开放式数字化变电站介绍

1、武汉大学电气工程学院数字化变电站的介绍主要内容 常规变电站的现状 数字化变电站的简介常规变电站的现状常规开关常规CT/PT继电器 A间隔间隔控制控制继电器 B继电器 A间隔间隔控制控制继电器 B常规开关常规CT/PT传统变电站自动化系统 现状保护管理机保护管理机2调度中心调度中心操作员站操作员站工程师站工程师站路由器路由器站总线站总线保护管理机保护管理机3保护管理机保护管理机1u规约种类繁多、中间转换环节复杂规约种类繁多、中间转换环节复杂u规约集成已经成为制约变电站二次系统发展的瓶颈规约集成已经成为制约变电站二次系统发展的瓶颈w高昂的工程费用高昂的工程费用 （系统集成）系统集成）w过于繁多的规

2、约种类造成不同的问题（互操作性及功能的限过于繁多的规约种类造成不同的问题（互操作性及功能的限制）制） w私有规约的应用（对厂家的依赖性，推倒重来的改造）私有规约的应用（对厂家的依赖性，推倒重来的改造）w不同市场、同一市场不同的子系统具有不同相对标准的规约不同市场、同一市场不同的子系统具有不同相对标准的规约种类种类今天：今天：规约转换成本规约转换成本难度高难度高/代价大代价大 传统变电站自动化系统传统变电站自动化系统 存在不足存在不足RTUMeterRTURecloserBreakerTransformerDiff.RelayO.C.RelaySOERTUMeterRTURecloserBrea

3、kerTransformerDiff.RelayO.C.RelaySOERTUMeterRTURecloserBreakerTransformerDiff.RelayO.C.RelaySOERTUMeterRTURecloserBreakerTransformerDiff.RelayO.C.RelaySOERTUMeterRTURecloserBreakerTransformerDiff.RelayO.C.RelaySOERTUMeterRTURecloserBreakerTransformerDiff.RelayO.C.RelaySOERTUMeterRTURecloserBreakerTr

4、ansformerDiff.RelayO.C.RelaySOEDMSCISEMS/SCADAOMS表记RTU重合闸 断路器 变压器差动保护过流SOERTU网络通信昂贵网络通信昂贵&复杂复杂Distributed Management SystemCustomer Information System Energy Management System Operation Management System传统变电站自动化系统传统变电站自动化系统 存在不足存在不足u网络结构复杂网络结构复杂 接线繁琐接线繁琐系统系统安全性不足安全性不足传统变电站自动化系统传统变电站自动化系统 存在不足存在不

5、足u主从方式：轮询检测主从方式：轮询检测通信速度慢通信速度慢通信网络通信网络传统变电站自动化系统传统变电站自动化系统 存在不足存在不足w模拟信号模拟信号w控制电缆控制电缆w设备间的联闭锁设备间的联闭锁w。二次电缆对系统可靠性的影响二次电缆对系统可靠性的影响线路保护线路保护u二次电缆的连接过多二次电缆的连接过多u信息的共享不够信息的共享不够w保护系统保护系统w测控系统测控系统w计量系统计量系统w录波系统录波系统w远动系统远动系统w。设备重复投入建设设备重复投入建设u设备的重复投入设备的重复投入w网络接线复杂网络接线复杂w安装和维护成本高安装和维护成本高传统变电站自动化系统传统变电站自动化系统 存

6、在不足存在不足 二次设备的互操作性不够人们一直就期待能够解决二次设备之间的互操作性（interoperability），甚至互换性（interchangeability）。一个厂家一个厂家私有私有两个厂家两个厂家协商协商三个厂家三个厂家 互操作互操作 !传统变电站自动化系统传统变电站自动化系统 存在不足存在不足u一次设备的智能化不够一次设备的智能化不够wNCITw智能开关智能开关w智能变压器智能变压器u新技术应用的适新技术应用的适用性用性w计算机技术计算机技术w通信网络技术通信网络技术w新的传感器技术新的传感器技术传统变电站自动化系统传统变电站自动化系统 存在不足存在不足数字化变电站的简介数字

7、化变电站的基本概念 数字化变电站的基本概念为变电站的信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化 。数字化变电站的概念数字化变电站的概念 u数字化变电站建设的必然趋势数字化变电站建设的必然趋势w在变电站领域中，随着智能化电气的发展，特别是智在变电站领域中，随着智能化电气的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现，能化开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现，变电站即将进入数字化新阶段变电站即将进入数字化新阶段 。数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 数字化变电站的建设 IEC61850标准包括变电站通信网络和系统的总体要求、功能建模、数据建模、通信协议、项目管理

8、和一致性检测等一系列标准 按照IEC61850标准建设通信网络和系统的变电站，可符合数字化变电站的要求 单是二次设备和合并单元符合IEC61850国际规约，还不是真正的数字化IEC61850 数字化变电站数字化变电站数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 数字化变电站的特征数字化变电站的特征 u 数字化变电站的表现特征数字化变电站的表现特征过程层的数字化过程层的数字化系统结构系统结构信息交换信息交换w模型协议标准化模型协议标准化w数据采集数字化数据采集数字化w设备操作智能化设备操作智能化w系统分层分布化系统分层分布化w系统结构紧凑化系统结构紧凑化w信息交互网络化信息交互网络化w

9、信息应用集成化信息应用集成化w设备检修状态化设备检修状态化w运行管理自动化运行管理自动化数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 模型协议标准化模型协议标准化u 实现智能设备的互操作。实现智能设备的互操作。u 实现变电站信息共享。实现变电站信息共享。u 简化系统维护、配置和工程实施。简化系统维护、配置和工程实施。u IEC 61850确立了电力系统的建模标准，为变电站自动化系确立了电力系统的建模标准，为变电站自动化系统定义了统一的、标准的信息模型和信息交换模型。统定义了统一的、标准的信息模型和信息交换模型。数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 数据采集数字化数据

10、采集数字化u 在电流、电压的采集环节采用在电流、电压的采集环节采用数字化电气量测系统数字化电气量测系统，如光学互感，如光学互感器或电子式互感器，实现了电气量数据采集的数字化应用。其优器或电子式互感器，实现了电气量数据采集的数字化应用。其优点：点：w实现了一、二次系统电气上的有效隔离；实现了一、二次系统电气上的有效隔离；w电气量动态电气量动态测量范围大、测量精度高测量范围大、测量精度高；w实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转变，实现信息集成化应用提实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转变，实现信息集成化应用提供了基础前提。供了基础前提。数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 设备操

11、作智能化设备操作智能化 u 高压断路器二次技术的发展趋势是用微机、电力电子高压断路器二次技术的发展趋势是用微机、电力电子技术和新型传感器建立新的断路器二次系统。其主要技术和新型传感器建立新的断路器二次系统。其主要特点是：特点是：w实现状态检修。实现状态检修。w减少故障率。减少故障率。w实现按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合闸实现按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合闸过程的时间，减少暂态过电压幅值；过程的时间，减少暂态过电压幅值；数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 系统分层分布化系统分层分布化u IEC 61850体系提出了过程层、间隔层、站控层的三层体系提出了

12、过程层、间隔层、站控层的三层结构模型结构模型。间隔层保护保护控制控制保护保护控制控制过程层远程过程接口远程过程接口传感器传感器操作机构操作机构高压设备高压设备变电站层功能功能A功能功能B数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 系统结构紧凑化系统结构紧凑化 u 数字化电气量测系统具有体积小、重量轻等特点，可以有效地集数字化电气量测系统具有体积小、重量轻等特点，可以有效地集成在指智能开关设备系统中，按变电站机电一体化设计理念进行成在指智能开关设备系统中，按变电站机电一体化设计理念进行功能优化组合和设备布置。功能优化组合和设备布置。u 在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障

13、录波及其在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的他自动装置的I/O单元，如单元，如A/D变换、光隔离器件、控制操作回路变换、光隔离器件、控制操作回路等作为智能一次设备的一部分，实现智能电子装置的所谓等作为智能一次设备的一部分，实现智能电子装置的所谓“近过近过程化程化”(process-close)。而在中低压变电站则将保护、监控装。而在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上。置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上。数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 信息交互网络化信息交互网络化u 采用低功率、数字化的新型互感器代替常规

14、互感器，将高电压、大采用低功率、数字化的新型互感器代替常规互感器，将高电压、大电流直接变换为数字信号。变电站内设备之间信息交互全部采用高电流直接变换为数字信号。变电站内设备之间信息交互全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口现场接口。通过标准以太网技术真正实现数据共享、资源共享。通过标准以太网技术真正实现数据共享、资源共享。wa)网络拓扑结构能根据实际需要灵活选择网络拓扑结构能根据实际需要灵活选择，容易利用冗余技术提高系统，容易利用冗余技术提高系统可靠性，网络拓扑结构的改变不会影响变电站功能的实现；可靠性，网络拓扑

15、结构的改变不会影响变电站功能的实现； wb)实现数据共享实现数据共享,当过程层采用基于当过程层采用基于IEC 61850-9-2的过程总线时，利用的过程总线时，利用多播多播(multicasting)技术，一套传感器的采样数据可同时发送至测控、技术，一套传感器的采样数据可同时发送至测控、保护、故障录波、相角测量单元等；保护、故障录波、相角测量单元等；wc)利用网络线代替导线，可以大大减少变电站内二利用网络线代替导线，可以大大减少变电站内二次回路次回路的连接线数量的连接线数量，从而提高系统的可靠性。例如，常规变电站一个间隔内大约有，从而提高系统的可靠性。例如，常规变电站一个间隔内大约有200-5

16、00根线需要安装与测试，工作量巨大且容易出错。根线需要安装与测试，工作量巨大且容易出错。数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 信息应用集成化信息应用集成化u 常规变电站的监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等几常规变电站的监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等几乎都是功能单一、相互独立的装置和系统，硬件重复配置、信乎都是功能单一、相互独立的装置和系统，硬件重复配置、信息不共享、投资成本大。数字化变电站使得原来分散的二次系息不共享、投资成本大。数字化变电站使得原来分散的二次系统装置，具备了进行信息集成和功能合理优化、整合的基础。统装置，具备了进行信息集成和功能合理优化、整合

17、的基础。u 数字化变电站将是未来数字化变电站将是未来“数字化电力系统数字化电力系统”中的功能和信息节点中的功能和信息节点。IEC针对电力系统操作与运行制定了一整套标准，以逐步统针对电力系统操作与运行制定了一整套标准，以逐步统一电力系统内各自动化系统的信息模型和信息交换模型，消除一电力系统内各自动化系统的信息模型和信息交换模型，消除由于缺乏统一建模、系统异构而导致的各种由于缺乏统一建模、系统异构而导致的各种“信息孤岛信息孤岛”。数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 设备检修状态化设备检修状态化u 以往的设备状态检修主要指一次设备，电气二次设备的状态监测对以往的设备状态检修主要指

18、一次设备，电气二次设备的状态监测对象不是单一的元件，而是一个单元或一个系统。虽然象不是单一的元件，而是一个单元或一个系统。虽然IED装置本身装置本身具备状态检修的实施基础，但二次设备的状态检修必须作为一个系具备状态检修的实施基础，但二次设备的状态检修必须作为一个系统性的问题来考虑，或者说状态监测环节应包含交流输入、直流、统性的问题来考虑，或者说状态监测环节应包含交流输入、直流、操作回路等，因此，常规变电站内很难实施二次系统的状态检修。操作回路等，因此，常规变电站内很难实施二次系统的状态检修。u 在数字化变电站中，可以有效地获取电网运行状态数据、各种在数字化变电站中，可以有效地获取电网运行状态数

19、据、各种IED装置的故障和动作信息、监测操作及信号回路状态的有效监视。数装置的故障和动作信息、监测操作及信号回路状态的有效监视。数字化变电站中将几乎不再存在未被监视的功能单元，设备状态特征字化变电站中将几乎不再存在未被监视的功能单元，设备状态特征量的采集上没有盲区。设备检修策略可以从常规变电站设备的量的采集上没有盲区。设备检修策略可以从常规变电站设备的“定定期检修期检修”变成变成“状态检修状态检修”，这将大大提高系统的可用性（，这将大大提高系统的可用性（availability）。）。数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 运行管理自动化运行管理自动化u 对于运行管理人员会带来

20、极大的方便对于运行管理人员会带来极大的方便数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 真正的数字化变电站真正的数字化变电站u 设计上充分考虑和利用新技术和新特性设计上充分考虑和利用新技术和新特性w变电站中的一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路变电站中的一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路应该全部采用微处理器和光电技术设计应该全部采用微处理器和光电技术设计u 光代替电电磁兼容特性加强光代替电电磁兼容特性加强w常规的强电模拟信号和控制电缆应被光电数字和光纤代替。常规的强电模拟信号和控制电缆应被光电数字和光纤代替。u 变电站的二次设备，如保护装置、防误闭锁、测控、录波

21、、变电站的二次设备，如保护装置、防误闭锁、测控、录波、VQC、同期等均为标准化、模块化的结构，设备之间的通信、同期等均为标准化、模块化的结构，设备之间的通信接全部采用高速的网络通信。接全部采用高速的网络通信。u 变电站运行管理系统也要实现高度的自动化。变电站运行管理系统也要实现高度的自动化。u 相信在不远的将来，完全的数字化变电站将在电网中投运。相信在不远的将来，完全的数字化变电站将在电网中投运。数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 u 在经济上在经济上w可以实现信息在运行系统和其他支持系统之间的共享，减少重复建设和投可以实现信息在运行系统和其他支持系统之间的共享，减少重复建

22、设和投资；资；w减少占地面积，从而减少基建投资；减少占地面积，从而减少基建投资；w减少变电站寿命周期内的总体成本，包括初期建设成本和运行维护成本。减少变电站寿命周期内的总体成本，包括初期建设成本和运行维护成本。w二次接线简单。可以节约安装和日后维护的成本二次接线简单。可以节约安装和日后维护的成本 数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 u 在技术上在技术上w实现数字式变电站可以减少设备的退出次数和退出时间，提高设实现数字式变电站可以减少设备的退出次数和退出时间，提高设备的可用性；备的可用性；w减少自动化设备数量，简化二次接线，信息都可自检，可靠性高减少自动化设备数量，简化二次接

23、线，信息都可自检，可靠性高提高系统的可靠性；提高系统的可靠性；w光纤取代电缆，电磁兼容性能优越光纤取代电缆，电磁兼容性能优越w设备具有互操作性，方便了设备的维护和更新，减少投运时间，设备具有互操作性，方便了设备的维护和更新，减少投运时间，提高工作效率；提高工作效率；w可以方便变电站的扩建及自动化系统的扩充。可以方便变电站的扩建及自动化系统的扩充。明天：信息的高速公路明天：信息的高速公路|无缝通信体系无缝通信体系数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 数字式变电站系统的关键技术数字式变电站系统的关键技术 u IEC61850 发展发展u 非常规传感器的稳定性非常规传感器的稳定性u

24、 通信网络的可靠性、实时性通信网络的可靠性、实时性u 信息的同步性信息的同步性u 信息的安全性信息的安全性数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 u IED设备的互操作性甚至互换性是制定设备的互操作性甚至互换性是制定IEC 61850标准的重要驱标准的重要驱动力。为保证互操作性，需要开展两类试验与测试：一致性测动力。为保证互操作性，需要开展两类试验与测试：一致性测试和性能测试。试和性能测试。u 一致性测试属于一致性测试属于“证书证书”测试，目的是测试测试，目的是测试IED是否符合特定是否符合特定标准。标准。IEC 61850-10中专门定义了一致性测试方法。中专门定义了一致性测

25、试方法。u 性能测试属于应用测试，目的是测试性能测试属于应用测试，目的是测试IED是否满足运行性能要是否满足运行性能要求。一致性测试一般由授权机构完成，而性能测试则由用户组求。一致性测试一般由授权机构完成，而性能测试则由用户组织实施。织实施。 互操作性、兼容性测试一致性测试性能测试IEC 61850-10依 据应用系统性能指标依据基础验证“证书”测试应用测试u模型不够模型不够- IED的互操作性的互操作性IEC61850 发展发展数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 非常规传感器的稳定性非常规传感器的稳定性u Rogowski线圈的电磁兼容的问题线圈的电磁兼容的问题u 有源式

26、互感器的供电问题有源式互感器的供电问题u 无源式互感器的稳定性问题无源式互感器的稳定性问题 非常规互感器非常规互感器（NCITNCIT）光学互感器光学互感器（OCTOCT/ /OVTOVT）电子互感器电子互感器（ECTECT/ /EVTEVT）电压电压变换变换电流电流变换变换普克尔效应（Pockel effect）法拉第效应(Faraday effect)塞格奈克效应(Sagnac effect)电阻分压电容分压罗柯夫斯线圈(Rogowski coil)无源型无源型传感系统传感系统有源型有源型传光系统传光系统数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 通信网络的可靠性、实时性通信网

27、络的可靠性、实时性u 在在IEC 61850中，对变电站自动化系统报文性能作了严格详细的规中，对变电站自动化系统报文性能作了严格详细的规定，依据对时间的要求将报文划分为定，依据对时间的要求将报文划分为1(快速报文快速报文)、2(中速报文中速报文)、3(低速报文低速报文)、4（生数据报文）、（生数据报文）、5（文件传输报文）、（文件传输报文）、6（时间同（时间同步报文）、步报文）、7（具有访问控制的命令报文）等七大类。其中，（具有访问控制的命令报文）等七大类。其中，“快快速跳闸报文速跳闸报文”以及对保护和控制的以及对保护和控制的“生数据报文生数据报文”的时间要求达的时间要求达3ms。u 传统以太

28、网采用随机的网络仲裁机制（传统以太网采用随机的网络仲裁机制（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection），其传输不确定），其传输不确定性是以太网进入实时控制领域的主要障碍。性是以太网进入实时控制领域的主要障碍。数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 信息的同步性信息的同步性 u 为避免电气量的相位和幅值产生误差，二次设备需要在同一为避免电气量的相位和幅值产生误差，二次设备需要在同一个时间点上获得采样数据。传统电磁式互感器输出的模拟信个时间点上获得采样数据。传统电磁式互感器输出的模拟信号不存在这个问题，但

29、由合并单元输出的数字采样信号就必号不存在这个问题，但由合并单元输出的数字采样信号就必须含有时间信息。现场试验需要验证合并单元采样数据的时须含有时间信息。现场试验需要验证合并单元采样数据的时间同步准确度，以满足系统测量和控制的需要。间同步准确度，以满足系统测量和控制的需要。u IEC 61850将对时间同步的要求划分为将对时间同步的要求划分为T1T5共共5级。其中级。其中，T1要求最低，为要求最低，为1ms；T5要求最高，为要求最高，为1us。由于传统以。由于传统以太网自身的技术限制，想通过多播的方式在网络内实现时间太网自身的技术限制，想通过多播的方式在网络内实现时间同步是很困难的。同步是很困难的。IEC 61850采用采用SNTP（Simple Network Time Protocol）实现不同设备间的采样同步，以）实现不同设备间的采样同步，以UTC(Universal Time Coordinated)作为时钟同步源。作为时钟同步源。数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 信息的同步性信息的同步性 数字化变电站数字化变电站简介简介 带来的好处带来的好处 信息的同步性信息的同步性 数字化变电站数