沈明浩

云南省玉溪供電局 ，云南 玉溪 653100

1 數(shù)字化變電站的定義

“數(shù)字化變電站”是以變電站一、二次設(shè)備為數(shù)字化對象，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺為基礎(chǔ)，通過對數(shù)字化信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)信息共享和互操作，并以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測量監(jiān)視、控制保護(hù)、信息管理等自動化功能的變電站。

在變電站自動化領(lǐng)域中，隨著智能化電氣的發(fā)展，特別是智能開關(guān)、光電式互感器機(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)，變電站自動化技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化的新階段。在高壓和超高壓變電站中，保護(hù)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綜合自動化保護(hù)裝置、測控等裝置的I/O部分；而在中低壓變電站則將保護(hù)、監(jiān)控裝置更加小型化、緊湊化，完整地集成開關(guān)柜上，充分體現(xiàn)了了變電站機(jī)電一體化的技術(shù)要求。

數(shù)字化變電站具有“四化”特征：全站信息數(shù)字化；通信平臺網(wǎng)絡(luò)化；信息共享標(biāo)準(zhǔn)化；高級應(yīng)用互動化。實(shí)現(xiàn)四化功能的基礎(chǔ)如下：

1）智能化的一次設(shè)備

一次設(shè)備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)，簡化了常規(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)字公共信號網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接。換言之，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。

2）網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備

變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠(yuǎn)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(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，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(shí)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。

3）自動化的運(yùn)行管理系統(tǒng)

變電站運(yùn)行管理自動化系統(tǒng)應(yīng)包括電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計(jì)無紙化；數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動化；變電站運(yùn)行發(fā)生故障時能即時提供故障分析報(bào)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(bào)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 變電站自動化的發(fā)展歷程

表1 變電站自動化發(fā)展歷程表

2.1 常規(guī)變電站的缺點(diǎn)

1）技術(shù)和管理上條塊分割、設(shè)備互不兼容；

2）硬件設(shè)備多而雜，標(biāo)準(zhǔn)化程度低；

3）控制電纜、端子排規(guī)模大、安裝調(diào)試比較復(fù)雜；

4）被動系統(tǒng)，無法自診斷、維護(hù)工作量大。

2.2 綜合自動化變電站存在的問題

變電站綜合自動化系統(tǒng)仍然存在信息難以共享、設(shè)備之間不具備互操作性、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性差等問題，制約了變電站可靠性、實(shí)時性、經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提升。

另一方面，大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行也對變電站向電網(wǎng)高級功能應(yīng)用提供數(shù)據(jù)的支撐能力提出了更高的要求。

3 數(shù)字化變電站

3.1 數(shù)字化變電站研究的意義

目前變電站自動化系統(tǒng)雖已部分實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化，但設(shè)備之間缺乏互操作性，不能夠?qū)崿F(xiàn)一體化。各廠家功能和接口的差異，導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)和升級成本巨大。變電站自動化系統(tǒng)與互感器、開關(guān)等終端設(shè)備需要通過電纜相連，模擬信號的傳輸存在電磁干擾及附加誤差等，沒有全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。變電站內(nèi)、變電站與控制中心之間沒有完全實(shí)現(xiàn)信息共享，一次設(shè)備的狀態(tài)信息無法全部接入。

隨著智能化開關(guān)、光電式電流電壓互感器、一次運(yùn)行設(shè)備在線狀態(tài)檢測、變電站運(yùn)行操作培訓(xùn)仿真等技術(shù)日趨成熟，以及計(jì)算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)用，對已有的變電站自動化技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響，全數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字化變電站由于對信息采集、傳輸、處理和輸出過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，基本特征具有設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運(yùn)行管理自動化等等特點(diǎn)。

變電站數(shù)字化為電網(wǎng)的智能化提供了有力保證，為各種綠色、低碳能源的接入提供了可靠的支撐平臺。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站對于我國變電站的自動化運(yùn)行和管理將帶來深遠(yuǎn)的影響和變革，具有重大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。

3.2 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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)IEC61850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，三個層次的關(guān)系如圖1所示。

圖1 數(shù)字化變電站邏輯結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 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3類：1）電力運(yùn)行實(shí)時的電氣量檢測；2）運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測；3）操作控制執(zhí)行與驅(qū)動。

1）電力運(yùn)行的實(shí)時電氣量檢測

與傳統(tǒng)的功能一樣，主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測，其他電氣量如有功、無功、電能量可通過間隔層的設(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)在線檢測與統(tǒng)計(jì)

變電站需要進(jìn)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(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

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(hù)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?，還能對即將進(jìn)行的動作精度進(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>

3.2.2 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(shí)時數(shù)據(jù)信息；2）實(shí)施對一次設(shè)備保護(hù)控制功能；3）實(shí)施本間隔操作閉鎖功能；4）實(shí)施操作同期及其他控制功能；5）對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)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。

3.2.3 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?shí)時數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)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(jī)聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報(bào)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(hù)、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。

3.3 數(shù)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)

數(shù)字化變電站的一次設(shè)備和二次設(shè)備均采用智能設(shè)備，設(shè)備間交互的信息均按統(tǒng)一的模型數(shù)字化。數(shù)字化變電站較常規(guī)綜合自動化變電站有以下優(yōu)勢：

1）提升測量精度

數(shù)字化變電站采用輸出數(shù)字信號的電子式互感器，數(shù)字化的電流電壓信號在傳輸?shù)蕉卧O(shè)備和二次設(shè)備處理的過程中均不會產(chǎn)生附加誤差，提升了保護(hù)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)的系統(tǒng)精度。

傳統(tǒng)變電站互感器輸出的模擬信號通過電纜傳輸時和二次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集過程中都將產(chǎn)生附件誤差，系統(tǒng)精度難以提高。

2）提高信號傳輸?shù)目煽啃?/p>

數(shù)字化變電站的信號傳輸均用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通信系統(tǒng)在傳輸有效信息的同時傳輸信息校驗(yàn)碼和通道自檢信息，杜絕誤傳信號和監(jiān)視通信系統(tǒng)的完好性，PT斷線、CT斷線的判斷將不再是問題。數(shù)字信號可以用光纖傳輸，從根本上解決抗干擾問題。

傳統(tǒng)變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備間直接通過電纜傳輸沒有校驗(yàn)信息的信號，當(dāng)信號出錯或電纜斷線、短路時都難以發(fā)現(xiàn)。而且傳輸模擬信號不能采用光纖技術(shù)，易受干擾。

3）減少二次接線

數(shù)字化變電站的一次設(shè)備和二次設(shè)備間采用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，一條信道可傳輸多個通道的信息，加上使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大幅度減少了二次接線的數(shù)量和復(fù)雜度。

4）解決設(shè)備間的互操作問題

數(shù)字化變電站的所有智能設(shè)備均按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建立信息模型和通信接口，設(shè)備間可實(shí)現(xiàn)無縫連接。

傳統(tǒng)變電站的不同生產(chǎn)廠家二次設(shè)備之間的互操作性問題至今仍然沒有得到很好地解決，主要原因是二次設(shè)備缺乏統(tǒng)一的信息模型規(guī)范和通信標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互連，必須設(shè)置大量的規(guī)約轉(zhuǎn)換器，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)的難度，降低了通信系統(tǒng)的可靠性。

5）變電站的各種功能可共享統(tǒng)一的信息平臺，避免設(shè)備重復(fù)

數(shù)字化變電站的所有信息采用統(tǒng)一的信息模型，按統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)接入變電站通信網(wǎng)絡(luò)。變電站的保護(hù)、測控、計(jì)量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動、VQC等系統(tǒng)均用同一個通信網(wǎng)絡(luò)接收電流、電壓和狀態(tài)等信息以及發(fā)出控制命令，不需為不同功能建設(shè)各自的信息采集、傳輸和執(zhí)行系統(tǒng)。

傳統(tǒng)變電站由于各種功能采用的通信標(biāo)準(zhǔn)和信息模型不盡相同，二次設(shè)備和一次設(shè)備間用電纜傳輸模擬信號和電平信號，各種功能需建設(shè)各自的信息采集、傳輸和執(zhí)行系統(tǒng)，增加了變電站的復(fù)雜性和成本。

6）自動化運(yùn)行和管理水平的進(jìn)一步提高

數(shù)字化變電站的采用智能一次設(shè)備，所有功能均可遙控實(shí)現(xiàn)。通信系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒏暾?，通信的可靠性和?shí)時性都大幅度提高。變電站因此可實(shí)現(xiàn)更多、更復(fù)雜的自動化功能，提高自動化水平。

傳統(tǒng)變電站由于受一次設(shè)備和通信系統(tǒng)能力的限制，許多自動化技術(shù)只能停留在試驗(yàn)室里，難以進(jìn)行工程實(shí)際應(yīng)用。

7）避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點(diǎn)接地等問題

數(shù)字化變電站二次設(shè)備和一次設(shè)備之間使用絕緣的光纖連接，電磁干擾和傳輸過電壓沒有影響到二次設(shè)備的途徑，而且也沒有二次回路兩點(diǎn)接地的可能性。

傳統(tǒng)變電站的二次設(shè)備與一次設(shè)備之間仍然采用電纜進(jìn)行連接，電纜感應(yīng)電磁干擾和一次設(shè)備傳輸過電壓可能引起的二次設(shè)備運(yùn)行異常，在二次電纜比較長的情況下由電容耦合的干擾可能造成繼電保護(hù)誤動作。盡管電力行業(yè)的有關(guān)規(guī)定中要求繼電保護(hù)二次回路一點(diǎn)接地，但由于二次回路接地點(diǎn)的狀態(tài)無法實(shí)時檢測，二次回路兩點(diǎn)接地的情況近期仍時有發(fā)生并對繼電保護(hù)產(chǎn)生不良影響，甚至造成設(shè)備誤動作。

3.4 數(shù)字化變電站建設(shè)和運(yùn)行的關(guān)鍵及難點(diǎn)

1）變電站全站數(shù)字化最大的障礙在于一次設(shè)備。目前我國智能開關(guān)設(shè)備、電子式互感器等的研制和運(yùn)用相對比較滯后，對數(shù)字化變電站建設(shè)的投資、設(shè)備質(zhì)量和技術(shù)服務(wù)提出了較高要求；

2）變電站建設(shè)的歷史原因。部分變電站將繼續(xù)采用傳統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備甚至二次設(shè)備和系統(tǒng)軟件。為滿足數(shù)字化變電站的要求，將為傳統(tǒng)一次設(shè)備配置智能終端，并改造傳統(tǒng)二次設(shè)備和系統(tǒng)軟件的通信服務(wù)和信息模型使之符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。智能終端的研發(fā)工作、傳統(tǒng)二次設(shè)備和系統(tǒng)軟件的改造工作也是今后的工作難點(diǎn)；

3）變電站設(shè)備的一致性測試。數(shù)字化變電站的智能設(shè)備應(yīng)在選型前進(jìn)行一致性測試來驗(yàn)證其是否符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，并作為選型的依據(jù)之一。這樣可大大減少變電站聯(lián)調(diào)的工作量，避免臨時修改通信程序和增加規(guī)約轉(zhuǎn)換器。

需研究適合的測試的工具、合理的檢測規(guī)程和測試用例以保證一致性檢測的效果；

4）保證系統(tǒng)可靠性及研究可靠性評價方法。數(shù)字化變電站的許多功能分布在多個物理設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，和一個物理設(shè)備參與多個功能的實(shí)現(xiàn)，都對系統(tǒng)可靠性提出了挑戰(zhàn)。按“故障弱化”的思想，通過合理地配置冗余設(shè)備可保證系統(tǒng)可靠性。同時研究計(jì)算變電站平均故障間隔時間、可用率等數(shù)據(jù)的可靠性評價方法；

5）適應(yīng)數(shù)字化變電站的運(yùn)行、維護(hù)和管理方法。數(shù)字化變電站由于廣泛地采用智能設(shè)備，對現(xiàn)有地運(yùn)行、維護(hù)和管理方法提出了挑戰(zhàn)。例如許多設(shè)備的輸出接口都由傳統(tǒng)的模擬接口和硬接線變?yōu)閿?shù)字通信接口，必須有新的調(diào)試和檢驗(yàn)設(shè)備以及相應(yīng)規(guī)程。還有許多原來由不同部門管理的功能由同一設(shè)備實(shí)現(xiàn)也造成一些責(zé)任區(qū)劃分問題。所以規(guī)劃數(shù)字式變電站時應(yīng)充分考慮運(yùn)行、維護(hù)和管理的因素，同時也應(yīng)根據(jù)數(shù)字化變電站的特點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整運(yùn)行、維護(hù)和管理的規(guī)程；

6）在選取作為試點(diǎn)的變電站時，建議將以下來兩點(diǎn)也作為考慮重點(diǎn)：（1）變電站在系統(tǒng)中的地位。如樞紐站在改造過程中，受運(yùn)行方式影響造成多間隔停電、停電時間較長等，則容易導(dǎo)致工程建設(shè)周期難以控制；（2）一次設(shè)備規(guī)模。如涉及的設(shè)備規(guī)模較大，除延長工程建設(shè)周期外，還容易因缺乏數(shù)字化設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)造成工程難以投運(yùn)，甚至引起停電事故。

4 結(jié)論

數(shù)字化變電站為智能電網(wǎng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，為提高電網(wǎng)的可靠性提供了技術(shù)保證，也為多種能源接入系統(tǒng)描繪了一幅美好的藍(lán)圖。但要實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化變電站還有較長的一段路要走。

數(shù)字化變電站的建設(shè)過程是實(shí)現(xiàn)智能化電網(wǎng)的必經(jīng)之路，也是供電部門提高供電效率和提升生產(chǎn)管理水平的一個積累過程。通過數(shù)字化變電站的應(yīng)用研究和示范工程的實(shí)施，積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)數(shù)字化變電站建設(shè)、運(yùn)行和檢修等方面所需的各種人才，研究并制定數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)和管理的各種規(guī)范，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化和現(xiàn)代化的有力措施。

[1]陳軼瑋.數(shù)字化變電站實(shí)用化研究[D].浙江大學(xué)，2007.

[2]高梯才，趙海森.數(shù)字化變電站技術(shù)應(yīng)用研討[J].山西電力，2008(5).