数字化技术背景下的发电厂电气二次一体化分析

数字化技术背景下的发电厂电气二次一体化分析

赵广辉

中山嘉明电力有限公司 528400

摘要：为推动发电厂二次一体化建设，我国发电企业逐步引进数字化技术，借助该技术实现改进电气二次一体化设计，使其在融合数字化技术后能够更好的调用电力资源。本文结合发电厂电气二次设计的基本原理，以及基于数字化建设发电厂电气二次一体化的价值，对数字化技术在发电厂电气二次一体化设计方案中的具体应用展开讨论。通过研究可知，数字化和电气系统的融合能够提升电气自动化控制水平，保障电力资源生产效率，节约发电厂运行资源，使我国发电厂能够稳定、可持续的发展。

关键词：数字化技术；发电厂；电气系统；二次设计；一体化

引言：目前，数字化技术在电气二次一体化的应用已经成为电力企业内部建设的重要举措，但是为确保数字化和电气设计融合的可靠性，还应结合发电厂电气二次一体化设计的基本要求、建设目标，灵活运用数字化技术。横向、纵向的优化发电厂运行期间电力设备之间的通信方案，协调好电力资源生产中各类设施的关系，全方位的完善电力设施功能，实现电气二次一体化建设目标。

一、发电厂电气二次设计的基本原理

发电厂电气二次设计的主体包括元件继电保护系统、电气自动化工程安全监测系统、直流电源、变电站监控系统等。基于数字化技术设计发电厂电气二次系统时，设计原理是运用智能化的电子互感器，准确、可靠的输出电力资源的生产信息、电气系统控制信息。随后根据智能电子互感器对信号的采集结果，量化处理电气系统中的通讯信号，随后集中将其传送给二次设备，维护发电厂各类电气设施运行的可靠性。在此过程中，数字化技术的应用可以持续的使电子互感器处于采集输入、输出信号的状态，并在多路转换开关、取消A/D变换时，使电气设施处于良好运行状态[1]。

另外，发电厂电气二次一体化设计时，数字化技术可增强电力设施控制终端的智能化，使其在发布控制命令时，借助光缆、光纤传输相关信号，使其将控制命令传输给设备开关的智能终端。并在数字化处理开关量信息后，将其传输给二次设备，用二次设备反馈开关输出量，便于智能终端更可靠的控制二次设备、其他电力设施。

二、基于数字化建设发电厂电气二次一体化的价值

1）在发电厂电气二次一体化建设中，数字化建设能够促进二次设备运行期间，各类数据的融合，可以实现电气系统运行期间计量、监控、继电保护设备中通讯信息的共享，满足电气二次专业横向融合需求。基于电气系统二次设计一体化，发电厂会借助数字化技术，分别从间隔层、过程层、站控层进行数据整合，集中采集系统运行中的设备信心、控制命令，以及电力资源生产信息。

2）过程层是统一采集信息、促进数据格式标准化的功能层，在电子式互感器的作用下，相关人员可直接将所采集的数据转变为数字化信息，并通过对应的通信协议对点传输相关信息，分别将控制命令、运行数据传输给继电保护系统、网络通信系统、电能测量系统等，使发电厂运行期间各类电气设施信息源统一，不会因设备数量过多而出现较大的功率损耗。

3）基于数字化技术，发电厂智能设备会借助各功能层网络，为相关电力设备提供丰富信号源，使其合理的分配控制命令[2]。比如，合理分配各电气设施功能控制命令，将开关量信号、数字采样信号、模拟采样信号转变为同一标准，同时利用间隔层传输设备信息，节约传统过程层中的电缆电线。便于发电厂电气系统管理人员利用统一的数据源，建立标准化、一体化的数据模型，优化电气系统整体性能，使其满足新时期发电厂供应电力资源期间的能耗控制、设备管理要求。

三、数字化技术对发电厂电气二次一体化建设的作用

（一）完善二次设备功能

将一体化设计与数字化技术进行融合后，数字化技术的应用可以优化电气二次一体化方案设计，完善二次设备的功能，使其具有以下特征：

1）传统互感器转变为智能化、数字化的电子式互感器，实现电量采集数字化。2）可以在发电厂日常运行期间，针对断路器、隔离开关、变压器等核心电气设施运行信号进行集中的数字化采集，从而节约传统电气设计中的电缆资源，规避电缆过长造成的干扰问题。3）更智能的控制断路器、隔离开关等电气设施，使系统针对这些单体控制设备，灵活的进行性能诊断、安全监测、下达操控指令工作。

4）促进发电厂所有电气设备的数字化管理。比如基于数字化技术的电气二次一体化方案，发电厂可以借助数字化技术，管理主变压器、发电机及其继电保护设备，全方位的监控管理相关设备。5）避免因信息孤岛问题影响发电厂正常供应电力资源。数字化技术可用于优化电气二次一体化设计方案，准确、高效的获取发电厂运行期间各类电气设备所产生的数据信息，并通过数据获取、交换、处理、运用打破信息壁垒，预防发电厂内部信息传输时因信号不统一、数据不完整造成的信息割裂现象[3]。

（二）实现二次系统建设目标

数字化技术和发电厂电气二次一体化方案的融合可以实现二次系统建设目标，使其功能升级，基本性能符合发电厂安全、稳定性运行的根本要求。

1）促进二次系统中各专业的相互融合，并通过发电厂内电气控制系统的数据整合、数据共享夯实系统管理基础，提高发电厂运行效率。

2）优化发电厂电气设施，提高各类电气设备自动化、数字化控制水平，节约电缆资源，控制线路设计方案中的资源损耗。

3）完善电气设施运行机制，使其在使用过程中具有自我检验、事故报警功能，借此避免因安全事故、故障问题造成的系统风险。

4）实现不同专业电气设施互相融合、协调，升级电气设施，使各类设备的安全性能、生产功能满足发电厂生产要求，使发电厂处于安全、稳定的运行状态，更可靠的电力资源。

四、发电厂电气二次一体化中数字化技术的具体应用

（一）优化电气系统功能层

电气二次一体化设计期间，数字化技术可以优化电气系统功能层，促进间隔层内二次设备功能升级，使系统更科学的配置输入、输出模块的通讯信号。具体来说，数字化技术可以改进间隔层内设备的继电保护、快切、电力计量、设备监测功能功能，并按照IEC61850 中的相关要求，建立数据模型，高速交换电气系统通信网络信号中的数据信息，便于发呆农村灵活配置现场信号，提高发电厂运行效率[4]。

在此过程中，基于相关电气设计标准的数据模型可以作为电气二次一体化设计的基础，针对性的优化电气保护装置功能设计，改善电气设备整体性能，满足电气二次设计时对系统数据的要求。间隔层的功能改造，主要体现在一以下内容中：

1）利用不同设备采样功能模块就地采集系统内的运行信号、通信讯号，并在数字化技术的支持下，应用SMV标准传输信号集中计算相关数据。

2）通过发电厂内母线电压互感器保护设备的运行状态，采集GOOSE网络的动作信号，并根据各装置出口的动作信号，评价分析低电压保护动作。

3）对于发电厂内的厂用电源位置、二次设备和其他电气设备的模拟量信号可通过过程层网络传输到间隔层的快切装置中，使其智能控制系统各开关。从而节约发电厂电气设计中电缆、传统传感器的实际用量，控制系统管理期间辅助接点数量，维护电气系统安全星、稳定性。

4）使发电厂计量功能、测量功能相互合并，同时能够通过系统内通讯信号的统一，更高效的检测设备状态，保护专业电气设备，形成由过程层网络构成的一体化五防系统，并且在系统后，系统会处于自动监测状态，有助于保障人工操作的可靠性。

对于站控层而言，数字化技术的主要优势集中在各专业数据、功能的融合。发电厂可凭借统一、标准化的数据信息和通讯信号，建立数据模型，构建一体化发电厂二次系统的数据访问信息平台。该平台可以在发电厂运行期间，针对电力供应期间的功能需求提供数据访问服务，联合应用大数据、云计算技术后，使发电厂电气系统具有运行报警、设备管理、画面监视，电力资源自动统计、服务查询等发电厂应具有的电气功能，并且按照大数据分析结果，融合发电厂运行数据，使其对比不同电气设备能耗、性能，全面升级电气系统[5]。

（二）实现多专业数据融合

数字化技术具体应用在发电厂电气二次一体化建设时，可以实现多专业的数据融合，促进计量、监控、继电保护专业设备内信息数据的共享，满足发电厂电气二次设计时的融合要求。具体融合渠道是依据IEC6180 标准，以及发电厂现有的二次一体化方案、电气设计方案、厂站一体化架构，将数字化技术融入电气系统的过程层、间隔层、站控层。对过程层进行数字化改造。

即在采集发电厂电气系统内的信息时，应用电子式互感器进行数据采集，并所掌握的信息转化为数字信号。然后在各类数据统一处理后，根据IEC61850-9-2标准协议进行组网传输。或是按照IEC50044-8协议将集中处理后的大量数字信号集中进行点对点传输，分别传输到电气系统的继电保护、测控、电能测量等设备，使系统内所有专业电气设备的据源统一，并在发电厂运行其，减少因数据源不统一而造成的电气设备功率损耗问题，更科学的控制电气设备安装数量，完善电气系统功能。由此可见，数字化技术和电气二次一体化设计方案的融合，可以促进系统的智能化升级，让一次设备借助过程层网络提供各类数据信息，更科学的设计电气装置的功能层，使其进行信息交互、数据共享。

图1 过程层、间隔层各专业数字信号的通传输架构

此外，基于数字化技术，电气系统过程层网络在模拟、采集数据信号、开关量信号时，不同协议中的数字采样信号均可转变为统一的数字信号。GOOSE、SMV则可利用光线以太网传输各专业电气设备的数字信号，解决传统电气设计中过程层损耗大量电线电缆的问题，统一数据源，具体架构，如图1所示。

（三）促进系统内数据融合

随着数字化技术和发电厂电气二次一体化设计的深度融合，电气系统各专业的横向数据会处于持续融合阶段。基于数字化技术，相关人员在电气设备数据管理时，使二次一体化设计中厂站端一体系统更灵活的调度、管理电气设备。为各子系统制定统一的数字通信标准，实现发电厂厂端一体化系统、电气设备信息的融合。从而在发电厂生产运行期间，充分利用信息监控、电气控制、电网调度设备中的数据资源，完整采集设备信息，提升发电厂安全运行管理水平，减少系统运行的成本。

此外，发电厂进行电气二次一体化建设前，电网调度系统在获取电气设备信息时，智能接收部分升压站的运行信息、设备信息。但在数字化技术推动发电厂电气二次一体化建设后，电网调度系统则可接收发电厂内不同专业电气设备的信息，具体包括厂用电信息、机组信息、火电厂回路信息等，并根据所采集的数据信息，准确评估发电厂电气设备运行状态，针对性的落实安全管理工作。

对于风力发电厂，发电厂在监控管理不同厂家生产的风机时，电气系统中监控模块与发电设备、升压站无法进行信号匹配，从而无法实现发电厂内电气资源的统一调度。但数字化电气二次一体化系统实现后，风电场可以依据IEC61580、IEC61400-25标准一体化的进行设备管理。在此期间，风力发电从中的升压站、风力发电机、风机功率监控系统将实现一体化管理，可以采用统一的协议、模型、数据源，满足电力企业的管控、调度电力资源的根本要求，完善风电场服务功能。

（四）加强线路保护

在利用数字化技术进行发电厂电气二次一体化设计时，还应加强线路保护。目前，发电厂的线路保护主要包括距离保护、过流保护、线路分相电流差动保护。过流保护设计时，电磁式互感器状态会直接影响过流保护效果，所以在二次一体化建设时，所用电子式互感器应具有无饱和特性。对电气设备的线路进行距离保护时，还应采用数字化技术，提前明确电流是否存在分周期分量，避免出现测距误差。对于分相电流差动保护，线路内所用的互感器应为分饱和特性的电子式互感器。

（五）合理安装电气二次回路

发电厂二次电气一体化设计应用数字化技术的关键在于升级电气系统，优化电气二次回路。但是在系统数字化改造过程中，二次回路的安装还应符合《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB 14285)中的相关规定：

1）发电厂二次回路设计中工作电压应控制在500V以内，电子式互感器的二次回路连接负荷应小于电气系统继电保护时的负荷范围。

2）发电厂需要使用铜芯的控制电缆、绝缘导线，且二者的芯线最小截面应符合强电控制回路不小于1.5mm，弱电控制回路不小于0.5mm的要求。

3）选择电缆芯线截面时，电流回路、电压回路、操作回路设计应具有明显差异性。例如电流回路中，电流互感器工作等级应符合电气二次一体化设计方案、电气设计规范。必要时可根据断路器断流容量计算电流回路中的最大短路电流，以此选用电缆芯线截面。电压回路中电压互感器到继电保护、安全自动装置屏的电缆压降应小于额定电压的3%。操作回路处于最大负荷时，电源合闸绕组电压降需要小于额定电压的10%。

五、结语

综上所述，随着数字化技术和电气二次设计方案的深度融合，电气系统改造中的技术体系不断完善。但是在电气二次一体化中引进数字化技术时，相关企业还应严格遵守相关的安全标准、设计规范，合理的运用数字化技术，使改善后的电气系统符合相关要求。与此同时，电气二次一体化设计方案中，数字化技术还应服务于发电设施的通信、控制和生产工作，积极的促进电气系统数字化建设，打造一体化的电力设施，为我国发电厂现代化建设提供助力。

参考文献：

[1]刘千宽,刘宏君,丁晓兵等.服务于变电站数字化设计的二次设备建模技术研究[J].电力系统保护与控制,2021(2):7-8.

[2]朱才桂.浅析数字化变电站电气二次设计[J]. 中文科技期刊数据库(文摘版)工程技术, 2021(11):35-36.

[3]陈颖,诸言涵,杨运国.变电站电气二次专业数字化施工图绘制与成果移交[J].电工技术, 2021(12):2-7.

[4]罗克伟.变电站电气二次数字化设计技术优化方案[J].能源与环境,2020(01):13-18.

[5]周东阳,刘爱君,王承文等.电站三维数字化模型技术的研究与应用[J].热力发电,2020(1):56-58.