS9794A 通信装置, 其功能是将站内不支持IEC61850 的智能设备(如UPS、直流屏等) 转换为符合IEC 61850 标准及使RCS 9785 系列GPS 对时设备实现变电站内统一对时。

      2 数字化变电站建设中的关键技术

      2. 1 电子式互感器的二次饱和

      电子式互感器具有抗饱和、过载能力强等优点,其远端模块A/ D 转换输出是有范围的,当超出其最大输出值后会出现削顶现象,互感器输出为平顶波,将使差电流中出现谐波分量,有可能导致差动保护的不正确动作[2 ] 。在电子式互感器额定一次电流的选择上应考虑二次饱和对保护装置的影响,但是其饱和性质和常规互感器不相同,此时仍然有电流输出,因此应对差动保护的原理和算法进行研究,使其适应电子互感器要求,充分发挥电子互感器的抗饱和性,优化电子式互感器额定电流的选择。

      2. 2 统一设备模型的建立

      目前,数字化变电站设备均按照IEC 61850 标准建模,设备间实现互联互操作,但实际应用中各设备厂家对标准中自定义部分理解不完全相同,仍然存在部分差异,需要对设备的模型进行统一,采用面向对象的建模技术,将保护设备、主机均作为逻辑接点,相互扮演客户的角色,对其各类操作作为控制数据组,电流、电压等信息作为数据对象。任何一个客户可通过抽象通信服务接口(ACSI) 和服务器通信访问对方的数据对象。建议制定地区的设备模型标准,以保证地区内设备模型的一致性。

      2. 3 GOOSE 网络的设计

      GOOSE 服务的应用使数字化变电站和常规变电站有很大的区别,光缆取代了常规电缆, GOOSE报文取代了常规的电气量接点,因此通信环节是数字化变电站自动化系统的关键。在GOOSE 网络的设计中需考虑以下问题:

      a. 在保证网络安全的前提下,尽可能优化网络结构,减少交换机的使用数量。

      b. 对网络数据流量进行计算分析,特别是过程层网络合一后,应针对不同的网络流量确定交换机端口的带宽。

      c. 常规的端子排制图方式已经不能清楚的表示GOOSE 信息的逻辑关系,重点应在装置间开关量信息的逻辑关系和GOOSE 报文的定义上,需要统一设计的表达方式,制定统一的标准[3 4 ] 。

      2. 4 通信记录与分析系统

      数字化变电站是利用数据传输网络,使变电站保护、测量和控制数据得到充分利用,实现高度的信息共享,其功能实现取决于变电站智能电子设备之间网络通信的实时性和可靠性。数字化变电站中应当设置通信记录与分析系统,包括专用的通信记录仪[5 ] 及分析管理机。通信记录仪主要用于详细记录网络上的报文(如规约报文、网络报文和GOOSE 报文等) 信息,实现检索、排序、分类等基本数据统计功能,以及针对IEC 61850 标准的高级报文分析功能。

      3 结束语

      白洋淀220 kV 数字化变电站采用IEC 61850标准下的网络体系结构,实现了过程设备间的数据共享、数据互通和即插即用。间隔层装置通过过程总线获取过程层设备GOOSE 信息,实现过程层设备控制互锁及互操作功能,提高了供电可靠性,减少了调试、配置、运行、维护等成本。随着数字化变电站运行经验的积累,成熟的数字化变电站取代常规自动化变电站将成为必然的趋势。

      参考文献:

      [ 1 ] 高翔,张沛超. 数字化变电站的主要特征和关键技术[J ] . 电网技术,2006 ,30 (23) :67 72.

      [ 2 ] 李九虎,郑玉平,古世东,等. 电子式互感器在数字化变电站的应用[J ] . 电力系统自动化,2007 ,31 (7) :94 98.

      [ 3 ] 孙一民,李延新,黎强. 分阶段实现数字化变电站系统的工程方案[J ] . 电力系统自动化,2007 ,31 (5) ,90 93.

      [ 4 ] 宋丽君,王若醒,狄军峰,等. GOOSE机制分析、实现及其在数字化变电站中的应用[J ]. 电力系统保护与控制,2009 ,37(14) :31 35.

      [5] 辛建波,黄瑶. 数字化变电站建设中需要注意的几个问题[J ]. 江西电力,2007 ,31(3) :37 39.


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