数字化变电站技术-新

1、数字化牵引变电所技术交流陈 德 明电话箱：西南交通大学电气工程学院数字化是智能牵引供电的基础牵引供电系统还停留在综自阶段，需要奋起直追电力系统的发展趋势智能电网2015年国家电网公司智能电网工作目标： 完成6类41项智能电网创新示范工程建设任务 建成50座新一代智能变电站 新建1400座智能变电站1） 继电器保护RTU继电器完成保护功能，保护动作后给出节点信息RTU完成测量、控制功能等传统四遥功能（遥测、遥信、遥控、遥调）2） 微机保护RTU微机保护装置完成保护功能 RTU完成测量、控制功能等传统四遥功能（遥测、遥信、遥控、遥调）RTU采集保护动作节点信息或与保护装置

2、通信获取保护动作报告3） 变电站综合自动化系统保护、测量、控制功能综合考虑，功能分布式配置，通过网络组成整体传统RTU转变为通信单元，通过通信而不是节点采集来收集变电所的运行状态，四遥功能下放到微机装置利用计算机的强大功能取代中央信号盘实现当地监控功能故障记录功能，记录保护动作前、后的有关故障信息，以利于分析故障过程层： 设备复杂电缆连接的问题 数据共享问题 一次设备智能化提出了新需求间隔层： 通信技术和网络五花八门 通信规约不统一 多系统互联（保护双重化）困难传统自动化系统存在的问题二次系统防雷问题供电臂功能的提升-以供电臂为单元的网络化保护电子互感器合并单元智能开关过程层网络2001 UC

3、A（北美推广）1994 德国（SAS标准）1995 IEC TC57（WG10/11/12）1998 IEC WG10/11/12（标准草案）2000 IEC TC57 SPAG（国际标准）2003.9-2005.6（1.0Ed正式颁布）1998-2000 德国 OCIS（基本测试、验证标准）2001 互操作实验 （开入、跳闸、重合闸）2002 互操作实验 （ECT/EVT、IED、电能表）2002 互操作实验（完整的过流保护）2004 工程化实践 A A S GEKEMA2005.5 互操作实验（软件模拟）2005.10 互操作实验（遥控、报告、数据集）2006.1 互操作实验（更多功能）2

4、006.4 互操作实验(增加监控系统）2006.8 互操作试验（继续试验）2006.12 增加国外公司工程化实践系统方面系统方面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测试Part 10:一致性测试数据模型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特殊通信服务映射 (

5、SCSM)(SCSM)Part 8-1: 映射到制造商报文 MMSPart 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配置Part 6:变电站中智能电子设备通信配置描述语言 Communication Networks and Systems in Substations(变电站通信网络和系统)”-“Communication Networks and Systems for Power Utility Automation(公用电力事业自动化的通信网络和系统)”。数据属性逻辑节点数据对象逻辑设备物理设备PHD（Server

6、）LDLNDODA实际的保护装置公用/保护/测量/控制/录波StrOp保护动作保护启动generalphsAphsBphsC是否动作（总）A相是否动作B相是否动作C相是否动作接地距离I段：PDIS1接地距离II段：PDIS2接地距离III段：PDIS31100分层模型面向对象建模（ACSI-数据是如何定义的） LN中的DODO中的DA树形结构用来代表完整的语义空间数据模型由LD、LN、DO和DA四个不同层次的语义所构成的空间承载。 抽象通信服务接口（SCSM-如何实现具体通信）以数据集为通信，保证通信效率和实时性数据集GndPDIS1.Op.generalGndPDIS1.Op.PhsAGnd

7、PDIS1.Op.PhsBGndPDIS1.Op.PhsC保护程序通信程序负责刷新数据集中数据的值置1：表示动作置0：表示返回监视数据集中数据值的变化一旦发生变化就认为产生一个事件以特殊的重传机制发送GOOSE报文面向实时的服务（如何保证实时性）-类型1（快速报文）-类型1A（跳闸报文）-类型2（中等速度报文）-类型3（低速报文）-类型4（原始数据报文）-类型5（文件传输功能）-类型6（时间同步报文）性能要求：P1P3（3ms500ms）对时精度：T1T5（1ms1usSV和GOOSE是IEC61850的重要创新！GOOSE的通讯机制n GOOSE采用组播方式传输数据 -以太网传输方式：单播、

8、广播、组播n GOOSE采用连续多次传送的方式实现可靠传输3）保护与合并单元模拟量合并单元智能终端SVGOOSE1）保护与监控主机保护动作信息/异常告警信息定值信息/录波信息等2）保护与智能终端采样值信息（SV）状态信息（GOOSE）开关量监控主机MMSMMS三类服务模型：MMS、GOOSE和SVICD，IED Capability DescriptionSSD，System Specification DescriptionSCD，Substation Configuration DescriptionCID，Configured IED Description四种SCL文件实现了IED与S

9、AS的描述与关联，简化了配置工作并可以实现SAS和IED的自动更新与远程配置。统一格式的SCL配置文件大大简化了系统的集成和管理难度。统一建模（与用户交互-基于电力系统统一建模）系统配置关系电子式互感器相对于电磁式互感器的优点：绝缘性能好无磁饱和、无铁磁谐振、无磁滞和剩磁体积小重量轻动态范围大、可测交、直流频带宽抗干扰能力强电压等级越高，电子互感器优势越明显。罗可夫斯基空心线圈电流互感器空心线圈的感应电压与被测电流的导数成正比（ Rogowski，1912年）( )()ddIe tkdtdt 被测电流线圈感应电压B空心线圈电流 ( )e t分压型电压互感器（有源）阻容分压电容分压电阻分压R1R

10、2Usr与常规电容式电压互感器原理相同，输出电压不超过5V普通光起偏器偏振光磁光材料磁场 B检偏器Faraday旋光角光学电流互感器光学电流互感器法拉第磁旋光效应（1846年）LlVHdlVN I入射光出射光电流旋转角与电流I成正比关系载流导体光纤电流传感器复合绝缘子光纤光缆光纤耦合器光纤偏振器光纤调制器光源驱动及信号解调保护测控计量合并单元激光器驱动电路PIN数据处理合并单元保护测控计量LPCT空芯线圈远端模块复合绝缘子光纤光缆整体结构：开关设备本体整体结构：开关设备本体+ +智能智能组件，如组件，如右右图所示。图所示。基本功能：测量，控制和监测，基本功能：测量，控制和监测，可集成保护和计量

11、。可集成保护和计量。技术技术特征特征：测量数字化，控制网：测量数字化，控制网络化，状态可视化，功能一体化，络化，状态可视化，功能一体化，信息互动化。信息互动化。智能组件分类：智能组件分类： 监测功能智能组件监测功能智能组件 合并单元合并单元 智能终端（智能操作箱、智能单元）智能终端（智能操作箱、智能单元） 合并智能单元合并智能单元智能设备发展示意图目前的主要实现形式是智能操作箱（智能IO单元）就地安装在AIS附近的端子箱中，将控制电缆、信号电缆限制在AIS和智能操作箱之间；通过过程层网络，按IEC61850向间隔层设备输入输出I/O 信息，并支持远方配置参数和调试。实现了传统操作箱的所有功能，

12、并具备简单的保护、测控功能；AISGIS目前的主要实现形式是智能汇控柜1.节约了电缆等设备投资以及相应的施工投资；2.节约了保护小室及主控室等的占地面积和投资；3.GIS智能控制柜优化了二次回路和结构；4.智能控制装置提供了系统的交互性；5.联调在出厂前完成，现场调试工作量减少；6.一次二次联合设计，减轻了设计院的负担；7.基于通信和组态软件的联锁功能比传统硬接点联锁方便；8.缩小了与互感器的电气距离，减轻了互感器的负载。对原有的GIS开关柜做智能化改造，把模拟量采集、保护、测控与GIS控制功能整合在一起。中低压一体化开关柜含保护测控功能智能单元合并单元智能变电站二次系统的三层架构智能变电站二

13、次系统的三层架构组网方案站控层通信方式过程层通信方式总线SV点对点+GOOSE点对点 总线SV点对点+GOOSE总线 总线SV总线+GOOSE总线（分别组网） 总线SV总线+GOOSE总线（统一组网） 站控层与过程层合并统一组网 概念：三网合一、四网合一(1)(1)排队问题排队问题IEEE 802.1pIEEE 802.1p优先级优先级(2)(2)流量控制问题流量控制问题IEEE 802.1qVLANIEEE 802.1qVLAN 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，并遵循IEC61850标准实现了变电站内各种信息采集、传输、处理、共享全程数字化的现代化变电站。关键技术：I

14、EC61850电子互感器智能开关技术主要特征：一次设备智能化二次设备网络化设备状态可视化 数字化变电站的技术要点可以归纳为：智能化一次设备：电子式互感器、智能开关过程层网络：三层体系、GOOSE、SMV报文IEC61850标准(DL/T860)数字化变电站 = 智能化一次设备 + 过程层网络 + IEC61850！指导、规范过程层网络站控层网络 采用智能设备，一次、二次设备通过光纤通信交互 避免雷击对二次设备的损害 数据共享，减少电缆用量 定期检修到状态修 统一信息平台，标准化建模 实现设备“互连、互换、互操作” 采用电子互感器 消除传统互感器的缺陷 实现采样数据共享 工厂化施工、调试 减少现

15、场施工、调试工作量 实现设备“即插即用” 保护功能的集成和优化 （1）IEC61850 数字化变电站 IEC61850协议提供了变电站自动化系统功能建模、数据建模、通信协议、通信系统的项目管理和一致性检测等一系列标准。按照IEC61850协议建设变电站的通信网络和系统，是建设数字化变电站的有效途径。 IEC 61850协议从根本上来说是一个通信协议，它并不是数字化变电站，所以说数字化变电站的建设离不开设备的数字化，智能化的一次设备才是数字化变电站建设的根本。而IEC 61850协议仅仅是为了解决数字化后设备与设备间的互操作性、互换性而提供的一个统一平台协议。（2）使用电子互感器才是数字化变电站

16、?一次设备就地数字化优点： 有利于二次设备实现优化集成 可保证采样数据的唯一性，方便信息共享 有利于实现二次设备接口标准化 使常规互感器体积减小，集成度提高，可靠性提高 多种有效措施保证就地数字化采样的可靠性 数字化变电站实现的程度、模式多样性变电站层和间隔层实现变电站层和间隔层实现IEC61850IEC61850采用电子互感器采用电子互感器电子互感器智能操作箱电子互感器智能操作箱一次设备就地数字化一次设备就地数字化全数字化全数字化全数字化保护需要解决的主要问题可靠性问题大量电子设备的可靠性安全性问题公开标准的安全防护同步问题保护对时钟同步的依赖问题实时性问题网络延时智能变电站技术导则中对智能

17、变电站做出了如下阐述：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、协同互动等高级应用。智能变电站的技术要点技术要点：p1.1.基于先进通信网络技术的电网数据统一采集、传基于先进通信网络技术的电网数据统一采集、传输、共享和利用输、共享和利用p2.2.全寿命周期管理全寿命周期管理（状态监测状态监测-故障诊断故障诊断-状态检修状态检修）p3.3.高级应用高级应用（自动控制、智能调节、协同操作自动控制、智能调节、协同操作.）发展发展：数字化变电站是智能变电站建设的起点！：

18、数字化变电站是智能变电站建设的起点！1.基本功能的提升2.智能化的评估和决策功能3.站内智能协同功能（站级的优化运行）4.电网智能协同功能（系统级的优化运行）这四个层次逐级深化了“智能化”的内涵国网公司近期提出构建以“集成智能化设备+一体化业务系统”应用为特征的新一代智能变电站通过整合系统功能，优化结构布局，采用“一体化设备、一体化网络、一体化系统”技术构架，有效提升变电站智能水平实现专业设计向整体集成设计的转变，一次设备智能化向智能一次设备的转变，是先进适用技术的集成应用标准化设计、工厂化加工、装配式建设标准化设计、工厂化加工、装配式建设现有智能站现有智能站新一代智能站新一代智能站信息共享信

19、息共享不完全不完全完全完全继电保护继电保护分散式分散式层次化层次化自动化自动化信息采集重复，子信息采集重复，子系统孤立系统孤立信息采集统一，站信息采集统一，站端功能整合端功能整合网络网络三层两网三层两网两层一网两层一网一次设备一次设备一次设备智能化一次设备智能化智能化一次设备智能化一次设备系统集成系统集成不充分不充分优化优化2011年铁道部重点课题（2011J017-B）智能牵引供电系统架构研究2013年铁路总公司重点课题（2013J003-A）铁路牵引变电所智能化技术研究2011年四川省科技支撑计划(2011GZ0079)高速铁路数字化变电站集成保护技术研究与设备研制国家自然科学基金重点项目

20、（U1134205）高速铁路电力牵引系统的安全性预测与控制支撑课题：理论研究2013.3 开始平台研制2013.8.15 通过技术方案评审2013.12.27 厂内调试完成2014.1.24 通过型式试验2014.3.24 通过试用评审2014.4.26 王家庄一次投运成功IEC61850标准研究IEC61850牵引供电建模数字化变电站关键技术研究智能牵引变电站架构研究保护控制方案研究中南通道试验2003-20122013-2014山西中南部铁路通道重载综合试验-数字化牵引变电所试验传统变电所连线方式虚端子连线方式一对一光纤电缆发布、订阅 基于基于GOOSEGOOSE的母线快速保护的母线快速保

21、护 基于基于GOOSEGOOSE的断路器失灵保护的断路器失灵保护第I套二次谐波闭锁的比率差动保护差动电流速断保护低压启动的过流保护第II套波形对称闭锁的比率差动保护差动电流速断保护低压启动的过流保护 变压器双重化保护方案 基于模式匹配的故障测距原理基于模式匹配的故障测距原理 基于基于GOOSEGOOSE的供电系统重组的供电系统重组快快速速跳跳闸闸故故障障切切除除供供电电重重组组失失灵灵切换定值区避免避免供电系统停电，提高了牵引供电的可靠性供电系统停电，提高了牵引供电的可靠性！电力系统：专门的五防系统牵引供电：未配置传统综自：当地/远方闭锁就地闭锁主要缺点：就地闭锁主要缺点：二次接线复杂二次接线复杂复杂的闭锁逻辑实现困难复杂的闭锁逻辑实现困难已有的闭锁逻辑难以修改已有的闭锁逻辑难以修改基于基于GOOSEGOOSE的备用电源自投的备用电源自投功能的自动迁