智能電抗器技術(shù)在變電站中的應(yīng)用 目前，智能電抗器已成為解決電力系統(tǒng)眾多問題的一個(gè)重要手段。各國都依據(jù)本國電力系統(tǒng)實(shí)際問題提出了各自的智能電抗器概念和發(fā)展目標(biāo)。世界各國的能源發(fā)展動(dòng)因不同，對(duì)智能電抗器的研究側(cè)重點(diǎn)各異。在中國，發(fā)展智能電抗器的最大動(dòng)力是充分利用可再生能源滿足未來能源多元需求，最大化接納可再生分布式能源，從而促進(jìn)綠色能源的高效利用，提高能效。
智能電抗器系統(tǒng)是由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型智能的發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。本文介紹的智能電抗器能量管理和穩(wěn)定控制系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))遵循“清潔、高效、自治、安全”的思想和總體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，全面覆蓋智能電抗器的監(jiān)控、保護(hù)、運(yùn)行控制等技術(shù)領(lǐng)域，旨在根據(jù)用戶的需求，提供全方位的智能電抗器技術(shù)服務(wù)。
該系統(tǒng)既可以用于智能電抗器領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)智能電抗器內(nèi)能量的管理與調(diào)度，也適用于分布式發(fā)電的能源管理平臺(tái)，提高了分布式風(fēng)能、光伏發(fā)電的穩(wěn)定性及運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定運(yùn)用新能源的設(shè)計(jì)理念，該系統(tǒng)已經(jīng)在海島投入運(yùn)行。
一、系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)基于IEC61850架構(gòu)，對(duì)智能電抗器系統(tǒng)模型、二次功能模型進(jìn)行描述，對(duì)應(yīng)用與通信技術(shù)進(jìn)行分層處理，由過程層、間隔層、站控層3個(gè)層次構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1、過程層
系統(tǒng)過程層設(shè)備即合并單元(合并單元和智能單元一體設(shè)備)按系統(tǒng)內(nèi)一次設(shè)備配置，就地加裝在主變、斷路器、分布式發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備等處，采集現(xiàn)場數(shù)字通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖光纖網(wǎng)上送交換服務(wù)器，單臺(tái)交換服務(wù)器滿足接入45臺(tái)合并單元的數(shù)據(jù)處理要求，交換服務(wù)器集成全站數(shù)據(jù)信息后通過工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分布式采集數(shù)據(jù)到間隔層裝置---智能電抗器中央控制器的通訊傳輸，同時(shí)合并單元接收中央控制器控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能等設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。
為了提高過程層通信的可靠性，過程層設(shè)備合并單元通過光纖A、B雙網(wǎng)和交換服務(wù)器A、B進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，交換服務(wù)器A、B則由完全獨(dú)立的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和間隔層設(shè)備通信，光纖網(wǎng)絡(luò)A和B發(fā)送的間隔信息完全相同，避免一套系統(tǒng)故障導(dǎo)致的全系統(tǒng)失去保護(hù)和控制功能。
智能電抗器能量管理系統(tǒng)配置一個(gè)全局同步裝置---GPS時(shí)鐘服務(wù)器，GPS時(shí)鐘服務(wù)器按照12800次/S要求等間隔地產(chǎn)生同步信號(hào)，并傳遞給一個(gè)或多個(gè)交換服務(wù)器，交換服務(wù)器根據(jù)鏈路長度產(chǎn)生新的同步信號(hào)啟動(dòng)合并單元的數(shù)據(jù)采集。正常運(yùn)行時(shí)，交換服務(wù)器A和B分別接收來自GPS時(shí)鐘服務(wù)器的同步信號(hào)，保證與GPS信號(hào)的同步;當(dāng)GPS同步信號(hào)故障時(shí)，交換服務(wù)器之間通過同步光纖控制，保證交換服務(wù)器A和交換服務(wù)器B的同步，因此，連接在光纖雙網(wǎng)的所有合并單元實(shí)現(xiàn)了高精度數(shù)據(jù)同步采樣(同步誤差小于200ns)。
2、間隔層
間隔層具有測(cè)量、控制元件和繼電保護(hù)元件。測(cè)量、控制元件負(fù)責(zé)該間隔的測(cè)量、監(jiān)視、斷路器的操作控制和電氣聯(lián)鎖，以及時(shí)間順序記錄等，保護(hù)元件負(fù)責(zé)該間隔線路、變壓器等設(shè)備的保護(hù)、故障記錄等。
間隔層設(shè)備與過程層設(shè)備之間、間隔層設(shè)備之間取消常規(guī)智能電抗器硬接點(diǎn)信號(hào)交互的方式，變?yōu)榛贗EC61850標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)等通信模式，也就是，A、B間隔層智能電抗器中央控制器通過各自的以太網(wǎng)絡(luò)從過程層獲取模擬量、開關(guān)量和其他設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，經(jīng)邏輯判斷和相關(guān)電氣聯(lián)鎖判斷后，發(fā)出各自的控制命令。中央控制器A接收光纖A網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，中央控制器B則接收光纖B網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，過程層設(shè)備按“或”邏輯實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)中央控制器的控制;任一臺(tái)中央控制器故障時(shí)，及時(shí)告警，退出運(yùn)行，不影響整個(gè)系統(tǒng)。
間隔層同時(shí)可選配：
①集成電度計(jì)量裝置，利用過程層傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用插值法(1024點(diǎn))進(jìn)行時(shí)域積分，實(shí)現(xiàn)全站各間隔的電能計(jì)量，其精度達(dá)到0.5級(jí)。
②全系統(tǒng)故障錄波器，根據(jù)多種啟動(dòng)條件，記錄全系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，波形文件為標(biāo)準(zhǔn)COMTRADE格式。
3、站控層
站控層采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，完成系統(tǒng)內(nèi)間隔層設(shè)備、一次設(shè)備的控制及與遠(yuǎn)方控制中心、工程師站、操作員站及人機(jī)界面通信的功能，也可經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備與第三方裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
站控層設(shè)備跨硬件平臺(tái)(HP、IBM、SUN、X86等)、跨操作系統(tǒng)平臺(tái)(HP-UNIX，AIX-UNIX，Solaris-UNIX，Linux，Windows等)，支持異構(gòu)操作系統(tǒng)混合配置，具有良好的開放性和可擴(kuò)展性，方便進(jìn)行功能擴(kuò)展以及功能升級(jí)。
二、系統(tǒng)功能
間隔層設(shè)備通過交換服務(wù)器獲取到了全系統(tǒng)精確同步采樣的全景數(shù)據(jù)，并且能實(shí)時(shí)控制接入到系統(tǒng)內(nèi)的各裝置、設(shè)備。在間隔層設(shè)備上，根據(jù)對(duì)象的類型性質(zhì)配置所需的保護(hù)、測(cè)量、控制、故障錄波等模塊，實(shí)現(xiàn)智能電抗器全系統(tǒng)所需的功能。
1、間隔層設(shè)備提供兩種故障錄波的實(shí)現(xiàn)方式：
①智能電抗器中央控制器：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行異�；蚬收蠒r(shí)啟動(dòng)全系統(tǒng)故障錄波。
②故障錄波器(選配)：同時(shí)采集兩臺(tái)交換服務(wù)器的數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行異�；蚬收�、開關(guān)變位、量值突變、能量管理系統(tǒng)下發(fā)控制調(diào)節(jié)指令等時(shí)，長時(shí)間記錄系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)。
以上兩種方式均生成標(biāo)準(zhǔn)的COMTRADE格式，并提供波形分析軟件。
2、電度計(jì)量功能(選配)
間隔層設(shè)備集成電度計(jì)量裝置上通過配置電度計(jì)量模塊，可實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)四象限峰、平、谷的電度計(jì)量，并可通過串口輸出DL645規(guī)約格式的報(bào)文，精度為0.5級(jí)。
3、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控功能(站控層)
基本功能：數(shù)據(jù)采集與處理、控制功能、通用計(jì)算、強(qiáng)人機(jī)界面功能、操作管理、報(bào)警及事件處理、數(shù)據(jù)查詢服務(wù)工具、掛牌操作、集控功能、可視化顯示、圖形編輯功能、數(shù)據(jù)庫編輯軟件、事件及事故報(bào)警處理、歷史斷面回顯及事故追憶(PDR)、安全子系統(tǒng)、設(shè)備管理、監(jiān)視功能、報(bào)表功能、數(shù)據(jù)的備份功能、可視化數(shù)據(jù)庫模式編輯、饋線自動(dòng)化、WEB數(shù)據(jù)整合和安全發(fā)布、配電工作管理、智能操作票系統(tǒng)等。
三、系統(tǒng)特點(diǎn)
1、全系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享
智能電抗器能量管理系統(tǒng)采用分布式采集、集中式處理的系統(tǒng)解決方案，所有模擬量的采集和一次設(shè)備的操作都是就地實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)在交換服務(wù)器匯總并在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享及全網(wǎng)故障錄波。
2、可靠性
過程層與間隔層的通信網(wǎng)絡(luò)全部采用光纖介質(zhì)，無電磁兼容性問題。站控層的通信采用雙以太網(wǎng)，能自動(dòng)平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)功能及網(wǎng)絡(luò)的冗余，保證任何單一故障不引起重要功能的損失。所有裝置無需外加抗干擾措施，其電磁兼容性均可達(dá)到IEC61000-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高等級(jí)。過程層與間隔層裝置的工作溫度范圍為-40℃—﹢85℃，滿足戶外工作的要求。
3、安全性
A 信息安全性
過程層與間隔層、協(xié)調(diào)控制與間隔層和站控層三層之間及三層內(nèi)部的信息交換采用嚴(yán)格的CRC校驗(yàn)措施，防止由于數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤導(dǎo)致的裝置誤動(dòng)作。交換服務(wù)器對(duì)來自間隔層的網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文進(jìn)行分析，過濾任何未經(jīng)授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)訪問，硬件實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)防火墻既保證安全又不影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。
B 設(shè)備安全性
協(xié)調(diào)控制與間隔層設(shè)備采用虛擬存儲(chǔ)管理和嚴(yán)格的存儲(chǔ)隔離技術(shù)，應(yīng)用程序和配置文件分類存放、互不影響。協(xié)調(diào)控制與間隔層設(shè)備為各種保護(hù)、測(cè)控功能的配置、定值、變量和程序等存儲(chǔ)空間配備了完善的自檢措施，當(dāng)內(nèi)存出錯(cuò)時(shí)做出相應(yīng)的保護(hù)處理。過程層與間隔層合并單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬量、開入量、開出量和狀態(tài)信息，一旦發(fā)生電源失電、通訊中斷等故障立刻報(bào)警。
4、實(shí)時(shí)性
滿足智能電抗器全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步采樣的要求，同步精度達(dá)到納秒級(jí)。獨(dú)創(chuàng)的鏈路補(bǔ)償技術(shù)，保證數(shù)據(jù)同步傳輸不受距離的影響，可滿足2m—2000m的數(shù)據(jù)交換和對(duì)時(shí)的要求。中央控制器采用搶先式硬實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，對(duì)高優(yōu)先級(jí)突發(fā)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí);應(yīng)用軟件具備完善的異步事件觸發(fā)響應(yīng)機(jī)制，保證了上行運(yùn)行信息和下行控制命令都能在2個(gè)采樣間隔內(nèi)完成，因此，就地合并單元和中央控制器之間的數(shù)據(jù)交換就能在在320μS之內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
四、系統(tǒng)的現(xiàn)場運(yùn)行
長島分布式發(fā)電及智能電抗器接入控制示范工程位于長島縣砣磯島內(nèi)。目前，砣磯島內(nèi)電源為大唐聯(lián)凱12MW風(fēng)電場、柴油發(fā)電機(jī)，島內(nèi)平均負(fù)荷500kW，主要依靠長島電網(wǎng)供電。
在本期工程中能量管理系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能電池(電容)、并網(wǎng)變流裝置、并網(wǎng)接入裝置、以及相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將與柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、風(fēng)電、光伏、配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)以及智能電抗器能量管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，在砣磯島內(nèi)建立完整的智能電抗器運(yùn)行、監(jiān)控系統(tǒng)，為整個(gè)砣磯島提供滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的電力需求，實(shí)現(xiàn)砣磯島智能電抗器在并網(wǎng)及孤島狀態(tài)下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保障島內(nèi)工業(yè)、居民、海產(chǎn)養(yǎng)殖以及軍事設(shè)施的持續(xù)性供電。集裝箱式混合儲(chǔ)能電站主要用于砣磯島電網(wǎng)在并網(wǎng)/孤島兩種運(yùn)行狀態(tài)下的平滑切換，平滑風(fēng)光功率輸出;此外，還將具備暫態(tài)有功出力緊急響應(yīng)、暫態(tài)電壓緊急支撐功能。
本項(xiàng)目通過進(jìn)行混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)、風(fēng)電機(jī)組改造等分布式電源建設(shè)，同時(shí)進(jìn)行低壓配網(wǎng)智能負(fù)荷控制，并通過智能電抗器的保護(hù)和控制、能量優(yōu)化管理、后臺(tái)運(yùn)行監(jiān)控等實(shí)現(xiàn)砣磯島供電系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的供電;建設(shè)智能電抗器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行監(jiān)控、穩(wěn)定運(yùn)行控制、能量管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等內(nèi)容，支撐整個(gè)砣磯島供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、優(yōu)化運(yùn)行。
五、結(jié)論
智能電抗器能量管理和穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過了動(dòng)模試驗(yàn)和實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行，系統(tǒng)全面覆蓋智能電抗器的保護(hù)、運(yùn)行控制、監(jiān)控等技術(shù)領(lǐng)域，為智能電抗器的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供了高可靠性的解決方案。
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