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1、智能变电站介绍,主要内容,智能化变电站概述及特点电子式互感器介绍智能单元介绍IEC61850介绍智能化变电站工程应用介绍,智能化变电站概述及特点,1、机电式 2、晶体管式 3、集成电路 4、微机型?,微机式将原来由电路实现的保护用计算机程序语言代替；将处理的过程数字化了，但信息采集、传输、输出过程没有实现数字化。,智能化变电站是由电子式互感器、智能化开关等智能化一次设备、网络化二次设备分层构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。将会影响电力系统的开发、设计、调试、运行，给生产带来了新的问题和挑战。,技术发展的趋势：,智能化变电站
2、概述及特点,典型结构：包括四层设备和三个网络,智能化变电站 不完全等同于 IEC 61850,智能化变电站介绍,六大特征：一次设备智能化、互感器数字化、二次设备网络化、传输介质光纤化、通信标准统一化、信息应用集成化；硬件上:由智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等）和网络化、数字化的二次设备组成；软件上:以IEC61850标准作为通信协议，实现设备间充分的信息共享和互操作；,数字化变电站是未来变电站自动化技术发展的趋势，是建设智能电网的重要组成部分。,（1）站控层网络是否采用了IEC61850协议；（2）开关量跳闸二次回路是否实现了网络化、数字化；（3）模拟量采集二次回路是否实现了网络化、
3、数字化；,数字化的三个主要特征,智能化变电站标准体系目前未完善，国内各电网公司智能化变电站的建设方案多种多样，智能化的深度和广度也各不相同，可从三个网络的数字化程度来判断：,智能化变电站与传统变电站比较,概述及特点,节省投资、二次接线简单、可靠性高、便于设备维护升级、便于变电站规模的扩建和功能的扩充,概述及特点,变电站信息传输和处理的数字化 统一的信息模型：数据模型、功能模型 统一的通信协议：信息无缝交换 高质量信息：可靠性、完整性、实时性 各种设备和功能共享统一的信息平台,智能化变电站优点,开放的通信协议、统一的数据模型，信息的集成化应用，为电网开展高级应用提供了便捷条件，如为定期检修过渡到
4、状态检修提供一个更好的信息平台；网络化、数字化的一、二次设备，节约了大量二次电缆，设计、施工效率较高，减少了变电站的投资；克服了传统互感器绝缘结构复杂、测量范围小、存在饱和等缺陷；开放式的通信规约使程序化操作实现更加方便，减少了误操作情况的发生；满足电网“高效”和“兼容性”的要求，为今后智能电网的发展打下坚实的物质基础；,智能化变电站技术构成,电子式互感器智能开关设备 网络化二次设备 IEC61850标准应用 以太网通信网络,主要构成：,电子式互感器,传统电磁式互感器暴露固有的缺陷：、绝缘、重量支撑结构复杂，产品造价随电压等级呈指数上升高；、电磁式电流互感器存在固有的磁饱和现象，严重时造成保护
5、的拒动或误动；、动态测量范围小，频带窄，高频响应特性差；、电压互感器器存在二次短路的危险，电流互感器存在二次开路的危险；、存在易燃、易爆等危险。,传统电流互感器的缺点,电子式互感器的优缺点,优点 1、高低压系统完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性 能和优越的性价比；2、不含铁芯，消除了磁饱和和铁磁谐振等问题；3、无CT开路、PT短路的危险，互感器的精度与负载无关4、动态范围大，测量精度高；5、暂态特性好6、没有因充油而潜在的易燃、易爆炸等危险7、体积小、重量轻8、适应了电力系统数字化、智能化和网络化发展的需要缺点目前可靠性不如常规互感器,电子式互感器标准,国际标准 IEC60044-7、IEC
6、60044-8国家标准 GB/T20840.7、GB/T20840.8,电子式互感器分类,按一次部分是否需要供电来分：,法拉第(Michael Faraday)1791年1867年,Faraday电磁感应原理,Faraday磁旋光效应,铁心线圈,空心线圈,光学电流互感器(OCT）,低功率铁心线圈电流互感器（LPCT）,罗可夫斯基线圈电流互感器（RCT）,玻璃、光纤或镀模玻璃,电子式电流互感器分类,Rogowski电子式互感器,电流测量：采用罗氏（Rogowski）空芯线圈和低功率线 圈（LPCT）电磁感应原理,远端模块由电子电路构成，需要供电，因此称为有源式电子互感器，有源式电子互感器技术较为
7、成熟，在国内外已有一定的应用。,特点：空心线圈，不会产生磁饱和现象；动态测量范围大；频率响应范围宽；体积小、重量轻。,有源式电流互感器,测量线圈和保护线圈分开，共用一套转换模块。,测量采用LPCT线圈、保护采用双套罗氏线圈,电子式互感器结构,基本构成：高压侧数据转换模块（远端模块）和低压侧合并单元,有源式电压互感器,原理简单，对分压器（电容）精度要求高，可采用级联方式，注意对地杂散电容的影响。,有源式电子式互感器技术难点,1、一次电流及电压传感器，特别是电压分压器的稳定性；2、远端传感模块的稳定性和可靠性（安置在室外时温度、电磁干扰等）；3、对独立结构的有源式电子式互感器远端模块供电技术。,无
8、源式电子式互感器,无源式电子式互感器的一次传感器利用光学原理，由纯光学器件构成，不需要远端电子线路模块，因此无需专门的供电电路，有着有源式无法比拟的优点。但其制造工艺复杂，制造技术要求高。,无源式电流互感器主要是基于法拉第磁光效应，按材料不同可分为磁光玻璃型和纯光纤型；电压互感器有基于普克尔电光效应的互感器。,无源式电压互感器技术还不成熟，而且应用需求并没有电流互感器高，因此目前还没有成功应用。,法拉第磁光效应电流互感器,法拉第磁光效应,磁光效应原理,磁光玻璃型,磁光效应互感器结构,纯光纤型,敏感元件和传输元件都是光纤。输入输出光路为统一路径，提高了抗干扰能力，安全可靠性高。也采用独特的闭环控
9、制技术，动态范围大和精度高。,电子式电压互感器,目前暂无成熟的产品,无源式电子式互感器技术难点,1、光学传感材料的选择2、温度对传感器精度的影响3、应力对传感器精度的影响4、传感头的封装技术5、长期稳定性问题6、微弱信号检测,电子式互感器合并单元,概念：合并单元是对远端模块传来的三相电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按特定的格式提供给二次设备使用的装置。,IEC60044-8标准：点对点的FT3格式、光纤串行传输,传输延时确定可以采用再采样技术实现同步采样硬件和软件实现简单适合保护要求不适用于网络传输,IEC61850-9-1标准：点对点的光纤网络传输,传输延时相对固定可以采用再采
10、样技术实现同步采样硬件和软件实现简单适合保护要求数据格式不灵活不适用于组网传输,IEC61850-9-2标准：光纤组网传输,传输延时不确定（400us-3ms）数据格式灵活，适用于组网传输硬件软件比较通用，但对交换机要求极高硬件和软件实现都将困难不同间隔间数据到达时间不确定，不利于母差、变压器等保护的数据处理比较适合测控、电能仪表一类,电子式互感器关键技术,二次接口：互感器的安装位置、合并单元的配置方案 采样数据的同步三相电流电压之间、差动保护 计量系统 互感器的可靠性、稳定性 通信、供电、远端模块 运行维护,电子式互感器发展应用情况,研制工作始于二十世纪八十年代初：主要研制单位：ABB、AL
11、STHOM、MITSUBISHI、SIEMENS等，目前已研制出各种电压等级的电子式互感器并投入现场运行，NxtPhase公司五年前年研制出全光纤无源电子式电流互感器，其计量精度满足0.2级要求。,基于空芯线圈、低功耗铁芯CT及激光供电等技术的有源电子式互感器是目前各公司推广应用的重点，已有不少工程使用有源电子式互感器。现在，ABB及SIEMENS在高压直流输电工程使用的互感器多数均为有源电子式互感器，其电流互感器使用分流器、空芯线圈和激光供电等技术，电压互感器采用电阻分压及电容分压等技术。近年来ABB、MITSUBISHI和SIEMENS等国外大公司开始在我国推广应用其电子式互感器。他们在我
12、国推广应用的电子式互感器主要包括高压直流输电(HVDC)、气体绝缘开关(GIS)和中低压开关柜等用的有源电子式互感器。,国内情况：,我国二十世纪九十年代初开始电子式互感器的研究。主要研制单位有清华大学、华中科技大学、中国电力科学研究院、新宁光电、南瑞继保等。有源式电子式互感器技术已经逐渐成熟，目前正在研制无源电子式互感器，并已开始小范围的应用。,电子式互感器发展应用情况,电子式互感器发展应用情况,合并单元,线路保护,数据输入,数据输出,电子式互感器发展应用情况,电子式互感器的同步采样问题,同一间隔三相电压、电流之间需考虑同步采样变压器差动保护从不同电压等级的多个间隔获取数据存在同步问题母线差动
13、保护从多个间隔获取数据也存在同步问题线路纵差保护线路两端数据采样也存在同步问题,同步采样问题的解决方法,（1）基于GPS秒脉冲同步的同步采样同步方法简单秒脉冲丢失时存在危险（2）二次设备通过再采样技术(插值算法)对就地采集单元额定延时进行补偿采样率要求高硬件软件要求高，实现难度较大但不依赖于GPS和秒脉冲传输系统,对时方式,智能开关设备,配有电子设备、数字通讯接口、传感器和执行器，不但具有分合闸基本功能，而且在监测和诊断方面具有附加功能的高性能开关设备。,定义：,优点：,间隔内自动闭锁和“五防”，保证设备和人身安全；按电压波形控制合闸角，按最佳灭弧时间控制跳闸，以减 少操作过电压就地实现重合闸
14、；实现设备在线监测和诊断，为状态维修提供参考；实现就地重合闸以及其他当地可以执行的功能，而不依赖 站级控制系统。,网络化二次设备,包括：,保护、测控、故障录波、计量等装置。,为适应数字化变电站的发展，在原有基础上作相应改变：,适应电子式互感器的应用 适应智能化一次设备的需要 适应IEC61850的需要 适应保护、测控一体化要求,网络化二次设备,模拟量采集CT/PT由光纤网络接口替代；开关量输入节点、中间继电器由光纤网络接口替代；网络化二次设备只有传统装置的部分，结构简化。,IEC61850标准应用,IEC61850是国际电工委员会(IEC)TC57工作组制定的变电站通信网络和系统系列标准，是基
15、于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。也将成为电力系统从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化无缝连接的通信标准，还可望成为通用网络通信平台的工业控制通信标准。,IEC61850规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言。使不同智能电气设备间的信息共享和互操作成为可能。,IEC61850是在美国IEEE协议UCA2.0 基础上制定的。,IEC61850标准应用,IEC61850标准应用,续表-,IEC61850标准应用,目前实施的变电站自动化系统缺乏统一的系统规范，广泛应用的IEC60870-5-103规约只是变电站内传输规约，缺乏对变电站系统模型、二次功能
16、模型的描述，没有将系统应用与通信技术进行分层处理，其应用受到通信技术的限制，缺乏一致性测试标准，因此103规约不适合作为未来数字化变电站的统一信息平台。,IEC61850标准应用,与传统的通信规约相比，IEC61850具有以下突出优点：,变电站系统功能分层；面向对象的统一建模（应用开放）；ACSI和SCSM（网络开放）；数据自描述；,IEC61850标准应用,IEC61850特点功能分层,IEC61850标准体系在逻辑概念和物理概念上对变电站功能的分层。,根据变电站自动化系统三大主要功能：控制、监视和保护，变电站分为：变电站层、间隔层、过程层，并且定义了层与层之间以及层内设备的通信接口；过程层
17、主要完成与一次设备相关的功能，如开关量、模拟量的采集以及控制命令的执行等，主要包括电子式互感器、智能开关等设备；间隔层的主要任务是利用本间隔的数据完成对本间隔设备的监测和保护判断，主要包括保护、测控、计量、录波等装置；变电站层的作用是完成对本站内间隔层设备及一次设备的控制，并完成与远方控制中心、工程师站及人机界面的通信功能，主要包括远动站、工程师站、监控中心等。,IEC61850标准应用,IEC61850标准应用,IEC61850特点面向对象统一建模,IEC61850标准采用面向对象的建模技术，对变电站自动化系统中各功能模块建立了统一的数据模型。一个IED模型包含一个或多个服务器（Server
18、）模型，设备之间的访问通过服务器模型提供的访问点和服务进行通信；每个服务器自身又包含一个或多个逻辑设备（LD，Logic Device）模型，根据实际需要进行相应配置；逻辑设备根据实际功能可划分为多个逻辑节点（LN，Logic Node）模型，而逻辑节点包含必选数据对象（DO，Data Object）和可选数据对象实例；数据对象由数据属性（DA，Data Attribute）构成，数据属性则由公共数据类（CDC，Common Data Class）命名的实例组成，标准中涵盖了目前所有的数据结构定义。,IEC61850标准应用,IEC61850特点面向对象统一建模,LN是用来交换DO的最小功能单
19、元，它表示一个物理设备内的某个功能，LN之间通过逻辑连接交换数据。LD是为通信目的而聚集的相关逻辑节点和数据，一个物理设备可以根据实际应用需要映射为一个或多个LD，LD往往包含了经常被访问和引用的信息列表。面向对象统一建模为数字化变电站互操作和信息共享的目标提供了条件，实现了应用的开放。传统的保护、测控等装置在数字化变电站中变成了具体的功能模块分配在具体的物理装置中，原来需要多个装置共同完成的功能现在可以集成到同一装置中，如保护测控的一体化。,逻辑设备：IEC61850特点面向对象统一建模,IEC61850的服务和协议栈,IEC61850标准应用,IEC61850特点数据自描述,IEC6185
20、0标准采用XML语言技术，定义了变电站配置语言（SCL）。因此，对各种设备、功能和数据，可进行自下而上的自我描述。面向对象的数据自描述，在数据源就对数据进行自我描述，数据本身带有说明，不受预先定义的限制进行传输，简化了数据管理和维护工作。在实际应用中只需要在客户端配置服务器网络地址就可以访问服务器模型，可以通过通信方式获得测点名，无需手动配置。,IEC61850标准应用,IEC61850互操作试验,国外试验情况：,国外，ABB、SIEMENS、AREVA 等主要电力设备大公司进行过多次互操作试验。2002年以前为前期阶段，当时主要是对标准草案的正确性、合理性进行验证和测试。2002年至2004
21、年期间，在考虑工程应用的情况下，对各厂家的IEC61850设备和系统进行验证，包括模型、工程配置工具以及IED 通信水平等与实际工程应用密切相关的互操作性。经过2 个阶段的互操作试验，最后实现了几个大公司的IEC61850设备和系统之间的互操作，达到了可以实际应用的水平。,IEC61850标准应用,IEC61850互操作试验,国内试验情况：,在国家电力调度通信中心的组织下，从2004年底至2006年底进行了6 次互操作试验。前5次是国内主要厂家，如下：北京四方、国电南自、中国电科院质检中心、南瑞科技、南瑞继保、许继电气、融科联创、积成电子、东方电子、中国电科院变电站公司10个厂家。第6次是国内
22、外16个主要厂家，在10个厂家基础上增加了ABB、SIEMENS、AREVA、SEL、南瑞质检中心、深圳南瑞。中国电科院质检中心全程参加了互操作试验.,IEC61850标准应用,IEC61850进展情况,国内相应标准：DL 860系列标准 变电站通信网络和系统(IEC61850 IDT),IEC在2002年正式出版IEC61850标准，目前已经开始了第二版的修订工作。,发达国家已有将IEC61850标准完全应用到数字化变电站中的先例。国内，IEC61850在站控层的应用已经成熟，但在过程层、间隔层的应用还有待进一步完善。,以太网通信网络,以太网技术,以太网是目前使用广泛、采用总线拓扑的网络技术
23、，通信高效率、开放性、高可靠性等优势。IEC61850建议采用以太网作为数字化变电站的通信方式，以实现接口开放、信息共享的目标，以太网成为了变电站通信系统的发展方向。,近年来，光纤以太网技术得到了大力发展，它以通信容量大、传输速率快、可靠性高、衰减小、不受外界电磁干扰、使用寿命长、保密性好等优点适应了数字化变电站通信网络性能要求。因此，光纤以太网在数字化变电站中得到了广泛应用。,以太网通信网络,以太网技术,1）虚拟局域网（VLAN）VLAN技术是一种利用现代交换技术将局域网内的设备逻辑地、而不是物理地划分为多个网段的技术。这样，变电站中控制网段和非控制网段可以从逻辑上划分，而不是依赖物理组网方
24、式以及设备的安装位置，从而有效保证了控制网段的安全性。如利用VLAN技术可以将数字化变电站过程层中的采样值与控制命令在逻辑上分开。,对数字化变电站有重要影响的网络技术：,以太网通信网络,2）IEEE 802.1p排队特性实时和非实时数据在同一网络中传输时，容易发生竞争服务资源的情况。IEEE 802.1p排队特性采用带IEEE 802.1Q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。该技术使得数字化变电站工程层总线和变电站总线有可能合并为同一物理网络，过程层数据可以获得高优先级。,对数字化变电站有重要影响的网络技术：,以太网通信网络,3）快速生成树协议IEEE802.
25、1w传统以太网中出现环路时，因为广播产生的数据会引起无限循环而导致阻塞。快速生成树协议算法的收敛过程从1min降低到110s。依靠快速生成树协议可以解决上述阻塞问题，因此，在变电站网络中可以采用多种冗余链路设计，以保证网络的可靠性。,对数字化变电站有重要影响的网络技术：,以太网通信网络,数字化变电站网络,站控层网络：,实现整站个间隔之间的信息传递，以及与后台监控系统的数据交换。网络流量比较大，但实时性要求不高，可以重发的机制来解决可靠性问题。目前，这一网络已经成熟的应用了IEC61850标准，主要是通过将ASCI映射到MMS（制造报文规范）协议实现信息的传输。网络拓扑结构还是采用100M双绞线
26、星型网络，双网络冗余备用,以太网通信网络,智能化变电站网络,1、采样值（SAV）网络；2、跳闸（GOOSE）网络；,实现过程层与间隔层之间的信息传递以及间隔层内装置之间的信息交互，信息非常重要，优先级很高，实时性要求也非常高，一般丢失也不重发。又可分为：,过程层网络：,以太网通信网络,智能化变电站网络,采样值（SAV）网络：,主要负责将过程层电子式互感器的采样数据传送给间隔层的二次设备。目前主要采用点对点的直连方式，网络协议主要是IEC61850-9-1，跨间隔的连接可采用同步性能更好的FT3格式。目前小规模的IEC61850-9-2标准的组网方式，它只是试验阶段，一般用于中低压的单个间隔内，
27、数据流量比较小，对网络要求也相对较低。,以太网通信网络,智能化变电站网络,GOOSE网络,主要负责传输间隔层保护、测控设备向智能开关设备发送的跳闸/合闸命令，以及智能开关设备相间隔层二次设备反馈的开关位置信息及其他相关信息。网络拓扑采用采用高速光纤环网结构。,它是最重要的网络，直接影响了变电站系统的可靠性，引起拒动或误东。因此，对它的网络延时要求在4ms之内。,智能化变电站实施现状,数字化变电站实施现状,国内实施情况：,智能化变电站建设遇到的问题,电子式互感器的校验电压切换和电压并列数字式电度表的实现 保护测试手段的实现,电子式互感器的校验,电子式电流互感器的例行试验中包括：a)端子标志检验（
28、GB/T 20840.8-2007中的9.1）b)一次端的工频耐压试验和局部放电测量（GB 1208-2006中的9.2.1和9.2.2）c)低压器件的工频耐压试验（GB/T 20840.8-2007中的9.3）d)准确度试验（GB/T 20840.8-2007 中的9.4）e)密封性能试验（GB/T 20840.8-2007中的9.5）f)电容量和介质损耗因数测量（GB/T 20840.8-2007中的9.6）g)数字量输出的补充例行试验（GB/T 20840.8-2007中的光纤传输 9.7.1 和铜线传输9.7.2）,电子式互感器数据分析系统,采样值报文分析 电子式互感器稳态、暂态测试合
29、并单元输出性能测试 电子式互感器极性校验,极性试验,电子式互感器对线路差动的影响,常规互感器和电子式互感器两个采样回路路由的延时是不一致的。线路一侧是常规互感器，另一侧是电子式互感器。如果不进行任何处理，相当于两侧采样时刻不一致，必然产生角差，正常运行时有差动电流。,解决方案：,通过调整采样时刻，对两侧的采样路由延时差别进行补偿，保证计算差动电流的两侧电流是同一时刻值。为此增加两个定值：“本侧ECVT路由延时”、“对侧ECVT路由延时”定值。,电压切换和电压并列,智能化变电站建设遇到的问题,数字电度表的实现,智能化变电站建设遇到的问题,数字式电能表首先应获得国家质量技术监督局颁发的制造计量器具
30、许可证，即获得国家有关部门对于新的计量原理的认可；目前部分厂家产品已取得国家质量技术监督局颁发的制造计量器具许可证，国家级认证不存在问题。在得到国家计量部门认可的基础上，数字式电能表还需通过省电力研究院的计量检测，以获得本省的入网许可证。,溯源及检测问题：,保护测试手段的实现,智能化变电站建设遇到的问题,可提供数字信号的新型测试设备（omicron、博电等）,测试方式也要发生改变,电子互感器、合并器数据延时测试方法,智能化变电站给生产运行带来的新问题,一次专业：需更多的了解电子互感器运行检修、一次设备智能单元接口、在线监测设备通信建模等方面的知识；二次专业：保护、自动化、通信专业相互渗透、相互
31、融合，趋于大二次管理模式；智能化变电站对网络的依赖程度空前增加；二次设计、试验人员应从传统的二次回路转变到对网络的理解；调度运行专业：需要对网络的安全性、可靠性进行评估，并对运行状态进行实时的监视；二次系统的网络事故处理成为调度员要面对的新课题；原有调度通信规约需要增加与IEC61850的接口模块；现场运行、试验检修专业：传统的装置功能、性能测试方法已不再适用，需建立新的试验方法和标准，添置新的仪器试验设备；现场检修及新设备接入时，如何从虚拟的网络中切割出明确的分界点，采取明晰的隔离措施；计量专业：如何保证计量精度测试的公正性、可信度，并能够溯源；电能质量：电子式互感器合并器输出的数据是经过处
32、理以后的数字信号，如何保证电能质量测试的准确性、公正性；其他方面：站用电系统、直流系统、消弧线圈等变电站辅助设备均需考虑 IEC61850 规约接口转换的问题；,江苏智能化变电站标准研究内容,数字化变电站技术原则 数字化变电站工程建设标准 数字化变电站设计标准数字化变电站设备（接口）标准数字化变电站运行标准数字化变电站试验检修标准数字化变电站技术监督标准,关键技术研究,数字化变电站过程层组网方式研究；数字化变电站网络安全、可靠性、抗干扰问题研究；数字化变电站设备安全防护等级研究；电子式互感器可靠性问题；采样值数据同步问题研究；数字化变电站设备试验、整站启动方法研究；数字化变电站工程实施规范与统一建模；,谢谢指导！,
