智能变电站二次设备集成方案讨论

DOI:10.7500/AEPS20130226005智能变电站二次设备集成方案讨论倪益民1,杨宇2,樊陈1,郭艳霞3,窦仁晖1,黄国方2(1.中国电力科学研究院(南京),江苏省南京市210003;2.南瑞集团公司(国网电力科学研究院),江苏省南京市211106;3.国家电网公司,北京市100031)摘要:随着智能变电站二次设备应用的日趋成熟,将现有二次设备按照需求进行集成整合将是今后智能变电站的发展趋势。对智能变电站过程层、间隔层和站控层设备的集成方案进行了讨论,重点针对过程层合并单元和智能终端集成方案进行了分析;对间隔层保护装置、集中式测控装置、多功能测控装置、智能组件、故障录波和网络分析仪集成等方案进行了详细论述;对站控层一体化监控系统的集成进行了讨论。结合当前工程实际应用情况,提出在110kV及以下电压等级智能变电站试点应用合并单元智能终端集成装置、保护测控集成装置较为可行,为今后智能变电站的发展建设提供参考。关键词:设备集成;IEC61850;一体化监控系统;合并单元;智能组件;智能变电站收稿日期:2013-02-26;修回日期:2013-09-03。国家电网公司科技项目“新一代智能变电站关键设备检测、调试技术研究”“面向主厂站一体化的变电站监控系统深化研究与应用”。0引言目前,变电站二次设备的配置主要采用分层分布式结构,面向间隔,功能独立,这种模式可靠性较高,任一装置故障不会影响其他设备的正常运行,系统的可扩展性和可维护性较好,但硬件配置重复,全站接线复杂,信息共享不充分,缺乏全站系统层的协调和功能优化,整体投资成本较大、运行维护成本较高[1-2]。随着IEC61850标准的推广应用,网络采样的应用使得全站信息共享成为可能,并推动了集中式保护等二次设备集成装置的出现。随着智能电网发展规划的提出,智能变电站成为今后发展的重点,而IEC61850在数字化变电站建设阶段所取得的成果和积累的经验为智能变电站的发展建设提供了坚实的基础。由于网络采样对于外部对时有依赖,而且其运行的实时性和稳定性缺乏系统全面的检验以及长时间的验证,因此国家电网公司在2010年发布《智能变电站继电保护技术规范》,提出了保护“直采直跳”的要求,这在一定程度上减缓了集中式保护等二次设备集成技术的研究进程。随着智能变电站试点工程的建设、投运以及智能变电站的推广建设,现有典型二次设备的整体性能不断得到提升和完善,在一定程度上促生了对相关装置进行集成设计的思路,尤其是随着变电站智能化水平的要求不断提高,将全站二次设备进行集成已成为今后二次设备发展的趋势。2012年初,随着“占地少、造价省、效率高”的新一代智能变电站的提出,建设“安全可靠、运行灵活、运维简便、节约环保”的新一代智能变电站成为今后发展的目标,而设备的集成恰好是减少占地面积、节约建设成本的重要途径,因此,在保障电网安全运行可靠的前提下,将现有成熟应用的功能、设备进行集成或整合符合技术和产业发展需求。本文对智能变电站过程层、间隔层和站控层二次设备的各类集成方案进行讨论和分析,为今后智能变电站的发展建设提供参考。1过程层设备集成过程层设备在IEC61850标准中主要指一次设备,如互感器、断路器等,由于一次设备测量数据及开关状态信息的采集需要通过数字化传输,因此,合并单元和智能终端就成为一次设备的数字化接口设备,分别承担电压、电流数据采样以及遥信和开关控制操作等功能。从间隔层设备的角度看,合并单元和智能终端分别是数据的输入和输出设备。在网络采样和网络跳闸方式(简称“网采网跳”)下,各自分别对应过程层的采样值(SV)网和通用面向对象变电站事件(GOOSE)跳闸网,也有将两者共网的模式,即SV+GOOSE共网,当采用IEEE1588网络对时并将其融入共网模式下即成为行业中所说的“三网合一”(SV,GOOSE,IEEE1588)。—491—第38卷第3期2014年2月10日Vol.38No.3Feb.10,2014在“直采直跳”模式下,合并单元和智能终端仍然是数据的输入和输出设备,其区别就是取消了交换机,“网采网跳”模式下的通信链路变成了光纤连接。随着合并单元和智能终端设备的大量应用,设备的整体性能逐渐稳定,同时也考虑到在同一间隔内,合并单元和智能终端均针对同一设备,将两者集成不仅能够为一次设备提供更好的数据输入输出服务,同时还能够减少设备数量、减少屏柜数量、节省屏柜空间、减少占地面积、节约设备成本、降低全站投资。合并单元智能终端集成方案如图1所示。=4 630TXTXTXTXRXRXRXRX=4 630K=4(1)RXTXTXTXTXRXRXRX=4 63RXTXTXRX(a)(b)(c)0K=4(2)TX
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图1合并单元智能终端集成方案Fig.1Schemeofintegrationaboutmergingunitandintelligentterminal针对合并单元和智能终端的集成,目前较为典型的方案有两种。一种是两者简单的集成(如图1(b)所示),共同安装于同一个机箱,该方式对设备的改动较少,可以节省屏柜空间,设备硬件上仅节约一块电源板,经济效益较为有限。另一种是两者从功能上进行深入整合(如图1(c)所示),对新的集成装置进行重新设计和开发,将两者共性功能如电源、人机接口、网络通信口进行集成,将两者的对时功能、遥信采集功能进行整合,将合并单元承担的电压并列和切换功能进行改进,同时从系统的角度对合并单元模块和智能终端模块的CPU资源进行统筹规划,更好地实现设备内部资源的共享,提高装置的整体智能化水平。此种方案下SV和GOOSE共网口传输可将“直采直跳”模式下光口数量减少一半,不仅可有效降低设备的硬件成本,也可降低全站设计的复杂程度,经济效益显著。2间隔层设备集成间隔层设备主要包含常见的保护装置、测控装置,同时也包含相量测量单元(PMU)、电能质量监测设备和稳定控制设备等,由于间隔层设备应用最为广泛,相关经验也最为丰富,因此,针对间隔层设备的集成方案也最多。2.1保护测控集成装置本文所讨论的保护测控集成装置是针对110kV及以下电压等级,主要基于安全可靠的原则,同时也考虑了现有运行管理方式。从传统变电站、数字化变电站到智能变电站,保护测控集成装置已有较为成熟的应用,各网省公司也具有成熟的运行维护经验。尤其是10kV、35kV电压等级的线路间隔,由于广泛采用开关柜的方式,因此保护装置通常都安装于开关柜上,由于开关柜面板的空间有限,若保护、测控装置同时安装将变得困难,同时也增加了调试安装难度,因此,为进一步减少设备数量,在10kV和35kV线路间隔通常采用保护测控集成装置。在传统变电站中,通常在保护采样板件中增加一组测量用电流互感器实现测量数据的采集,同时增加一块控制输出板件提供一组遥控操作节点以实现测控装置的控制功能。即使是采用了电子式互感器,保护测控集成装置同样能满足要求。而在110kV线路间隔中,虽然采用户外空气绝缘的敞开式开关设备(AIS)方式,但也可采用保护测控集成装置,一方面因为110kV线路保护装置配置的保护功能并不太多,其实现原理也相对简单,另一方面也由于其电压等级不高,在该电压等级集成能够更好地体现其经济效益。目前110kV及以下电压等级的保护测控集成装置也有广泛应用的基础。针对220kV及以上电压等级的线路间隔,由于电压等级较高,保护的功能配置也较为复杂,在其基础上实现集成不仅面临技术上的风险,同时也面临运行检修的压力。因此,目前在220kV及以上电压等级应用保护测控一体化装置的变电站并不多,目前主流的方式仍然是保护、测控各自双重化配置。2.2集中式保护装置IEC61850标准的应用推动了网络采样技术发展,可以实现全站信息共享,这给母线保护带来了重大改变,由此将其扩展,文献[3-4]提出了集中式保护装置(也可称为“集成装置”),通过网络采样实现全站信息的共享,并通过网络跳闸实现对多间隔的保护功能。文献[5]针对35kV变电站设计开发了集中式保护装置,通过多块板件(线路保护插件、主变保护插件等)实现集中式保护,并对其实时性进行了验证,满足工程应用的需求,现已在变电站运行。由于对网络采样和网络跳闸带来的延时不确定性,国家电网公司对继电保护提出了“直采直跳”的要求,这在一定程度上给集中式保护装置带来了影响。但文献[6]针对“直采直跳”方式也开发出了集中式保护装置并将其应用于220kV变电站,其差异就是将网络采样的交换机替换成多间隔的采样传输光纤。通过目前集中式保护试点应用的情况来看,“网—591—·讨论园地·倪益民,等智能变电站二次设备集成方案讨论采网跳”或者“直采直跳”都不影响集中式保护装置的实现,而且集中式保护能够有效减少变电站设备数量,减少屏柜、电缆数量和占地面积、节约变电站建设成本。而且随着装置CPU性能的不断提升,多间隔的数据处理对保护动作影响较小且逐渐降低,采用集中式保护装置冗余配置的方式能有效提高变电站运行的安全性和稳定性。但由于集中式保护涉及的运行维护较分布式模式复杂,而且装置内部参数配置、模型文件等管理方式也与目前有较大差异,此种集成装置对当前运行管理模式冲击较大。因此,笔者认为集中式保护的发展有待于现有运行管理方式的改进和提升。同时考虑到安全可靠的基本原则,建议仍先在110kV及以下电压等级试点应用,待设备稳定可靠,同时也积累了成熟的运行管理经验后再逐步推广应用。2.3集成测控装置集成测控装置与集成保护装置(集中式保护装置)类似,主要针对现有变电站保护和测控分开配置存在设备数量大的现状而提出。现有220kV及以上电压等级的变电站保护和测控分别配置,且多采用冗余的方式。由于测控装置对实时性要求较继电保护装置低,因此就考虑以分段母线为间隔,将接入同一母线间隔的所有测控装置进行集成,形成一套集成测控装置来实现多间隔稳态数据的测量和控制功能,同样,为提高集成测控装置的可靠性,也可采用冗余配置的方式来实现,使设备总体数量大幅减少,经济效益十分显著。采用集成测控装置一个突出的优势就是当测控装置实现五防联闭锁功能时,之前需要通过网络获取其他间隔的测量或者状态信息变成了装置的内部信息,因而实现更为容易。但本方式给后续的运行维护带来的挑战和影响较大,尤其是参数配置、配置文件管理等,目前尚未有相关产品试点应用。集成测控仅是设备集成的一种方式,相对于集成保护,两者有一定的互补性,甚至可将两者再次集成形成集成式保护测控装置。总体上看该方式仅是针对多个测控而进行了简单集成,若从变电站整个结构体系来看,即考虑一次、二次设备,笔者认为以间隔为对象的集成是变电站真正的发展趋势。2.4多功能测控装置目前变电站稳态数据主要由数据采集与监控(SCADA)系统采集,动态数据主要由广域测量系统(WAMS)采集,暂态数据主要由继电保护、故障录波系统采集,各系统相互独立,时标不统一,数据不能共享,不利于事故分析及调度系统的状态估计等高级应用,增加了变电站数据采集的反复投资和设计的复杂程度。上述三态数据(稳态、动态和暂态)都是源自于同一间隔,但因为不同的应用需求被分成了三路不同的采集通道,能否以测控同源技术为基础,将其采样通道进行整合,进而实现同一间隔内三态数据的统一采集、数据时标的统一标识和信息的标准化传输呢?文献[7]提出的三态测控装置对现有测控、PMU和故障录波的功能进行了整合,形成了一个多功能的测控装置,不仅有效减少了设备数量,节约了屏柜空间,简化了全站的设计,而且从SCADA监控系统的数据源头对数据时标进行了统一和同步,能够有效保障数据质量,为变电站和主站的高级应用提供支撑。随着三态测控的应用,一些网省公司提出,既然三态测控实现了采集通道的共用,现有计量和电能质量检测的功能是否也可与之整合,进一步提高三态测控的集成度。从技术角度上来看,非关口的计量数据和电能质量监测数据的采集是可以与之集成并将其功能加入三态测控装置,于是多功能测控装置就出现了。一定程度上,多功能测控将变电站间隔层内非保护功能的相关设备进行了有效集成,其经济效益十分明显,