电力系统运行与控制结课论文智能化变电站理论基础Word格式.docx
《电力系统运行与控制结课论文智能化变电站理论基础Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力系统运行与控制结课论文智能化变电站理论基础Word格式.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
为此，开发了基于各种新原理的电子式电压互感器。
其中，最容易实现并投产的是基于电容分压器原理的电容分压型电子式电压互感器（ECVT），它结合了光纤和电容式电压互感器的优点，解决了电力系统中绝缘和抗电磁干扰的难题，且工艺简单，易于实用化生产。
图2电容分压器原理图
电子式电压互感器采用了先进的光纤技术,实现了高低电压之间真正的电隔离,巧妙地解决了高压传输系统中传输与隔离的矛盾。
其基本设计思想是:
采用光纤传输被测信号,使互感器一、二次侧之间只有光的联系而无电的联系;
采用成熟的电容分压技术而去掉铁芯单元,降低故障率;
采用信息融合技术等进行软件补偿处理,提高了系统的精度和稳定性。
系统可分为三大部分:
电容分压器、室外电子单元、室内主控装置,采用电容分压器获取信号,通过电容器串并联组合将电网高电压进行分压,降至100V以下,以便于高压侧电子单元对其进行前端处理采样,最后再通过电/光转换耦合进光纤。
采用光纤实现高压侧与低压侧的隔离,并将被测信号传输到低压侧主控室,经过光电转换恢复出被传数据,从而进行软件方面的补偿处理。
电容分压器和高压侧电子单元都工作在室外,受温度影响较大,所以系统同时把温度信号通过光纤传到主控室,将电压信号和温度值进行融合处理,以补偿温度对系统的影响,提高系统的测量准确度和稳定性。
同时系统留有两种信号接口,既可以将数字量直接送到微机保护系统,也可对模拟式继保装置进行控制,便捷快速地与继电保护系统融为一体。
2.智能变电站
智能变电站，分为过程层（设备层）、间隔层、站控层。
过程层（设备层）包含由一次设备和智能组件构成的智能设备、合并单元和智能终端，完成变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监测等相关功能。
间隔层设备一般指继电保护装置、测控装置等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、智能传感器和控制器通信。
站控层包含自动化系统、站域控制、通信系统、对时系统等子系统，实现面向全站或一个以上一次设备的测量和控制的功能，完成数据采集和监视控制（SCADA）、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。
智能化变电站是西北智能电网建设的重要组成部分，是变电站自动化发展的一个重要里程碑，对建立更加稳定、安全、高效的电网系统具有重要意义。
智能化变电站将采用低功率、紧凑型的新型电流电压互感器代替常规的CT和PT，采用智能断路器和智能电子装置等先进技术，利用高速光纤以太网构成变电站数据采集及传输系统，实现基于IEC61850标准的统一信息建模，达到智能设备间信息共享和互操作的变电站。
在变电站高压设备装设在线监测系统，就能够做到对已经发生、正在发生或可能发生的故障进行分析、判断和预报，明确故障的性质、类型、程度、原因，指出故障发生和发展的趋势及后果，提出控制故障发展和消除故障的有效对策，将设备检修策略从常规变电站设备的“定期检修”变成“状态检修”，避免被监测设备事故发生，保证设备安全、可靠、正常运行。
2.1变电站在线监测系统分类
1）变压器在线监测。
变压器在线监测技术主要包括油中溶解气体分析、局部放电、铁芯接地电流、套管绝缘、绕组变形、变压器振动频谱等状态量的在线监测。
2）电容型设备在线监测。
电容型设备在线监测技术主要包括对电流互感器、套管、耦合电容器和电容式电压互感器等实现绝缘的在线监测。
3）ZnO避雷器监测。
ZnO避雷器的监测主要包括对泄漏电流和动作次数进行在线监测。
4）断路器在线监测。
断路器在线监测主要包括SF6气体密度及微水监测、局部放电监测和断路器动作特性监测。
5）GIS设备在线监测。
GIS的封闭性结构加大了运行维护的难度，其故障隐患更难发现，可能造成的损失会更大。
对GIS实行在线监测就显得尤为重要。
目前GIS设备在线监测主要包括SF6气体状态监测、局部放电监测和断路器动作特性监测。
2.2离线监测
通过生产线和设备以外的各类检测仪表，对生产及设备状况进行必要的人工抽查检测称离线监测。
与在线监测对应。
2.3带电检测
介损带电检测系统检测设备的接线图见图3。
图中，
为被测设备，
为被测设备的标准设备。
被测信号为设备接地线中的泄漏电流，用特制的小电流传感器获取，测试仪为智能化电桥。
传感器用坡莫合金作导磁材料，罗哥夫斯基二次线圈采用复式绕法，用金属屏蔽法和铁芯短路法防止电磁干扰的影响。
实测传感器比差
角差
。
设备原接地线方式不变穿过传感器铁芯入地即可
图3检测系统接线图
2.4状态检修
2.4.1定义
以反映输变电设备健康状况的状态量指标为依据，以在线监测、离线检测、运行巡视为手段，以状态检修导则和规程为指导，通过对状态信息的监测与状态评估专家系统的诊断，评价设备当前健康状况，预测未来发展趋势。
对状态劣化和趋势不良的设备及时发布状态预警消息，并进行有效的故障模式和原因分析，给出检修决策建议，通过人工决策，动态调整检修周期和检修项目，逐步优化检修策略和维修管理模式，使输变电设备得到最佳维修与保养。
2.4.2状态检修技术
状态检修是根据先进的状态监测和分析诊断技术提供的设备状态信息，基于设备在需要维修之前存在一个使用寿命这一特点，来判断设备的异常，预测设备的故障，根据设备的健康状态来适时安排检修计划，实施设备不定期检修及确定检修项目。
状态检修能有效地克服定期检修造成设备过修或失修的问题，提高设备的安全性和可用性。
状态检修是一个系统的工程，其核心部分主要有变电设备的状态检测、设备的故障诊断以及设备的状态预测等。
（1）对于GIS组合电器、SF6开关设备，除了进行一些必要的简单维护外，一般不进行停电维修。
对于普通油断路器，出现缺陷和问题最多的是开关的操作机构部分：
如机构渗油、机构卡涩等。
（2）对于变压器检修，可以通过对变压器铁芯接地电流的在线监测，来判断变压器铁芯是否有多点接地故障，通过对变压器油气监视仪的在线监测，来进行油气分析。
（3）对于避雷器，能根据监测泄漏电流是否有大的突变，综合分析诊断是否有内部故障。
值班员每天进行巡视检查，及时发现多起避雷器异常的紧急缺陷，及时停电检修，避免造成更多的事故。
（4）对于设备的发热，除了变电站用点测温仪测温外，我们运行所的巡检班还定期用红外热像到各站进行测温，综合分析诊断缺陷，提出检修方案。
2.5智能变电站智能一次设备框架设计
2.5.1结构设计
根据智能变电站的理念和要求，设计智能一次设备的总体结构如图4所示。
智能一次设备主要由电气部分和信息部分组成，电气部分包括一次设备本体及其操作机构、互感器和传感器，信息部分为智能组件及其内部所配置的智能单元。
一次设备本体和常规一次设备功能作用相同；
互感器和传感器加装在一次设备上采集一次设备的状态和特征信息；
智能组件是智能单元的接入平台，为智能单元提供信息处理、通信和执行等基础性服务；
智能单元是具体智能化技术的应用终端，具有计算处理、分析和决策能力。
图4智能一次设备的结构设计图
2.5.2工作原理
智能组件具备标准化的内部接口及结构，以统一的硬件和软件系统为各智能单元提供工作平台和通信平台，而具体计算分析工作则分别由各智能单元负责。
根据类型和要求的不同，各智能一次设备的智能组件可选取不同的智能单元进行组合配置，且具备实现智能单元的即插即用。
由此，不同的智能单元实现不同的智能技术，根据设备要求可灵活组合接入到智能组件，图5为几种常见智能单元在智能组件的配置。
图5智能组件配置图
智能组件及智能单元是智能化实现的核心部件，工作原理如图6所示。
图6运行流程图
下面介绍智能组件及智能单元实现过程。
a.信息采集与处理过程：
设备状态信息和开关量信息、上层命令信息、专项接口信息以及电气量信息分别通过各自接口传输给智能组件。
信息经过智能组件的统一处理供不同智能单元分析。
b.分析过程：
智能组件完成信息处理后，智能单元根据各自需要提取不同数据信息进行相应的计算分析得出分析处理结果，从而实现各种智能化功能。
通过采用多智能体技术，智能单元之间还能够相互协作，协同实现整体目标。
c.决策过程：
智能组件根据智能单元的分析处理结果进行动作操作和信息发布工作。
操作命令通过控制接口直接控制一次设备本体的动作。
而操作指令与结果、故障信息、测量数据和设备状态等相关信息将通过网络接口或专项接口提供给站控层主机以及其他智能一次设备。
如上所述，信息部分承载着智能一次设备的智能化工作原理的实现。
其中，智能组件对检测数据进行数据处理，同时还负责设备和外界的数据通信和配合，而智能单元通过分析自行得出对应决策并进行相应的操作功能。
2.5.3智能组件结构设计
智能组件的结构设计如图7所示，对应工作原理的3个过程，可分为输入部分、分析处理部分和输出部分。
智能单元工作在分析处理部分，根据不同的配置有所不同。
而各智能一次设备的输入部分和输出部分则大体相同。
输入部分统一完成对互感器接口和状态接口数据的信号处理和变换，使之具有统一的数据格式。
信号处理模块主要由硬件滤波器和变换器构成，信号变换主要由采样保持、多路转换器和A／D构成。
经输入部分处理后数据将通过可靠的光电隔离输入到第1级系统总线。
另外，同步模块将为互感器的信号处理提供标准时间，并将秒脉冲信号（PPS）倍频后用于触发A／D进行转换。
分析处理部分采用双网络化的模块结构，智能单元插件自带总线接口电路，由第1级总线获得输入数据，经各自的分析将结果发布在第2级总线上，单元间的协同通信也在第2级总线上进行。
同步模块也将发布PPS及时间到第2级系统总线供智能单元应用。
由于各智能单元与外界以及其相互的连接纽带为网络，因此，每个智能单元仅相当于网络中的一个节点，可以很方便地实现模块的增加或减少以及升级替换等。
图7智能组件的结构设计图
2.5.4智能单元设计
一般而言，变电站一次设备需要配置的智能单元主要有5项，如图2所示，下面进行简要说明。
a继电保护与录波：
根据互感器数据进行继电保护计算、故障选相和测距、继电保护自调整（自整定／保护方式切换选择等）以及录波。
根据计算结果做出相应的动作命令（跳闸、调节、录波等）。
随后向上级网络发布故障报告。
跳合闸指令采用GOOSE报文的形式发布
，包含测距和录波的故障报告在完成后采用压缩上传的方式减轻网络传输压力。
此外，状态监测单元将提供设备诊断信息用于继电保护自调整，使继电保护单元在设备运行状态不稳定期间，选用灵敏度高的保护类型同时调整定值提高保护的灵敏度。
b.状态监测：
提取一次设备绝缘状态、运行状态、机械状态、电气状态等各种特征状态量信息后，分析得出诊断结果判断设备当前所属状态，随后根据当前状态进行相应的操作（停运检修，调整运行方式等）和信息发布，并上传特征数据至站控层的状态监测主机。
C.设备记录：
存储含设备型号、参数、历史故障、历史操作、检修历史、使用寿命等信息。
范围应涵盖设备的出厂属性、运行记录、全站拓扑以及智能组件中其他单元的发布信息。
记录信息可受上层指令调用、补充和修改，同时也是其他智能单元在工作中的参考信息。
d.测量计量：
测量和计量功能集成在一个单元，根据互感器和传感器的采样数据进行实时电气量和开关量的测量、电能的计量、有功／无功潮流计算等，随后根据时间间隔或命令直接发布测量和计量结果，同时能根据上层控制实现实时遥测和遥信。
e.智能操作：
单元将接收监测单元和保护单元提供的动作命令，以及上层的控制命令。
通过检测和判断操作命令在当前状态的正确性和可行性后，根据现场实际运行状态，控制和保护对象及任务的不同进行操作策略规划，进而开始相应操作。
操作过程中将配合其他相关设备进行顺序操作，并实现防误闭锁。
能够自我发现并识别操作错误和操作失败，发布报警信号。
能根据现场实际运行状态，控制和保护对象及任务的不同实现自适应操作。
此外，断路器失灵保护可在本单元实现，若出现断路器失灵，立即发送命令使关联断路器跳闸。
2.6合并单元
合并单元（MergingUnit）用于二次设备之间的信息交换，主要用于连接数字化输出的电子式互感器与保护、测控及表计。
随着数字化变电站的建设，合并单元的含义也有所扩展。
在进行传统变电站数字化改造的过程中，由于一次侧的常规互感器运行年限未到，在改造时为了节省成本不更换为电子式互感器，所以出现了不接收数字量而是直接采集常规模拟量的合并单元。
再如1个线路间隔的合并单元即采集常规的三相电流电压信号同时又接收电子式互感器的母线电压信号。
2.7智能终端
智能终端作为过程层中的重要设备，实现了对断路器间隔的完全控制（断路器间隔包括断路器、接地刀闸和隔离刀闸）。
由于IEC61850-8-1标准中的GOOSE也是通过组网方式来进行传输，不可避免地对交换机也产生了较大的依赖，虽然可以通过双网的模式降低交换机带来的风险程度，但不能从根本上解决问题。
在《智能变电站继电保护技术规范》中，同样对GOOSE提出了点对点的运行模式。
明确指出继电保护设备与本间隔智能终端之间通信应采用GOOSE点对点通信方式；
继电保护之间的联闭锁信息、失灵启动等信息宜采用GOOSE网络传输方式。
点对点的GOOSE应用模式同样也解决了可靠性和数据共享两方面的问题。
智能终端的GOOSE应用较传统操作箱在安全性方面得到较大幅度提高。
一方面，由于采用光纤进行信号传输，所以抗电磁干扰性能有较大提升；
另外一方面，由于采用了数字信号通信的逻辑连接方式，可以实现在线物理连接断链检测，实现了在线智能告警。
2.8过程层设备
智能变电站过程层设备在一定程度上与数字化变电站相同，主要涉及电子式电压互感器（EVT）、电子式电流电压互感器（ECVT）、合并单元、智能操作箱（智能开关）等典型设备。
2.9GOOSE网
GOOSE服务是以高速P2P（peer－to－peer）通信为基础，代替了传统的智能电子设备（IED）之间的硬电缆接线通信方式，为逻辑节点间的通信提供了快速且高效可靠的方法。
GOOSE实现了真正的P2P通信，任一个IED与其它IED通过以太网相连，即可作为订阅端接收数据，也可作为发布端为其它IED提供数据。
P2P体系结构消除了主/从方式和非网络化的串行连接方案存在的缺陷，网络化降低了设备的维护成本。
在智能变电建设中，GOOSE网作为间隔层之间及间隔层与过程层之间通信桥梁，其主要功能包括：
传递遥信信息、间隔闭锁信息、保护跳闸及遥控操作信息。
因此要求GOOSE网络报文传输具有相当的实时性和可靠性。
IEC61850定义了非常严格的时间指标来保证其性能，同时GOOSE消息还包含了数据有效性检查和消息的丢失、检查、重发，以确保接收IED消息并执行预期的操作。
2.10MMS网
制造报文规范（MMS）是ISO-9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议，目的是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备（IED）、智能控制设备的通信行为，使来自不同制造商的设备之间具有互操作性．使系统集成变得简单、方便。
IEC61850-7为变电站应用领域定义了抽象的信息模型和服务模型。
SCSM将抽象的通信服务、对象及相关参数映射到特定的应用层协议。
IEC61850-7-2中定义的所有抽象通信服务除了通用面向对象变电站事件（GOOSE）和采样值传输外均映射到应用层协议MMS。
在向MMS的映射中，IEC61850的信息模型和各种控制块分别映射到MMs的虚拟制造设备（VMD）、域（Domain）、有名变量、有名变量列表、日志和文件管理（FileManagement）模型，服务则对应的映射到MMS类的服务。
ACSI到MMS的映射关系如图8所示。
图8IEC61850映射到MMS
2.11VLAN
虚拟局域网VLAN技术充分体现了现代网络技术的重要特征：
高速、灵活、管理简便和扩展容易。
是否具有VLAN功能是衡量局域网交换机的一项重要指标，网络的虚拟化也是未来网络发展的潮流。
VLAN技术是通过将局域网内的设备逻辑地划分成不同网段，从而实现组建虚拟工作组的技术，达到减少碰撞和广播风暴、增强网络安全性，并为802.1p协议的实现奠定了技术基础，提供了实现手段。
交换机在网络中占据着绝对的位置，所以从某种意义上来说，交换机的性能与成本决定了网络的性能与成本。
目前10／100M自适应网络交换机是市场的主流，1000M网络交换机由于成本原因没有得到大面积推广。
智能化变电站过程层网络信息数据总量十分可观，但大部份信息数据不需要横向流通，在过程层网络中采用VLAN组网技术，为l00M以太网交换机在智能化变电站组网中的应用奠定了理论基础，既降低了组网成本，又满足了网络安全、可靠性。
2.12、虚端子
GOOSE“虚端子”设计方法的应用研究，首先突破了现有的设计理念，创造性地提出保护装置GOOSE“虚端子”的概念。
GOOSE虚端子是一种虚拟端子，反映保护装置的GOOSE开入开出信号，是网络上传递的GOOSE变量的起点或终点。
GOOSE虚端子分为开入虚端子和开出虚端子两大类，其组成包括虚端子号、中文名称以及内部数据属性。
保护装置的开入逻辑1-i分别定义为开入虚端子INl～INi，开出逻辑l-j分别定义为开出虚端子OUTl～OUTj。
中文名称即该GOOSE信号的含义标注。
内部数据属性按IED应用模型体现，格式统一为LD／LN．DO．DA，如某装置的开入虚端子INl的中文名称为断路器跳闸位置A相，其内部数据属性为GOLD／GOINGGl01．DPCS01．stVal。
保护装置的虚端子设计需要结合变电站的主接线形式，应能完整体现与其他装置联系的全部信息，并留适量的备用虚端子。
2.13、SCL
SCL基于可扩展标记语言XML（ExtensibleMarkupLanguage）1.0版，通过XMLSchema规定了SCL文件的具体语法结构。
IEC61850标准使用了8个Schema文件，分别为根文件SCL．xsd，变电站相关语法定义文件SCL_Substation．xsd，通信相关语法定义文件SCL_Communication．xsd，lED相关语法定义文件SCL_lED．xsd，数据类型模板语法定义文件SCL_DataTypeTemplats．xsd，基本复杂类型定义文件SCL_BaseTypes．xsd，基本简单类型定义文件SCLBaseSimpleTypes．xsd，枚举类型定义文件SCL_Enums．xsd。
这儿个Schema文件，确保了SCL配置文件的规范性和一致性。
从系统建模的角度看，SCL描述了三种基本对象模型，即变电站模型、IED模型、通信模型。
变电站模型和lED模型是层次结构模型，通信模型是非层次结构模型。
从SCL文件结构的角度看，SCL文件包含一个SCL根元素，根元素由五个部分组成，分别为头部分（Head）、变电站部分（Substation）、智能电子设备部分（1ED）、通信系统部分（Communication）、数据类型模板部分（DataTypeTemplates），每一部分都有详细严格的定义。
头部分描述了SCL文件的版本、修订号、名称影射等信息，变电站部分描述了变电站的功能结构、一次设备及拓扑关系，智能电子设备部分描述了IED的配置信息，包括访问点、逻辑装置、逻辑节点实例、数据集、数据实例及提供通信服务的能力，通信系统部分描述了逻辑节点之间通过逻辑总线和IED访问点的连接关系，数据类型模板部分描述了逻辑节点类型、数据对象类型、数据属性类型及枚举类型。
升级会员 