完整的数字化变电站自动化系统解决方案
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完整的数字化变电站自动化系统解决方案
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[url]http://dq.shejis.com/dqlw/200810/article_71251.html[/url] 完整的數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)解決方案 ——北京德威特力通系統(tǒng)控制技術(shù)有限公司 王君生 張培洪 徐昆江 2008-10-07 17:06:25??來源:2008年度電力自動化行業(yè)年鑒??瀏覽次數(shù):344??
摘要:IEC61850協(xié)議體系標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)是未來數(shù)字化電力自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向,是數(shù)字化變電站系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。本方案采用GE公司過程層設(shè)備與數(shù)字監(jiān)控保護和北京德威特力通系統(tǒng)控制技術(shù)有限公司自主研發(fā)的監(jiān)控、通訊軟件系統(tǒng),在110kV變電站進行了數(shù)字化應(yīng)用。本項目產(chǎn)品必將在由傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)向數(shù)字化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮巨大作用,同時適用于傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)改造項目,為未來全面實現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
0概述
變電站自動化技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)達到一定的水平,近幾年來,在電網(wǎng)改造與建設(shè)中大量的變電站采用了自動化技術(shù)實現(xiàn)無人值班,大大提高了電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平,增強了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的可靠性,降低了變電站建設(shè)的總造價。然而,在變電站自動化系統(tǒng)集成過程中面臨的最大障礙是不同廠家的智能設(shè)備(簡稱IED),甚至同一廠家不同型號的IED所采用的通信協(xié)議和用戶界面的不同,因為需要額外的硬件(如規(guī)約轉(zhuǎn)換器)和軟件來實現(xiàn)IED互聯(lián),實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的無縫集成和互操作造成一定的困難,這在很大程度上削弱了變電站實現(xiàn)自動化的優(yōu)點和意義。因此,變電站自動化系統(tǒng)在實現(xiàn)功能之外,還應(yīng)具備互操作性、開放式的系統(tǒng)聯(lián)接、選擇設(shè)備不依賴于生產(chǎn)廠家(支持IEC61850均可)、可以經(jīng)濟最優(yōu)化選擇可靠的設(shè)備、工程管理和運行管理成本最小化、有大容量和大范圍的數(shù)據(jù)庫等性能。這在以往系統(tǒng)分析和設(shè)計過程中通常是被忽視的。
國際IEC委員會在充分考慮上述變電站自動化系統(tǒng)的功能和要求,特別是互操作性要求的基礎(chǔ)上,制定了變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)體系IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。它采用分層分布式體系、面向?qū)ο蟮慕<夹g(shù),使得數(shù)據(jù)對象的自描述成為可能,為不同廠商的IED實現(xiàn)互操作和系統(tǒng)無縫集成提供了有效的途徑。該標(biāo)準(zhǔn)的制定及其內(nèi)容已超出變電站自動化系統(tǒng)的范圍,將會擴展到其他工業(yè)控制領(lǐng)域,成為基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的工業(yè)控制的國際標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前,國內(nèi)外電力設(shè)備生產(chǎn)商都在圍繞IEC61850開展研究和應(yīng)用工作,并提出IEC61850的發(fā)展方向是實現(xiàn)“即插即用”,在工業(yè)控制通信上最終實現(xiàn)“一個世界、一種技術(shù)、一個標(biāo)準(zhǔn)”。
數(shù)字化電力自動化系統(tǒng)是在過程層數(shù)據(jù)采樣實現(xiàn)IEC61850-9-2的標(biāo)準(zhǔn),使系統(tǒng)監(jiān)控控制系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化通訊過程。大大簡化了工程成本,簡化二次接線,提高了系統(tǒng)的可靠性。
本項目采用GE公司的過程和數(shù)字保護設(shè)備并融合北京德威特力通系統(tǒng)控制技術(shù)有限公司自主研發(fā)的IEC61850通信、監(jiān)控軟件系統(tǒng),在某地區(qū)110KV變電站進行了應(yīng)用。本項目必將在實現(xiàn)全數(shù)字化電力自動化及電站升級改造方面發(fā)揮巨大作用,對促進我國電力自動化系統(tǒng)的發(fā)展具有十分重要的意義,為未來全面實現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
1系統(tǒng)介紹
本110kV變電站為搬遷新建站,有2條110kV進線,橋接母聯(lián),110kV采用GIS組合設(shè)備。10kV系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)單母線分段模式,共25條出線。本項目基于IEC61850通信體系對110kV變電站進行全數(shù)字化監(jiān)控及保護綜合自動化建設(shè),實現(xiàn)保護信息和控制信息等的數(shù)字化通訊控制,使整個變電站的保護自動化系統(tǒng)提升到一個較高的水平,滿足未來系統(tǒng)全信息化和升級方便的需求并適應(yīng)未來若干年系統(tǒng)運行要求及電力系統(tǒng)信息化改造的要求,同時使系統(tǒng)易于擴展升級。
2系統(tǒng)配置
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
數(shù)字化變電站IEC61850自動化采用分層分布式系統(tǒng)。系統(tǒng)分為四層:站控層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層、過程層。110kV、10kV就地監(jiān)控保護設(shè)備直接以以太網(wǎng)星形組網(wǎng),可靠性高,便于擴展(未來增加網(wǎng)絡(luò)交換機就可以)。站控層設(shè)備以光纖雙環(huán)網(wǎng)連接,系統(tǒng)配置多路冗余通訊接口的IEC61850網(wǎng)關(guān)設(shè)備,便于采集站內(nèi)其他非IEC61850通訊接口設(shè)備(電表、直流屏等),并能適應(yīng)對外以各種不同通訊規(guī)約進行通訊連接。
2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
變電站綜合自動化110kV系統(tǒng)過程層配置如圖1。
圖1過程層通訊結(jié)構(gòu)圖
變電站綜合自動化10kV系統(tǒng)配置如圖2。
圖2配電所通訊結(jié)構(gòu)圖
變電站綜合自動化站控層配置如圖3。
圖3站控層通訊結(jié)構(gòu)圖
2.3站控層
站控層是專門針對計算機監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計的,它集實時監(jiān)控(SCADA)、保護通訊與操作管理等功能一體化設(shè)計,全面面向電力系統(tǒng),支持從軟件支撐平臺至應(yīng)用層的開放,應(yīng)用軟件平臺全面建立在開放的國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,應(yīng)用層的開放能適合于不同程度的拓展要求,為系統(tǒng)功能擴展和多廠家系統(tǒng)縱橫互連提供了方便。
IEC61850網(wǎng)關(guān)由嵌入式工業(yè)計算機構(gòu)成,IEC61850網(wǎng)關(guān)(遠(yuǎn)動工作站)采用工業(yè)級無風(fēng)扇、全密封,上架式19”的1U結(jié)構(gòu)。物理上具備4個獨立以太網(wǎng),6個帶隔離的RS-232/422/485通訊接口,它具有豐富的通信規(guī)約庫,幾乎囊括了各種流行規(guī)約。兼顧通訊管理及規(guī)約轉(zhuǎn)換職能。該綜自系統(tǒng)功能齊全、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單。監(jiān)控軟件可靈活運行于WINDOWS2000/XP等WINDOWSXPE操作系統(tǒng),監(jiān)控軟件采用面向?qū)ο蟮腣isualC++編程軟件開發(fā),結(jié)合電力綜合自動化諸多的特點,是一個組態(tài)靈活、開放性的通訊轉(zhuǎn)換與管理系統(tǒng)。
10kV所有IEC61850綜合保護裝置均直接集中組屏安裝在監(jiān)控柜上,設(shè)備通訊采用以太網(wǎng)連接?,F(xiàn)場的直流裝置、電度表等將采集的過程數(shù)據(jù)通過各自的私有通信協(xié)議傳輸?shù)絀EC61850網(wǎng)關(guān)軟件模塊系統(tǒng)中,服務(wù)器將信息轉(zhuǎn)換成符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息格式和通信服務(wù),從而實現(xiàn)非IEC61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(系統(tǒng))與后臺主站之間的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信功能。IEC61850通訊軟件模塊匯集IEC61850通信網(wǎng)所有信息,與站外調(diào)度(集控站)進行通訊連接。
2.4網(wǎng)絡(luò)層
站控層網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型,網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為10/100Mb/s,通訊介質(zhì)為光纖。它負(fù)責(zé)站控層各個設(shè)備、系統(tǒng)之間和來自間隔層的全部數(shù)據(jù)的傳輸和各種訪問請求。其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合國際標(biāo)準(zhǔn)先進的IEC61850,具有良好的開放性。站控層網(wǎng)絡(luò)按雙光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)配置、規(guī)模滿足工程遠(yuǎn)期要求。
間隔層網(wǎng)絡(luò)采用冗余以太網(wǎng)接口,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型,間隔層與站控層網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)通訊架構(gòu),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合國際標(biāo)準(zhǔn)先進的IEC61850(TCP/IP模式),通訊介質(zhì)為光纖。
網(wǎng)絡(luò)各級配備IEC61850網(wǎng)關(guān)設(shè)備對電站自動化系統(tǒng)中電度表、直流屏等微機接口設(shè)備,進行信息抽取和數(shù)據(jù)整合,實現(xiàn)電力信息的匯總、轉(zhuǎn)換和管理。
2.5現(xiàn)場監(jiān)控保護設(shè)備層(間隔層)
間隔層的主要IEDs(保護裝置、測控裝置、直流系統(tǒng)、電量計費系統(tǒng))和站層之間的通信均應(yīng)用IEC61850通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)。采用光纖以太網(wǎng)通訊模式,信息在高速以太網(wǎng)上交換。系統(tǒng)對時采用全站SNTP網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一對時方式,同時設(shè)置獨立的GPS系統(tǒng)、支持IRGB對時模式。
在數(shù)字保護方面采用GE公司的數(shù)字UR系列保護裝置,該系列保護具有嵌入式IEC61850通訊功能。本工程用了T35變壓器監(jiān)控保護裝置、F35多饋線監(jiān)控保護裝置、B30母線監(jiān)控保護裝置、F650綜合保護裝置。值得一提的是1臺F35多饋線監(jiān)控保護裝置可實現(xiàn)5條10(6)kV饋線保護功能,通過模塊化配置可對五條饋線在物理上提供相對獨立的保護監(jiān)控單元功能,特別適用于終端電站和老站升級改造項目,具有極高的數(shù)字化系統(tǒng)改造性價比。
2.6過程層
變電站110kV過程層配置系列GE公司最先進的HardFiber設(shè)備,實現(xiàn)電站110kV系統(tǒng)全數(shù)字化采集過程(相關(guān)110kV保護配置數(shù)字模塊即可)。最多可以節(jié)約50%的保護與控制方面的勞力成本。省去大量的銅電纜接線,對于電力系統(tǒng)保護與控制的設(shè)計、制造、調(diào)試與維護可以更有效地優(yōu)化使用資源。牢固且簡單的結(jié)構(gòu),配置IEC61850過程總線適應(yīng)極端嚴(yán)酷環(huán)境的開關(guān)站接口,無需配備特殊的封閉外殼可作為UR系列保護裝置產(chǎn)品的延展,廣泛適用于發(fā)電、輸電和配電系統(tǒng)。
HardFiberBrick過層設(shè)備最大特點:支持常規(guī)CT/VT就地接入,雙源架構(gòu),可靠性高內(nèi)部濕接點實現(xiàn)16路數(shù)字狀態(tài)輸入,6路高速固態(tài)繼電器輸出,帶有多路用于RTD、電位器、DC電壓或直流毫安輸入的通道。通訊上完全符合并支持:IEC618509-2采樣值、IEC618508-1GOOSE,100Base-BX雙方向光纖以太網(wǎng)通道。安裝上:適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境的戶外型光纖電纜,對一次設(shè)備執(zhí)行所有的測量和控制,適合于戶外安裝-IP66,-40℃至85℃,通過標(biāo)準(zhǔn)連接器進行的防差錯的銅制和光纖電纜安裝。
本項目過程層設(shè)備采用四臺HardFiberBrick設(shè)備、一臺連接箱,具體設(shè)備類型如下:配置IEC61850過程總線4CT/4VT輸入Brick設(shè)備2臺于110kV1段和2段PT,,每臺設(shè)備含18DI/6DO,直接采集控制現(xiàn)場設(shè)備。配置IEC61850過程總線8CT輸入Brick設(shè)備2臺分別配置于110kV進線CT側(cè),每臺設(shè)備含18DI/6DO,直接采集控制現(xiàn)場設(shè)備。系統(tǒng)共配置4臺Brick裝置可滿足110kV監(jiān)控保護的現(xiàn)場采集、控制需要。
圖4110kV系統(tǒng)過程層設(shè)備配置原理
3系統(tǒng)軟件功能
綜合自動化軟件系統(tǒng)由多個軟件功能模塊體系構(gòu)成,可以進行配電系統(tǒng)的一次接線圖的顯示與操作、相關(guān)參數(shù)設(shè)置、遙控閉鎖操作、報警、事件記錄、分析曲線、棒圖、實時與歷史報表打印、智能報警、負(fù)荷分析、定值計算等功能,通訊管理系統(tǒng)軟件可以實時采集站內(nèi)各設(shè)備信息,并可同時向上一級自動化系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約進行運行監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。
3.1完整IEC61850功能體系
?IEC61850集成到整個Scada系統(tǒng)中,scada系統(tǒng)是一個標(biāo)準(zhǔn)的IEC61850客戶端,IEC61850與Scada系統(tǒng)之間不需要任何的轉(zhuǎn)換,從IEC61850服務(wù)端獲得數(shù)據(jù)直接進入Scada系統(tǒng)。實現(xiàn)真正意義上的IEC61850Scada系統(tǒng)。該系統(tǒng)理論上可以連接無限個IEC61850服務(wù)器(受系統(tǒng)CPU和內(nèi)存影響),標(biāo)準(zhǔn)配置是100個IEC61850服務(wù)器。
3.2電力信息的采集與處理
實現(xiàn)各類電氣設(shè)備信息監(jiān)控和四遙功能:提供開放的ActiveX控件接口,通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以遠(yuǎn)程訪問實時和歷史數(shù)據(jù);通過ODBC接口實現(xiàn)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫雙向數(shù)據(jù)交換;符合工業(yè)自動化的標(biāo)準(zhǔn)通訊,能夠以O(shè)PC標(biāo)準(zhǔn)和第三方軟件進行數(shù)據(jù)交換;支持INTERNET/INTRANET直接訪問,可以用IE瀏覽器作為一個瘦客戶端軟件來訪問服務(wù)器的數(shù)據(jù)及監(jiān)控畫面。
3.3圖形功能
可通過運行工況圖顯示變電站的地理位置圖、一次接線圖、電氣主接線圖、實時系統(tǒng)運行工況圖、故障報警的詳細(xì)記錄、跳閘設(shè)定的曲線對比圖、模擬指針表圖等。
分析曲線對實時數(shù)據(jù)以曲線的方式進行顯示,可以對實時電流、電壓和能耗等進行顯示,并可以靈活的進行設(shè)置。
3.4報表功能
通過報表工具可以制作實時數(shù)據(jù)報表和歷史數(shù)據(jù)報表。報警記錄功能可對系統(tǒng)模擬量的越限報警、開關(guān)跳閘報警進行記錄;事件記錄功能可記錄系統(tǒng)發(fā)生的事件信息和操作信息,并且可以對各線路情況進行查詢。
3.5打印功能
定時打印報表,包括運行日志、開關(guān)操作記錄及事件順序記錄。
3.6安全權(quán)限管理
為保證系統(tǒng)的安全性,系統(tǒng)可根據(jù)各工作站的不同用途設(shè)置相應(yīng)權(quán)限,系統(tǒng)提供基于用戶權(quán)限的安全管理系統(tǒng),可設(shè)置系統(tǒng)操作員、系統(tǒng)工程師、外部有關(guān)人員等多級的操作權(quán)限,每個用戶都有自己加密的個人口令密碼。
3.7軟件系統(tǒng)開放性
數(shù)據(jù)庫開放接口提供開放的ActiveX控件接口,通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以遠(yuǎn)程訪問實時和歷史數(shù)據(jù),ODBC接口實現(xiàn)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫雙向數(shù)據(jù)交換,OPC架構(gòu)符合工業(yè)自動化的標(biāo)準(zhǔn)通訊,能夠以O(shè)PC標(biāo)準(zhǔn)和第三方軟件進行數(shù)據(jù)交換。
3.8事件處理機制
系統(tǒng)含有完善的事件記錄服務(wù)機制,任何對數(shù)據(jù)庫的訪問、通訊數(shù)據(jù)的事件傳送、現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的變化報警、網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)等均產(chǎn)生相應(yīng)的帶時間戳的事件,并可被歷史記錄,用戶可以訪問和查詢這些記錄。特別對SOE事件,嚴(yán)格按電力系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定處理,事件的存儲、分類、查詢及讀取十分方便。
4方案特點
4.1IEC61850保護配置特點
采用先進的過程層設(shè)備,實現(xiàn)數(shù)字化采樣和數(shù)字化微機保護。作為典型110kV電站僅需3面屏就可完成,對未來110kV電站自動化系統(tǒng)的全數(shù)字化實現(xiàn)及電站自動化升級改造具有重要的參考價值。裝置間GOOSE閉鎖功能的實現(xiàn)使全站總體運行的安全性及可靠性提升到較高的水平。
4.2站內(nèi)通訊系統(tǒng)的高兼容性、高可靠性和接口的多樣化
作為無人值守自動化的要求,采用嵌入計算機、觸摸屏完成各下游配電室就地監(jiān)控、數(shù)據(jù)集中和信息遠(yuǎn)傳功能。達到系統(tǒng)配置高可靠性和配置最優(yōu)。計算機結(jié)構(gòu)采用工業(yè)級無風(fēng)扇、全密封,上架式19”的1U結(jié)構(gòu),嵌入式安裝于主保護監(jiān)控屏上。
通過IEC61850網(wǎng)絡(luò)通訊交換機、后臺監(jiān)控主機、網(wǎng)絡(luò)通訊管理機的通訊接入均可獲取全站完整模型信息。整個系統(tǒng)具有良好的信息互聯(lián)開放性。
4.3與站外通訊接口
該功能由安裝于主保護監(jiān)控屏上嵌入計算機采用豐富的通訊接口來完成,采用以太網(wǎng)方式,按指定通訊規(guī)約,將電站運行信息與遠(yuǎn)方信息系統(tǒng)互聯(lián)通訊。
4.4本項目的實現(xiàn)在國內(nèi)達到以下幾個技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新成果:
第一個以完整數(shù)字化IEC61850-9-2實現(xiàn)的變電站過層應(yīng)用項目
第一個110kV變電站實際實現(xiàn)站內(nèi)GOOSE功能應(yīng)用
5未來展望
隨著電子式互感器及智能化開關(guān)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展,使得一次設(shè)備與二次設(shè)備可通過光纖以太網(wǎng)交換信息。電子式互感器具有體積小、無鐵芯、因此無飽和現(xiàn)象,且線性度好,可輸出信號直接與IEC接口。智能開關(guān)除了具有開關(guān)設(shè)備的基本功能,還具有數(shù)字化接口、在線監(jiān)視、智能控制等一系列的高智能化功能。未來變電站IEC61580的模式如圖5所示。
圖5未來IEC61850模式
6總結(jié)
IEC61850協(xié)議體系標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)是未來電力自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向,是數(shù)字化變電站系統(tǒng)實現(xiàn)的重要而基本的內(nèi)容。國家電力公司已將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的推廣和應(yīng)用作為近年重大應(yīng)用項目列入國家電力發(fā)展規(guī)劃中。
數(shù)字化變電站應(yīng)用中面臨新老自動化系統(tǒng)交替、互聯(lián)共存的現(xiàn)實問題,在電力自動化系統(tǒng)基于IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)化、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換方面進行研究和應(yīng)用,能促進電力自動化的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展,帶來巨大的經(jīng)濟效益。緩解長期困擾電力自動化系統(tǒng)用戶和設(shè)備制造商的系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)接和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)問題。將來能適應(yīng)國際電力自動化系統(tǒng)通信技術(shù)的發(fā)展,及時提高電力自動化系統(tǒng)通信協(xié)議體系對“IEC61850標(biāo)準(zhǔn)”的適應(yīng)性?!癐EC61850標(biāo)準(zhǔn)”全面在我國電力行業(yè)推廣實施會有一個過程,但它對推進變電站數(shù)字化的發(fā)展將產(chǎn)生重大而長遠(yuǎn)的影響。
- 摘要:IEC61850協(xié)議體系標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)是未來數(shù)字化電力自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向,是數(shù)字化變電站系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。本方案采用GE公司過程層設(shè)備與數(shù)字監(jiān)控保護和北京德威特力通系統(tǒng)控制技術(shù)有限公司自主研發(fā)的監(jiān)控、通訊軟件系統(tǒng),在110kV變電站進行了數(shù)字化應(yīng)用。本項目產(chǎn)品必將在由傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)向數(shù)字化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮巨大作用,同時適用于傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)改造項目,為未來全面實現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
摘要:IEC61850協(xié)議體系標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)是未來數(shù)字化電力自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向,是數(shù)字化變電站系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。本方案采用GE公司過程層設(shè)備與數(shù)字監(jiān)控保護和北京德威特力通系統(tǒng)控制技術(shù)有限公司自主研發(fā)的監(jiān)控、通訊軟件系統(tǒng),在110kV變電站進行了數(shù)字化應(yīng)用。本項目產(chǎn)品必將在由傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)向數(shù)字化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮巨大作用,同時適用于傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)改造項目,為未來全面實現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
0概述
變電站自動化技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)達到一定的水平,近幾年來,在電網(wǎng)改造與建設(shè)中大量的變電站采用了自動化技術(shù)實現(xiàn)無人值班,大大提高了電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平,增強了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的可靠性,降低了變電站建設(shè)的總造價。然而,在變電站自動化系統(tǒng)集成過程中面臨的最大障礙是不同廠家的智能設(shè)備(簡稱IED),甚至同一廠家不同型號的IED所采用的通信協(xié)議和用戶界面的不同,因為需要額外的硬件(如規(guī)約轉(zhuǎn)換器)和軟件來實現(xiàn)IED互聯(lián),實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的無縫集成和互操作造成一定的困難,這在很大程度上削弱了變電站實現(xiàn)自動化的優(yōu)點和意義。因此,變電站自動化系統(tǒng)在實現(xiàn)功能之外,還應(yīng)具備互操作性、開放式的系統(tǒng)聯(lián)接、選擇設(shè)備不依賴于生產(chǎn)廠家(支持IEC61850均可)、可以經(jīng)濟最優(yōu)化選擇可靠的設(shè)備、工程管理和運行管理成本最小化、有大容量和大范圍的數(shù)據(jù)庫等性能。這在以往系統(tǒng)分析和設(shè)計過程中通常是被忽視的。
國際IEC委員會在充分考慮上述變電站自動化系統(tǒng)的功能和要求,特別是互操作性要求的基礎(chǔ)上,制定了變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)體系IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。它采用分層分布式體系、面向?qū)ο蟮慕<夹g(shù),使得數(shù)據(jù)對象的自描述成為可能,為不同廠商的IED實現(xiàn)互操作和系統(tǒng)無縫集成提供了有效的途徑。該標(biāo)準(zhǔn)的制定及其內(nèi)容已超出變電站自動化系統(tǒng)的范圍,將會擴展到其他工業(yè)控制領(lǐng)域,成為基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的工業(yè)控制的國際標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前,國內(nèi)外電力設(shè)備生產(chǎn)商都在圍繞IEC61850開展研究和應(yīng)用工作,并提出IEC61850的發(fā)展方向是實現(xiàn)“即插即用”,在工業(yè)控制通信上最終實現(xiàn)“一個世界、一種技術(shù)、一個標(biāo)準(zhǔn)”。
數(shù)字化電力自動化系統(tǒng)是在過程層數(shù)據(jù)采樣實現(xiàn)IEC61850-9-2的標(biāo)準(zhǔn),使系統(tǒng)監(jiān)控控制系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化通訊過程。大大簡化了工程成本,簡化二次接線,提高了系統(tǒng)的可靠性。
本項目采用GE公司的過程和數(shù)字保護設(shè)備并融合北京德威特力通系統(tǒng)控制技術(shù)有限公司自主研發(fā)的IEC61850通信、監(jiān)控軟件系統(tǒng),在某地區(qū)110KV變電站進行了應(yīng)用。本項目必將在實現(xiàn)全數(shù)字化電力自動化及電站升級改造方面發(fā)揮巨大作用,對促進我國電力自動化系統(tǒng)的發(fā)展具有十分重要的意義,為未來全面實現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
1系統(tǒng)介紹
本110kV變電站為搬遷新建站,有2條110kV進線,橋接母聯(lián),110kV采用GIS組合設(shè)備。10kV系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)單母線分段模式,共25條出線。本項目基于IEC61850通信體系對110kV變電站進行全數(shù)字化監(jiān)控及保護綜合自動化建設(shè),實現(xiàn)保護信息和控制信息等的數(shù)字化通訊控制,使整個變電站的保護自動化系統(tǒng)提升到一個較高的水平,滿足未來系統(tǒng)全信息化和升級方便的需求并適應(yīng)未來若干年系統(tǒng)運行要求及電力系統(tǒng)信息化改造的要求,同時使系統(tǒng)易于擴展升級。
2系統(tǒng)配置
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
數(shù)字化變電站IEC61850自動化采用分層分布式系統(tǒng)。系統(tǒng)分為四層:站控層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層、過程層。110kV、10kV就地監(jiān)控保護設(shè)備直接以以太網(wǎng)星形組網(wǎng),可靠性高,便于擴展(未來增加網(wǎng)絡(luò)交換機就可以)。站控層設(shè)備以光纖雙環(huán)網(wǎng)連接,系統(tǒng)配置多路冗余通訊接口的IEC61850網(wǎng)關(guān)設(shè)備,便于采集站內(nèi)其他非IEC61850通訊接口設(shè)備(電表、直流屏等),并能適應(yīng)對外以各種不同通訊規(guī)約進行通訊連接。
2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
變電站綜合自動化110kV系統(tǒng)過程層配置如圖1。
圖1過程層通訊結(jié)構(gòu)圖
變電站綜合自動化10kV系統(tǒng)配置如圖2。
圖2配電所通訊結(jié)構(gòu)圖
變電站綜合自動化站控層配置如圖3。
圖3站控層通訊結(jié)構(gòu)圖
2.3站控層
站控層是專門針對計算機監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計的,它集實時監(jiān)控(SCADA)、保護通訊與操作管理等功能一體化設(shè)計,全面面向電力系統(tǒng),支持從軟件支撐平臺至應(yīng)用層的開放,應(yīng)用軟件平臺全面建立在開放的國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,應(yīng)用層的開放能適合于不同程度的拓展要求,為系統(tǒng)功能擴展和多廠家系統(tǒng)縱橫互連提供了方便。
IEC61850網(wǎng)關(guān)由嵌入式工業(yè)計算機構(gòu)成,IEC61850網(wǎng)關(guān)(遠(yuǎn)動工作站)采用工業(yè)級無風(fēng)扇、全密封,上架式19”的1U結(jié)構(gòu)。物理上具備4個獨立以太網(wǎng),6個帶隔離的RS-232/422/485通訊接口,它具有豐富的通信規(guī)約庫,幾乎囊括了各種流行規(guī)約。兼顧通訊管理及規(guī)約轉(zhuǎn)換職能。該綜自系統(tǒng)功能齊全、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單。監(jiān)控軟件可靈活運行于WINDOWS2000/XP等WINDOWSXPE操作系統(tǒng),監(jiān)控軟件采用面向?qū)ο蟮腣isualC++編程軟件開發(fā),結(jié)合電力綜合自動化諸多的特點,是一個組態(tài)靈活、開放性的通訊轉(zhuǎn)換與管理系統(tǒng)。
10kV所有IEC61850綜合保護裝置均直接集中組屏安裝在監(jiān)控柜上,設(shè)備通訊采用以太網(wǎng)連接?,F(xiàn)場的直流裝置、電度表等將采集的過程數(shù)據(jù)通過各自的私有通信協(xié)議傳輸?shù)絀EC61850網(wǎng)關(guān)軟件模塊系統(tǒng)中,服務(wù)器將信息轉(zhuǎn)換成符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息格式和通信服務(wù),從而實現(xiàn)非IEC61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(系統(tǒng))與后臺主站之間的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信功能。IEC61850通訊軟件模塊匯集IEC61850通信網(wǎng)所有信息,與站外調(diào)度(集控站)進行通訊連接。
2.4網(wǎng)絡(luò)層
站控層網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型,網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為10/100Mb/s,通訊介質(zhì)為光纖。它負(fù)責(zé)站控層各個設(shè)備、系統(tǒng)之間和來自間隔層的全部數(shù)據(jù)的傳輸和各種訪問請求。其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合國際標(biāo)準(zhǔn)先進的IEC61850,具有良好的開放性。站控層網(wǎng)絡(luò)按雙光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)配置、規(guī)模滿足工程遠(yuǎn)期要求。
間隔層網(wǎng)絡(luò)采用冗余以太網(wǎng)接口,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型,間隔層與站控層網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)通訊架構(gòu),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合國際標(biāo)準(zhǔn)先進的IEC61850(TCP/IP模式),通訊介質(zhì)為光纖。
網(wǎng)絡(luò)各級配備IEC61850網(wǎng)關(guān)設(shè)備對電站自動化系統(tǒng)中電度表、直流屏等微機接口設(shè)備,進行信息抽取和數(shù)據(jù)整合,實現(xiàn)電力信息的匯總、轉(zhuǎn)換和管理。
2.5現(xiàn)場監(jiān)控保護設(shè)備層(間隔層)
間隔層的主要IEDs(保護裝置、測控裝置、直流系統(tǒng)、電量計費系統(tǒng))和站層之間的通信均應(yīng)用IEC61850通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)。采用光纖以太網(wǎng)通訊模式,信息在高速以太網(wǎng)上交換。系統(tǒng)對時采用全站SNTP網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一對時方式,同時設(shè)置獨立的GPS系統(tǒng)、支持IRGB對時模式。
在數(shù)字保護方面采用GE公司的數(shù)字UR系列保護裝置,該系列保護具有嵌入式IEC61850通訊功能。本工程用了T35變壓器監(jiān)控保護裝置、F35多饋線監(jiān)控保護裝置、B30母線監(jiān)控保護裝置、F650綜合保護裝置。值得一提的是1臺F35多饋線監(jiān)控保護裝置可實現(xiàn)5條10(6)kV饋線保護功能,通過模塊化配置可對五條饋線在物理上提供相對獨立的保護監(jiān)控單元功能,特別適用于終端電站和老站升級改造項目,具有極高的數(shù)字化系統(tǒng)改造性價比。
2.6過程層
變電站110kV過程層配置系列GE公司最先進的HardFiber設(shè)備,實現(xiàn)電站110kV系統(tǒng)全數(shù)字化采集過程(相關(guān)110kV保護配置數(shù)字模塊即可)。最多可以節(jié)約50%的保護與控制方面的勞力成本。省去大量的銅電纜接線,對于電力系統(tǒng)保護與控制的設(shè)計、制造、調(diào)試與維護可以更有效地優(yōu)化使用資源。牢固且簡單的結(jié)構(gòu),配置IEC61850過程總線適應(yīng)極端嚴(yán)酷環(huán)境的開關(guān)站接口,無需配備特殊的封閉外殼可作為UR系列保護裝置產(chǎn)品的延展,廣泛適用于發(fā)電、輸電和配電系統(tǒng)。
HardFiberBrick過層設(shè)備最大特點:支持常規(guī)CT/VT就地接入,雙源架構(gòu),可靠性高內(nèi)部濕接點實現(xiàn)16路數(shù)字狀態(tài)輸入,6路高速固態(tài)繼電器輸出,帶有多路用于RTD、電位器、DC電壓或直流毫安輸入的通道。通訊上完全符合并支持:IEC618509-2采樣值、IEC618508-1GOOSE,100Base-BX雙方向光纖以太網(wǎng)通道。安裝上:適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境的戶外型光纖電纜,對一次設(shè)備執(zhí)行所有的測量和控制,適合于戶外安裝-IP66,-40℃至85℃,通過標(biāo)準(zhǔn)連接器進行的防差錯的銅制和光纖電纜安裝。
本項目過程層設(shè)備采用四臺HardFiberBrick設(shè)備、一臺連接箱,具體設(shè)備類型如下:配置IEC61850過程總線4CT/4VT輸入Brick設(shè)備2臺于110kV1段和2段PT,,每臺設(shè)備含18DI/6DO,直接采集控制現(xiàn)場設(shè)備。配置IEC61850過程總線8CT輸入Brick設(shè)備2臺分別配置于110kV進線CT側(cè),每臺設(shè)備含18DI/6DO,直接采集控制現(xiàn)場設(shè)備。系統(tǒng)共配置4臺Brick裝置可滿足110kV監(jiān)控保護的現(xiàn)場采集、控制需要。
圖4110kV系統(tǒng)過程層設(shè)備配置原理
3系統(tǒng)軟件功能
綜合自動化軟件系統(tǒng)由多個軟件功能模塊體系構(gòu)成,可以進行配電系統(tǒng)的一次接線圖的顯示與操作、相關(guān)參數(shù)設(shè)置、遙控閉鎖操作、報警、事件記錄、分析曲線、棒圖、實時與歷史報表打印、智能報警、負(fù)荷分析、定值計算等功能,通訊管理系統(tǒng)軟件可以實時采集站內(nèi)各設(shè)備信息,并可同時向上一級自動化系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約進行運行監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。
3.1完整IEC61850功能體系
?IEC61850集成到整個Scada系統(tǒng)中,scada系統(tǒng)是一個標(biāo)準(zhǔn)的IEC61850客戶端,IEC61850與Scada系統(tǒng)之間不需要任何的轉(zhuǎn)換,從IEC61850服務(wù)端獲得數(shù)據(jù)直接進入Scada系統(tǒng)。實現(xiàn)真正意義上的IEC61850Scada系統(tǒng)。該系統(tǒng)理論上可以連接無限個IEC61850服務(wù)器(受系統(tǒng)CPU和內(nèi)存影響),標(biāo)準(zhǔn)配置是100個IEC61850服務(wù)器。
3.2電力信息的采集與處理
實現(xiàn)各類電氣設(shè)備信息監(jiān)控和四遙功能:提供開放的ActiveX控件接口,通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以遠(yuǎn)程訪問實時和歷史數(shù)據(jù);通過ODBC接口實現(xiàn)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫雙向數(shù)據(jù)交換;符合工業(yè)自動化的標(biāo)準(zhǔn)通訊,能夠以O(shè)PC標(biāo)準(zhǔn)和第三方軟件進行數(shù)據(jù)交換;支持INTERNET/INTRANET直接訪問,可以用IE瀏覽器作為一個瘦客戶端軟件來訪問服務(wù)器的數(shù)據(jù)及監(jiān)控畫面。
3.3圖形功能
可通過運行工況圖顯示變電站的地理位置圖、一次接線圖、電氣主接線圖、實時系統(tǒng)運行工況圖、故障報警的詳細(xì)記錄、跳閘設(shè)定的曲線對比圖、模擬指針表圖等。
分析曲線對實時數(shù)據(jù)以曲線的方式進行顯示,可以對實時電流、電壓和能耗等進行顯示,并可以靈活的進行設(shè)置。
3.4報表功能
通過報表工具可以制作實時數(shù)據(jù)報表和歷史數(shù)據(jù)報表。報警記錄功能可對系統(tǒng)模擬量的越限報警、開關(guān)跳閘報警進行記錄;事件記錄功能可記錄系統(tǒng)發(fā)生的事件信息和操作信息,并且可以對各線路情況進行查詢。
3.5打印功能
定時打印報表,包括運行日志、開關(guān)操作記錄及事件順序記錄。
3.6安全權(quán)限管理
為保證系統(tǒng)的安全性,系統(tǒng)可根據(jù)各工作站的不同用途設(shè)置相應(yīng)權(quán)限,系統(tǒng)提供基于用戶權(quán)限的安全管理系統(tǒng),可設(shè)置系統(tǒng)操作員、系統(tǒng)工程師、外部有關(guān)人員等多級的操作權(quán)限,每個用戶都有自己加密的個人口令密碼。
3.7軟件系統(tǒng)開放性
數(shù)據(jù)庫開放接口提供開放的ActiveX控件接口,通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以遠(yuǎn)程訪問實時和歷史數(shù)據(jù),ODBC接口實現(xiàn)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫雙向數(shù)據(jù)交換,OPC架構(gòu)符合工業(yè)自動化的標(biāo)準(zhǔn)通訊,能夠以O(shè)PC標(biāo)準(zhǔn)和第三方軟件進行數(shù)據(jù)交換。
3.8事件處理機制
系統(tǒng)含有完善的事件記錄服務(wù)機制,任何對數(shù)據(jù)庫的訪問、通訊數(shù)據(jù)的事件傳送、現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的變化報警、網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)等均產(chǎn)生相應(yīng)的帶時間戳的事件,并可被歷史記錄,用戶可以訪問和查詢這些記錄。特別對SOE事件,嚴(yán)格按電力系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定處理,事件的存儲、分類、查詢及讀取十分方便。
4方案特點
4.1IEC61850保護配置特點
采用先進的過程層設(shè)備,實現(xiàn)數(shù)字化采樣和數(shù)字化微機保護。作為典型110kV電站僅需3面屏就可完成,對未來110kV電站自動化系統(tǒng)的全數(shù)字化實現(xiàn)及電站自動化升級改造具有重要的參考價值。裝置間GOOSE閉鎖功能的實現(xiàn)使全站總體運行的安全性及可靠性提升到較高的水平。
4.2站內(nèi)通訊系統(tǒng)的高兼容性、高可靠性和接口的多樣化
作為無人值守自動化的要求,采用嵌入計算機、觸摸屏完成各下游配電室就地監(jiān)控、數(shù)據(jù)集中和信息遠(yuǎn)傳功能。達到系統(tǒng)配置高可靠性和配置最優(yōu)。計算機結(jié)構(gòu)采用工業(yè)級無風(fēng)扇、全密封,上架式19”的1U結(jié)構(gòu),嵌入式安裝于主保護監(jiān)控屏上。
通過IEC61850網(wǎng)絡(luò)通訊交換機、后臺監(jiān)控主機、網(wǎng)絡(luò)通訊管理機的通訊接入均可獲取全站完整模型信息。整個系統(tǒng)具有良好的信息互聯(lián)開放性。
4.3與站外通訊接口
該功能由安裝于主保護監(jiān)控屏上嵌入計算機采用豐富的通訊接口來完成,采用以太網(wǎng)方式,按指定通訊規(guī)約,將電站運行信息與遠(yuǎn)方信息系統(tǒng)互聯(lián)通訊。
4.4本項目的實現(xiàn)在國內(nèi)達到以下幾個技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新成果:
第一個以完整數(shù)字化IEC61850-9-2實現(xiàn)的變電站過層應(yīng)用項目
第一個110kV變電站實際實現(xiàn)站內(nèi)GOOSE功能應(yīng)用
5未來展望
隨著電子式互感器及智能化開關(guān)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展,使得一次設(shè)備與二次設(shè)備可通過光纖以太網(wǎng)交換信息。電子式互感器具有體積小、無鐵芯、因此無飽和現(xiàn)象,且線性度好,可輸出信號直接與IEC接口。智能開關(guān)除了具有開關(guān)設(shè)備的基本功能,還具有數(shù)字化接口、在線監(jiān)視、智能控制等一系列的高智能化功能。未來變電站IEC61580的模式如圖5所示。
圖5未來IEC61850模式
6總結(jié)
IEC61850協(xié)議體系標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)是未來電力自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向,是數(shù)字化變電站系統(tǒng)實現(xiàn)的重要而基本的內(nèi)容。國家電力公司已將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的推廣和應(yīng)用作為近年重大應(yīng)用項目列入國家電力發(fā)展規(guī)劃中。
數(shù)字化變電站應(yīng)用中面臨新老自動化系統(tǒng)交替、互聯(lián)共存的現(xiàn)實問題,在電力自動化系統(tǒng)基于IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)化、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換方面進行研究和應(yīng)用,能促進電力自動化的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展,帶來巨大的經(jīng)濟效益。緩解長期困擾電力自動化系統(tǒng)用戶和設(shè)備制造商的系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)接和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)問題。將來能適應(yīng)國際電力自動化系統(tǒng)通信技術(shù)的發(fā)展,及時提高電力自動化系統(tǒng)通信協(xié)議體系對“IEC61850標(biāo)準(zhǔn)”的適應(yīng)性?!癐EC61850標(biāo)準(zhǔn)”全面在我國電力行業(yè)推廣實施會有一個過程,但它對推進變電站數(shù)字化的發(fā)展將產(chǎn)生重大而長遠(yuǎn)的影響。
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總結(jié)
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