智能配電網(wǎng)通信技術(shù)及其應(yīng)用

智能配電網(wǎng)通信技術(shù)研究及其應(yīng)用學(xué)生：丁炳旺

變電站的發(fā)展與電力系統(tǒng)的發(fā)展密切相關(guān),承擔(dān)著變換電壓等級、匯集潮流、分配電能、調(diào)整電壓等功能。隨著電力系統(tǒng)的擴大,相應(yīng)的變電站結(jié)構(gòu)和運行方式越來越復(fù)雜,用戶對用電可靠性的要求也日益嚴(yán)格?；诟鞣N技術(shù)的進(jìn)步和推廣,原有的電磁型、晶體管型設(shè)備被變電站自動化系統(tǒng)所替代。變電站自動化系統(tǒng)采用各種設(shè)備通過交換信息、數(shù)據(jù)共享,從而達(dá)到對變電站的監(jiān)視和控制。其技術(shù)的應(yīng)用提高了變電站安全穩(wěn)定運行水平,降低了運行維護(hù)成本,提高了經(jīng)濟效益,同時向用戶提供了高質(zhì)量的電能供應(yīng)。

智能變電站的提出

中國智能電網(wǎng)六個環(huán)節(jié)中,變電環(huán)節(jié)在實現(xiàn)智能電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的全面采集和實時共享,接入各類電源及用戶,開展資產(chǎn)全壽命周期管理,支撐電網(wǎng)實時控制與保護(hù)、智能調(diào)節(jié)和各類高級應(yīng)用等方面具有重要意義。因此，智能變電站充分體現(xiàn)了智能電網(wǎng)的核心理念和內(nèi)涵,代表了變電站的先進(jìn)技術(shù)和發(fā)展方向。智能變電站的概念智能變電站是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。

數(shù)字化變電站技術(shù)是智能變電站的技術(shù)基礎(chǔ)，數(shù)字化變電站強調(diào)實現(xiàn)手段的數(shù)字化，而智能電網(wǎng)的建設(shè)，對變電站自動化系統(tǒng)的一次設(shè)備智能化、高級應(yīng)用、對智能電網(wǎng)的支撐等功能提出了新的要求，智能變電站是變電站整體技術(shù)的跨越和未來變電站發(fā)展的方向

自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較與一次設(shè)備的連接比較與調(diào)度主站聯(lián)系的比較通訊規(guī)約的比較高級應(yīng)用功能比較對時系統(tǒng)要求的比較傳統(tǒng)變電站間隔層、站控層兩層結(jié)構(gòu)常規(guī)互感器及斷路器，電纜連接僅傳四遙信息內(nèi)部規(guī)約IEC60870-5-103等基本無高級應(yīng)用僅限于SOE數(shù)字化變電站間隔層、站控層、過程層三層結(jié)構(gòu)非傳統(tǒng)互感器、常規(guī)斷路器及主變僅傳四遙信息全面采用IEC61850支持設(shè)備互操作引入了網(wǎng)絡(luò)分析等功能增加了對采樣同步性的要求智能化變電站間隔層、站控層、過程層三層結(jié)構(gòu)智能斷路器、主變、一次設(shè)備智能組件，弱化一二次設(shè)備的界限上傳全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及模型信息全面采用IEC61850支持設(shè)備互操作，并兼容IEC61970集成了眾多高級應(yīng)用功能，采用一體化的數(shù)據(jù)平臺絕對時刻要高度準(zhǔn)確，全網(wǎng)時鐘統(tǒng)一，采用IEC61588對時方式比較類型智能變電站結(jié)構(gòu)電子式互感器智能斷路器智能組件通信規(guī)約高級應(yīng)用簡介IEC61588對時方式智能變電站結(jié)構(gòu)：

過程層：包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置。

間隔層：間隔層設(shè)備一般指繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測控裝置、監(jiān)測功能組的主智能電子設(shè)備（IED）等二次設(shè)備，實現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能，即與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。

站控層：站控層包含自動化站級見識控制系統(tǒng)、站域控制、通行系統(tǒng)，對時系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實現(xiàn)面向全站設(shè)備的見識、控制、告警及信息交互功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA）、操作閉鎖以及同步向量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等相關(guān)功能。傳統(tǒng)變電站結(jié)構(gòu)智能變電站結(jié)構(gòu)電子式互感器

國際電工委員會（IEC）制定了電子式互感器的2個標(biāo)準(zhǔn)：EVT標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7和ECT標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-8.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中描述，電子式互感器是具有模擬量電壓輸出或數(shù)字量輸出，供頻率15~100Hz的電氣測量儀器和繼電保護(hù)裝置使用的電流/電壓互感器。IEC標(biāo)準(zhǔn)定義了電子式互感器的通用結(jié)構(gòu)，如圖，包括一次部分、二次部分和傳輸系統(tǒng)3個部分。P1、P2是一次輸入端，S1、S2是電壓模擬量的二次輸出端，數(shù)字輸出與過程層的合并單元對接。

若一次傳感器是半常規(guī)測量原理的，一次轉(zhuǎn)換器就要將一次傳感器的電輸出信號轉(zhuǎn)換為光信號，此時的一次轉(zhuǎn)換器是電子部件，需要一次電源供電，稱為有源電子式互感器。

若一次傳感器是光學(xué)原理的，無需一次轉(zhuǎn)換器，即無需一次電源，直接輸出到光纖傳輸系統(tǒng)，稱為無源電子式互感器（又稱光學(xué)互感器）。

數(shù)字化變電站首先要求便是在過程層實現(xiàn)測量輸出數(shù)字化，而電子式互感器能夠輸出采樣值的數(shù)字信號，最適合應(yīng)用于數(shù)字化變電站中。

下圖是電子式互感器在數(shù)字化變電站中的邏輯位置。處于過程層的EVT和ECT向間隔層的合并單元(MU)提供電壓和電流測量數(shù)據(jù)，MU將測量數(shù)據(jù)提供給保護(hù)控制裝置并上傳到站控層。

數(shù)字化變電站中的電子式互感器

按照IEC標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)字化變電站中，每個間隔擁有7路電流測量和5路電壓測量如圖，是每個間隔中EVT和ECT的配置情況。IEC標(biāo)準(zhǔn)明確了MU的輸出格式，卻沒有規(guī)定電子式互感器與MU的接口，因此，互感器和MU之間的光纖通信可以根據(jù)需要采取點對點或者過程總線傳輸方式。電子式互感器和合并單元的連接

IEC62063標(biāo)準(zhǔn)對智能斷路器設(shè)備的定義：“具有較高性能的斷路器和控制設(shè)備，配有電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器，還具有附加功能，尤其是在線監(jiān)視和診斷方面。”

智能斷路器是用微電子、計算機技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng)。其主要特點是由電力電子技術(shù)、數(shù)字化控制裝置組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器。智能斷路器實現(xiàn)電子操動，變機械儲能為電容儲能，變機械傳動為變頻器經(jīng)電機直接驅(qū)動，機械系統(tǒng)可靠性提高。智能斷路器

智能斷路器的基本工作模式為：當(dāng)系統(tǒng)故障由繼電保護(hù)裝置發(fā)出斷開信號或由操作人員發(fā)出操作信號后，首先啟動智能識別模塊，判斷當(dāng)前狀態(tài)即斷路器所處的工作條件，對調(diào)節(jié)裝置發(fā)出不同的定量控制信息而自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以獲得與當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)相適應(yīng)的運動特性，然后使斷路器動作。其核心在于根據(jù)監(jiān)測到的不同故障電流自動選擇操動機構(gòu)參數(shù)及滅弧室預(yù)先規(guī)定的工作條件，電流小時低速斷開，電流大時高速斷開，以獲得電氣和機械性能上的最佳斷開效果。智能斷路器工作原理

高壓設(shè)備與智能組件之間通過傳感器和控制器組成一個有機整體，具有狀態(tài)可視化測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、功能一體化和信息互動化的主要特征。

智能組件是承擔(dān)宿主設(shè)備相關(guān)測量、控制、計量、檢測、保護(hù)等全部或部分功能的智能電子裝置的集合，是高壓設(shè)備智能化的核心部件。智能組件通過網(wǎng)絡(luò)連接至站控層，實現(xiàn)與站內(nèi)其他設(shè)備和調(diào)度系統(tǒng)的信息交互。

智能組件

現(xiàn)階段智能變電站中的智能組件主要分為變壓器智能組件和斷路器智能組件兩種。其整體原則是變電站內(nèi)一次設(shè)備應(yīng)綜合考慮測量數(shù)字化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化。因此一次設(shè)備宜采用“一次設(shè)備本體+傳感器+智能組件”形式，與一次設(shè)備本體采用一體化設(shè)計。

隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，智能變電站設(shè)備的重要特征體現(xiàn)為一、二次技術(shù)的融合。智能組件的功能主要是信息采集與執(zhí)行，與電力系統(tǒng)的外在特征無關(guān)，因此智能組件完全可以作為智能一次設(shè)備的一個組成部分，就地化靠近一次設(shè)備安裝，最終形成智能一次設(shè)備產(chǎn)業(yè)化，智能一次設(shè)備將逐步取代現(xiàn)有的不能滿足智能電網(wǎng)需求的傳統(tǒng)一次設(shè)備。如圖是智能一次設(shè)備的發(fā)展和演變過程。

IEC60870-5-103規(guī)約屬于問答式(Polling)，是IECTC一57技術(shù)委員會IEC60870—5系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各種應(yīng)用情況下的不同要求制定的配套標(biāo)準(zhǔn)。其目的是為了在變電站或廠站中，不同繼電保護(hù)設(shè)備和控制系統(tǒng)之間達(dá)到互換。規(guī)約采用非平衡傳輸，控制系統(tǒng)組成主站，繼電保護(hù)設(shè)備(或間隔單元)為從站(子站)。

IEC61850是一個關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的國際標(biāo)準(zhǔn)，其目的是使變電站內(nèi)不同廠家的電子設(shè)備（IED）之間通過一種標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）實現(xiàn)互操作和信息共享。

IEC61970是國際電工委員會制定的《能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口（EMS-API）》系列國際標(biāo)準(zhǔn)。對應(yīng)國內(nèi)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL890。IEC61970系列標(biāo)準(zhǔn)定義了能量管理系統(tǒng)（EMS）的應(yīng)用程序接口（API），目的在于便于集成來自不同廠家的EMS內(nèi)部的各種應(yīng)用，便于將EMS與調(diào)度中心內(nèi)部其它系統(tǒng)互聯(lián)，以及便于實現(xiàn)不同調(diào)度中心EMS之間的模型交換。通信規(guī)約高級應(yīng)用簡介

建設(shè)階段可實現(xiàn)的高級應(yīng)用功能主要包括順序控制、設(shè)備在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修、智能告警與分析決策、故障信息綜合分析決策、經(jīng)濟運行與優(yōu)化控制、安全狀態(tài)評估/預(yù)警/控制、站域保護(hù)、站內(nèi)狀態(tài)估計、遠(yuǎn)方不停電修改定值等

目前，自動化設(shè)備制造商對于智能變電站高級應(yīng)用功能的研發(fā)尚處于起步階段，用于實際工程的事例也不多。因此，開展智能變電站高級應(yīng)用研究，加強工程實用化應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實意義。。IEC61588對時方式

為了解決分布式網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的需要，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員共同開發(fā)了精確時間協(xié)議（PTP），后得到IEEE的贊助，于2002年11月得到IEEE批準(zhǔn)，形成IEEE1588版本1，并被轉(zhuǎn)化為IEC61588版本1，在2008年形成了IEEE1588V2，并很快被國際電工委員會（IEC）和國家標(biāo)準(zhǔn)采用，形成IEC61588-2009和GB/T-25931-2010標(biāo)準(zhǔn)。IEC61588定義了一個能夠在測量和控制系統(tǒng)中實現(xiàn)高精度時鐘同步的協(xié)議——精確時間協(xié)議。

PTP協(xié)議集成了網(wǎng)絡(luò)通訊、局部計算和分布式對象等多項技術(shù)、適用于所有通過支持多播的局域網(wǎng)進(jìn)行通訊的分布式系統(tǒng)，特別適合于以太網(wǎng)，但不局限于以太網(wǎng)。其在硬件上要求每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須有1個包含實時時鐘的網(wǎng)絡(luò)接口卡，可以實現(xiàn)基于PTP協(xié)議棧的相關(guān)服務(wù)。其將時標(biāo)打在硬件層，根據(jù)網(wǎng)元客戶端和時間服務(wù)器之間的時間標(biāo)簽，計算出二者之間的傳輸時延和時鐘偏差，實測利用SDH通信網(wǎng)傳輸時間同步信號的精度已達(dá)到1微秒。PTP時鐘同步通過發(fā)送和接受同步報文實現(xiàn)。一個主時鐘（Master）與一個從時鐘（Slave）的同步過程如下：1）主節(jié)點每秒（同步報文的間隔是可設(shè)置的，這里假設(shè)為1s）向從節(jié)點發(fā)送一個“同步”（Sync）報文。這個報文是由主節(jié)點打上預(yù)計的發(fā)送時間標(biāo)記的報文，但是由于預(yù)計的發(fā)送時間和實際的報文發(fā)送本身可能的延遲，實際時間標(biāo)記不能隨“同步”報文一起發(fā)送。這個“同步”報文在接收端被從節(jié)點打上接收時間標(biāo)記。2）主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送一個“跟隨”（Floow-Up）報文。這個報文包含先前的同步報文準(zhǔn)確的發(fā)送時間的標(biāo)記。從節(jié)點利用這2個時間標(biāo)記可以得到它與主節(jié)點的延遲，據(jù)此可調(diào)整它的時鐘的頻率。

3)從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送“延時請求”（Delay-Req）報文。這個報文是由從節(jié)點記錄它的準(zhǔn)確發(fā)送時間,由主節(jié)點打上準(zhǔn)確的接收時間標(biāo)記。4）主節(jié)點向從節(jié)點返回一個“延時響應(yīng)”（Delay-Resp）報文。這個報文帶著先前的“延時請求”報文的準(zhǔn)確的接收時間標(biāo)記，從節(jié)點利用這個時間和由它所記錄的準(zhǔn)確的發(fā)送時間，可計算出主節(jié)點和從節(jié)點之間的傳輸延遲并調(diào)整它的時鐘漂移誤差。

從時鐘相對于主時鐘的偏差（offset）和傳輸延時（delay）計算公式為：小結(jié)

作為復(fù)雜的智能化系統(tǒng)，智能變電站需經(jīng)過多階段、多目標(biāo)發(fā)展才能完成。改造原有的變電站需要應(yīng)用上的平穩(wěn)過渡和重點技術(shù)突破，逐步達(dá)到完善。智能變電站的發(fā)展將為智能電網(wǎng)的建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)。[1]李孟超.智能變電站及技術(shù)特點分析,2010.9.16[2]吳憶.智能變電站的體系結(jié)構(gòu)及原理研究,華中電力雜志.2011年第3期[3]王紅星.電子式互感器及其在數(shù)字化變電站中應(yīng)用,2009.09[4]蘇永春.時間同步技術(shù)在智能變電站的應(yīng)用,江西電力雜志.2010年第4期[5]張沛超.智能變電站,2010.02[6]黃鑫.智能變電站IEC61