数字化变电站试点阶段性工作总结09630四川.docx

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数字化变电站试点阶段性工作总结09630四川

数字化变电站试点阶段性工作总结

四川省电力公司

四川电力设计咨询有限责任公司

四川电力试验研究院

2009-6-30

一、建设数字化变电站的必要性

　　数字化变电站采用统一规约IEC-61850，采用该标准对变电站对象进行统一建模，保证了数据模型的统一和设备的互操作，提高了变电站的自动化、信息化水平，减少了调试和运行维护的工作量。

数字化变电站是网络化的变电站，大大提高了设备信息的共享，并为二次设备的集约化奠定了基础。

一次、二次设备的数字化、智能化使得建设统一的智能电网成为可能。

正是由于数字化变电站具有这些特点和优势，数字化成为变电站建设的发展方向。

二、数字化变电站的主要特征和特点

数字化变电站的主要特征是：

统一的通信规约，一次、二次设备的数字化、智能化和设备的网络化连接。

数字化变电站目前处于试点建设阶段，随着相关技术的不断发展，数字化变电站在近期、中期、远景应具备如下特征。

近期：

1）在站控层实现IEC-61850；

　　　2）有条件的，采用电子式互感器；

　　　3）有条件的，过程层组建GOOSE网，实现控制命令、保护出口、设备信息的网络化传输。

中期：

1）在站控层实现IEC-61850；

　　　2）采用电子式互感器，合并器输出采用61850-9-2，实现电流、电压采样值的网络化传输；

　　　3）过程层组建GOOSE网，实现控制命令、保护出口、设备信息的网络化传输；

　　　4）有条件的，过程层采样值网络和GOOSE网合并；

　　　5）一次设备采用配置就地智能单元的方式实现数字化、智能化。

远景：

1）全站采用IEC-61850；

　　　2）采用电子式互感器；

　　　3）一次设备自身实现数字化、智能化；

　　　4）站控层、过程层网络合并，实现全站唯一网络；

　　　5）二次设备集约化；

　　　6）实现站间通信标准化，融入智能电网建设。

三、数字化变电站相关规程规范

1.数字化变电站现有标准

　　目前已有的数字化变电站标准为国际电工委员会颁布的IEC-61850系列标准，我国与该标准对应的是“中华人民共和国电力行业标准DL/T860”。

标准共分10个部分，定义了变电站内智能电子设备之间的通信和相关的系统要求。

目前，在设计、设备制造、试验、安装调试等方面还缺乏相应的规程规范。

2.数字化变电站待编写的相关规程规范

1）数字化变电站设计技术规程：

就通信规约、设备配置、组网原则、计度等方面进行规范和明确；

2）数字化变电站二次设备试验规范：

就现有数字化变电站二次设备，包括保护、监控、智能单元提出试验内容和验收方法；

3）电子式互感器试验规范：

就电子式互感器及合并器提出试验内容和验收方法；

四、数字化变电站试点情况

1．依托试点工程建设开展的设计技术研究情况

　　四川省依托工程为：

绵阳东220千伏变电站新建工程。

1）研究目的：

制订依托工程总体技术方案；对设备选型提供理论技术支持；完善设备标准化；对二次设计进行规范和指导；探索新技术在依托工程的应用；为推广数字化变电站建设提供指导和借鉴。

2）主要内容：

制订了依托工程技术方案，同时为配合技术方案的实施对关键技术分课题进行了专题研究，共分10个课题。

3）成果形式：

形成了依托工程技术方案和10个相关课题的研究报告。

4）解决问题：

－提出了过程层GOOSE网络拓扑结构选型原则和方法；

－提出了数字化变电站电气二次设计的内容和方式，利用采样值信息表、GOOSE信息表解决数字信息的可视化；

－提出了合并器模型和接口的标准化方法；

－提出了数字化站光纤纵差保护交换信息的标准化方法；

－提出了电子式互感器和其他电气设备的组合方法，采用电子式互感器和隔离开关组合的方式；

－提出了智能单元端子箱技术功能及检验方法。

5）应用情况

根据依托工程技术方案和相关课题的研究成果，在依托工程中进行了如下应用：

－过程层GOOSE网采用双星型的拓扑结构；

－在施工图设计阶段，将按照“数字化站电气二次设计表达”课题的研究成果，组织施工图设计，利用采样值信息表、GOOSE信息表解决数字信息的可视化；

－全站采用电子式互感器，采用和隔离开关组合的方式；

2．试点工程实施方案

（1）组网方式和交换机配置

全站组建站控层网络和过程层网络，物理隔离。

站控层网络双以太网配置。

过程层网络分为采样值网络和GOOSE网络，物理隔离。

220千伏第二套线路保护的采样值传输采用-9-2，交换机组网方式；其他二次设备的采样值传输采用-9-1，单向多路点对点方式。

过程层GOOSE网分为220千伏GOOSE网和110千伏GOOSE网，物理隔离，均双星型冗余配置。

10千伏部分不组建GOOSE网，10千伏保护测控合一装置安装于开关柜内，与配电装置机构柜内常规接线，并通过以太网口直接与站控层连接。

网络交换机采用多间隔配置方式，在GOOSE网选用16口交换机，1台交换机连接3个间隔的间隔层和过程层设备。

站控层交换机端口选用电口，过程层交换机端口选用全光口。

（2）电子式互感器和合并器配置原则和技术要求

全站配置电子式互感器。

在220千伏1回线路和110千伏2回线路选用磁光原理的电流互感器，其他间隔电流互感器采用罗氏线圈原理。

双重化保护用罗氏线圈配置2个，单套保护用罗氏线圈配置1个。

电流互感器同时单独配置低功率小铁芯线圈1个，用于计度。

合并器按间隔配置，双重化保护用合并器配置2个，单套保护用合并器配置1个。

同时配置母线电压合并器，带电压并列功能，输出母线电压至各间隔合并器。

间隔合并器具有电压切换功能。

（3）智能终端配置原则和技术要求，智能终端端子箱技术要求

对应双重化保护的智能终端也双重化配置，采用双CPU双网口方式；对应单套保护的智能终端单套配置。

智能终端安装于就地端子箱内，应满足现场电磁兼容方面的要求和大气环境方面的要求。

智能终端端子箱采用双层不锈钢箱体，箱内配置温湿度控制器和2台换气扇。

（4）基于IEC61850标准、电子互感器应用的保护测控装置配置原则和技术要求

　　保护装置、测控装置需按61850标准设计，其装置内的各个逻辑节点按标准要求建立，满足一致性和互操作的要求。

220千伏线路保护、母差保护和主变保护双重化配置。

装置接口包括：

站控层以太网口、GOOSE网口和接收数字化采样值的接口。

GOOSE网口和采样值接口应采用光纤接口。

（5）基于IEC61850标准的电能计量配置原则和技术要求

　　采用罗氏线圈原理的电流互感器内部配置有计度专用的低功率小铁芯线圈。

电度表接收来自合并器的电流电压采样数字信号，与合并器的接口采用光纤ST接口。

电度表另配置有RS485串口，与电能采集装置接口。

关口计度点，电度表按主、副表双表配置。

（6）基于IEC61850标准的二次系统其他部分配置原则和要求

　　依托工程的对时及同步：

站控层、间隔层设备采用61850中的SNTP网络对时协议，实现网络对时；过程层合并器由于需要同步，对时间精度要求高，SNTP不能满足其精度要求，需采用B码硬接线对时。

（7）数字信息在设计文件中的表达方式

　　“数字化站电气二次设计表达”课题对表达方式有专门的研究和论述。

利用采样值信息表、GOOSE信息表解决数字信息的可视化问题。

信息表罗列了网络上的各种IED设备，按发送端、接收端、信息、信息在接收端的功能应用四个部分分项填表。

采样值信息相对简单，容易清楚地表达；GOOSE信息的情况比较复杂。

无论是采用信息表，还是虚端子，其实质都是将GOOSE报文虚拟为一个或多个开关量，由发送端、接收端、一个信息（一个虚拟开关量）构成一个二次回路的描述。

目前，对于GOOSE报文所包含的信息数量和内容没有相关的规程规范，大多由设备厂家自行定义，需要组织相关管理部门、设计单位和设备厂家共同制订标准的GOOSE报文信息。

（8）电缆沟、土建构筑物设计方案

采用地上电缆槽，大大减少站区土石方挖填方量，减少湿作业及施工周期。

1）站区电缆采用沟道和地上电缆槽相结合的敷设方式；

2）站区220kV配电装置区与110kV配电装置区电缆沟采用低支架电缆槽盒敷设方式。

同时全站铺碎石为低支架电缆槽盒地面化，为站区排水创造良好的条件，站区场地排水不会因为地面低支架电缆槽盒被阻断，因为电缆槽盒下有很好的碎石虑水层。

电缆槽底部开孔排水，有效地解决电缆沟积水的老毛病。

主控通信楼：

采用单层设计方案。

1）平面设计：

根据总平面布置，基地位置狭长，主控通信楼平面呈矩型。

将功能相近用房尽量合并或相邻布置，以节约建筑面积和电缆长度，并方便运行管理。

主控制室、继电器室、通信室合并为一室；蓄电池室共两间、安全工具间、检修及备品间、资料室和卫生间各一间，并设有供检修人员休息、开会的机动用房一间。

该方案特点是单层布置无楼梯间，无走廊，无门厅，建筑面积按轴线计为337m2，建筑面积使用率达到了100％。

不设电缆夹层，继电器室采用500mm高的钢质抗静电防火活动地板。

2）立面设计：

根据不同的使用功能，主控通信室层高3.75m（尽高3.0m）、其它房间层高3.35m，充分利用建筑空间，控制建筑的层高，建筑体积为1155m3，达到控制建筑体积节约投资的目的。

3）采用外墙、门窗、屋面等全方位的建筑节能措施，通过建筑节能计算，达到节约能耗36％。

（9）与常规变电站技术经济比较

数字化变电站在以下几个方面较常规变电站有明显的经济效益：

－数字化网络的应用取代了全部控制电缆，可以节约大量铜材；

－电子式互感器与其他配电装置组合，可以压缩场地纵向距离，节约占地；

－控制电缆被光缆取代，电缆沟尺寸大幅减小；

－随着技术的成熟，数字化变电站的安装调试和运行维护工作量大幅降低。

但是，目前试点建设的数字化变电站造价却并不比常规站便宜，甚至更贵。

这主要是由于与数字化相关的一次、二次设备价格偏高造成的。

随着数字化变电站的逐渐普及，在规模效应影响下，设备价格将回落到合理水平。

五、数字化变电站关键技术和设备技术经济指标和可靠性调研

1.过程层交换机和智能终端

　　过程层网络是数字化变电站系统的核心部分，交换机是其中的关键设备。

应选用100M、全光口的交换机。

对于独立组网采用-9-2方式的采样值网络，若用于单间隔保护，交换机可选用100M；若用于跨间隔保护（主变、母差），交换机应配置1000M端口。

交换机应满足61850对通信的要求及电磁兼容的要求，荷兰KEMA公司提供这方面的国际权威认证。

加拿大罗杰康公司、台湾摩莎公司、中国东土公司均获得了KEMA认证。

2．电子式互感器以及合并器

　　电子式电流互感器分为罗氏线圈原理和磁光原理。

目前投入运行的均为罗氏线圈原理，磁光原理仅有少量挂网试运行。

电子式互感器厂家一般均能配套提供合并器。

3．基于IEC61850标准、电子互感器应用的保护测控装置

　　国内主流二次设备厂家均能生产数字化变电站所需保护装置和测控装置。

4．基于IEC61850标准的电能计量

　　数字化电度表的生产厂家有：

南京新宁公司、湖南威胜公司。

六、推荐工程实施方案

1．数字化变电站IEC61850工程模型

　　61850定义了13类、近百种逻辑节点，基本囊括了变电站的一次、二次设备和功能。

对于未定义的设备或功能可以参照61850标准中对扩充逻辑节点的要求建立数据模型。

2．网络结构和网络交换机等设备配置原则

目前采用站控层、过程层独立组网，过程层采样值、GOOSE独立组网的原则。

将来随着网络技术的发展，各独立的网络将逐步融合，最终形成全站唯一网络。

单个网络拓扑结构选型原则：

交换机数量≤5时，宜选择环型；

5＜交换机数量≤10时，宜选择星型；

交换机数量＞10时，应选择星型。

交换机应根据端口数量连接多个间隔的设备，不宜按间隔配置，以减少网络中交换机数量，节省投资。

3．就地智能单元配置原则和技术要求

对应双重化保护的智能终端也双重化配置，采用双CPU双网口方式或者独立的两个装置的方式；对应单套保护的智能终端单套配置。

4．电子式互感器选型原则和技术要求

　　电子式电流互感器同时采用罗氏线圈原理和磁光原理。

5．保护测控装置配置原则和技术要求

　　保护装置、测控装置需按61850标准设计，其装置内的各个逻辑节点按标准要求建立，满足一致性和互操作的要求。

220千伏线路保护、母差保护和主变保护双重化配置。

装置接口包括：

站控层以太网口、GOOSE网口和接收数字化采样值的接口。

GOOSE网口和采样值接口应采用光纤接口。

6．电能计量配置原则和技术要求

采用罗氏线圈原理的电流互感器内部配置有计度专用的低功率小铁芯线圈。

电度表接收来自合并器的电流电压采样数字信号，与合并器的接口采用光纤ST接口。

电度表另配置有RS485串口，与电能采集装置接口。

关口计度点，电度表按主、副表双表配置。

7．二次系统其他部分配置原则和要求

对时及同步：

站控层、间隔层设备采用61850中的SNTP网络对时协议，实现网络对时；过程层合并器由于需要同步，对时间精度要求高，SNTP不能满足其精度要求，需采用B码硬接线对时。

将来，随着IEEE1588（精确网络对时协议）技术的成熟，应全站采用网络对时方式。

8．数字化变电站二次设备布置方式和组屏方案

站控层设备、间隔层设备和过程层合并器在主控继电器室集中布置。

智能单元就地下放布置于场地端子箱内。

由于保护装置、测控装置、合并器可能由不同厂家提供，宜按设备类型组屏。

9．数字信息在设计文件中的表达基本原则和要求

利用采样值信息表、GOOSE信息表解决数字信息的可视化问题。

信息表罗列了网络上的各种IED设备，按发送端、接收端、信息、信息在接收端的功能应用四个部分分项填表。

10．数字化变电站配电装置型式。

选用电流-电压一体式互感器，将互感器集成于隔离开关支柱绝缘子中,将互感器与隔离开关整合为一个整体。

220千伏选用悬吊管母线中型布置，110千伏选用支柱管母线半高型布置。

11．其他，如智能高压电器的应用等

　　需组织一次设备厂家研究解决一次设备的数字化、智能化。

七、下一步工作建议

1．数字化变电站建设应统一的主要设计原则和技术要求

就通信规约、设备配置、组网原则、计度等方面进行规范和明确。

2．基于IEC61850标准、电子互感器应用的线路光纤纵差保护保护装置交换信息标准化

当220kV线路的一侧为数字化变电站时，根据线路保护装置双重化的配置原则，可选择其中一套光纤纵差保护装置进行试点，线路保护两侧装置的生产厂家、型号不同，但交换信息均采用“依托试点工程建设开展的设计技术研究”中提出的“线路光纤纵差保护交换信息标准化模型”。

根据试点工程基于光纤纵差保护交换信息标准化模型的线路保护的运行情况，总结提炼出数字化变电站光纤纵差保护配置原则和技术要求，在此基础上尝试提出数字化变电站站间信息交换的标准。

3．电子式互感器及合并器接口标准化

继续研究具有灵活性、通用性且标准化的MU（合并器）模型和满足二次系统各类设备对电流信号和电压信号要求的MU（合并器）接口标准。

4．基于IEC61850标准的电能计量装置应用

　　目前已有厂家生产用于数字化变电站的电度表，具备数字接口，厂家提供的精度也满足要求。

南京新宁、湖南威胜的数字化电度表均获得了“中华人民共和国制造计量器具许可证”，即CMC证，但发证机关是省、市一级的质量技术监督局，是否为电网公司营销部门认可有待落实。

5．过程层GOOSE网故障及解决办法

　　双网冗余配置可以解决单个网络故障对变电站安全运行的影响。

下一步需要解决网络监测的问题，包括：

链路、端口工作状况和流量监测，全网拓扑结构的后台显示，故障报警等。

需交换机厂家和相关二次设备厂家配合研发相关软硬件。

6．需要研究编制的相关技术标准及规程、规范

1）数字化变电站设计技术规程：

就通信规约、设备配置、组网原则、计度等方面进行规范和明确；

2）数字化变电站二次设备试验规范：

就现有数字化变电站二次设备，包括保护、监控、智能单元提出试验内容和验收方法；

3）电子式互感器试验规范：

就电子式互感器及合并器提出试验内容和验收方法；

7．引导制造商开发智能高压电器设备

　　需组织一次设备厂家研究解决一次设备的数字化、智能化及电子式互感器与其它一次设备的组合。

8．其他

目前，对于GOOSE报文所包含的信息数量和内容没有相关的规程规范，大多由设备厂家自行定义，需要组织相关管理部门、设计单位和设备厂家共同制订标准的GOOSE报文信息。