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(jí)、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(kuò)大,相應(yīng)的變電站結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式越來(lái)越復(fù)雜,用戶對(duì)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(dòng)化系統(tǒng)所替代。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用各種設(shè)備通過(guò)交換信息、數(shù)據(jù)共享,從而達(dá)到對(duì)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(yùn)行水平,降低了運(yùn)行維護(hù)成本,提高了經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)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(guó)智能電網(wǎng)六個(gè)環(huán)節(jié)中,變電環(huán)節(jié)在實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的全面采集和實(shí)時(shí)共享,接入各類電源及用戶,開(kāi)展資產(chǎn)全壽命周期管理,支撐電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制與保護(hù)、智能調(diào)節(jié)和各類高級(jí)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(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)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(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)手段的數(shù)字化，而智能電網(wǎng)的建設(shè)，對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的一次設(shè)備智能化、高級(jí)應(yīng)用、對(duì)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(lái)變電站發(fā)展的方向

自動(dòng)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(jí)應(yīng)用功能比較對(duì)時(shí)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(wú)高級(jí)應(yīng)用僅限于SOE數(shù)字化變電站間隔層、站控層、過(guò)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(duì)采樣同步性的要求智能化變電站間隔層、站控層、過(guò)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(jí)應(yīng)用功能，采用一體化的數(shù)據(jù)平臺(tái)絕對(duì)時(shí)刻要高度準(zhǔn)確，全網(wǎng)時(shí)鐘統(tǒng)一，采用IEC61588對(duì)時(shí)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(jí)應(yīng)用簡(jiǎn)介IEC61588對(duì)時(shí)方式智能變電站結(jié)構(gòu)：

過(guò)程層：包括變壓器、斷路器、隔離開(kāi)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(dú)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(cè)控裝置、監(jiān)測(cè)功能組的主智能電子設(shè)備（IED）等二次設(shè)備，實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)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(dòng)化站級(jí)見(jiàn)識(shí)控制系統(tǒng)、站域控制、通行系統(tǒng)，對(duì)時(shí)系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)面向全站設(shè)備的見(jiàn)識(shí)、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(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定了電子式互感器的2個(gè)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(cè)量?jī)x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(gè)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(guò)程層的合并單元對(duì)接。

若一次傳感器是半常規(guī)測(cè)量原理的，一次轉(zhuǎn)換器就要將一次傳感器的電輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，此時(shí)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(wú)需一次轉(zhuǎn)換器，即無(wú)需一次電源，直接輸出到光纖傳輸系統(tǒng)，稱為無(wú)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(guò)程層實(shí)現(xiàn)測(cè)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(hào)，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(guò)程層的EVT和ECT向間隔層的合并單元(MU)提供電壓和電流測(cè)量數(shù)據(jù)，MU將測(cè)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(gè)間隔擁有7路電流測(cè)量和5路電壓測(cè)量如圖，是每個(gè)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(méi)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者過(guò)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(duì)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(jì)算機(jī)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(diǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開(kāi)關(guān)和輔助繼電器。智能斷路器實(shí)現(xiàn)電子操動(dòng)，變機(jī)械儲(chǔ)能為電容儲(chǔ)能，變機(jī)械傳動(dòng)為變頻器經(jīng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，機(jī)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(kāi)信號(hào)或由操作人員發(fā)出操作信號(hào)后，首先啟動(dòng)智能識(shí)別模塊，判斷當(dāng)前狀態(tài)即斷路器所處的工作條件，對(duì)調(diào)節(jié)裝置發(fā)出不同的定量控制信息而自動(dòng)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(yùn)動(dòng)特性，然后使斷路器動(dòng)作。其核心在于根據(jù)監(jiān)測(cè)到的不同故障電流自動(dòng)選擇操動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)及滅弧室預(yù)先規(guī)定的工作條件，電流小時(shí)低速斷開(kāi)，電流大時(shí)高速斷開(kāi)，以獲得電氣和機(jī)械性能上的最佳斷開(kāi)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(guò)傳感器和控制器組成一個(gè)有機(jī)整體，具有狀態(tài)可視化測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、功能一體化和信息互動(dòng)化的主要特征。

智能組件是承擔(dān)宿主設(shè)備相關(guān)測(cè)量、控制、計(jì)量、檢測(cè)、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(guò)網(wǎng)絡(luò)連接至站控層，實(shí)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(cè)量數(shù)字化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動(dòng)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(jì)。

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(wú)關(guān)，因此智能組件完全可以作為智能一次設(shè)備的一個(gè)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(guò)程。

IEC60870-5-103規(guī)約屬于問(wèn)答式(Polling)，是IECTC一57技術(shù)委員會(huì)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(gè)關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的國(guó)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(guò)一種標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）實(shí)現(xiàn)互操作和信息共享。

IEC61970是國(guó)際電工委員會(huì)制定的《能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口（EMS-API）》系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)國(guó)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(lái)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(shí)現(xiàn)不同調(diào)度中心EMS之間的模型交換。通信規(guī)約高級(jí)應(yīng)用簡(jiǎn)介

建設(shè)階段可實(shí)現(xiàn)的高級(jí)應(yīng)用功能主要包括順序控制、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)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(jì)運(yùn)行與優(yōu)化控制、安全狀態(tài)評(píng)估/預(yù)警/控制、站域保護(hù)、站內(nèi)狀態(tài)估計(jì)、遠(yuǎn)方不停電修改定值等

目前，自動(dòng)化設(shè)備制造商對(duì)于智能變電站高級(jí)應(yīng)用功能的研發(fā)尚處于起步階段，用于實(shí)際工程的事例也不多。因此，開(kāi)展智能變電站高級(jí)應(yīng)用研究，加強(qiáng)工程實(shí)用化應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。。IEC61588對(duì)時(shí)方式

為了解決分布式網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的需要，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員共同開(kāi)發(fā)了精確時(shí)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(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和國(guó)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(gè)能夠在測(cè)量和控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步的協(xié)議——精確時(shí)間協(xié)議。

PTP協(xié)議集成了網(wǎng)絡(luò)通訊、局部計(jì)算和分布式對(duì)象等多項(xiàng)技術(shù)、適用于所有通過(guò)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(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須有1個(gè)包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)接口卡，可以實(shí)現(xiàn)基于PTP協(xié)議棧的相關(guān)服務(wù)。其將時(shí)標(biāo)打在硬件層，根據(jù)網(wǎng)元客戶端和時(shí)間服務(wù)器之間的時(shí)間標(biāo)簽，計(jì)算出二者之間的傳輸時(shí)延和時(shí)鐘偏差，實(shí)測(cè)利用SDH通信網(wǎng)傳輸時(shí)間同步信號(hào)的精度已達(dá)到1微秒。PTP時(shí)鐘同步通過(guò)發(fā)送和接受同步報(bào)文實(shí)現(xiàn)。一個(gè)主時(shí)鐘（Master）與一個(gè)從時(shí)鐘（Slave）的同步過(guò)程如下：1）主節(jié)點(diǎn)每秒（同步報(bào)文的間隔是可設(shè)置的，這里假設(shè)為1s）向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)“同步”（Sync）報(bào)文。這個(gè)報(bào)文是由主節(jié)點(diǎn)打上預(yù)計(jì)的發(fā)送時(shí)間標(biāo)記的報(bào)文，但是由于預(yù)計(jì)的發(fā)送時(shí)間和實(shí)際的報(bào)文發(fā)送本身可能的延遲，實(shí)際時(shí)間標(biāo)記不能隨“同步”報(bào)文一起發(fā)送。這個(gè)“同步”報(bào)文在接收端被從節(jié)點(diǎn)打上接收時(shí)間標(biāo)記。2）主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)“跟隨”（Floow-Up）報(bào)文。這個(gè)報(bào)文包含先前的同步報(bào)文準(zhǔn)確的發(fā)送時(shí)間的標(biāo)記。從節(jié)點(diǎn)利用這2個(gè)時(shí)間標(biāo)記可以得到它與主節(jié)點(diǎn)的延遲，據(jù)此可調(diào)整它的時(shí)鐘的頻率。

3)從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送“延時(shí)請(qǐng)求”（Delay-Req）報(bào)文。這個(gè)報(bào)文是由從節(jié)點(diǎn)記錄它的準(zhǔn)確發(fā)送時(shí)間,由主節(jié)點(diǎn)打上準(zhǔn)確的接收時(shí)間標(biāo)記。4）主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)“延時(shí)響應(yīng)”（Delay-Resp）報(bào)文。這個(gè)報(bào)文帶著先前的“延時(shí)請(qǐng)求”報(bào)文的準(zhǔn)確的接收時(shí)間標(biāo)記，從節(jié)點(diǎn)利用這個(gè)時(shí)間和由它所記錄的準(zhǔn)確的發(fā)送時(shí)間，可計(jì)算出主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間的傳輸延遲并調(diào)整它的時(shí)鐘漂移誤差。

從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的偏差（offset）和傳輸延時(shí)（delay）計(jì)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(guò)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(guò)渡和重點(diǎn)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。[1]李孟超.智能變電站及技術(shù)特點(diǎn)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(shí)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