IEC 61850标准及其在智能变电站中的应用
传统变电站自动化系统存在的问题
多种网络与私有协议并存。
传统技术无法实现互操作。影响了一次与二次技术的进一步发展。
什么是IEC 61850
电力公用事业通信网络和系统
变电站自动化的唯一标准
标准制定的主要目标
互操作性、自由配置、长期稳定性
核心
数据模型
服务模型
数据集Data Set
取代Substitution
定制组控制块Setting Group Control Block
报告控制块Report Control Block
日志控制块Log Control Block
通用变电站事件控制块Generic Substation Event Control Block
采样值传输控制块Transmission of Sampled Values Control Block
控制Control
时钟和时钟同步Time and Time Synchronization
文件传输File Transfer
应用GOOSE（报文传输机制）的特点
大大减少二次电缆接线
现场施工与调试工作量减少
GOOSE通信可实现在线监视和告警，为状态检修提供更多信息
GOOSE通信可携带品质，实现检修与运行设备的良好隔离
GOOSE报文可被完整监视，为事故查询工作提供更直接的手段
智能变电站需求
通信是智能化变电站的关键技术
互操作性对智能化变电站的基本要求
IEC 61850提供了完整解决方案
智能变电站技术特点
智能传感技术、数字采样技术、信息共享技术、网络传输技术、同步技术
变电站系统功能结构
合并单元
将来自一个设备间隔的各电流和电压按一个协议规则进行传输的物理单元称为合并单元
同步方式
需要同步的原因：许多继电保护需要的信号是来自不同设备间隔的数字化电流和电压采样信息
方式：插值法、同步法
电网安全稳定运行与预警预控
电网事故及分类
设备事故、自然灾害事故、外力破坏事故、误操作事故
大停电事故对我国电网的启示：
加强电网基础建设；合理适当地分散电源接入；单一通道送电比例不宜过大；推进重要断面解环；合理配置系统的继电保护及安控装置；加强电网安全稳定考核；加强电网在恶劣自然环境下的运行控制；
加快推进特高压交流同步网络建设，构建坚强网架结构。坚持分层管理、统一调度。电源、电网建设应适度超前经济发展。坚持严格的电网安全稳定考核制度。加强应急事故预案。
安全稳定标准
第一级（不采取措施保证正常供电）<第二级（允许切机切负荷）<第三级（使损失降到最小）（事故严重程度）
安全稳定控制三道防线：
一、系统一次网架及继电保护装置；
二、切机、切负荷控制等装置；
三、失步解列装置及足够容量的低频率、低电压减负荷装置和高频切机、快关主汽门等装置。
电力系统稳定限额计算
静态安全分析、静态稳定计算、暂态稳定计算、动态稳定计算、电压稳定计算、频率稳定计算
静态安全分析的主要判据是N-1开断后设备不过载，系统母线电压不越限。
系统运行方式
正常运行方式，事故后运行方式，特殊运行方式
特高压交直流混联电网运行特性
直流与新能源快速发展，电力电子化特征显著
电源侧：新能源发电占比日益增加；电网侧：HVDC、FACTS技术广泛应用；负荷侧：电力电子型负荷占比日益增加
电力系统开始进入大直流、大风电、大规模电力电子化新时代。
电网无功调节能力不足，电压控制问题凸显
直流馈入恶化了系统电压调节特性
直流馈入降低了系统抗无功冲击的能力
直流换相失败吸收大量系统无功
电网惯量水平相对下降，频率稳定问题突出
电网频率调节能力主要与三方面因素有关：一是交流系统转动惯量的大小；二是故障冲击的大小；三是机组调频能力。
电网“强直弱交”特征突出，稳定破坏风险增大
目前引起换相失败的主要原因为交流故障、功率振荡以及主变充电导致的励磁涌流。
换相失败的后果：直流功率无法由整流侧输送至逆变侧，在送端，直流功率无法送出，短时出现较大功率盈余；在受端，短时出现较大功率缺失，网内潮流大范围转移。
特高压大电网运行控制
加强仿真分析能力建设，提升大电网驾驭能力
加强电网动态无功建设，提升电网电压控制能力
加强受端电网抽蓄建设，提升电网频率调节能力
构建特高压电网系统保护，阻断交直流连锁故障路径
强化大电网运行控制，确保系统安全稳定运行
电网智能预警预控
构建以现代信息技术、计算机技术、安全稳定分析与控制技术为基础的大电网安全防御与风险预控体系
系统架构
基本应用功能
- 超短期未来方式预测
- 在线滚动安全稳定分析和预警
- 预防控制辅助决策
- 调度操作前安全稳定预警与辅助决策
- 安稳系统定值在线校核
- 第三道防线在线校核
- 运行跟踪分析与模型参数校核
- 可视化功能开发
- 离线研究（调度预案研究）
快充技术漫谈
手机充电基本架构
USB快充技术
USB口成为手机充电的标准口，但是电流不能超过2A
基于传统USB Connector的高压快充技术：提高充电电压以提高充电功率。
高通快充2.0（3.0）：通过Application Processor来改变D+/D-的电压，实现与CHY100（103）握手及改变Adapter输出电压请求。
USB Connector的发展
USB Type-A(B)的限制
体积大
需要固定插头方向和电缆方向
只传输USB信号
功率传输复杂、昂贵，被限制在了7.5W
电流能力只有2A
USB Type-C的优势
体积小
可逆的插头方向和电缆方向
同时传输USB信号、PCle信号和DisplayPort信号
功率传输简单、价廉，能达到100W
电流能力提高到4.5A-5A
手机快充的另一个瓶颈——充电IC
当功率达到15W，电池充电芯片发热严重。
基于Type-C的低压直冲技术
手机告诉适配器如何调整输出电流电压
适配器直接给电池充电
使用MOSFET带来更高的效率
瓶颈：维持相同的充电功率需要更高的电流；电缆粗且昂贵
电荷泵开关充电器
能减小一半的输入电流，效率97%-98%
手机适配器的挑战
高功率密度
集成封装技术：二维封装、3D封装、磁元件集成制造技术
氮化镓器件：基于硅开关速度慢、低效和昂贵；GaN实现高频开关和提高效率，但增加驱动成本和系统复杂性。
小米快充移动电源
高通QC协议（A+B）
联发科PE协议（A+C）
手机快充芯片项目介绍
技术背景
手机端：可承受更大电流的电池、高效率的手机内部DCDC、优秀的电源管理和热管理
充电器端：更高的充电功率、合适的充电协议、合适的充电线缆
高功率密度
功率密度提升的关键：提高开关频率、优化EMI滤波器
小功率充电器控制IC应用和设计简述
充电器拓扑
低成本隔离/非隔离方案： RCC（自振式反激变换器），阻容降压
高性能隔离方案： SSR PWM反激变换器、PSR PWM反激变换器
充电器方案发展趋势
更高集成度、更高性能、更低成本、更智能化、更高可靠性
集成电路简易研发流程
多智能系统分布式协调控制
如何控制多个交通工具
a centralized approach：结构简单
a distributed approach：低操作成本，高鲁棒性，适应性强、扩展性好、对系统要求低；结构复杂
物联网时代安全与隐私问题
海豚音攻击及其防护——智能音箱
如何让攻击不可听：将攻击声音调制到超声波频段
如何将超声波调制的声音恢复：麦克风器件非线性原理 —— 高频到低频的声音恢复
防护方案：硬件防护：更新麦克风模块；软件防护：基于信号特征差异
自动驾驶安全及可穿戴医疗设备安全——传感器
攻击超声波传感器：后果：该停却停不下来 ，不该停却停下来。
家庭隐私安全及防护——无线摄像头
洗澡规律预测、网页访问推测、无线摄像头检测、儿童手机用户识别
如何防止熊孩子玩手机
现有解决方案
• 父母人为管制
-花费时间、精力
• 基于应用软件的儿童访问限制方法
-需要提前开启
• 基于人脸或音频的用户认证方法
-需要采集隐私数据
基于交互行为的智能手机儿童用户识别
• 手机操作系统或者应用后台收集交互行为数据（点击、滑动）
• 提取手掌几何特征、指灵活度相关的35维特征向量
• 使用机器学习方法辨别当前用户为成人或儿童
电力系统规划介绍
规划基本要求
电源结构合理
电压支撑点多
系统运行方式灵活
发、输、变、配电比例适当
保证用户供电的可靠性
系统运行经济
用电需求预测的方法
数学模型、时间序列、弹性系数、产值单耗、负荷密度……
完整的规划体系要求
220千伏电网典型网架方案
220kV受端电网的结构应主要以500kV变电站为中心，实现分片供电，正常方式下各分区间相对独立。各区之间具备线路检修或方式调整情况下一定的相互支援能力。
220kV受端电网一般采用双回路环网结构。
220kV变电站不采用“T”接线方式构网。
110千伏电网典型网架方案
110kV高压配电网的接线一般采用辐射型结构。
110kV变电站宜采用双侧电源进线.
电网发展制程技术
柔性直流输电
柔性直流输电技术是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。
电压源换流器：由具有关断能力的器件（如IGBT）组成的换流器
技术优势
具有独立的有功、无功功率控制功能，并可快速、灵活的调节；
具有宽范围的功率运行特性，有功和无功的范围调节范围均可从零到最大设计值；
具有潮流反转功能，可以快速的从一个功率输送方向翻转到相反的方向；
提供电压支撑功能，可以为相联的交流系统提供无功支撑能力；
可以隔离系统故障和短路电流，在相联交流系统故障时阻断故障的扩大，不会增加短路容量；
提供黑启动功能，在相联的交流系统故障后能够提供一个恒定的电压和频率支撑，使系统快速恢复。
MMC换流阀的优缺点
优点：高度模块化设计，易于实现电压和容量的提升；桥臂电抗器限制直流短路故障电流上升率，直流侧短路故障耐受能力有所提高，保护设计难度低；换流阀开关频率低（300Hz）损耗小；模块式IGBT制造厂家多，造价低。
缺点：阀控系统控制保护功能增多，设计实现困难。
为什么不用架空线路
柔性直流系统缺乏低压限流功能和成熟的直流开关器件，直流线路故障时，易导致电容和反向并联的二极管损坏。相对换流站内的元件和设备，直流线路故障概率较高，且影响与危害程度严重，所以一般柔性直流采用电缆而非架空线路。
控制原理
通过控制相角δ就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小；
通过控制幅值Uc就可以控制VSC发出或吸收无功功率及其大小。
应用场景
大型城市供电、可再生能源并网、海岛多端联网、海上钻井平台供电
瓶颈
半导体器件与高压直流电缆、高压直流断路器、多端与交流电网的相互作用、可靠性评估体系
半波长输电
输电的电气距离接近一个工频半波，即3000公里（50Hz）或2500公里（60Hz）的超远距离、大容量的三相交流输电技术，其本质上还是交流输电技术。
电气距离为0、全线无功自平衡
立体电网
利用半波长线路电气距离近似为0的特性，通过两(多)条起点相同的半波长线路分别落点至受端电网不同的点，即可将受端电网内2(多)个相隔较远的落点通过半波长线路及其共同送端联接在一起，构建“立体电网”
调相机
无功调节方式：调相机具有强励能力，在1s内无功出力可以达到其额定容量的2倍左右。
采用自并励励磁方式
三种运行状态：进相、迟相、强励
虚拟同步机
含有电力电子变流器的电源的控制环节，采用同步发电机组的机电暂态转子运动方程，使采用该技术的装置并网运行具有同步发电机组并网运行的一次调频特性、无功调压特性、惯性、阻尼特性等运行外特性的技术。
虚拟同步与锁相同步的区别
锁相同步：使被控振荡器的相位受标准信号或外来信号控制的一种技术
虚拟同步：并网后，模拟同步发电机转子通过逐渐开汽门，频率功角摇摆上升逐渐带载的过程
直流配电网
目前配电网面临的挑战
网架结构薄弱、调控手段有限
配电网由“无源”变为“有源”，潮流由“单向”变为“双向”
对供电可靠性和供电质量的要求日益提高
优势与劣势
供电容量大、电能质量高、线路损耗低、传输效率高、供电可靠性高、节能降耗及直流配电到户、清洁能源及储能便捷接入
设备体积大、造价成本高、控保复杂
中国电力系统发展情况介绍
电力体制改革
输配电价改革、电力市场试点、配售电改革、现货市场试点
现代电网的特征
一次能源和电力负荷的逆向分布特征决定了采取超、特高压远距离输电
具有波动、间歇特征的可再生能源产生的电能规模化集中接入主电网或分散接入配电网
考虑新型电网结构时，直流输电越来越受到人们的青睐
智能电网使电网的拓扑和运行方式更加灵活多变
能源互联网，实现信息、能量和能源三者之间双向流动共享
能源互联网关键技术，接口技术，转换技术，传输技术，存储技术，平衡和安全技术
存在的问题
三北地区弃风、弃光问题突出
西南地区弃水
跨省送电存在省间壁垒
电力设备利用效率偏低
大电网运行安全稳定问题
十三五电力发展规划
电源结构、电网发展、电力消费、体制改革
未来电力系统发展方向
清洁低碳、安全可靠、智能灵活、经济高效
继电保护技术发展纲要
空间维度上形成就地层、站域层和广域层三层体系
发展原则
坚持继电保护“四性”原则
坚持快速保护独立配置原则
坚持适应电网发展原则
坚持创新引领原则
继电保护技术面临的形势
大电网故障过程复杂化、影响全局化
电力电子化电网故障暂态特性复杂多变
系统频率电压调节能力弱化，稳定形态发生变化
现有继电保护技术存在的问题
智能变电站的技术方案和运维手段尚待进一步完善
交流保护的速动性、可靠性亟待提升
直流控制保护设计对大电网运行的适应性不足
安控装置管理亟待加强
配电网保护标准化工作亟待开展
继电保护重点发展任务
一、应用就地化即插即用保护，推动智能变电站技术进步
二、充分利用站域多维信息资源，突破传统保护性能瓶颈
三、应用物联网和移动互联技术，构建智能化运维体系
四、打造三大支撑应用平台，提升继电保护管理信息化水平
五、优化直流控制保护性能，保障大电网安全运行
六、开展配电网控制保护技术研究，有效提升供电可靠性
七、提升安全自动装置标准化水平，确保电网安全稳定运行
八、结合未来电网发展需求，开展继电保护前瞻性技术研究
风电机组原理、控制与应用
风电机组的结构
定桨失速机组、双馈机组、直驱机组
基本技术特征
水平轴、上风向、三叶片
风电机组的运行
变桨控制的最重要应用是功率调节， 但除此之外还可以帮助机组实现柔性并网和脱网。
双馈发电机
双馈发电机的基本结构与绕线式感应电机类似，其定子侧接电网，转子上由变频电源提供对称交流电励磁，且励磁电压的幅值、频率、相位、相序都可以根据要求加以控制，从而可以控制发电机励磁磁场的大小、相对转子的位置和电机转速。
双馈变流器——两电平电压型双PWM变流器
网侧PWM变流器任务
保证输入电流波形接近正弦，谐波含量少，功率因数符合要求。
保证直流母线电压稳定
转子侧PWM变流器任务
给双馈发电机的转子提供励磁分量的控制电流，从而调节发电机定子侧发出的无功功率。
给双馈发电机的转子提供转矩分量的控制电流，从而控制发电机定子侧发出的有功功率，进而调节转速，使发电机组尽可能运行在风力机的最佳功率曲线上。
缺点
在长线驱动下发电机端的电压尖峰和du/dt较高， 对绝缘系统提出了严苛的要求。
共模电压较高，发电机轴承受到了机侧变流器和网侧变流器的双重作用，增大了轴承电蚀的可能性
双馈变流器的控制
常规电动机矢量控制多采用转子磁链或气隙磁链定向，但对于双馈发电机的转子侧变换器，矢量控制则可采用定子磁链定向或者定子电压定向
故障穿越
低电压穿越、高电压穿越、其他电网故障暂态的穿越
电力系统电力电量平衡研究与应用
电力系统有功功率平衡及频率调整
有功功率电源发出的有功功率总和=有功负荷总和+厂用有功功率总和+电力网有功功率损耗总和。
负荷备用：系统最大负荷的2%~5%
事故备用：系统最大负荷的8%~10%，且不小于系统中最大单机容量
检修备用：系统最大负荷的8%~15%
电力系统正常频率偏差允许值为±0.2HZ。
负荷预测（根据电力负荷、经济、社会、气象）
气象影响因素：气温、降雨、风速、辐照
按预测指标分类：
电量预测：如全社会电量、网供电量、各行业电量、各产业电量等。
电力预测：如最大负荷、最小负荷、峰谷差、负荷率、负荷曲线等。
按预测期限分类：
长期负荷预测（年度负荷预测）
中期负荷预测（月度负荷预测）
短期负荷预测（日度负荷预测）
超短期负荷预测（时分负荷预测）