變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展綜述
作者:江蘇久益電力設(shè)備有限公司 來源:http://americanbanknotecompany.com 人氣:
摘要(Abstract) 回憶了國際變電站自動(dòng)化技術(shù)開展的進(jìn)程,剖析了國際變電站自動(dòng)化零碎現(xiàn)狀和開展趨向,強(qiáng)調(diào)了繼電維護(hù)和監(jiān)控在技術(shù)和管理上的一體化開展,數(shù)字化變電站的開展,以及IEC61850規(guī)范使用的趨向。
關(guān)鍵詞(Keywords) 變電站自動(dòng)化 現(xiàn)狀與開展 分層散布式構(gòu)造 集成化 數(shù)字化
1、 引言
“變電站自動(dòng)化零碎”(Substation Automation System-SAS)名詞,國際電工委員會解釋為“在變電站內(nèi)提供包括通訊根底設(shè)備在內(nèi)的自動(dòng)化零碎(SAS-Substation Automation System: The SAS provides Automation in a Substation including the Communication infrastructure)”。在國際,我們所說的變電站自動(dòng)化零碎,包括傳統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控零碎,繼電維護(hù)、自動(dòng)安裝等設(shè)備,是集維護(hù)、測量、控制、遠(yuǎn)傳等功用為一體,經(jīng)過數(shù)字通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來完成信息共享的一套微機(jī)化的二次設(shè)備及零碎。自20世紀(jì)90年代以來,變電站自動(dòng)化技術(shù)不斷是我國電力行業(yè)的熱點(diǎn)技術(shù)之一。目前全國已投入運(yùn)轉(zhuǎn)的35~500kV變電站約20000座(不包括用戶變),而且每年新增變電站的數(shù)量約為3%~5%,也就是說每年都有千百座新建變電站投入電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn),新建變電站根本上都采用了自動(dòng)化零碎形式,同時(shí)每年還有許多老變電站的技術(shù)改造,也根本上以自動(dòng)化零碎形式為主。在已采用自動(dòng)化技術(shù)的變電站中,晚期采用較多的國外商品有:如ABB、Siemens、GE等公司的商品。但隨著國際廠家的商品技術(shù)含量、工藝程度的進(jìn)步以及國度產(chǎn)業(yè)政策的支持,目前220kV及以下電壓等級變電站的自動(dòng)化大都采用了國產(chǎn)商品,330kV及以上電壓等級變電站也少量運(yùn)用了國產(chǎn)商品。目前,國產(chǎn)商品廠家次要有:南瑞集團(tuán)、北京四方、許繼電氣、國電南自等。
2、變電站自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀
2.1、 我國變電站自動(dòng)化開展階段
變電站二次局部傳統(tǒng)按功用分為四大類商品:繼電維護(hù)、毛病錄波、外地監(jiān)控和遠(yuǎn)動(dòng)。按零碎形式呈現(xiàn)順序可將變電站自動(dòng)化開展分為三個(gè)階段:
(1) 第一階段:面向功用設(shè)計(jì)的集中式RTU加慣例維護(hù)形式
80年代及以前,是以RTU為根底的遠(yuǎn)動(dòng)安裝及外地監(jiān)控為代表。該類零碎實(shí)踐上是在慣例的繼電維護(hù)及二次接線的根底上增設(shè)RTU安裝,功用次要為與遠(yuǎn)方調(diào)度通訊完成“二遙”或“四遙”(遙測、遙信、遙控、遙調(diào));與繼電維護(hù)及平安自動(dòng)安裝的聯(lián)合經(jīng)過硬接點(diǎn)接入或串行口通訊較多。此類零碎稱為集中RTU形式,目前在一些老站改造中仍有大批運(yùn)用,此階段為自動(dòng)化的初級階段。
(2) 第二階段:面向功用設(shè)計(jì)的散布式測控安裝加微機(jī)維護(hù)形式
第二階段始于90年代初期,單元式微機(jī)維護(hù)及按功用設(shè)計(jì)的分散式微機(jī)測控安裝得以普遍使用,維護(hù)與測控安裝絕對獨(dú)立,經(jīng)過通訊管理單元可以將各自信息送到后臺或調(diào)度端計(jì)算機(jī)。特點(diǎn)是繼電維護(hù)(包括平安自動(dòng)安裝)按功用劃分的測控安裝獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn),使用了現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),經(jīng)過數(shù)據(jù)通訊停止信息交流。此零碎電纜互聯(lián)仍較多,擴(kuò)展性功用不強(qiáng)。
(3) 第三階段:面向距離、面向?qū)ο?Object-Oriented)設(shè)計(jì)的分層散布式構(gòu)造形式
第三階段始于90年代中期,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)的飛速開展,采用按距離為對象設(shè)計(jì)維護(hù)測控單元,采用分層散布式的零碎構(gòu)造,構(gòu)成真正意義上的分層散布式自動(dòng)化零碎。目前國際外主流廠家均采用了此類構(gòu)造形式。110kV以下電壓等級變電站,維護(hù)測控安裝要求一體化、110kV幾以上電壓等級維護(hù)測控大多按距離辨別設(shè)計(jì),對超高壓變電站的規(guī)模比擬大的零碎,為增加兩頭環(huán)節(jié),防止通訊瓶頸,要求安裝間接上以太網(wǎng)與監(jiān)控后臺通訊,甚至要求維護(hù)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立組網(wǎng),由于采用了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì),零碎配置靈敏、擴(kuò)展方便。
2.2、 分層散布式技術(shù)成為潮流
若按變電站自動(dòng)化零碎二次設(shè)備散布現(xiàn)狀可縱向分為三層:變電站層、網(wǎng)絡(luò)層、距離層;也有廠家或?qū)W者將網(wǎng)絡(luò)層歸入變電站層停止描繪,即縱向分為變電站層、距離層二層。
(1) 變電站層橫向按功用散布為外地監(jiān)控、維護(hù)信息管理及遠(yuǎn)方通訊。變電站層功用散布的方式取決于網(wǎng)絡(luò)層的構(gòu)造、變電站電壓等級以及用戶的實(shí)踐需求。
外地監(jiān)控功用作為外地運(yùn)轉(zhuǎn)人員的人機(jī)交互窗口,以圖形顯示、報(bào)表打印、語音報(bào)警等各種方式完成外地的“四遙”。經(jīng)過“五防”零碎聯(lián)鎖控制開關(guān)及刀閘的跳合,并對斷路器合閘操作自動(dòng)檢同期, 按VQC原理調(diào)理變壓器檔位或投切電容器組,以及與MIS零碎平安聯(lián)接完成信息共享。
維護(hù)信息管理功用作為外地繼保人員的人機(jī)交互窗口,也可以圖形顯示、報(bào)表打印、語音報(bào)警等各種方式對繼電維護(hù)及平安自動(dòng)安裝的運(yùn)轉(zhuǎn)情況如安裝能否毛病、定值能否改動(dòng)、采樣能否精確等停止實(shí)時(shí)監(jiān)視,依據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)需求決議維護(hù)投退和定值修正,毛病發(fā)作后經(jīng)過毛病錄涉及維護(hù)舉措信息停止毛病剖析和診斷。
遠(yuǎn)方通訊功用是將外地監(jiān)控和維護(hù)信息管理功用經(jīng)過通訊在遠(yuǎn)方完成,是變電站完成無人值班的前提條件。遠(yuǎn)方監(jiān)控和維護(hù)信息管理功用異樣可以各自獨(dú)立刻經(jīng)過不同的通道和規(guī)約辨別接至調(diào)度中心和維護(hù)信息管理主站,也可以合二為一即經(jīng)過同一通道接至遠(yuǎn)方主站。
(2) 網(wǎng)絡(luò)層完成信息傳遞和零碎對時(shí)等功用。經(jīng)過信息交流,完成信息共享,減化變電站的設(shè)備配置,從全體上進(jìn)步變電站自動(dòng)化零碎的平安性和經(jīng)濟(jì)性。目前國際外商品盛行兩種網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)造:即雙層網(wǎng)和單層網(wǎng)構(gòu)造。 目前采用的現(xiàn)場總線有:Lonworks、Canbus、WorldFIP、Profibus等,速率為1~12Mbps;以太網(wǎng)通訊方式,速率大多為10Mbps/100Mbps自順應(yīng),F(xiàn)場總線具有運(yùn)用方便、復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn),以太網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)范、開放性好、高速率、傳輸容量大的特點(diǎn)。但目前由于以太網(wǎng)在功能和使用特點(diǎn)上仍不能完全替代現(xiàn)場總線, 面向?qū)崟r(shí)控制的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及規(guī)范正處于研討和制定進(jìn)程中, 所以現(xiàn)場總線將會和以太網(wǎng)并存相當(dāng)長工夫。
(3) 距離層次要是繼保、監(jiān)控設(shè)備層?杉薪M屏也可散布在各繼電維護(hù)小間內(nèi)或裝置在開關(guān)柜上。繼保、監(jiān)控既可以各自獨(dú)立也可以合二為一。它對相關(guān)一次設(shè)備停止維護(hù)、測量和控制,呼應(yīng)就地層、變電站層、遠(yuǎn)方主站的操作要求,對采集的信息停止處置上送,并在變電站層、遠(yuǎn)方主站控制生效的狀況下仍能完成維護(hù)、測量和控制功用。
三層之間的關(guān)系。變電站層、網(wǎng)絡(luò)層、距離層既互相獨(dú)立又互相聯(lián)絡(luò)。變電站層功用的完成依賴于網(wǎng)絡(luò)層和距離層的殘缺性;但是距離層功用的完成,特別是繼電維護(hù)及平安自動(dòng)安裝的功用的完成決不能依賴于網(wǎng)絡(luò)層和變電站層;遠(yuǎn)方主站監(jiān)控功用的完成應(yīng)不依賴于變電站層設(shè)備。
2.3 、運(yùn)轉(zhuǎn)管理形式與變電站綜合自動(dòng)化
(1) 維護(hù)和遠(yuǎn)動(dòng)專業(yè)管理形式對變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)開展的影響
由于變電站綜合自動(dòng)化零碎源于傳統(tǒng)的“四遙”并在微機(jī)維護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)根底上開展起來的,維護(hù)和遠(yuǎn)動(dòng)分屬不同的部門和專業(yè),運(yùn)轉(zhuǎn)管理是分開的,隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的開展,特別是近階段,在中高壓站曾經(jīng)采用維護(hù)和測控合一的綜合安裝, 許多廠家在研制高壓和超高壓站的安裝時(shí),曾經(jīng)思索將維護(hù)、測控、毛病錄波等功用綜合在一個(gè)安裝內(nèi)。因而,各自獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的管理、思想方式曾經(jīng)不能順應(yīng)變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)開展要求,有些供電企業(yè)已將兩專業(yè)兼并為綜合自動(dòng)化專業(yè),在技術(shù)和管理上完成了維護(hù)和監(jiān)控的一致。 (2) 無人值班的運(yùn)轉(zhuǎn)管理形式與變電站自動(dòng)化技術(shù)的關(guān)系
目前已完成無人值班的變電站,并不都是采用所謂的綜合自動(dòng)化零碎。但是應(yīng)該看到,自動(dòng)化技術(shù)的開展,為無人值班或少人值班變電站提供了更先進(jìn)的技術(shù)支持,使變電站設(shè)計(jì)愈加合理,布局緊湊,運(yùn)轉(zhuǎn)愈加牢靠,更利于無人值班的管理,新建的變電站甚至國際第一個(gè)750kV變電站都將按無人值班的形式設(shè)計(jì)。
(3) 維護(hù)信息管理零碎的呈現(xiàn)是變電站以后運(yùn)轉(zhuǎn)管理的需求
隨著微機(jī)維護(hù)、毛病錄波器在電網(wǎng)中的普遍運(yùn)用,在電力零碎發(fā)作毛病時(shí)使維護(hù)和毛病錄波用具備了以數(shù)據(jù)方式向電網(wǎng)調(diào)度中心傳輸毛病信息的能夠。為了貫徹《國度電力公司電網(wǎng)二次零碎“十五”規(guī)劃》的要求,實(shí)在進(jìn)步電網(wǎng)平安運(yùn)轉(zhuǎn)的調(diào)度零碎信息化、智能化程度,在電網(wǎng)發(fā)作毛病時(shí)能為調(diào)度提供實(shí)時(shí)毛病信息,無效地疾速恢復(fù)零碎,電機(jī)工程學(xué)會繼電維護(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)分專委會特制定了《繼電維護(hù)、平安自動(dòng)安裝和毛病錄波器信息處置零碎》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),已有多個(gè)變電站自動(dòng)化零碎消費(fèi)廠家研制出該類零碎并投入電網(wǎng)運(yùn)用。該零碎是專為維護(hù)管理部門設(shè)計(jì)的,當(dāng)維護(hù)和毛病錄波安裝在毛病時(shí),由于信息量較大原因此采用獨(dú)自組網(wǎng)形式。
2.4、 繼電維護(hù)技術(shù)的開展
談到變電站自動(dòng)化,必需關(guān)注繼電維護(hù)技術(shù)的開展,關(guān)注維護(hù)與監(jiān)控以后及今后在自動(dòng)化技術(shù)開展中的互相交融關(guān)系。
(1) 繼電維護(hù)技術(shù)的開展史
從90年代初至今,不同原理、不同機(jī)型的微機(jī)線路和主設(shè)備維護(hù)各具特征,為電力零碎提供了一批功能優(yōu)秀、功用完全、任務(wù)牢靠的繼電維護(hù)安裝。隨著微機(jī)維護(hù)安裝的深化研討,在微機(jī)維護(hù)軟件、算法等方面也獲得了很多實(shí)際效果。微機(jī)維護(hù)已成為電力零碎維護(hù)、監(jiān)控、通訊、調(diào)度自動(dòng)化零碎的重要組成局部。
(2) 繼電維護(hù)的現(xiàn)狀
目前,國際繼電維護(hù)的開展已到達(dá)甚至超越國外同行業(yè)的程度。在維護(hù)硬件構(gòu)成方面,國際的微機(jī)維護(hù)閱歷了8位CPU、16位CPU等幾個(gè)階段,以后已開展到應(yīng)用DSP停止信號處置、32位CPU冗余設(shè)計(jì)、高精度模數(shù)變換、安裝內(nèi)采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、硬件模塊化設(shè)計(jì)等先進(jìn)程度階段。在電磁兼容設(shè)計(jì)方面均有獨(dú)到之處,具有很高牢靠性。
在維護(hù)的原理方面,國際微機(jī)維護(hù)的程度很多方面已搶先于國外的同類商品。尤其在高壓線路維護(hù)方面,經(jīng)多年研討,微機(jī)維護(hù)的功能比擬完善,可以順應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)轉(zhuǎn)及毛病條件。由于通訊通道技術(shù)的限制,晚期的全線速動(dòng)縱聯(lián)維護(hù)次要由公用閉鎖式或允許式縱聯(lián)方向維護(hù)和縱聯(lián)間隔維護(hù)構(gòu)成。隨著通訊技術(shù)的開展,分相式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)維護(hù)由于原理復(fù)雜牢靠而普遍使用。主設(shè)備維護(hù)方面,與線路微機(jī)維護(hù)相比,雖然起步較晚,經(jīng)過多年的研討已克制了晚期的元件微機(jī)型維護(hù)牢靠性不高,靈敏度低,舉措速度慢,TA飽和影響較大等缺陷。
在110kV及以下電壓等級的變電站綜合自動(dòng)化零碎中,主變后備維護(hù)、線路(饋線)維護(hù)、電容器維護(hù)等繼電維護(hù)安裝普遍采用維護(hù)測控一體化技術(shù),即所謂的四合一安裝。每個(gè)四合一安裝不但可完成繼電維護(hù)功用,而且還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通訊功用,成為整個(gè)電力零碎計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)智能設(shè)備。
3 變電站自動(dòng)化技術(shù)開展趨向
3.1 、IEC61850規(guī)范的推行使用
IEC 61850是國際電工委員會TC57制定的《變電站通訊網(wǎng)絡(luò)和零碎》系列規(guī)范,為基于網(wǎng)絡(luò)通訊平臺的變電站自動(dòng)化零碎獨(dú)一國際規(guī)范,也是國度電力行業(yè)相關(guān)規(guī)范的根底。IEC 61850制定的思緒是:
(1) 進(jìn)步互操作性,工程完成方便;
(2) 面向?qū)ο螅疵嫦蛟O(shè)備;
(3) 滿足使用技術(shù)迅猛開展要求;
(4) 應(yīng)對通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展的應(yīng)戰(zhàn)。
指點(diǎn)任務(wù)方向?yàn)椋喉槕?yīng)古代技術(shù)程度的通訊體系,完成完全的互操作,體系向下兼容,基于古代技術(shù)程度的規(guī)范信息和通訊技術(shù)平臺, 經(jīng)過規(guī)范化數(shù)據(jù)交流接口完成開放式零碎,例如該規(guī)范使用于一切類型的散布式SCADA零碎。IEC 61850不只用于變電站內(nèi)通訊,而且可用于變電站和控制中心通訊。
IEC 61850規(guī)范經(jīng)過多年的醞釀和討論,至2003年已正式發(fā)布大部分外容。IEC 61850規(guī)范是全世界獨(dú)一的變電站網(wǎng)絡(luò)通訊規(guī)范,也將能夠成為電力零碎中從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動(dòng)化無縫通訊規(guī)范,還可望成為通用網(wǎng)絡(luò)通訊平臺的工業(yè)控制通訊規(guī)范。以后, 消費(fèi)相關(guān)商品的國際外各大公司都在圍繞IEC 61850 展開任務(wù),并提出IEC 61850的開展方向是完成“即插即用”,在工業(yè)控制通訊上最終完成“一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)規(guī)范”。
為順應(yīng)將來數(shù)字化變電站開展的趨向,IEC61850規(guī)范按通訊體系及設(shè)備功用將變電站自動(dòng)化零碎分為3層:變電站層、距離層、進(jìn)程層。變電站層設(shè)備由帶數(shù)據(jù)庫的計(jì)算機(jī)、操作員任務(wù)臺、遠(yuǎn)方通訊接口等組成;距離層設(shè)備由每個(gè)距離的控制、維護(hù)或監(jiān)視單元組成;進(jìn)程層設(shè)備典型的為遠(yuǎn)方I/O、智能傳感器和執(zhí)行器等。
3.2、 變電站自動(dòng)化零碎向高集成化、數(shù)字化、規(guī)范一致化方向開展
隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速開展,各種新型的大規(guī)模集成電路將會進(jìn)一步使用在繼電維護(hù)和測控安裝上,如32位CPU、數(shù)字信號處置芯片DSP、高速數(shù)據(jù)采集零碎、嵌入式實(shí)時(shí)操作零碎、大容量Flash、可編程邏輯器件CPLD、FPGA等。這些新器件的使用將使維護(hù)和測控安裝的電路板愈加小型集成化,安裝通訊、數(shù)據(jù)存儲及處置才能更強(qiáng)。將距離的控制、維護(hù)、毛病錄波、事情記載和運(yùn)轉(zhuǎn)支持零碎的數(shù)據(jù)處置等功用,經(jīng)過模塊化設(shè)計(jì)集成在一個(gè)一致的多功用數(shù)字安裝內(nèi)是可行的,距離外部和距離間以及距離同站級間的通訊可一致用一層網(wǎng)即光纖以太網(wǎng)來完成。高集成化零碎的開展,無疑能降低本錢,進(jìn)步零碎牢靠性,有利于完成一致的運(yùn)轉(zhuǎn)管理。目前在許多中高壓站已完成。
變電站自動(dòng)化零碎最終向數(shù)字化開展,指的是智能化電氣的開展,如智能開關(guān)設(shè)備、光電式電壓和電流互感器、智能電子安裝(IED)等的呈現(xiàn),使變電站自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化階段。智能化一次設(shè)備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路逐步取代傳統(tǒng)的一次回路, 使變電站層、距離層、進(jìn)程層最終用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來,并完成一致的通訊規(guī)范。
4 、完畢語
總之,變電站自動(dòng)化技術(shù)是隨同著古代科技技術(shù)開展,尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的開展而不時(shí)提高, 自動(dòng)化零碎以按對象設(shè)計(jì)的全分層散布式為潮流, 朝著二次設(shè)備功用集成化,一次設(shè)備智能數(shù)字化方向開展;運(yùn)轉(zhuǎn)管理朝著各專業(yè)協(xié)調(diào)一致和站內(nèi)無人值班形式開展。同時(shí)經(jīng)濟(jì)性和牢靠性也是變電站自動(dòng)化技術(shù)開展所要思索的實(shí)踐成績。IEC61850規(guī)范的施行使用,電能質(zhì)量監(jiān)測管理,一次設(shè)備的在線監(jiān)測,網(wǎng)絡(luò)平安技術(shù),數(shù)字式視頻圖像監(jiān)控技術(shù),基于同步相量測量安裝的電力零碎實(shí)時(shí)靜態(tài)監(jiān)測, 以及如何融入變電站自動(dòng)化零碎, 都是變電站自動(dòng)化技術(shù)開展所要研討的課題。