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1、智能变电站相关技术介绍,2010年5月 武汉,主要内容,电子式互感器/合并单元,2,智能终端,3,智能变电站的优势,1,IEC 61850标准,4,时钟同步,5,1 智能变电站的优势,智能变电站是智能电网的重要内容,智能变电站对智能电网的建设将起到先驱作用,变电领域的发展重点是智能变电站,1 智能变电站的优势,变电站综合自动化,智能变电站,光纤代替电缆，设计安装调试都变得简单模拟量输入回路和开关量输入输出回路都被通信网络所取代，二次设备硬件系统大为简化统一的信息模型，避免了规约转换，信息可以充分共享可观测性和可控性增强，产生新型应用：如状态监测、站域保护控制,1 智能变电站的优势,1 智能变电
2、站的优势,交流输入模件,变换,微计算机,开入开出模件,人机对话模件,端子箱,继电保护,电缆,电缆,1 智能变电站的优势,交流输入模件,变换,微计算机,智能终端,人机对话模件,合并单元,高速以太网通信,一次设备的数字化改变了继电保护设备的结构,继电保护,1 智能变电站的优势,3）新体系结构,合并单元,智能终端,SV,GOOSE,1）新装置、新设备,电子式互感器、合并单元智能终端、交换机等,2）新标准,继电保护系统、通信网络结构,IEC 61850标准、IEEE 1588,监控主机,MMS,4）新功能与新应用,智能变电站的本质特征,过程设备的数字化,信息传输的网络化,电子式互感器/合并单元,智能终
3、端,IEC 61850标准,网络通信技术,1 智能变电站的优势,主要内容,电子式互感器/合并单元,2,智能终端,3,智能变电站的优势,1,IEC 61850标准,4,时钟同步,5,2.1 电子式互感器/合并单元,绝缘问题：绝缘困难，含油有爆炸危险，造价高测量准确问题：含铁芯，具有非线性特性，存在饱和问题，不能反映系统故障时非周期性分量；频带响应特性较差，频带窄信号输出问题：模拟电信号（1A/5A，100V/57.7V）运行安全问题：电压互感器不能短路，电流互感器不能开路，电压互感器存在铁磁谐振问题,传统电磁式互感器的缺点,电子式电流互感器（各种名称）铁心线圈低功率电流互感器（有源）罗可夫斯基空
4、心线圈电流互感器（有源）光学电流互感器（无源）,2 电子式互感器/合并单元,铁心线圈低功率电流互感器,VS 与被测电流 I 成正比,2 电子式互感器/合并单元,2 电子式互感器/合并单元,传统电磁式电流互感器,I/I变换,具备低功率输入接口的设备,铁心线圈低功率电流互感器,I/V变换,对电磁式电流互感器的改进,罗可夫斯基空心线圈电流互感器,2 电子式互感器/合并单元,空心线圈的感应电压与被测电流的导数成正比（Rogowski，1912年）,被测电流,线圈感应电压,普通光,起偏器,偏振光,磁光材料,磁场 B,检偏器,Faraday旋光角,2 电子式互感器/合并单元,光学电流互感器,法拉第磁旋光效
5、应（1846年）,入射光,出射光,电流,旋转角与电流I成正比关系,I,I,磁光玻璃,光纤,高压侧,光纤,高压侧,空心线圈（或铁心线圈）,低压侧,低压侧,低电压信号需要就地数字化,有源型电流互感器,无源型电流互感器,A/D、积分器等需要供电！,2 电子式互感器/合并单元,2 电子式互感器/合并单元,有源电子式互感器的供电方式,2 电子式互感器/合并单元,光学电流互感器存在的问题,该比例系数（维尔德常数）是温度和光源工作波长的函数,温度对精度的影响LED发光二极管老化,信号处理技术（自适应补偿）保证驱动电流恒定,对策：,光源工作波长是温度和驱动电流的函数,2 电子式互感器/合并单元,分压型电压互感
6、器（有源）,电子式电压互感器,阻容分压,电容分压,电阻分压,与常规电容式电压互感器原理相同，输出电压不超过5V,光学电压互感器（无源）,线偏振光通过有电场作用的Pockels晶体时，折射成两束线偏振光，两者相位差正比与被测电压,2 电子式互感器/合并单元,Pockels效应（1893年）,合并单元,2 电子式互感器/合并单元,合并单元MU,ECT,EVT,其他MU,Ia，Ib，Ic（保护）,Ia，Ib，Ic（测量）,3Io,Ua，Ub，Uc，3Uo,母线电压,多路电流电压信号的采集与处理,主要功能：,电流电压信号同步,报文处理和发送,IEC 60044-8,IEC 61850-9-2,保护,测
7、控,计量,录波,SV报文,点对点或交换式以太网,2 电子式互感器/合并单元,有源电子式电流互感器,2 电子式互感器/合并单元,无源电子式电流互感器,2 电子式互感器/合并单元,线圈、A/D、采集模块和合并单元的双重化配置,保护线圈1，2,计量线圈,光纤至合并单元1,光纤至合并单元2,电源,电源,2 电子式互感器/合并单元,传感原理的变化：变压器原理 VS 光学原理等有源：强电/弱电变换，高压侧需要电源无源：电/光变换，高压侧无需电源电子式互感器的配置：线路EVT可按三相配置合并单元的作用：采集、同步、共享合并单元的配置：基本按照互感器组配置，例外,小结,2 电子式互感器/合并单元,电子式互感器
8、与传统电磁式互感器的比较,主要内容,电子式互感器/合并单元,2,智能终端,3,智能变电站的优势,1,IEC 61850标准,4,时钟同步,5,3 智能终端,智能终端的主要功能,智能终端,GOOSE 网,GOOSE点对点,硬接点,2）上传开关刀闸位置信号,一次设备的数字接口：,1）接收保护动作信息/分合闸信号/控制信号,接收各种对一次设备的操作命令,3 智能终端,智能控制功能系统故障时快速开断，其它情况低速开断，提高寿命选相分闸：各相在各自的电流过零点依次分闸，提高开断能力集成检同期和自动重合闸功能（试探自适应）,智能终端应具备的附加功能,状态监视与状态检修跳闸回路的完好性，弹簧储能，气体压力，
9、线圈监视等状态评估/故障预报/检修计划,主要内容,电子式互感器/合并单元,2,智能终端,3,智能变电站的优势,1,IEC 61850标准,4,时钟同步,5,4 IEC 61850标准,IEC 61850标准的内容框架,建模方法,7-4,逻辑节点,物理设备,逻辑设备,数据对象,数据属性,7-1,5,信息模型,信息服务模型,公共数据类,7-3,模板,7-2,面向变电站层的通信,面向过程层的通信,8-1,9-1/9-2,设备与系统的描述,6,MMS报文,SV报文,GOOSE报文,8-1,4 IEC 61850标准,IEC 61850模型与103模型,103模型：点表形式，按照索引号进行访问,IEC
10、61850模型：面向对象的分层模型，按照分层对象名称进行访问,4 IEC 61850标准,功能类型,信息序号,信息元素集,信息体时标,信息体标识符,公共地址,传送原因,可变结构限定词,类型标识,数据单元类型,:传送带标志的状态变位,:自发（突发）,:线路保护,:距离保护I段出口,256个语义,:距离保护II段出口,:距离保护III段出口,103模型：线性模型,数据属性,逻辑节点,数据对象,逻辑设备,物理设备,4 IEC 61850标准,PHD,LD,LN,DO,DA,实际的保护装置,公用/保护/测量/控制/录波,Str,Op,保护动作,保护启动,general,phsA,phsB,phsC,是
11、否动作（总）,A相是否动作,B相是否动作,C相是否动作,接地距离I段：PDIS1接地距离II段：PDIS2接地距离III段：PDIS3,1,1,0,0,分层模型,4 IEC 61850标准,IEC 61850的模型框架,逻辑节点类 LN,物理设备 PHD,逻辑设备 LD,数据对象类 DO,数据属性 DA,公共数据类 CDC,模板,29个,500多个,92个,公共LD：装置告警/装置自检信息保护LD：保护启动/保护动作/定值/压板信息测量LD：交流量/直流量控制及开入LD：断路器/刀闸/变压器分接头录波LD：录波信息,4 IEC 61850标准,4 IEC 61850标准,距离保护逻辑节点模板：
12、PDIS（1/2）,ACD：方向保护激活,ACT：保护激活,ASG：模拟定值,ING：整数状态定值,4 IEC 61850标准,距离保护逻辑节点模板：PDIS（2/2）,ASG：模拟定值,ING：整数状态定值,SPG：单点状态定值,4 IEC 61850标准,IEC 61850模型扩展原则,逻辑节点类 LN,物理设备 PHD,逻辑设备 LD,数据对象类 DO,数据属性 DA,公共数据类 CDC,模板,LN、DO和CDC都可以扩展,IEC 61850模型体系结构,扩展应遵循国网公司标准IEC61850国际标准工程化实施技术规范IEC61850工程应用模型,4 IEC 61850标准,数据对象名,
13、Op,LinAng,PoRch,Ofs,GndDlTmms,X1,K0FactAng,GndStr,K0Fact,Str,GndDlMod,PDIS逻辑节点模板,M/O,M,O,O,O,O,O,O,O,O,M,O,O,实际工程中的PDIS逻辑节点,数据对象名,Op,Str,强制性数据对象必须包含,PoRch,Ofs,GndStr,K0FactAng,K0Fact,选择需要利用的可选性数据对象,TrdBlkRec,SedBlkRec,距离段永跳投入,距离段永跳投入,PDIS模板中未提供的数据对象按规则扩展,CDC类型,SPG,SPG,模型仓库逻辑节点数据对象数据属性,模板,“拷贝”,实例,设备
14、1,设备n,搭建装置的信息模型,4 IEC 61850标准,4 IEC 61850标准,IEC 61850标准的内容框架,建模方法,7-4,逻辑节点,物理设备,逻辑设备,数据对象,数据属性,7-1,5,信息模型,信息服务模型,公共数据类,7-3,模板,7-2,面向变电站层的通信,面向过程层的通信,8,9-1/9-2,设备与系统的描述,6,MMS报文,SV报文,GOOSE报文,8,4 IEC 61850标准,3）保护与合并单元,模拟量,合并单元,智能终端,SV,GOOSE,1）保护与监控主机,保护动作信息/异常告警信息定值信息/录波信息等,2）保护与智能终端,采样值信息（SV）,状态信息（GOO
15、SE）,开关量,监控主机,MMS,MMS,三类服务模型：MMS、GOOSE和SV,4 IEC 61850标准,MMS服务模型,定值组控制块模型报告控制块日志控制块模型控制模型文件传输模型,录波数据文件的传输,分合闸控制，变压器抽头控制,事件顺序记录的检索,保护动作信号上传当地监控,定值的读/写/切换,4 IEC 61850标准,GOOSE报文的格式,参数名,参数类型,值/值域/解释,应用标识,配置版本号,AppID,ConfRev,VISIBLE STRING 65,INT32U,时标,T,EntryTime,状态号（事件计数器）,StNum,INT32U,序列号（报文计数器）,SqNum,I
16、NT32U,测试标识位,Test,BOOLEAN,数据集成员1n,GOOSEData1n,GOOSE控制块路径,GoCBRef,ObjectReference,需要重新配置,NdsCom,BOOLEAN,DatSet,数据集的路径,ObjectReference,4 IEC 61850标准,数据集的概念,GndPDIS1,GndPDIS2,GndPDIS3,general,Op,PhsA,PhsB,PhsC,general,Op,PhsA,PhsB,PhsC,general,Op,PhsA,PhsB,PhsC,数据对象,接地距离保护I段动作跳A相,数据属性的集合,逻辑节点,数据属性,4 IEC
17、 61850标准,数据集,保护程序,通信程序,负责刷新数据集中数据的值,置1：表示动作,置0：表示返回,监视数据集中数据值的变化,一旦发生变化就认为产生一个事件,以特殊的重传机制发送GOOSE报文,4 IEC 61850标准,GOOSE传输机制：变时间间隔重复传输,事件结束后以较长的间隔连续传输（1s），以保持通信线路的畅通,事件发生时以较短的间隔连续传输（1ms，2ms，4ms），避免数据报文的丢失,事件计数器C1,报文计数器C2,C1=8C2=10,C1=9C2=0,C1=9C2=5,保护动作,4 IEC 61850标准,保护程序判断结果距离I段动作，跳A相,1024ms,1ms,1ms,
18、2ms,1024ms,St：事件计数器,Sq：报文计数器,保护程序：刷新数据,通信程序：监测数据变化/传输GOOSE报文,返回时间到,1ms,1ms,2ms,4 IEC 61850标准,IEC 61850标准的内容框架,建模方法,7-4,逻辑节点,物理设备,逻辑设备,数据对象,数据属性,7-1,5,信息模型,信息服务模型,公共数据类,7-3,模板,7-2,面向变电站层的通信,面向过程层的通信,8,9-1/9-2,设备与系统的描述,6,MMS报文,SV报文,GOOSE报文,8,变电站系统与设备的描述,4 IEC 61850标准,SSD：系统规格文件（一次系统接线图和相关逻辑节点）,SCD：全站系
19、统配置文件（一次系统、二次设备及其 与一次设备的关联、通信系统）是最完整的描述,ICD：IED设备能力描述（功能，信息模型和服务模型）,CID：IED实例配置文件（二次设备模型、与一次系统的关联、通信参数）,四个重要的描述文件,各种描述文件的作用和流转过程,4 IEC 61850标准,.ssd文件(1个，系统集成商提供),.icd文件(多个，由制造商提供),描述一次接线图,描述二次设备的基本数据模型与服务,通信系统设计,.scd文件,描述一次接线、二次设备和通信系统（最完整）,实例化，确定二次设备与一次系统的对应关系,.cid文件,.cid文件,描述二次设备模型、通信参数及与一次系统的对应关系
20、,4 IEC 61850标准,TVTR1,4 IEC 61850标准,“端子”的概念对于二次回路的设计/施工/调试意义重大！,装置1,Ua,Ub,Uc,Ia,Ib,Ic,Ta,Tb,Tc,压板,装置2,Ta,Tb,Tc,压板,电缆,4 IEC 61850标准,传统二次回路设计与实施过程：1）设备制造商提供端子排，视需要在重要端子排和装置之间设置压板2）设计院设计各个屏柜的端子排之间的二次电缆连线3）施工：根据设计院的设计图纸进行屏柜间接线4）调试：根据图纸对相关接线进行测试和检查,4 IEC 61850标准,清晰明确的电缆变成看不见摸不着的通信网络,装置1,装置2,GOOSE,GOOSE,数据
21、集,软压板,软压板,4 IEC 61850标准,引入虚端子后二次回路设计和实施,4 IEC 61850标准,延续以往的端子排设计与校核,清晰明确的电缆连接变成看不见摸不着的通信网络,引入“虚端子”概念,设计院方面,制造商方面,交换描述文件.scd和.cid,配置输入输出并校核,用户方面,引入“虚端子”概念,网络报文分析装置,监视通信回路、记录网络报文,4 IEC 61850标准,IEC 61850-90-1：变电站间的IEC 61850规约（2010年）闭锁式的距离保护线路差动保护,IEC 61850应用范围的扩大,IEC 61850-90-2：变电站与调度中心的IEC 61850规约包括远动
22、信息、故障信息、PMU信息等需要解决IEC 61850与IEC 61970 CIM之间的协调,IEC 61850-7-410：水电厂监控系统模型,IEC 61850-7-420：分布式能源监控系统模型,IEC 61850-90-3：电力设备状态监测,按功能分多种协议：,101：传统的远动信息,102：计量信息,103：保护信息,104：基于TCP/IP的网络化101,电力系统通信系统现状,基于IEC 61850的无缝通信体系结构,IEC 61850协议不仅统一站内的通信，还扩展到变电站与变电站之间，变电站与控制中心之间。,IEC 61850主要内容：信息模型&服务模型统一的、面向对象的层次化信
23、息模型三类信息服务模型MMS：运行维护报文GOOSE：开关量报文SV：采样值报文配置描述文件的作用IEC 61850标准应用范围的扩大,小结,主要内容,电子式互感器/合并单元,2,智能终端,3,智能变电站的优势,1,IEC 61850标准,4,时钟同步,5,5 时钟同步,三种采样值规范IEC 60044-8 点对点IEC 61850-9-1 点对点（已废除）IEC 61850-9-2 点对点或交换式以太网三种时钟同步方式IRIG-BNTP/SNTP（简单）网络时钟协议IEEE 1588 精确时钟协议,采样值规范比较,5 时钟同步,5 时钟同步,守时：独立的时钟保持时间精确的能力（晶振）时钟同步
24、：从时钟与主时钟保持一致的能力数据同步：差动保护所用的数据是同时刻采集的数据,电力系统的绝大多数参数都是时间的函数,5 时钟同步,需要时钟同步的设备,对策：a）保护装置插值同步（各间隔合并单元可以不同步）b）保证各间隔合并单元严格同步，同时刻采集数据,1）各相电流、电压的同步,2）各间隔电流、电压的同步跨间隔保护需要同时刻采集的数据,对策：合并单元内实现同步,IRIG-BIEEE 1588,5 时钟同步,插值同步方法,X1,X2,由保护装置实现数据同步,保护装置自己产生一个新的采样序列,要求：传输延迟固定,5 时钟同步,变压器保护,高压侧合并单元,中压侧合并单元,低压侧合并单元,采样计数器,0
25、,1,3999,各个合并单元保证同时刻采集数据,接收端根据采样计数器对齐数据,时钟同步方式比较,5 时钟同步,5 时钟同步,NTP/SNTP时钟同步原理,t：时钟偏差,d1，d2：传输时间,T2(T1+t)=d1,T4(T3t)=d2,其中,如果往返的传输时间相等，根据四个时刻可以求得时钟偏差和传输时间,得知T2，T3,5 时钟同步,NTP/SNTP时钟同步精度不高的原因（1ms）,网络路径时间,主时钟,从时钟,写入/读取时标,报文编码,报文解码,不确定,不确定,不确定,三个环节都具有不确定性，d1与d2不相等，偏差大,在高层（应用层）打时标，传输时间包含三个环节,5 时钟同步,举例说明,网络
26、路径时间,主时钟,从时钟,3,4,5,2,1,4,d1=8,d2=11,5 时钟同步,IEEE 1588时钟同步原理（1）,在底层（物理层）打时标，避免了报文处理时间的不确定性,主时钟,从时钟,T1,d1,T2,得知T1,T3,跟随报文含T1时刻,得知T4,d2,T4,物理层,物理层,T1,T2,T4,T3,时标获取的位置,答复报文含T4时刻,T0,主时钟,从时钟,5 时钟同步,主时钟,从时钟,交换机,IEEE 1588时钟同步原理（2）,交换机和主时钟发送报文计算主时钟到交换机的传输时间,以此类推，可以精确计算每一段传输路径的延时,主时钟,从时钟,交换机,5 时钟同步,IEEE 1588时钟
27、同步原理（3）,交换机可记录“同步报文”在交换机内的驻留时间（t3-t2）,5 时钟同步,IEEE 1588时钟同步精度与可靠性,典型同步精度：100ns,在物理层打时标，需要专用的硬件，价格昂贵,最佳主时钟选择机制：自动选择第二主时钟（容错性强）,评价,时钟同步精度高，可利用已有的通信网络,IEEE PSRC H7工作组，正制定1588在电力系统中应用的标准（2010年），是今后的发展趋势,采样值规范比较,5 时钟同步,5 时钟同步,智能变电站继电保护技术规范明确：保护应“直采直跳”原因：点对点直接获取采样值（IEC 60044-8或IEC 61850-9-2），传输延时固定，可由保护装置利用插值法对数据进行同步，不依赖外部时钟经过网络获取采样值，传输延迟不固定，必须依赖外部时钟，而且存在丢点现象，可靠性降低网络交换机技术尚未成熟，成本较高，IEEE 1588的应用尚未成熟,总结智能变电站是变电站综合自动化基础上的一次技术进步；主要特征是：一次设备的数字化、二次设备的网络化、统一信息模型；网络技术的应用对未来智能变电站发展具有重要影响：点对点等专网公共网络；新功能和新应用的产生会大大促进智能变电站的发展。,谢谢各位专家！,
