梅軼凡, 柴 熠

(上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063)

分層分布式的用戶(hù)端智能配電系統(tǒng)

梅軼凡, 柴 熠

(上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063)

介紹了用戶(hù)端智能配電系統(tǒng)的分層分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),闡述了IEC 61850技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其在用戶(hù)端智能配電系統(tǒng)的應(yīng)用,提出了基于IEC 61850的用戶(hù)端智能配電系統(tǒng)模型,并介紹了用戶(hù)端智能配電系統(tǒng)各層典型設(shè)備的功能。指出通過(guò)各種功能的組合及技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)智能配電柜系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、測(cè)控保護(hù)、信息通信等,從而提高其運(yùn)行效率和可靠性。

智能配電柜; 分層分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu); IEC 61850; 智能化低壓電器

0 引 言

用戶(hù)端智能配電系統(tǒng)位于電力系統(tǒng)末端,直接與終端用戶(hù)相連,是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分。自進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等飛速發(fā)展,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,也逐步被可靠性要求極高的電力行業(yè)所接受,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于低壓智能配電系統(tǒng)中。

智能配電柜設(shè)備主要包括斷路器、互感器、母線等一次設(shè)備和相關(guān)智能組件、輔助系統(tǒng)等二次設(shè)備。目前實(shí)際應(yīng)用中的趨勢(shì)是,將集測(cè)控、保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)等于一體的微機(jī)型保護(hù)測(cè)控裝置等二次設(shè)備嵌入安裝在斷路器等一次設(shè)備中。

1 分層分布式智能配電柜系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能配電柜系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)上可以分為三個(gè)層次,即過(guò)程層、間隔層和管理控制層。

(1) 過(guò)程層位于最底層,是指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過(guò)程層由一次設(shè)備本體和智能組件兩部分構(gòu)成,具有測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動(dòng)化等特征[1]。過(guò)程層主要完成運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、操作控制命令的執(zhí)行和實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量的采集功能,實(shí)現(xiàn)基本狀態(tài)量和模擬量的數(shù)字化輸入/輸出[2]。

(2) 間隔層是指電能信息終端。其主要功能是采集本配電柜各測(cè)控保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息;完成對(duì)一次設(shè)備的測(cè)量、計(jì)量、檢測(cè)、控制、保護(hù)等功能;并可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)與過(guò)程層及管理控制層的高速網(wǎng)絡(luò)通信功能,達(dá)到作為橋梁的通信功能。

(3) 管理控制層包括服務(wù)器、通信設(shè)備及不間斷電源等。其主要任務(wù)是通過(guò)以太網(wǎng)匯總智能配電柜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息;接收有關(guān)控制執(zhí)行命令并轉(zhuǎn)由間隔層、過(guò)程層執(zhí)行;具有智能配電柜系統(tǒng)本地監(jiān)控,人機(jī)交互功能;能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)間隔層、過(guò)程層各設(shè)備的實(shí)時(shí)在線維護(hù)及在線參數(shù)修改的功能。

2 IEC 61850在用戶(hù)端智能配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

2002年IEC TC57制訂的IEC 61850是關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)[3]。 IEC 61850規(guī)范了數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)定義、設(shè)備行為、設(shè)備的自描述特征和通用配置語(yǔ)言,使不同智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作成為可能。目前較多的是將IEC 61850應(yīng)用于變電站通信中,但該標(biāo)準(zhǔn)提出的系統(tǒng)分層、面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、應(yīng)用與通信分離、配置語(yǔ)言等概念也同樣可應(yīng)用于配電系統(tǒng)中,有助于形成無(wú)縫通信體系的配電系統(tǒng),增強(qiáng)用戶(hù)端配電系統(tǒng)的兼容性、一致性、互操作性與互換性。

2.1 智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)

智能配電柜應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)將斷路器、自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)等智能電器構(gòu)成的系統(tǒng),采用現(xiàn)代通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壽命管理、故障快速定位、雙向通信、電能質(zhì)量監(jiān)控等功能。應(yīng)用于智能配電柜的低壓電器信號(hào)采集實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,既能確保足夠的采樣速率和良好的準(zhǔn)確度,又便于對(duì)事件進(jìn)行早期評(píng)估,通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行故障早期預(yù)警,快速定位故障點(diǎn);通過(guò)故障時(shí)的故障隔離和非故障區(qū)域的自動(dòng)恢復(fù)供電,實(shí)現(xiàn)配電柜的快速安全恢復(fù)和自愈,從而滿(mǎn)足智能配電柜的保護(hù)與控制要求。

智能配電柜自動(dòng)化系統(tǒng)如圖1所示,將智能配電柜自動(dòng)化系統(tǒng)劃分為過(guò)程層、間隔層和管理控制層三層結(jié)構(gòu)。

圖1 智能配電柜自動(dòng)化系統(tǒng)

過(guò)程層的邏輯節(jié)點(diǎn)包括XCBR斷路器、PTUV欠壓保護(hù)、XSWI隔離開(kāi)關(guān)、GGIO通用過(guò)程I/O、TCTR電流互感器、TVTR電壓互感器。IEC 61850目前還沒(méi)有對(duì)應(yīng)于自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn),可以使用欠壓保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)回路電壓。當(dāng)電壓低于正常范圍時(shí),通過(guò)CSWI發(fā)出動(dòng)作指令,使自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)將電源切換至備用回路供電。TCTR和TVTR分別負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)電流、電壓數(shù)據(jù)并發(fā)送到位于間隔層電能信息管理終端的邏輯節(jié)點(diǎn)MMXU。XCBR斷路器和XSWI隔離開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息由GGIO的Ind屬性負(fù)責(zé)處理,開(kāi)關(guān)的報(bào)警狀態(tài)由GGIO的Alm屬性負(fù)責(zé)處理,GGIO的DPCSO屬性負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)的控制。

間隔層的GAPC通用過(guò)程自動(dòng)控制接收來(lái)自GGIO的相應(yīng)信息。MMXU和GAPC將實(shí)時(shí)采樣值及狀態(tài)信息發(fā)送到位于管理控制層的IHMI人機(jī)接口,用于監(jiān)測(cè)及存儲(chǔ)。同時(shí),位于管理控制層的CALH故障處理的GrAlm屬性將成組的故障電量發(fā)送至IHMI。IHMI也可在斷路器正常運(yùn)行情況下直接發(fā)控制命令給CSWI,通過(guò)CSWI的OpOpn及OpCls屬性斷開(kāi)或閉合斷路器。

2.2 智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)功能

智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)功能模型如圖2所示,由測(cè)量模塊LD1、保護(hù)模塊LD2、智能終端模塊LD3構(gòu)成。以斷路器的電壓測(cè)量及過(guò)電壓保護(hù)功能為例,邏輯模塊LDl中的MMXU功能單元獲取TVTR電壓互感器的實(shí)際電壓有效值。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí),MMXU的電壓有效值大于PTOV所存儲(chǔ)的過(guò)電壓保護(hù)極限值,通過(guò)CSWI邏輯連接斷路器控制器使斷路器斷開(kāi),從而實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)。

圖2 智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)功能模型

與電壓測(cè)量及過(guò)電壓保護(hù)功能類(lèi)似,測(cè)量模塊LD1中的MMXU從TCTR電流互感器采集電流,并通過(guò)保護(hù)模塊LD2中的相關(guān)功能單元完成瞬時(shí)過(guò)流、定時(shí)過(guò)流等保護(hù)功能,同時(shí)將采樣值周期性傳輸?shù)絃D3的IHMI人機(jī)接口功能單元,并在人機(jī)界面上顯示并存儲(chǔ),如斷路器運(yùn)行、故障狀態(tài)的顯示及存儲(chǔ)等。

通過(guò)應(yīng)用IEC 61850的建模標(biāo)準(zhǔn),智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能:

(1) 統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集。利用分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù),根據(jù)各種不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型,可采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集方式。智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)綜合采集運(yùn)行數(shù)據(jù),使目前分散、重復(fù)在各自監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和在線監(jiān)測(cè)裝置中的測(cè)量、保護(hù)、控制數(shù)據(jù)能在新的、統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)支持系統(tǒng)中逐步集成、整合,并最終實(shí)現(xiàn)各配電設(shè)備統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集功能。

(2) 統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。智能配電柜內(nèi)對(duì)不同時(shí)間、不同類(lèi)型、不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的整合和存儲(chǔ)管理,作為統(tǒng)一的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái),以滿(mǎn)足歷史數(shù)據(jù)記錄的需要。

(3) 適合可再生能源發(fā)電的接入和電能效率及質(zhì)量的提高。一方面為了實(shí)現(xiàn)可再生能源的利用以提高電能效率和質(zhì)量而開(kāi)發(fā)可再生能源發(fā)電系統(tǒng),另一方面隨著諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償、瞬變過(guò)電壓抑制和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)過(guò)電壓抑制與保護(hù),自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)抑制設(shè)備等大量需求的誕生,對(duì)智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)提出了更多更高的要求,傳統(tǒng)配電系統(tǒng)將面臨延伸和拓展,這將是智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)新的發(fā)展機(jī)遇。

(4) 具有網(wǎng)絡(luò)化功能,實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境?？稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的生產(chǎn)、消費(fèi)模式,形成了生產(chǎn)者與消費(fèi)者的雙向互動(dòng)服務(wù)體系,也促使傳統(tǒng)配電系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。根據(jù)用戶(hù)需求采用靈活配置的方式,促進(jìn)用戶(hù)參與電網(wǎng)運(yùn)行和管理,平衡用戶(hù)電力需求,滿(mǎn)足其需求與供電能力之間的供求關(guān)系,減少或轉(zhuǎn)移高峰電能需求,可減少熱備發(fā)電站,并進(jìn)一步提高節(jié)能效果和供電可靠性,從而最大限度地節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。這既需要開(kāi)拓全新的運(yùn)營(yíng)管理模式,又需要具有雙向通信、雙向計(jì)量等網(wǎng)絡(luò)化的智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)的支撐。因此,這些需求也將促進(jìn)智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展。

3 智能化低壓電器

低壓電器是智能電網(wǎng)用戶(hù)端中智能配電系統(tǒng)的重要組成部分,而智能電網(wǎng)的實(shí)質(zhì)就是信息化技術(shù)在傳統(tǒng)物理電網(wǎng)中的應(yīng)用,即信息化與傳統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)結(jié)合的產(chǎn)物,是由信息化技術(shù)帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí),也為IEC 61850的面向?qū)ο蠼ｓw系提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。智能化低壓電器是指低壓電器操作所需的各種信息由安裝在低壓電器設(shè)備內(nèi)的微機(jī)型測(cè)控保護(hù)裝置直接處理,使低壓電器裝置能夠不依賴(lài)于管理控制層的控制系統(tǒng)而獨(dú)立地執(zhí)行其本地功能。

3.1 智能化低壓電器的特點(diǎn)

智能化低壓電器以微處理器為核心,將電力電子、傳感器、網(wǎng)絡(luò)、通信等弱電技術(shù)與過(guò)電流/過(guò)電壓保護(hù)、高可靠動(dòng)作等強(qiáng)電技術(shù)有機(jī)融合所建立的低壓電器二次系統(tǒng),使低壓電器具有智能化的操作功能,能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制,并具備以下特點(diǎn):

(1) 參數(shù)狀態(tài)的采集、傳輸和使用數(shù)字化。對(duì)低壓電器的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息能夠?qū)崿F(xiàn)獲取、傳輸和使用的數(shù)字化, 確保足夠的采樣速率和良好的準(zhǔn)確度,對(duì)低壓電器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并對(duì)一些重要參數(shù)進(jìn)行分析,通過(guò)建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái),從而提高智能電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性及縮短安裝和維護(hù)時(shí)間等。

(2) 網(wǎng)絡(luò)控制與信息交互。具有以太網(wǎng)通信接口,能通過(guò)以太網(wǎng)以數(shù)字方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制,可以與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備相互交換運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)和控制命令等信息; 各設(shè)備之間可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信, 取代傳統(tǒng)二次設(shè)備與一次設(shè)備之間的硬接線。

(3) 自適應(yīng)能力。能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境與工作狀況對(duì)操作過(guò)程或設(shè)備自身狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié), 使控制過(guò)程與設(shè)備狀態(tài)最優(yōu)[4], 如智能斷路器可通過(guò)自適應(yīng)分?jǐn)鄬?shí)現(xiàn)智能控制, 從而獲得最佳運(yùn)行效果,延長(zhǎng)斷路器的使用壽命。

智能化低壓電器內(nèi)的微機(jī)型測(cè)控保護(hù)裝置,可以通過(guò)串口RS-485或現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)進(jìn)行通信。低壓電器智能化一方面可為系統(tǒng)提供更為豐富的數(shù)字信息,另一方面也可提高設(shè)備自身的可靠性和安全性,從而可以構(gòu)成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的智能用戶(hù)端配電網(wǎng)乃至整個(gè)低壓配電網(wǎng),為智能電網(wǎng)的建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 智能化低壓電器的功能

智能控制單元的基本功能有以下幾點(diǎn):

(1) 自動(dòng)識(shí)別低壓電器的工作狀態(tài)。低壓電器運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確判定是實(shí)現(xiàn)智能化操作的必要前提,需要監(jiān)測(cè)并記錄低壓電器的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)信息等。

(2) 顯示并記錄低壓電器的工作狀態(tài)。低壓電器正常運(yùn)行時(shí),大部分時(shí)間保持同一運(yùn)行狀態(tài),測(cè)控保護(hù)裝置持續(xù)監(jiān)測(cè)低壓電器的工作狀態(tài),同時(shí)記錄低壓電器運(yùn)行狀態(tài)情況,包括電壓/電流參數(shù)、低壓電器動(dòng)作類(lèi)型等信息。

(3) 具有與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的功能。測(cè)控保護(hù)裝置可以將低壓電器的運(yùn)行狀態(tài)記錄及其他運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送至主控計(jì)算機(jī),主控計(jì)算機(jī)也可以將操作命令及保護(hù)參數(shù)等傳送給低壓電器。

總線技術(shù)及數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用,可以把現(xiàn)場(chǎng)輸、配電設(shè)備和用電設(shè)備通過(guò)智能設(shè)備連接成類(lèi)似計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行、用電質(zhì)量、供電質(zhì)量及供電系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化管理,滿(mǎn)足智能電網(wǎng)的需求[5]。

4 結(jié) 語(yǔ)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)著重強(qiáng)調(diào)了設(shè)備到模型的抽象過(guò)程,隨著智能化一次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和可靠性的不斷提高,突出網(wǎng)絡(luò)化、可通信、自適應(yīng)、可在線監(jiān)測(cè)和自診斷等功能,將極大地滿(mǎn)足IEC 61850對(duì)一次設(shè)備的要求。符合IEC 61850規(guī)范的智能配電系統(tǒng),將會(huì)實(shí)現(xiàn)智能用戶(hù)端的兼容性、一致性、互操作性、互換性,成為構(gòu)成智能電網(wǎng)的重要組成部分。

[1] Q/GDW Z410—2010 高壓設(shè)備智能化技術(shù) 導(dǎo)則[S].

[2] 殷志良,劉萬(wàn)順,楊奇遜.基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程總線通信研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(8):84-89

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[5] 蔣興加,姚彩虹,安宏.多現(xiàn)場(chǎng)總線技市在智能化配電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].低壓電器,2007(10):43-48.

Hierarchical Disitributed Intelligent Distribution System in User Side

MEI Yifan, CHAI Yi

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shanghai 200063, China)

This paper introduced the hierarchical distributed topological structure of intelligent distribution system in user side.IEC 61850 and its applications in the intelligent distribution system were elaborated.The model of user intelliget distribution system based on IEC 61850 was proposed.The functions of typical equipment in the intelligent distribution system were introduced.It is pointed out that the state monitoring,measuring protection,information communication of intelligent power distribution cabinet is carried out by various kinds of functions combination and optimal technique design,to improve the efficiency and reliability of operation intelligent power distribution cabinet.

intelligent power distribution cabinet; hierarchical distributed topological structure; IEC 6180; intelligent low voltage equipment

梅軼凡(1979—),男,高級(jí)工程師,從事智能電器及系統(tǒng)方面的研究。

2014-10-28

TM 727.4

B

1674-8417(2015)02-0018-04

柴 熠(1980—),男,工程師,從事樓宇自控與節(jié)能方面的研究。