文／大唐國(guó)際張家口發(fā)電 劉昌華／

0 引言

“數(shù)字化”是目前變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展中最炙手可熱的一個(gè)詞匯，也是相對(duì)于傳統(tǒng)理念最具有里程碑意義的一次變革，已無(wú)可爭(zhēng)議的成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向。數(shù)字化變電站三個(gè)主要的特征就是“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，運(yùn)行管理系統(tǒng)自動(dòng)化”，即數(shù)字化變電站內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化，信息傳遞實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通信模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，使各種設(shè)備和功能共享統(tǒng)一的信息平臺(tái)。使變電站在系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)簡(jiǎn)便性方面得到大幅度提升。數(shù)字化變電站自2005年在我國(guó)首次投入運(yùn)行以來(lái)，已從當(dāng)初的試驗(yàn)、試點(diǎn)性質(zhì)逐漸發(fā)展為目前成熟的開發(fā)應(yīng)用，陸續(xù)有近百座變電站實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，電壓等級(jí)由66kV覆蓋至500kV各標(biāo)準(zhǔn)[1]。但由于數(shù)字化從根本上改變了傳統(tǒng)變電站概念，對(duì)于一次設(shè)備、二次設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)每個(gè)領(lǐng)域其變化都是飛躍性的，在數(shù)字化變電站靈活、便捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)不斷凸顯的同時(shí)，一些問(wèn)題也相應(yīng)隨之而來(lái)。

1 數(shù)字化變電站在實(shí)際運(yùn)行中遇到的問(wèn)題

1.1 大量使用光通道帶來(lái)的可靠性問(wèn)題

數(shù)字化的一大優(yōu)點(diǎn)為站中的二次電纜大量減少。由于一次設(shè)備及互感器與保護(hù)裝置使用光纜通訊，保護(hù)裝置之間也使用光纜或網(wǎng)線通訊，原先保護(hù)屏柜內(nèi)及電纜溝中密集敷設(shè)的二次線纜被寥寥幾根光纜全部替代，大大減輕了二次回路的維護(hù)量。二次線纜的消失也使得常規(guī)電纜老化問(wèn)題、絕緣問(wèn)題、發(fā)熱問(wèn)題等缺陷不復(fù)存在，設(shè)備整體可靠性得到提高。但從另一方面來(lái)看，如果把電纜看作是信息傳遞的通道，數(shù)字化過(guò)程實(shí)質(zhì)是將分散布置的多條通道匯合成一條通道，并由纖細(xì)的光纜承擔(dān)起了通道的輸送任務(wù)，如果光通道出了問(wèn)題就可能面臨著信息公路的全部癱瘓。2011年3月29日，大唐國(guó)際卓資風(fēng)電場(chǎng)在進(jìn)行數(shù)字化改造投運(yùn)近一年后，由于主變高壓側(cè)光互感器至合并單元光纜故障導(dǎo)致2號(hào)主變高壓側(cè)測(cè)量及保護(hù)電壓、電流信號(hào)全部失去，主變壓器被迫停運(yùn)。經(jīng)調(diào)查，事故原因?yàn)殡娎|溝內(nèi)光纜破損處進(jìn)水結(jié)冰膨脹導(dǎo)致光纖斷裂。問(wèn)題暴露了數(shù)字化變電站光通訊回路的脆弱之處，在實(shí)際運(yùn)行條件下諸如環(huán)境變化、鼠害、電纜敷設(shè)、施工不當(dāng)?shù)纫蛩囟既菀滓鸸饫|故障。這些因素都是在之前常規(guī)變電站設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行維護(hù)中很少考慮到的。

1.2 海量數(shù)據(jù)帶來(lái)的通訊及處理問(wèn)題

數(shù)字化變電站的數(shù)據(jù)量相比常規(guī)變電站呈幾何級(jí)數(shù)增加。仍以卓資風(fēng)電場(chǎng)為例，數(shù)字化改造前變電站后臺(tái)僅涉及變電站“四遙”及保護(hù)報(bào)警等功能。改造后如圖1所示，后臺(tái)從不同的網(wǎng)絡(luò)層新加入了箱變測(cè)控、風(fēng)機(jī)測(cè)控、故障錄波、五防、AGC、VQC等諸多功能，測(cè)點(diǎn)的數(shù)量及歷史記錄能力大大增強(qiáng)，也為信息系統(tǒng)二次開發(fā)創(chuàng)造了優(yōu)越條件。但在實(shí)際應(yīng)用中還存在如下不盡如人意的地方。

首先，變電站故障錄波系統(tǒng)反應(yīng)較為遲緩，在一定程度上影響了故障處理時(shí)的分析判斷。卓資風(fēng)電場(chǎng)故錄系統(tǒng)采用南瑞繼保公司生產(chǎn)的PCS-996R加PCS-996R-GO-ET共兩套故障錄波裝置，前者用于站內(nèi)35kV及110kV出線等常規(guī)互感器測(cè)量信號(hào)的采集；后者用于主變壓器等采用光學(xué)互感器測(cè)量信號(hào)的采集，兩套故錄均接至SIEMENS SIMATIC IPC547C工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)錄波存儲(chǔ)及分析功能。原設(shè)計(jì)中一大亮點(diǎn)為路障錄波信號(hào)可上傳到任一臺(tái)變電站后臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)取與分析，但使用后不僅未能實(shí)現(xiàn)后臺(tái)調(diào)取，即便在工控機(jī)上查詢速度也非常緩慢，經(jīng)廠家多次調(diào)試升級(jí)仍未解決問(wèn)題。其次，變電站后臺(tái)在接收風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)穩(wěn)定性還有待增強(qiáng)。卓資風(fēng)電場(chǎng)分一、二期工程，采用蘇司蘭S64-1250及湘電風(fēng)能Z72-2000兩種風(fēng)力機(jī)型。各風(fēng)電機(jī)組接入后臺(tái)的方式也不太一致，二期Z72-2000型風(fēng)機(jī)信號(hào)經(jīng)南瑞繼保9794通訊裝置可直接傳入后臺(tái)；而S64-1250型風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)機(jī)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)OPC轉(zhuǎn)發(fā)到三臺(tái)工控機(jī)后再傳送至數(shù)字化后臺(tái)。這種OPC轉(zhuǎn)發(fā)模式在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常中斷，而且只能對(duì)風(fēng)機(jī)監(jiān)視控制方面則不夠完善，給風(fēng)電場(chǎng)的集中控制帶來(lái)了一定困擾。最后，變電站后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力也值得進(jìn)一步改進(jìn)。卓資風(fēng)電場(chǎng)采用3臺(tái)較強(qiáng)勁的Dell OptiPlex 780計(jì)算機(jī)（INTEL Core2Dou E8600 CPU，4G內(nèi)存，WIN7專業(yè)版）作為后臺(tái)SCADA工作站，在運(yùn)行后臺(tái)程序時(shí)卻屢屢出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。每日隔一段時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)文件服務(wù)進(jìn)程、五防進(jìn)程、數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)程甚至SCADA、VQC及RELAY等關(guān)鍵進(jìn)程CPU占用過(guò)高、任務(wù)發(fā)生異常的報(bào)警，雖然并不影響變電站各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)重啟電腦也可以恢復(fù)，但還是說(shuō)明數(shù)字化后臺(tái)在數(shù)據(jù)處理或軟件調(diào)試中存在問(wèn)題。

圖1 大唐國(guó)際卓資風(fēng)電場(chǎng)數(shù)字化改造拓?fù)鋱D

綜合來(lái)看，數(shù)字化合并器間的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，為了完成特定的保護(hù)遙測(cè)功能，一個(gè)保護(hù)測(cè)控裝置往往需要來(lái)自不同間隔的信號(hào)，而當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平還達(dá)不到能將整個(gè)過(guò)程層組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，且滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸所需要的帶寬。為了能滿足保護(hù)及測(cè)控信號(hào)對(duì)輸入的要求，需要由合并器完成數(shù)據(jù)的分包組裝工作，這樣構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)復(fù)雜，且可靠性難以得到保證，如何進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目捎眯赃€有待研究[2]。

1.3 設(shè)備檢驗(yàn)存在的問(wèn)題

光學(xué)互感器可以說(shuō)是數(shù)字化概念中變化最明顯，最令人興奮的一項(xiàng)。光學(xué)互感器相比于傳統(tǒng)電磁式互感器有著簡(jiǎn)單可靠、動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)磁飽和、無(wú)鐵磁諧振、精度高、無(wú)開路危險(xiǎn)等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。由于光學(xué)互感器絕緣形式的根本性變化，相對(duì)于常規(guī)互感器來(lái)說(shuō)其試驗(yàn)項(xiàng)目顯得異常簡(jiǎn)單。在廠家說(shuō)明中光學(xué)互感器預(yù)防性試驗(yàn)只需進(jìn)行接地點(diǎn)的檢查、光纖傳光性能檢測(cè)和互感器變比試驗(yàn)三項(xiàng)（若GIS成套設(shè)備則需增加部分與GIS本體一同進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目）。而交接試驗(yàn)甚至只需檢查互感器的變比及引出極性而已。試驗(yàn)項(xiàng)目的減少有利于降低設(shè)備的維護(hù)量，但過(guò)于簡(jiǎn)單的測(cè)試也可能將隱患留存下來(lái)。由于光學(xué)互感器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式，導(dǎo)致互感器的角差、比差現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難以進(jìn)行，甚至極性試驗(yàn)也無(wú)法開展，只能等到設(shè)備投運(yùn)帶電后，才能檢驗(yàn)接線的準(zhǔn)確性。另外，光學(xué)互感器的局放試驗(yàn)、伏安特性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)也與常規(guī)設(shè)備有很大的區(qū)別，這都需要設(shè)備廠家和相關(guān)部門專門制定[3]。

數(shù)字化變電站保護(hù)校驗(yàn)?zāi)壳皝?lái)說(shuō)也相對(duì)復(fù)雜，在變電站運(yùn)行的條件下對(duì)部分間隔保護(hù)校驗(yàn)的難度很大，目前的常規(guī)繼電保護(hù)校驗(yàn)裝置無(wú)法提供數(shù)字化保護(hù)所需的電流量和電壓量，因?yàn)殡娏髁亢碗妷毫勘仨毥?jīng)過(guò)合并器才能進(jìn)入保護(hù)裝置，而要完成試驗(yàn)必須自帶合并器提供模擬試驗(yàn)中的電流量和電壓量，要完成母差保護(hù)這類需要大量電流電壓量的保護(hù)校驗(yàn)便顯得尤為困難。

對(duì)于電能計(jì)量裝置的檢驗(yàn)也是一個(gè)新問(wèn)題。電能計(jì)量裝置是國(guó)家強(qiáng)制檢定器具。傳統(tǒng)電能表均采用模擬方式檢定，而數(shù)字接口電能表在應(yīng)用中則會(huì)遇到表計(jì)檢定、現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)及電量計(jì)費(fèi)中的種種問(wèn)題。這些問(wèn)題主要是由于目前對(duì)用于基于IEC61850數(shù)字接口計(jì)量器具的檢定沒(méi)有相關(guān)規(guī)定，政策指導(dǎo)性文件缺乏，檢定溯源較為困難。數(shù)字接口電能表的正常運(yùn)行與否直接關(guān)系到計(jì)量的準(zhǔn)確性，對(duì)目前電能量計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)而言，其運(yùn)行狀況可能涉及位于前端的光學(xué)互感器或者通訊網(wǎng)絡(luò)，而這又不屬于電能量系統(tǒng)，存在重新劃分管理職能等問(wèn)題[4]。

1.4 網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題

傳統(tǒng)電氣專業(yè)上的“二次”概念在數(shù)字化的進(jìn)程中已越來(lái)越向通訊方向延伸，由于數(shù)字化變電站采用了基于開放的、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和對(duì)等的通信模式，同時(shí)也受到了被惡意侵入的可能。IEC 61850通信協(xié)議本身并沒(méi)有對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性做任何規(guī)定，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議本身的開放性和標(biāo)準(zhǔn)性給變電站的網(wǎng)絡(luò)安全帶來(lái)重大隱患。要做到二次系統(tǒng)信息的保密性、完整性、可用性和確定性，符合二次系統(tǒng)安全防護(hù)的要求，是自動(dòng)化廠家仍需考慮和完善的技術(shù)環(huán)節(jié)。雖然目前已投運(yùn)的變電站采取了防火墻、分層分區(qū)隔離等手段進(jìn)行防護(hù)，但防護(hù)的效果仍有待時(shí)間的考驗(yàn)。

2 問(wèn)題的歸納與解決

總結(jié)以上問(wèn)題都是由于變電站數(shù)字化發(fā)展過(guò)快、變革過(guò)大造成的發(fā)展中的問(wèn)題。大致可歸結(jié)于設(shè)計(jì)與施工、應(yīng)用以及信息安全方面的問(wèn)題。要解決這些問(wèn)題主要還需加深對(duì)數(shù)字化理論的理解，進(jìn)一步掌握數(shù)字化設(shè)備的特性，使之合理配合，發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。例如數(shù)字化變電站對(duì)調(diào)試和運(yùn)行檢測(cè)設(shè)備提出了新要求，需要盡快研究新的試驗(yàn)方式、手段，制定數(shù)字化變電站技術(shù)相關(guān)試驗(yàn)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化進(jìn)程中通信的重要性迅速上升，而目前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性研究還不夠深入，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)還缺乏實(shí)用化的監(jiān)測(cè)、控制和評(píng)估的方法及手段。應(yīng)采用有效的軟、硬件手段對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)，防止來(lái)自網(wǎng)內(nèi)外的惡意攻擊以及由于設(shè)備損壞造成的系統(tǒng)破壞，確保數(shù)據(jù)安全。

3 結(jié)論

電力系統(tǒng)不同領(lǐng)域、不同學(xué)科的技術(shù)在數(shù)字化變電站中得到了充分地發(fā)揮。由于數(shù)字化變電站的高度信息化，各種系統(tǒng)已不再孤立，常規(guī)變電站的保護(hù)專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)及通信專業(yè)工作界面完全打破；數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)模式、調(diào)試模式、運(yùn)行模式和維護(hù)模式也都不同于傳統(tǒng)變電站；對(duì)目前傳統(tǒng)專業(yè)劃分及管理模式，也提出了很大的挑戰(zhàn)。因此，如何在總結(jié)多年電力生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字化變電站帶來(lái)的變革，改變?cè)O(shè)計(jì)方法，重新明確運(yùn)維職責(zé)和范圍、指導(dǎo)運(yùn)行生產(chǎn)、規(guī)范運(yùn)維作業(yè)等，已成為亟待研究和解決的問(wèn)題。

[1]國(guó)家電網(wǎng)公司科技部,數(shù)字化變電站技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展分析報(bào)告[R],2009-7.

[2]鄭建平,數(shù)字化變電站技術(shù)叢書 成果與展望分冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

[3]李逸榮, 夏紅軍, 唐建民.數(shù)字化變電站技術(shù)淺析[J].農(nóng)村電氣化,2008, (01).

[4]吳琴芳,陳懇.IEC61850與數(shù)字化變電站的應(yīng)用研究[J].電氣技術(shù),2009, (02).