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毕业设计译文
毕业设计（论文）
译文
题目名称：
未来智能配电变电站的要求及解决方案
院系名称：
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
2012年2月
未来智能配电变电站的要求及解决方案
J.valtari¹andP.verho²
1.ABBOy，业务部门：
配电自动化，坦佩雷33720，芬兰
2.电气能源工程部，坦佩雷科技大学，坦佩雷33720，芬兰
接受：
2011.1.17/认可：
2011.2.15/出版：
2011.8.13
摘要：
本文为一个配电变电站的二次系统提出了新的解决方案。
首先，对未来配电变电站将会出现的变化进行了评估。
分布式发电，电力设备及其它可用资源都会以某种方式改变配电网的特性，而且这种方式会对配电变电站产生重大影响。
问题是当智能电网变成现实以后，配电网的功能将会发生怎样的变化。
本文提出的解决方案包括不同等级智能电子装置的控制和保护，并以此形成二次系统的框架。
它的功能由一个变电站级的站计算机进行补充，能提供重要的附加功能和先进的功能。
另外，对要求的通信和实时性方法也做了介绍。
通过对当前专一基于不同水平的设备的主流概念进行对比，本文所提出的解决方案对一个生命周期的成本也进行了评估。
关键词：
生命周期成本，配电网可靠性，智能电网，变电站
1介绍
当考虑到新的要求时，第一个需要考虑的问题就是：
准确的来说，一次配电变电站由什么构成？
配电变电站的定义是什么？
维基百科是这样给变电站定义的
：
一个变电站就是具有生产、传输、分配电能的系统，能使用变压器把高电压变为低电压或者相反的把低电压变为高电压的一个辅助的站。
国际电气技术词汇国际电工技术委员会标准60050
把变电站定义为：
它是电力系统的一部分，集中的一个特定的地方，主要包括传输终端、传输线、开关设备、厂房，还包括变压器。
一般包括保护系统安全和控制的必需设备（如保护装置）。
这两个定义中最关键的变化是从传输到配电变电站和不同电压水平之间的联系，一般有一个高电压等级（传输线）的进线（一般只有一个或多个）和几个低电压等级（配电线）输出馈线。
本文更加注重的一个方面是：
变电站的数据处理功能。
变电站不仅是一个“能量中心”也是一个“信息中心”，尽管变电站向某个更大电压等级的网络传递能量，但是变电站也能监视和控制电网。
变电站承担着电网操作和运行安全的重任，而且许多来自网络控制中心的操作都是针对变电站，正是出于这些方面的考虑，一个更加面向信息的定义就很有必要了，并在这里提出如下：
一个变电站就是具一个包含生产、传输、分配电能的系统，并对整个网络提供监控和保护，承担着把网络控制和监控功能作为主要联系点作用的辅助站。
2主要的动力和市场趋势
本章节介绍这些新要求背后的动力和市场趋势
2.1全球形势及气候变化
一般来说，当前所讨论的全球最大的危机就是气候变化。
二氧化碳排放量达到了历史最高而且还在继续增加，二氧化碳排放量与气候变化之间的关系在政府间气候变化专门委员会气候变化2007年报告中得到的充分说明，尽管对于这份报告所提供的结果也招致了一些批评。
很清楚的一个结果就是:
减少全球范围内二氧化碳的排放量，已经召开的全球会议及欧盟都已经在20-20-20计划中制定了各自的目标。
到2020年欧盟决定减少20%的二氧化碳排放量，把分布式发电的应用增加20%，并提高20%的能源利用效率。
同时如图1
所示，能源消耗将增加，无碳燃料的数量也在增加，与总的能源计划相比，电能的比重也将增加。
如图2所示，主要目标就是全面减少二氧化碳的排放量，在增加能源消耗的同时如何减少二氧化碳的排放量？
这是一个极具挑战性的难题。
应对这些挑战需要采取不同的措施，其中一些措施如图2所示，这个挑战的一个主要负担就落在了电网上，为了维持较高的发电量，而且以一种保持环境可持续发展的方式进行，需要对电力系统进行优化。
为应对这种挑战，掀起了全球范围内大量研究智能电网的热潮，这也是写这篇文章的一个动力。
图1能源消耗增长趋势（Mote=百万吨石油等价物）和无碳燃料的份额
图2二氧化碳排放量目标
2.2变电站自动化的市场情形及可预见的趋势
习惯上认为，变电站自动化是一项具有长期框架的事业和有关技术进步的保守的方法。
变电站中主要设备都有一个典型的30-50年的寿命，而且升级后的二次设备也要求能够达到同样的周期循环。
现在这个领域的事业出现了一些重要的变化。
部分变化来源于法律，还有就是随着北欧中等电压配电业对自由市场的开放。
基于这些变化制定的法规为配电公司产生了新的报告和监控要求。
被中断电力供应的消费者，可以获得赔偿。
电能的质量需要监控，在法规中非常注重分布式电能的质量，电能的质量越高网络管理者的利润就越高。
对于网络的控制已经远远超过了实际的物理网络。
在配电行业中，多个公司之间的相互合并形成一个更大的公司。
另外，近年来电力网络通信技术得到了快速的发展，使网络控制更加集中。
在网络控制中心人员查看之前，增加了对来自大型网络的数据和预处理数据的需要。
快速发展的分布式发电对中等电压网络提出了新的要求，因为中等电压网络最初设计时并没有考虑到像现在一样用于不同的场合。
这是该行业未来变化的一个很好的例子
，这需要配电公司对这种变化能够做出快速的响应。
由于新型设备的出现，配电网的基础设施也将有所改变
。
目前，欧盟中的许多国家都把他们的注意力从架空线路转移到了地下电缆，这样就会增加网络中补充线圈的数量，从而对电网保护方案产生重大影响。
对整个保护系统进行长期且昂贵的升级，用户并不乐意。
很明显，保护应该能够满足新的要求，无论从供应商
还是从用户
来说，提供配电网的自动化水平，这是公认的。
3新的要求
本章节详细介绍了对配电变电站的新要求。
已经发表的众多研究结果，对未来变智能电网的许多方面都做了大量研究，有关配电变电站方面的内容在这里做一些介绍。
3.1先进的配电网控制
故障后网络恢复供电的能力
和自愈能力是智能电网领域常见的问题。
当配电网中发生故障后，变电站应该自动复位并隔离故障，然后对网络的其他正常部分自动恢复供电。
有时，配电网需要以孤立的模式运行并受变电站的控制。
这种情况就需要变电站做出先进的控制操作，同时变电站也受网络控制中心的控制。
当前，属于数据采集与监控系统和能量管理系统中的功能必须从网络控制中心水平转到站水平。
3.2自动适应拓扑结构、生产、消费的变化
除了故障情况，在正常情况下对变化的快速自动响应也是必需的。
网络中各类电源的数量相差很大，这就要求甩负荷情况下应该运行在站水平
。
随着网络中不可控制发电量比例的增加，对负荷的动态响应就变得更加关键了。
除了控制操作，保护和监控功能也需要适应拓扑、主动资源方面的变化，为了适应每个网络的特点，功能参数也需要进行调整。
3.3网络保护更加精确和具有选择性
随着社会对电的依赖度愈来愈大，不间断供电的要求就变得更加严格了。
很多国家对不间断供电进行了立法。
中断供电需要被记录以用于数据分析，对于长时间的停电，需要对消费者进行赔偿。
这也就需要加强电网的保护功能，因此，一个更加精确的保护功能是必需的。
这些功能包括处理新的故障类型，比如高阻抗接地故障，更加精确的判断故障地点。
3.4精确的状态监控和主设备的资产管理
智能电网应该能够优化所有网络资源的使用，这就意味着所有的网络元件都能不断的得到监控，包括元件的状态和能被精确识别且必需的维护操作。
运用状态监控信息来评估、维护电网运行的必要条件，这是各种研究著作中频繁出现的话题。
基于维护的状态
和基于维护的可靠性
是用户关注的焦点。
在这些方法得到适当的运用之前，高效的数据收集和处理必需能够在厂站端得到实现
。
3.5开放界面和大量数据的多供应商平台
随着网络的复杂化，更多的数据通过变电站，而且更多感兴趣的人需要获得这些数据。
用户对现存数据的外包越来越感兴趣，这种针对第三方的外包需要得到变电站的处理数据和清晰的开放信息技术界面。
一个很好的例子就是整合了不同信息技术需要的自动化程序管理基础设施，不久的将来用于故障诊断和变电站甩负荷运行。
当变电站的功能增加后，供应商提供给变电站的功能也将增加，这也就意味着除了开放的数据处理界面，开放界面也需要多供应商平台利用数据。
将来，多供应商平台将会经营多供应商的应用程序，以一种早已在个人电脑和手机中得以实现的对环境危害没有那么高的方式。
3.6配电网的网络安全防火墙
当更多的信息运用到配电网以后，网络安全就变成整个安全非常重要的一部分。
一个安全的产品是不够的，不安全整合加到现存基础设施中就可能引起潜在的脆弱的部分
。
由于变电站类似与形成了一个分配能量的一个隔离安全的小岛，还必须能够为变电站进行通信的人和与之相联系的配电网提供可以抵挡外部攻击的信息防火墙。
3.7更低的生命周期成本
上面的章节描述了变电站的新要求，这些要求的变化速度还会加快，在变电站长期运行期间，最不言而喻也最不重要的部分就是安装费用，只把这个方面考虑进去就容易得到一个错误的观点：
只要安装费用比以前低，就能够新的二次系统的生命周期成本。
配电站的维护和升级成本与最初的安装费用遵循同样的规则。
随着配电系统更加趋于动态而不是静态，流畅且便宜的升级可能是影响生命周期成本的重要因素，配电系统中先进的状态监控能对这些工作提供支持。
更加难以估计的是：
对整个成本产生重大影响的将是配电网增加了可靠性后所带来的利润。
当前北欧的国家有义务对消费者进行赔偿，当出现长时间停电时。
电能质量的重要性在不断增加，在不久的将来，传输的电能将按照质量进行标价。
4.智能变电站二次系统结构
本章节介绍为满足未来智能电网新要求所提出的解决方案的组成部分，基于集中保护和控制功能的构想仅仅是补充，并不能替代不同等级智能电子装置的控制和保护功能，这个构想参考文献【12】中有表述，整个结构如图3所示。
下面对主要部分做详细介绍。
4.1保护、控制终端
在这种构想中保护、控制终端仍然被看作是二次系统的框架，他们具有实时的基本保护功能并且与中心站计算机进行通信。
4.2站计算机
站计算机具有所有先进的功能。
由于主保护有不同水平的智能电子装置承担，站计算机的功能可以得到快速流畅的更新，更新期间也不会影响网络的安全性。
站计算机具有两个功能策略。
第一个是实时保护功能，它需要实时过程数据且对网络安全有直接影响。
这些功能有严格的可靠性安全要求，并且不应该对许多对此感兴趣的人开放。
另一方面，离线功能能够处理历史信息。
这些功能只能通过比如状态监控和故障分析过程间接影响网络安全。
在这些功能中，开放的界面能被第三方利用，也可以提供个多供应商软件平台。
划分如图4所示。
一个基于不同水平和集中功能的划分在参考文献【13】中做了详细描述。
图3集中保护和控制的整个结构
图4集中保护和控制各部分功能
4.3国际电工技术委员会站通信61850标准
国际电工技术委员会61850标准的引进并不断得到认可使基于以太网的快速、标准化通信成为可能。
首先，站总线（标准8-1的一部分）允许不同智能电子装置设备之间同一水平的铜线进行替换。
第二，过程总线（标准9-1的一部分）可以把测量仪器和变压器的数字化测量信息经标准化方式处理后用于其他设备。
国际电工技术委员会61850标准中站总线利用面向通用对象的变电站事件信息，这在配电变电站中是常见的。
但是过程总线是在传输层和应用层得到了大量的应用。
过程总线在配电站中应用更加普遍的构想在不久的将来就能实现。
4.4电气与电机工程师协会1588时间同步标准
运用基于以太网的技术，很容易获得精度为1ms的基于软件的时间同步，且不需要高速信号线的帮助，这也是国际电工技术委员会61850标准中关于基本的时间同步T1级精度
。
目前最常见的协议是简单网络时间协议，这个协议适用于地区变电站同步性。
但是如果简单网络时间协议服务器在多重以太网结合点之后，这样所造成的延迟会增加时间同步的更加不精确。
因此简单网络时间协议并不是一个解决大系统实施的理想方法。
一般来说，全球卫星定位系统或与此类似的时间同步资源对变电站来说是必需的
电气与电机工程师协会1588标准
解决这些问题并使获得1微妙的时间同步精度成为可能。
如果国际电工技术委员会61850标准中过程总线得到应用后，这是必需的。
电气与电机工程师协会1588标准为大系统时间同步提供了经济且准确的方法，网络设备的结点延迟加以改正为时间同步结构。
5.不同情况下生命周期成本
根据参考文献【16，17】变电站中设备的生命周期成本也可分解为购买成本
运行成本
，更新成本
，见方程
（1）：
=
+
+
（1）
在方程
（1）中，
表示整个生命周期成本，运行成本可进一步分为维护成本
（计划维护）和失败成本
（非计划维护），见方程
（2）
（2）
失败成本是元件替代成本
和不传递能量的罚金
，见方程（3）
=
+
（3）
本章节中所提出的生命周期成本的构成不同于其他情况，在这里考虑了3种不同的情况：
（1）全部功能分布到智能电子设备中，智能电子设备具有高截止延迟的功能。
（2）全部功能都集中于一个站计算机（两个站计算机是必需的，因为必需有一个后备计算机），测量数据来源于集成单元。
（3）本文所提出的结构是把解决方案和站计算机、智能电子设备联合起来，智能电子设备具有低截止延迟功能，但是站计算机中包括了高截止延迟功能。
评估这三种不同的情况所需的不同成本因素有：
购买成本，更新成本，维护成本，由于不传输能量而遭罚金的失败成本。
5.1购买成本
为了获得购买成本，需要对单位成本（包括购买和更新）和可预见的更新周期进行评估。
如表1所示，价格评估包括设备的价格和劳动的价格（安装和调试），在芬兰各自占一半。
除了站计算机和加上其他条件，更新价格和购买费用相等，站计算机更新的更加频繁，且在大部分的更新措施都只是对软件进行更新。
在全集中结构中，第二台站计算机当用到其后者功能时才得到应用。
因此，考虑到其高底截止延迟特性，也需要简单估计其更新周期。
表1不同设备的价格及更新周期
价格/千欧元
更新价格/千欧元
更新周期/年
高截止延迟
6
6
15
低截止延迟
3
3
20
集成单元
1
1
20
站计算机
20
3
2
站计算机（后备）
20
20
20
当应用表1中单位价格时，不同情况中的购买成本如图5所示。
从图5中可以得到这样一个结论：
只用一个等级的高截止延迟是所有方法中最经济的。
当一个变电站具有7条以上馈线时，本文所提出的解决方案最经济。
全集中结构时购买成本最低。
5.2购买和更新成本
当考虑到更新成本时，情况就发生了变化，因为智能电子装置满足了新的要求，使高截止延迟有一个更短的生命周期，这就促使应用一个更快的升级周期而不像其他场合一样（15年），低截止延迟的生命周期与后备站计算机都估计为20年。
未来满足未来变电站动态特性，站计算机的生命周期缩短了两年。
另一方面，这些更新主要是软件的更新，也就是意味着不太昂贵的更新。
图6显示了这些成分在40年间的全部成本。
当变电站具有6条馈线时，增加的这些优点使具有一台在计算机和低截止延迟的情况更加经济。
5.3购买、更新、维护成本
另外，一个被包括在生命周期成本中的一项是计划维护成本。
二次系统经常需要计划检修，无论在什么情况下，这些维护工作一般都不需要考虑，不过不同情况中所计算出的除外，如更新期间的维护工作，以前只有在更新期间的设备成本才会考虑计算，但是更新还需要不与设备直接相连的用户采取措施，如项目计划，收集报价单，供应商选择，更新期间网络临时拓扑计划，后备联系中开关操作的执行等等。
这些成本的精确数值并不能够得到，但是根据最终用户可以估计这些操作每个变电站每月大约需要一个半人，在芬兰大约需要15千欧元的附加成本。
图5不同情况下的购买成本
图6不同情况下的购买成本和更新成本
这些维护成本与变电站的二次保护具有同样的周期，比如全集中结构中设置为15年，双集中结构中为20年。
考虑到这些附件成本，二次系统的成本如图7所示。
考虑到这些附加成本使集中结构更加经济，对于具有五条馈线的变电站亦是如此。
5.4购买、更新、维护和失败成本
图7不同情况下的购买、更新和维护成本
尽管各个项目都会对整个成本产生影响，但是更加难以估计的将是随着配电网可靠性的增加而带来的利润。
随着变电站功能的更新，保护更加具有选择性（减少了不必要的错误），故障状态能快速的切除，故障区域更小，维护更加精确等。
但是这个方法却很难估计，与1前的旧系统相比，10前的旧系统的可靠性怎么样呢？
二次系统的故障频率怎样呢？
10年后这两个问题的答案又是什么呢？
特别是对于配电网，由于用户没有足够的资源对二次系统的故障数据进行收集和分析，所以说精确的数据并不存在。
错误的操作带来的经济损失是很大的。
输出馈线上突发的故障并不会对能量供应产生真正的影响，另一方面，对输出馈线的保护单侧错误操作可能引起输入馈线上保护的动作。
这会对由变电站供电的整个网络中断供电，这样的损失比全年故障损失加起来之和还要大。
对保护失败所引起的损失进行评估，这是挪威一直致力于研究的方面。
通过对保护错误操作和1-420kv电压水平控制系统的研究，比较主要的错误操作和拒绝操作，文章得出了主要的结果。
1999-2003年的数据表明：
错误的活不期望的操作是主要的故障类型，并且随着电压水平的提高，故障数据和能量中断供应数据相应增加。
研究认为在所有的能量中断供应中，配电网中5%的故障源于保护系统，并且有在所有操作中有1.5%的操作都是错误的。
所有故障中46%错误操作，6%是拒绝操作，48%的故障没有被精确区分，但是对于电力系统来说，这种详细的结果是不够的，因为它仅仅提供了整个错误操作所占的比分比。
根据参考文献【19】，芬兰2008年由于故障引起的传输线平均时间是1.6小时，它包括了6.74个不同的故障。
当兵估计的1.5%作为错误操作的比例，可以得到：
对于每条馈线一年内，每0.1个错误操作就会增加二次系统1.46分钟的停电时间，把这1.46分钟转化为可靠性指标，就可以得到如图8所说的图形。
在图8中，第零年的可靠性通过每年1.62h停电时间而被估计。
图中实线代表估计能取得的最大可能值，这里做了这样一个假设：
15年后，所有操作中只有0.5%的操作是错误操作对于1%单元发生故障来说有了一定的提高。
图中虚线代表集中结构的可靠性的变化，安装完后系统可靠性由于几个方面的原因而逐渐减小，由于网络的变化，设备的逐渐老化，参数逐渐过时。
如图所示，这在图中表示一个下降的曲线，是基于这样一个假设：
所有的操作都没有升级2.5%的操作的话，15年后就会发生故障。
如图8所示仅仅基于错误的操作能够就算可靠性，因为得不到其他的数据（甚至是有限的数据）。
本文提到的影响可靠性的其他原因有：
错误的故障地点，错误的状态监控都会引起过早的维护，哪怕某一功能的升级都会提高系统的成本-效益。
图8中也清楚地以点线表示了集中结构的利润。
频繁的更新使功能不断接近理想水平，但是维护成本却一直保持为最小。
图8保护可靠性
为了评估停电所造成的经济损失，在芬兰为用户停电损失定义了一个词（“keskeytyksestaaiheutunut”简称KAH）对不同消费群体造成的损失如表2所示。
用表2中的平均停电损失，平均传输功率为0.8MW的馈线，同样是40年的综合生命周期成本如图9所示。
图9中，考虑了不同的可靠性，但并不是实际的可靠性，用图形可表示为图8中的三角形区域。
这些数字表示对系统可靠性产生的影响，并提出了这样的假设：
对于只有四条馈线的变电站，应该使用带站计算机的集中结构。
值得注意的是：
上面计算的目的并不在于精确的、大规模的生命周期成本分析，主要的目的是表明集中和非集中的所有方面都会对整个生命周期成本产生影响，并为下一步计算提供方法论，尤其是当研究失败成本、不同类型的故障、进一步的数据分析时，这是必需的。
表2芬兰不同消费群体的停电损失
欧元/千瓦
欧元/千瓦时
家用
0.36
4.29
农业
0.45
9.38
工业
3.52
24.45
公共场合
1.89
15.08
服务也
2.65
29.89
基于能源份额和停电频率的平均值
1.1
11.00
图9综合的生命周期成本包括失败成本
6.总结
由于越来越多的分布式发电和其他主动资源，在一次配电变电站中越来越多智能化要求尽管这些智能电网方面的重要性尚不为人知，但是对二次系统的升级周期要求更快。
为了应对生命周期成本带来的挑战，提出了一个新的构想，就是：
使用站计算机及新的通信和时间同步标准。
在一些小的变电站中，使用同一水平的智能电子装置是当前普遍使用的方法，并且在将来仍然具有经济性。
另一方面，根据本文提出的计算，具有3条以上馈线的变电站应该使用站计算机。
这里给出的依据是表1中列出的最初的成本，尤其是与保护系统可靠性相联系的估计值。
为了得到更好的结果，需要对保护系统的可靠性做更多的研究。
根据给定的价值，集中结构的成本-利润变得更高，对变电站大小的限制也会有所不同，但是主要的结果是显而易见的：
变电站越大，站计算机越集中，周期成本就越低。
在第三部分给出的新的要求使得到补偿的非集中结构具有快于估计的15年的更新周期，从而使集中化带来的利润更加可观。
鸣谢
这项工作由智能电网和能源市场研究组织实施，有CLEEN有限责任公司协调，科技和创新专项支持机构进行来了资金支持。
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