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华东电网有限公司数字化变电站应用技术华东电力调度中心高翔gao_x@ec.sp.com.cn华东电网有限公司概述•第一部分数字化变电站技术背景•第二部分数字化变电站主要特征•第三部分数字化变电站架构体系•第四部分数字化变电站信息应用•第五部分数字化变电站实现基础•第六部分数字化变电站应用展望华东电网有限公司一、数字化变电站技术背景•非常规互感器技术•IEC61850标准•以太网通信技术•智能断路器技术华东电网有限公司非常规互感器技术华东电网有限公司非常规互感器基本分类华东电网有限公司非常规互感器技术对二次的影响¾一次、二次系统之间有效隔离，消除传导引起的电磁干扰问题，安全性高；¾频率响应宽，动态范围大，精度高，可同时满足测量和保护的需要；¾简化二次设备装置的结构，如采样保持、多路转换开关、A／D变换等环节；¾无饱和现象，简化保护判据，有效提高保护可靠性、快速性；¾简化现场试验，如回路绝缘电阻、压降、接地、互感器极性、二次回路接线检查等；华东电网有限公司IEC61850标准体系华东电网有限公司IEC61850标准体系华东电网有限公司IEC61850基本特点¾面向对象的统一建模技术UML；¾采用分布、分层的结构体系；¾使用抽象通信服务接口ACSI和特殊通信服务映射SCSM技术；¾抽象建模与具体实现独立，服务与通信网络独立；¾实现智能电子设备IED之间的互操作性；¾提供自我描述的数据对象及其服务；¾具有面向未来的、开放的体系结构，能够定义其它领域任何新的逻辑节点和公共数据；华东电网有限公司IEC61850基本特点¾定义了最小单元逻辑节点LN，通过逻辑连接交换数据，IED功能模块化实现方式具备了极大的灵活性；¾抽象通信服务接口ACSI实现了应用与通信的分离，在不影响应用前提下灵活实现信息的交互方式；¾支持对等通信（PeerToPeer）模式的应用，面向通用对象的变电站事件GOOSE能有效地减少IED设备之间硬接线，简化二次系统的设计与试验；¾基于XML技术的变电站配置语言SCL的应用，使IED设备具有自我描述能力；¾标准一致性检测被提到前所未有的高度，有利于规范系统设计、制造、安装、简化运行维护；华东电网有限公司网络通信技术特点•交换式以太网技术¾基于帧交换技术，改变了“共享介质”的工作方式，以交换延迟保证每个节点恒定值的带宽；•IEEE802.1p排队特性¾采用带优先级标签的以太网数据帧，使得具有高优先级的数据帧获得更快的响应速度；•虚拟局域网技术（VLAN）¾局域网设备可逻辑地，而非物理地划分成多个网段，有效划分控制网段和非控制网段，保证控制网段的安全性；•快速生成树协议（RSTP）¾环路结构的网络广播产生的数据包会引起无限循环而导致阻塞，快速生成树协议大大提高算法的收敛过程，支持多种网络冗余链路设计，提高网络的冗余性、可靠性。华东电网有限公司网络通信技术对二次系统的影响¾改变通信连接方式，使用现场总线技术实现点对点、多个点对点或过程总线通信方式，实现数据共享；¾支持变电站层、间隔层、过程层的分层分布式通信系统结构，最大程度地实现了信息共享和系统集成；¾交换式以太网技术确保了信息交互的实时性，满足保护及控制功能的要求；¾虚拟局域网VLAN技术为数据通信的安全性提供了有效的保障措施；¾网络通信的流量控制等技术可以有效地针对变电站信息应用的特点，实现信息应用的区分服务。华东电网有限公司¾电流、电压信号引入断路器，电磁操作机构具有机构动作时间上的可控性；¾正常时以较低速度分闸，故障时以较高速度分闸，取得电气和机械性能最佳分闸效果，提高断路器寿命；¾根据故障性质确定是否重合，减少对于断路器的短路合闸冲击和对于电网的冲击；¾选相合闸，控制断路器弧触头在零电压或特定电压相位时刻合闸，避免系统的不稳定，克服容性负载的合闸涌流与过电压；¾同步分断，控制断路器弧触头在相电流为零时实现分断，控制实际燃弧时间，使断路器起弧时间控制在最有利于燃弧的相位角，不受系统燃弧时差要求限制，提高断路器实际开断能力；智能断路器技术特点华东电网有限公司¾跳合闸控制命令信号实现网络方式传输，省却了大量二次电缆；¾保护和控制命令可以通过光纤网络实现与断路器操作机构的数字化接口；¾二次系统从电气量的采集、信息的传输、跳合闸控制命令的实现等具备了全面监视的可能，有利于实现二次系统的状态检修；¾断路器跳闸方式发生了根本性的变化，从以往电缆传输跳合闸电流操作方式变为通信报文操作方式；¾基于IEC61850标准的GOOSE等快速报文传递跳合闸命令的可靠性、实时性需要时间来验证；智能断路器对二次系统的影响华东电网有限公司二、数字化变电站主要特征系统分层分布化——自动化系统集中、分布式的发展——异构系统间信息互通——装置的自我描述——互操作，信息共享——系统的可扩展性华东电网有限公司——智能电子装置的“近过程化”——自动化功能可以重新优化组合，功能可灵活分配到不同的IED中——保护、监控装置安装在开关柜上——IED布置紧靠过程层可直接嵌入一次设备——变电站机电一体化设计数字化变电站主要特征系统结构紧凑化华东电网有限公司•装置具有自我描述能力•实现智能设备的互操作•实现变电站信息共享•支持系统与运行系统协调工作•简化系统维护、配置和工程实施数字化变电站主要特征系统建模标准化华东电网有限公司——光纤通信以及高速以太网交换技术——网络拓扑结构可灵活选择——利用multicasting技术数据共享——减少间隔内保护、监控单元和开关之间的连线数字化变电站主要特征信息交互网络化华东电网有限公司——测控、保护一体化——二次系统结构简化——信息集中采集、统一传送、功能共享数字化变电站主要特征信息应用集成化华东电网有限公司——设备状态特征量采集没有盲区——光纤环网实时传送信息——变电站内设备、回路可控、在控——系统可用性（availability）提高数字化变电站主要特征设备检修状态化华东电网有限公司——微机控制、电力电子组成执行单元——独立地执行当地功能——自我检测和监视——光纤网络实现与操作机构数字化接口数字化变电站主要特征设备操作智能化华东电网有限公司三、数字化变电站架构体系•功能层、逻辑接口与网络总线•过程总线的基本组网方案•变电站总线的基本组网方案华东电网有限公司功能层、逻辑接口与网络总线功能层及逻辑接口逻辑接口说明过程层间隔层变电站层IF4过程层和间隔层之间TA和TV暂态数据交换●●IF5过程层和间隔层之间控制数据交换●●IF3间隔层内数据交换●IF8间隔之间直接数据交换●IF1间隔层和变电站层之间保护数据交换●IF6间隔和变电站层之间控制数据交换●IF9变电站层内数据交换●IF7变电站层与远方工程师办公室数据交换●变电站总线过程总线总线华东电网有限公司过程总线的基本组网方案①面向间隔原则②单一总线原则③面向位置原则④面向功能原则华东电网有限公司过程总线的基本组网方案①面向间隔原则¾结构清晰，易于维护，需要较多交换机和路由设备，造价较高¾主要适应于220KV及以上系统以及重要间隔②单一总线原则¾节省交换机，造价低；系统可靠性差，需要较高的总线速率¾适用于网络负载较轻、实时性要求不高的中、低压系统③面向位置原则¾从高压端下来的光纤传输距离最短¾双母线多个间隔可以共用母线TV，节省电压互感器安装数量④面向功能原则¾按照保护区域来设置，总线段之间数据交换量最小。华东电网有限公司变电站总线的基本组网方案(a)独立的变电站总线(b)集成的变电站总线和过程总线华东电网有限公司四、数字化变电站信息应用•信息定义¾信息是有意义的数据，知识是有价值的信息•信息类型¾实时传输的运行信息¾突发事件产生的信息¾操作或控制命令信息•应用原则¾间隔层执行的功能不应由站控层来执行¾过程层执行的功能不应由间隔层处理华东电网有限公司信息集成基本技术华东电网有限公司系统集成机制的比较•XML集成¾系统间耦合很低、不具备实时性，不能实现标准定义的所有服务¾对智能电子装置或故障信息系统进行配置，或交换配置信息¾对遗留系统进行临时封装，实现非实时信息交换•通信规约集成¾实时性高，提供变电站自动化统一信息模型，集成代价大¾标准的一致性测试、互操作性测试需要大量人力、物力¾适用于非标准IEC61850IED接口转换•API集成¾实时性高，提供EMS系统统一信息模型，实现功能的即插即用¾适用于不同调度自动化系统之间信息交互•数据库集成¾实时性较差，可实现跨应用及跨平台的信息集成¾可实现任意系统间的集成，如在线系统与离线计算系统之间•黑板集成¾可实现任意系统间集成，实时性和开放性均较好¾控制机制单一，开发与调试均较困难¾适合推理机和外部系统的集成，且实时性要求较高的场合华东电网有限公司信息集成应用模式•变电站间隔的信息应用集成¾运行控制IED、数据分析IED应具有相对的独立性¾电费计量系统应保持相对独立•变电站不同间隔之间的信息集成¾对于故障判断相邻间隔的元件信息十分关键¾不同间隔信息集成在于对于故障判断处理的有效性•变电站站控层的信息集成¾一种是主动上送电网调度中心；¾一种等待调度中心主站调用；•在适当的时间将合适的信息传递给最需要的人华东电网有限公司多智能体技术（MultiAgents）¾适用于分布式系统的人工智能技术（AI）¾具有反应性、自治性、交互性、协作性、自适应性及实时性等特征¾IED可以集成在独立的智能体上，模块化程度更高；¾智能体之间“松耦合”关系，通过消息机制传输信息；¾基于智能体的系统增加新的应用功能，通过增加新的智能体来实现信息集成应用华东电网有限公司对等通信模式信息安全防护¾以太网802.1q协议支持虚拟网络VLAN方式实现网络的有效分隔¾通过在交换机上设置基于端口虚拟网络VLAN，不同业务特性的信息交互限定在不同的虚拟网¾根据IED信息交互范畴确定配置，将可能的影响范围局限在某VLAN所限定的区域华东电网有限公司可信计算体系华东电网有限公司基于可信计算的信息安全防护¾IEC61850通信模型有服务器和客户连接2种通信模式¾变电站与电网调度信息交互通过远程过程调用协议RPC¾IED和电网调度中心的信息模型增加TCG和RPC功能逻辑节点,构成基于可信计算的远程控制安全通信体系华东电网有限公司五、数字化变电站实现基础•非常规传感器的稳定性•二次系统的冗余性•IED设备的互操作性•网络通信的安全性•试验方案的针对性•建设目标的阶段性•技术管理的适应性华东电网有限公司非常规传感器的稳定性•无源式互感器（OVT/OCT）主要问题•晶体的双折射现象•发光源LED老化•光纤的偏振效应•维尔德常数的温度效应•有源式互感器（EVT/ECT）主要问题•物理距离受限制•易受电磁干扰•长期大功率的激光供能对于光器件使用寿命的影响华东电网有限公司二次系统的冗余性•合并单元的冗余性¾非常规传感器两组不同输出分别接入不同合并单元¾通过交换机实现合并单元的冗余配置方案华东电网有限公司二次系统的冗余性•以太网的冗余性¾网络架构冗余¾双以太网口冗余结构•控制系统的冗余性¾保护/测控装置一体化应用¾设备之间联闭锁控制双重化华东电网有限公司IED设备的互操作性华东电网有限公司IED设备的互操作性间隔设备和站级控制的互操作试验间隔设备间的互操作试验华东电网有限公司IED设备的互操作试验基于采样值的互操作试验扩展互操作试验华东电网有限公司网络通信的安全性•对等通信模式（P2P）的信息安全问题•IEC61850标准没有包含信息安全机制•IEC62351标准提供了对IEC61850的安全描述，并在数据认证方面采取了相关的安全技术•IED之间不再有点对点的硬接线，装置之间明显的安全隔离点将不复存在•装置的隔离措施将通过软件来实现华东电网有限公司试验方案的针对性--常规IED试验华东电网有限公司试验方案的针对性--IEC61850IED试验华东电网有限公司试验方案的针对性--系统验证性试验华东电网有限公司建设目标的阶段性•应用目标设定的合理性•应用目标技术的成熟性•应用目标效用的实效性¾整体性、适应性、实用性、可维护性、可靠性、安全性、经济性等华东电