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电力系统中的二次设备

已有 5304 次阅读 2021-3-3 16:38 |系统分类:科研笔记

在工程技术领域,电力系统是典型的复杂系统。以前看到过一种说法,就是能对电力系统运行的各个环节都了如指掌的人,全国不超过1000个人。我显然不在这1000人中,虽然在努力中。但是我毕竟在中国最大的电力系统二次设备厂家工作过这么多年,写一写电力系统中的二次设备的科普文章应该是可以胜任的,正巧前段时间有别的行业的朋友咨询过这方面,那就写成科普文章吧。

电力系统分为一次设备和二次设备,一次设备是指直接用于生产、输送和分配电能的生产过程的高压电气设备。它包括发电机、变压器、断路器、隔离开关、线路等等。二次设备是指对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为电力生产人员提供信息化工具等。二次设备的市场容量,应该是数千亿/年,这是一个不小的产业。首先,不能认为一次设备比二次设备重要。一次设备是不能独立运行的,比如说某个一次设备主保护都失灵,则这个一次设备必须陪停。其次,在工业化往信息化的产业升级过程中,二次设备会带来更多的数据增值,因此某种程度来说,在投资和技术发展角度,二次设备可以说是电力行业发展的重点。

由于二次设备与一次设备密切相关,先介绍一次设备。我们知道,电力系统主要采用交流电(篇幅所限,本文就不谈直流输电和柔性交流了),为了减少传输损耗,交流电从发电机出来后,总是先提高电压,再一级级降压,再变为终端用户所需的电压。因此,一次设备可以分为以下几类:

1)发电,包括传统的火电厂、水电厂、核电站,也包括新能源电站、分布式发电等。我们也可以把抽水蓄能电站放进来。这个是电能的源头,当然是很重要的。

2)输电,指的是特高压、超高压等,多采取架空线,往往会翻山越岭,有的输电线甚至是跨越省级的,可进行大范围资源配置。

3)变电,把电压由高电压降为低电压(发电厂发电机的升压一般在本电厂就完成了,所以我们说的变电站都是降压)。比如说500kV变电站,都在城市郊区,转换为220kV输电线路往城市中供电。220kV输电线路会汇聚一些本地的小型电厂,再转为110kV电压。110kV变电站就相对很多了,很多街道都会有的。变电站除了降压功能,还可以通过断路器(断路器就是开关)倒闸操作,实现变化电网结构的作用,对于没有变压器的变电站,我们叫他开关站。变电站是一个集中性的场所,跟输电是不一样的。

4)配电,前面说的220kV及其以上电网都属于输电网,输电网的特点是网状。110kV及其以下就是辐射状供电,虽然很多采取闭环设计、开环运行的方法,这样在停电时可以转供。配电与输电相似,都是在变电站之外,但是对于城市来说,现在的很多配电线路都改造成地下电缆了,业务当然是不一样的。有一点需要指出,从电网结构和规划角度,110kV及其以下电网就算是配电了;从调度业务的分级划分角度,110kV35kV这样的高压配电网仍然属于地调管辖,只有10kV出来的馈线,才属于配电的业务领域。这个很多人容易混淆。

5)用电,直接面对用户,供电企业也把这个领域叫做营销侧,但是有的用电设备产权并不是属于电网公司的,比如有的园区电网、大工厂的内部电网等,所以我觉得还是叫用电比较贴切。

每一种一次设备都有对应的二次设备,但还有一些需要单独来说,包括:

调度及其信息化系统,是从整体角度对电力系统的生产运行进行调度控制,包括调度计划的制定(现在的调度计划逐渐由电力市场来形成);电网的稳态控制;故障处理;还有生产管理,等等。还有安全稳定控制,这也是从全系统的角度进行安全防御。

总体来说电力二次设备的特点,可归结于“测控”二字,测指的是的测量、观测、监测;控指的是控制、调度等。这里测控的含义比测控装置广义得多,也并不局限于电力系统,处理测控信息的人可能是人也可能是程序,用集合论的话来说,可控的范围是可测的范围的真子集。比如说,在计算机领域的docker技术中,namespace技术可以让进程测量的范围限定在隔离的范围;cgroup可以让进程控制的范围,例如CPU、内存设定在隔离的资源内。

在不同的历史时期,测和控的具体形式不一样。比如说20世纪80年代,调度自动化系统只能对主力电厂和变电站实现很有限的测控,测量点号的数量还不及现在的一个县调,监控界面也是简单的光字牌等。而现在测控的范围越来越大,界面也实现了多种可视化、立体化的渲染,效果完全不一样了。但不管怎么说,研究电力二次设备,搞清楚这个设备测什么、控什么,测的东西从哪里来;控的东西又到哪里去,那就纲举目张,一目了然。

按照具体的技术内涵,电力二次设备可以分为两类:

1)装置类,直接贴近一次设备,由于直接和硬件打交道,多半采取实时操作系统或直接跑在CPU上,采用嵌入式的软件开发模式,应用开发尽量基于统一的软硬件平台,可以同时适应驱动各种CPUDSPFPGA板卡,适应网卡、串口、PCI总线等各种接口,有标准通信规约提高系统互通性。

2)平台类,与人的关系更近些,与应用和业务密切相关,虽然这里也有自动控制存在,但这种自动控制显然需要很多的自动化运维工作,还是要人的参与。这一类开发与互联网公司的平台开发具有相似性,都需要有数据库、缓存(实时数据库)、中间件、人机界面,面向服务或面向微服务的应用开发架构,等等。

有的二次设备处于装置类与平台类的中间,比如边缘层的设备执行一些边缘计算功能,一方面与硬件打交道,是一个装置;同时也有一些本地应用,以及与远方系统有通信,甚至这些本地应用可以运行第三方厂家定制APP

下面详细介绍各种电力二次设备。

1)发电侧

发电机正常运行必然存在附属的控制设备,例如励磁、调速器,需要响应电网调度的AVCAGC指令,这些当然都属于二次设备。除此以外,对于水电厂,可以拓展出流域监控、水情水调系统;对于火电厂,可以拓展出机组锅炉协调控制(CCS)。对于新能源电站,可以拓展出光伏逆变器MPPT控制、风电桨距角控制、新能源电站监控,包括新能源出力预测等。

实际上,电力系统复杂的物理现象多半与发电侧密切相关、不可分割的,例如低频振荡、次同步振荡、混沌振荡等。但我国2002年就实现了厂网分开,这是从提高电力市场竞争角度考虑的。与此同时,电网企业的科研机构与发电企业的科研机构也分开了。许多电网的科研人员不熟悉、不了解发电厂的实际情况。我个人觉得这不太好,当然从市场经济角度,很多同志希望电力系统分割成不同的组成部分,每种组成部分在市场环境下独立运营。但是从技术角度,电力系统的整体性特征还是非常明显的。当然这只是个人观点,仅供参考。

2)输电侧

输电线路的状态监测是近期热门的领域,需要安装大量的传感器,包括覆冰监测、舞动监测、金具发热监测、导线弧垂监测、导线温度监测、杆塔倾斜监测、微气象监测、雷电监测、山火监测,防外力破坏的视频监测,以及无人机巡航、机器人巡线等。

基于上述这么多传感器可以开发应用,例如导线“三跨”监测、线路巡线和检修的管理、动态增容(临时提高输电限额)、灾害预警等等。但是目前最大的挑战是,输电线路往往跨越万水千山可是环境不可控,不像变电站那样容易集中运维管理。无论是通信(可能没信号或者没有好的信号,需要周边汇聚到某个杆塔下再通过某个3G信号上送)、二次设备取电(虽然输电线路就在头顶,但是高压是不能直接给二次设备供电的,二次设备电源只能另想办法,例如电池、光伏,这带来很多附加的问题)。所以输电侧传感器的可用率肯定是偏低的,怎样提高传感器的鲁棒性、长期运行的能力,降低运维成本,这些很难解决而且都不是学术研究所能料到的。

还有一点,输电侧的数据来源繁多,数据整合处理的工作也很大。不像调度、变电领域,很多数据处理都已经标准化、流程化了。

3)变电侧

变电侧是电力二次设备的传统领地,说到这就不得不提一个非常重要的标准:IEC 61850。这个标准就是利用先进的通信和计算机技术,把变电站二次设备变成数字化的,以及在此基础上实现智能化。记得我以前在500kV变电站工作,从互感器到保护、测控装置是需要拉电缆的,这是重体力活。采用光纤以太网和交换机后,那一切都轻松了,笨重的二次回路硬连接变成数字信号的对点,这个不要轻松太多。另外对于站控层设备,该标准提供了统一的模型描述,开发应用便捷许多。当然IEC 61850还是有些瑕疵,但是我作为过来人,真的是觉得是革命性的进步。

按照层级从上到下,变电站二次设备分为以下几种:

站控层设备:包括变电站监控(相当于小型的电网监控主站),实现程序化控制、告警直传等高级应用功能;远动终端或网关机(实现与调度系统的通信);保护信息子站等。

间隔层设备:包括各类一次设备间隔的测控保护装置;PMU设备;安全稳定装置;备用电源自动投入装置(我本人算得上是备自投专家);故障录波装置等。

过程层设备:包括合并单元(模拟量转换为数字量);电子互感器;智能终端(实现断路器控制)。

除此以外,还包括各类辅助设备,例如消防、门禁、安防系统;一次设备在线监测等。变电站还包括对时系统,其中事件顺序记录(SOE)PMU量测、测控保护等二次设备都有严格的时钟一致性要求,智能变电站授时精度可达到1μs

现在一个趋势是,变电站增加很多新的传感器,例如温度、天气的,以及二次屏柜的图像识别,还有实现设备的机器人巡视等等,另一个趋势是就地化保护,还有集装箱式的二次室。其实我觉得,变电站二次设备,这已经是一个非常成熟的领域了,继续提升的空间不大了。当然,这也是一家之言。

4)配电侧

以前有种说法:“重发轻供不管用”。当然,现在的情况不一样了。配用电侧已经是大家关注的重点。

配电侧的二次设备,在装置层面,有以下:

配电自动化终端,包括FTU,应用于柱上开关;DTU,应用于环网柜和开闭所的集中式测控;TTU,应用于配电变压器。

这里需特别强调TTU,因为配电变压器不仅仅是单一的一次设备,它底下还连接到380V/220V的低压配电网(即配电台区),因此TTU可以作为边缘侧的设备,不仅执行配电终端的功能,也可以对台区实现自治或开发新应用。

就地的馈线自动化装置,实现故障后恢复供电,以及配电站房监测等。

配电侧的二次设备,在平台层面,有以下:

配电自动化主站,当然这个可与调度一体化设计,形成“调配一体系统”。主要是从主站层面实现馈线故障恢复供电、进行风险预警、运行方式及其合环操作等的计算校核等。

供电服务指挥系统,主要是更好支持客户服务,这个系统同时与用电侧有关系。

配电物联网云主站,这个重点是提高低压配电网的可观测能力,为更多的业务部门服务(而不仅仅是配电运维)。

配电相当于电力系统的毛细血管,与用户的距离更近,很多提高供电可靠性、降低网损的措施,都直接和配电网密切相关。随着大量分布式电源及其储能接入配电网,配电网的形态和运行方式也在发生改变,形成主动配电网等新概念。此外,配电网也是高校做理论研究的师生比较容易切入的领域。

5)用电侧

在装置层面,用电侧二次设备包括智能电表、信息通信装置(集中器、宽带载波)、采集终端等,计量检定等。在平台层面,用电侧二次设备包括用电信息采集主站、95598运营调控、营销业务应用、电费缴纳等系统。

用电侧是配电侧的直接下游,其实是密切相关的,都与电力的最终用户关系很近,所以营配贯通一向被认为是电力公司的重要任务。只有营配贯通,才能实现诸如用户-配变关系、低压配电拓扑等的正确识别,才能实现停电范围到户分析、同期网损的精确分析等看起来很容易实现的业务。

随着电动汽车、微电网的新发展,用电侧不可避免需要研发下面的二次装置:

支持电气汽车充电桩,实现有序充电、大功率充电等;

微电网管控,实现分布式发电预测、储能优化运行、及其二次控制;

需求侧管理,实现虚拟聚合的电厂,与电网调度之间实现友好互动。

综合能源管理平台,实现多能互补的优化运行。

现代社会对电力的持续供电能力要求提高,用电侧和配电侧一样,是快速发展的领域。用电侧的数据有增值变现的可能,包括非侵入测量、园区企业的用能监测等,数据都可以加工提升,作为反映经济活动的指标,当然也要注意隐私保护。

6)调度及其信息通信

调度自动化系统是发展很早,但至今仍在发展的领域。调度系统的运行方式直接对应调度业务的统一管理、分级运行的模式。这一领域不能不提IEC 61970标准,该标准的推广对调度技术的标准化做了贡献。现在国网的CIM/E模型和CIM/G图形描述格式已经反馈回该国际标准,这说明了我国在调度领域进步很大。我本人长期参与调度自动化系统的应用研发。

现有调度系统的总体框架包括平台,以及实时监控与预警、调度计划与安全校核、调度管理,以及南网的运行驾驶舱构成。值得注意的是,随着电力市场改革的推进,电力市场交易平台将起到部分替代调度计划的作用。至于电力交易部门会不会独立出现有的调度中心,这个我也不清楚。

除了调度系统,还有一些其它信息化系统。包括:电网生产管理系统(PMS),对于运检业务在理论上很重要;企业资源计划系统(ERP);企业运营监测系统;发展部门牵头的电网规划平台;国调牵头的用于方式仿真计算的数据平台;还有各种各样的云平台等等。这就不展开详细说了,因为本文篇幅已经很长了。如果都详细介绍,10倍的篇幅也不够。

对于二次设备来说,需要通信系统作为其正常运行的支撑,这是因为二次设备不是孤立的一个个设备,而是组成一个庞大的信息通信网络。同移动、电信等公共通信运营商相比,电力系统的通信有如下特点:严格执行信息分区,特别是生产控制区域,实行了非常严格的内网隔离措施。此外,电力系统的通信偏向于使用成熟的通信技术,在通信技术上与公共通信运营商有差距。电力光缆多采用光纤复合架空地线(OPGW)。电力的骨干传输网分为两个平面,其中A平面采用SDH技术,B平面采用OTN技术。配电侧的通信接入网分为有限和无线组网方式,其中有限采用光纤(工业以太网、EPON)、载波等方式;无线采用无线公网或专网。

7)电网安全稳定控制

电网安全稳定控制是比较特殊的,因为电力系统的稳定性问题在技术上比较复杂,学术色彩更明显一些。电网安全稳定控制的二次设备同样分为平台类和装置类。其中平台类包括:

安全稳定综合防御主站(在线安全稳定分析与决策):是建立在电网调度系统之上的应用,采取周期性启动或事件触发稳定计算,其中在线安全稳定计算有以下功能:静态稳定分析;暂态稳定分析;动态稳定分析;静态电压稳定分析;频率稳定分析。稳定裕度评估求取满足各类稳定要求的稳定断面最大可用输送功率。辅助决策针对失稳隐患的特征,分析系统对应的危险量和调整量信息,确定能改善系统稳定性的调节对象集,从中选取满足系统稳定性要求、调节量和调整代价综合最优的调节方案。主站还可实现安全稳定装置的监控和校核,但对于安全稳定是不具备实时控制功能的。但是主站可以非实时更新稳控执行站或装置的控制策略表。

这种主站不直接控制,但是通过离线或准稳态的方式预决策,然后远程修改装置的定值或策略。思路具有通用性,绝不局限于稳定控制,甚至非电力行业也可以采用。

安全稳定控制的装置类二次设备包括:

特高压电网系统保护,包括毫秒级精准切负荷、频率紧急协调控制,以便应对特高压直流闭锁事故。除此以外,还包括:失步解列装置;频率电压紧急控制装置;低频低压减负荷装置;就地化安全稳控装置等。有的装置属于第二道防线,有的装置属于第三道防线。

安全稳定控制是一套复杂的技术体系,这里著名的“三道防线”,是很多大牛所深入探讨的课题,我在这里就不班门弄斧了。下面的图片来自于南瑞稳控公司的PPT,解释了三道防线,可以参考,这是传统的画法。当然,薛院士的观点,可能是把保护和稳定控制,都作为第二道防线,这个就见仁见智了。

图片1.png

最后谈一谈电力二次设备的未来发展。首先,二次设备在电力总投资的占比会提高,因为大量的新能源接入电网,实际上降低了电力系统一次设备的健壮程度,系统惯性、稳定性指标都下降了,但用户对电力可靠性的要求其实是提升的。一次设备不够只能二次设备来补,通过应用先进的计算机和通信技术,提升需求侧的控制能力,加大储能设备的安装和调控力度,增加电网调度运行水平,等等。这就意味着二次设备投资占比是必然提高的。另外,电力系统中的数据增值服务、数据变现都需要二次设备的支持。其次,电力二次设备投资的增长率一定会高于GDP的预期增长率,因为未来工业用电虽然未必增长非常快,但是电能替代、很多用能转换为电力这种清洁二次能源是可以预期的。由于信息技术的更新换代,电力二次设备也在不断更新,以满足新的需求,我相信这方面的投资不会低。




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