變電站自動化技術的發(fā)展綜述
作者:江蘇久益電力設備有限公司 來源:http://metcarbon.com 人氣:
摘要(Abstract) 回憶了國際變電站自動化技術開展的進程,剖析了國際變電站自動化零碎現(xiàn)狀和開展趨向,強調了繼電維護和監(jiān)控在技術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。
關鍵詞(Keywords) 變電站自動化 現(xiàn)狀與開展 分層散布式構造 集成化 數(shù)字化
1、 引言
“變電站自動化零碎”(Substation Automation System-SAS)名詞,國際電工委員會解釋為“在變電站內提供包括通訊根底設備在內的自動化零碎(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化零碎,包括傳統(tǒng)的自動化監(jiān)控零碎,繼電維護、自動安裝等設備,是集維護、測量、控制、遠傳等功用為一體,經(jīng)過數(shù)字通訊及網(wǎng)絡技術來完成信息共享的一套微機化的二次設備及零碎。自20世紀90年代以來,變電站自動化技術不斷是我國電力行業(yè)的熱點技術之一。目前全國已投入運轉的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)運轉,新建變電站根本上都采用了自動化零碎形式,同時每年還有許多老變電站的技術改造,也根本上以自動化零碎形式為主。在已采用自動化技術的變電站中,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含量、工藝程度的進步以及國度產業(yè)政策的支持,目前220kV及以下電壓等級變電站的自動化大都采用了國產商品,330kV及以上電壓等級變電站也少量運用了國產商品。目前,國產商品廠家次要有:南瑞集團、北京四方、許繼電氣、國電南自等。
2、變電站自動化技術現(xiàn)狀
2.1、 我國變電站自動化開展階段
變電站二次局部傳統(tǒng)按功用分為四大類商品:繼電維護、毛病錄波、外地監(jiān)控和遠動。按零碎形式呈現(xiàn)順序可將變電站自動化開展分為三個階段:
(1) 第一階段:面向功用設計的集中式RTU加慣例維護形式
80年代及以前,是以RTU為根底的遠動安裝及外地監(jiān)控為代表。該類零碎實踐上是在慣例的繼電維護及二次接線的根底上增設RTU安裝,功用次要為與遠方調度通訊完成“二遙”或“四遙”(遙測、遙信、遙控、遙調);與繼電維護及平安自動安裝的聯(lián)合經(jīng)過硬接點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用,此階段為自動化的初級階段。
(2) 第二階段:面向功用設計的散布式測控安裝加微機維護形式
第二階段始于90年代初期,單元式微機維護及按功用設計的分散式微機測控安裝得以普遍使用,維護與測控安裝絕對獨立,經(jīng)過通訊管理單元可以將各自信息送到后臺或調度端計算機。特點是繼電維護(包括平安自動安裝)按功用劃分的測控安裝獨立運轉,使用了現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡技術,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,擴展性功用不強。
(3) 第三階段:面向距離、面向對象(Object-Oriented)設計的分層散布式構造形式
第三階段始于90年代中期,隨著計算機技術、網(wǎng)絡及通訊技術的飛速開展,采用按距離為對象設計維護測控單元,采用分層散布式的零碎構造,構成真正意義上的分層散布式自動化零碎。目前國際外主流廠家均采用了此類構造形式。110kV以下電壓等級變電站,維護測控安裝要求一體化、110kV幾以上電壓等級維護測控大多按距離辨別設計,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,甚至要求維護和監(jiān)控網(wǎng)絡獨立組網(wǎng),由于采用了先進的網(wǎng)絡通訊技術和面向對象設計,零碎配置靈敏、擴展方便。
2.2、 分層散布式技術成為潮流
若按變電站自動化零碎二次設備散布現(xiàn)狀可縱向分為三層:變電站層、網(wǎng)絡層、距離層;也有廠家或學者將網(wǎng)絡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、維護信息管理及遠方通訊。變電站層功用散布的方式取決于網(wǎng)絡層的構造、變電站電壓等級以及用戶的實踐需求。
外地監(jiān)控功用作為外地運轉人員的人機交互窗口,以圖形顯示、報表打印、語音報警等各種方式完成外地的“四遙”。經(jīng)過“五防”零碎聯(lián)鎖控制開關及刀閘的跳合,并對斷路器合閘操作自動檢同期, 按VQC原理調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。
維護信息管理功用作為外地繼保人員的人機交互窗口,也可以圖形顯示、報表打印、語音報警等各種方式對繼電維護及平安自動安裝的運轉情況如安裝能否毛病、定值能否改動、采樣能否精確等停止實時監(jiān)視,依據(jù)運轉需求決議維護投退和定值修正,毛病發(fā)作后經(jīng)過毛病錄涉及維護舉措信息停止毛病剖析和診斷。
遠方通訊功用是將外地監(jiān)控和維護信息管理功用經(jīng)過通訊在遠方完成,是變電站完成無人值班的前提條件。遠方監(jiān)控和維護信息管理功用異樣可以各自獨立刻經(jīng)過不同的通道和規(guī)約辨別接至調度中心和維護信息管理主站,也可以合二為一即經(jīng)過同一通道接至遠方主站。
(2) 網(wǎng)絡層完成信息傳遞和零碎對時等功用。經(jīng)過信息交流,完成信息共享,減化變電站的設備配置,從全體上進步變電站自動化零碎的平安性和經(jīng)濟性。目前國際外商品盛行兩種網(wǎng)絡層構造:即雙層網(wǎng)和單層網(wǎng)構造。 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,F(xiàn)場總線具有運用方便、復雜、經(jīng)濟的特點,以太網(wǎng)具有網(wǎng)絡規(guī)范、開放性好、高速率、傳輸容量大的特點。但目前由于以太網(wǎng)在功能和使用特點上仍不能完全替代現(xiàn)場總線, 面向實時控制的工業(yè)以太網(wǎng)技術及規(guī)范正處于研討和制定進程中, 所以現(xiàn)場總線將會和以太網(wǎng)并存相當長工夫。
(3) 距離層次要是繼保、監(jiān)控設備層?杉薪M屏也可散布在各繼電維護小間內或裝置在開關柜上。繼保、監(jiān)控既可以各自獨立也可以合二為一。它對相關一次設備停止維護、測量和控制,呼應就地層、變電站層、遠方主站的操作要求,對采集的信息停止處置上送,并在變電站層、遠方主站控制生效的狀況下仍能完成維護、測量和控制功用。
三層之間的關系。變電站層、網(wǎng)絡層、距離層既互相獨立又互相聯(lián)絡。變電站層功用的完成依賴于網(wǎng)絡層和距離層的殘缺性;但是距離層功用的完成,特別是繼電維護及平安自動安裝的功用的完成決不能依賴于網(wǎng)絡層和變電站層;遠方主站監(jiān)控功用的完成應不依賴于變電站層設備。
2.3 、運轉管理形式與變電站綜合自動化
(1) 維護和遠動專業(yè)管理形式對變電站綜合自動化技術開展的影響
由于變電站綜合自動化零碎源于傳統(tǒng)的“四遙”并在微機維護、遠動根底上開展起來的,維護和遠動分屬不同的部門和專業(yè),運轉管理是分開的,隨著變電站自動化技術的開展,特別是近階段,在中高壓站曾經(jīng)采用維護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,曾經(jīng)思索將維護、測控、毛病錄波等功用綜合在一個安裝內。因而,各自獨立運轉的管理、思想方式曾經(jīng)不能順應變電站綜合自動化技術開展要求,有些供電企業(yè)已將兩專業(yè)兼并為綜合自動化專業(yè),在技術和管理上完成了維護和監(jiān)控的一致。 (2) 無人值班的運轉管理形式與變電站自動化技術的關系
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化零碎。但是應該看到,自動化技術的開展,為無人值班或少人值班變電站提供了更先進的技術支持,使變電站設計愈加合理,布局緊湊,運轉愈加牢靠,更利于無人值班的管理,新建的變電站甚至國際第一個750kV變電站都將按無人值班的形式設計。
(3) 維護信息管理零碎的呈現(xiàn)是變電站以后運轉管理的需求
隨著微機維護、毛病錄波器在電網(wǎng)中的普遍運用,在電力零碎發(fā)作毛病時使維護和毛病錄波用具備了以數(shù)據(jù)方式向電網(wǎng)調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,實在進步電網(wǎng)平安運轉的調度零碎信息化、智能化程度,在電網(wǎng)發(fā)作毛病時能為調度提供實時毛病信息,無效地疾速恢復零碎,電機工程學會繼電維護運轉技術分專委會特制定了《繼電維護、平安自動安裝和毛病錄波器信息處置零碎》技術標準,已有多個變電站自動化零碎消費廠家研制出該類零碎并投入電網(wǎng)運用。該零碎是專為維護管理部門設計的,當維護和毛病錄波安裝在毛病時,由于信息量較大原因此采用獨自組網(wǎng)形式。
2.4、 繼電維護技術的開展
談到變電站自動化,必需關注繼電維護技術的開展,關注維護與監(jiān)控以后及今后在自動化技術開展中的互相交融關系。
(1) 繼電維護技術的開展史
從90年代初至今,不同原理、不同機型的微機線路和主設備維護各具特征,為電力零碎提供了一批功能優(yōu)秀、功用完全、任務牢靠的繼電維護安裝。隨著微機維護安裝的深化研討,在微機維護軟件、算法等方面也獲得了很多實際效果。微機維護已成為電力零碎維護、監(jiān)控、通訊、調度自動化零碎的重要組成局部。
(2) 繼電維護的現(xiàn)狀
目前,國際繼電維護的開展已到達甚至超越國外同行業(yè)的程度。在維護硬件構成方面,國際的微機維護閱歷了8位CPU、16位CPU等幾個階段,以后已開展到應用DSP停止信號處置、32位CPU冗余設計、高精度模數(shù)變換、安裝內采用網(wǎng)絡通訊技術、硬件模塊化設計等先進程度階段。在電磁兼容設計方面均有獨到之處,具有很高牢靠性。
在維護的原理方面,國際微機維護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方面,經(jīng)多年研討,微機維護的功能比擬完善,可以順應復雜的運轉及毛病條件。由于通訊通道技術的限制,晚期的全線速動縱聯(lián)維護次要由公用閉鎖式或允許式縱聯(lián)方向維護和縱聯(lián)間隔維護構成。隨著通訊技術的開展,分相式光纖電流縱聯(lián)差動維護由于原理復雜牢靠而普遍使用。主設備維護方面,與線路微機維護相比,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型維護牢靠性不高,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化零碎中,主變后備維護、線路(饋線)維護、電容器維護等繼電維護安裝普遍采用維護測控一體化技術,即所謂的四合一安裝。每個四合一安裝不但可完成繼電維護功用,而且還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通訊功用,成為整個電力零碎計算機網(wǎng)絡上的一個智能設備。
3 變電站自動化技術開展趨向
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)絡和零碎》系列規(guī)范,為基于網(wǎng)絡通訊平臺的變電站自動化零碎獨一國際規(guī)范,也是國度電力行業(yè)相關規(guī)范的根底。IEC 61850制定的思緒是:
(1) 進步互操作性,工程完成方便;
(2) 面向對象,即面向設備;
(3) 滿足使用技術迅猛開展要求;
(4) 應對通訊技術和網(wǎng)絡技術開展的應戰(zhàn)。
指點任務方向為:順應古代技術程度的通訊體系,完成完全的互操作,體系向下兼容,基于古代技術程度的規(guī)范信息和通訊技術平臺, 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)范是全世界獨一的變電站網(wǎng)絡通訊規(guī)范,也將能夠成為電力零碎中從調度中心到變電站、變電站內、配電自動化無縫通訊規(guī)范,還可望成為通用網(wǎng)絡通訊平臺的工業(yè)控制通訊規(guī)范。以后, 消費相關商品的國際外各大公司都在圍繞IEC 61850 展開任務,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“一個世界、一種技術、一個規(guī)范”。
為順應將來數(shù)字化變電站開展的趨向,IEC61850規(guī)范按通訊體系及設備功用將變電站自動化零碎分為3層:變電站層、距離層、進程層。變電站層設備由帶數(shù)據(jù)庫的計算機、操作員任務臺、遠方通訊接口等組成;距離層設備由每個距離的控制、維護或監(jiān)視單元組成;進程層設備典型的為遠方I/O、智能傳感器和執(zhí)行器等。
3.2、 變電站自動化零碎向高集成化、數(shù)字化、規(guī)范一致化方向開展
隨著集成電路和計算機技術的飛速開展,各種新型的大規(guī)模集成電路將會進一步使用在繼電維護和測控安裝上,如32位CPU、數(shù)字信號處置芯片DSP、高速數(shù)據(jù)采集零碎、嵌入式實時操作零碎、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。將距離的控制、維護、毛病錄波、事情記載和運轉支持零碎的數(shù)據(jù)處置等功用,經(jīng)過模塊化設計集成在一個一致的多功用數(shù)字安裝內是可行的,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,進步零碎牢靠性,有利于完成一致的運轉管理。目前在許多中高壓站已完成。
變電站自動化零碎最終向數(shù)字化開展,指的是智能化電氣的開展,如智能開關設備、光電式電壓和電流互感器、智能電子安裝(IED)等的呈現(xiàn),使變電站自動化技術進入了數(shù)字化階段。智能化一次設備的數(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、進程層最終用網(wǎng)絡聯(lián)接起來,并完成一致的通訊規(guī)范。
4 、完畢語
總之,變電站自動化技術是隨同著古代科技技術開展,尤其是網(wǎng)絡技術、計算機軟、硬件技術及超大規(guī)模集成電路技術的開展而不時提高, 自動化零碎以按對象設計的全分層散布式為潮流, 朝著二次設備功用集成化,一次設備智能數(shù)字化方向開展;運轉管理朝著各專業(yè)協(xié)調一致和站內無人值班形式開展。同時經(jīng)濟性和牢靠性也是變電站自動化技術開展所要思索的實踐成績。IEC61850規(guī)范的施行使用,電能質量監(jiān)測管理,一次設備的在線監(jiān)測,網(wǎng)絡平安技術,數(shù)字式視頻圖像監(jiān)控技術,基于同步相量測量安裝的電力零碎實時靜態(tài)監(jiān)測, 以及如何融入變電站自動化零碎, 都是變電站自動化技術開展所要研討的課題。