智能变电站信息采集及相关应用研究

1、5、小结 一、智能变电站的构成 电子式互感器应用 IEC61850标准的颁布和推广应用 高速工业通信网络技术发展 智能 变电站 断路器技术发展和应用 变电站业务需求的变化和一次设备、通信网络技术的进步，坚强智 能电网的建设，驱动了变电站一、二次设备技术的融合，以及变电站 运行方式的变革，由此产生了“智能变电站”。 高压设备智能化+高级应用 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 能的变电站。

2、智能设备：一次设备和智能组件的有机结合体， 具有测量数字化、 控制网络化、 状态可视化、 功能一体化和信息互动化特征的高压设备， 是高压设备智能化的简称。 智能组件：由若干智能电子装置集合组成，承担宿主设备的测量、 控制和监测等基本功能；在满足相关标准要求时，智能组件还可承担 相关计量、保护等功能。 可包括测量、控制、状态监测、计量、保护 等全部或部分装置。 智能变电站定义 国家电网公司组织有关专家对智能电网建设所需关键设备进行了梳理 和分析，总体认为：目前，国内外已有设备基本满足电网建设和发展 的常规需求，部分设备技术已达到或处于国际领先水平（如：特高压 设备、调度自动化系统、数字化变电站等

3、），为智能电网建设奠定了 较好的基础 智能变电站定位 -摘自智能电网关键设备（系统）研制规划 2010.6 智能变电站 一次设备 智能化 高级应用 电子式互感器 合并单元 智能终端 过程层交换机 户外柜 智能电表 数字化继电保护测试仪 同步对时设备/方案 一体化电源 网络报文记录分析系统 相关新产品 主要的电力标准有IEC60044、IEC61850 。 主要通信标准有IEEE802.1Q、IEEE802.1p、IEEE 802.1w、IEEE1588。 1) 通信网络安全性、可靠性需求 智能变电站采用了基于开放的、标准的网络技术和对等的通信模 式，对网络通信技术和相应设备在可靠性、实时性、稳

4、定性等方面 要求非常严格。一旦网络出现故障，二次设备的功能会受到严重影 响，甚至失效，直接影响到电网的安全稳定运行。 当前数字化变电站存在的问题 二、国内外研究、应用情况统计 2) 电能计量面临的问题 （1）表计检定：目前对用于基于IEC61850数字接口计量器具的检 定没有相关规定，政策指导性文件缺乏，检定溯源困难； （2）现场校验：常规现场校验与现存实际状况方面没有相关文件 规定； （3）电量计费：目前电能量计费管理系统存在重新划分管理智能 等问题。 3) 一、二次设备融合进程 当前数字化变电站存在的问题 二、国内外研究、应用情况统计 智能变电站涉及多学科、多种产品，是一个庞大复杂的体系，

5、 随着“一次设备智能化”的不断发展，不仅需要机、电、光三个 专业的协同工作，传统意义上的一、二次设备间的界限也将逐渐 模糊，要求一、二次系统在技术上融合、在专业上整合。 相对来说，ABB、西门子、许继集团等厂商由于具有完整的产 业链，均可提供从一次设备到二次设备完整的数字化变电站解决 方案。 -摘自智能电网关键设备（系统）研制规划 2010.6 大脑 神经 身体 二、国内外研究、应用情况统计 高压设备智能化 智能设备发展示意图 二、国内外研究、应用情况统计 高压设备智能化 4) 检测与评估体系的建立 数字化/智能变电站对调试和运行检测设备提出了新要求，需 要尽快研究新的试验方式、手段，制定数字

6、化变电站技术相关试验 及检测标准等。实现数字化/智能变电站建设的有序、有效和实用 化。 当前数字化变电站存在的问题 二、国内外研究、应用情况统计 智能变电站取消了硬接线，不那么直观的网络实现方式，需 要一系列完整的配套工具，需要成套的解决方案。 建模工具、系统配置工具、IED配置工具、报文仿真分析工具、数字 式继电保护测试设备 高精度的CT、PT下，保护刻度误差的检测意义不大，网络的 可靠性验证则变得十分重要。 5) 现行技术管理模式待与之相适应 数字化/智能变电站自动化系统工程的设计模式、调试模式、 运行模式和维护模式不同于传统变电站，这对目前传统专业划分及 管理模式，提出了很大的挑战。 如

7、何结合数字化/智能变电站带来的变革，改变设计方法，重 新明确运维职责和范围、指导运行生产、规范运维作业等，已成为 亟待研究和解决的问题。 当前数字化变电站存在的问题 二、国内外研究、应用情况统计 2009年3月，国家电网公司正式启动了智能电网技术标准体系研究工 作。通过一年的不懈努力，于2010年4月编制完成了国家电网公司智 能电网技术标准体系规划报告。 智能电网技术标准体系规划在中国首次系统地提出了包括8个专 业分支、26个技术领域、92个标准系列的智能电网技术标准体系，明确 了可以直接采用、需要修订、需要制定的智能电网技术标准。 二、国内外研究、应用情况统计 标准体系 智能变电站技术导则

8、330kV750kV智能变电站设计规范，110（66）220kV智能 变电站设计规范 智能变电站继电保护技术规范 高压设备智能化技术导则 二、国内外研究、应用情况统计 变电站智能化改造技术规范、 智能开关设备技术条件、 智能 变压器技术条件、智能单元规范、智能变电站合并单元技术条 件、电子式电流互感器技术规范、 电子式电压互感器技术规 范、 智能变电站网络交换机技术规范、智能控制柜技术规 范、智能变电站自动化系统现场调试导则、测控装置技术导则 等。 本标准系列待补充完善。 二、国内外研究、应用情况统计 电子式电流互感器按原理分为: 1 法拉第电磁感应原理互感器（电磁传感、光传输） 2 法拉第磁

9、光效应原理互感器（光传感、光传输） 按传感头结构组成分为： LPCT低功率铁心线圈互感器(电磁原理) RCT罗可夫斯基线圈互感器 (电磁原理) OCT光学玻璃电流互感器 (光学原理) FOCT光纤电流互感器 (光学原理) 三. 关键技术电子式互感器 3.1 电子式互感器 国网最新技术引导方向：无源 三. 关键技术电子式互感器 传统绝缘工艺成熟可靠，得到实践检验： 国网最新技术引导方向：无源 三. 关键技术电子式互感器 支柱式电子互感器 需要外接电源 有源电子式光电互感器主要基于 传统传感技术，利用电子技术进行 信号采集和处理，通过光纤输出信 号。由于电子电路需要工作电源， 一般采用了以下两种方

10、式供电：通 过接在母线上的小 CT 获得电源； 通过光纤（如传输测量数据的光纤） 将光能量输送至传感器，并在传感 器侧通过光电转换获得电源。 GIS、PASS结构特殊，可直接利 用站内电源供电 数字采样电路在低压侧 罗氏线圈电子式互感器 三. 关键技术电子式互感器 n电子互感器分类 三. 关键技术-互感器 3.1 电子式互感器 取消 1588同步原理偏差测量 三. 关键技术-IEEE 1588同步方案 IEEE 1588同步对时 对时精度：100ns -9-1组网方式 -9-2组网方式 9-1/9-2组网对比 采样值传输方案 2009年1月23日，(57_990_INF)正式通知各个国家委员会

11、，宣布取消 IEC61850-9-1，IEC60044-7/8也将废除，由IEC61869-9-2替代， IEC61869-9-2的数字输出基于IEC61850-9-2 标准(取消FT3传输 帧格式格式)。这意味着IEC 61850-9-2采样值传输方案为唯一的国际 标准。 三. 关键技术-过程层信息采集传送 1、IEC61850-9-1 传输标准60044（FT3） 私有协议 61850标准：-9-1/-2 采样值传输方案 三. 关键技术-过程层信息采集传送 1.基于61850-9-1规约的合并单元的流量分析 按照每帧12个模拟量通道计算，一个合并单元每秒种的数据流量： S = 984bit

12、/帧 50周波/s 80帧/周波 = 3.936Mbit/s； 2.基于61850-9-2LE规约的合并单元的流量分析 按照每帧1点(12个模拟量通道)计算，一个合并单元每秒种的数据流量： S = 159字节8bit/字节 50周波/s 80帧/周波 = 5.088Mbit/s； 2.基于61850-GOOSE规约的智能设备的流量分析 按照 T0=10秒 计算，一个智能设备每秒种的数据流量 S = 6016bit( 1秒/10)帧 = 0.006Mbit/s； 通常情况下，GOOSE流量和采样值流量比较，对网络带宽的影响基本 可以忽略。 IEC61850-9-1 / 2 /GOOSE报文流量

13、三. 关键技术-过程层信息采集传送 9-2单独组网通信延时 每周期采样率为80个点并且12个合并单元, 每一个都在发送采样值。 每一个9-2帧都是1272位长度 假设在所有12个合并单元中采样都是同步进行的 12个帧将会以每1/(5080) 250s的间隔速度到达交换机 12个帧同时到达 在一个单独100Mbps端口汇聚9-2帧通信，选择配置使这个到接收者的 100Mbps链路接近饱和: L (best) = (1272 bits / 100M) + 7s 20s L (worst) = (1272bits 12 / 100M) + 7s 160s L = L (worst) - L (bes

14、t) 160s - 20s 140s u 一个9-2采样值帧的最好和最坏情况下延时、抖动分别是 : 三. 关键技术-过程层信息采集传送 IEEE 1588同步对时网络流量 (一)不同类型报文字节数 建立主从层次报文: announce 34字节报文头 + 30字节报文内容 +地址&校验码18= 82 字节 同步报文: sync 34 字节报文头+ 10字节报文内容 = 44 字节 follow_up 34字节报文头 + 10字节报文内容 = 44 字节 delay机制为delay request-resopnd时delay报文: delay_req 34字节报文头 + 10字节报文内容 = 4

15、4 字节 delay_resp 34字节报文头 + 20字节报文内容 = 54 字节 delay机制为peer delay 时delay报文: pdelay_req 34字节报文头 + 20字节报文内容 = 54字节 pdelay_resp 34字节报文头 + 20字节报文内容 = 54字节 pdelay_resp_follow_up 34字节报文头 + 20字节报文内容 = 54字节 三. 关键技术-过程层信息采集传送 IEEE 1588同步对时网络流量 (二) 报文周期 announce报文 周期:1秒 同步报文 周期:1秒 delay报文 周期:8秒 (三)最严重情况下一个合并单元发出P

16、TP报文的流量 最严重的情况按annouce报文, 同步报文和delay报文均在同一秒内。 (模式1) 1步钟 + delay request-respond机制: 此种模式下,有announce, sync, delay_req, delay_resp报文 最坏情况报文流量: (64+44+44+54)*8 = 206*8 = 1648 bit/s (模式2) 2步钟 + delay request-respond机制: 此种模式下,有announce, sync, follow_up, delay_req, delay_resp报文 最坏情况报文流量: (64+44+44+44+54)*8

17、 = 250*8 = 2000 bit/s 三. 关键技术-过程层信息采集传送 IEEE 1588同步对时网络流量 (模式3) 1步钟 + peer delay机制: 此种模式下,有announce, sync, pdelay_req, pdelay_resp,报文 最坏情况报文流量: (64+44+44+54+54)*8= 260*8 = 2080 bit/s (模式4) 2步钟 + peer delay机制: 此种模式下,有announce, sync, follow_up, pdelay_req, pdelay_resp, pdelay_resp_follow_up报文 最坏情况报文流量

18、: (64+44+44+54+54+54)*8 = 314*8 =2512 bit/s 按照模式4最严重的情况下分析 1个合并单元的PTP1588报文每秒钟数据流量为2.512 Kbit/s，与每秒钟goose的报文流量0.048Mbit/s相比，小了一 个数量级，当然更远小于9-2LE的SMV报文流量5.088Mbit/s. 因此PTP1588报文流量远小于采样值流量，对网络带宽的影响可 以忽略不计。 三. 关键技术-过程层信息采集传送 常见误区分析： 1.9-2具有信息共享的优势，但IED需要接入交换机，因此增加了交 换机成本 解析：保护装置若GOOSE跳闸组网，本来就需要接入交换机。 直

19、采直跳方案中，录波、测控、网络报文监测等组网时， 需要更多的交换机。 直采直跳方式时，保护、合并单元等需要大量的网口/串口， 增加了成本、功耗。 2.9-2网络流量巨大，网络实时性无法保证，系统安全隐患大 解析： 由于采样值有采样序号，即使延时（例如延时200微秒）到达， 也不会影响保护/测控的动作精度；VLAN技术、优先级设定，以及 采样值的高度有规律、全双工以太网技术、合理的交换机配置方案， 可以保证网络通信的实时性。其关键技术是同步对时的可靠性设计。 过程层信息采集传输方案 三. 关键技术-过程层信息采集传送 三网合一方案 三网合一技术 三. 关键技术-过程总线 三网合一方案 三网为：

20、SMV网：合并单元上传给保护/测控装置的采样值，遵循9-2格式 GOOSE：智能终端与保护/测控装置之间的开关量信息传输 IEEE 1588（IEC 61588）：GPS/北斗系统发出的同步对时信息。 这三种信息同时接入过程层交换机，保护/测控装置以一个网口就 可全部接入。它符合国际技术潮流，代表未来的发展方向。 由于在智能变电站领域，中国走在世界的前列，其它国家开展得 较少，国际上IEEE 1588在变电站几乎未实际应用。SMV网（传采样 值）一般是点对点，但GOOSE是组网的。 三. 关键技术-过程总线 三网合一-点对点方案 三. 关键技术-过程总线 点对点方案（也称直采直跳方案） SMV

21、网的点对点方案是，保护与合并单元之间没有交换机，合并 单元出多个通信网口（多达8个），各口分别通过光缆直连到所需要 的保护/测控装置。 GOOSE的与此类似，智能终端出多个通信网口（多达10个），各 口分别通过光缆直连到所需要的保护/测控装置。 IEEE 1588：相对谨慎地推荐应用，也可用光脉冲或B码通信，需 要几十根专用光缆。 与三网合一方案相比，差异在于过程层网络。 考虑到录波等功能，点对点的方案实际需要更多的交换机（本图 未画出），需要更多的光缆，因此它既增加了成本（交换机数量比三 网合一多一倍，光缆则增加了数倍），也难以维护，信息共享的初衷 也被破坏了。大量的光口增加了装置的功耗，对

22、于就地安置的户外柜 的高温控制提出了严峻的考验。 三. 关键技术-过程总线 三网合一技术相对较复杂，尤其是IEEE 1588双网切换等。许继已 于2010年5月初在东北电科院通过了严酷的测试。 SMV网的点对点方案中，继电保护装置对复杂的通信技术的依赖 性大大下降，没有交换机这个环节，保护特性不依赖于对时网（靠保 护实现采用同步），但继电保护装置的负担大大增加。 从技术先进性、信息共享的角度看，三网合一方案有鲜明的特点， 并得到广泛的关注。 三网合一-点对点方案对比分析 三. 关键技术-过程总线 东北电网公司三网合一试验 2010年5月，东北电科院三网合一试验顺利通过 三. 关键技术-过程总线

23、 1.1试验目的 (1)验证SMV与GOOSE、1588对时共网的网络特性对控制及保护 的影响。 (2)考核多种合并单元、交换机、智能单元的配合性能及其在各种 工况下对保护装置动作性能的影响。 (3)检查GPS时钟与北斗时钟切换过程中的网络性能及对MU的影 响。 1.2试验时间 4月20日5月14日 1.3试验地点 东北电力科学研究院电力系统运行仿真分析实验室 东北电网公司三网合一试验 三. 关键技术-过程总线 东北电网公司三网合一试验 三. 关键技术-过程总线 -系统的功能自由分布变电站内二次设备间功能整合 网络化保护 两种代表性应用： 网络化保护 集中式保护 三. 关键技术-基于信息共享的

24、应用研究 利用GOOSE网络实现设备跳合闸命令、网络化保护等 系统的功能自由分布实际应用方案 网络化保护 三. 关键技术-基于信息共享的应用研究 第一阶段（ 2009 2010 年） （ 1 ） 提出智能变电站的架构和技术体系， 制定相应的标准和 规范，指导智能变电站建设和改造，规范设计、建设、验收、 运行维护和试验。 2009 年完成智能变电站技术导则、 智能变电站设计规范、变电站智能化改造技术规范 等标准编制。 （ 2 ）新建智能变电站国网统一试点 新建智能变电站 42 座。 （ 3 ）在运变电站智能化改造国网统一试点 在运变电站智能化改造 25 座。 国网规划 四、国网规划&应用展望 -

25、摘自国家电网智能化规划总报告 第二阶段（ 2011 2015 年） 2011 年起新建 110kV 及以上变电站全部按照智能变电站标 准建设，预计至 2015 年，新建智能变电站超过 8000 座。 第三阶段（ 2016 2020 年） 2020 年，国家特高压电网建成 60 座特高压交流变电站。 2016 年 2020 年， 实现新建变电站智能化率 100% 。 新 增 750kV变电站 20 座， 新增 500kV 变电站 200 座；新增 330kV 变电站 60 座； 新增 220kV 变电站 1000 座； 新增 110kV变电站 2300 座，变电容量 4.7 亿 kVA 。 原有

26、枢纽及中心变电站智能化改造率达到 100% 。 国网规划 -摘自国家电网智能化规划总报告 四、国网规划&应用展望 智能变电站关键装备研制计划及技术要求 四、国网规划&应用展望 智能变电站关键装备研制计划及技术要求 四、国网规划&应用展望 智能变电站关键装备研制计划及技术要求 四、国网规划&应用展望 智能变电站关键装备研制计划及技术要求 四、国网规划&应用展望 IEC 61850 第二版相比于第一版 修订和澄清 不一致、模糊之处 补充和完善 配置、模型、测试、网络冗余、信息安全 扩展 变电站之间 变电站到控制中心 新领域 四、国网规划&应用展望 标准名称的改变 第一版 变电站内通信网络和系统 (

27、Communication Networks and Systems in Substations) 第二版 电力公用事业自动化的通信网络和系统 (Communication Networks and Systems for Power Utility Automation) 四、国网规划&应用展望 IEC 61850 Ed2框架结构 特定应用指导 7-520 变 电 站 配 置 语 言 SC L -6 过程总线 9-2 站总线 8-1 基本模型、抽象服务和基本数据类型 7-2 公共数据类 7-3 阐 述 原 理 和 模 型 7-1 兼容逻辑节点 和数据类 7-4 特定应用指导 7-500 特定应用指导 7-510 变电站与控制 中心之间 80-1 /90-2 变电站之间 90-1 已有标准技术报告/规范 分布式能源兼容逻 辑节点和数据类 7-420 水电厂兼容逻辑 节点和数据类 7-410 新增标准 四