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2009年5月,国家电网公司首次公布了"智能化电网计划",国家电网公司正在全面建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础,以信息化、智能化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网。智能化电网是一个新的概念,其包括两个部分:一个是让消费者自主设定电器设备的使用功率和时间,从而在追求舒适的前提下节省电能;另一个是监控电网的运行情况,实现电网的智能化、自动化、互动化。作为走向智能化电网的重要一步――智能化变电站的建设和使用已经在多省市得到了试点应用。
数字化变电站或数字电网注重的是实现信息的网络交互,而升级后的智能电网则更加注重信息的互换互用以及功能的智能化应用。当前的数字化变电站从技术上来说,其突出成就只是实现了变电站信息的数字采集和网络交互,这离智能变电站来说还有一定距离。数字化变电站作为二次系统发展的一个阶段,在技术上还存在着很大的技术提升空间。我们结合电网中传统变电站与智能化变电站的差异,选取几个方面探讨智能化变电站有别于传统变电站保障技术。
一、智能化变电站概述
(一)智能化变电站的技术特征
1、各类数据从源头实现数字化,真正实现信息集成、网络通信、数据共享。在电流、电压的采集环节采用智能化电气测量系统,如光电/电子式互感器,实现了电气量数据采集的智能化应用,并为实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转变,为实现信息集成化应用提供了基础。打破常规变电站的监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等几乎都是功能单一、相互独立的装置的模式,改变了硬件重复配置、信息不共享、投资成本大的局面。智能化变电站使得原来分散的二次系统装置,具备了进行信息集成和功能合理优化、整合的基础。
2、系统结构更加紧凑,数字化电气量监测系统具有体积小、重量轻等特点,可以有效地集成在智能开关设备系统中,按变电站机电一体化 设计理念进行功能优化组合和设备布置。对一、二次设备进行统一建模,资源采用全局统一命名规则,变电站内及变电站与控制中心之间实现了无缝通信,从而简化系统维护、配置和工程实施。
3、设备实现广泛在线监测,使得设备状态检修更加科学可行。在智能化变电站中,可以有效地获取电网运行状态数据、各种智能电子装置IED(Intelligent ElectronicDevice)的故障和动作信息及信号回路状态。智能化变电站中将几乎不再存在未被监视的功能单元,在设备状态特征量的采集上没有盲区。设备检修策略可以从常规变电站设备的"定期检修"变成"状态检修",这将大大提高系统的可用性。
(二)智能化变电站自动化系统的结构
在变电站自动化领域中,智能化电气的发展,特别是智能开关、光电式互感器机电一体化设备的出现,变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。在高压和超高压变电站中,保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元,如A/D变换、光隔离器件、控制*作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分。反言之,智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的I/O部分;而在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化,完整地安装在开关柜上,实现了变电站机电一体化设计。
智能化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类,即智能化的一次设备和网络化的二次设备;在逻辑结构上可分为三个层次,根据IEC6185A通信协议草案定义,这三个层次分别称为"过程层"、"间隔层"、"站控层"。
(三)智能化变电站自动化系统中的网络选型
网络系统是智能化变电站自动化系统的命脉,它的可*性与信息传输的快速性决定了系统的可用性。常规变电站自动化系统中单套保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是在同一个CPU控制下进行的,使得同步采样、A/D转换,运算、输出控制命令整个流程快速,简捷,而全智能化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的,如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出是一个复杂问题,其最基本的条件是网络的适应性,关键技术是网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定。
如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任数字化变电站自动化的技术要求。目前以太网异军突起,已经进入工业自动化过程控制领域,固化OSI七层协议,速率达到100MHz的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现,智能化变电站自动化系统的两级网络全部采用100MHz以太网技术是可行的。
(四)智能化变电站应用发展中的主要问题
国外已有一定的成熟经验,国内的大专院校、科研院所以及有关厂家都投入了相当的人力进行开发研究,并且在某些方面取得了实质性的进展。但归纳起来,目前主要存在的问题是:
1、研究开发过程中专业协作需要加强,比如智能化电器的研究至少存在机、电、光三个专业协同攻关;
2、材料器件方面的缺陷及改进;
3、试验设备、测试方法、检验标准,特别是EMC(电磁干扰与兼容)控制与试验还是薄弱环节。
二、IEC61850通信及建模标准体系的扩展
IEC61850通信及建模标准体系是一套完整的体系,所有的智能化变电站的所有设备的功能和数据都是基于IEC61850通信及建模。由于所有设备使用同一的功能模型、数据模型和通信协议,实现了不同厂家设备间的互操作性。这也是智能化变电站设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化的关键。IEC61850是追求现代技术水平的标准信息和通信体系,在系统中通过提供标准的数据交换接口实现系统开放,实现完全的互操作性是其工作方向。而IEC61850也需要不断地扩展,以适应更广泛的领域。
如在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络(IEC61850-9-1)已经面临废除,取而代之的是映射成基于IEEE 802.3标准的过程总线(IEC61850-9-1)的不断丰富和发展。IEC61850-9-1通过独立的链路来单向传输采样值。合并单元同保护测控装置之间的通信在规模较小的变电站中采用点对点的IEC61850-9-1通信协议可以满足使用要求。但在智能化电网条件下再采用IEC61850-9-1就会使设备数量和光缆敷设结构非常复杂,完全失去了智能化的意义,无法满足智能化的要求。而IEC61850-9-2则能满足智能化变电站的要求,IEC61850-9-2的过程总线是一种网络,它将合并单元、保护测控装置置于一个以太网中。这就不单是一个点对点的概念,而是一个网络的概念,这就对智能化变电站中设备的网络性能提出了更高的要求。IEC61850-9-1在数字化变电站阶段已经得到了很好的应用和推广,而IEC61850-9-2还不很成熟,网络带宽限制了大量实时数据的传输,但在不断地发展中,在智能化变电站应用的大趋势下,IEC61850-9-2完全替代IEC61850-9-1将很快成为现实。
三、网络通信技术中的同步
网络通信技术在智能化变电站中起到的是基础平台的作用。网络通信技术在传统变电站系统中仅发挥了初级作用,实现各级调度之间,变电站与主站之间,变电站与变电站之间电网运行数据的传输。在智能化变电站中,网络通信技术除了实现传统变电站网络通信技术的传输以外,还将承担起传统变电站站内靠电缆传输模拟通信信号的功能,这在极大地提高通信精确度的同时也需要我们充分掌握某些关键技术,保障数字信号的安全、可靠及稳定传输。
同步技术就是其中之一,在变电站智能化传输体系中,数字同步网显得尤为重要。数字同步网是一个网络体系,它是由节点始终设备和定时链路组成的一个实体网。同步网为各种业务网提供定时,以实现各种业务的同步,它是三大支撑网之一,也直接关系智能化变电站数字通信的质量。在单一智能化变电站中,需要实现智能化变电站各智能化设备的同步;在由若干智能化变电站组成的网络中,除了实现智能化变电站内各智能化设备的同步外还必须实现各智能化变电站之间的同步以及其对主站的同步。在传统的电力通信网络中建设有BITS设备,负责为各通信网元授时。而在变电站中自动化、继电保护等初级智能化设备的授时都是由GPS产生秒脉冲、然后经过倍频处理完成。GPS虽然能实现一级时钟准确的授时,但一旦发生GPS时钟设备损坏等情况,将可能造成智能化变电站系统中时钟的频率偏差、信号噪声、抖动或飘移等定时损伤的情况出现。GPS时钟技术是由国外提供,对于电力系统关系国家经济命脉的行业来说,长期依赖国外时钟技术也不是长久之计。基于以上因素,基于国内自行建设的北斗时钟技术以及建立电力系统统一的三级时钟体系是智能化变电站建设,甚至智能化电网建设的基础。
在数字化变电站,乃至智能化变电站中,时钟同步都得到了应用。IEC61850规定了简单的时间同步协议(SNTP)。SNTP是传输控制协议中用于同步时间的协议NTP改编而来,是NTP的简化模型,主要用来同步计算机时钟。SNTP的实现分时间服务器端的实现和客户端的实现,为ms级,具备现阶段使用的要求,但离GPS对时B码的对时精度还有一定距离。在智能化电网中,时钟同步的要求会越来越高,在满足二次网络化的同时达到较高精度的对时是智能化变电站的网络基础。
四、网络及信息安全技术的体系
网络及信息安全技术是一个内涵极其丰富的技术领域,大致可分为基础安全技术和应用安全技术两个部分,针对一般性的信息系统和特定领域的应用系统提供安全保护。微机保护和自动化监控系统等相关应用系统的应用对电力二次安全防护系统已经有了一定的认识,也采取了相应的措施。相对于智能化变电站,传统变电站电力二次安全防护系统的应用更多属于基础安全技术。由于相关厂家开发平台的独立性以及传统变电站网络化程度不高决定了网络及信息安全技术的重要性相对偏低。但在智能化变电站模式中,网络化二次系统基于IEC61850通信协议基础分层构建,全球厂家都是基于这一标准化平台进行软件开发,大大加大了智能化变电站网络化二次系统的开放性。网络化二次系统概念的形成,也将网络通信技术扩大应用到智能化变电站的各个设备中。光通信智能化采样和GOOSE网实现的信号传输和跳合闸控制,一旦网络出现信息安全故障,或受到恶意攻击,将导致全站甚至是全智能化系统的瘫痪。这就要求在智能化变电站系统中网络及信息安全技术得到有效应用,建立信息安全体系结构、安全协议、现代密码、信息分析和监控以及信息安全各部分相互协调,完整的网络及信息网络安全体系。在安全防护的同时,还应该提高系统的入侵检测能力、系统时间反应能力以及系统的自我快速修复能力。这是智能化变电站,甚至智能化电网建设的前提,运行的保障。
五、结束语
智能化变电站部分保障技术,有的是新技术标准,有的是比较成熟的技术。但在智能化变电站模式下应用的广泛性及重要性则得到了重要的提升。更多的智能化变电站技术需要我们在实践中进一步探讨和研究,才能促进智能化电网的建设。
参考文献:
[1]郭征,陈学军.数字化变电站给运行工作带来的新挑战[J].上海电力,2007,(5).
[2]陈天香,王若醒,魏勇.数字化变电站新技术的发展现状及其对行业影响浅探[J].电力系统保护与控制,2009,(7).
[3]李碧辉,田丰.数字化变电站设计及运行中的问题探讨[J].湖北电力,2008,(2).
[4]黄文韬.广东首座110kV数字化变电站技术方案分析[J].广东电力,2008,(9).
数字化变电站或数字电网注重的是实现信息的网络交互,而升级后的智能电网则更加注重信息的互换互用以及功能的智能化应用。当前的数字化变电站从技术上来说,其突出成就只是实现了变电站信息的数字采集和网络交互,这离智能变电站来说还有一定距离。数字化变电站作为二次系统发展的一个阶段,在技术上还存在着很大的技术提升空间。我们结合电网中传统变电站与智能化变电站的差异,选取几个方面探讨智能化变电站有别于传统变电站保障技术。
一、智能化变电站概述
(一)智能化变电站的技术特征
1、各类数据从源头实现数字化,真正实现信息集成、网络通信、数据共享。在电流、电压的采集环节采用智能化电气测量系统,如光电/电子式互感器,实现了电气量数据采集的智能化应用,并为实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转变,为实现信息集成化应用提供了基础。打破常规变电站的监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等几乎都是功能单一、相互独立的装置的模式,改变了硬件重复配置、信息不共享、投资成本大的局面。智能化变电站使得原来分散的二次系统装置,具备了进行信息集成和功能合理优化、整合的基础。
2、系统结构更加紧凑,数字化电气量监测系统具有体积小、重量轻等特点,可以有效地集成在智能开关设备系统中,按变电站机电一体化 设计理念进行功能优化组合和设备布置。对一、二次设备进行统一建模,资源采用全局统一命名规则,变电站内及变电站与控制中心之间实现了无缝通信,从而简化系统维护、配置和工程实施。
3、设备实现广泛在线监测,使得设备状态检修更加科学可行。在智能化变电站中,可以有效地获取电网运行状态数据、各种智能电子装置IED(Intelligent ElectronicDevice)的故障和动作信息及信号回路状态。智能化变电站中将几乎不再存在未被监视的功能单元,在设备状态特征量的采集上没有盲区。设备检修策略可以从常规变电站设备的"定期检修"变成"状态检修",这将大大提高系统的可用性。
(二)智能化变电站自动化系统的结构
在变电站自动化领域中,智能化电气的发展,特别是智能开关、光电式互感器机电一体化设备的出现,变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。在高压和超高压变电站中,保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元,如A/D变换、光隔离器件、控制*作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分。反言之,智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的I/O部分;而在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化,完整地安装在开关柜上,实现了变电站机电一体化设计。
智能化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类,即智能化的一次设备和网络化的二次设备;在逻辑结构上可分为三个层次,根据IEC6185A通信协议草案定义,这三个层次分别称为"过程层"、"间隔层"、"站控层"。
(三)智能化变电站自动化系统中的网络选型
网络系统是智能化变电站自动化系统的命脉,它的可*性与信息传输的快速性决定了系统的可用性。常规变电站自动化系统中单套保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是在同一个CPU控制下进行的,使得同步采样、A/D转换,运算、输出控制命令整个流程快速,简捷,而全智能化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的,如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出是一个复杂问题,其最基本的条件是网络的适应性,关键技术是网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定。
如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任数字化变电站自动化的技术要求。目前以太网异军突起,已经进入工业自动化过程控制领域,固化OSI七层协议,速率达到100MHz的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现,智能化变电站自动化系统的两级网络全部采用100MHz以太网技术是可行的。
(四)智能化变电站应用发展中的主要问题
国外已有一定的成熟经验,国内的大专院校、科研院所以及有关厂家都投入了相当的人力进行开发研究,并且在某些方面取得了实质性的进展。但归纳起来,目前主要存在的问题是:
1、研究开发过程中专业协作需要加强,比如智能化电器的研究至少存在机、电、光三个专业协同攻关;
2、材料器件方面的缺陷及改进;
3、试验设备、测试方法、检验标准,特别是EMC(电磁干扰与兼容)控制与试验还是薄弱环节。
二、IEC61850通信及建模标准体系的扩展
IEC61850通信及建模标准体系是一套完整的体系,所有的智能化变电站的所有设备的功能和数据都是基于IEC61850通信及建模。由于所有设备使用同一的功能模型、数据模型和通信协议,实现了不同厂家设备间的互操作性。这也是智能化变电站设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化的关键。IEC61850是追求现代技术水平的标准信息和通信体系,在系统中通过提供标准的数据交换接口实现系统开放,实现完全的互操作性是其工作方向。而IEC61850也需要不断地扩展,以适应更广泛的领域。
如在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络(IEC61850-9-1)已经面临废除,取而代之的是映射成基于IEEE 802.3标准的过程总线(IEC61850-9-1)的不断丰富和发展。IEC61850-9-1通过独立的链路来单向传输采样值。合并单元同保护测控装置之间的通信在规模较小的变电站中采用点对点的IEC61850-9-1通信协议可以满足使用要求。但在智能化电网条件下再采用IEC61850-9-1就会使设备数量和光缆敷设结构非常复杂,完全失去了智能化的意义,无法满足智能化的要求。而IEC61850-9-2则能满足智能化变电站的要求,IEC61850-9-2的过程总线是一种网络,它将合并单元、保护测控装置置于一个以太网中。这就不单是一个点对点的概念,而是一个网络的概念,这就对智能化变电站中设备的网络性能提出了更高的要求。IEC61850-9-1在数字化变电站阶段已经得到了很好的应用和推广,而IEC61850-9-2还不很成熟,网络带宽限制了大量实时数据的传输,但在不断地发展中,在智能化变电站应用的大趋势下,IEC61850-9-2完全替代IEC61850-9-1将很快成为现实。
三、网络通信技术中的同步
网络通信技术在智能化变电站中起到的是基础平台的作用。网络通信技术在传统变电站系统中仅发挥了初级作用,实现各级调度之间,变电站与主站之间,变电站与变电站之间电网运行数据的传输。在智能化变电站中,网络通信技术除了实现传统变电站网络通信技术的传输以外,还将承担起传统变电站站内靠电缆传输模拟通信信号的功能,这在极大地提高通信精确度的同时也需要我们充分掌握某些关键技术,保障数字信号的安全、可靠及稳定传输。
同步技术就是其中之一,在变电站智能化传输体系中,数字同步网显得尤为重要。数字同步网是一个网络体系,它是由节点始终设备和定时链路组成的一个实体网。同步网为各种业务网提供定时,以实现各种业务的同步,它是三大支撑网之一,也直接关系智能化变电站数字通信的质量。在单一智能化变电站中,需要实现智能化变电站各智能化设备的同步;在由若干智能化变电站组成的网络中,除了实现智能化变电站内各智能化设备的同步外还必须实现各智能化变电站之间的同步以及其对主站的同步。在传统的电力通信网络中建设有BITS设备,负责为各通信网元授时。而在变电站中自动化、继电保护等初级智能化设备的授时都是由GPS产生秒脉冲、然后经过倍频处理完成。GPS虽然能实现一级时钟准确的授时,但一旦发生GPS时钟设备损坏等情况,将可能造成智能化变电站系统中时钟的频率偏差、信号噪声、抖动或飘移等定时损伤的情况出现。GPS时钟技术是由国外提供,对于电力系统关系国家经济命脉的行业来说,长期依赖国外时钟技术也不是长久之计。基于以上因素,基于国内自行建设的北斗时钟技术以及建立电力系统统一的三级时钟体系是智能化变电站建设,甚至智能化电网建设的基础。
在数字化变电站,乃至智能化变电站中,时钟同步都得到了应用。IEC61850规定了简单的时间同步协议(SNTP)。SNTP是传输控制协议中用于同步时间的协议NTP改编而来,是NTP的简化模型,主要用来同步计算机时钟。SNTP的实现分时间服务器端的实现和客户端的实现,为ms级,具备现阶段使用的要求,但离GPS对时B码的对时精度还有一定距离。在智能化电网中,时钟同步的要求会越来越高,在满足二次网络化的同时达到较高精度的对时是智能化变电站的网络基础。
四、网络及信息安全技术的体系
网络及信息安全技术是一个内涵极其丰富的技术领域,大致可分为基础安全技术和应用安全技术两个部分,针对一般性的信息系统和特定领域的应用系统提供安全保护。微机保护和自动化监控系统等相关应用系统的应用对电力二次安全防护系统已经有了一定的认识,也采取了相应的措施。相对于智能化变电站,传统变电站电力二次安全防护系统的应用更多属于基础安全技术。由于相关厂家开发平台的独立性以及传统变电站网络化程度不高决定了网络及信息安全技术的重要性相对偏低。但在智能化变电站模式中,网络化二次系统基于IEC61850通信协议基础分层构建,全球厂家都是基于这一标准化平台进行软件开发,大大加大了智能化变电站网络化二次系统的开放性。网络化二次系统概念的形成,也将网络通信技术扩大应用到智能化变电站的各个设备中。光通信智能化采样和GOOSE网实现的信号传输和跳合闸控制,一旦网络出现信息安全故障,或受到恶意攻击,将导致全站甚至是全智能化系统的瘫痪。这就要求在智能化变电站系统中网络及信息安全技术得到有效应用,建立信息安全体系结构、安全协议、现代密码、信息分析和监控以及信息安全各部分相互协调,完整的网络及信息网络安全体系。在安全防护的同时,还应该提高系统的入侵检测能力、系统时间反应能力以及系统的自我快速修复能力。这是智能化变电站,甚至智能化电网建设的前提,运行的保障。
五、结束语
智能化变电站部分保障技术,有的是新技术标准,有的是比较成熟的技术。但在智能化变电站模式下应用的广泛性及重要性则得到了重要的提升。更多的智能化变电站技术需要我们在实践中进一步探讨和研究,才能促进智能化电网的建设。
参考文献:
[1]郭征,陈学军.数字化变电站给运行工作带来的新挑战[J].上海电力,2007,(5).
[2]陈天香,王若醒,魏勇.数字化变电站新技术的发展现状及其对行业影响浅探[J].电力系统保护与控制,2009,(7).
[3]李碧辉,田丰.数字化变电站设计及运行中的问题探讨[J].湖北电力,2008,(2).
[4]黄文韬.广东首座110kV数字化变电站技术方案分析[J].广东电力,2008,(9).