变电站智能化改造技术应用研究

摘要要促进智能电网的发展，就必须对智能变电站进行较深入的研究，因为后者是前者的基本前提。在分析了目前智能变电站技术发展状况的基础上，本文对其概念和设备特点进行了介绍；分析了智能变电站信息一体化平台，研究了以此平台为基础的智能数据交换技术和各种高级应用技术。关键词：智能变电站，高级应用，继电保护，变电站智能化改造第1章绪论1.1智能变电站概述作为今后电网的发展方向，智能电网需要有各种先进的技术作为支撑，比如传感器测量技术、通信网技术等与目前广泛使用的传统电网相比,智能电网的通信技术高速、实时、集成，并且拥有复杂的传感器和智能终端设备来实现对电网的不间断监控，先进的数据处理系统来实时釆集数据进行分析处理，实现电网的优化配置。我国需要建立的智能电网应该是以特高压电网为骨干网络的，这是根据我国区域发展情况和能源分布状况确定的。1.2智能变电站国内外技术现状目前来说，智能变电站仍然处于发展的初期，还有大量的技术和理论问题需要克服，其内涵也会不断拓展，但是其取代传统变电站的趋势是不可逆转的，这也是各国的共识。1.美国智能电网美国的智能电网发展水平在全球仍然是处于领先水平。这是由很多方面的因素决定的。首先美国的科技高度发展，为智能电网的建设提供了坚实的科技支撑；其次美国雄厚的经济基础和财力为智能电网提供了资金支持；第三点是美国在2003年的大停电事故之后，总结经验教训，提出了发展智能电网的行业规划。2.欧洲智能电网欧洲作为老牌资本主义国家的主要集中区域和经济高度发达的区域，其对绿色环保能源需求巨大，注重开发可再生能源，在风能、太阳能等方面投入了大量的人力和物力S3。当前欧洲的电力供应比较充足，天然气管道遍布西欧国家，这为基于天然气的分布式发电技术的发展提供条件。相对于其他区域，欧洲在发展智能电网时更加注意与可再生能源相结合。尤其是以风电、光伏发电、潮汐发电为代表。3.中国特色的智能电网我国目前的发展中国家的地位，决定了我国必须走与美国欧洲不同的智能电网发展道路。根据当前我国电网的发展状况和各地区的经济发展和能源需求差异，制定符合我国实际情况的智能电网发展道路和方式，是中国特色的智能电网建设的根本依据。欧美国家仍的经济已经高度发达，处于低速增长阶段，其电力需求也处于稳定阶段，其智能电网主要侧重于配电和用电领域，而我国由于仍然处于经济高速发展时期，电力增长需求旺盛，对特高压输电技术比较重视。欧洲国家由于可再生能源资源丰富，政策上非常重视，因此其主要是分布式发电。而我国的风能、太阳能资源分布不均匀，因此对于可再生能源发电方式，采用的是大容量、远距离输电方式。

第2章智能变电站的相关理论研究2.1智能变电站与传统变电站的比较2.1.1传统变电站的特点微电子技术与计算机技术实现了各种变电站设备所需要的数字化与低功耗性能。这些智能设备可以根据功能需求的不同而安装不同的三个层，即变电站层，间隔层与过程层。一般把具有保护功能的装置放在一起，称为保护单元，这通常包括继电器、故障记录装置、故障定位装置。而把信号釆集装置、控制装置和测量装置集合在~起，构成了一个具有多功能的设备，称为控制单元。保护单元和控制单元统称为间隔层。设备层主要是指变电站内的一次设备。通常所说的一次设备包括变压器和断路器，隔离开关和辅助接点。此外，电流互感器，电压互感器也属于一次设备。对于传统的集中式分布式变电站自动化系统，他们的信息收集从传统的电磁电流/电压互感器实现的。由于传统的的电磁电流互感器额定输出信号为1A或者5A,而电磁电压互感器的额定输出信号为100V,输出的电流和电压信号很大，不适合于作为弱电釆集电路的输入信号，因此中间需要将这些信号转化为弱电信号以供采样系统使用。2.1.2智能变电站的构架和特点智能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，基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等。与传统的变电站尤其是数字化变电站相比，智能变电站设备集成度更高，更加强调了一次、二次设备智能的、集成化的概念。除了原有的的测量和控制功能，集成的智能设备还将间隔层保护、控制和监控功能都集成到过程层高压设备现场。一,方面，在完成相应的测量、控制等功能，智能设备也承担了保护，控制和监控功能的；另一方面，智能设备通过一个标准化的接口被纳入变电站的高速网络，实现层与层之间的智能设备，智能设备和变电站的信息交流。过程层：过程层连接着一次设备与二次设备。过程层的主要功能分为三类：①实时信号釆集；②装置运行状态检测；③操作控制执行与驱动。过程层网络：连接过程层一次智能设备和起到保护、监测状态等作用的间隔层二次设备之间的通信网络。过程层通信必须实时，有很高的可靠性，并且数据可以共享。间隔层：该层设备一般是指继电保护装置，系统的监测和控制设备，监测组主IED和其他辅助设备，与各种远程输入/输出，传感器与控制器进行通信。变电站层网络：又称站控层网络，用于连接间隔层和变电站层，实现两层之间的通信。变电站层：变电站层的主要任务是聚合两个高速网络层范围内的实时数据，将相关数据或控制信息传送到调度中心，接收或调度控制中心的控制命令，并对间隔层，过程执行层的设备进行在线维护，在线配置智能设备参数。从设备结构的角度来看，智能变电站包括两个层次：1、一次设备2、二次设备。后者包括包括继电保护设备，监控设备，通讯设备。在智能变电站架构体系中，非常规互感器取代传统的继电设备的输入和输出部分；以太网电缆连接取代常规变电站二次交换式，构成新的网络通信系统；微电子技术的发展使得变电站体系借助于智能电子设备实现信息一体化；智能一次设备的发展，使数字化直接在智能变电站间隔层实现更多的功能，这是传统的变电站的技术水平达不到的。大量的使用智能化一次设备使得整个变电站布局变得更紧凑。智能变电站所采用的的大量的新产品、新技术使得智能变电站具有以下特点：1、系统分层分布化；2、数据釆集数字化；3、系统结构紧凑化；4、信息交互网络化；5、及设备检修状态化；6、设备操作智能化；2.2智能变电站信息一体化2.2.1一体化平台的作用一体化信息平台是智能变电站数据信息交换系统的核心。它为不同的子系统之间进行数据交换提供平台，实现了三层两网内的多种智能设备、数据库、使用者相互之间的数据交换和信息共享。目前，国内大多数变电站的数据共享还是基于传统的方法，数据交换设备通过约定的协义转换来实现通过数据共享。由于不同厂家的设计各自的系统时并没有没有统一标准，限制了数据交互系统的多功能性和可扩展性，不同的子系统之间无法自由交流数据信息。智能变电站的优点在于充分利用了变电站的专家库信息系统。智能设备实时采集变电站内各种状态信息，借助于过程层网络和站控层网络实现变电站内的信息充分共享。这些实时采集的信息不断地与专家数据库进行对比，综合自动化系统根据对比结果采取不同的措施，从而实现变电站的智能化运行。精确、高速的系统数据釆集系统以及充分的数据信息共享平台即信息一体化平台，这是智能变电站准确高效运行的基础，也是智能变电站与传统变电站的最大区别。2.2.2智能变电站信息一体化平台系统由于变电站系统包含了很多的子系统，系统结构复杂，系统内部存在着大量的状态信息，而这些状态信息对于系统的正常运行来说是必须的，这就要求保证这些信息被实时准确地釆集，同时为了避免对同一物理量重复釆集，必须建立一个安全可靠的有统一规范的数据信息交换平台。不同的变电站高级应用系统都依赖这个信息平台，一体化平台将采集到的信息上传到该信息平台上，同时各高级应用从此信息平台获取所需要的信息，实现变电站的所有状态信息对各个高级应用都是透明的，从而实现不同数据库之间的数据交换和共享。智能变电站的数据采集对象主要是变电站内各个一次设备的状态运行信息。信息一体化平台实时采集一次设备的状态运行信息」并将这些数据稍作处理后上传到信息平台上，变电站的各个子系统根据各自的需要从平台上读取所需要的数据，然后在各自的系统内对数据进行相应的处理，并根据釆集数据与专家库系统对比的结果，釆取不同的措施。2.2.3一体化平台系统的构架以及对数据的要求智能变电站一体化信息平台对数据的要求是数据的数字化和标准化。所谓的数字化是指变电站内各个一次设备的运行状态信息通过智能釆集模块转换为数字量，在通过以太网光纤将数字量上传到一体化信息平台上。数据的标准化是指数据在不同子系统之间进行传输时，各个子系统的通信协议和通信接口都是一样的，同时各个子系统存储釆集信息时釆用的数据格式也是一样的。在满足了数据的数字化和标准化要求之后，基于L/T860,DL/T890等一系列的变电站标准，就可以构建一体化信息平台了。

第3章继电保护配置方案的研究3.1概述智能变电站中的继电保护装置使用的是数字化设备。与传统的继电保护装置相比，硬件数量大大减小，检修也更加方便。智能变电站中的继电保护必须遵循着“双重化设计”的原则，保证每套保护装置功能独立完备、安全可靠。具体来说，继电保护的原则是：超过220KV电压等级的继电保护配置方案必须按照双重化原则进行设计。不同的继电保护装置之间相互独立、互不干扰，并且各自具有完整的处理各种故障的能力，也就是说当一套继电保护装置出现问题不能正常工作时，其他的继电保护装置不会受到影响，仍然正常运行。为了达到这一目的，不同的继电保护装置的电压和电流采样信息必须由各自的智能釆样装置完成，互不干扰，为此也必须使得每套继电保护装置拥有自己的电子互感器。此外，双重化配置因为这继龟保护使用的GOOSE(SV)网络也是相互独立的，一个网络出现故障时对其他的网络不能造成影响。3.2继电保护与GOOSE网的配置方案3.2.1GOOSE网配置方案GOOSE网与传统的电缆接线的通信方式有着很大的区别。作为一种有效的P2P通信方式，两个智能设备之间只需要作为以太网的两个节点，就可以实现高效准确的信息共享和交互。智能变电站内部的各个层网之间的通信均使用GOOSE网络，各种信息，比如保护跳闸信息、遥操作信息、间隔闭锁信息等都是通过GOOSE进行传递的。GOOSE网络按照基本的拓扑结构可以分为总线型、环型与星型。3.2.2继电保护总体配置方案这里继电保护的整体配置方案分为两种：常规保护配置方案和集中式保护配置方案。常规保护配置方案也就是传统变电站的保护配置方案，采用这种配置方案主要是因为该方案以及应用多年，技术上非常成熟，是技术人员熟悉的一种配置方案。保护装置和测控装置处于间隔层，而智能终端盒合并单元处于过程层，两层之间的通信通过GOOSE网络实现。这种组网方式会涉及到复杂的连接关系，涉及到大量的光纤，通信错综复杂，比较容易出错，维护起来也比较复杂。3.3继电保护配置具体设计方案由于集中式保护配置方案当前仍然处于方案完善的阶段，还有大量的技术问题需要解决，因此本文仍然以常规保护配置方案为研究对象，针对500KV和220KV的保护进行设计。3.3.1500KV的继电保护配置方案的设计500KV的线路保护。智能终端、MU、线路间隔的保护都是按照双重保护设计的，这两套保护之间是独立进行工作的。本方案对可能产生过电压的线路配置双套远跳保护及过电压保护，过电压保护发送远跳命令不经断路器开、闭状态控制。断路器经过智能终端釆集状态信息上传到GOOSE网和线路保护单元。线路保护单元此外还接受电流合并单元和电压合并单元的状态信息。电流合并单元、电压合并单元还和SV网进行通信，将电流和电压信息上传到SV网中，供其他模块使用。3.3.2220KV的继电保护配置方案的设计线路保护。每条线控上配置双套全线速动保护，并且各自独立组屏。每套保护均具有完整的后备保护，包括三段相冋距离、三段接地距离和至少两段零序电流保护。线路上的电流电压通过ECVT进行采集，采集得到的信息上传到合并单元，在由合并单元上传到线路保护单元和SV网。GOOSE网络用来启动母差失灵功能和母差保护动作远跳功能等。3.4小结本章讨论了继电保护装置方案的设计。在简单叙述设计原则的基础上，讨论了500kVGOOSE网配置方案、220kVGOOSE网配置方案；将继电保护的整体配置方案分为常规保护配置方案和集中式保护配置方案两种情况进行讨论。详细讨论了继电保护配置的具体设计方案。对500KV的线路保护、500kV主变保护实施方案、500kV断路器保护实施方案、500KV3/2母线保护实施方案等进行了讨论；此外还讨论了220kV线路保护技术方案和22OkV母线保护实施方案。

第4章常规变电站的智能化改造4.1改造工程简介目前国内变电站绝大多数是常规的变电站，并且变电站的数量和规模都非常巨大，若通过拆除或者废弃这些常规变电站，然后重新建设智能变电站成本太高，周期也较长。因此，对传统的变电站进行改造，使其具有智能变电站的主要或者某些功能就成为较为可行的选择。对某500KV数字化变电站实施智能化改造工程进行了分析。改造工程主要内容包含信息一体化平台建设、高级应用功能研究、一次设备智能化改造、智能巡视系统研发、辅助系统智能化改造和引入绿色能源。通过改造希望建立一体化的信息交互平台，做到变电站内信息共享，提高对信息的利用，做到设备信息数字化、功能集成化，提高变电站运行效率，增强抵御事故的能力，降低工作人员的劳动强度。本变电站是基于IEC61850标准建设的。其自动化系统包括站控层、间隔层和过程层。继电保护、测控、录波器等间隔层设备与站控层通信时釆用GOOSE网络来实现状态信息的实时传输；为了实现间隔层内的开关闸刀的动作和状态信息能够实时准确地反馈到操作人员，将智能终端就地安装于开关场地。由此可见，本电站是一个典型的数字化电站，己经具备较高的技术水平，为智能化改造工程提供了有力的条件。一次设备智能化是本次改造的重点工作，本将讨论智能断路器、变压器智能组件和断路器智能组件的智能化改造。4.2智能断路器高压开关设备常见的有三种：空气绝缘的敞开式开关设备（AIS）、气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）、混合技术开关设备（MTS）。AIS的设备外壳和外绝缘釆用陶瓷材料，成本较低，但是体积较大，而且设备的外露部件较多，容易受到外界环境的影响，对系统的安全运行造成隐患。GIS体积较小，减少了占地面积，而且GIS的功能元件都被封闭在气体绝缘可体内，不容易受外界环境的干扰，可靠性较高，而且维护较少，但是缺点是使用了大量的金属封闭母线，使得造价较高。MTS是基于AIS和GIS技术之后推出的新型高压开关设备，一般分为两类：敞开式组合电器和复合式GIS(HGIS)。与GIS相比，HGIS借鉴了AIS的技术特点，它将一相断路器、隔离/接地开关和CT集成为一组模块并且封闭于充满绝缘气体的容腔内，而对于发生事故几率很低的母线釆用敞开式进行布置。因此可以说HGIS是一种不带充气母线的相间空气绝缘的单项GIS,使得现场结构明了、简洁，安装和维护也很方便，安全性也得到了保证。对于变电站来说，HGIS完全解决了户外隔离开关运行可靠性问题，减少了对地绝缘套管和支柱数；由于釆用元件组合的模式，设备间接线距离大大减小，设备的布置尺寸也相应减小，减少占地面积。尽管HGIS有大量的优点，但是相对于智能变电站来说，其智能化程度仍然不够，而且还需要外界的开关设备与其配合，比如保护装置、测控装置和表计等。另外HGIS仍然是定期检修，无法实现在线状态检修。因此需要研制一台融合更多功能的智能断路器。这台35KV智能断路器以HGIS为平台，既包含了断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器等功能，还将在线监测、测控、智能终端、保护、计量等功能集成进来，也就是融合开关部分的一次设备和二次设备的功能。4.3变压器智能组件为了实现主变的智能化改造，为其配置一套三相的变压器智能组件。该组件的每相都有一个智能柜。主IED、控制参量IED、局放监测IED.油中微水及气体监测IED和冷却装置监测IED等多种功能装置都集成于该智能柜中。三相的智能柜中的众多IED共享一套主1ED。三相智能柜之间的通信釆用光纤以太网实现。主1ED安装于靠近一次设备的智能柜中。主IED的功能是作为站控层和各个智能检测IED的信息中转站，将子IED监测的实时数据存储下来并上传到站控层，将站控层接收的指令发送给子IED。主IED还会根据各个子IED实时采集的状态信息对一次设备的运行状态进行诊断。而监测子系统IED负责接收各种传感器采集的一次设备的状态信息，并将状态信息上传给主IED。子IED与传感器之间的通信、主IED和子IED之间的通信协议都基于IEC61850。智能组件柜通过以上的方式实现了标准化模块化的组合方式。同时柜内通信均采用光纤连接，保证了同一柜内的各个子IED之间的运行相互独立、互不干扰。4.4断路器智能组件作为高压开关设备的重要组成部分，断路器控制着某些电力设备手否投入到运行中。在电力设备或者线路出现故障时，可以及时地隔离这些设备和线路，防止因为局部的故障影响到整个变电站的运行。断路器监测IED通过多种类型的传感器来检测一次设备的运行状态。这些在线监测装置主要监测的对象包括开关跳圈合圈电流、储能电机电流和刀闸电流等。开关对指令执行的效果（即位置信息）、SF6的相关信息也都有开关在线监测装置负责。SF6微水密度传感器安装于断路器的本体结构上，对微水、密度、氣气和温度等参数实时在线监测，并和断路器监测IED通过RS485总线连接，将监测数据上传到断路器监测IED,断路器监测IED通过IEC61850将数据上传到信息--体化平台。行程传感器则对执行开关的跳闸速度、合闸速度、跳闸时冋和合闸时间实时监测，也通过RS485总线电缆与断路器监测IED进行数据交互。电流传感器釆用的是穿心式电流CT,监测断路器的跳圈电流1和跳圈电流2,合圈电流以及储能电机电流。4.5避雷器智能组件为了对避雷器的实时状态进行在线监测，必须安装在线监测设备。对避雷器的状态监测的内容包括避雷器泄露电流、阻性电流和动作次数等。本变电站原有63相避雷器，分为二十一组，每组三相。利用两套智能组件即可实现避雷器的实时状态在线监测。智能组件通过GOOSE以太网与信息一体化平台进行数据交互。现场检测传感器和避雷器绝缘监测IED之冋通过2.4GHz的无线ZigBee网络进行通信。现场检测传感器采集的信息有两个：避雷器泄漏电流和动作的次数。泄漏电流进过放大以后由AD釆集为数字信号，并由传感器内置的微处理器进行滤波计算等简单处理，计算出泄漏电流和阻性电流。对于动作