天津陈甫220kV全数字化变电站简介

1天津陈甫220kV全数字化变电站简介王少伟（天津电力设计院天津300200）[摘要]文章介绍了国家电网公司首座220kV全数字化变电站-天津陈甫220kV变电站的技术方案和设计施工情况，并提出了数字化变电站设计建设所要面临和解决的问题以及数字技术带来的变革。[关键词]数字化变电站；电子互感器；IEC61850；GOOSE；1.概述1.1变电站规模陈甫220kV变电站为系统枢纽变电站，最终规模为3×180MVA变压器，电压等级为220/110/35kV，220kV及110kV部分为双母线单分段接线，35kV采用两组单母线分段接线。220kV及110kV设备为户外敞开式布置，35kV部分为开关柜户内布置。本期规模2×180MVA变压器，220kV采用双母线接线，本期北郊、宝坻2回出线，110kV母线按最终规模建齐，出线4回。35kV建设一组单母线分段。1.2设计建设原则根据《国家电网公司“十一五”科技发展规划》，陈甫站被天津电力公司确定为“数字化变电站示范应用项目”，按照全数字化变电站建设。通过项目的实施，可以紧密跟踪世界先进技术，培养数字化变电站设计、建设、管理维护人才，编制数字化变电站技术相关的规程规范。2.总体设计技术原则从过程层、间隔层到站控层全部实现全数字化，首次在国内实现220kV电压等级全站数字化。全站采用电子互感器和智能控制单元实现一次设备智能化、数字化；实现全站二次设备的网络化；全站采用IEC61850标准，实现通信平台标准化；3.设计技术方案3.1一次设备智能化:3.1.1220kV、110kV及主变受总各间隔采用有源电子互感器取代常规互感器。220kV、110kV及主变受总各间隔配置电子式电流互感器，220kV和110kV母线配置电子式电压互感器。电子互感器线圈、采集模块和合并单元均采用双重化配置，构成两套独立的采样系统。电子互感器安装在户外，合并单元安装在户内，通过光缆连接。2MU保护/测控/录波/计量等间隔层过程层采样数据电子互感器和合并单元同步方式：各间隔合并单元对本间隔三相数据进行同步；跨间隔系统在各间隔的合并单元前再配置数据集中器（前置处理单元），以实现各间隔数据的同步。3.1.2220kV、110kV、主变受总各间隔及35kV分段间隔采用智能控制单元（ICU）取代开关的传统数字量采集和控制。220kV各间隔均配置两个智能控制单元（ICU）和一台独立的操作箱，智能控制单元和操作箱就地安装。110kV及35kV受总和分段的各间隔均配置一个智能控制单元（包含操作箱），智能控制单元就地安装。3.2二次设备网络化:间隔层设备对站控层通过双绞线以太网络通信；间隔层设备采用点对点通信方式与电子互感器合并单元（MU）连接，与智能控制单元全部采用以太网络进行连接，全部连接均采用光缆连接，完全取代传统的电缆连线。为了更好地控制开入开出网络的流量，按照电压等级进行VLAN划分，主变单独划分1个VLAN。具体的网络配置如下：图1过程层网络示意图ICU保护/测控/录波/计量等间隔层过程层网络开入开出数据保护/测控/录波/计量等监控设备等间隔层站控层网络站控层数据过程层采样网络采用100M光纤以太网点对点通信过程层开入开出网络采用100M光纤以太网组成双星型网站控层网络采用100M双绞线以太网组成双星型网3图2站控层网络示意图图3全站网络结构示意图图4220kV间隔的网络架构图站控层网络，双星型网络开入开出网络，设备单网口，利用设备双重化实现双网打印机工作站服务器服务器电子互感器MU1MU2线路保护1线路保护2ICU1ICU2测控装置传统开关过程层间隔层站控层保护装置1保护装置2测控装置合并单元合并单元电子互感器ICU1保护装置1保护装置2测控装置合并单元合并单元电子互感器打印机工作站服务器服务器工程师站远动机远动机调度主站调度主站220KV线路间隔层主变压器间隔层保护测控装置开关柜35KV线路间隔层100M以太网(A网)100M以太网(B网)ICU2ICU1ICU2110kV母线保护220kV母线保护1保护装置测控装置合并单元电子互感器ICU110KV线路间隔层220kV母线保护2合并单元采样网络，保护和MU双重化实现双网4图5110kV间隔的网络架构图图6VLAN划分示意图3.3通信平台标准化：全站所有二次设备包括测控、保护、故录、交直流、UPS、电能表、智能控制单元，按照IEC61850标准统一建模，通信协议均符合IEC61850标准，实现了多厂家互操作，符合IEC61850提倡的“一个世界、一种技术、一种标准”。3.4采用基于GOOSE网络的三层“五防”系统，取消了微机五防。站控层网络，双星型网络采样网络，MU双重化实现双网开入开出网络，设备双网口，利用网络冗余实现双网打印机工作站服务器服务器电子互感器MU1MU2线路保护ICU测控装置传统开关过程层间隔层站控层VLAN1VLAN2VLAN3110母差保护装置110KV线路保护ICU/110主变保护装置1主变保护装置2ICU/35ICU/110ICU1/220ICU2/220220母差保护装置1220线路保护1220线路测控ICU1/220ICU2/220220母差保护装置2110KV线测控220线路保护1主变测控装置1110kV220kV主变5第一层是站控层防误，由监控后台实现。第二层是间隔层防误，由间隔层设备通过GOOSE交互信息实现全站联锁，ICU输出联锁接点，本层可独立于站控层联锁。第三层过程层防误，由一次设备的辅助节点实现电气闭锁，考虑减少电缆的用量及简化闭锁逻辑，便于改扩建，电气闭锁不考虑跨间隔联锁。4.项目特点和创新4.1电子式互感器的应用在220kV、110kV所有间隔及主变各侧，通过使用电子互感器与合并单元取代传统电磁互感器，保护测控装置的采样过程实现全数字化。4.2智能控制单元的应用通过智能控制单元（ICU）的应用，使断路器这样的一次设备具备了智能化的特点。采用智能控制单元实现对断路器的状态的数字量采集和控制，结合电子互感器的应用，使过程层与间隔层之间全部采用光纤连接和数字化，取消常规的二次控制采样等电缆。同时也是对智能断路器的探索。4.3IEC61850的应用全站所有二次设备，包括测控、保护、故录、交直流、UPS、电能表、智能控制单元，从过程层到间隔层和站控层通信全部实现IEC61850标准。所有不同厂家的设备全部实现了无缝联接，不需要任何的规约转换或接口设备。4.4GOOSE网络的应用全站电气一次设备的控制、保护动作均采用GOOSE网络实现，彻底取消了控制保护用二次电缆，真正实现了的变电站网络化。二次设备均按照IEC61850标准统一建模，对站控层和对过程层均通过光纤网络通信，大量应用光交换机，取消传统硬接线。4.5新型数字式电能表的应用表计的输入输出均实现了数字化，取消了常规电子式电能表所必须的强－弱电隔离与模数转换回路,体积小重量轻；由于是数字量输入，从理论上讲表计本身的计量误差可以为零；不存在常规二次电缆造成的压降及角度偏差等误差，综合误差有了很大改善。4.6220kV母差、纵差的应用220kV母差、220kV线路纵差保护从电流电压采样到保护动作跳闸、符合IEC61850标准数字化网络化的应用在全国属首次应用。4.7采用了新型的基于GOOSE网络的三层“五防”系统。4.8首次引进了第三方测试机构对设备的一致性测试。64.9用了多达7个厂家的设备，实现了多厂家的互操作。4.10应用了一体化电源设备，整合优化了电源系统。4.11将中性点互感器与中性点设备成套5.工程设计建设过程的体会5.1必须要完整详细的网络结构图，网络设计比以往更加重要和关键；由于数字化变电站取消了二次电缆，没有硬接点联线，设备间的信息交换传输均依赖于网络，一根光纤传输的信息量很多，而且从外观是无法去辨别这些信息的内容和去向，这就需要一个完整而有详细的网络结构图，网络图不仅仅表示设备间的联接，而且还要体现出传输的信息内容，是设计、施工和运行维护的根本。可以说变电站的设计重点转移到了网络结构图的设计上了。5.2交换机是全站设备的核心元件，需要重点考虑其安全性和可靠性；原来的综合自动化站保护设备可以脱离全站网络系统，监控设备也仅仅是间隔层与站控层间有网络关联，因此在网络故障或中断后，变电站系统仍然可以运行，不至于崩溃。而数字化变电站除了间隔层与站控层间有网络关联外，更重要的模拟量采样，保护测控装置的开入开出，保护动作等均依赖于网络，而交换机是网络的核心元件，如何提高交换机的安全性和可靠性是数字化变电站设计的重中之重。交换机的安装形式（分散、集中）；恶劣的电气环境（温度、强电干扰）；电源问题；抗网络风暴的能力；零丢包能力；5.3光纤类型的选择；保护层的选择、单模/多模、芯径，接头类型（ST/FC/LC/SC）。本项目采用的光缆为：GYTZS-4A1b，户外金属加强芯油膏填充阻燃钢带纵包＋PE护套，4芯，62.5/125，多模光缆。5.4光缆的布线，熔接等施工工艺；大量的光缆尾缆的应用以及光纤材料及光信号不同于金属导线的特殊性，对布线设计及施工工艺提出了更高的要求，合理的布线及熔接可以减少光信号的衰耗，确保了控制保护信息传输的准确性和时效性。5.5户内光纤连接选择尾缆还是尾纤；尾缆带有外护套，抗外力能力强，可直接敷设在静电地板下，但需要提前1个月定做，如接头类型不一致，则互换性不好；7尾纤没有外护套，抗外力能力弱，需穿管或敷设在电缆槽盒内，有制作好的成品，使用方便。5.6二次设备的布置情况；合并器就地或集中安装，是否与ICU集成，操作箱、保护装置等就地或集中安装，测控装置是否与ICU集成等。5.7各厂家设备光纤接口的多样给工程带来的不便；数字化二次设备的现状是各厂家基本都是在原来的产品升级，光线接头多样，不利于工作实施。5.8各厂家对IEC61850的理解不同IEC61850标准为通信平台标准化奠定了坚实的基础，但其规定的内容尚没有满足实际应用的需求，通过互操作试验暴露了在目录及数据定义服务上存在分歧，各厂家的理解也不同，应此需要系统集成者对容易产生分歧的地方统一定义。5.9设计图纸的表现形式；由于所有的信息数据都是通过网络传输，没有了常规二次回路的原理接线图、硬接点，更看不到端子排和电缆，设计意图如何能完整清晰的传递给施工和运行部分成为设计院面临的问题，可引入GOOSE信息表，虚端子等，但给实施起来并不简单，还没有相应的设计软件出现。5.10相关规程规范的缺少，给设计和工程实施带来了不便；目前尚无正式的与设计、施工、调试、验收相关的规程规范发布,造成各个环节无规程规范依据。6.数字化变电站带来的变化与思考6.1一次设备的变化有源电子互感器进一步推广应用，无源电子互感器进一步发展；电子互感器得到国家计量认可；智能一次设备的进一步发展；互感器与一次设备的集成；在线监测技术的发展。6.2二次设备的变化MU、ICU、数据集中器等新型装置的应用，交换机大量的使用，二次设备的整合与分散，共用备件的使用即IEC61850的设备的互换性，6.3工程建设的变化施工材料、施工的变化，检测、试验、调试技术的革新。6.4运行管理的变化保护自动化通信专业的整合，大二次专业的出现，运行维护的改变。87.总结陈甫变电站的建设受到了各方的高度关注，实验室调试阶段，国务院副总理王歧山同志亲临实验室视察，随着变电站建成投运，中央电视台新闻联播、人民日报、中国电力报、国家电网报、新华社、人民网、新华网等多家社会媒体进行了重点报道，并给予极高的评价。2009年7月国家电网公司基建部、智能电网部、河南省、江苏省、福建省电力设计院等一行到陈甫站视察。各方面的关注也说明了社会对新技术应用的重视，为数字化变电站的建设打下了良好的社会基础。随着数字化技术和产品的进一步发展、成熟，数字化将是继综合自动化后变电站发展的新阶段。作者简介：王少伟（1978-）男本科，电气主任工程师，现在天津电力设计院从事电气设计工作。