数字化变电站调研报告

1、数字化变电站调研报告2009年5 月，相关人员就数字化变电站建设与改造对相关厂家进 行了调研，通过对国电南瑞、国电南自、南瑞继保、许继电气四家公 司进行考察与交流， 实地参观数字化变电站工程， 对数字化变电站发 展状况及应用情况有了一定的了解，下面将本次调研的情况总结如 下： 一、数字化变电站概述 数字化变电站是由智能化一次设备和网 络化二次设备分层构建，建立在 IEC61850 通信规范基础上，能够实 现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。 数 字化变电站采用低功率、紧凑型的新型电流电压互感器代替常规 CT 和PT,利用高速光纤以太网构成变电站数据采集及传输系统，实现 了基

2、于 IEC 61850标准的统一信息建模，并采用了智能断路器控制等 先进技术。 目前数字化变电站技术处于不断发展演进阶段,与综合 自动化变电站相比,目前所提数字化变电站概念具有以下几个特点： 1. 数据采集实现了数字化 采用电子式互感器,结构紧凑,无铁磁谐 振与磁饱和问题,采样数据数字量输出。 2. 设备操作实现了智能化 采用智能化一次设备, 设备信息通过光纤网络交互, 实现了对一次设 备的智能化控制。 3. 信息交互实现了网络化 取消了控制电缆,二 次设备间通过光纤网络交换采样数据、运行状态和控制命令等信息。 4、统一信息模型与通讯协议 采用 IEC61850 标准,所有信息按统一 标准建模

3、,并按统一的通信协议传输,实现不同厂家、不同设备间的 互操作。 二、数字化变电站关键设备与技术 1. 电子（光学）式互 感器 目前主要有基于罗氏线圈原理的电子式互感器与基于法拉第磁 光效应的光学式互感器两大类。 电子式互感器原理成熟， 目前应用较 为广泛，但存在电磁干扰、传感器供能等问题； 光学互感器原理先进， 无电磁干扰问题， 但存在元件稳定性等技术难题， 目前应用尚不广泛。 两类互感器与常规互感器比较均有绝缘结构简单、 体积重量轻、 可实 现电流、电压互感器一体化组合，动态范围大、无磁饱和现象，直接 输出数字信号等优点， 与常规互感器相比需增加合并单元模块来完成 各相及各间隔间数字采样的同

4、步。 2. 智能开关设备 IEC62063 标准 对智能开关设备的定义是： “具有较高性能的开关设备和控制设备， 配有电子设备传感器和执行器， 不仅具有开关设备的基本功能， 还具 有附加功能，尤其在监测和诊断方面” 。目前已有厂家与一次设备厂 家合作在 GIS 汇控柜内集成保护和测控装臵完成智能开关功能， 在现 有条件下通常做法是通过加装智能终端完成一次设备与二次设备的 接口，智能终端用电缆连接非智能设备的输入、输出，用光纤与控制 室内的间隔层设备交换信息。 3. 交流量采样数据采集传输方案 电 子式互感器输出的数字化采样数据需经网络传输至保护、 测控等相关 设备，目前采样数据传送标准有 IE

5、C60044-8、IEC61850-9-1/2 等标准。 IEC60044-8采用点对点方式传输，传输延时确定，可以采用再采样技 术实现同步采样， 适合对实时性要求较高场合， 但存在光缆铺设量大， 合并单元安装方式不灵活等缺点。IEC61850-9-1/2采用网络数据接口， 光缆铺设量大幅减少， 合并单元安装方式灵活， 是采样数据传输的发 展方向，但目前存在传输延时不确定、对交换机要求极高等问题，网 络延时及故障对全站保护设备影响很大。 4. GOOSE 网络 GOOSE （ Generic Object Oriented Substation Even）t 是通用面向对象的变电站 事件。当系

6、统发生任何状态变化或输出命令时， 智能电子设备将借助 变化报告，多播一个高速二进制对象。 GOOSE 网络可交换以下实时 数据：保护装臵的跳合闸命令，测控装臵的遥控命令，保护装臵间信 息（启动失灵、闭锁重合闸等） ，一次设备的遥信信号（开关刀闸位 臵、压力等），GOOSE网络通过多种机制保证信息传输的实时性与 可靠性，利用 GOOSE 网络来取代传统变电站用控制电缆构成的复杂 二次回路。 三、数字化变电站的优势 与传统变电站相比，数字化变 电站存在以下几方面优势： 1. 避免了传统互感器固有问题 新型互 感器不存在铁磁谐振、绝缘油气泄露、二次开路短路等问题，节省大 量铁芯、铜线等金属材料，电压

7、等级越高，经济性越明显。 2. 简化 二次回路接线，节省控制电缆 由于交流采样回路、控制信号回路均 采用网络传输信息， 极大地简化了二次回路接线， 避免了电缆接线错 误、松动及二次回路干扰引起的继电保护事故， 并且节约了大量控制 电缆，户外电缆沟道也可相应简化，降低了变电站造价。 3. 信息共 享降低投资 数字化变电站所有信息采用统一模型，按照统一通信标 准接入通信网络，保护、测控、计量、远动等系统均从同一个通信网 络接受交流采样、设备状态等信息，减少了软、硬件的重复配臵及为 此而增加的投资， 并且可以发展基于网络的分散式母线保护、 备自投、 低频低压减载等新型保护，取消原有集中式保护。 4.

8、 设备联调可在 制造厂完成，减少现场施工时间 传统方案中，一次设备和二次设备 及二次设备之间的电缆连接和调试只能到现场后完成， 调试周期比较 长。数字化变电站由于所有设备间通过网络交换信息， 不需复杂的电 缆接线，设备联调可在出厂前完成， 现场调试时仅需检查网络通讯完 好，到现场后调试工作量极小，能够显著地缩短投运周期。 5. 减少 设备更新扩建成本 变电站的设备间信息交换均按照统一的 IEC61850 标准通过通信网络完成， 变电站在扩展规模和更新改造时， 只需在通 信网络上更换或添加符合国际标准的设备， 无需对其他设备进行改造 或更换，保护用户投资，降低了变电站全寿命周期成本。 四、数字

9、化变电站实现模式 数字化变电站的实施是一个循序渐进的过程，当 前典型的数字化变电站方案有以下三种： 方案一：仅站控层遵循 IEC61850 标准的不完全数字化变电站。 方案二：在继承方案一基础 上，采用了智能一次设备（或智能单元） ，但仍然使用常规 CT/PT 的 不完全数字化变电站。 方案三：在继承方案二基础上， 遵循 IEC61850 标准，采用数字化 CT/PT 、智能一次设备的完全型数字化变电站。 对 于新建变电站， 建设完全型数字化变电站可节约投资， 体现其技术先 进性，对于老旧变电站综合自动化改造， 数字化技术也有其现实意义。 由于老旧变电站经历多次改造，二次回路复杂、混乱，在改造

10、过程中 要进行大量的二次电缆敷设、 接线，由于设备或人员因素造成继电保 护事故的例子屡见不鲜， 如利用成熟的数字化技术进行改造， 可跨过 原有复杂的二次回路，降低施工安全风险，保证电网安全运行。 五、 实施中主要技术问题 经过调研目前数字化变电站实施中存在的技术 问题主要有以下几类： 1. 数字化变电站对网络安全要求极高 由于 环网存在网络风暴等问题， 目前各厂家组网均采用星型以太网， 交换机一旦故障， 将引起全站设备异常甚至瘫痪， 目前采取的措施是采用 工业级高可靠性交换机，双网冗余配臵。 2. 智能终端、合并单元下 放至开关场的电磁兼容及环境问题 由于智能终端需安装在开关场， 部分项目已实

11、现合并单元下放， 需考虑电磁兼容及环境问题。 目前的 解决方案是采用防护等级高、带有温湿度控制的户外柜解决。 3. 电 子式互感器对线路差动保护的影响 这种情况指新建或改造数字化变 电站采用电子式互感器， 对端变电站仍为常规式互感器。 常规变电站 电流电压经 CT、PT 转换为二次模拟值，再经保护交流插件、 AD 采 样回路进入保护装臵， 数字化变电站电流电压经电子式互感器、 远端 模块、合并单元进入保护装臵，由于于两侧路由不同，采样时刻不一 致，必然产生角差，正常运行时有差动电流。解决方法是在其中一侧 装臵考虑路由延时进行采样调整， 但这种解决方案要求更换对侧保护 装臵。 4. 改造过程中母

12、线保护的过渡方案 由于变电站改造过程中 各间隔互感器、 控制回路由常规互感器、 电缆回路逐步改造为电子式 互感器、 GOOSE 网络，在改造过程中需考虑母线保护的过渡运行方 案，各厂家目前均有不同的解决方案，但整体看过渡方案均较复杂， 需不断更改程序并进行传动试验。 5. 交流采样数字化对电能表的影 响 由于交流采样回路实现数字化，电能表结构发生改变，目前部分 厂家产品已取得国家质量技术监督局颁发的制造计量器具许可证， 但 缺乏国家相关标准规范。 6. 保护测试方法 由于保护装臵交流采样 回路发生变化， 保护测试方法也相应改变， 目前已有保护测试仪厂家 研发出针对数字化保护的测试仪器， 也有将

13、传统测试仪输出的模拟量 转换成数字量的测试装臵。 六、数字化变电站目前应用情况 从资料 来看2006年以前基本是电子式互感器研制、 试验及IEC61850规约互 操作试验时期， 2006年开始有基于 I E C6 1 8 50标准的监控系统投入运 行，2007年开始有基于电子式互感器与智能终端的全数字化变电站投 入运行。目前以110kV电压等级变电站最多，有部分220kV变电站实 现全站数字化，南方电网公司 500kV桂林变于2009年5月初投运一 个实现完全数字化的500kV间隔，国家电网公司在建的500kV兰溪变 为交流回路仍采用传统互感器，一次部分实现智能开关利用 GOOSE 网络完成信

14、息交换及跳闸，目前还没有220kV以上整站实现完全数字 化的变电站投运。 七、各厂家考察情况 此次共考察四个厂家，均为 我国电力自动化行业领军企业，具有丰富的电力系统工程应用经验， 在数字化变电站领域也都较早地开展了研究应用， 目前均有大量工程 应用实例。各个厂家在技术上都有各自的特点：国电南瑞公司做为 2006年浙江 220kV 外陈变电站项目系统集成商，完成了国内外十余 家厂商的保护、测控装臵的大规模互操作试验，目前研制的 NAE 系 列全光纤互感器前瞻性很强； 国电南自公司在电子式互感器研究应用 方面起步较早，南方电网公司500kV桂林变数字化间隔即采用国电南 自公司设备； 南瑞继保公司在数字化保护方面继承了传统优势， 与一 次设备厂商合作开发的智能汇控柜进一步优化了控制回路； 许继电气 可提供电子式互感器、 数字化电度表等全套数字化设备， 在过程层采 样传输上率先实现了 I