數字化變電站自動化系統解決方案1數字化變電站是由智能化一次設備、網絡化二次設備在IEC61850通信協議根底上分層構建，能夠實現智能設備間信息共享和互操作的現代化變電站。與常規變電站相比，數字化變電站間隔層和站控層的設備及網絡接口只是接口和通信模型發生了變化，而過程層卻發生了較大的改變，由傳統的電流、電壓互感器、一次設備以及一次設備與二次設備之間的電纜連接，逐步改變為電子式互感器、智能化一次設備、合并單元、光纖連接等內容。2IEC61850將數字化變電站分為過程層、間隔層和站控層，各層內部及各層之間采用高速網絡通信。整個系統的通訊網絡可以分為：站控層和間隔層之間的間隔層通訊網、以及間隔層和過程層之間的過程層通訊網。站控層通信全面采用IEC61850標準，監控后臺、遠動通信管理機和保護信息子站均可直接接入IEC61850裝置。同時提供了完備的IEC61850工程工具，用以生成符合IEC61850-6標準的SCL文件，可在不同廠家的工程工具之間進行數據信息交互。間隔層通訊網采用星型網絡架構，在該網絡上同時實現跨間隔的橫向聯鎖功能。110kV及以下電壓等級的變電站自動化系統可采用單以太網，110kV以上電壓等級的變電站自動化系統需采用雙以太網。網絡采用IEC61850國際標準進行通信，非IEC61850規約的設備需經規約轉換后接入。考慮到傳輸距離和抗干擾要求，各繼電小室與主控室之間應采用光纖，而在各小室內部設備之間的通訊那么可采用屏蔽雙絞線。根據過程層的不同需求，我們提供了以下兩種數字化變電站解決方案。如圖2-1所示，在過程層采用電子式PT/CT以及智能化開關設備，變電站所有裝置的交流采樣數據通過與MU合并單元通信獲得，各種測量與保護裝置的交流采樣局部全部取消，通過GOOSE網絡傳輸實時跳合閘和保護間配合信號，全站使用IEC61850標準進行信息交互。該方案的組網原那么主要包含以下幾點：1)監控層網絡使用星型獨立雙網。星型網絡相比環型網絡結構簡單、配置簡潔，且降低了網絡風暴形成的風險；2)由于數字化變電站中的過程層通訊網絡上數據傳輸的重要性，過程層通訊網需要和間隔層通訊網從物理上分開。過程層GOOSE網絡采用星型雙光纖以太網，與站控層分開組網。對于超高壓變電站，推薦按電壓等級分開組網。同一電壓等級的GOOSE網絡連接在一起，可以充分保證GOOSE的信息共享的特點；3)電子式互感器模擬量數據傳輸采用點對點的符合IEC60044-8標準的光纖網絡進行數據傳輸。確保了模擬采樣值傳輸的實時性和可靠性。圖2-1支持電子式互感器和GOOSE的數字化變電站解決方案圖2-2支持電子式互感器和智能控制柜的數字化變電站解決方案在該方案中，通過PCS-9820GIS智能控制裝置實現對一次和二次設備的智能化控制，將二次保護測控和GIS的智能控制功能有機整合后下放至GIS本體旁，對上按IEC61850標準接入站控層設備，對下與開關機構之間通過電纜連接接插端子，整個方案大大減少了控制電纜，優化了二次回路，簡化了設計，真正實現了智能開關功能。同時滿足和表達了數字化變電站的可靠性和先進性。3電子式互感器是具有模擬量電壓輸出或數字量輸出，供頻率15Hz-100Hz的電氣測量儀器和繼電保護裝置使用的電流或電壓互感器。按照IEC60044-7/8的定義，電子式互感器是由連接到傳輸系統和二次轉換器的一個或多個電流或電壓傳感器組成，用于傳輸正比于被測量的量，供應測量儀器儀表和保護或控制裝置使用的裝置。電子式互感器通常由傳感模塊〔安裝在遠端一次側，又稱為遠端模塊〕和合并單元〔又稱為合并器〕組成。根據傳感模塊是否需要供電來劃分，可分為有源式電子互感器和無源式電子互感器。根據應用場合以及整體結構的差異來劃分，可分為GIS結構電子式互感器、AIS結構電子式互感器和直流電子式互感器。目前有較多工程應用的為有源式電子互感器，其主要利用電磁感應等原理感應被測信號，如基于羅戈夫斯基〔Rogowski〕線圈和低功率線圈的電子式電流互感器；基于電阻、電容、電感分壓的電子式電壓互感器。這種互感器傳感頭局部具有需用電源的電子電路，用于GIS或者罐式斷路器更方便，對于AIS應用場合，那么采用取能線圈或激光供能的方法，以解決電源問題。電子式互感器通過合并單元為間隔級設備提供電流和電壓信號，數據傳輸應符合相關標準，目前主流的傳輸標準包括：IEC60044-8〔FT3格式〕、IEC61850-9-1和IEC61850-9-2。對于保護、特別是差動保護等應用場合宜應用可靠性較高的IEC60044-8標準；對于需要信息共享的應用場合，可以應用互操作性較好的IEC61850-9-1等標準。電子式電流互感器模擬量輸出標準值為22.5、150、200、225mV〔保護用〕和4V〔測量用〕，數字量輸出標準值為2D41H〔測量用〕和01CFH〔保護用〕。各廠家提供的電子式互感器輸出必須滿足以上標準。電子式互感器的精度等級：測量用CT的標準精度為0.1、0.2、0.5、1、3、5級，供特殊用途的為0.2S和0.5S級；保護用CT的標準精度為5P，10P和5TPE，其中5TPE的特性考慮短路電流中具有非周期分量的暫態情況，其穩態誤差限值與5P級常規CT相同，暫態誤差限值與TPY級常規CT相同。由于各個間隔的電子式互感器獨立工作，為獲得在同一時刻的電流、電壓瞬時值，需要在各個遠端模塊之間實現同步。我們的方案是：在合并單元通過插值算法，實現采樣同步。這種方案能在保證同步精度的前提下不依賴于任何外部同步時鐘源，具有較高的可靠性。PCS-9250系列電子式互感器包括10kV,500kV不同電壓等級的獨立型電子式電流電壓互感器及GIS用電子式電流電壓互感器。電流互感器的額定二次輸出為2D41H〔測量〕/01CFH〔保護〕，測量精度為0.2s/5TPE，電壓互感器的額定二次輸出為2D41H，測量精度為0.2/3P。PCS-9250系列電子式互感器主要包含以下產品。GIS用電子式電流互感器PCS-9250-EGCGIS用電子式電壓互感器PCS-9250-EGVGIS用電子式電流電壓組合互感器PCS-9250-EGI獨立型電子式電流互感器PCS-9250-EAC獨立型電子式電壓互感器PCS-9250-EAV獨立型電子式電流電壓組合互感器PCS-9250-EAI直流電子式電流互感器PCS-9250-EACD中低壓電子式電流互感器PCS-9250-LAC中低壓電子式電壓互感器PCS-9250-LAV由于電子式互感器中不再有繞組的概念，傳感模塊的配置決定了整個系統的可靠性。考慮到雙重化保護的需要，保護傳感模塊，包括采樣線圈、A/D轉換、電源等必須雙重化獨立配置，測量傳感模塊可以單獨配置。典型的配置結構如下列圖所示：(淺色為保護采樣線圈、深色為測量采樣線圈)圖3-1電子式互感器配置方案合并單元的配置根據保護要求可以選擇雙重化配置和單配置，一個典型的110kV變電站合并單元配置如圖3-2所示：下列圖以變電站的4個典型間隔為例進行了配置說明，線路間隔、主變間隔、母聯間隔配置電子式電流電壓互感器PCS-9250-EGI，母線PT間隔配置電子式電壓互感器PCS-9250-EGV，其安裝位置如下圖合并單元(MU)PCS-221除主變間隔因參與變壓器保護雙重化需配置兩套合并單元MU2A，MU2B外，其余線路、母聯、PT間隔合并單元均為單一配置。線路間隔合并單元MU1對本間隔送出的電流、電壓信號及母線PT間隔MU4,MU5送出的母線電壓信號進行包括電壓切換、合并等功能的處理后給各保護裝置、測控裝置、計量裝置使用。母聯間隔合并單元MU3對本間隔送出的電流、電壓信號進行合并處理后給各保護裝置、測控裝置使用主變間隔的合并單元MU2A對本間隔送出的電流、電壓信號及母線PT間隔MU4,MU5送出的母線電壓信號進行包括電壓切換、合并等功能的處理后給變壓器第一套保護裝置、測控裝置使用。MU2B對本間隔送出的電流、電壓信號進行合并處理后給變壓器第二套保護裝置使母線PT間隔的MU分別接入來自兩條母線上的電壓信號并實現電壓并列功能，電壓并列用。功能不再需要單獨裝置完成。圖3-2110kV變電站自動化系統合并單元典型配置圖3-3220kV變電站自動化系統合并單元典型配置220kV變電站也以4個典型間隔為例進行了配置說明，如圖3-3所示。線路間隔、主變間隔、母聯間隔配置電子式電流電壓互感器PCS-9250-EGI，母線PT間隔配置電子式電壓互感器PCS-9250-EGV，其安裝位置如下圖，合并單元(MU)PCS-221因保護雙重化需要，線路間隔、主變間隔、母聯間隔各配置兩套合并單元，母線PT間隔各配置一套合并單元分別接入來自兩條母線上的電壓信號，并在其各自的合并單元內實現電壓并列功能，因此電壓并列功能不再需要其它單獨裝置來完成。對于雙母接線或者分段接線，電壓切換和電壓并列功能可以考慮分別在母線PT的合并單元和進出線間隔的合并單元中來完成。對于低電壓等級，電子式互感器的技術和經濟優勢不明顯，而且各個間隔間的電流和電壓信號根本上不需要在多個間隔層設備之間共享，不必對電流和電壓信息進行數字化后再以IEC61850〔或者IEC60044-8〕標準進行傳輸。對于低電壓等級，可以仍采用常規互感器，或者采用低功率輸出的新型互感器并以就地安裝的間隔層設備想配合，間隔層設備采用數字化接口支持IEC61850規約。4PCS-9820A智能控制裝置是專為實現對110KV-500KVGIS設備的智能控制而設計開發的，以先進的計算機技術實現對GIS設備的位置信號采集和監視、模擬量信號采集與顯示、遠方/就地控制、信號與操作事件記錄與上傳、諧波分析、儲能電機的驅動和控制、在線監測、基于網絡通訊的軟件聯鎖等一系列功能。將傳統的二次測控功能與GIS監控有機結合在一起，聯合組屏設計、優化控制回路，構成智能的控制功能，并可與RCS-900系列保護裝置一起組屏安放于GIS旁，構成保護及智能一體化控制柜，實現面向間隔的保護、測控和GISPCS-9820智能控制裝置可與保護裝置一起組屏安放于GIS旁，構成保護及智能控制柜，智能控制一體化。實現面向間隔的保護、測控和GIS智能控制一體化。圖4-1基于智能控制柜的典型設計如上圖，新方案將保護、測控和GIS智能控制集成于智能控制柜中，安放在GIS室，對下與GIS機構通過標準化的接插端子連接，優化了二次回路的設計，對上節省了大量電纜,通過一根光纜直接與主控室連接,構成了基于一次設備智能化的數字化變電站。GIS智能化控制柜的優勢如下：1)節約了電纜等設備投資以及相應的施工投資；數字化變電站建設的一個主要現實目標是為了減少變電站內控制電纜的數量，一方面由于原材料的漲價，電纜本錢越來越高，一方面，光纜電磁兼容性能遠好于電纜，能顯著提高變電站內信號傳輸的可靠性。另外，變模擬信號為數字信號能大大增加傳輸的帶寬和信息量。2)節約了保護小室及主控室等的占地面積和投資；應用智能化GIS控制柜使得保護控制下放成為可能，從而能夠顯著減少保護小室和主控室的占地面積，這對一些需要盡量減少變電站土地的城市變電站和地下變電站來說有明顯的效益。3)GIS智能控制柜優化了二次回路和結構；原來由于一次和二次的專業細分，使得原傳統匯控柜內的許多功能與保護控制二次中的功能相重復，例如防跳、壓力閉鎖、三相不一致等等?；谝欢握系腉IS智能控制柜能夠有效地取消和簡化冗余回路，提高了整個二次回路的可靠性。4)智能控制裝置提供了強大的系統交互性；引入智能控制裝置以后，友好的中文液晶人機界面以及豐富的自檢和就地操作報告功能，使得運行維護人員無論在就地還是遠方都能及時了解GIS的運行情況。5)聯調在出廠前完成，現場調試工作量減少；傳統方案中，一次設備和二次設備的電纜連接和調試只能到現場后完成，調試周期比擬長，新方案中一二次設備聯調在廠內完成，到現場后調試工作量極小。能夠顯著地縮短投運周期。6)一次二次聯合設計，減輕了設計院的負擔；原來一次和二次設備分別有雙方廠家分別出圖，中間的電纜信號連接由設計院完成，應用一二次結合的新方案后，由兩個廠家聯合出圖并對圖紙的正確性負責。7)基于通訊和組態軟件的聯鎖功能比傳統硬接點聯鎖方便；智能控制裝置能夠采集到間隔內所有刀閘位置，且間隔間也有光纜連接，所以可以方便地實現基于軟件和通訊的聯鎖，與傳統硬接點聯鎖相比，能顯著減輕調試工作量、減少機構輔助接點數量，提高系統的可靠性。8)縮小了與互感器的電氣距離，減輕了互感器的負載；新方案下互感器與保護控制設備的電氣距離大大縮短，使得互感器的容量選擇更為容易，也為小功率互感器〔LPCT〕的應用創造了條件。9)豐富的變送器接入方式以及智能平臺提供了強大的在線監測功能；能夠實時監測氣壓，溫度，密度，分合閘回路電流等反響GIS性能的重要信息。在此根底上變實現狀態檢修。5PCS-900系列保護、保護測控和故障錄波裝置是南瑞繼保電氣開發的新一代全面支持數字化變電站的智能化電子設備。裝置支持電子式互感器和常規互感器，支持GOOSE通信方案，支持電力行業通訊標準DL/T667-1999〔IEC60870-5-103〕和新一代IEC61850變電站通訊標準。,以分相電流差動和零序電流差動為主體的快速主保護,由工頻變化量距離元件構成的快速?段數字式超高壓線路成套快速保保護護裝置，可用作220kV及以上1PCS-931,由三段式相間和接地距離及多個零序方電壓等級輸電線路的主保護及向過流構成的全套后備保護后備保護。,有分相出口，配有自動重合閘功能,對單或雙母線接線的開關實現單相重合、三相重合和綜合重合閘2PCS-902數字式超高壓線路成套快速保,以縱聯距離和零序方向元件為主體的快速主保護,由工頻變化量距離元件構成快速?段保護護裝置，可用作220kV及以上,完整的三段相間和接地距離保護電壓等級輸電線路的主保護及,四段零序方向過流保護和低周保護后備保護。數字式輸電線路成套保護測控,三相一次重合閘功能、過負荷告警功能、一體化裝置，可用作110kV電頻率跟蹤采樣功能壓等級輸電線路的主保護及后3PCS-941,配置跳合閘操作回路以及交流電壓切換備保護，并可在一套裝置內實回路現110kV線路間隔的測控功能。,以縱聯距離和零序方向元件為主體的快速主保護,母線差動保護微機母線保護，適用于各種電,母聯充電保護壓等級的雙母單分段主接線方,母聯過流保護式，母線上允許所接的線路與4PCS—915,母聯死區保護元件數最多為13個〔包括母聯,母聯失靈保護和分段〕。,斷路器失靈保護,失靈起動,三相不一致保護數字式斷路器失靈起動及輔助,兩段相過流保護保護裝置，也可作為母聯或分5PCS-923,兩段零序過流保護段開關的電流保護。,充電保護,可經壓板和軟件控制字分別選擇投退,穩態比率差動,差動速斷數字式變壓器保護適用于,工頻變化量比率差動220kV及以上電壓等級，需要提6PCS-978,復合電壓閉鎖方向過流供雙套主保護、雙套后備保護,零序方向過流的各種接線方式的變壓器。,零序過壓,間隙零序過流數字式變壓器保護適用于,非電量保護220kV及以上電壓等級，需要提7PCS-974A,非全相保護供雙套主保護、雙套后備保護,失靈保護的各種接線方式的變壓器。,本裝置采用了分布式體系，尤其適合廣用于電力系統故障動態過程的域的多個廠站的系統量測和記錄記錄，其主要任務是記錄系統,硬件軟件真正實現了模塊化結構，拼裝大擾動發生后的有關系統電參8PCS-997靈活、通用性強，能夠批量生產，裝置硬量的變化過程及繼電保護與安件、軟件設計有多重可靠性措施，保證了自動裝置的動作行為。裝置具有高度的可靠性,電子式互感器將一次系統的電壓、電流與電子式互感器配合使用的數量轉化為遠端模塊可以直接采樣的弱電據采集發送單元，并具備計算9PCS-221量及錄波等功能。,遠端模塊采樣后經光纖發送給合并單元,合并單元重新組幀后遵循IEC60044-8定義的串行數據接口標準，使用光纖發送給線路保護、變壓器保護、母差保護、測控裝置、計量設備和故障錄波等裝置，根據保護、測量等裝置的個數可對發送通道的數量進行擴展。裝置支持電力行業通訊標準DL/T667-1999〔IEC60870-5-103〕和新一代變電站通訊標準IEC61850,支持IEC61850，支持實時GOOSE通信,采用智能化設計，所有邏輯都由軟件來實現，不存在復雜的繼電器控制回路，更加靈活可靠新一代全面支持數字化變電站10PCS-222的智能操作箱。,具有完善的事件記錄，動作過程錄波功能,裝置抗干擾能力優越，到達了電磁兼容各項標準的最高等級6GOOSE替代了傳統的智能電子設備〔IED〕之間硬接線的通信方式，為邏輯節點間的通信提供了快速且高效可靠的方法。消除了主/從方式和非網絡化的串行連接方案存在的缺陷，實現網絡化連接的同時也降低了設備的維護本錢。GOOSE消息包含數據有效性檢查和消息的喪失、檢查和重發機制，以保證接收IED能夠收到消息并執行預期的操作；另外GOOSE可實現網絡在線檢測，當網絡有異常時迅速給出告警，大大提高了可靠性。在GOOSE應用過程中，我們推薦采用雙光纖以太網，在超高壓數字化變電站中不同電壓等級推薦分開組網。我們提供的GOOSE分為兩種應用情況：1)完成測控裝置控制功能和間隔層聯鎖功能。這種應用情況實時性要求比擬低，為了簡化設計和節約本錢，可以和站控層進行混合組網；2)完成實時跳合閘和保護間配合信號的傳送功能。這種應用情況實時性要求比擬高，應采取單獨組網的方式。圖6-1GOOSE組網典型案例表6-1GOOSE應用功能和傳輸的信號例如TA，TB，TC，TA，TB，TCTA，TB，TCBAR〔起失靈〕TA，TB，TC，BARTWA，TWB，TWCIAR，BARTG〔起失靈〕T1〔遠跳〕T1〔遠跳〕T1〔遠跳〕注：TA〔跳A〕；TB〔跳B〕；TC〔跳C〕；TG〔跳閘〕；T1〔跳1〕TWA〔位置A〕；TWB〔位置B〕；TWC〔位置C〕；BAR〔閉重〕；IAR〔禁重〕；71)三網別離監控層網絡、過程層GOOSE網絡和模擬數據傳送網絡自成體系，相互獨立，分工明確,監控層網絡數據的特點是突發性強、數據量大，傳送實時性要求不高；,過程層GOOSE網絡數據特點是數據量不大，具有突發性，傳輸要求可靠性高、實時性強；,模擬數據傳送網絡數據的特點是數據量特別大，呈周期性，傳輸的要求是實時性、穩定性、可靠性都要非常高，延時需要確定。三網別離有效防止了不同特點的數據相互之間的影響，確保整個變電站系統的平安和穩定；2)插值同步，不依賴于對時網絡采用點對點IEC60044-8標準的光纖傳輸網絡的優點是傳輸延時確定；規約簡單可以采用FPGA來實現，從而可以記錄數據到達的時刻。這些是實現插值同步的根底。插值同步不依賴于對時網絡，確保了變電站運行的可靠性。對時網絡同步受GPS裝置、傳輸網絡、保護裝置、合并單元等多個環節的可靠性的影響，同時這些裝置3)通用標準，適用于各種規模的變電站對時同步的實現細節存在不一致不配合的可能，因此我們不推薦對時同步的方案；相對于有些公司方案中只能采用自定義的網絡規約為母差、變壓器等保護提供數據，當變電站規模較大時存在網絡帶寬限制問題和數據接收處理能力會遇到障礙的問題，本方案具有實用、通用、符合國際標準等優點，數據傳輸方式從幾個間隔的小規模變電站到幾十個間隔的大規模變電站均適合使用。4)靈活通用的合并單元,可以支持多個廠家和多種電子式互感器接口，輸出通道數可根據需要靈活增加；,擴展性好。一個線路間隔的所有模擬量可以通過合并單元靈活擴展給多個保護和測控裝置提供數據，為電站的擴建、改造提供方便；,采用基于分布式、模塊化思想設計的新一代UAPC硬件平臺；5)GIS用電子式互感器南瑞繼保研制的GIS用電子式互感器為國內首創：,上下壓間以SF6氣體絕緣，絕緣結構簡單可靠，體積小，重量輕；,電流互感器與電壓互感器可組合為一體，實現對一次電流和電壓的同時檢測；,GIS電子式互感器可與不同廠家的GIS配套使用；,電流傳感器采用LPCT及空芯線圈，電流測量精度高、動態范圍大、暫態特性好；,電壓傳感器采用基于氣體介質的電容分壓測量技術，精度高、穩定性好，獨創性的解決了110kVGIS三相電壓傳感器之間的干擾問題；,電流電壓傳感器及遠端模塊雙套冗余配置，可靠性高，每個遠端模塊雙重采用，并有多項自檢功能，進一步保證可靠性；6)獨立型電子式互感器,電流互感器與電壓互感器可組合為一體，實現