申狄秋

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 54006）

1 數(shù)字化變電站的概念

數(shù)字化變電站指信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的變電站，基本特征為設備智能化、通信網(wǎng)絡化、運行管理自動化等。數(shù)字化變電站有以下主要特點：

一次設備智能化。采用數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開關（或配智能終端的傳統(tǒng)開關）等智能一次設備。一次設備和二次設備間用光纖傳輸數(shù)字編碼信息的方式交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等信息。

二次設備網(wǎng)絡化。二次設備間用通信網(wǎng)絡交換模擬量、開關量和控制命令等信息，取消控制電纜。

運行管理系統(tǒng)自動化。應包括自動故障分析系統(tǒng)、設備健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和程序化控制系統(tǒng)等自動化系統(tǒng)，提升自動化水平，減少運行維護的難度和工作量。

2 數(shù)字化變電站的主要技術特征

數(shù)據(jù)采集數(shù)字化。數(shù)字化變電站的主要標志是采用數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)（如光電式互感器或電子式互感器）采集電流、電壓等電氣量，實現(xiàn)了一、二次系統(tǒng)在電氣上的有效隔離，增大了電氣量的動態(tài)測量范圍并提高了測量精度，從而為實現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉變以及信息集成化應用提供了基礎。

系統(tǒng)分層分布化。變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從集中式向分布式的轉變，第二代分層分布式變電站自動化系統(tǒng)大多采用成熟的網(wǎng)絡通信技術和開放式互連規(guī)約，能夠更完整地記錄設備信息并顯著地提高系統(tǒng)的響應速度。數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結構在物理上可分為兩類，即智能化的一次設備和網(wǎng)絡化的二次設備；在邏輯結構上根據(jù)IEC61850通信標準定義，可分為“過程層“、“間隔層“、“站控層“三個層次。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡通信。

信息交互網(wǎng)絡化與信息應用集成化。數(shù)字化變電站采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號。站內(nèi)設備之間通過高速網(wǎng)絡進行信息交互，二次設備不出現(xiàn)功能重復的I/O接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)及資源共享。目前國際上已確定IEC61850為變電站自動化通信標準。此外，數(shù)字化變電站對原來分散的二次系統(tǒng)裝置進行了信息集成及功能優(yōu)化處理，因此可以有效地避免常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制保護、故障錄波、量測與計量等裝置存在的硬件配置重復、信息不共享及投資成本大等問題的發(fā)生。

設備操作智能化。新型高壓斷路器二次系統(tǒng)是采用微機、電力電子技術和新型傳感器建立起來的，斷路器系統(tǒng)的智能性由微機控制的二次系統(tǒng)、IED和相應的智能軟件來實現(xiàn)，保護和控制命令可以通過光纖網(wǎng)絡到達非常規(guī)變電站的二次回路系統(tǒng)，從而實現(xiàn)與斷路器操作機構的數(shù)字化接口。

設備檢修狀態(tài)化。在數(shù)字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及各種IED裝置的故障和動作信息，實現(xiàn)對操作及信號回路狀態(tài)的有效監(jiān)視。數(shù)字化變電站中幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設備狀態(tài)特征量的采集沒有盲區(qū)。設備檢修策略可以從常規(guī)變電站設備的“定期檢修“變成“狀態(tài)檢修“，從而大大提高系統(tǒng)的可用性。

系統(tǒng)結構緊湊化和建模標準化。數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)具有體積小、重量輕等特點，可以將其集成在智能開關設備系統(tǒng)中，按變電站機電一體化設計理念進行功能優(yōu)化組合和設備布置。在高壓和超高壓變電站中，保護裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動裝置的I/O單元作為一次智能設備的一部分，實現(xiàn)了IED的近過程化（process-close）設計；在中低壓變電站可將保護及監(jiān)控裝置小型化、緊湊化并完整地安裝在開關柜上。

可靠和實時的通信網(wǎng)絡。網(wǎng)絡系統(tǒng)是數(shù)字化變電站的“神經(jīng)系統(tǒng)“，其可靠性和實時性直接決定了變電站系統(tǒng)的可用性。通信網(wǎng)絡的可靠性主要通過選擇具有高可靠性的網(wǎng)絡拓撲結構及采用冗余技術來保證。各IED都帶有雙網(wǎng)卡，可分別接入兩臺交換機，過程總線和站級總線都采用環(huán)形拓撲，因此該方案可極大地提高系統(tǒng)的可靠性。網(wǎng)絡系統(tǒng)設計屬于優(yōu)化問題，要綜合考慮可靠性、經(jīng)濟性及易維護性等諸多因素。

具備互操作性的IED。制定IEC61850標準的主要目標之一是實現(xiàn)IED的互操作性和互換性。為了保證IED的互操作性，需要對其進行一致性測試和性能測試。一致性測試屬于“證書“測試，目的是測試IED是否符合特定標準。IEC61850-10中專門定義了一致性測試方法。性能測試屬于應用測試，目的是測試IED是否滿足運行性能要求。一致性測試一般由授權機構完成，而性能測試則由用戶組織實施。與常規(guī)變電站相比，數(shù)字化變電站系統(tǒng)中的一致性測試和應用測試的聯(lián)系更為緊密。一致性測試是應用測試的基礎，產(chǎn)品只有通過了一致性測試才具備構成應用系統(tǒng)以執(zhí)行應用測試的條件。

信息的安全性。IEC61850是國際電工委員會TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)》系列標準，是基于網(wǎng)絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標準，也將成為電力系統(tǒng)從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動化無縫連接的通信標準，還可望成為通用網(wǎng)絡通信平臺的工業(yè)控制通信標準。IEC61850本身對變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全性未做規(guī)定，協(xié)議的開放性和標準性帶來了電力系統(tǒng)運行的安全性問題，應保證二次系統(tǒng)信息的保密性、完整性、可用性及確定性。為適應電力系統(tǒng)信息安全防護的要求，IEC在制定了IEC60870-5、IEC61850等標準的基礎上，開展了安全標準IEC62351的編制，其中：IEC62351-3定義了TLS(transport layersecurity)，IEC62351-4定義了 MMS 的安全性，IEC62351-6定義了IEC61850的安全性。

3 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中的網(wǎng)絡選型

網(wǎng)絡系統(tǒng)是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的命脈，它的可靠性與信息傳輸?shù)目焖傩詻Q定了系統(tǒng)的可用性。常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)中單套保護裝置的信息采集與保護算法的運行一般是在同一個CPU控制下進行的，使得同步采樣、A/D轉換，運算、輸出控制命令整個流程快速，簡捷，而全數(shù)字化的系統(tǒng)中信息的采樣、保護算法與控制命令的形成是由網(wǎng)絡上多個CPU協(xié)同完成的，如何控制好采樣的同步和保護命令的快速輸出是一個復雜問題，其最基本的條件是網(wǎng)絡的適應性，關鍵技術是網(wǎng)絡通信速度的提高和合適的通信協(xié)議的制定。如果采用通常的現(xiàn)場總線技術可能不能勝任數(shù)字化變電站自動化的技術要求。目前以太網(wǎng)（ethernet）異軍突起，已經(jīng)進入工業(yè)自動化過程控制領域，固化OSI七層協(xié)議，速率達到100MHz的嵌入式以太網(wǎng)控制與接口芯片已大量出現(xiàn)，數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的兩級網(wǎng)絡全部采用100MHz以太網(wǎng)技術是可行的。

4 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展中的主要問題

在三個層次中，數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的研究正在自下而上逐步發(fā)展。目前研究的主要內(nèi)容集中在過程層方面，諸如智能化開關設備、光電互感器、狀態(tài)檢測等技術與設備的研究開發(fā)。國外已有一定的成熟經(jīng)驗，國內(nèi)的大專院校、科研院所以及有關廠家都投入了相當?shù)娜肆M行開發(fā)研究，并且在某些方面取得了實質(zhì)性的進展。但歸納起來，目前主要存在的問題是：（1）研究開發(fā)過程中專業(yè)協(xié)作需要加強，比如智能化電器的研究至少存在機、電、光三個專業(yè)協(xié)同攻關；（2）材料器件方面的缺陷及改進；（3）試驗設備、測試方法、檢驗標準，特別是EMC（電磁干擾與兼容）控制與試驗還是薄弱環(huán)節(jié)。

5 結束語

本文論述了數(shù)字化變電站綜合自動化系統(tǒng)的特征、結構及其發(fā)展。數(shù)字化變電站自動化是一個系統(tǒng)工程，要實現(xiàn)全部數(shù)字化變電站自動化的功能，還有許多技術問題需要攻關解決，筆者相信在不久的將來數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)，將有一個蓬勃的發(fā)展期。

[1]數(shù)字化變電站應用技術 中國電力出版社1/2008