智能变电站关键设备与网络方案(南自).ppt

智能变电站关键设备与网络方案,国电南自电网分公司数字化变电站事业部 郭 乐 副总经理Tel:025-51183266Fax:025-51183263,我的名片,智能变电站的基本概念及发展历程智能变电站关键设备的发展情况智能变电站的网络方案,基本概念,智能变电站的基本概念及发展历程,基本概念,智能电网重要一环变电环节：采集数据、改变状态最分散、最重要的部分采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。,基本概念,数字化从技术实现手段方面定义强调数字方式交换信息智能化从设备功能方面定义强调自检和在线监测自动化（互动化）从用户体验方面定义集成、施工、调试、检修、改扩建强调经济性、可靠性，降低全生命周期成本,技术发展阶段,IEC 61850,电子式互感器,智能一次设备,功能挖掘、整合,2000年,2007年,2009年,201x年,过程层网络,数字化变电站,智能变电站,推动力,变电站设备演变信息化集成化继保：电磁式-晶体管-集成电路-微机保测一体：10kV、35kV-110kV就地化低压保护：集中式-开关柜安装高压保护：继保小室远动：集中式RTU-分层分布式综自外部推动力半导体技术+3C技术节能、环保,电子式互感器好处获得更好的系统性能高电压等级应用更有优势。节约绝缘和材料成本数字化的好处取消长电缆连接，消除事故隐患;使用IEC 61850标准，互操作。一次设备智能化的好处监视设备运行状态，消除事故隐患;提高设备运行寿命，降低全生命周期成本；实现智能操作。,智能变电站关键设备的发展情况,电子式互感器继电保护装置电能表及其认证智能一次设备工具软件通信网络,电子式互感器原理分类,电子式互感器,电子式互感器,Faraday磁光效应（磁光玻璃为传感元件）,电子式互感器,Faraday磁光效应（光纤为感光元件）,电子式互感器,Pockels电光效应,16,1.工装技术2.微小信号检测精度3.环境因素（温度、振动等）的影响4.光学传感材料长期稳定性5.性能价格比短期内达到不了系统应用程度。,电子式互感器,光学原理电子式互感器的问题,电子式互感器,优点：1.测量线圈与主回路直接无直接的电气联系，而仅通过电磁场耦合，因此与主回路之间有良好的电气绝缘，无充油充气带来的易燃易爆危险，符合环保要求；2.无铁芯饱和等问题，测量范围宽，线性度好，准确度高；3.线圈感应电压对频率响应好，暂态特性好；4.低功率的输出易于转化为数字量；5.体积小，质量轻，生产成本低；,电子式互感器,一次电流i,Rogowski线圈结构及原理,电子式互感器,CVT原理图,大容量输出的设计使绝缘结构复杂，体积庞大；当实际负荷低于CVT额定输出的25%时，误差就有可能超出相应准确级的规定值。CVT内部含有电容和非线性电感元件(中间变压器、补偿电抗器)，在一次突然合闸或二次短路消除产生的过电压作用下有可能产生内部分次谐波铁磁谐振现象，危及CVT本身的安全，影响二次测量、保护的正常工作，传统CVT带有中间变压器，且与电压互感器连接的保护继电器入口常有隔离用的铁芯变压器，当线路重合闸时在二次侧感应的电压直流分量可能会导致这些变压器饱和，引起严重的二次侧暂态问题。,电子式互感器,电子式电压互感器原理图,U 2=C1 U 1/(C1+C2)由上式可知,只要选择合适的C1,C2容量,即可 得到所需的分压比。当线路短路或断路的故障出现的时候，储存在分压电容中的能量可以通过并联在低压侧分压电容上的小电阻R快速释放，从而对线路上的电压变化实现快速响应跟踪测量。这种传感器结构模式的特点在于改善了全电容电压分压器的的暂态特性，同时继承了电容分压器原有的优点。低功率小信号的输出使互感器体积大为减小，采用固体绝缘脂和硅橡胶复合套管形成密封实心柱体，消除了传统电容器存在的漏油的问题，具有耐污、防爆、难燃和绝缘可靠、免维护等优点。,电子式互感器,有源式电子式互感器应用现状进入工程化阶段与继电保护装置经过多次动模试验可靠性还需要进一步验证,电子式互感器,电流互感器 电压互感器 电流电压式互感器,电子式互感器,PSMU 602 合并器,电子式互感器,PSMU 602 合并器,互感器资质,2008.06 PSET6220CTDW电子式电流互感器通过型式试验；2008.09 PSET6220CTDW电子式电流互感器通过暂态型式试验；PSET6220CVDW电子式电流电压互感器通过型式试验；2009.01 PSET6110CTDW电子式电流互感器通过型式试验；PSET6110VTDW电子式电压互感器通过型式试验；PSET6110CVDW电子式电流电压互感器通过型式试验；PSET6010CTDH电子式电流互感器通过型式试验；2009.04 PSET6220VTDW电子式电压互感器通过型式试验；PSET6500CTDW电子式电流互感器通过型式试验；PSET6500VTDW电子式电压互感器通过型式试验；目前已形成10kV 500kV各电压等级的电流、电压、组合型电子式互感器系列产品。,PSET6000系列电子式互感器分类,DW系列户外AIS，CT为罗氏线圈+低功率线圈；VT为串级式电容分压器；固体绝缘；SF系列户外AIS，CT为罗氏线圈+低功率线圈；VT为同轴电容分压器；SF6气体绝缘；OW系列户外AIS，CT为全光纤型；VT为串级式电容分压器；固体绝缘；GS系列GIS/PASS用，CT为罗氏线圈+低功率线圈；VT为电磁式/电容分压器；SF6气体绝缘；DH系列户内开关柜用，CT为罗氏线圈+低功率线圈；VT为电磁式/电阻分压器；固体绝缘；,继电保护装置装置直接支持IEC 61850标准过程层通信接口交换采样值、开关量等，光纤取代信号电缆和控制电缆二次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息失灵启动、间隔联闭锁等保护、测控硬件统一，或一体化就地化网络化,继电保护装置,继电保护装置,PS6000+保护、测控设备,继电保护装置,PS6000+保护、测控设备,非常规CT对保护装置的影响互感器特性对保护的影响；由于各通信环节的可靠性问题带来的保护影响；不同保护对采样同步的依赖性区别；IEC 61850检修状态的影响,继电保护装置,互感器特性对保护的影响电子式互感器暂态电流型式试验情况；互感器对一次电流的还原程度；*硬件积分：固有角差、离散度*软件积分：收敛性、去直流特性采样点数+截至频率：抗混叠的问题；,继电保护装置,暂态试验波形,继电保护装置,通信环节的可靠性问题带来的保护影响采集单元与合并单元的通信合并单元与保护装置的通信通信出错、采样丢点应该做到只影响相关保护,继电保护装置,不同保护对同步的依赖性单间隔保护：不依赖同步光纤纵差保护：以太网报文抖动问题主变、母差保护：需要采样值同步失去同步的处理,继电保护装置,光纤纵差保护的问题1.”乒乓“算法照用，采样时钟不等于保护时钟；2.以太网接收中断的抖动问题，影响数据插值*PLL（锁相环）技术解决*国调技术导则对以太网的要求：抖动10微妙3.额定延迟时间，与对端配合,继电保护装置,数字化变电站的检修问题,继电保护装置,计量及其认证,电能表计量精度由互感器决定计量认证问题技术上可行但需要计量管理体系认可目前缺乏数字化的标准源或标准表,计量及其认证,什么是溯源？通过一条具有规定不确定度的连续比较链使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准，通常是与国家测量标准或国际测量标准联系起来的特性,计量及其认证,缺乏权威性,智能一次设备,智能一次设备又名智能化高压设备：由高压设备本体和智能组件组成，具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化特征的高压设备。,智能一次设备,智能一次设备的基本特征测量数字化控制网络化状态可视化功能一体化信息互动化,智能一次设备,智能组件智能组件(intelligent component)：由若干智能电子装置集合组成，承担宿主设备的测量、控制和监测等基本功能，在满足相关标准要求时，智能组件还可承担相关计量、保护等功能。可包括测量、控制、状态监测、计量、保护等全部或部分装置。宿主设备：高压一次设备,智能一次设备,智能一次设备二次厂家率先介入目前处于智能单元阶段一、二次厂家开始合作开发真正的智能一次设备,智能单元给传统断路器或变压器提供数字化变电站接口；在开关端子箱安装智能终端：对刀闸等进行状态采集和控制，就地操作箱功能；在变压器端子箱安装智能终端，实现变压器本体保护和变压器测控功能：采集温度、档位、非电量、中性点地刀等状态，控制风扇和档位对时、录波功能.,智能一次设备,智能一次设备,智能一次设备,PSIU 600 智能单元,智能一次设备,PSIU 600 智能单元,智能一次设备,智能一次设备,智能一次设备,前进中的智能一次设备智能组件：测量、控制、监测；智能汇控柜与一次设备机构箱光纤连接；实现操作机构回路的软件化、逻辑化；减少继电器等硬回路数量、提高响应时间等指标；融合一次设备状态量监测；实现自诊断、自预警甚至自愈合；智能操控保护、计量功能,智能一次设备,智能一次设备,智能一次设备,IEC 61850配置工具装置配置工具系统配置工具,工具软件,IEC 61850配置流程图,工具软件,工具软件,“信息只输入一次”消除冗余信息，防止人为配置错误从系统而不是独立的各产品角度思考数据和模型一体化，自下而上支撑智能电网模型按信息流和工作流进行工具软件的整体规划考虑配置、调试、运行、检修各环节使用者的不同背景和需求将“虚”的软件联系可视化虚端子应用的必要条件检修和控制的安全性保证,智能变电站的网络方案,主要内容,IEC 61850与以太网以太网交换技术数字化变电站组网,以太网,以太网（Ethernet）以太网不是一种具体的网络，是一种技术规范 由Xerox公司创建并由Xerox，Intel和DEC公司联合开发的局域网规范，后来被IEEE作为802.3标准所采纳 典型特征：使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术共享式以太网与交换式以太网,IEC 61850与以太网IEC 61850特点：应用与通信相分离IEC 61850特定通信服务映射IEC 61850-8-1：在8802.3上映射到MMSIEC 61850-9-1：基于串行单方向多路点对点链接的采样值传输 IEC 61850-9-2：基于8802.3上的采样值传输,IEC 61850在以太网协议栈映射,主要内容,IEC 61850与以太网以太网交换技术数字化变电站组网,以太网交换机,采用存储-转发机制 消除冲突Hub采用的CSMA/CD链路访问机制已经过时MAC 地址学习、优先级和VLAN技术可以优化数据流双绞线端口支持自动协商和自动交叉功能即插即用，易于实现可采用RSTP支持各种拓扑结构(总线,星形,环形,网状),IEC 61850交换机的网络管理功能,重要优先级和VLAN(802.1p/Q)GMRP(Generic Multicast Registration Protocol)组播自动配置不重要IGMP(Internet Group Messaging Protocol)Snooping链接聚合(IEEE 802.3ad)三层交换可选网络状态显示,统计,故障分析功能(SNMP)Rapid Spanning Tree(IEEE 802.1w)用于容错环网结构,IEEE 802.1p 优先级,Class of Service(CoS)Quality of Service（Qos）高优先级数据优先通过多个出口数据队列，较高优先级的数据可以先被发送对实时数据（如声音/GOOSE），减少抖动和网络延迟与802.1Q VLAN共享标签字节,组播处理,重要性:过程层通信(GOOSE和采样值)均依赖组播！装置组播过滤方案普通交换机把组播向所有端口转发（当广播处理）以太网卡硬件依靠Hash算法进行过滤很可能误收！（8-1附录B、9-2附录C）用VLAN来划分组播手工划分广播域（繁琐且不便管理）自动组播管理协议IGMP只适用于IP组播，对GOOSE、SMV不适用GMRP二层组播管理协议，唯一可用！,VLAN(802.1Q),Virtual LAN:一个独立的以太网，它与其它网络共用相同的硬件每个VLAN作为一个独立的广播域逻辑分割而非物理分割划分原则：基于端口、MAC地址、IP地址装置和交换机都需要配置IEEE 802.1Q 标准定义了 tagged帧格式,VLAN示意图,69,GMRP GARP Multicast Registration ProtocolGARP的一个具体应用报文格式为802格式两个组播地址：GMRP用地址、用户用地址,二层组播协议,70,要接收某个组数据的设备需发送Declaration组播数据发送者、转发者需Register转发者重新组织发送Declaration长时间无Declaration时会终止组播的发送,组播运作步骤,71,组播数据流,72,共享网络可以直接监视数据帧交换网络无法直接监视数据，必须开启。可以分别监视输入、输出,PORT MIRRORING,73,PORT MIRRORING,74,端口速率限制是后备保护可以限制所有、广播、组播使用时需要计算、估算数据流，避免干扰正常通信,PORT RATE LIMITATION,主要内容,IEC 61850与以太网以太网交换技术数字化变电站组网,通信网络,通信网络：基于可行性、可靠性、重要性等站控间隔层网络功能和综自站相同多套用成熟方案（国外单环网，国内单/双星）过程层网络采样值:点对点组网点对点-组网（未来）GOOSE:组网点对点-组网（未来）交换机VLAN:工程化应用GMRP、1588：尚待验证,环网和星型网对比,交换机环网:利用RSTP协议，交换机之间通过带内管理报文获得网络拓扑信息，决定冗余链路在何处解环。环型网络（国外应用较多）具有一定的冗余特性（对随机性的数据流效果较好）有因为交换机软件bug导致网络风暴的风险,环网和星型网对比（续）,星型网络（国内应用较多）简单、经济、可靠，无冗余链路不会造成广播风暴和变电站的主接线及数据流天然一致冗余需采用双套网络设备，且需设备支持,数字化变电站网络结构 I,数字化变电站网络结构 II,数字化变电站网络结构 III,不包含组网部分,多级星型网通信带宽16个间隔，极限情况为30M站控层GOOSE和MMS共网,GOOSE网络,单网双网之争,装置单网：单网单源 网络随设备双重化简单清晰，双重化系统间无公共耦合装置双网：双网单源 利用网络实现双重化：实现特殊应用需求多一倍网络投资，实际增加了故障点,GOOSE网络,主变网络方案,GOOSE网络,大名、陈甫,浙江兰溪,2005年2008年：以点对点方案为主单间隔采用IEC 61850-9-1或IEC 60044-8 FT3；跨间隔采用IEC 60044-8 FT32009年：出现组网方案唐山郭家屯：9-1浙江大侣、浙江田乐：9-2 LE,采样值网络,采样同步网（PPS、B码）必须在过程层构建独立的采样同步网，增加了设备投资。同时增加了故障发生点，降低了系统的整体可靠性指标；PPS只能做到相对时间同步，不能做到绝对时间的对时，因此合并单元的数据不能被某些需要绝对时间标签的装置使用，比如PMU；与GPS的配合关系。,采样同步网,IEEE 1588 精密对时协议硬件对时精度在ns级别，满足计量需要；与数据网络合一，减少了故障点，增加了系统的可靠性支持绝对时间；光纤纵差保护可以借助硬件1588实现与合并单元的同步软件1588可以实现事件“打时标”的要求。,采样同步网,过程层合网的可能性,采样值、GOOSE、采样同步三网合一将大大提高系统可靠性IEC 60044-8/FT3实际上是采样值和采样同步合网GOOSE和采样值合网带宽上具有可行性(稳定流量和突发性流量配合)降低了成本9-2可采用48点/周波供保护测控，9-1用200点/周波点对点供计量9-2、48点/周波，16回达到80Mbit/s以太网时钟同步与采样网合一IEEE 1588v2，硬件参与，ns级对时，满足计量要求提高了采样数据的可靠性,数字化变电站过程层网络,过程层通信带宽采用GMRP技术；保护数据为80点、计量数据200点；GOOSE考虑极端情况,国电南自的数字化变电站技术,国内主流厂家参与制订电子式互感器、DL/T 860等标准三层数字化产品全部通过了省部级鉴定悠久运行业绩技术发展的每一步留下了自己的足迹具有35kV到500kV变电站全系列解决方案一流实施团队快速响应用户需求的事业部模式,