智能變電站信息采集及應用許繼電氣

智能變電站信息采集及應用許繼電氣第1頁/共53頁目錄1、智能變電站的構成2、國內外研究應用現(xiàn)狀3、信息采集及相關應用研究4、國網(wǎng)規(guī)劃&應用展望5、小結第2頁/共53頁一、智能變電站的構成電子式互感器應用IEC61850標準的頒布和推廣應用高速工業(yè)通信網(wǎng)絡技術發(fā)展

智能變電站斷路器技術發(fā)展和應用

變電站業(yè)務需求的變化和一次設備、通信網(wǎng)絡技術的進步，堅強智能電網(wǎng)的建設，驅動了變電站一、二次設備技術的融合，以及變電站運行方式的變革，由此產(chǎn)生了——“智能變電站”。高壓設備智能化+高級應用第3頁/共53頁

采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、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、智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。

智能設備：一次設備和智能組件的有機結合體，具有測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化特征的高壓設備，是高壓設備智能化的簡稱。

智能組件：由若干智能電子裝置集合組成，承擔宿主設備的測量、控制和監(jiān)測等基本功能；在滿足相關標準要求時，智能組件還可承擔相關計量、保護等功能?？砂y量、控制、狀態(tài)監(jiān)測、計量、保護等全部或部分裝置。一、智能變電站的構成—智能變電站定義第4頁/共53頁

國家電網(wǎng)公司組織有關專家對智能電網(wǎng)建設所需關鍵設備進行了梳理和分析，總體認為：目前，國內外已有設備基本滿足電網(wǎng)建設和發(fā)展的常規(guī)需求，部分設備技術已達到或處于國際領先水平（如：特高壓設備、調度自動化系統(tǒng)、數(shù)字化變電站等），為智能電網(wǎng)建設奠定了較好的基礎一、智能變電站的構成—智能變電站定位---摘自《智能電網(wǎng)關鍵設備（系統(tǒng)）研制規(guī)劃》2010.6第5頁/共53頁智能變電站接線組成圖新增加的設備替換設備改造設備

智能變電站一、智能變電站的構成一次設備智能化高級應用第6頁/共53頁電子式互感器合并單元智能終端過程層交換機戶外柜智能電表數(shù)字化繼電保護測試儀同步對時設備/方案一體化電源網(wǎng)絡報文記錄分析系統(tǒng)

相關新產(chǎn)品一、智能變電站的構成第7頁/共53頁主要的電力標準有IEC60044、IEC61850。主要通信標準有IEEE802.1Q、IEEE802.1p、IEEE802.1w、IEEE1588。一、智能變電站的構成第8頁/共53頁1)通信網(wǎng)絡安全性、可靠性需求

智能變電站采用了基于開放的、標準的網(wǎng)絡技術和對等的通信模式，對網(wǎng)絡通信技術和相應設備在可靠性、實時性、穩(wěn)定性等方面要求非常嚴格。一旦網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，二次設備的功能會受到嚴重影響，甚至失效，直接影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。當前數(shù)字化變電站存在的問題二、國內外研究、應用情況統(tǒng)計2)電能計量面臨的問題

（1）表計檢定：目前對用于基于IEC61850數(shù)字接口計量器具的檢定沒有相關規(guī)定，政策指導性文件缺乏，檢定溯源困難；（2）現(xiàn)場校驗：常規(guī)現(xiàn)場校驗與現(xiàn)存實際狀況方面沒有相關文件規(guī)定；（3）電量計費：目前電能量計費管理系統(tǒng)存在重新劃分管理智能等問題。第9頁/共53頁3)一、二次設備融合進程

當前數(shù)字化變電站存在的問題二、國內外研究、應用情況統(tǒng)計

智能變電站涉及多學科、多種產(chǎn)品，是一個龐大復雜的體系，隨著“一次設備智能化”的不斷發(fā)展，不僅需要機、電、光三個專業(yè)的協(xié)同工作，傳統(tǒng)意義上的一、二次設備間的界限也將逐漸模糊，要求一、二次系統(tǒng)在技術上融合、在專業(yè)上整合。

相對來說，ABB、西門子、許繼集團等廠商由于具有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，均可提供從一次設備到二次設備完整的數(shù)字化變電站解決方案。---摘自《智能電網(wǎng)關鍵設備（系統(tǒng)）研制規(guī)劃》2010.6第10頁/共53頁大腦神經(jīng)身體二、國內外研究、應用情況統(tǒng)計高壓設備智能化第11頁/共53頁智能設備發(fā)展示意圖二、國內外研究、應用情況統(tǒng)計高壓設備智能化第12頁/共53頁4)檢測與評估體系的建立

數(shù)字化/智能變電站對調試和運行檢測設備提出了新要求，需要盡快研究新的試驗方式、手段，制定數(shù)字化變電站技術相關試驗及檢測標準等。實現(xiàn)數(shù)字化/智能變電站建設的有序、有效和實用化。當前數(shù)字化變電站存在的問題二、國內外研究、應用情況統(tǒng)計智能變電站取消了硬接線，不那么直觀的網(wǎng)絡實現(xiàn)方式，需要一系列完整的配套工具，需要成套的解決方案。建模工具、系統(tǒng)配置工具、IED配置工具、報文仿真分析工具、數(shù)字式繼電保護測試設備高精度的CT、PT下，保護刻度誤差的檢測意義不大，網(wǎng)絡的可靠性驗證則變得十分重要。第13頁/共53頁5)現(xiàn)行技術管理模式待與之相適應

數(shù)字化/智能變電站自動化系統(tǒng)工程的設計模式、調試模式、運行模式和維護模式不同于傳統(tǒng)變電站，這對目前傳統(tǒng)專業(yè)劃分及管理模式，提出了很大的挑戰(zhàn)。如何結合數(shù)字化/智能變電站帶來的變革，改變設計方法，重新明確運維職責和范圍、指導運行生產(chǎn)、規(guī)范運維作業(yè)等，已成為亟待研究和解決的問題。當前數(shù)字化變電站存在的問題二、國內外研究、應用情況統(tǒng)計第14頁/共53頁'

2009年3月，國家電網(wǎng)公司正式啟動了智能電網(wǎng)技術標準體系研究工作。通過一年的不懈努力，于2010年4月編制完成了國家電網(wǎng)公司《智能電網(wǎng)技術標準體系規(guī)劃》報告。

《智能電網(wǎng)技術標準體系規(guī)劃》在中國首次系統(tǒng)地提出了包括8個專業(yè)分支、26個技術領域、92個標準系列的智能電網(wǎng)技術標準體系，明確了可以直接采用、需要修訂、需要制定的智能電網(wǎng)技術標準。二、國內外研究、應用情況統(tǒng)計標準體系第15頁/共53頁'《智能變電站技術導則》

《330kV～750kV智能變電站設計規(guī)范》，《110（66）～220kV智能變電站設計規(guī)范》

《智能變電站繼電保護技術規(guī)范》《高壓設備智能化技術導則》二、國內外研究、應用情況統(tǒng)計第16頁/共53頁《變電站智能化改造技術規(guī)范》、《智能開關設備技術條件》、《智能變壓器技術條件》、《智能單元規(guī)范》、《智能變電站合并單元技術條件》、《電子式電流互感器技術規(guī)范》、《電子式電壓互感器技術規(guī)范》、《智能變電站網(wǎng)絡交換機技術規(guī)范》、《智能控制柜技術規(guī)范》、《智能變電站自動化系統(tǒng)現(xiàn)場調試導則》、《測控裝置技術導則》等。本標準系列待補充完善。二、國內外研究、應用情況統(tǒng)計第17頁/共53頁電子式電流互感器按原理分為:1法拉第電磁感應原理互感器（電磁傳感、光傳輸）2法拉第磁光效應原理互感器（光傳感、光傳輸）按傳感頭結構組成分為：LPCT—低功率鐵心線圈互感器(電磁原理)RCT—羅可夫斯基線圈互感器(電磁原理)OCT—光學玻璃電流互感器(光學原理)FOCT—光纖電流互感器(光學原理)三.關鍵技術—電子式互感器3.1電子式互感器第18頁/共53頁

國網(wǎng)最新技術引導方向：無源三.關鍵技術—電子式互感器第19頁/共53頁傳統(tǒng)絕緣工藝成熟可靠，得到實踐檢驗：

國網(wǎng)最新技術引導方向：無源三.關鍵技術—電子式互感器第20頁/共53頁支柱式電子互感器需要外接電源

有源電子式光電互感器主要基于傳統(tǒng)傳感技術，利用電子技術進行信號采集和處理，通過光纖輸出信號。由于電子電路需要工作電源，一般采用了以下兩種方式供電：通過接在母線上的小CT獲得電源；通過光纖（如傳輸測量數(shù)據(jù)的光纖）將光能量輸送至傳感器，并在傳感器側通過光電轉換獲得電源。

GIS、PASS結構特殊，可直接利用站內電源供電數(shù)字采樣電路在低壓側—羅氏線圈電子式互感器三.關鍵技術—電子式互感器第21頁/共53頁電子互感器分類三.關鍵技術---互感器3.1電子式互感器取消第22頁/共53頁1588同步原理—偏差測量三.關鍵技術---IEEE1588同步方案IEEE1588同步對時對時精度：100ns第23頁/共53頁-9-1組網(wǎng)方式

-9-2組網(wǎng)方式

9-1/9-2組網(wǎng)對比采樣值傳輸方案2009年1月23日，(57_990_INF)正式通知各個國家委員會，宣布取消IEC61850-9-1，IEC60044-7/8也將廢除，由IEC61869-9-2替代，

IEC61869-9-2的數(shù)字輸出基于IEC61850-9-2標準(取消FT3傳輸幀格式格式)。這意味著IEC61850-9-2采樣值傳輸方案為唯一的國際標準。三.關鍵技術---過程層信息采集傳送第24頁/共53頁1、IEC61850-9-1傳輸標準60044（FT3）私有協(xié)議61850標準：-9-1/-2采樣值傳輸方案三.關鍵技術---過程層信息采集傳送第25頁/共53頁1.基于61850-9-1規(guī)約的合并單元的流量分析按照每幀12個模擬量通道計算，一個合并單元每秒種的數(shù)據(jù)流量：S=984bit/幀×50周波/s×80幀/周波=3.936Mbit/s；2.基于61850-9-2LE規(guī)約的合并單元的流量分析按照每幀1點(12個模擬量通道)計算，一個合并單元每秒種的數(shù)據(jù)流量：S=159字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×80幀/周波=5.088Mbit/s；2.基于61850-GOOSE規(guī)約的智能設備的流量分析按照T0=10秒計算，一個智能設備每秒種的數(shù)據(jù)流量S=6016bit×(1秒/10)幀=0.006Mbit/s；通常情況下，GOOSE流量和采樣值流量比較，對網(wǎng)絡帶寬的影響基本可以忽略。IEC61850-9-1/2/GOOSE報文流量三.關鍵技術---過程層信息采集傳送第26頁/共53頁9-2單獨組網(wǎng)通信延時每周期采樣率為80個點并且12個合并單元,每一個都在發(fā)送采樣值。每一個9-2幀都是1272位長度假設在所有12個合并單元中采樣都是同步進行的12個幀將會以每1/(50×80)≈250μs的間隔速度到達交換機12個幀同時到達在一個單獨100Mbps端口匯聚9-2幀通信，選擇配置使這個到接收者的100Mbps鏈路接近飽和:L(best)=(1272bits/100M)+7μs≈20μsL(worst)=(1272bits×12/100M)+7μs≈160μs△L=L(worst)-L(best)≈160μs-20μs

≈140μs一個9-2采樣值幀的最好和最壞情況下延時、抖動分別是:三.關鍵技術---過程層信息采集傳送第27頁/共53頁IEEE1588同步對時—網(wǎng)絡流量(一)不同類型報文字節(jié)數(shù)

建立主從層次報文:

announce34字節(jié)報文頭+30字節(jié)報文內容+地址&校驗碼18=82字節(jié)

同步報文:

sync34字節(jié)報文頭+10字節(jié)報文內容=44字節(jié)

follow_up34字節(jié)報文頭+10字節(jié)報文內容=44字節(jié)

delay機制為delayrequest-resopnd時delay報文:

delay_req34字節(jié)報文頭+10字節(jié)報文內容=44字節(jié)

delay_resp34字節(jié)報文頭+20字節(jié)報文內容=54字節(jié)

delay機制為peerdelay時delay報文:

pdelay_req34字節(jié)報文頭+20字節(jié)報文內容=54字節(jié)

pdelay_resp34字節(jié)報文頭+20字節(jié)報文內容=54字節(jié)

pdelay_resp_follow_up34字節(jié)報文頭+20字節(jié)報文內容=54字節(jié)三.關鍵技術---過程層信息采集傳送第28頁/共53頁IEEE1588同步對時—網(wǎng)絡流量(二)報文周期

announce報文周期:1秒

同步報文周期:1秒

delay報文周期:8秒

(三)最嚴重情況下一個合并單元發(fā)出PTP報文的流量

最嚴重的情況按annouce報文,同步報文和delay報文均在同一秒內。

(模式1)1步鐘+delayrequest-respond機制:

此種模式下,有announce,sync,delay_req,delay_resp報文

最壞情況報文流量:

(64+44+44+54)*8=206*8=1648bit/s

(模式2)2步鐘+delayrequest-respond機制:

此種模式下,有announce,sync,follow_up,delay_req,delay_resp報文

最壞情況報文流量:

(64+44+44+44+54)*8=250*8=2000bit/s三.關鍵技術---過程層信息采集傳送第29頁/共53頁IEEE1588同步對時—網(wǎng)絡流量(模式3)1步鐘+peerdelay機制:

此種模式下,有announce,sync,pdelay_req,pdelay_resp,報文

最壞情況報文流量:

(64+44+44+54+54)*8=260*8=2080bit/s

(模式4)2步鐘+peerdelay機制:

此種模式下,有announce,sync,follow_up,pdelay_req,pdelay_resp,pdelay_resp_follow_up報文

最壞情況報文流量:

(64+44+44+54+54+54)*8=314*8=2512bit/s

按照模式4最嚴重的情況下分析

1個合并單元的PTP1588報文每秒鐘數(shù)據(jù)流量為2.512Kbit/s，與每秒鐘goose的報文流量0.048Mbit/s相比，小了一個數(shù)量級，當然更遠小于9-2LE的SMV報文流量5.088Mbit/s.

因此PTP1588報文流量遠小于采樣值流量，對網(wǎng)絡帶寬的影響可以忽略不計。三.關鍵技術---過程層信息采集傳送第30頁/共53頁常見誤區(qū)分析：1.9-2具有信息共享的優(yōu)勢，但IED需要接入交換機，因此增加了交換機成本解析：保護裝置若GOOSE跳閘組網(wǎng)，本來就需要接入交換機。直采直跳方案中，錄波、測控、網(wǎng)絡報文監(jiān)測等組網(wǎng)時，需要更多的交換機。直采直跳方式時，保護、合并單元等需要大量的網(wǎng)口/串口，增加了成本、功耗。2.9-2網(wǎng)絡流量巨大，網(wǎng)絡實時性無法保證，系統(tǒng)安全隱患大解析：由于采樣值有采樣序號，即使延時（例如延時200微秒）到達，也不會影響保護/測控的動作精度；VLAN技術、優(yōu)先級設定，以及采樣值的高度有規(guī)律、全雙工以太網(wǎng)技術、合理的交換機配置方案，可以保證網(wǎng)絡通信的實時性。其關鍵技術是同步對時的可靠性設計。過程層信息采集傳輸方案三.關鍵技術---過程層信息采集傳送第31頁/共53頁三網(wǎng)合一方案三網(wǎng)合一技術三.關鍵技術---過程總線第32頁/共53頁三網(wǎng)合一方案三網(wǎng)為：

SMV網(wǎng)：合并單元上傳給保護/測控裝置的采樣值，遵循9-2格式

GOOSE：智能終端與保護/測控裝置之間的開關量信息傳輸

IEEE1588（IEC61588）：GPS/北斗系統(tǒng)發(fā)出的同步對時信息。

這三種信息同時接入過程層交換機，保護/測控裝置以一個網(wǎng)口就可全部接入。它符合國際技術潮流，代表未來的發(fā)展方向。由于在智能變電站領域，中國走在世界的前列，其它國家開展得較少，國際上IEEE1588在變電站幾乎未實際應用。SMV網(wǎng)（傳采樣值）一般是點對點，但GOOSE是組網(wǎng)的。三.關鍵技術---過程總線第33頁/共53頁三網(wǎng)合一-----點對點方案三.關鍵技術---過程總線第34頁/共53頁點對點方案（也稱直采直跳方案）SMV網(wǎng)的點對點方案是，保護與合并單元之間沒有交換機，合并單元出多個通信網(wǎng)口（多達8個），各口分別通過光纜直連到所需要的保護/測控裝置。

GOOSE的與此類似，智能終端出多個通信網(wǎng)口（多達10個），各口分別通過光纜直連到所需要的保護/測控裝置。

IEEE1588：相對謹慎地推薦應用，也可用光脈沖或B碼通信，需要幾十根專用光纜。

與三網(wǎng)合一方案相比，差異在于過程層網(wǎng)絡?？紤]到錄波等功能，點對點的方案實際需要更多的交換機（本圖未畫出），需要更多的光纜，因此它既增加了成本（交換機數(shù)量比三網(wǎng)合一多一倍，光纜則增加了數(shù)倍），也難以維護，信息共享的初衷也被破壞了。大量的光口增加了裝置的功耗，對于就地安置的戶外柜的高溫控制提出了嚴峻的考驗。三.關鍵技術---過程總線第35頁/共53頁

三網(wǎng)合一技術相對較復雜，尤其是IEEE1588雙網(wǎng)切換等。許繼已于2010年5月初在東北電科院通過了嚴酷的測試。

SMV網(wǎng)的點對點方案中，繼電保護裝置對復雜的通信技術的依賴性大大下降，沒有交換機這個環(huán)節(jié)，保護特性不依賴于對時網(wǎng)（靠保護實現(xiàn)采用同步），但繼電保護裝置的負擔大大增加。從技術先進性、信息共享的角度看，三網(wǎng)合一方案有鮮明的特點，并得到廣泛的關注。三網(wǎng)合一----點對點方案對比分析三.關鍵技術---過程總線第36頁/共53頁—東北電網(wǎng)公司三網(wǎng)合一試驗2010年5月，東北電科院三網(wǎng)合一試驗順利通過三.關鍵技術---過程總線第37頁/共53頁1.1試驗目的(1) 驗證SMV與GOOSE、1588對時共網(wǎng)的網(wǎng)絡特性對控制及保護的影響。(2) 考核多種合并單元、交換機、智能單元的配合性能及其在各種工況下對保護裝置動作性能的影響。(3) 檢查GPS時鐘與北斗時鐘切換過程中的網(wǎng)絡性能及對MU的影響。1.2試驗時間4月20日——5月14日1.3試驗地點東北電力科學研究院電力系統(tǒng)運行仿真分析實驗室—東北電網(wǎng)公司三網(wǎng)合一試驗三.關鍵技術---過程總線第38頁/共53頁—東北電網(wǎng)公司三網(wǎng)合一試驗三.關鍵技術---過程總線第39頁/共53頁---系統(tǒng)的功能自由分布

變電站內二次設備間功能整合網(wǎng)絡化保護

兩種代表性應用：

●網(wǎng)絡化保護

●集中式保護三.關鍵技術---基于信息共享的應用研究第40頁/共53頁利用GOOSE網(wǎng)絡實現(xiàn)設備跳合閘命令、網(wǎng)絡化保護等系統(tǒng)的功能自由分布實際應用方案網(wǎng)絡化保護三.關鍵技術---基于信息共享的應用研究第41頁/共53頁第一階段（2009～2010年）（1）提出智能變電站的架構和技術體系，制定相應的標準和規(guī)范，指導智能變電站建設和改造，規(guī)范設計、建設、驗收、運行維護和試驗。2009年完成《智能變電站技術導則》、《智能變電站設計規(guī)范》、《變電站智能化改造技術規(guī)范》等標準編制。（2）新建智能變電站國網(wǎng)統(tǒng)一試點

新建智能變電站42座。

（3）在運變電站智能化改造國網(wǎng)統(tǒng)一試點

在運變電站智能化改造25座。

國網(wǎng)規(guī)劃四、國網(wǎng)規(guī)劃&應用展望---摘自《國家電網(wǎng)智能化規(guī)劃總報告》第42頁/共53頁第二階段（2011～2015年）

2011年起新建110kV及以上變電站全部按照智能變電站標準建設，預計至2015年，新建智能變電站超過

8000座。第三階段（2016～2020年）

2020年，國家特高壓電網(wǎng)建成60座特高壓交流變電站。2016年～2020年，實現(xiàn)新建變電站智能化率100%

。新增750kV變電站20座，新增500kV變電站200座；新增330kV變電站60座；新增220kV變電站1000座；新增110kV變電站2300座，變電容量4.7億kVA。原有樞紐及中心變電站智能化改造率達到100%。國網(wǎng)規(guī)劃---摘自《國家電網(wǎng)智能化規(guī)劃總報告》四、國網(wǎng)規(guī)劃&應用展望第43頁/共53頁智能變電站關鍵裝備研制計劃