110kV数字化变电站的关键技术

第35卷 增刊 继电器 Vol.35 Suppl. 2007年12月1日 RELAY Dec. 1, 2007

110 kV数字化变电站的关键技术

刘清瑞1，刘日堂2，尚学军3 (1.上海申瑞电力科技股份有限公司，上海201615；2.天津电力公司东丽供电分公司，天津300300； 3.天津滨海供电公司，天津300400）

摘要：通过对110 kV数字化变电站体系结构的说明，介绍了110 kV数字化变电站应用的智能电器、电子式互感器、光通信、IEC 61850、嵌入式技术、高速工业现场总线等关键技术。总结了数字化变电站建设当中存在的问题，对数字化变电站的应用发展前景作了展望。

关键词: 110 kV数字化变电站; 智能电器; 电子式互感器; IEC61850 The key technologies applied in 110 kV digital substation LIU Qing-rui1, LIU Ri-tang2, SHANG Xue-jun3 (1.Shanghai Sunrise Power Tech Co., Ltd. Shanghai 201615,China; 2.Tianjin Dongli Power Supply Co., Tianjin 300300,China; 3. Tianjin Binhai Power Supply Co., Tianjin 300400,China)

Abstract: By description of 110 kV digital substations, the related key technologies such as intelligent electric apparatus, electronic transducers, fiber optic telecommunications, IEC 61850, embedded system, high speed industrial field bus, etc. are presented. It summarizes the current problems arisen from digital substation construction, and anticipates the future of digital substation development. Key words: 110 kV digital substation; intelligent apparatus; electronic transducer; IEC 61850

中图分类号： TM714 文献标识码： A 文章编号： 1003-4897(2007)S-0240-06　

0 引言 我国变电站自动化技术的发展，经历了电磁式远动与保护装置、电子式远动与保护装置、微机式远动与保护装置、微机综合自动化系统几个阶段[1]。

近年来，随着智能化电器和电子式传感器的实用化以及网络技术、光通信技术、微电子技术、计算机技术的迅速发展，使变电站自动化系统迅速进入数字化阶段。而电网的迅速扩大、电网建设的巨量投入、对电网安全稳定运行要求的提高又为数字化变电站的建设开创了巨大的需求空间。 数字化变电站是变电站自动化技术的发展方向，其核心技术是智能化的一次设备和网络化的二次设备[2]，在过程层、间隔层及站控层上，按照国

际标准IEC61850通信规范，实现变电站内部以及变电站与集控站间的信息共享和互操作。数字化变电站技术也是国家电网公司和南方电网公司“十一五”期间的重点科技项目。北京顺义500 kV变电站、广西桂林500 kV变电站、内蒙古杜尔伯特220 kV变电站、江西外陈220 kV变电站、江西董家窑220 kV变电站、云南晋城220 kV变电站、云南翠峰110 kV变电站、广东沙坪110 kV变电站、河北西地110 kV变电站、山东青岛110 kV变电站、无锡圆石110 kV变电站、银川海宝110 kV变电站等多个500 kV/220 kV/110 kV的数字化变电站已经陆续投入运行或开工建设，取得了宝贵的经验。对我国数字化变电站建设的经验进行总结，结合最新技术发展动态和实际需求探讨以后数字化变电站建设需要注意的方面，有非常重要的意义。由于110 kV变电站在我国运行时间较长、数量较多，在电网中起着承上启下的关键作用[3]，而且也最具备率先实现数字化的条件，故本文重点讨论110KV数字化变电站的情况。 1 110 kV数字化变电站的特点 变电站实现数字化，指的是变电站信息的采集、传输、处理全过程实现数字化，且每个环节都具备完善的自诊断功能；变电站过程层的所有设备都实 刘清瑞，等 110 kV数字化变电站的关键技术 - 241 - 现智能化，二次接线大大简化。整个变电站的信息模型，包括数据模型和功能模型，都采用统一模式；各类设备的数据通信都采用开放的统一的通信协议，实现所有数据的无缝交换；所有信息的可靠性、完整性、实时性都能得到保证，数据测量精度高；通信介质全部采用光纤来取代传统的电缆；各种设备和功能共享统一的信息平台，避免设备的重复投资，整个变电站的管理实现全面的自动化和信息化。 与传统的变电站相比，数字化变电站的主要特点表现在以下几个方面[4]：一是一次设备智能化。一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，用数字控制器及数字公共信号网络取代传统的导线连接，即变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被智能电子设备（IED）代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字信号和光纤代替；二是二次设备网络化。变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理器设计，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享和资源共享，常规的功能装置变成了逻辑功能模块；三是运行管理自动化。变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。可以说，变电站的数字化为变电站的运行管理带来了新的机遇和挑战。 2 110 kV数字化变电站的体系结构 在变电站自动化领域中，智能化电器的发展，特别是智能开关、电子式互感器等机电一体化设备的出现，使变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。在110KV电压等级的数字化变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其它自动装置的I/O单元，如A/D变换、光隔离器件、控制操作回路等将独立出来作为智能化一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路将代替常规继电保护、测控等装置的I/O部分，并将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地就地安装在开关柜上，实现了变电站设备的机电一体化设计，使变电站自动化系统的结构也发生了较大变化。 根据IEC61850标准的定义[5]，110 kV数字化变电站自动化系统在逻辑结构上可分为三个层次，分别为“过程层”、“间隔层”、“站控层”，各层次内部及层次之间采用高速数据网络通信。分述如下。 （1）过程层：过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说是指智能化一次设备的智能化部分。过程层的主要功能有：①实时电气量检测，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测；②运行设备的状态参数检测与统计，变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器、直流电源系统等，在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据；③操作控制执行与驱动，包括变压器分接头调节控制，电容器、电抗器投切控制，断路器、刀闸的合分控制，直流电源充放电控制等。 （2）间隔层：间隔层设备的主要功能是：①汇总本间隔过程层实时数据信息；②实施对一次设备的保护控制；③实施本间隔的操作闭锁；④实施操作同期及其它控制功能；⑤控制数据采集、统计计算及控制命令的优先级；⑥)承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。 （3）站控层：站控层的主要功能是：①通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；②按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心；③接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；④具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；⑤具有站内当地监控、人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，以及图像、声音等多媒体功能；⑥具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能；⑦ 具有变电站故障记录、故障分析和操作培训功能。 综上所述，一个典型的通用110 kV数字化变电站系统，必须使用电子式互感器替代传统的电磁式互感器；硬件平台采用基于嵌入式双以太网、带光纤收发接口的数字式保护测控通信平台，支持数字信号和模拟信号的输入；以IEC-61850为全站各层内部以及各层之间的统一通信规约，并兼容以前的其它通信协议；其继电保护、测控单元、远动设备、后台监控系统、保护故障信息子站系统、故障录波等能够无缝集成多种型号的产品而不存在任何互操作问题；站控层实时数据库采用与IEC 61850的模型一致的建模方法。 - 242 - 继电器 3 110 kV数字化变电站的关键技术 110 kV数字化变电站的设计研发和建设运行用到了许多先进的概念和技术，以下择要予以说明。 （1）智能开关与智能变压器技术 智能开关与智能变压器技术是数字化变电站的关键环节。 用于110 kV数字化变电站的智能开关能对断路器、隔离触头进行在线监测和故障诊断，并能满足状态检修的要求。可以对预伏故障进行报警和对电扇、加热器等辅助设备进行自动投切，以增加运行的可靠性。同时还具有远程通信功能，可以远方分合断路器。 智能开关的主要功能是：①基本功能：按最优情况切断和接通空载电流和负荷电流，系统发生故障时迅速切断故障电流，具有数字通信处理能力，分合操作命令由数字信号方式传输；②通用功能：可以根据规则实现唯一化命名，自诊断功能可以报告当前的设备状况，可以记录动作次数，在不与站内自动化系统通讯的情况下可以直接操作；③控制功能：指示开关位置、蓄能控制、闭锁与解除闭锁控制；④监测功能：可以记录断路器动作前、动作时及动作后电流大小，监视开关故障跳闸能力、开关分合能力、蓄能后最大故障跳闸能力[6]。 智能开关与传统开关最大的区别是配备有智能控制单元。智能控制单元采用电子线路和微机控制，结合各种传感技术，可检测速度、位移、电流、电压、触头磨损量、温度、局部放电量等参数，具有自诊断和各种保护功能，具有通信接口[7]。 与智能开关技术类似，智能变压器技术也是110KV数字化变电站的关键技术之一。智能变压器除常规变压器功能外，还要具有数字通信和处理能力，以数字信号方式传输操作命令，可以根据规则实现唯一化命名避免与其它装置重复，具有自诊断功能以随时报告运行时间、当前状态。也要能监测绕组温度和运行状态（空载、过流、过压、低电压），绕组温度过高或接地时发出告警，并且也要能够对额定高电压、额定低电压、额定功率等参数进行配置。 （2）电子式互感器技术 电子式电流/电压互感器技术是数字化变电站的另一个关键环节。与传统的电磁式电压/电流互感器相比，其优势十分明显，它具有良好的绝缘性能，较强的抗电磁干扰能力，测量频带宽，动态范围大，抗电流饱和与电压谐振，与现代电子和网络技术紧密结合直接输出数字量，而且体积小、重量轻、维修方便、总体价格较低[8]。新型电子式电压/电流互感器利用电光晶体的各种优异特性和现代光电技术的优点，信号处理部分采用先进的数字信号处理器(DSP)技术，充分发挥了其实时性、快速性和便于进行复杂算法处理等特点，同时方便与主机的通信以及电力系统数据联网。 根据IEC标准，从测量原理分类，电子式电流互感器分为光学电流互感器（又称无源型）、空芯电流互感器（又称Rogowiski线圈型、有源型）、及低功率型三种；电子式电压互感器分为光学电压互感器（无源型）、分压型电压互感器两种。无源型电子互感器的电流测量一般基于磁光效应，电压测量一般基于Pokels效应，其优点是高压传感部分不需供电，但光学器件本身易受温度、震动等外界因素影响，稳定性有待提高。有源型电子式电流互感器一般采用空芯线圈感应高压侧信号，因此必须给高压侧供电，但光供电方式的可靠性及寿命尚有待进一步验证，其造价目前也较高。因此，电子式互感器的长期稳定性、可靠性、与二次设备的接口方式、及其造价是决定它能否最终大批量在电力系统推广应用的关键因素。 （3）光通信技术 现代光通信技术为数字化变电站提供了高速的数据传输通道。光通信是一种以光波为传输媒质的通信方式，光波和无线电波同属电磁波，但光波的频率比无线电波的频率高，波长比无线电波的波长短。因此，它具有传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点。光通信技术发展的主要标志是传输容量的迅速增长，主要表现在光器件、多种复用方式和新颖的光网络协议【9】。光纤通信系统中