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1、摘 要数字化变电站可行性研究 摘 要我国变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平。新建变电站，无论电压等级高低，基本都采用变电站综合自动化系统。随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，变电站中所有信息的采集、传输和处理全部数字化将成为变电站自动化建设的必然趋势。并在提高稳定性、增强可靠性、信息共享、简化架构、提升功能、降低造价等方面取得了重大的突破和显著的社会经济效益。随着科学技术的水平的提高，和实际需求的改变，相应的解决方案也会在实践中不断的调整。关 键 词：数字化变电站概述；数
2、字化改造的诠释；数字化改造必然趋势；数字化改造的技术途径；目 录摘 要I1 引 言11.1 数字化变电站概述11.2 变电站的数字化发展历程及存在问题11.3 数字化变电站的优点和特点21.4 常规变电站数字化改造的诠释22 常规变电站数字化改造的必要性和有利条件42.1 必要性42.2 有利条件52.2.1 数字化变电站自动化技术和设备日趋成熟52.2.2 建设数字化变电站的有利条件52.2.3 数字化变电站改造经济性分析52.2.4 常规变电站数字化改造的技术途径72.2.5 需要考虑的问题9结束语14致 谢15参考文献16 1 引 言国家电网公司近期提出了智能电网建设的新规划, 至202
3、0年分为3个阶段全面建成统一的“坚强智能电网”, 技术和装备全面达到国际先进水平。数字化变电站技术是国际公认的变电站自动化发展趋势, 也是国家电网公司智能电网建设规划中的一部分; 与常规变电站相比具有信息充分共享,标准化数据及通信模型、信号传输实时可靠, 降低变电站整个生命周期的费用等优点。目前, 国内已有超过20个数字化变电站投人运行或在建,但常规变电站的数字化改造还未多见。大量的常规变电站改造必然要考虑到成本和性价比,包括对运行的影响、设备的使用期限和重要程度等因素。1.1 数字化变电站概述我国变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平。新建变电站，无论电压等级高低，基本都采用变电
4、站综合自动化系统。许多老变电站也通过改造实现变电站综合自动化，进而实现无人职守。变电站综合自动化技术的广泛采用提高了电网建设的现代化水平，增强了电网输配电能力和电网调度的能力，降低了变电站建设的总造价和人工费用。随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，变电站中所有信息的采集、传输和处理全部数字化将成为变电站自动化建设的必然趋势。1.2 变电站的数字化发展历程及存在问题变电站作为电力网中的重要节点, 随着系统的技术进步, 己经发生了很大变化。特别是自20世纪90年代以来, 随着电网及计算机、技
5、术、信息、控制技术、测量技术等的发展, 变电站自动化系统已逐渐步入数字化时代, 并在提高稳定性、增强可靠性、信息共享、简化架构、提升功能、降低造价等方面取得了重大的突破和显著的社会经济效益。但是, 目前变电站数字化技术的运用还存在各种局限性。主要表现在一次设备和二次装里之间仍需敷设大量电缆, 设计、电建施工、运行维护都存在很大的工作量, 形成可观的成本电网及一次设备信息的数字化处理还是依靠二次装来完成, 造成不同应用间的信息重复和无效冗余, 带来变电站二次系统架构庞杂、不便扩展、难以维护、成本增高虽然实现了变电站的初步数字化进程, 但仍未实现站内的公用信息共享、简化信息及变电站架构, 并降低变
6、电站造价及维护成本随着越来越多的IED的应用, 各种网络架构、通信协议和传输介质使得系统互连、互操作性问题日益突出, 也为系统的稳定埋下隐患。虽然包括正等国际组织做了不少工作, 但由于各机构、厂家在技术水平、经验、理解等方面的差异, 变电站自动化系统仍处于难以实现互连接、互操作的状态。故实现变电站内一次设备信息处理的数字化, 二次设备通信的网络化, 并在此基础上按照标准族构建未来的数字化变电站架构, 已被公认为未来技术发展的方向。1.3 数字化变电站的优点和特点 数字化变电站有两个根本特点, 即一次设备智能化和二次设备网络化。采用数字输出的电子式互感器、智能开关(或配智能终端的传统开关)等智能
7、一次设备,一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息方式交换采样值、状态量、控制命令等信息。二次设备之间利用通信网络交换信息,取消控制电缆,降低了工程造价,提高了可靠性为顺利实现一次设备智能化和二次设备网络化,国际电工委员会(IEC )制订了IE C61850 标准,以此统一各类厂家数字化变电站产品的标准,实现兼容性和互操作性。按照61850 标准, 数字化变电站在逻辑结构上可分为3层, 即变电站层、间隔层、过程层。各层次之间和内部均采用网络通信, 在过程层实现数字化。层与层之间和层内部采用统一的通信信息模型和标准,解决了不同型号设备的互操作问题,实现无碍信息共享,提升其性
8、能和可靠性,而设备配置、系统维护、工程实施大为简化。过程层数字化取消了所有的控制电缆和信号电缆, 代之以光纤,大大节省了材料造价和施工成本, 同时提高了信号传输的可靠性, 解决传统互感器固有的饱和和安全性等问题并提升测量精度。1.4 常规变电站数字化改造的诠释对于变电站的数字化改造， 美国投入了大量资金和人力进行相关技术的研发，GE 公司为美国电力公司在俄亥俄州的一个342KV 变电站进行数字化改造的成功案例， 并且这种解决方案也适用于超高压公司。该方案的核心元件有几种名称：Hard Fiber， 意为硬核光导纤维； IEC61850 现场过程总线； 俗称“Brick”，即砖块的意思。本文给它
9、起了一个中文名字叫“魔砖”，因为它的确有些神奇。该核心元件实际上是一种IT 设备。它可以做如下的事情：模数转换；控制编码；遵循IEC6185092 和81。它之所以被称作“Brick”是因为它不但看上去就像块砖头， 而且和砖头一样经得起日晒雨淋（IP66 的防护等级）。它的输入输出是双向的，一方面就地采集了所有一次设备的信息， 由一根细长的单芯光缆连接到控制室的保护、控制及计量等二次设备； 另一方面还可以通过这根光缆把来自控制室的控制信号和同步信息送到“魔砖”，实现控制功能。该方案核心模块“魔砖”的功能可归纳如下：它由光缆供电，可以是交流也可以是直流220V 或110V。两组交流（ABC三相及
10、零相，可以是8 个电流输入，也可以是4 电流和四电压）输入，4 个完全独立的数字核输出。即所有输入可分别供4 个用户共享。可以把它理解为CTPT 次级的扩展功能。输入的交流量， 可以是来自传统CTPT，也可以是电子式的EPTECT，或光学的OCTOPT， 以便与未来的设备兼容。直流输入既考虑了开关量也考虑了模拟量。模拟量可以接入非电气量变送器输出（如压力、温度等），开关量共有18个量，模拟量共有3 个。直流输出有4 个固态继电器。另外还有2 个C 型继电器和1 个双位置继电器。典型配置考虑了双母线加旁路或一个半开关结线的双重化冗余配置。通过在已有变电站中使用“魔砖”，我们传统的一次设备就实现了
11、数字化。2 常规变电站数字化改造的必要性和有利条件2.1 必要性随着计算机技术和网络通信技术的飞速发展，变电站已进入数字化技术时代。智能化高压电器、电子式互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等相关技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，变电站中所有信息的采集、传输和处理全数字化的变电站将成为变电站自动化技术发展的必然趋势。传统的一次、二次设备正朝着智能化、数字化方向发展，一些相关领域的技术如WAMAP、状态检修、电能质量监测、电网稳定控制等，也对变电站内信息和技术的共享提出了新的要求。基于上述原因，实现变电站内一次设备信息处理的数字化，通过标准化的网络通信平
12、台，实现变电站内公用信息的共享，并在按照IEC61850 标准族构建未来的数字化变电站架构，已逐渐为业内人士所认可，数字化变电站技术已成为变电站现代化技术发展的方向。数字化变电站具有简洁的二次接线、更好的保护性能、一致化的计测精度、较高的设备使用效率、更高的系统可靠性，同时数字化变电站设备具有很高的互操作性，设备较易维护和更新，信息实现共享的特点。因此，将传统变电站改造为数字化变电站将是必然趋势。通过数字化改造，可以实现以下目标：1) 通过过程层数字化，取消大量电缆硬连接，降低系统成本。2) 采用IEC61850 标准，实现不同厂家设备的互操作，消除站内信息孤岛。设备的互操作性使得用户可以选择
13、最好的系统部件，大幅改善系统集成、现场验收、监视诊断和运行维护等的费用，节约大量时间，增加自动化系统使用期间的灵活性。3) 优化功能布局，减少设备数量，简化二次系统。因此，对常规变电站进行数字化改造，对于建设资源节约型、环境友好型社会和科技创新型电力企业，通过节能调度实现节能降耗，通过标准化实现信息共享和系统的互联互通，减少投资，降低维护工作量，提高效率和效益，提高大电网的安全稳定水平和灾变防治能力，提高电网生产的科学、智能决策水平，显著提高电网生产效率具有重要的现实意义。2.2 有利条件2.2.1 数字化变电站自动化技术和设备日趋成熟实现数字化变电站的关键技术有2 点: 遵循IEC61850
14、 标准建立通信平台; 智能化一次设备与间隔层之间的接口和应用。对于第1 点, 国外ABB、西门子、阿尔斯通等公司均已推出基于IEC61850 的相关产品, 国内电力行业也已开始应用IEC61850 作为变电站自动化的通信规约, 不少科研单位和生产厂家都在研究基于IEC61850 标准的相关产品, 并有4大科研单位和生产厂家基于IEC61850 标准的产品参于了国调中心组织的5 次互操作试验。对于第2点, 国内也有不少科研单位和生产厂家研制和引进国外技术生产了智能化开关和光电式互感器等一次设备, 如西安同维、顺德特变、西安高研等厂家。所有这些都为建设数字化变电站提供了技术和物质基础。2.2.2
15、建设数字化变电站的有利条件1)江苏电网变电站自动化基础比较好现有的100% 的110 kV 变电站和70%的220 kV变电站都采用了以微机监控为主体的变电站自动化系统, 在此基础上对变电站自动化系统进行改造和对智能化一次设备的应用创造了条件。2)调度自动化系统准备升级江苏省调EMS 系统升级换型工程初步设计已于2005年6月15日通过了江苏省电力公司组织的评审。升级后的EMS 系统将满足标准化、智能化、信息化和可视化的要求。这将为变电站实现数字化创造有利时机。3)无人值班变电站发展的要求江苏电网无人值班变电站的建设对变电站自动化提出了更高的要求, 希望进一步简化二次接线、减少二次电缆、减少维护工作量和减少变电站的占地面积, 因而无人值班变电站的发展促进了对变电站实现数字化的要求。2.2.3 数字化变电站改造经济性分析1 )变电站数字化改造方案的优点变电站数字化改造方案具有如下优点。改造速度快：以一个220KV 线路间隔为例，设备停电一天即可以完成改造。系统由于停电方式带来的风险几乎可以不考虑。改造后的保护和二次回路可以免维护。（其实也省去了二次操作）因为二次回路由原来的接线保证方式， 改成了通信保证方式。不存在二次回路常见的接触和绝缘隐患。改造后，由于电流 电压互感器的二次负载减小，从而提高了保护、测量及计量的精度。改造后，由于在开关现场就将大电流、高电压转换成了数字量，从
