董 晴

(寧夏送變電工程公司，寧夏 銀川750001)

0 引言

在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域中，智能化電氣的發(fā)展，特別是智能開(kāi)關(guān)、光電式互感器，變電站自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化的新階段。 盡管在全國(guó)各地不斷有數(shù)字化變電站工程項(xiàng)目的投運(yùn)，但電力建設(shè)的調(diào)試作業(yè)卻沒(méi)有跟上數(shù)字化變電站的建設(shè)步伐，調(diào)試項(xiàng)目不清楚，調(diào)試方法不統(tǒng)一，仍然處在探索研究階段。

1 數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)

1.1 物理結(jié)構(gòu)

1.1.1 智能化的一次設(shè)備

智能化的一次電氣設(shè)備主要包括：電子式電流/電壓互感器、智能型斷路器/隔離開(kāi)關(guān)、智能型變壓器，以及其它電氣輔助設(shè)備。 一次設(shè)備被檢測(cè)的信號(hào)回路和被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)。 簡(jiǎn)化了常規(guī)機(jī)電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號(hào)網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備

變電站內(nèi)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、防誤閉鎖裝置、測(cè)量控制裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、故障錄波裝置、電壓無(wú)功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測(cè)裝置設(shè)備等全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機(jī)設(shè)計(jì)制造，設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，而不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O 現(xiàn)場(chǎng)接口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享。 常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

1.2 邏輯結(jié)構(gòu)

1.2.1 過(guò)程層

1）電力運(yùn)行的實(shí)時(shí)電氣量檢測(cè)

電力運(yùn)行的實(shí)時(shí)電氣量檢測(cè)主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測(cè)，其他電氣量如有功、無(wú)功、電能量可通過(guò)間隔層的設(shè)備運(yùn)算得出。 與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器被光電電流互感器、光電電壓互感器取代； 采集傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能強(qiáng)，絕緣和抗飽和特性好，開(kāi)關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)了小型化、緊湊化。

2）運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)

變電站需要進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)的設(shè)備主要有變壓器、斷路器、刀閘、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)。 在線檢測(cè)的內(nèi)容主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機(jī)械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

3）操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)

包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、刀閘合分控制，直流電源充放電控制。 即按上層控制指令動(dòng)作，比如接到間隔層保護(hù)裝置的跳閘指令、電壓無(wú)功控制的投切命令、對(duì)斷路器的遙控開(kāi)合命令等。 過(guò)程層的控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)大部分是被動(dòng)的， 即按上層控制指令而動(dòng)作，在執(zhí)行控制命令時(shí)具有智能性能判別命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇?，還能對(duì)即將進(jìn)行的動(dòng)作精度進(jìn)行控制， 能使斷路器定相合閘，選相分閘，在選定的相角下實(shí)現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開(kāi)斷，要求操作時(shí)間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi)。 又例如對(duì)真空開(kāi)關(guān)的同步操作，要求能做到開(kāi)關(guān)觸頭在零電壓時(shí)關(guān)合，在零電流時(shí)分?jǐn)嗟取?/p>

1.2.2 間隔層

數(shù)字化變電站的間隔層設(shè)備在自動(dòng)化方面比現(xiàn)在有很大的變化，主要表現(xiàn)為對(duì)象的統(tǒng)一建模、通信信息的分層、通信接口的抽象化和自描述規(guī)范等技術(shù)的應(yīng)用。 數(shù)字化變電站的站級(jí)層除實(shí)現(xiàn)變電站與控制系統(tǒng)的無(wú)縫通信外，基于信息共享的站級(jí)層運(yùn)行支持功能可以與變電站運(yùn)行功能協(xié)調(diào)工作。

1.2.3 站控層

數(shù)字化變電站的站控層除實(shí)現(xiàn)變電站與控制系統(tǒng)無(wú)縫通信外，基于信息共享的站控層運(yùn)行支持功能可以與變電站運(yùn)行功能協(xié)調(diào)工作。

2 數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)

2.1 數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的要求

2.1.1 功能要求

在IEC 61850 中， 數(shù)字化變電站可以抽象為一個(gè)分層的網(wǎng)絡(luò)體系。 通過(guò)面向?qū)ο蠼y(tǒng)一建模，每一個(gè)變電站對(duì)象(包括所有一、二次設(shè)備)可以分解為一個(gè)或多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)(如斷路器，在IEC 61850 中被視為一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn))。 變電站的功能(如斷路器操作)是通過(guò)不同層次的多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)共同完成的。邏輯節(jié)點(diǎn)間的信息交互是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成的，也就是說(shuō)數(shù)字化變電站的各種功能應(yīng)用都依賴于網(wǎng)絡(luò)。 通信網(wǎng)絡(luò)必須具備傳輸各種節(jié)點(diǎn)信息的功能，包括站控層MMS、過(guò)程層G00SE、采樣值網(wǎng)等。

2.1.2 性能要求通信網(wǎng)絡(luò)的性能要求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1）快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力

測(cè)量數(shù)據(jù)、保護(hù)信號(hào)、控制命令等都要求實(shí)時(shí)傳送。 特別是出現(xiàn)故障時(shí)要求信息能在站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)上快速傳送，保證嚴(yán)格的時(shí)限要求。 實(shí)時(shí)性要求有以下3 個(gè)方面：①傳輸速度快：指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒍唷?②響應(yīng)時(shí)間短：指事件發(fā)生時(shí)， 傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上及執(zhí)行器接收到該信息馬上執(zhí)行所需的時(shí)間。 響應(yīng)時(shí)間由4 個(gè)方面的因素決定：執(zhí)行器控制中斷的能力； 信息在通信協(xié)議的應(yīng)用層與物理層之間的傳輸時(shí)間；等待網(wǎng)絡(luò)空閑的時(shí)間；避免信息在網(wǎng)絡(luò)上碰撞的時(shí)問(wèn)，這個(gè)時(shí)間對(duì)大多數(shù)通信協(xié)議是一個(gè)隨機(jī)數(shù)。 ③巡回時(shí)間短： 指系統(tǒng)與所有通信對(duì)象都至少完成一次通信所需要的時(shí)間。

2）高可靠性

網(wǎng)絡(luò)的可靠性表示網(wǎng)絡(luò)連續(xù)無(wú)故障工作的能力，主要從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、鏈路、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面來(lái)保證。 由于電力生產(chǎn)的連續(xù)性和重要性， 站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性是第一位的，應(yīng)避免一個(gè)裝置損壞導(dǎo)致站內(nèi)通信中斷。

（1）作為鏈路層，保證網(wǎng)絡(luò)可靠性主要是向網(wǎng)絡(luò)提供可靠的數(shù)據(jù)傳送基本服務(wù)，使用戶免去對(duì)丟失信息、干擾信息及順序不正確的擔(dān)心，將物理層的可能出錯(cuò)的物理連接改造成為邏輯上無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路，使之對(duì)網(wǎng)絡(luò)層表現(xiàn)為無(wú)差錯(cuò)的線路。

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)確保網(wǎng)絡(luò)可靠性有很重要的意義，可根據(jù)需要由星型、總線型和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)派生出負(fù)荷可靠性需要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 同時(shí)，也可以采用網(wǎng)絡(luò)冗余的手段，對(duì)比較重要的網(wǎng)絡(luò)使用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

（3）以太網(wǎng)接口一般有兩種：一種，是BASE T，雙絞銅線；一種，是BASE F，光纜。 一般場(chǎng)合基本選擇光纜，主要是考慮其信號(hào)傳輸能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等因素；有時(shí)選擇銅纜主要基于費(fèi)用少、接口簡(jiǎn)單等考慮因素。

3）良好的開(kāi)放性

站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)為調(diào)度自動(dòng)化的一個(gè)子系統(tǒng)，除了保證站內(nèi)智能設(shè)備互連、便于擴(kuò)展外，它還應(yīng)服從電力調(diào)度自動(dòng)化的總體設(shè)計(jì)，硬件接口應(yīng)滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，選用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，方便用戶的系統(tǒng)集成。

4）支持優(yōu)先級(jí)傳輸

數(shù)據(jù)有輕重緩急之分，重要的數(shù)據(jù)須優(yōu)先于其他數(shù)據(jù)傳輸，要求支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度，以提高時(shí)間緊迫性任務(wù)的信息傳輸可確定性。

5）良好的電磁兼容性能

變電站是一個(gè)具有強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境，存在電源、雷擊、跳閘等強(qiáng)電磁干擾，通信環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)必須注意采取相應(yīng)措施消除這些干擾的影響。

2.2 數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)選擇

根據(jù)數(shù)字化變電站特點(diǎn)，現(xiàn)階段數(shù)字化變電站的實(shí)施是在傳統(tǒng)綜合自動(dòng)化變電站基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其實(shí)施方案主要分三方面：站控層與間隔設(shè)備間通信，采樣數(shù)據(jù)的傳輸及開(kāi)關(guān)智能終端與間隔層設(shè)備間的連接。 站控層與間隔設(shè)備間通信主要體現(xiàn)在協(xié)議層， 現(xiàn)在有IEC 6l850 協(xié)議和IEC 61870-5.103 協(xié)議。 后臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)能同時(shí)支持這兩種協(xié)議的的間隔層設(shè)備接入， 并能將一些不能走IEC 61850 協(xié)議的設(shè)備通過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后接入后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。 采樣數(shù)據(jù)傳輸采用IEC 61850-9-1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸協(xié)議， 跨間隔采用IEC 60044-8 傳輸協(xié)議中規(guī)定的高速串行FT3 傳輸協(xié)議。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)工作之所以會(huì)引起這么多的科研工作者和生產(chǎn)廠家的注意，其根本原因在于變電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后， 能夠全面提高變電站的技術(shù)水平，提高運(yùn)行的可靠性和管理水平。

［1］高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［2］楊奇遜.變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1997，21(10).