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1、智能变电站技术及调试湖南省电力公司科学研究院2011年4月1. 目录n智能变电站的定义 n关键技术 n智能变电站的网络结构n重要概念n智能变电站调试流程及内容 n智能变电站调试仪器 n个人建议 2. 智能变电站定义采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站。3. 关键技术nIEC61850标准n网络通信技术n智能断路器技术n光电互感器技术3.1 IEC6185
2、0标准的体系结构IEC61850是新一代的变电站自动化系统的国际 标准 国际电工委员会(IEC)TC57工作组制定的 变电站通信网络和系统系列标准，是基于 网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际 标准。nIEC61850标准通过对变电站自动化系统中的对 象统一建模，采用面向对象技术和独立于网络 结构的抽象通信服务接口，增强了设备之间的 互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无 缝连接。3.1 IEC61850标准的体系结构 系统方面 Part 1: 介绍和概述 Part 2: 术语 Part 3: 总体要求 Part 4: 系统和项目管理 Part 5: 功能通信要求和设备模型测试 Part
3、 10:一致性测试数据模型 变电站和线路（馈线）设备的基本通信结构 Part 7-4: 兼容逻辑节点和数据类 Part 7-3: 公共数据类抽象通信服务 变电站和线路（馈线）设备的基本通信结构 Part 7-2: 抽象通信服务接口(ACSI) Part 7-1: 原理和模型特殊通信服务映射 (SCSM) Part 8-1: 映射到制造商报文 MMS Part 9-1: 通过单向多路点对点串行通信连接模拟采样 值 Part 9-2: IEEE 802.3 之上的模拟采样值配置 Part 6:变电站中智能电子设备通 信配置描述语言 nIEC61850是至今为止最为完善的变电站自动化 标准，规范了二
4、次智能装置的通信模型、通信 接口，而且还定义了数字式CT、PT、智能式开 关等一次设备的通信模型、通信接口。n采用IEC61850国际标准可以大大提高变电站自 动化技术水平、提高变电站自动化安全稳定运 行水平，节约开发、验收、维护的人力物力， 实现完全互操作。n优点：实现通信无缝连接，弱化各厂商设备型号加强设备数字化应用，提高自动化性能自定义规范化，可使用变电站特殊要求集成化规模增大，增强无人值守站可靠性减少电缆使用量，节约一、二次设备成本。n缺点：网络依赖性强站内通信设备抗干扰性对设备运行影响增大关键名词nSMV-采样值nGOOSE-面向通用对象的变电站事件，支持 由数据集组织的公共数据交换
5、，传输开入开出信号, GOOSE报文的核心内容可由用户灵活、自由定义， 不仅可传输状态信息，而且可传输模拟量信息，甚至可传输时间同步信息等 .nGSSE-通用变电站状态事件，用于传输状态位变位信息 ，与GOOSE类似，但GSSE报文一般只用于传输保护跳闸、闭锁等状态变位信息，内容比较单一。 nSNTP-同步对时nMMS-制造报文规范，交换实时数据和监控信息的一套独立的国际标准报文规范。在61850里用于站控层和过程层数据传输。GOOSE文件传输机制nGOOSE传送的机制不是基于TCP/IP协议，而是对等传 送方式（peer to peer）。使用基于MAC地址传输工程中I/O的网络接口被设计成
6、一个网络地址（组 播地址），GOOSE直接发送到该网络地址 通过支持优先级控制的以太网交换机，抢先到达目 的地址，数据传输速度迅速，从根本上改变了变电站监 控系统的实时性GOOSE文件传输机制T1一般是2ms，Tx（T2、T3）为2的x次方，以递增的时间间隔发送数据变 位，直到时间间隔变为T0。对时方式PPSIRIG-B串行报报文NTPPTP对时精度ssmsmsns传输通道专线专线串口线232 等以太网以太网优点对时精度 高对时精 度较高易于实现易于实现对时精度高 、易于实现 、BMC算法实 现主备时钟缺点只能对时 到秒、无 绝对时间 、实施难 度大无法满足 高精度对 时要求、 无法冗余 备份
7、传输距离短 、对时精度 低、编码相 对复杂对时精度 低对设备 要求 高、高精度 补偿算法复 杂IEEE1588对时n首先主时钟在t1时刻发送带sync报文，然后发送follow up报文，follow up报文中把t1时标发送了过来，从时钟收到之后，计算接收sync报文的本地时标t2，那么t2=t1+delay+offset（1）。即发送报文的时刻加上传输延时就等于以master时钟为准的接收到sync报文的时间，又因为slave比master快offset，所以，再加上offset就得到了以slave为基准的接收到sync报文的时标。nslave在t3时刻向master发出Delay req
8、uest，master收到之后，回复带接收到Delay request时标t4的delay response，slave计算发送delay request的本地时标和delay response里带的时标的差。t3+delay就等于以slave为基准下master接收到 Delay request报文的时间，但因为slave比master快offset，所以再减去offset就等于以master为基准的接收到Delay request报文的时间t4，即t4=t3+delay-offset（2）。n由（1）和（2）联立求解即得：3.2 网络通信技术n智能由于取消了二次电缆，采样值数据（SMV）、
9、对时信号、GOOSE跳闸信号等全部作为数字信号通过二次网络进行传输。目前主要的组网方式是光纤点对点传输和二次网络传输方式。n点对点方式不需要通过交换机等中间环节，因此没有交换机造成的延时问题，不需要考虑网络流量的问题，只需要考虑传输介质的带宽和CPU的处理能力。而二次通过网络交换机的方式需要考虑交换机的可靠性及传输延时记忆网络流量控制等问题。因此国调智能变电站继电保护技术原则明确要求的保护采用点对点直采直跳的方式。来确保可靠性，但这样就发挥不了数字化变电站的二次网络化的优势，需要大量的光纤直连。 3.3 智能断路器n智能化的一次设备一般应具备在线监测功能、智能控制功能及操动 机构电子化功能。在
10、线监测对象主要包括跳合闸电流、SF6气体密 度、压力、温度、开关电寿命、机构动作速度、小信号监测等。智 能控制功能提供开关本体保护、分合闸脉冲控制、基于网络通信的联锁功能、开关柜内环境(温度、湿度)智能控制、顺序控制及最佳 开断时刻的计算和选择。操动机构的电子化主要体现在变机械储能 为电容储能、变机械传动为变频器通过电机直接驱动。机械运动部 件减少到一个，机械系统的可靠性提高。n目前还没有这样的断路器实现，目前都是通过智能操作箱来完成保 护、测控装置的网络通讯与一次断路器开入开出硬节点的驱动之间 的转换，相当于操作箱下放就地。 3.4 电子式互感器n无源电子式互感器OCT、OVTn有源电子式互
11、感器基于罗氏线圈的电流互感器低功耗小信号电流互感器基于电阻或电容分压原理的电压互感器3.4.1 OCT 光电流互感器式利用法拉 第（Faraday）磁光效应。 平面偏振光通过带磁性的 物体时，其偏振光面将发 生偏转，这种现象称为法 拉第磁光效应。 偏振角与电流I成线性关 系 ，测得偏振 角就可以计算出电流。n根据安培环路定理：n 对于长的直导线有：n I通过载导体的电流nR载流导体的半径n带入前式可得 金南变光纤电流互感器3.4.2 OVT当强电场施加于有光穿行的各 向异性的晶体（或称压电晶体 ）时，所引起的感生双折射的 折射率正比于该电场的强度， 这种效应称为Pockels电光效应 。光电压
12、互感器利用的则是波 克尔效应。 LED发出的光经起偏器后为一线 偏振光，在外加电压的作用下 ，线偏振光经电光晶体(如锗酸 秘(BGO)晶体)后发生双折射， 双折射的两光束相位差与外 加电压U有如下关系：相位差与外加电压U成正比， 测得相位差即可计算电压。3.4.3 有源式电流互感器-罗氏线圈n感应被测电流的线圈采用Rogowski线圈，Rogowski是将 导线均匀地绕在一个非磁性材料的骨架上制作而成的空 心线圈载流导线从线圈中心穿过，当导线上有电流通过 时，在线圈的两端将会产生一个感应电势e(t)，它与被 测电流i(t)的时间导数成正比，将e(t)积分便可求得被 测电流i(t) 。3.4.3
13、 有源式电流互感器-低功率LPCTn低功率电流互感器是一种铁心线圈式低功率电流互感器，是传统的电磁式互感器的发展。小功率电流互感器可以带高阻抗，可以输出和一次电流成比例的电压信号，而且它的准确度特别高，用来提供测量用信号有很大的优越性。3.4.4 有源式电压互感器n有源式电子电压互感器主要是基于电阻、电容分压原理 实现的，被测高压经分压器分压后，经信号预处理、A D变换及LED电光转换，以数字光信号的形式送至控制 室，控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及 相应的信号处理，便可输出供微机保护和计量用的电信 号。3.4.5模拟小信号输出n在中低压电压等级上有基于罗氏线圈或电阻分压等原理的
14、航空插头屏蔽电缆小信号输出的，这种因为输出信号很小，极易受温度、震动及电磁干扰等影响，因此，不推荐采用。3.4.5 电子式互感器的主要特点n绝缘性能优良，造价低。绝缘结构简单，随电压等级的升高，其造 价优势愈加明显。n在不含铁芯的电子式互感器中，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。n电子式感器的高压侧与低压侧之间只存在光纤联系，抗电磁干扰性 能好。n电子式互感器低压侧的输出为弱电信号，不存在传统互感器在低压 侧会产生的危险，如电磁式电流互感器在低压侧开路会产生高压的 危险。n动态范围大，测量精度高。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问 题，难以实现大范围测量，同时满足高精度计量和继电保护的需要 。电子
15、式电流互感器有很宽的动态范同，额定电流可测到几十安培 至几千安培，过电流范围可达几万安培。n频率响应范围宽。电子式电流互感器已被证明可以测出高压电力线 的谐波，还可进行暂态电流、高频大电流与直流电流的测量。n没有因充油而产生的易燃、易爆等危险。电式互感器一般不采用油 绝缘解决绝缘问题，避免了易燃、易爆等危险。金南变电容分压原理的电压互感器4.1 智能变电站的典型网络结构n过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说是指智能化电气没备的智能化部分。 主要包含合并单元（MU）和智能接口单元。合并单元 主要是用来接收本间隔或多个间隔电子式电流、电压互感器输出的数 字量，通过同步技术，将数据通过二次网络
16、或点对点光纤输出给保护 装置。智能接口单元用来获取就地刀闸及开关的位置信号上传给保护 装置及接收保护的跳闸命令或测控的控制命令，来驱动断路器或刀闸 ，类似操作箱的功能。这是在智能断路 器没有出现的情况下的一种过 渡方式。 n间隔层：的设备即保护、测控等二次装置。与常规变电站并没有太多 变化，只是设备的采样及出口方式不再采用二次电缆，而是采用光纤 点对点或二次网络通信的方式，实现数据的上传下达。n站控层：相当于常规变电站的后台监控系统，并无实质区别，起后台 控制及监控系统及一些高级应用功能，如目前顺序控制、站域控制、 智能告警等。4.2 金南变的结构-三层一网，四网合一5.1 三种传输协议nIEC 60044-8串行通讯协议，速度快，数据带宽比较窄，2.5M，采样最大传 输为80点每周波，适用于跨间隔采样数据传输。nIEC61850-9-1规定了通过单向多路点对点串行通信链路的采样值传输方式 。点对点传送方式只需考虑传送介质的带宽和接受方CPU处理数据的能力， 而不用担心数据流量对于其他间隔设备传输的影响
