数字化变电站应用技术（高翔）

本书共分九章，主要包括变电站自动化系统概述，数字化变电站主要技术特征和架构体系，非常规互感器，IEC 61850标准综述，数字化变电站通信网络系统，智能断路器系统，数字化变电站信息应用，数字化变电站的实现基础和数字化变电站应用分析等内容。本书可供电力系统运行、设计、试验、制造、科研及管理人员阅读，也可供电力系统专业大学本科及研究生参考。序数化变电站应用技朮改革开放以来,变电站的二次系统经过了两次大变革,第一是保护微机化;第二是以计算机局域网为基础的变电站自动化。几年前我说过,这第二步才走了半,因为我们只做到了间隔层和变电站层的网络化,过程层仍然是老一套,虽然变电站所有的二次设备都已数字化,我们却仍然用来自传统电流和电压互感器的二次电缆来向这些数字设备提供测量值。我也说过,在我的有生之年希望能看到全数字化的变电站在我国推广应用。现在看来我的估计过于保守了,本书的出版标志着数字化变电站的技术已有了突破性的进展。正像作者所说,新型互感器、IC61850标准、网络通信技术和智能断路器技术的发展已经为全数字化变电站的应用打下了技术基础,并且已有一批这样的变电站投入了试点运行我向大家推荐这本书有两个原因其一,数字化变电站的应用不仅为变电站内各二次专业提供了一个崭新的发展机遇,而且整个电网的运行和控制都具备了实现重大技术突破的可能性,因此从事电力系统的各个专业的技术和管理人员都应予以关注。例如,继电保护装置在全数字化的环境内将变得面目全非,现在微机保护装置中占体积最大的两大部分——模拟量输入回路(包括隔离变压器和模数变换等)和开关量输入输岀回路(包括大量电磁继电器)都将不再存在,新的保护装置将是怎样的,不值得思考吗其二,本书作者既有丰富的实践经验又在理论上下过很大功夫,因而此书看起来比较“解渴”’作者好像很知道读者会提出一些什么问题,读者会关心一些什么问题,这是我看过全书以后的感想杨奇逊前言O数字化变电站应用技朮0世纪90年代以来随着微电子技术、信息技术、网络通信技术的发展,以微处理器为核心的智能化自动装置在电网控制领域得到了广泛的应用,促进了作为电网运行重要支撑的变电站综合自动化技术快速发展。变电站综合自动化系统的核心就是利用自动控制技术、信息处理和传输技术,通过计算机软硬件系统或自动装置代替人工进行各种变电站运行操作,对变电站执行自动监视、测量、控制和协调一种综合性的自动化系统,变电站综合自动化的范畴包括二次设备,如控制、保护、测量、信号、自动装置和运动装置等。变电站综合自动化系统在二次系统具体装置和功能实现上,用计算机化的二次设备代替和简化了非计算机设备,数字化的处理和逻辑运算代替了模拟运算和继电器逻辑。在架构体系上,由“数据釆集和控制”、“继电保护”“直流电源系统”三大体系构成。相对于常规变电站二次系统,増添了“变电站主计算机系统”和“通信控制管理”两部分。“通信控制管理”作为桥梁联系变电站内部各部分之间、变电站与调度控制中心之间使其相互交换数据,并对这一过程进行协调、管理和控制。“变电站主计算机系统”对整个综合自动化系统进行协调、管理和控制,并向运行人员提供变电站运行的各种数据、接线图、表格等画面,使运行人员可远方控制断路器分、合操作,还提供运行和维护人员对自动化系统进行监控和干预的手段。“变电站主计算机系统”代替了很多过去由运行人员完成的简单、重复和繁琐的工作,如收集、处理、记录、统计变电站运行数据和变电站运行过程中所发生的保护动作、断路器分、合闸等重要事件,同时,还可按运行人员的操作命令或预先设定执行各种复杂的工作变电站综合自动化系统具有几个基本特征:①功能实现综合化,变电站自动化系统按运行的要求,将二次系统的功能综合考虑,进行优化组合设计,“综合( Integrated)”并非指将变电站所要求的功能以“拼凑”的方式组合,而是指在满足基本要求的基础上,达到整个系统性能指标的最优化。②系统构成模块化,保护、控制、测量装置的数字化(即采用微机实现,并具有数字化通信能力),利于把各功能模块通过通信网络连接起来,便于接口功能模块的扩充及信息的共享。另外,方便模块的组态,适应工程的集中式、分布分散式和分布式结构集中式组屏等方式。⑧③操作监视屏幕化,当变电站有人值班时,人机联系在当地监控系统的后台机(或主机)上进行,当变电站无人值班时,人机联系功能在远方的调度中心或操作控制中心的主机彧工作站上进行,不管哪种方式,操作维护人员面对的都是CRT屏幕,操作的工具都是键盘或鼠标。④运行管理智能化,体现在无人值班、人机对话及操作的屏幕化、制表、打印、越限监视和系统信息管理、建立实时数据库和历史数据库、开关操作及防误操作闭锁等方面,能够减轻工作人员的劳动及人无法做到的工作。目前从国内、外变电站综合自动化的开展情况而言,大致存在几种结构:①集中式系统结构,一般釆用功能较强的计算机并扩展其⑩/O接口,集中采集变电站的模拟量和开关量等信息,集中进行计算和处理,分别完成微机监控、微机保护和自动控制等功能。集中式结构也并非指只由一台计算杋完成保护、监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控和与调度等通信的功能也是由不同的计算机完成,例如监控机要担负数据采集、数据处理、断路器操作、人机联系等多项任务;担负微机保护的计算机,可能一台微机要负责多回低压线路的保护等。这种结构主要问题是:前置管理机任务繁重、引线多,是信息处理的“瓶颈”降低了整个系统的可靠性,即在前置机故障情况下,将失去当地及远方的所有信息及功能②分布式系统结构,按变电站被监控对象或系统功能分布的多台计算机单功能设备,将它们连接到能共享资源的网络上实现分布式处理。这里所阐述的“分布”是按变电站设备物理上的分布,强调的是从计算机的角度来研究分布式方案问题的,这是一种较为理想的结构。要做到完全分布式结构,在可扩展性、通用性及开放性方面都具有较强的优势,然而,在实际的工程应用及技术实现上必须考虑严酷的运行环境、抗电磁干扰、信息传输途径及可靠性等问题,注重系统的工程实用性。分布式系统结构的最大特点是将变电站自动化系统的功能分散给多台计算机来完成。分布式模式一般按功能设计,采用主从CPU系统工作方式,多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力,解决了￠PU运算处理的瓶颈问题。各功能模块(常是多个CPU)之间采用网络技术或串行方式实现数据通信,选用具有优先级的网络系统较好地解决了数据传输的瓶颈问题,提高了系统的实时性。分布式结构方便系统扩展和维护,局部故障不影响其他模块正常运行。③分层分布式结构,按变电站的控制层次和对象设置全站控制和就地单元控制的二层式分布控制系统结构。站控系统大致包括站控系统、站监视系统、站工程师工作台及与调度中心的通信系统等。其主要特点是按照变电站的设备、断路器间隔进行设计。将变电站一个断路器间隔所需要的全部数据采集、保护和控制等功能集中由一个或几个智能化的测控单元完成。测控单元可直接放在断路器柜上或安装在断路器间隔附近,相互之间用光缆或特殊通信电缆连接。这种系统代表了现代变电站自动化技术发展的趋势大幅度地减少了连接电缆,减少了电缆传送信息的电磁干扰,且具有很高的可靠性,比较好的实现了部分故障不相互影响,便于维护和扩展。尽管20世纪90年代以来变电站综合自动化技术的发展对于电网运行技术的提高起到了十分积极的作用,改善了变电站自动控制的能力和可靠性,但在实现技术方案上基本上还是维持着常规变电站自动化系统原有的功能和逻辑关系,在工作方式上多数仍然是各自独立运行,形成了各种“信息孤岛”现象。数据交互方面由于规约的限制,不同厂家的设备之间不能互相通信,不能共享资源,装置的冗余配置并不能实现信息的冗余应用。涉及到不同厂家产品同时应用时,系统的联调时间长,系统的稳定性较差,对维护及运行带来了极大的不便定程度上影响了变电站自动化系统的投入率。变电站仍然存在大量的二次电缆,因二次电缆可靠性问题引起的设备故障率事件时有发生。随着光电技术在传感器应用领域研究的突破,IEC61850标准的颁布实施,以太网通信技术的应用,以及智能断路器技术的发展,使变电站自动化技术面临了一个崭新的发展机遇。这些相关技术的发展和应用意味着可能突破体现为“信息孤岛”现象的变电站自动化技术发展“瓶颈”,实现变电站内各种信息的有机整合,提高系统的集成化度和信息应用的效率,以交换式以太网技术和光缆为媒介的信息通信模式将有效地实现整个变电站自动化系统的运行监视,实现二次系统定期检修向状态检修模式的过渡,并将对于常规变电站自动化系统的工程实施、运行、检修、更新模式带来巨大的变化,同时能提高电网的安全运行水平。信息化技术在电力系统中的应用已体现为现代化大电网应用技术的一种典型特征,近年来有关“数字化变电站”、“数字化电力系统”、“数字化电网”、“数字化调度”等各种新概念不断被提出,并已成为电网应用技术发展中令人关注的热点。但是这些新概念的内涵又是不清晰的,或者这可能是新技术发展所带来的一种必然过程,需要在技术发展和应用过程中逐步予以明确本书书名定为:“数字化变电站应用技术”,其主要依据是作者认为数字化变电站的主要支撑技术比较确定,即:基于光电技术的互感器应用构成了变电站电气量信息采集的数字化应用,IC61850标准的颁布实施为变电站实现信息的统一建模奠定了基础,以太网技术的发展为变电站内实现基于网络方式的信息交互提供了技术支撑,智能断路器技术的发展使变电站自动化技术实现了二次设备向一次设备的应用延伸。综上所述,数字化变电站主要支撑技术的综合应用意味着数字化变电站较常规变电站在电网运行、控制等信息应用方面具备了实现重大技术突破的可能性本书编写的技术基础主要依据以下几个方面:2003年与上海交通大学电气工程系合作的研究项目“变电站通信网络和系统协议IC61850的研究”;2005年华东电力试验研究院开展的研究项目“电子式互感器应用研究”;2004年与浙江大学电气工程学院合作的研究项目“数字化变电站若干关键技术研究”;2005年南桥变电站500kV变电站监控系统基于IEC61850标准的工程实施等。本书的编写过程中还借鉴了上海交通大学电气工程系与杭州电力局的研究项目《数字式变电所结构及技术原则研究》的研究成果。同时,通过与ABB、 AREVA、西门子等公司所进行的数字化变电站技术研讨,了解了国外主要制造商开展数字化变电站技术研究和应用的情况。本书的编写重点是从变电站自动化应用技术的视角,阐述数字化变电站技术和发展的特点,全书共分九章:第一章阐述了变电站自动化的技术发展和基本特点,及变电站自动化技术发展的“瓶颈”。第二章分析了数字化变电站主要技术特征、体系架构,及对于变电站自动化技术的影响,初步描述了数字化变电站的基本内涵。第三章~第六章描述了数字化关键支撑技术:非常规互感器、IEC61850标准、网络通信技术、智能断路器技术的基本特点,这些技术构成了数字化变电站发展的应用基础,同时,为变电站自动化技术发展带来了新的机遇和挑战。第七章阐述了数字化变电站信息应用的特点和应关注的问题,分析了数字化变电站信息集成应用的几种模式;鉴于数字化变电站自动化系统体现为典型的分层、分布式结构,介绍了适合于分布式系统的多智能体技术,并提出了信息交互基于网络通信模式下需关注的信息安全问题。第八章从数据采集的稳定性、二次系统的冗余性、设备的互操作性、网络通信的安全性、试验方案的针对性、建设目标的阶段性和技术管理的适应性等方面分析了数字化变电站实现的基础。第九章阐述了数字化变电站技术与常规变电站技术的兼容模式和数字化变电站技术未来发展的不同应用实现模式,列举了目前实现的数字化变电站相关技术典型试点工程应用;同时,从系统可靠性、可用率、安全性的角度对于数字化变电站技术进行了概要性分析,这种分析模式对于未来数字化变电站系统的建设提供了一种可以量化的分析方法和技术,表明了数字化变电站自动化系统各种技术方案具备模型化分析的可能:在经济性分析时引入了变电站自动化系统总成本的概念,这将有助于客观地衡量数字化变电站技术带来的经济性、安全性效益。数字化变电站技术工程化的推进将为构架数字化电网提供坚实的基础,这种技术的应用同时构成了调度自动化技术发展的内在推动力,有利于促进调度自动化技术向智能化程度发展。随着各种相关应用技术的成熟和发展,数字化变电站将成为未来变电站自动化技术发展的主流,数字化变电站技术的影响将主要体现在以下几个方面1)电气量采集环节的数字化可实现一、二次设备之间电气上的有效隔离,常规变电站由于交流电缆引起的传导性电磁干扰现象将不复存在,以往因一次系统故障产生的干扰对于次系统的影响将得到有效的抑制,二次系统的安全性大大提高2)变电站内信息交互基于对等通信模式,信息交互基于 GOOSE,变电站自动化系统的组网方式变得异常灵活,不同类型的网络结构将直接影响到数字化变电站的可靠性、安全性3)非常规互感器较大的动态范围使得常规变电站自动化系统因互感器精度和动态响应范围引起的测控、保护电气量釆集环节分离变得毫无意义,变电站内信息集成应用具备了可靠的基础,数字化变电站自动化系统将实现装置的冗余向信息冗余的转换;4)IC61850标准体系实现了应用与数据通信的分离,为建立基于VLAN的站内局域网信息安全杋制,和基于可信计算技术的远程信息完全机制提供了技术基础5)数字化变电站体现为分层、分布式结构,具有自治性、协调性等特征的多智能体技术将在未来数字化变电站技术发展中发挥重要作用,多智能体技术可以有效地综合各种信息实现信息应用的协调判断和处理,有利于提高变电站自动化系统应用的智能化程度6)基于数字化变电站技术实现的变电站自动化系统将具有设计、制造、工程实施、运行维护、故障分析、系统效用评估等方面的便利性,并将极大地改变变电站的建设和运行模式;7)数字化变电站自动化技术是常规变电站自动化技术的发展和延续,数字化变电站技术的实际工程应用与常规变电站技术兼容将有利于促进技术的成熟度,需根据技术的成熟度确定阶段性的建设目标,逐步推进数字化变电站技术工程化应用;8)全数字化变电站自动化系统具有典型的结构化特征,可以有效地建立可靠性、安全性经济性分析模型,对于不同应用模式的全数字化变电站自动化系统进行量化分析,评估不同应用模式(如冗余度、元件重要度等)效用,为合理地确定数字化变电站的配置方案和设计原则提供支撑。由于作者本人对于数字化变电站应用技术的理解程度有限,书中许多观点需在未来数字化变电站的工程实施和技术发展过程中得到验证。“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”。希望本书能对数字化变电站技术的发展和应用起到积极作用,对于本书中的错误及立论不当之处,恳请同行不吝赐教。感谢杨奇逊院士在本书编写过程中的鼓励、支持,浙江大学韩祯祥院士在作者进行相关博士课题研究过程中的悉心指导,使作者在本书的编写过程中感到受益匪浅,在此表示由衷的敬意。同时,非常感谢上海交通大学张沛超副教授在本书的编写过程中所提供的大量重要素材,感谢浙江大学曹一家、郭创新老师,以及易勇辉、杨文征、李育林学弟在本书编写过程中所提供的帮助。高翔207年10月目录数字化变电站应用技朮序前言第一章变电站自动化系统概述……11变电站自动化的基本概念12变电站自动化系统发展概述121我国变电站自动化系统的发展历程122集中式变电站自动化系统123分布式变电站自动化系统124国外变电站自动化技术发展历程13变电站自动化系统发展的主要因素13.1经济收益22234666132技术能力■鲁导甲导伊早133功能需要14常规变电站自动化系统的不足………141信息难以共享14.2设备之间不具备互操作性10143系统的可扩展性差144系统可靠性受二次电缆影响15新技术对变电站自动化系统发展的影响12151非常规互感器12152IEC61850标准153网络通信技术中p甲12154智能断路器技术1316小结13第二章数字化变电站主要技术特征和架构体系21数字化变电站主要技术特征142.1.1数据采集数字化……21.2系统分层分布化……1521.3系统结构紧凑化……2.1.4系统建模标准化……p■pd●bp口●e●●pdp自●p甲●●●●p…1721.5信息交互网络化1821.6信息应用集成化9217设备检修状态化20218设备操作智能化2122数字化变电站的架构体系…22221基本结构……22222变电站二次回路通信模式24223过程总线的组网方案…27224变电站总线的组网方案2822.5系统的冗余性·……………2923对变电站二次系统的影响……31231、二次系统实现有效的电气隔离31232信息交互采取对等通信模式323.3信息同步采取网络同步机制………332.3.4系统的可观性、可控性提高3423.5信息的安全性问题凸现…3524小结35第三章非常规互感器363.1传统互感器存在的问题36311电磁式电压互感器存在的问题312电磁式电流互感器存在的问题t看自血●口d鲁日●●节看●甲导甲甲“■……3732非常规互感器简介3732.1有源式互感器系统……38322无源式互感器系统32.3非常规互感器基本特点324不同原理的互感器性能比较33国内外非常规互感器的研究和应用情况甲早q…4733.1国内新型互感器应用情况………473.32国外新型互感器应用情况5234非常规互感器的数据接口标准56341合并单元MU56342扩展仪用传感器单元IU●●即p看甲57343数据接口583.5非常规互感器的测试351一般试验项目…59352典型试验接线…593.6非常规互感器对二次系统的影响361非常规互感器对IED的影响…6136,2非常规互感器对二次回路的影响363非常规互感器对保护实现原理的影响364非常规互感器对计量系统的影响365非常规互感器对网络通信的影响653.7非常规互感器的应用展望甲甲甲甲导甲·甲甲p甲导●甲看看即甲看即看●●看●1自●●6738小结第四章IEC61850标准综述6941概述6942IEC61850标准的几个重要术语…704.3IEC61850标准的核心技术要素431面向对象建模技术432软件复用技术……3334433高速以太网技术434嵌入式实时操作系统技术………754.35XML技术7544面向通用对象的变电站事件模型( GOOSE)76441抽象模型442 GOOSE/GSSE和 UCA GOOSE的报文传输比较4.5变电站配置语言SCL…794.6制造报文规范MMS……………………804.7ID之间的互操作性8248IC61850标准应用展望……49小结85第五章数字化变电站通信网络系统…………8651概述●■自●●d由_●自口86511网络通信模型描述……512基本网络通信方案87513分布式变电站体系结构52网络通信技术分析q●■●国●鲁p●自●口521通信网络的可靠性分析94522通信网络的实时性分析……95523通信网络的安全性分析山自血t即山53服务质量QoS54综合服务模型5.5区分服务模型10056多协议标记交换MPLS101561MPLS的工作原理……102562MPLS的交换过程…10257流量工程…103