變電站站控層體系架構(gòu)的思考

變電站站控層體系架構(gòu)的思考

0數(shù)據(jù)融合與處理目前，南方電網(wǎng)正在建設(shè)二次一體化，重點(diǎn)是在信息整合和綜合利用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)二次能源應(yīng)用的互聯(lián)。因此，主站應(yīng)建設(shè)全球數(shù)據(jù)引擎，并將不同專業(yè)數(shù)據(jù)整合到全球數(shù)據(jù)引擎中。在全球數(shù)據(jù)引擎的基礎(chǔ)上，信息孤島得到消除，充分利用綜合數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮每個(gè)專業(yè)的潛力和優(yōu)勢(shì)，盡可能實(shí)現(xiàn)專業(yè)整合，節(jié)約重復(fù)建設(shè)成本，有效利用資源。作為電網(wǎng)的數(shù)據(jù)源,數(shù)據(jù)和模型的傳輸將成為變電站端的核心任務(wù),為此,變電站需要建立數(shù)據(jù)中心,在IEC61850的基礎(chǔ)上統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集,統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型,統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ),統(tǒng)一數(shù)據(jù)出口。目前的變電站沒有數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)的處理與遠(yuǎn)傳按專業(yè)進(jìn)行劃分,存在信息孤島,變電站站控層的體系架構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)二次一體化的建設(shè)與發(fā)展,需要重新審視。本文研究了以智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)為核心,用監(jiān)控終端代替當(dāng)?shù)睾笈_(tái),消除信息孤島,統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集,統(tǒng)一出口的站控層體系架構(gòu)。文獻(xiàn)也對(duì)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了討論。1討論了基于站點(diǎn)控制的系統(tǒng)架構(gòu)的必要性1.1遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議模型在二次一體化的框架下,主站端和變電站端間的數(shù)據(jù)中心需要建立上下貫通關(guān)系,遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備需要支持變電站端IEC61850和主站端IEC61970之間的模型轉(zhuǎn)換,能夠建立變電站圖形和模型之間的關(guān)聯(lián),支持源端維護(hù)和訂閱發(fā)布,遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議需要能夠無縫傳輸變電站的數(shù)據(jù)模型以及各個(gè)專業(yè)的綜合數(shù)據(jù)。目前的遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備基本不具備這些功能,這已經(jīng)阻礙了二次一體化的發(fā)展,其功能定位需要重新劃分。1.2實(shí)現(xiàn)無人班,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充放電隨著技術(shù)的發(fā)展,無人值班已經(jīng)成為變電站的發(fā)展趨勢(shì),目前220kV及以下電壓等級(jí)的變電站基本都實(shí)現(xiàn)了無人值班,部分地區(qū)500kV變電站也實(shí)現(xiàn)了無人值班。在無人值班的前提下,變電站作為電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集源頭,將以數(shù)據(jù)和模型的傳輸為主,為集控中心、主站提供監(jiān)視、控制、決策的數(shù)據(jù),并執(zhí)行集控中心、主站的命令及控制策略,遠(yuǎn)動(dòng)裝置的功能將得到加強(qiáng),當(dāng)?shù)睾笈_(tái)的功能將逐步弱化。當(dāng)變電站維護(hù)操作人員工作時(shí),需要后臺(tái)為其提供技術(shù)支持手段;當(dāng)變電站無人工作時(shí),當(dāng)?shù)睾笈_(tái)則基本不需要,也沒有必要在線運(yùn)行。但是目前變電站配置強(qiáng)大的后臺(tái),配置浪費(fèi),有必要對(duì)后臺(tái)的功能定位重新討論。1.3次設(shè)備之間的模型構(gòu)建IEC61850在變電站的應(yīng)用已經(jīng)基本成熟,變電站內(nèi)部已經(jīng)建立了完備的一次設(shè)備、二次設(shè)備、一次設(shè)備和二次設(shè)備之間關(guān)系的模型,通過IEC61850協(xié)議也可統(tǒng)一采集各個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù),在統(tǒng)一模型、統(tǒng)一采集的基礎(chǔ)上,站內(nèi)可以建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心,從而為數(shù)據(jù)的統(tǒng)一出口提供了技術(shù)基礎(chǔ)。鑒于上述原因,在二次一體化的框架下,重新審視變電站站控層設(shè)備的體系架構(gòu),討論遠(yuǎn)動(dòng)和后臺(tái)的功能定位,以適應(yīng)變電站無人值班的發(fā)展趨勢(shì)有其必要性。2建站站控制體系的結(jié)構(gòu)分析2.1站控層mms網(wǎng)目前的變電站分為常規(guī)變電站和智能變電站,常規(guī)變電站在架構(gòu)上由站控層、間隔層以及站控層和間隔層之間的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成;智能變電站的架構(gòu)則為三層兩網(wǎng),分別為站控層、間隔層、過程層,以及站控層與間隔層之間的制造報(bào)文規(guī)范(MMS)網(wǎng),間隔層與過程層之間的通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?采樣值(GOOSE/SV)網(wǎng)。站控層一般包括監(jiān)控后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備、保護(hù)信息管理系統(tǒng)子站、電量采集裝置、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合處理單元、相量測(cè)量單元(PMU)集中器、視頻系統(tǒng)后臺(tái)。站控層設(shè)備按照專業(yè)劃分,分別處理各自業(yè)務(wù),是變電站數(shù)據(jù)的采集、集中、處理以及數(shù)據(jù)的對(duì)外交互層。鑒于站控層設(shè)備按照專業(yè)劃分,形成信息孤島,變電站內(nèi)部沒有利用整個(gè)變電站的綜合數(shù)據(jù)為各個(gè)專業(yè)高級(jí)應(yīng)用服務(wù),對(duì)外數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳也按專業(yè)來劃分,沒有通過統(tǒng)一的通道進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)的傳輸。2.2遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)、實(shí)理中心構(gòu)成二次一體化框架下變電站的架構(gòu)與以前的變電站相同,只是站控層的體系架構(gòu)發(fā)生了變化。在二次一體化的框架下,站控層在邏輯上由智能遠(yuǎn)動(dòng)模塊、監(jiān)視中心、控制中心、數(shù)據(jù)中心、管理中心構(gòu)成;在物理上則由智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)、管理中心構(gòu)成,如圖1所示。智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)具備智能遠(yuǎn)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)中心、監(jiān)視中心、控制中心的功能,智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)站內(nèi)各專業(yè)數(shù)據(jù)的綜合采集、統(tǒng)一建模與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)統(tǒng)一遠(yuǎn)傳以及變電站的監(jiān)視和控制。管理中心主要完成對(duì)廠站日常運(yùn)行的管理,統(tǒng)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù),提供設(shè)備檢修輔助決策等功能,主要包括廠站模型維護(hù)、用戶權(quán)限管理、資料管理、運(yùn)行日志、操作票管理、工作票管理、運(yùn)行值班管理等功能模塊。智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)和管理中心之間通過站內(nèi)的數(shù)據(jù)總線交換數(shù)據(jù)。2.3控制合理的遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)包括智能遠(yuǎn)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)中心、監(jiān)視中心、控制中心的相關(guān)功能,3個(gè)中心的通信、運(yùn)算、存儲(chǔ)、高級(jí)應(yīng)用等核心功能可由智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn),3個(gè)中心的界面展示、告警、人機(jī)交互則由監(jiān)控終端來實(shí)現(xiàn),監(jiān)控終端是智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的人機(jī)接口,主要用于無人值班站的運(yùn)行維護(hù)管理,不需要在線運(yùn)行。3遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)無人值班變電站的主要功能是數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳,當(dāng)?shù)乇O(jiān)控功能會(huì)逐步弱化,監(jiān)控終端就是適應(yīng)了這種趨勢(shì),提供了一種簡(jiǎn)單的監(jiān)控手段為運(yùn)行維護(hù)人員服務(wù)。監(jiān)控終端使用智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的歷史數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)歷史信息、圖形、組態(tài)配置信息的存儲(chǔ),因而監(jiān)控終端不需要在線運(yùn)行,任何電腦只要安裝了監(jiān)控終端的軟件,即可即插即用。監(jiān)控終端使用智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,其核心運(yùn)算功能也由智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)執(zhí)行,監(jiān)控終端的主要功能包括接線圖和告警信息的展示、監(jiān)控終端和智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的配置、程序化操作和電壓無功自動(dòng)控制(VQC)等高級(jí)應(yīng)用的配置,以及必要的調(diào)試功能。4智能遠(yuǎn)機(jī)功能的定義4.1遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)支持變電站端數(shù)據(jù)1)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)具有智能遠(yuǎn)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)中心、監(jiān)視中心、控制中心的功能,智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)配置監(jiān)控終端完成圖形、告警展示以及相關(guān)配置功能。2)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)支持變電站端數(shù)據(jù)的綜合采集功能,及數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模與統(tǒng)一存儲(chǔ)的功能。3)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)支持變電站端數(shù)據(jù)統(tǒng)一遠(yuǎn)方交換功能,實(shí)現(xiàn)廠站端數(shù)據(jù)的統(tǒng)一出口。4)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)支持主站和變電站間的模型/圖形轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)訂閱發(fā)布、源端維護(hù)功能。5)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)須采用直采直送的原則,直接從間隔層裝置采集信息,智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)和管理中心之間的數(shù)據(jù)交換通過站控層數(shù)據(jù)總線來完成。4.2配置智能設(shè)備的原則在35kV及以上電壓等級(jí)變電站應(yīng)冗余配置2臺(tái)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī);在35kV以下電壓等級(jí)變電站可配置1臺(tái)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)。5智能遠(yuǎn)機(jī)技術(shù)5.1數(shù)據(jù)模型互通目前,變電站一般采用IEC61850模型,主站一般采用IEC61970的公共信息模型(CIM)。由于采用的模型不同,導(dǎo)致的模型問題是通過智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)二次一體化上下貫通的一個(gè)核心問題。IEC61850詳細(xì)描述了站內(nèi)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的模型、一次設(shè)備的模型、二次設(shè)備的模型、一次和二次設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系,全面完整地建立了變電站的數(shù)據(jù)模型。CIM主要描述了電網(wǎng)結(jié)構(gòu),基本沒有涉及繼電保護(hù)、錄波、在線監(jiān)測(cè)等二次設(shè)備的模型,主站CIM不夠完備,需要擴(kuò)展以支持變電站的全景模型。鑒于主站和變電站的數(shù)據(jù)模型存在較大的差異,在互通上需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)模型是主站變電站間數(shù)據(jù)貫通的一個(gè)基礎(chǔ)性問題。文獻(xiàn)提到TC57也在進(jìn)行相關(guān)研究工作。目前,主站和變電站的圖形一般都采用可縮放矢量圖形(SVG)的標(biāo)準(zhǔn),在工程實(shí)施時(shí),主站、變電站、不同調(diào)度都需要建立圖元和模型之間的關(guān)聯(lián),工作重復(fù),費(fèi)事費(fèi)力,可以考慮在變電站端統(tǒng)一建立IEC61850模型、CIM及SVG信息點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián),提供給不同調(diào)度使用,減少重復(fù)勞動(dòng)。5.2協(xié)議內(nèi)容的選擇二次一體化上下貫通的另外一個(gè)主要問題是傳輸協(xié)議的問題:目前變電站與主站之間的遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議一般為IEC60870-5-101/104,由于IEC60870-5-101/104制定得較早,傳輸?shù)膬?nèi)容單一,只能傳輸遠(yuǎn)動(dòng)信息,不能傳輸保護(hù)、錄波、電量、在線監(jiān)測(cè)等綜合數(shù)據(jù);只能傳輸數(shù)據(jù),不能傳輸變電站的數(shù)據(jù)模型,并且變電站出站通道按照專業(yè)來劃分,不同的專業(yè)占用不同的通道,采用不同的協(xié)議。因此,需要研究能夠傳輸綜合數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議,首先可以考慮采用IEC61850出站,這樣可以把模型和數(shù)據(jù)推進(jìn)到主站的前置,很方便地實(shí)現(xiàn)訂閱發(fā)布與源端維護(hù),文獻(xiàn)進(jìn)行了這方面的探討。還有一種思路就是在IEC60870-5-104的基礎(chǔ)上擴(kuò)展IEC60870-5-103,使用IEC60870-5-103的通用服務(wù)解決綜合數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴},利用文件服務(wù)傳輸變電站的模型到主站,南方電網(wǎng)制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作。5.3變電站數(shù)據(jù)的問題,主要是利用一個(gè)數(shù)據(jù)模型關(guān)系文件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的。在方案智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)另外一個(gè)重要的任務(wù)是解決源端維護(hù)與訂閱發(fā)布的問題,基本的解決思路是建立變電站數(shù)據(jù)模型、遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議信息點(diǎn)、主站數(shù)據(jù)模型之間的關(guān)系文件,通過此文件實(shí)現(xiàn)變電站端的源端維護(hù)以及主站端的訂閱發(fā)布,減少重復(fù)勞動(dòng)。5.4高應(yīng)用站控層以智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)為中心以后,智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)需要支持站端的基本的高級(jí)應(yīng)用,主要包括程序化操作、VQC、五防邏輯、智能告警。1不支持網(wǎng)絡(luò)化操作目前變電站程序化操作的功能基本限制在站內(nèi),主站進(jìn)行程序化操作的較少,究其原因主要是因?yàn)槌绦蚧僮鞯姆桨笡]有形成標(biāo)準(zhǔn),遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議也不支持程序化操作相關(guān)信息的上送。以智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)為程序化操作服務(wù)器,采用集中控制的方式,可以比較簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)程序化操作,但是必須擴(kuò)展IEC104協(xié)議以能承載操作票的信息,傳輸操作的過程信息和人為干預(yù)的命令。2遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)可遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)基于二次一體化架構(gòu),當(dāng)?shù)睾笈_(tái)將慢慢弱化,所以VQC功能也將在智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)。通過智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的綜合數(shù)據(jù)采集,可以采集到變電站內(nèi)各母線電壓和站內(nèi)無功功率,根據(jù)預(yù)先在智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)中設(shè)置的控制策略,通過變壓器分接頭的調(diào)節(jié)和電容器投切來實(shí)現(xiàn)變電站VQC功能。3可靠的管理手段和防誤策略變電站設(shè)備的遠(yuǎn)程控制已經(jīng)成為智能電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì),特別是遠(yuǎn)程對(duì)一次設(shè)備的操作需要安全可靠的管理手段和防誤策略。因此,智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)中五防判別邏輯也是必不可少的應(yīng)用,通過智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)中五防模塊對(duì)每一步調(diào)度遙控命令進(jìn)行判別,并在出錯(cuò)時(shí)能給出準(zhǔn)確的出錯(cuò)原因同時(shí)閉鎖遙控模塊。智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)需要能對(duì)告警信息進(jìn)行分類分級(jí),并提供給監(jiān)控終端和主站使用。5.5模型轉(zhuǎn)換時(shí)的互操作兼容問題由于變電站端一般采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模,而調(diào)度端則采用IEC61970標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模。智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)上下貫通和源端維護(hù)相關(guān)功能,需要對(duì)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,所以需要解決模型轉(zhuǎn)換時(shí)互操作兼容問題,例如變電站端不同設(shè)備供應(yīng)商轉(zhuǎn)換出來的模型主站端系統(tǒng)是否都能兼容轉(zhuǎn)換后的模型數(shù)據(jù)。除此之外,主站系統(tǒng)還有部分?jǐn)U展或者私有數(shù)據(jù)無法獲取,需要進(jìn)行配置。智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)整合了變電站端多個(gè)專業(yè)的數(shù)據(jù),如監(jiān)控信息、保護(hù)信息、計(jì)量電量和同步相