廣東電網(wǎng)公司珠海供電局 裴星宇

數(shù)字化技術(shù)是當今科學發(fā)展的前沿技術(shù)，變電站數(shù)字化對進一步提升變電站綜合自動化水平將起到極大的促進作用，是未來變電站建設(shè)的發(fā)展方向。隨著智能化電氣的發(fā)展，特別是智能化開關(guān)、電子式互感器等機電一體化設(shè)備的出現(xiàn)，一次設(shè)備在線狀態(tài)檢測、變電站運行操作培訓仿真等技術(shù)的日漸成熟以及計算機高速網(wǎng)絡(luò)在實時系統(tǒng)中的開發(fā)利用，變電站進入數(shù)字化的新階段。國內(nèi)部分電力公司已開展了數(shù)字化變電站的研究工作，目前數(shù)字化變電站技術(shù)已進入實際工程應用階段。

一、數(shù)字化變電站的特征

數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繼承并發(fā)展了分層分布式變電站結(jié)構(gòu)的特點，同時隨著電子式互感器、智能開關(guān)技術(shù)的應用，使得數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又有了不同于常規(guī)變電站的革命性變化，也呈現(xiàn)了與常規(guī)變電站迥異的鮮明的技術(shù)特征。

1、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，各類數(shù)據(jù)從源頭實現(xiàn)數(shù)字化，真正實現(xiàn)信息集成、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)共享，為實現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變，為實現(xiàn)信息集成化應用提供了基礎(chǔ)。打破常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制、保護、故障錄波、量測與計量等幾乎都是功能單一、相互獨立的裝置的模式，改變了硬件重復配置、信息不共享、投資成本大的局面。

2、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(zhuǎn)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(luò)通信技術(shù)和開放式互連規(guī)約，能夠更完整地記錄設(shè)備信息,并顯著地提高系統(tǒng)的響應速度。變電站自動化系統(tǒng)引入了過程層的概念，信息應用模式發(fā)生了根本變化，基于網(wǎng)絡(luò)的信息交互更加廣泛，更加智能化的一次設(shè)備與二次設(shè)備的界限變得模糊，一次和二次設(shè)備實現(xiàn)了初步的融合，這也符合未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。

3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊

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(guān)設(shè)備系統(tǒng)中，按變電站機電一體化設(shè)計理念進行功能優(yōu)化組合和設(shè)備布置。在高壓和超高壓變電站中，保護裝置、測控裝置、故障錄波及其它自動裝置的I/O 單元(如A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等)作為一次智能設(shè)備的一部分，實現(xiàn)了 IED 的近過程化(process-close)設(shè)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(guān)柜上。

4、系統(tǒng)建模實現(xiàn)標準化

IEC 61850確立了電力系統(tǒng)的建模標準，為變電站自動化系統(tǒng)定義了統(tǒng)一的、標準的信息模型和信息交換模型，實現(xiàn)智能設(shè)備的互操作，實現(xiàn)變電站信息共享。對一、二次設(shè)備進行統(tǒng)一建模，資源采用全局統(tǒng)一命名規(guī)則，變電站內(nèi)及變電站與控制中心之間實現(xiàn)了無縫通信，從而簡化系統(tǒng)維護、配置和工程實施。

5、設(shè)備實現(xiàn)廣泛在線監(jiān)測

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)、各種智能電子裝置IED（Intelligent ElectronicDevice）的故障和動作信息及信號回路狀態(tài)。數(shù)字化變電站中將幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，在設(shè)備狀態(tài)特征量的采集上沒有盲區(qū)。設(shè)備檢修策略可以從常規(guī)變電站設(shè)備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，這將大大提高系統(tǒng)的可用性。

二、數(shù)字化變電站關(guān)鍵設(shè)備

數(shù)字化變電站是智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備在IEC62850通信協(xié)議技術(shù)上分層構(gòu)建的，能夠?qū)崿F(xiàn)智能設(shè)備間信息共享和互操作。

1、數(shù)字化變電站的一次設(shè)備

數(shù)字化變電站是以IEC61850 系列標準為先導牽引，以O(shè)CVT/ECVT 等非常規(guī)互感器、智能斷路器技術(shù)發(fā)展為突破口，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展為支撐的系統(tǒng)化工程。智能化的一次設(shè)備包括光電/電子式互感器，智能化斷路器等。

（1）光電互感器

光電/電子式互感器的最大特點是可以輸出低壓模擬量和數(shù)字量信號，直接用于微機保護和電子式計量設(shè)備，適應電子系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要，由于其動態(tài)范圍比較大，能同時適用于測量和保護兩種功能的應用。光電/電子式互感器具有良好的絕緣性能、較強的抗電磁干擾能力、測量頻帶寬、動態(tài)范圍大等特點。

（2）智能斷路器

智能化斷路器由微機、電力電子元件組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器，實現(xiàn)按電壓波形控制跳、合閘角度，精確控制跳、合閘時間，減少暫態(tài)過電壓幅值。檢測電網(wǎng)中斷路器開斷前一瞬間的各種工作狀態(tài)信息，自動選擇和調(diào)節(jié)操動機構(gòu)以及滅弧室狀態(tài)相適應的合理工作條件，以改變現(xiàn)有斷路器的單一分閘特性。在輕載時以較低的分閘速度開斷，而在系統(tǒng)故障時又能以較高的分閘速度進行開斷。這樣就可獲得開斷時電氣和機構(gòu)性能上的最佳開斷效果。斷路器設(shè)備的信息由設(shè)備內(nèi)微機直接處理，并獨立執(zhí)行就地功能，而不依賴于變電站級的控制系統(tǒng)。

2、數(shù)字化變電站的二次設(shè)備

數(shù)字化變電站的二次設(shè)備與傳統(tǒng)二次設(shè)備相比，已發(fā)生了很大的變化。在設(shè)計理念上，將變電站內(nèi)二次設(shè)備統(tǒng)一納入同一數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)共享，繼電保護、自動化和計量等統(tǒng)一按照“大二次系統(tǒng)”考慮，模糊了專業(yè)界限。在技術(shù)實現(xiàn)上，引入了光纖通信技術(shù)，利用光纖傳輸容量大，抗干擾的特點，在一次設(shè)備區(qū)將各種數(shù)據(jù)、信息收集在一起，通過有限數(shù)量的光纜將信息“捆綁”傳給二次設(shè)備，從而大大減少了二次控制電纜的數(shù)量；引入了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，二次設(shè)備具備能與智能一次設(shè)備共用通信系統(tǒng)交換數(shù)字信息的能力，從而實現(xiàn)二次設(shè)備智能化和網(wǎng)絡(luò)化。在通信規(guī)約上，統(tǒng)一采用了IEC 61850通信協(xié)議，實現(xiàn)了站控層、間隔層、過程層的全程數(shù)字化，規(guī)范了通信協(xié)議。在設(shè)備功能實現(xiàn)方面，軟件邏輯連接替代了傳統(tǒng)的控制電纜連接。變電站數(shù)字化后，取消了控制電纜，設(shè)備間的聯(lián)系完全依靠計算機網(wǎng)絡(luò)來完成，設(shè)備功能的實現(xiàn)均需通過計算機操作才能實現(xiàn)。

3、IEC61850 通信及建模標準

IEC61850 通信及建模體系不同于以往的傳統(tǒng)規(guī)約，是一套完整的體系，包含了10個標準文本；自2004 年第一版頒布后，我國電力標委會積極跟蹤研究并轉(zhuǎn)化為國內(nèi)DL/T 860 系列行業(yè)標準，并與2007 年11 月提出了《DL/T860 系列標準工程化實施技術(shù)規(guī)范》，以規(guī)范在我國的實際工程應用。IECTC57 工作組也在不斷地補充和完善IEC61850 系列標準，推出的IEC61850-9-2 /LE 版是 IEC61850-9-2的更為明確定義的限定性、實例化的配套規(guī)范；IEC61850 的第二版于2009 年發(fā)布，這一新版本主要是解決第一版存在的問題，如標準內(nèi)容本身前后不一致的、表述模糊導致各廠家理解不一致的、被廠家在開發(fā)產(chǎn)品的過程中發(fā)現(xiàn)且TC57 工作組確認是需要解決的問題等，針對SCL 的應用情況還拓展出了SED、IID 等相關(guān)標準，還規(guī)范了變電站與變電站間，變電站與控制中心間的IEC61850-90 標準，此外還增加一些新的邏輯節(jié)點類。未來的第三版將重點關(guān)注通信的安全性，在其它領(lǐng)域如風電、水電、新能源發(fā)電等領(lǐng)域的擴展應用。

由于制定該系列標準時采用了先進的面向?qū)ο蠼＠砟詈头謱?、映射的策略，使該系列標準與傳統(tǒng)的其他規(guī)約標準相比具有突出的優(yōu)勢。對變電站自動化及其相近系統(tǒng)通過統(tǒng)一建模的方式規(guī)范信息內(nèi)容，這部分標準采用了通信服務和通信映射相分離的策略，確保了其內(nèi)容的長期穩(wěn)定性，通過分層和映射的策略使得標準能夠適應網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的快速發(fā)展，內(nèi)核是穩(wěn)定的，外部的大多數(shù)變化只影響系列標準的一小部分，使該系列標準獲得更好的穩(wěn)定性與適應性。

目前，已有越來越多的新建變電站監(jiān)控系統(tǒng)要求支持IEC61850 MMS 協(xié)議，對間隔層的邏輯互鎖功能要求用GOOSE 機制來實現(xiàn)。IEC 61850 系列標準適用的業(yè)務領(lǐng)域也在拓展，比如風電等新能源領(lǐng)域、低壓智能配電、工業(yè)自動化等領(lǐng)域，相關(guān)的探索和研究應用也在快速開展?？梢灶A見IEC 61850未來會擴展到更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，真正實現(xiàn)“一個世界，一個標準，一個技術(shù)”的偉大構(gòu)想。

三、數(shù)字化變電站的優(yōu)勢

1、徹底解決變電站事故

我國微機保護在原理和技術(shù)上已相當成熟，常規(guī)變電站發(fā)生事故的主要原因在于電纜老化接地造成誤動、CT特性惡化和特性不一致引起故障、季節(jié)性切換壓板易出錯等。這些問題在數(shù)字化變電站中都能得到根本性的解決。

數(shù)字化變電站中采用電子式互感器根本性地解決了CT動態(tài)范圍小及飽和問題，從源頭保證了保護的可靠性。信息傳遞全部采用光纖網(wǎng)絡(luò)后，二次回路設(shè)計極大簡化，保護壓板、按鈕和把手大大減少，顯著減少運行維護人員的“三誤”事故，光纖的應用也徹底解決了電纜老化問題，系統(tǒng)可靠性得到充分保障。

2、提高了信號傳輸可靠性

數(shù)字化變電站的信號傳輸均通過計算機通信技術(shù)實現(xiàn)，通信系統(tǒng)在傳輸有效信息的同時傳輸信息效驗碼和通道自檢信息，拒絕誤傳信號和監(jiān)視通信系統(tǒng)的完好性，電壓互感器、電流互感器斷線的判斷將不再成為問題；數(shù)字化變電站二次設(shè)備和一次設(shè)備之間采用光纖連接，從根本上解決了抗干擾問題，而且也沒有二次回路兩點接地的可能性。

工業(yè)以太網(wǎng)是隨著微機保護開始應用于電力系統(tǒng)的，更是成為近幾年的變電站自動化系統(tǒng)的主流通信方式。在大量的工程實踐證明站控層與間隔層之間的以太網(wǎng)通信的可靠性不存在任何問題。而間隔層與過程層的通信對實時性、可靠性提出了更高的要求，但通過近兩年的研究與實踐，這一難點問題也已經(jīng)解決?？梢哉f原來制約數(shù)字化變電站發(fā)展的因素目前已經(jīng)得到逐一排除。

3、節(jié)約了投資和成本

標準化的信息模型實現(xiàn)了變電站信息共享，原先必須由IED實現(xiàn)的某些保護功能可以由一個軟件模塊來實現(xiàn)了，如母線保護、備自投等，設(shè)備的減少同時減少了變電站的占地面積，節(jié)約了大量成本，而且提高了可靠性。二次回路設(shè)計簡化，接線大大減少，顯著降低了安裝、調(diào)試、維護工作量，把維護人員從繁雜的布線核查中解脫出來。數(shù)字化變電站中實現(xiàn)了信息共享，設(shè)備提供了更豐富的狀態(tài)監(jiān)測信息，根據(jù)這些信息可實現(xiàn)更智能化的維護工作，包括故障診斷和定位，維護更簡便。電纜的顯著減少也節(jié)約了大量的投資。這些方面節(jié)約的資金足以抵消網(wǎng)絡(luò)投資的增加。雖然總投資與常規(guī)變電站相仿，但數(shù)字化變電站的性價比大大提高了。

變電站設(shè)備問的信息交換均通過通信網(wǎng)絡(luò)完成；變電站在擴充功能和擴展規(guī)模時，只需在通信網(wǎng)絡(luò)上接入新增設(shè)備，無需改造和更換原有設(shè)備，由此降低了變電站全壽命周期成本。

4、進一步提高了自動化和管理水平

由于數(shù)字化變電站通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)更加完整，通信可靠性和實時性大幅度提高，由此提高了自動化水平。一次、二次設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)都可具備完善的自檢功能，可根據(jù)設(shè)備的健康情況實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修。

四、結(jié)句

數(shù)字化變電站是目前電力系統(tǒng)建設(shè)的前沿技術(shù)，數(shù)字化變電站的建設(shè)作為系統(tǒng)建設(shè)中的重要組成部分，是變電站自動化技術(shù)發(fā)展中具有里程碑意義的一次變革，代表著我國變電站技術(shù)的發(fā)展方向，對變電站自動化系統(tǒng)的各方面將產(chǎn)生深遠的影響。數(shù)字化變電站新技術(shù)的應用可以大大提高國家電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平，增強了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的可能性，降低了變電站建設(shè)的總造價。變電站的全面數(shù)字化為實現(xiàn)變電站狀態(tài)檢修創(chuàng)造了條件，它必將提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性和自動化水平。數(shù)字化變電站的研究是科技創(chuàng)新的充分體現(xiàn)，實現(xiàn)數(shù)字化變電站對于我國變電站的自動化運行和管理將帶來深遠的影響和變革，數(shù)字化變電站的建設(shè)為今后實現(xiàn)智能化電力系統(tǒng)打下了堅實的基礎(chǔ)。

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