智能變電站(智能高壓設備和變電站信息平台)

智能變電站是採用先進、可靠、集成和環保的智能設備,以全站信息數字化、通信平台網路化、信息共享標準化為基本要求,自動完成信息採集、測量、控制、保護、計量和檢測等基本功能,同時,具備支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策和協同互動等高級功能的變電站。

變電站簡介

智能變電站主要包括智能高壓設備和變電站統一信息平台兩部分。智能高壓設備主要包括智能變壓器、智能高壓開關設備、電子式互感器等。智能變壓器與控制系統依靠通信光纖相連,可及時掌握變壓器狀態參數和運行數據。當運行方式發生改變時,設備根據系統的電壓、功率情況,決定是否調節分接頭;當設備出現問題時,會發出預警並提供狀態參數等,在一定程度上降低運行管理成本,減少隱患,提高變壓器運行可靠性。智能高壓開關設備是具有較高性能的開關設備和控制設備,配有電子設備、感測器和執行器,具有監測和診斷功能。電子式互感器是指純光纖互感器、磁光玻璃互感器等,可有效克服傳統電磁式互感器的缺點。變電站統一信息平台功能有兩個,一是系統橫向信息共享,主要表現為管理系統中各種上層應用對信息獲得的統一化;二是系統縱向信息的標準化,主要表現為各層對其上層應用支撐的透明化。

智能即為人性化,就是把變電站做成像人在調節一樣,當低壓負荷量增加時變電站送出滿足增加負荷量的電量,當低壓負荷量減小時,變電站送出電量隨之減少,確保節省能源。

發展前景

智能電網建設是根據我國能源分佈與負荷消費地域分佈特點,適應我國當前和未來社會發展所採取的電網發展方式,對各類能源,尤其是大規模風電和太陽能發電的計入和送出適應性強,能夠實現能源資源的大範圍、高效率配置。我國智能電網的建設已經上升至國家戰略層面的高度。智能變電站是堅強智能電網建設中實現能源轉化和控制的核心平台之一,前景依然廣闊。

智能變電站發展前景依然廣闊。根據國家智能電網「十二五」規劃,到2015年,新建智能變電站達5182座左右,其中新建750千伏智能變電站約19座,500千伏智能變電站約182座,330千伏智能變電站約60座,220千伏智能變電站約1198座,110(66)千伏智能變電站約3710座;改造64座500千伏、18座330千伏、320座220千伏、630座110(66)千伏變電站。

預計「十二五」期間,新建智能變電站智能化部分的投資約為537.6億元,變電站智能化改造總投資計為93.8億元。「十二五」期間,智能電網建設計劃總體投資1.6萬億元,按照智能變電環節約20%的份額計算,智能變電環節投資額度將達到3200億元,前景依然廣闊。

光伏發電具有隨機性、間歇性和波動性,這使得其併網容量被限制在一定範圍內,這就在一定程度上限制了光伏發電大規模的應用。智能電網的發展推動了社會各方利用光伏發電的主動性,提高了光伏發電的開發力度和使用效率。

我國對智能電網的探究也一直在進行。目前,國內電網不能滿足光伏發電產業的發展需求,所以我國將建設以「特高壓為核心」的「堅強智能電網」,以解決光伏發電併網問題,促進新能源的利用。

我國的智能電網是以特高壓電網為骨幹網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎,利用先進的通信、信息和控制技術。構建以信息化、自動化、數字化、互動化為特徵的統一堅強智能化電網。

世界各國對智能電網和太陽能等新能源發電都投入大量資金進行研究,這是由於新能源發電依託著智能電網的發展而發展。智能電網其高速、可靠、經濟、安全的電能輸送通道為光伏發電的電能輸送提供了較好的保障,其發展與應用是相輔相成互相促進的。

技術優點

1、智能變電站能實現很好的低碳環保效果

在智能變電站中,傳統的電纜接線不再被工程所應用,取而代之的是光纖電纜,在各類電子設備中大量使用了高集成度且功耗低的電子元件,此外,傳統的充油式互感器也沒有逃脫被淘汰的命運,電子式互感器將其取而代之。不管是各種設備還是接線手段的改善,都有效的減少了能源的消耗和浪費,不但降低了成本,也切實的降低了變電站內部的電磁、輻射等污染對人們和環境形成的傷害,在很大程度上提高了環境的質量,實現了變電站性能的優化,使之對環境保護的能力更加顯著。

2、智能變電站具有良好的交互性

智能變電站的工作特性和負擔的職責,使其必須具有良好的交互性。它負責的電網運行的數據統計工作,就要求他必須具有向電網回饋安全可靠、準確細緻的信息功能。智能變電站在實現信息的採集和分析功能之後,不但可以將這些信息在內部共享,還可以將其和網內更複雜、高級的系統之間進行良好的互動。智能電網的互動性確保了電網的安全、穩定運行。

3、智能變電站可靠性特點

客戶對電能的基本要求之一就是可靠性,智能變電站具有高度的可靠性,在滿足了客戶需求的同時,也實現了電網的高質量運行。因為變電站是一個系統的存在,容易出現牽一髮動全身的現象,所以變電站自身和內部的所有設施都具有高度的可靠性,這樣的特性也就要求變電站需要具有檢測、管理故障的功能,只有具有該功能才可以有效地預防變電站故障的出現,並在故障出現之後能夠快速的對其進行處理,使變電站中的工作狀況始終保持在最佳狀態。

發展方向

智能電網作為未來電網的發展方向,滲透到發電、輸電、變電、配電、用電、調度、通信信息各個環節。在上述這些環節中,智能變電站無疑是最核心的一環。

智能變電站由數字化變電站演變而來,經過4年的發展,技術已經日臻完善。相比較其它環節,智能變電站已經達到了可以大規模進行推廣的條件。智能變電站主要由設備層、系統層組成,與傳統變電站最大差別體現在三個方面:一次設備智能化、設備檢修狀態化,以及二次設備網路化。

2011年以後所有新建變電站全面按照智能變電站技術標準建設,並且重點對樞紐及中心變電站進行智能化改造。根據國網的規劃未來我國智能變電站將迎來爆髮式增長:第一階段新建智能變電站46座,在運變電站智能化改造28座;第二階段新建智能變電站8000座,在運變電站智能化改造50座,特高壓交流變電站改造48座;第三階段新建智能變電站7700座,在運變電站智能化改造44座,特高壓交流變電站改造60座。

2015年9月,國家電網公司50個新一代智能變電站擴大示範工程首個建成的項目—江西省首座新一代智能變電站——110千伏贛縣雙龍變電站於9月29日11時16分投產送電。標誌著中國新一代智能變電站的正式運營開始。

按照國家電網「十二五」智能電網建設規劃,在「十二五」前期,新建智能變電站進度保持較快增速,在後期,智能變電站改造佔比將逐步提升。截至到2013年第六批招標,智能變電站招標量已經達到約3600座,招標量與規劃預期基本相符,但是近幾批智能變電站招標比例較前期有所下降,主要原因是:前期國家電網推進的智能變電站運行效果為達到預期;智能變電站製造成本降低速度較慢,造價依然較高;國家電網正在積極推進第二代智能變電站試點新項目,預計會放緩現有智能變電站建設進度以及降低智能變電站招標比例。隨著新一代智能變電站試點項目逐步投入運營,智能變電站招標比例將繼續提升,建設進度將不斷加快。

術語

1、術語和定義 GB/T 2900.15、GB/T 2900.50、GB/T 2900.57、DL/T 860.1和DL/T 860.2中確立的以及下列術語和定義適用於本導則。

1.1智能變電站 smart substation

採用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備,以全站信息數字化、通信平台網路化、信息共享標準化為基本要求,自動完成信息採集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能,並可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能,實現與相鄰變電站、電網調度等互動的變電站。

1.2智能組件 intelligent combination

對一次設備進行測量、控制、保護、計量、檢測等一個或多個二次設備的集合。

1.3測量單元 measurement unit

實現對一次設備各類信息採集功能的元件,是智能組件的組成部分。

1.4控制單元control unit

接收、執行指令,反饋執行信息,實現對一次設備控制功能的元件,是智能組件的組成部分。

1.5保護單元 protection unit

實現對一次設備保護功能的元件,是智能組件的組成部分。

1.6 計量單元 metering unit

實現電能量計量功能的元件,是智能組件的組成部分。

1.7狀態監測單元 detecting unit

實現對一次設備狀態監測功能的元件,是智能組件的組成部分。

1.8智能設備 intelligent equipment

一次設備與其智能組件的有機結合體,兩者共同組成一台(套)完整的智能設備。

1.9全景數據 panoramic data

反映變電站電力系統運行的穩態、暫態、動態數據以及變電站設備運行狀態、圖像等的數據的集合。

1.10順序控制 sequence control

發出整批指令,由系統根據設備狀態信息變化情況判斷每步操作是否到位,確認到位后自動執行下一指令,直至執行完所有指令。

1.11站域控制substation area control

通過對變電站內信息的分佈協同利用或集中處理判斷,實現站內自動控制功能的裝置或系統。

1.12站域保護substation area protection

一種基於變電站統一採集的實時信息,以集中分析或分佈協同方式判定故障,自動調整動作決策的繼電保護。

新一代智能變電站

新一代智能變電站採用了隔離式斷路器等新型一次設備,優化主接線設計和總平面布局,節省佔地面積;採用智能電力變壓器等一次設備,近期集成了狀態檢測感測器和智能組件,遠期可進一步集成電子互感器,一次設備的智能化水平大幅提升。

採用穩定可靠的電子互感器技術,解決了電子互感器的長期運行穩定可靠性不足以及抗干擾能力較差等問題,提高電子互感器的應用成熟度,實現電壓、電流採樣的源端數字化,提升智能變電站數字化水平,保障電網可靠運行。

採用就地化裝置,解決環境、電磁干擾等對保護裝置的影響,減少了數據傳輸環節,提高就地裝置的運行可靠性;採用合併單元智能終端一體化裝置、整合型測控裝置,簡化了二次電纜布線,全站集成化水平大幅提升。層次化保護控制系統應用取得突破,實現站域後備保護和站域智能控制策略,突破了間隔化保護控制的局限性,拓展了變電站的智能化應用。

構建一體化監控系統,深化信息綜合分析、智能告警、一鍵式順控等高級應用功能,解決目前存在的系統功能分散、集成度低、維護工作量大等問題,提升變電站監控系統的集成化和智能化水平。

採用數據通信網關機,提供面向主站的實時數據服務和遠程數據瀏覽,滿足主廠站信息交互的「告警直傳、遠程瀏覽、數據優化、認證安全」的新要求,支撐調控一體化的業務需求。

採用基於虛擬裝置、數字化工具的一體化監控集成調試環境,大大簡化調試工作量,縮短變電站建設調試周期。採用全站運行狀態監測和遠程可視化技術,通過數字化工具簡化變電站日常運行和維護工作量,提高智能變電站運維的便利性。

總體上,新一代智能變電站採用集成化智能設備和一體化業務系統,採用一體化設計、一體化供貨、一體化調試模式,實現「佔地少、造價省、可靠性高」的目標,打造「系統高度集成、結構布局合理、裝備先進適用、經濟節能環保、支撐調控一體」新一代智能變電站。

技術特點

體系結構

智能變電站系統分為3層:過程層、間隔層、站控層。過程層包含由一次設備和智能組件構成的智能設備、合併單元和智能終端,完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護、計量、狀態監測等相關功能。根據國網相關導則、規範的要求,保護應直接採樣,對於單間隔的保護應直接跳閘,涉及多間隔的保護(母線保護)宜直接跳閘。

智能組件是靈活配置的物理設備,可包含測量單元、控制單元、保護單元、計量單元、狀態監測單元中的一個或幾個。

間隔層設備一般指繼電保護裝置、測控裝置、故障錄波等二次設備,實現使用一個間隔的數據並且作用於該間隔一次設備的功能,即與各種遠方輸入/輸出、智能感測器和控制器通信。

站控層包含自動化系統、站域控制系統、通信系統、對時系統等子系統,實現面向全站或一個以上~次設備的測量和控制功能,完成數據採集和監視控制(SCA—DA)、操作閉鎖以及同步相量採集、電能量採集、保護信息管理等相關功能。

站控層功能應高度集成,可在一台計算機或嵌入式裝置實現,也可分佈在多台計算機或嵌入式裝置中。

智能一次設備

高壓設備是電網的基本單元,高壓設備智能化(或稱智能設備)是智能電網的重要組成部分,也是區別傳統電網的主要標誌之一。利用感測器對關鍵設備的運行狀況進行實時監控、進而實現電網設備可觀測、可控制和自動化是智能設備的核心任務和目標。《高壓開關設備智能化技術條件》、《油浸式電力變壓器智能化技術條件》對~次設備智能化做了相關規定。在滿足相關標準要求的情況下,可進行功能一體化設計,包括以下三個方面:① 將感測器或/,u執行器與高壓設備或其部件進行一體化設計,以達到特定的監測或/,u控制目的;② 將互感器與變壓器、斷路器等高壓設備進行一體化設計,以減少變電站佔地面積;③ 在智能組件中,將相關測量、控制、計量、監測、保護進行一體化融合設計,實現一、二次設備的融合。

智能設備與順序控制

實現智能化的高壓設備操作宜採用順序控制,滿足無人值班及區域監控中心站管理模式的要求;可接收執行監控中心、調度中心和當地後台系統發出的控制指令,經安全校核正確后自動完成符合相關運行方式變化要求的設備控制,即應能自動生成不同的主接線和不同的運行方式下的典型操作票;自動投退保護軟壓板;當設備出現緊急缺陷時,具備急停功能。

建設原則

1、充分體現數字化設計理念

1.1一次設備智能化和二次設備網路化。

1.2使變電站的整體設計、建設、運行成本降低。

2、一次設備智能化主要體現在電子式互感器和智能斷路器的應用。

2.1有效地減少變電站佔地面積和電磁式CT飽和問題。

2.2應用合併器解決數據採集設備重複投資問題。

2.3利用網路替代二次電纜,有效解決二次電纜交直流串擾問題,並簡化了施工。

2.4敞開式斷路器:滅弧能量I2t監測、隔離刀閘測溫、在線五防聯鎖。

2.5主變狀態監測

3、二次設備網路化主要體現在系統結構的三層兩網。

3.1站控層、間隔層、過程層。

3.2站控層和間隔層以基於IEC61850標準的互聯互操作為重心,實現數據共享。

3.3過程層以可靠性和穩定性為首要設計原則。

4、高級應用:集約化、網路化、智能化的自動化功能。

4.1保護測控集成優化。

4.2在線式一體化五防。

4.3程序化控制與系統聯鎖。

4.4設備狀態監測及檢修

4.5事故異常專家分析系統

4.6智能檢測及控制(物聯網)

4.7無人巡視支撐平台

技術原則

1、智能變電站智能設備

1.1具有信息數字化、功能集成化、結構緊湊化、狀態可視化等主要技術特徵。

1.2符合易擴展、易升級、易改造、易維護的工業化應用要求。

2、智能變電站的設計及建設。

2.1應按照DL/T 1092三道防線要求。

2.2滿足 DL/T 755三級安全穩定標準。

2.3滿足GB/T 14285繼電保護選擇性速動性、靈敏性、可靠性的要求。

3、智能變電站的測量、控制、保護等裝置應滿足GB/T 14285、DL/T 769、DL/T 478、GB/T 13729的相關要求,後台監控功能應參考DL/T 5149的相關要求。

4、智能變電站的通信網路與系統應符合DL/T 860標準。

重點技術

1、智能變電站中分散式電源的引用

智能變電站將分散式電源引入進來,能夠增強智能電網的安全靈活性,在運行效率上也有顯著的提升,此外,在配電系統中也改變了單項潮流網路的存在,使其從單向電源輻射的網路轉變成為一個多源型的網路。原來的變電站內的保護措施和保護行為的出現都是針對單項潮流網路的,現在單項潮流網路轉變為多元型網路將會使以前的保護行為和保護措施變得不再安全可靠。根據這種轉變,接入分散式電源后對智能變電站繼電保護的作用提出更大的挑戰。

2、智能變電站中硬體的集成技術

隨著智能電網的不斷發展和進步,電網硬體系統中開始有了描述語言的硬體,描述語言的硬體的出現使智能變電站在設計應用上有了集成、自動以及模型化的特點。以上特點使得硬體系統中出現了功能全面的模塊化的規劃,能夠將一些不同的邏輯問題固化到智能變電站內部的設備上,由軟體的控制到達硬體的應用。從而確保了設計應用的準確、可靠,同時也解決了信息傳送中的關鍵問題。

3、智能變電站中軟體的構件技術

智能變電中的軟體技術和硬體技術相輔相成,兩者形成完美的協作。軟體系統是保證智能變電站正常運行的靈魂和鑰匙,其不但能夠實現信息控制和監控功能,還可以將相量測量單元(PMU)、錄波等功能進行集成,這就完成了變電站內部的區域疾控、在線狀態監督、遠程操作等高級功能。對於保證日益龐大和複雜的電力系統安全穩定運行,提高自動化程度具有深遠意義。

生存優勢

智能變電站是智能電網的重要內容,變電領域的發展重點是智能變電站,智能變電站對智能電網的建設將起到先驅作用。

智能變電站的主要優勢:

(1)光纖代替電纜,設計安裝調試都變得簡單

(2)模擬量輸入迴路和開關量輸入輸出迴路都被通信網路所取代,二次設備硬體系統大為簡化

(3)統一的信息模型,避免了規約轉換,信息可以充分共享

(4)可觀測性和可控性增強,產生新型應用:如狀態監測、站域保護控制

主要體現在以下幾個方面:引進了電子式互感器、合併單元智能終端、交換機等新裝置;採用了IEC 61850標準、IEEE1588新標;其中繼電保護系統、通信網路結新體系結;同時研發了一些新功能。

而智能變電站本質優點主要體現在:過程設備數字化,主要為電子式互感器/合併單、智能終;信息傳輸的網路化,主要為IEC 61850標及網路通信技術。

變電設備智能狀態監測技術還處於發展起步階段,根據其現狀及特點,有以下建議:

(1)將成熟的監測技術引入電網一次設備,提高智能一次設備的監測有效性和準確性。智能一次設備已成為明確的發展方向,只有進一步提高智能一次設備實用性,才能保證其良性發展。

(2)促進智能一次設備狀態監測技術與傳統二次技術的融合,真正實現測、計、控、檢、保五大功能與一體,其信息共享暢通、功能融合良好、運行操作可靠。

(3)進一步開發智能一次設備的綜合分析系統,實現狀態評價、壽命預估、故障診斷的高級應用功能。使得智能組件的設備狀態綜合評價結果與專業技術人員的評價結果基本一致,智能化水平明顯提升。

(4)加強智能設備入網的檢測、檢定工作。智能設備尚處於發展階段,產品不成熟,只有建立健全入網檢測、檢定工作,將該工作體系化、常態化、標準化、專業化,才能保證產品質量,切實提高一次設備智能化水平。