智能一次设备的选择应用22

长春南500kV变电站工程设计竞赛投标文件智能一次设备的选择应用专题报告卷册检索号A0303-02长春南500kV变电站工程设计竞赛投标文件第3卷竞赛投标技术文件第3分卷专题报告及建议第二册智能一次设备的选择应用二○○九年十月0引言智能电网以及数字化变电站是电力工业将来的发展方向，国家电网已经确定了中国的智能电网发展模式，将其定义为坚强智能电网，涵盖发电、调度、输变电、配电和用户各个环节，在坚强电网基础上实现电网的信息化、数字化、自动化、互动化是坚强智能电网的“智能”含义。中国电网智能化的建设其实已经在进行一些试点建设，目前已经有多座数字化变电站投入运行，积累了一些运行经验。只不过并未冠以“智能电网”的名称，目前可以算是智能电网的雏形。建设统一坚强的智能电网，设备制造是关键，目前，我国的二次设备制造业进步很快，对IEC61850的运用，在国际上都做出了突出贡献，弥补了许多国际上对61850定义的空白，二次设备基本实现了智能化、网络化。但是，一次设备智能化是智能电网的瓶颈，严格意义上的先进的智能化一次设备仍然处于研发阶段，未能投入应用，缺少运行经验。本次工程设计，本着促进企业发展，推动技术进步的宗旨，在与设备制造商、运行单位的深入探讨的基础上，对长春南500kV变电站智能一次设备的设计、制造提出一些原则和方案。在本专题中，结合已建数字化变电站工程的经验和不足，阐述在本工程中的智能一次设备的优化设计方案。1智能一次设备的设计原则数字化变电站主要由光电/电子式互感器、智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850通讯规约基础上分层构建，实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。本专题着重论述智能化一次设备的设计选择和应用。高可靠性的设备是变电站安全、稳定运行的基础，结合目前已运行的数字化变电站的经验和电子技术、网络技术、通信技术的发展状况，本专题针对长春南500kV变电站建设的实际需求，提出以下设计原则：1.1本专题系统方案的论证主要是针对国产设备进行。1.2变电站采用智能一次设备，要求一次设备除具有电力设备的基本功能外，还应具有在线监视、智能控制、数字化接口和电子操作等一系列的高智能化功能。1.3数据的采集、传输、处理应数字化、共享化，利用通信网络和光缆实现数据传输的数字化。1.4500kV、220kV智能单元冗余配置；66kV智能单元单套配置；主变500kV、220kV侧智能单元冗余配置，66kV智能单元单套配置，本体智能单元按照单套配置。1.5站控层、间隔层、过程层采用高速以太网络，采用三层结构两层网络的拓扑结构。500kV、220kV过程层按串或者2~4个断路器间隔为单位配置2台冗余网络交换机，采样值报文和GOOSE报文分网传输；66kV过程层按单元母线单位配置2台冗余网络交换机，采样值报文和GOOSE报文共网传输。1.6采用IEC61850《变电站通信网络和系统》（标准DL/T860等同IEC61850）标准通信体系，合并单元、智能单元采用IEC61850-9-2传输方案。1.7合并单元与保护装置合并组柜或就地安装，智能单元就地安装。1.8充分考虑500kV变电所电磁环境对设备的干扰问题，按照《500kV变电所保护和控制设备抗扰度要求》（DL/Z713-2000）提出对设备抗干扰度等级的要求。1.9接入全站集中方式设置的GPS时钟系统，双重化冗余配置并能自动切换，确保同步对时精度要求和对时接口要求。2智能一次设备的方案设计2.1智能一次设备的构成方案与常规变电站一次设备相比，智能变电站在应用方面进一步加大了一次设备信息化。智能化的一次设备将监测更多设备自身状态信息，全面实现对一次设备的物理状况、动作情况、运行工况等方面的信息化实现；在自动化功能方面，进一步实现智能化，在控制功能、状态自检测、状态检修等方面实现智能化控制操作；设备信息及智能功能，可通过网络实现与上级系统及其它设备的运行配合，自动化程度更高，具有比常规自动化设备更多、更复杂的自动化功能；具备互动化能力，与上级间隔层设备、站控设备及相关设备、调度及用户等及时交换信息，分布协同操作。智能一次设备是构建数字化变电站的基础，所谓智能一次设备是指由电力功能元件与智能综合组建构成的设备，除具有电力设备的基本功能外，还具备测量、控制、保护、计量和监测等功能。基于以上定义要求，智能开关设备的实现的方式可以按照以下三种方式实现：方式一：独立的运行的电力功能元件+外置的一个或多个智能综合组件。方式二：电力功能元件+内嵌的包含状态监测单元的智能综合组件+外置的一个或多个智能综合组件。方式三：电力功能元件+内嵌的智能综合组件。其中方案三最符合IEC62063:1999对智能断路器设备的定义，除具有断路器设备的基本功能，还应具有在线监视、智能控制、数字化接口和断路器的电子操作等一系列的高智能化功能。但是，目前通过一次设备本身实现智能化控制和传输技术尚未达到实际应用水平，经过对国内一次设备制造厂调研，部分制造厂是采用与二次设备制造厂合作开发具备方案一和方案二中要求的智能综合组件，符合方案三要求的智能综合组件仍然处于研发阶段，未能投入应用，缺少运行经验。本专题站针对长春南500kV站500kVHGIS和220kVGIS两种设备情况，重点分析变压器、断路器、隔离开关等设备智能化应用情况及发展方向。针对变压器、HGIS和GIS容性设备、高抗、等设备在线监测如何与设备智能化结合的应用情况及发展方向在《在线监测装置的选择应用》专题中进行详细论述。针对一次设备本身不能实现智能化控制和传输的情况，通常采用就地加装智能终端来实现。对于开关设备，智能终端集成安装于HGIS和GIS开关的汇控柜中，开关的信号和控制电缆连接在一次设备与汇控柜间完成，由汇控柜的智能终端至二次小室间隔层设备间采用光缆连接，提供光纤数字接口，传输GOOSE报文，完成一次设备信息的上传和远方控制。在不改变传统开关结构的基础上提升了一次设备的智能化程度。HGIS与GIS的结构基本相同，只是不包含母线。HGIS采用敞开式的母线、避雷器和电压互感器，安装方式比较灵活。从智能化的角度出发两者没有根本的区别，只是智能终端、合并单元等设备的安装方式不同，GIS设备汇控柜按照间隔装设，智能设备可以集中安装在汇控柜中；HGIS设备分相装设，所以智能设备从电缆和光纤等的走线合理性上考虑需要分散安装于端子箱中。对于变压器设备而言，一个能够在智能系统环境下，通过网络与其他设备或系统进行交互的变压器是必需的。目前，国内运行的数字化试点站均采用如下方式实现，即通常而言的“常规一次设备+智能终端”方式，对于主变本体，智能终端除以继电器重动、电缆直跳方式执行本体非电量保护功能外，还可以执行与主变本体有关的诸如：启动充氮灭火、遥控/闭锁有载调压、启动风冷控制、上传各种非电量信号等功能，是将常规配置的各个功能装置的功能整合为一的大二次装置。上述种种均是符合方案一方式所描述的智能一次设备的，采用智能终端实现一次设备的智能化具有以下显著优点：1）通常由汇控柜至二次小室间的距离较大，常规变电站采用电缆连接需要大量的电缆，且常常出现许多接线的问题，如今采用光缆取代了大量的电缆连接，既节省了成本又提高了可靠性。对于一个常规的长春南500kV变电站来讲，大约需要的电缆为100km左右，而采用数字式互感器和智能一次设备后可节约95%左右，同时大幅简化了电缆沟所需的土建设施。光缆相对于电缆而言具有优良的抗电磁干扰能力，传输过程不会产生附加误差，从而提高了智能变电站信息传输的可靠性。2）一、二次设计集成，简化了设计院工作，减少了设备现场调试周期。3）采用基于GOOSE协议的网络通讯，便于信息共享。过程层网络共享了全站所有一次设备的状态信息，便于各间隔间实现逻辑互锁功能，取消了常规变电站设备间复杂的通讯或硬接线连接。方案一相较常规变电站已经具有很多的显著的优点，使得变电站二次发生了翻天覆地的变化，变电站实现了彻底的数字化。但是，在实现智能化的过程中任然存在一些问题需要改进或解决，突出的就是智能终端无法实现在线监测功能，缺少在线监测功能就无法实现状态检修。目前已经开发出来基于IEC61850的断路器在线监测系统，可以监控断路器和断路器所有需检测的方面。监测参数包括：电源电压、温度、SF6气体密度、油压、行程、线圈电流、发动机电流、线电流、加热器电流、接触时间等等，这些参数可以内部存储、评估并且定期拷贝至指定服务器；根据不同的断路器、监控水平和参数定义，又可以对下列断路器部件的状况进行计算：主触头、SF6密度、线圈电路、线圈电枢、电机、跳闸装置、弹簧、加热器、油密度、泵、蓄电池等等。主触头的状态可通过主触头被烧掉或腐蚀掉的百分比来展现；实际SF6气体密度或压力可以看到并可依据最新建议数据去补充；断路器的剩余使用寿命和工作时间亦可显示。变压器智能化单元也已经在研发阶段，一个理想化的智能变压器应该具有如下组成：变压器主体+检测设备各种状态的传感器+执行器+通讯网络；变压器智能化单元（TIED）；智能化辅助设备。可简称TIED(TransformerIntelligentElectricDevice),这是整个智能化变压器的核心，其内部潜有数据管理、综合数据统计分析、推理、信息交互管理等。变压器出厂时将各种技术参数、极限参数、结构数据，推理判据等，通过专家知识库的数据组织形式植入智能化单元。用标准协议与其他智能系统交换信息。各种传感器、执行器通过各自的数字化或智能化单元接入。一些简单的模拟量、开关量可直接接入TIED。对TIED的具体要求包括：1）支持标准通讯协议:IEC61850和TCP/IP。2）具有互操作性，能够与同一厂家或不同厂家的IED互联。3）内嵌Web维护界面，支持远程维护功能。4）带有跟踪自诊断功能，确保系统异常后实时报警。5）满足室外长期运行要求，必须保证能够在恶劣环境或极端环境和变电站强电磁干扰环境下，安全可靠运行。其内部嵌入的各类传感器和执行器在智能化单元的管理下，保证变压器在安全、可靠、经济条件下运行。出厂时将该产品的各种特性参数和结构信息植入智能化单元，运行过程中利用传感器收集到实时信息，自动分析目前的工作状态，与其他系统实时交互信息，同时接收其他系统的相关数据和指令，调整自身的运行状态。以上种种的实现，对于变电站进行状态检修就可以成为现实。进行状态检修可以减少因年度计划预试小修而造成的重复性停电；可以在不停电状态下，进行设备参数监测。一般情况下，每台智能变电站内变压器每年可多供电量约数千万千瓦时，节约检修的差旅、台班费约十几万元至几十万元，节约试验、化验、小修费用约几十万元。实现了智能化的在线检测还有利于对设备的缺陷进行跟踪分析，及时掌握绝缘油及介质裂化趋势，可远距离随机监控，实现绝缘状况连续监测。实现了在线监测功能，就可由方案一描述的方式进步以形成方案二所描述的实现方式。所以，秉承通过依托工程设计和应用，引导推动国内主要电气一、二次设备技术创新和集成的宗旨，针对长春南500kV变电站智能一次设备的构建，我们推荐采用方案二方式。2.2通信标准体系的建立变电站自动化技术的使用大大提高了电网建设的现代化水平，增强了电网调度的灵活性和可靠性，降低了变电站建设的总造价。当前IEC61850标准的大力实施基本上清除了在变电站自动化系统集成过程中面临的最大障碍，即不同厂家不同的IED，甚至同一厂家不同型号的IED所采用的通信协议和用户界面的也可能不相同，难以实现自动化系统的无缝集成和互操作的障碍。IEC61850标准是针对变电站自动化系统的功能和要求，特别是互操作性要求的基础上，制定的变电站内通信网络与系统的通信标准体系。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得数据对象的自描述成为可能，为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了途径。新的国际标准IEC61850颁布实施之后，变电站自动化系统从过程层到控制中心将使用统一的通信协议，清除了竞争壁垒，可以带给各个制造厂公平竞争的基础环境。IEC61850标准体系中，IEC61850-9提供了面向对象的