電力系統(tǒng)220 kV變電站自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)與運(yùn)用
摘要:本文將基于工程設(shè)計(jì)實(shí)踐,著重對(duì)220kV無人值班變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及功能等方面的問題作一探討。
關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng)，變電站綜合自動(dòng)化，無人值班變電站
電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展,中壓變電站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)并已相繼成功投運(yùn),充分顯示了變電站自動(dòng)化技術(shù)的日益成熟,從而進(jìn)一步推進(jìn)了220kV無人值班變電站的實(shí)施應(yīng)用,以最大限度發(fā)揮計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能,實(shí)現(xiàn)減人增效,降低工程造價(jià),謀求最大經(jīng)濟(jì)效益。但是,220kV無人值班變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前尚缺乏相關(guān)的規(guī)程規(guī)范,如何為220kV無人值班變電站配置最優(yōu)化、最為切實(shí)可行的監(jiān)控方案,值得設(shè)計(jì)人員給予充分的探討和研究,簡(jiǎn)單地套用500kV變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)或常規(guī)RTU的模式是不可取的。
1變電站綜合自動(dòng)化與無人值班變電站
1.1變電站綜合自動(dòng)化
變電站綜合自動(dòng)化是指變電站二次系統(tǒng)通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù),實(shí)現(xiàn)集常規(guī)變電站控制、測(cè)量、信號(hào)、保護(hù)、計(jì)量、自動(dòng)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)等功能于一體的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),它是一種新型的自動(dòng)裝置和系統(tǒng)。根據(jù)變電站在系統(tǒng)中的地位和作用,其運(yùn)行管理模式可以是有人值班,也可以是無人值班。
有人值班的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象是站內(nèi)的運(yùn)行值班人員,因此需配設(shè)功能強(qiáng)大的人機(jī)界面和相關(guān)的監(jiān)控應(yīng)用軟件,通過VDU導(dǎo)向的操作員工作站,實(shí)時(shí)地向運(yùn)行人員顯示或打印詳細(xì)的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)以及事故報(bào)警信息,提供有關(guān)參數(shù)的整定修改、軟硬件維護(hù)和操作指導(dǎo),實(shí)現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)的操作控制與監(jiān)視,為變電站的安全可靠運(yùn)行提供保證。
1.2無人值班變電站
無人值班變電站是指無固定值班人員在站內(nèi)進(jìn)行日常監(jiān)視與操作的變電站,站內(nèi)主要設(shè)備的操作和監(jiān)控由中心控制站遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)或上級(jí)調(diào)度中心調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的四遙功能實(shí)現(xiàn)。變電站無人值班是一種運(yùn)行管理模式,無人值班變電站可采用綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),也可采用常規(guī)二次設(shè)備和遠(yuǎn)動(dòng)終端裝置實(shí)現(xiàn)。采用無人值班的變電站,不僅需提高站內(nèi)一、二次設(shè)備的可靠性和可控性,而且應(yīng)有運(yùn)行穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)或調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和傳輸通道。
采用綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變電站的無人值班,不僅可合理配置變電站二次設(shè)備,防止功能重復(fù)設(shè)置,而且簡(jiǎn)化二次接線,縮短控制電纜用量,降低造價(jià),并降低運(yùn)行費(fèi)用,有利于區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制,提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象不在變電站內(nèi),而是遠(yuǎn)方的中心控制站或調(diào)度中心,因此站內(nèi)簡(jiǎn)單的、單項(xiàng)的操作應(yīng)由基礎(chǔ)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn),而那些復(fù)雜的、涉及到系統(tǒng)運(yùn)行的操作則由遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
2無人值班系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1主要設(shè)計(jì)原則
無人值班變電站綜合自動(dòng)化應(yīng)采用分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),按縱向分為間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備,按橫向分為不同電壓等級(jí)的輸電線路、母線設(shè)備以及主變壓器等一次元件,根據(jù)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想,將同一安裝單位的二次功能如測(cè)控、同期合閘、防誤操作閉鎖集成在間隔層測(cè)控單元實(shí)現(xiàn),從而間隔層設(shè)備所需配置的功能只影響本單元,以取得較好的獨(dú)立性和并發(fā)性能。
系統(tǒng)方案配置以無人值班管理模式為原則,取消常規(guī)控制屏、模擬屏以及操作員工作站,以計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)方遙控手段為主方式實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變電站的監(jiān)視、測(cè)量、控制和運(yùn)行管理。
2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按縱向分為變電站層和間隔層,變電站層設(shè)置冗余的遠(yuǎn)動(dòng)終端和就地工作站,布置在二次設(shè)備間。遠(yuǎn)動(dòng)終端將按照調(diào)度端和中心控制站要求的通信規(guī)約實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)信息的上傳,并在遠(yuǎn)端對(duì)間隔層設(shè)備進(jìn)行管理和下發(fā)遙控、遙調(diào)命令。就地工作站配設(shè)簡(jiǎn)單的人-機(jī)界面,完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、巡回檢視、就地檢修維護(hù)功能,并通過此站實(shí)現(xiàn)故錄和繼電保護(hù)信息至中調(diào)和地調(diào)的上送。
間隔層測(cè)控設(shè)備應(yīng)按一次設(shè)備布置配置,110kV、220kV宜按出線及母線設(shè)備間隔分別配置,主變進(jìn)線宜按其三側(cè)信息量統(tǒng)一配置測(cè)控單元,10kV宜按每間隔配置測(cè)控、保護(hù)一體裝置。各測(cè)控裝置相對(duì)獨(dú)立,完成就地設(shè)備信息的采集和處理、斷路器監(jiān)控及同期合閘等功能,操作方式具備站內(nèi)設(shè)備就地操作、就地工作站操作和中心控制站遠(yuǎn)方操作相互閉鎖等功能,間隔層設(shè)備所配置的功能只影響本單元而獨(dú)立于其他單元,有較好的獨(dú)立性和并發(fā)性能,提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)采用光纖以太網(wǎng),全冗余配置,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型,連接變電站層和間隔層設(shè)備,實(shí)現(xiàn)變電站層設(shè)備與間隔層各測(cè)控裝置等設(shè)備之間的通信,傳輸運(yùn)行中的監(jiān)視和控制信號(hào),兩網(wǎng)互為備用。
同時(shí)由于無人值班變電站的特點(diǎn),電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、直流電源、交流不停電電源、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以及安全警衛(wèi)等輔助系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)均應(yīng)受到遠(yuǎn)方監(jiān)視,因此需設(shè)置全站公用的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置,各子系統(tǒng)以約定的規(guī)約及通信串口方式接入該裝置,以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制端的監(jiān)測(cè)和管理。
同時(shí)由于間隔層測(cè)控及繼電保護(hù)裝置為下放布置方案,因此設(shè)備的電磁兼容性必須滿足國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行要求。
2.3繼電保護(hù)配置
考慮到繼電保護(hù)在系統(tǒng)運(yùn)行中的重要地位,對(duì)110kV、220kV設(shè)備的保護(hù)裝置在現(xiàn)階段仍獨(dú)立設(shè)置,按保護(hù)對(duì)象配置并單獨(dú)組屏,實(shí)現(xiàn)就地分散布置,直接輸入電流、電壓量,動(dòng)作后直接操作斷路器跳閘,與綜自系統(tǒng)完全獨(dú)立,以保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。對(duì)10kV低壓設(shè)備按保護(hù)、測(cè)控為一體化裝置設(shè)置,但應(yīng)要求多CPU配置,以保證監(jiān)控和保護(hù)的相對(duì)獨(dú)立性。保護(hù)動(dòng)作信號(hào)除測(cè)控單元直接采集外,其他詳盡的保護(hù)信息如事件報(bào)告、自檢報(bào)告、定值修改及裝置投退情況等將通過微機(jī)保護(hù)裝置的通信接口接入全站統(tǒng)一設(shè)置的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置,通過站內(nèi)以太網(wǎng)上送調(diào)度端。
2.4采集方式
采集范圍應(yīng)根據(jù)中心控制站、調(diào)度端運(yùn)行管理要求以及站內(nèi)電氣設(shè)備的狀況為前提,以滿足無人值班站遠(yuǎn)動(dòng)信息要求為原則,采集方式及采集內(nèi)容如下所述:
(1)模擬量信號(hào)采集在滿足測(cè)量精度的前提下優(yōu)先選擇交流采樣方式,非電量信號(hào)如主變油溫及繞組溫度、GIS的SF6壓力等,一般可通過變送器采集。
(2)數(shù)字量信號(hào)采集方式分為兩種,主要保護(hù)動(dòng)作和重合閘動(dòng)作信號(hào)、斷路器、隔離開關(guān)及接地開關(guān)位置信號(hào)、斷路器操作機(jī)構(gòu)故障信號(hào)、控制回路及電壓回路斷線信號(hào)、主變油位信號(hào)和變電站大門開閉等信號(hào)以干接點(diǎn)、硬接線接入測(cè)控裝置,其他信息均以通信接口的接入方式通過智能接口裝置上傳。
(3)電能量信號(hào)分為關(guān)口點(diǎn)電能量和非關(guān)口點(diǎn)電能量。關(guān)口點(diǎn)電度表通過通信接口接入獨(dú)立裝設(shè)的電能計(jì)量子站后上送省調(diào);非關(guān)口點(diǎn)電度表通過通信接口接入站監(jiān)控系統(tǒng)并上傳地調(diào),以滿足無人值班站各級(jí)運(yùn)行管理要求。
其他信息包括主變有載調(diào)壓開關(guān)位置信號(hào),以BCD碼或其他方式輸入。
3系統(tǒng)組態(tài)及功能要求
3.1變電站層配置
3.1.1遠(yuǎn)動(dòng)終端
遠(yuǎn)動(dòng)終端為雙機(jī)配置、主備通道、雙口調(diào)制解調(diào)器及防雷保護(hù)器,采用組柜方式。應(yīng)支持各種RTU遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約,具有向省調(diào)、地調(diào)及中心控制站傳送遙信、遙測(cè)信息,接受遙控、遙調(diào)命令能力;支持雙主機(jī)、雙通道自動(dòng)切換功能,完成任一遠(yuǎn)動(dòng)終端和任一遠(yuǎn)動(dòng)通道組成的數(shù)據(jù)通信;滿足直采直送的原則,直接從以太網(wǎng)上獲取間隔層測(cè)控裝置發(fā)出的數(shù)據(jù),經(jīng)篩選、歸并后按調(diào)度端和中心控制站的要求建立遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)庫(kù);支持通過以太網(wǎng)以TCP/IP協(xié)議與站內(nèi)繼電保護(hù)和其他智能裝置IED的通信,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)等功能。
3.1.2就地工作站
全站配置1臺(tái),采用高性能工控PC機(jī),運(yùn)行WindowsNT操作系統(tǒng),秉承WinNT占先式、實(shí)時(shí)多任務(wù)和多線程的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)操作員工作站、工程師工作站和繼保故錄工作站的作用。在變電站調(diào)試和試運(yùn)行、巡回檢視以及就地維護(hù)和檢修期間,以該工作站為中心,通過間隔層測(cè)控裝置采集現(xiàn)場(chǎng)的模擬量、數(shù)字量和電能量等信號(hào),對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算,為操作人員提供各類畫面顯示、報(bào)表打印以及事件報(bào)警,實(shí)現(xiàn)對(duì)全部電氣設(shè)備的監(jiān)視、測(cè)量、控制、管理、記錄和報(bào)警功能,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電壓和無功控制功能,通過預(yù)設(shè)的控制策略或無功-電壓曲線,對(duì)相關(guān)測(cè)控裝置下達(dá)主變有載調(diào)壓開關(guān)位置的調(diào)整和低壓無功補(bǔ)償設(shè)備的投切命令。在正常運(yùn)行時(shí),可通過一口或多口調(diào)制解調(diào)器實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度端和中心控制站的召喚,實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)信息和故錄信息的上送。同時(shí)可方便系統(tǒng)工程師完成數(shù)據(jù)庫(kù)的定義、修改,系統(tǒng)參數(shù)的定義、修改,報(bào)表的制作、修改,網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和系統(tǒng)診斷以及遠(yuǎn)程維護(hù)等功能。
3.1.3同步衛(wèi)星時(shí)鐘GPS
為保證對(duì)時(shí)精度,同步衛(wèi)星時(shí)鐘分別在變電站層和測(cè)控層設(shè)置。GPS應(yīng)具有通信接口、同步脈沖接口或其他形式的同步信號(hào)接口,以滿足站內(nèi)智能設(shè)備同步對(duì)時(shí)要求。系統(tǒng)采用軟硬結(jié)合的對(duì)時(shí)方案,通信接口與遠(yuǎn)動(dòng)終端相連,同步信號(hào)接口直接輸出至測(cè)控裝置、繼電保護(hù)裝置以及其他IED設(shè)備,確保全站時(shí)鐘同步。
3.2間隔層配置
3.2.1測(cè)控裝置
模塊化結(jié)構(gòu),按間隔配置,組柜就地分散布置,它包括測(cè)量輸入部件、遙控輸出部件、就地顯示和手動(dòng)控制部件以及網(wǎng)絡(luò)通信接口部件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、同期、防誤操作閉鎖、自動(dòng)低壓低頻減載、同步對(duì)時(shí)和10kV設(shè)備繼電保護(hù)及就地監(jiān)視和手動(dòng)控制功能。
3.2.2規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置
全站集中設(shè)置1臺(tái),選用高性能工控PC機(jī),完成測(cè)控網(wǎng)絡(luò)物理層硬件上的互連和物理層以上傳輸協(xié)議軟件的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置、直流電源、UPS等智能設(shè)備各類信息的上傳,滿足無人值班變電站運(yùn)行管理要求。
4方案特點(diǎn)
根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則,已有一些廣東、湖南等地的110kV、220kV無人值班中低壓變電站綜自系統(tǒng)方案付諸于工程實(shí)踐,其主要特點(diǎn)說明如下。
4.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化
測(cè)控網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控系統(tǒng)的通信主干網(wǎng)絡(luò),采用了目前使用較為廣泛的以太網(wǎng)技術(shù),較現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化了前置層通信管理機(jī),不僅具有標(biāo)準(zhǔn)而成熟的軟硬件配置,而且計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單高效,通信帶寬和傳輸速率大為提高,在系統(tǒng)的先進(jìn)性、開放性、擴(kuò)展性及維護(hù)性等方面具有一定的優(yōu)越性。
4.2繼電保護(hù)和錄波信息的接入方式
繼電保護(hù)裝置接入全站統(tǒng)一設(shè)置的規(guī)約轉(zhuǎn)換器,采用與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)共網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?其優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端與就地保護(hù)信息的資源共享。對(duì)于故障錄波信息,由于其量大且傳送時(shí)間長(zhǎng),因此不與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)共網(wǎng)傳輸,采用故障錄波考慮單獨(dú)組網(wǎng)方式,以保證監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)信息的實(shí)時(shí)傳輸,并通過就地工作站將錄波信息遠(yuǎn)傳至調(diào)度。
4.3防誤閉鎖功能設(shè)計(jì)
無人值班站的防誤閉鎖操作應(yīng)是微機(jī)監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)功能之一,設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足遠(yuǎn)端操作可靠安全、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)操作簡(jiǎn)單可行為原則,根據(jù)電氣配電裝置的形式不同,防誤操作閉鎖的設(shè)計(jì)方案應(yīng)有所區(qū)別。
對(duì)于常規(guī)敞開式配電裝置,除了與運(yùn)行方式有關(guān)的隔離開關(guān)需在遠(yuǎn)端操作外,還有為數(shù)眾多的其他隔離開關(guān)和接地刀閘需在檢修人員進(jìn)站維護(hù)時(shí)操作,因此有必要設(shè)置由編碼鎖和電腦鑰匙等組成的“五防”子系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)與微機(jī)監(jiān)控終端的無縫連接。
對(duì)就地操作的隔離開關(guān)及接地刀閘,相關(guān)的操作閉鎖邏輯由微機(jī)監(jiān)控終端主機(jī)完成,當(dāng)需要就地操作時(shí)則將允許操作信息輸入至電腦鑰匙后即可實(shí)現(xiàn);對(duì)遠(yuǎn)方操作的隔離開關(guān),其相關(guān)閉鎖邏輯由間隔層測(cè)控單元或/和監(jiān)控終端主機(jī)完成。對(duì)于GIS變電站,由于所有相關(guān)聯(lián)鎖的二次接線均是由制造廠商完成的,而且GIS設(shè)備上亦不能實(shí)現(xiàn)編碼鎖的安裝,因此不應(yīng)設(shè)置“五防”子系統(tǒng),對(duì)于遠(yuǎn)端操作的隔離開關(guān),監(jiān)控終端主機(jī)尚應(yīng)考慮其相關(guān)閉鎖邏輯,當(dāng)遠(yuǎn)端下達(dá)操作命令、但閉鎖條件不滿足時(shí),監(jiān)控終端主機(jī)則可根據(jù)軟邏輯立即反饋遠(yuǎn)端控制主機(jī),以防運(yùn)行人員誤判別。
5結(jié)語
采用綜合自動(dòng)化控制方式和測(cè)控繼電保護(hù)下放布置方案,并實(shí)施無人值班管理模式是變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),不僅技術(shù)上先進(jìn)可行,功能完善,而且也極具經(jīng)濟(jì)效益。隨著電網(wǎng)規(guī)模日新月異的發(fā)展,自動(dòng)化設(shè)備性能的完善和提高,采用綜合自動(dòng)化的變電站無人值班管理模式將更具生命力,在電網(wǎng)中發(fā)揮更大的作用。
