摘要 介紹了華北地區(qū)首座110kV數(shù)字化變電站——西地變電站的主要特點，即智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備和自動化的運行管理系統(tǒng);自動化系統(tǒng)的邏輯層次及其功能;間隔層的可靠傳輸控制，以及站控層的監(jiān)控分析等功能。通過數(shù)字站和常規(guī)站在技術(shù)和經(jīng)濟方面的比較，說明了數(shù)字站在安全性、可靠性、測量精度、抗干擾性能等方面的優(yōu)勢，同時闡述了今后數(shù)字化變電站技術(shù)擴展的方向。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化;變電站;應(yīng)用;IEC61850

中圖分類號TM76 文獻標(biāo)識碼A文章編號1673-9671-(2009)111-0060-02

數(shù)字化變電站是變電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向，是一個不斷發(fā)展的過程，就目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，數(shù)字化變電站是由電子式互感器、智能化開關(guān)等智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。110kV西地站數(shù)字化改造于2007年9月投入試運行，其采用了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù);傳統(tǒng)互感器及純光學(xué)電子互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用技術(shù);傳統(tǒng)高壓電器實現(xiàn)智能化控制技術(shù);基于以太網(wǎng)數(shù)字接口測控保護裝置技術(shù);基于GOOSE機制控制及保護技術(shù);基于光纖簡化的二次系統(tǒng)體系架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)。

1數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的特點

1.1智能化的一次設(shè)備

數(shù)字程控部件在惡劣環(huán)境下抗干擾能力和穩(wěn)定性的提高，用于一次設(shè)備被檢測的信號回路與被控制的操作驅(qū)動回路采用微處理器。一次設(shè)備光電電流傳感器的原理是利用磁致旋光效應(yīng)，即法拉第效應(yīng)技術(shù)設(shè)計。從而簡化一次變換的過程和常規(guī)機電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接。換言之，普通變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被PLC可編程序代替，常規(guī)的強電模擬信號和控制電纜被光電原理的數(shù)字量和光纖導(dǎo)線代替。改變了信號傳輸?shù)哪Ｊ剑畔鬟f上極為安全準(zhǔn)確迅速。

1.2基于成熟的以太網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的二次設(shè)備

常規(guī)變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、 測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機設(shè)計制造。智能ITU單元集成了故障紀(jì)錄器(12kHz)，集成了斷路器診斷系統(tǒng)，集成了同步檢測。加上數(shù)字控制斷路器，ITU單元可以完成選相合、分閘。同時設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡(luò)真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源其享。常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

1.3可靠的自動化的運行管理系統(tǒng)

變電站運行管理自動化系統(tǒng)應(yīng)包括電力生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計無紙化;數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動化;變電站運行發(fā)生故障時能即時提供故障分析報告，指出故障原因，提出故障處理意見;系統(tǒng)能自動發(fā)出變電站設(shè)備檢修報告，即常規(guī)的變電站設(shè)備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。

2數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在變電站自動化領(lǐng)域中，智能化電氣的發(fā)展，特別是智能開關(guān)、光電式互感器機電一體化設(shè)備的出現(xiàn)，變電站自動化技術(shù)進入了數(shù)字化的新階段。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，如A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等將割列出來作為智能化一次設(shè)備的一部分。反言之，智能化一次設(shè)備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路代替了常規(guī)繼電保護裝置、測控等裝置的I/O部分;而在中低壓變電站則將保護、監(jiān)控裝置小型化、緊湊化，完整地安裝在開關(guān)柜上，實現(xiàn)了變電站機電一體化設(shè)計。

通信技術(shù)的進步改變了變電站控制系統(tǒng)與開關(guān)之間的連接方式，也引起了變電站結(jié)構(gòu)的變化，IEC技術(shù)委員會專家建議變電站結(jié)構(gòu)可以分三步完成改變。第一步是傳感器與保護裝置之間一一對應(yīng)連接，通過過程總線控制斷路器，內(nèi)容由IEC61850-9-2規(guī)定;第二步是將以前控制與測量數(shù)據(jù)隔開的通信系統(tǒng)組合起來，傳感器數(shù)據(jù)并入過程總線;第三步是將站總線與過程總線合并起來。

數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，目前通常在物理上可分為兩類，即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備;在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為三個層次，根據(jù)IEC6185A通信協(xié)議草案定義，這三個層次分別稱為“過程層”、“間隔層”、“站控層”。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。

2.1過程層

過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說過程層是指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過程層的主要功能分三類:電力運行實時的電氣量檢測;運行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測;操作控制執(zhí)行與驅(qū)動。

⑵運行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測與統(tǒng)計。 變電站需要進行狀態(tài)參數(shù)檢測的設(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)。在線檢測的內(nèi)容主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

⑶操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動。 操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動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。過程層的控制執(zhí)行與驅(qū)動大部分是被動的，即按上層控制指令而動作，比如接到間隔層保護裝置的跳閘指令、電壓無功控制的投切命令、對斷路器的遙控開合命令等。在執(zhí)行控制命令時具有智能性，能判別命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇裕€能對即將進行的動作精度進行控制，能使斷路器定相合閘，選相分閘，在選定的相角下實現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開斷，要求操作時間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi)。又例如對真空開關(guān)的同步操作要求能做到開關(guān)觸頭在零電壓時關(guān)合，在零電流時分?jǐn)嗟取?/p>

2.2間隔層

間隔層設(shè)備的主要功能是:(1)匯總本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息;(2)實施對一次設(shè)備保護控制功能;(3)實施本間隔操作閉鎖功能;(4)實施操作同期及其他控制功能;(5)對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制;(6)承上啟下的通信功能，即同時高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。必要時，上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工方式，以提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

2.3站控層

站控層的主要任務(wù)是:(1)通過兩級高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶崟r數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實時數(shù)據(jù)庫，按時登錄歷史數(shù)據(jù)庫;(2)按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心;(3)接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行;(4)具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;(5)具有(或備有)站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，人機聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報警，甚至圖像，聲音等多媒體功能;(6)具有對間隔層、過程層諸設(shè)備的在線維護、在線組態(tài)，在線修改參數(shù)的功能;(7) 具有(或備有)變電站故障自動分析和操作培訓(xùn)功能。

3目前常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)存在著很多技術(shù)和經(jīng)濟的局限性

3.1二次設(shè)備之間存在互操作性問題

⑴二次設(shè)備缺乏統(tǒng)一的信息模型規(guī)范和通信標(biāo)準(zhǔn)。為實現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互聯(lián)，必須設(shè)置大量規(guī)約轉(zhuǎn)換器或保護管理機，增加了系統(tǒng)復(fù)雜和設(shè)計、調(diào)試和維護的難度，降低了通信系統(tǒng)的性能。

⑵當(dāng)變電站二次設(shè)備選擇不同廠家產(chǎn)品時，全站自動化系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)成了變電站投產(chǎn)前必須重點安排的一項復(fù)雜工作。常常因為設(shè)備之間互聯(lián)通信不暢等原因拖延調(diào)試工作周期，使變電站不能按期投運;并且給后期運行維護帶來許多不便，給安全生產(chǎn)帶來很大的隱患。

3.2傳統(tǒng)電流、電壓互感器的問題

電壓等級越高，短路電流越大。為解決絕緣和傳變特性，必須是體積增大，設(shè)備得更加笨重，安裝運輸極不方便。暫態(tài)傳變特性差。高壓系統(tǒng)中要求保護動作速度快，改善暫態(tài)傳變特性需增加投資。電流互感器二次側(cè)輸出對負(fù)載要求嚴(yán)格，超高壓變電站占地面積大，從開關(guān)場到控制室的二次電纜可達 200 米，為保證傳變精度，增加電纜截面也不能解決問題。 傳變大電流時，會出現(xiàn)鐵芯飽和現(xiàn)象，使得差動保護難以實現(xiàn)。

3.3二次電纜對系統(tǒng)可靠性的影響

雖然現(xiàn)有的變電站自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)備的智能化，但這些智能設(shè)備之間以及智能設(shè)備與一次系統(tǒng)設(shè)備和變電站自動化系統(tǒng)之間仍然采用電纜進行連接。電纜遭受電磁干擾和一次設(shè)備傳輸過電壓可能引起二次設(shè)備運行異常;在二次電纜比較長的情況下由電容禍合的干擾可能造成繼電保護誤動作。盡管電力行業(yè)的有關(guān)規(guī)定中要求繼電保護二次回路一點接地，但由于二次回路接地點的狀態(tài)無法實時檢測，二次回路兩點接地的情況仍時有發(fā)生并對繼電保護產(chǎn)生不良影響，甚至造成設(shè)備誤動作。

3.4設(shè)備選擇的限制造成成本和加大

一次設(shè)備和二次裝置之間依然采用電纜硬連接方式，需要敷設(shè)了大量的二次電纜。這無論是對設(shè)計、施工還是運行維護都存在很大的工作量，并形成可觀的成本。信息共享困難。常常存在多套并行的應(yīng)用系統(tǒng)，卻未實現(xiàn)變電站內(nèi)的公用信息共享，因此不便擴展、難以維護，加大了變電站整體造價及運行維護成本。站內(nèi)各種二次設(shè)備無法互操作。各種二次設(shè)備采用私有協(xié)議和不兼容的網(wǎng)絡(luò)，使變電站造價及調(diào)試、運行、維護成本大為增加。

4改造后數(shù)字化變電站的特點和優(yōu)勢

通過數(shù)字化變電站技術(shù)改造，能夠比較好的解決現(xiàn)有變電站自動化技術(shù)存在的上述缺陷。數(shù)字化變電站具有簡潔的二次接線、更好的保護性能、一致化的計測精度、較高的設(shè)備使用效率、更高的系統(tǒng)可靠性，同時數(shù)字化變電站設(shè)備具有很高的互操作性，設(shè)備較易維護和更新，信息實現(xiàn)共享的特點。因此，將傳統(tǒng)變電站改造為數(shù)字化變電站將是必然趨勢。

通過數(shù)字化改造，可以實現(xiàn)以下目標(biāo):通過過程層數(shù)字化，取消大量電纜硬連接，降低系統(tǒng)成本。采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互操作，消除站內(nèi)信息孤島。設(shè)備的互操作性使得用戶可以選擇最好的系統(tǒng)部件，大幅改善系統(tǒng)集成、現(xiàn)場驗收、監(jiān)視診斷和運行維護等的費用，節(jié)約大量時間，增加自動化系統(tǒng)使用期間的靈活性。優(yōu)化功能布局，減少設(shè)備數(shù)量，簡化二次系統(tǒng)。

因此，對常規(guī)變電站進行數(shù)字化改造，對于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會和科技創(chuàng)新型電力企業(yè)，通過節(jié)能調(diào)度實現(xiàn)節(jié)能降耗，通過標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)信息共享和系統(tǒng)的互聯(lián)互通，減少投資，降低維護工作量，提高效率和效益，提高大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平和災(zāi)變防治能力，提高電網(wǎng)生產(chǎn)的科學(xué)、智能決策水平，顯著提高電網(wǎng)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實意義。

5數(shù)字化變電站技術(shù)擴展的方向

西地數(shù)字化變電站的建設(shè)，采用數(shù)字化技術(shù)使變電站的信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數(shù)字化，將保護、控制、數(shù)據(jù)采集功能集成在最少的平臺上，進行了高度的集成。特別提出繼電保護的高度集成化，要實現(xiàn)1對N保護功能。為我們今后的數(shù)字化建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗，因此我們提出區(qū)域數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)，區(qū)域數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)對通信網(wǎng)提出了較高的要求。要求通信網(wǎng)可靠，在一條光纜中斷時不影響整個系統(tǒng)通信，在一套光傳輸設(shè)備故障時不影響其它網(wǎng)元的業(yè)務(wù)傳輸，能夠提供多業(yè)務(wù)接入，組成綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)，提供100M以太網(wǎng)接口、語音接口、低速數(shù)據(jù)接口和視頻接口等。為了滿足上述要求，通信網(wǎng)只能采用光纖通信方式，組成4纖自愈環(huán)網(wǎng)。光設(shè)備采用具有多業(yè)務(wù)接入功能的MSTP傳輸設(shè)備。使每一個網(wǎng)元都通過兩個不同路由相連。同時具備自愈功能。從而保證在一條光纜中斷和一個網(wǎng)元故障時其它站點通信不中斷。 2009年計劃選取寬城縣作為試點，在寬城站和數(shù)字化電網(wǎng)二次中心站做兩個環(huán)網(wǎng)的光口互聯(lián)，系統(tǒng)容量為622M，同時考慮今后的括容可通過更換光口實現(xiàn)平滑升級到2.5G。通過增加相應(yīng)的網(wǎng)卡可提供1000M的以太網(wǎng)接口。以滿足該區(qū)域數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)對通信的需求。在城東110kv變電站建設(shè)集中保護控制樓，將一個35kv變電站保護及自動裝置集中起來，逐步實現(xiàn)35KV變電站二次設(shè)備遠程集中控制，實現(xiàn)保護1:N保護和控制。2010年在對一個35kv站進行遠程控制的基礎(chǔ)上，在1對N功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)N對N。開展將多個35kv站遠程控制的研究，逐步實現(xiàn)一套二次保護及控制設(shè)備完成對多個站多臺設(shè)備的保護及控制。

常規(guī)的綜合自動化變電站二次設(shè)備及控制均在站內(nèi)實現(xiàn)。而且全部是1:1面向間隔，隨著電網(wǎng)通信設(shè)備的發(fā)展，通信能夠滿足100M的站間通信要求，集中建立中心控制站，中心控制站的保護設(shè)備一套裝置可控一個站或多個變電站線路或變壓器保護，大大減少設(shè)備總數(shù)，減少投資，而且站內(nèi)二次設(shè)備全部簡化其中到中心控制站，實現(xiàn)保護1:N或N:N保護和控制，站內(nèi)只有一次設(shè)備和通信設(shè)備，減少站內(nèi)檢修、調(diào)試及基建費用。

6結(jié)束語

西地數(shù)字化變電站改造后已正式運行近兩年，總的來看設(shè)備運行平穩(wěn)，各類數(shù)據(jù)采集、傳輸無誤，保護和自動裝置動作正常，至少可以說明數(shù)字化變電站的技術(shù)運用到實際中已初步通過實踐的檢驗，滿足了安全、穩(wěn)定的系統(tǒng)運行要求。近幾年國內(nèi)智能化一次設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量提升非?？?，原來制約數(shù)字化變電站發(fā)展的因素會得到逐一排除，隨著數(shù)字化變電站運行經(jīng)驗的積累，成熟的數(shù)字化變電站取代常規(guī)自動化變電站將成為必然趨勢。

參考文獻

[1] 高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技校術(shù). 中國電力出版社， 2008.

[2] 陳立新，張寶健. 數(shù)字變電站系統(tǒng)(DPSS)的研究與設(shè)計實現(xiàn). 煤礦機械出版社， 2005.

[3] 李九虎，鄭玉平，等. 電子式互感器在數(shù)字化變電站的應(yīng)用.電力系統(tǒng)自動化， 2007，4.

作者簡介:

李建龍，男，1974-6生， 高級工程師，現(xiàn)從事變電設(shè)計工作.

潘卓，女，1986-11生， 學(xué)生，中國農(nóng)業(yè)大學(xué).

楊振君，女，1963-1生， 高級工程師，現(xiàn)從事變電設(shè)計工作.

朱世梅，女，1968-11生， 高級工程師，現(xiàn)從事通訊設(shè)計工作.

宋志永，男，1975-9生， 工程師，現(xiàn)從事變電設(shè)計工作.