1.引言

數(shù)字化的變電站研究與建設，應按IEC TC57技術委員會出臺的IEC 61850標準進行研究與建設。其目的將變電站按統(tǒng)一的標準，同一操作使各廠家之間的設備互相通信和互相操作。按統(tǒng)一的標準建設數(shù)字化變電站，可以優(yōu)化電網(wǎng)運行方式對提高設備的可靠性，保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行，實現(xiàn)減員增效具有重要的社會效益和經濟效益。我國在2008年開始執(zhí)行以IEC 61850標準為藍本的數(shù)字化變電站DL/T860系列標準。

2.數(shù)字化變電站功能

數(shù)字化變電站在自動化系統(tǒng)的結構[1]上可分為：一次設備智能化、二次設備網(wǎng)絡化。在邏輯結構上可分為三個層次，根據(jù)IEC 61850標準這三個層次為“站控層”、“間隔層”、“過程層”。

2.1 數(shù)字化變電站功能

數(shù)字化變電站以數(shù)字信息傳送為對象，對數(shù)字化信息進行統(tǒng)一建模，用標準的網(wǎng)絡信息構成變電站監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示；

2.2 站控層主要功能

(1)將站內的兩級高速網(wǎng)絡的信息匯總的實時數(shù)據(jù)，信息不斷更新實時數(shù)據(jù)庫，按時登錄歷史數(shù)據(jù)庫。

(2)將站內的有關數(shù)據(jù)、信息報送控制中心，同時將中心的有關指令下達到“間隔層”、“過程層”，

進行執(zhí)行。

(3)具有在線編成全站的操作控制功能，和在線對“間隔層”、“過程層”的維護，在線修改參數(shù)等。

(4)具有站內的監(jiān)控、報警，變電站故障自動分析，操作學習的功能。

2.3 間隔層功能

(1)承上啟下的通信功能，完成“過程層”及“站控層”網(wǎng)絡通信功能。上下網(wǎng)絡接口具有雙口全雙工方式，提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡通信的可靠性。

(2)進行數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算、發(fā)布控制命令具有優(yōu)先級別的控制與驅動。

(3)實施對一次設備保護、控制功能。

(4)實施間隔層操作閉鎖功能，進行同期操作及其他控制功能。

2.4 過程層功能

(1)本層是一次設備與二次設備的結合面。對電力運行實時電氣量的檢測，主要的參數(shù)有，電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、有功電量、無功電量、功率因數(shù)、頻率、三相不平衡度、諧波含量等。

(2)設備運行狀態(tài)參數(shù)的檢測。主要參數(shù)有，溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性等數(shù)據(jù)量。

(3)操作控制執(zhí)行與驅動。

3.數(shù)字化變電站的構成

研究數(shù)字化變電站按IEC 61850[2]標準進行建設，能夠使變電站系統(tǒng)管理智能化，實現(xiàn)系統(tǒng)的共享和互操作，滿足供電安全、穩(wěn)定、可靠。本文介紹一個大型的會展中心建筑面積32萬平方米，集成展覽、會議、商務、餐飲、娛樂為一體的多功能建筑物。電源來自四個方向的進線，每個方向有兩條高壓進線供電，共八條高壓進線。系統(tǒng)有兩個高壓開閉所、六個變配電室，29臺變壓器(8臺2000KVA、14臺1600KVA、3臺1000KVA、4臺800KVA)，7臺冷水機組每臺1087KW，4臺1320KW備用發(fā)電機組，組成的變電系統(tǒng)。

3.1 智能化電網(wǎng)的建設

智能化的電網(wǎng)建設應具有安全性、可靠性、開放性、支持分布式電源（DER）的接入[3]、智能化的管理。按一次化的智能設備與二次化智能設備進行一體化的建模構成系統(tǒng)。

會展中心的變配電系統(tǒng)，每條高壓線都配置智能電子設備(IED)可以完成智能化電網(wǎng)的功能，采用法國施耐德電氣公司生產的Sepam 1000+（4）系列微機保護測控裝置其功能；

(1)電力系統(tǒng)的測控裝置能監(jiān)控，電網(wǎng)和設備的運行狀態(tài)、RMS熱保護、電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、跳閘記錄、故障波形記錄、相位角的位移、CT、VT等。

(2)診斷功能，網(wǎng)絡和電機診斷跳閘電流、不平衡比干擾記錄；開關設備診斷，累計分斷流量，跳閘電路監(jiān)視，跳閘時間；保護單元和附加模塊診斷，連續(xù)自檢及監(jiān)視等。

(3)保護功能，有方向性過載保護、方向性無功過載保護、欠壓和欠頻保護、發(fā)熱過載保護、重合閘及選擇性時間保護；相電流保護和接地故障保護、有電壓記憶和頻率及IDMT保護等。

(4)ModBus通訊，保護測控裝置的有關信息通過RS485通訊接口進行網(wǎng)絡通信，將各種檢測數(shù)據(jù)、指令通過通信網(wǎng)絡進行交換。

(5)UMI人機界面編程，可用PLC梯形圖和程序編程，按用戶要求提供2種人機界面；一種用LCD顯示和9鍵小鍵盤顯示數(shù)據(jù)進行操作；另一種是專家級UMI，SFT2841PC軟件提供所有Sepam功能的存取，在Windous環(huán)境下進行操作。

微機保護測控裝置是集保護、測量、控制、通訊、自檢為一體，可完成各種電流，電壓及頻率保護，并提供多種電氣參數(shù)測量集故障錄波，可通過邏輯進行保護，控制用戶定制，裝置面板及PC整定軟件完全中文化。

3.2 分散式遠程監(jiān)控

圖1 變電站IEC 61850標準結構功能圖Fig1 transformer station IEC 61850 standard structure functional

圖2 數(shù)字化變電站控制系統(tǒng)構成

圖3 監(jiān)控遠程操作結構圖Fig3 monitor and control remote operation structural diagram

圖4監(jiān)控畫面操作圖Fig4 monitor and control screen operation chart

圖-5 遠程控制分閘/合閘邏輯圖Fig5. long-range controls Switching off/in logic diagram

系統(tǒng)中有四個變電站的主控單元采用工業(yè)級、高可靠、功能強大的工業(yè)控制計算機(MCU)進行監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程采集、處理、通訊控制等功能。每臺MCU有2個網(wǎng)絡接口經以太網(wǎng)光纖收發(fā)器、光纜構成一臺主機、一臺備用機的兩個通訊通道，分別聯(lián)接在站控層兩臺以太網(wǎng)交換機，構成雙以太網(wǎng)的結構，達到分散式監(jiān)控。

3.3 線路智能測控

變電站采用分層式結構，高壓計量柜有8條回路和低壓重要回路176條回路，每條回線路配置一臺網(wǎng)絡電力監(jiān)控儀表PM500。網(wǎng)絡電力監(jiān)控儀表PM500通過自帶的RS485通信接口與各變電站的間隔層通訊管理機實現(xiàn)網(wǎng)絡連接進行測控。

法國施耐德電氣公司生產網(wǎng)絡電力監(jiān)控儀表PM500[5]主要功能為：

(1)PM500能滿足高、低壓電力安裝中電氣監(jiān)控的要求實現(xiàn)真正的有效的四象限測量為電流、電壓同時提供能量測量和THD(總諧波失真)測量，如遠程操作選Modbus RS485模塊，就可以實現(xiàn)。

(2)可以同時提供5個測量數(shù)據(jù)顯示，能快速直接訪問信息，能獲得所有電氣參數(shù)的測量：電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、有功電量、無功電量、功率因數(shù)、頻率、三相不平衡度、諧波含量等。

(3)開關的操作有，本地／遠方分、合控制功能。

(4)通信方式的設定(裝有通信模塊Modbus RS485)。

(5)電流互感器的變比設定；電壓互感器的二次側的電壓值的設定。

(6)運行狀態(tài)(開關位置)監(jiān)視。

(7)布線方式的選定(三相四線制、三相三線制的平衡與不平衡的選定，兩相、單相的接線方式)。

PM500網(wǎng)絡電力監(jiān)控儀表，它能顯示的5組數(shù)據(jù)、和功能都是用儀表上的6個按鍵開關進行編程的，6個指示燈顯示編程狀態(tài)。

4.數(shù)字化變電站分層定位

數(shù)字化變電站從整體設計是按IEC 61850標準進行劃分為三個層次功能：站級層、間隔層、過程層。數(shù)字化變電站分層功能構成如圖2所示。

4.1 站控層構成

作為變電站的控制中樞，由冗余配置的雙機計算機監(jiān)控系統(tǒng)，包括兩臺服務器(采用DEIJL服務器)、2臺3Com以太網(wǎng)交換機、一臺操作員工作站，一臺工程師站，一臺打印服務器、一臺打印機。兩臺服務器以主、備方式工作，站級層所發(fā)送的指令，兩臺服務器同時接收，并以同樣的軟件處理；操作員發(fā)出的控制命令，兩臺服務器同時接收，但只有主服務器能夠發(fā)出控制輸出命令，故障時，主備機之間通過軟件自動進行切換。

4.2 間隔層構成

作為主控單元采用工業(yè)級、高可靠、功能強大的MCU，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、通訊控制等功能。l#～4#變電站各設置一臺MCU。每臺MCU有2個網(wǎng)絡接口連接以太網(wǎng)光纖收發(fā)器、光纜構成一主、一備通訊通道，分別連接在站控層的兩臺以太網(wǎng)交換機，間隔層負責八條高壓進線。有兩個高壓開閉所、六個變配電室，29臺變壓器。間隔層將采集到的電氣設備運行狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)和發(fā)生的事件信息上傳到站控層的通信管理機，同時接收、執(zhí)行站控層主機下達的控制命令。

4.3 過程層構成

整個會展中心的數(shù)據(jù)采樣較多，過程層的二次回路每條回路的，開關、保護、變壓器、直流屏、發(fā)電機、10KV冷水機組等設備直接通訊，實現(xiàn)模擬信息、數(shù)字信息、電能量的信息采集、傳輸及控制等共有結點有17766個。

5.變電站遠程操作系統(tǒng)

5.1 變電站監(jiān)控操作畫面結構

變電站監(jiān)控遠程操作系統(tǒng)采用圖形操作畫面進行操作，例如圖3所示。

在變電站監(jiān)控遠程操作主操作面界面中，每一種圖形都是一個控制目錄，在這個目錄下有二級目錄和更多的子目錄。例如圖4所示；點擊1＃變電所就將所內的設備就會出現(xiàn)，點擊目錄中的10KV電氣監(jiān)控系統(tǒng)就會出現(xiàn)如下的畫面。

當點擊TM25斷路器就出現(xiàn)的TM25控制的畫面，下面還有子目錄控制對象。

5.2 同期斷路器的操作

智能化監(jiān)控系統(tǒng)為實現(xiàn)供電自動化，保證供電質量是十分重要的，同期斷路器的操作是數(shù)字化變電站運行主要功能。變電站自動化系統(tǒng)中的同期功能一般由間隔層的測控裝置［6］完成，將IED測出的信號進行模數(shù)轉換與計算，在收到站控層的命令后進行同期判斷，如條件滿足，輸出合閘脈沖，完成同期斷路器的操作。本系統(tǒng)采用MT框架式斷路器，是一個具有智能的斷路器?？梢詫崿F(xiàn)遠程控制操作，MT框架式斷路器具有功能；(1)通訊控制部分；(2)控制執(zhí)行部分；(3)分斷能力及設置；(4)LED顯示信號數(shù)據(jù)；(5)信號采集部分。能實現(xiàn)搖控操作，對斷路器、電動隔離開關進行遠程控制。

監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，在設計上有操作權限等級管理功能，只有當具有權限操作人員在輸入正確的密碼后，才有權進行操作控制。系統(tǒng)具有變電站操作票自動生成功能，斷路器、刀閘操作。首先在后臺監(jiān)控主機上進行模擬試操作，當操作正確無誤后監(jiān)控系統(tǒng)自動生成并打印操作票，工作人員按照操作票所列項目順序操作。操作采用二級校驗方式，即：選擇一返校一執(zhí)行，對于每次操作系統(tǒng)均自動生成操作記錄，并將記錄存儲。監(jiān)控系統(tǒng)能防止硬件損壞及軟件飛車導致的誤操作，能實現(xiàn)硬件閉鎖、軟件防誤的功能，所有操作均經閉鎖邏輯判斷無誤后方可執(zhí)行。系統(tǒng)能對操作命令進行分析、判斷，當發(fā)現(xiàn)誤操作時，能閉鎖該項操作，并提示操作人員，確保操作正確率在100%。所有斷路器都有本地和遠方控制功能，為防止搖控失敗，可以進行手動。如圖5所示。

這是遠程控制分閘、合閘邏輯圖。在圖中的輸出端，都是經過邏輯運算確信安全后可輸出的。

(1)圖中的01端是跳閘端；輸出01上的跳閘通過；保護單元、邏輯分辯、經過通訊完成遙控、外部保護、邏輯輸入后，執(zhí)行分閘命令。

(2)圖中011端是合閘端；通過重合閘，要經過通訊，完成遙控，邏輯輸入后，執(zhí)行合閘命令。

(3)圖中02端是禁止合閘端；通過跳閘回路故障(TCS)、SF6故障、邏輯輸入導致的禁止合閘命令。

5.3 系統(tǒng)軟件配置和運行環(huán)境

數(shù)字化變電站按IEC 61850標準進行建設，實現(xiàn)變電站數(shù)字化監(jiān)控。因此要建設高速以太網(wǎng)和支持系統(tǒng)的軟件。系統(tǒng)配置軟件如下；

(1)操作系統(tǒng)windows NT簡體中文版

(2)POWER—SCADA 2000系統(tǒng)軟件

(3）事件記錄軟件SepamFix

(4)錄波采集及分析軟件SepamRec

(5)報表專用工具報表編輯軟件RptDraw

(6)報表專用工具報表瀏覽軟件RptView

在對所有的設備及各類軟件安裝完成后，建立整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)的核心，將報表、事件記錄、錄波、搖控操作、動態(tài)畫面顯示等各種數(shù)據(jù)都是從數(shù)據(jù)庫調出。在系統(tǒng)調試過程中發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)報警信號過頻繁，通過對軟件和功率因數(shù)補償器的資料分析后發(fā)現(xiàn)，監(jiān)控系統(tǒng)在處理功率因數(shù)的報警信息時，把它當成開關信號進行處理，只要有信號送過來就報警，整個系統(tǒng)對所有設備的掃描時間是很短的，不可能對報警信號產生延時現(xiàn)象。在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫有一項掃描周期可以編輯，整個系統(tǒng)掃描周期不到一秒鐘，掃描的時間是按設備的數(shù)量、類型而設定，功率因數(shù)補償器是根據(jù)負荷電流、電壓值，計算出線路的有功功率、無功功率、功率因數(shù)，再根據(jù)實際的電流值計算出投多少電容器組數(shù)，每投入一組電容器需要有40秒的時間，所以功率因數(shù)報警也是正?，F(xiàn)象。在實際運行中負荷變化很大，功率因數(shù)也是在變化，通過設定監(jiān)控軟件對功率因數(shù)上限和下限的掃描時間進行調整，即掃描時間大于電容器補償器的投入時問。經過連續(xù)幾個月的試運行的調整，掃描時間設為60秒鐘時，功率因數(shù)報警基本得到有效的控制，系統(tǒng)基本穩(wěn)定。

6.結論

按IEC 61850標準建設的變電站系統(tǒng)投入運行后運行、維護的人員減少了，出現(xiàn)事故的時間瞬間就在電腦上顯示，電腦自動生成報表，從而減少勞動強度，而且可以隨時調用各種數(shù)據(jù)，高壓倒閘操作在計算機移動鼠標就可以實現(xiàn)，提高了智能化的操作保證變電站的安全與可靠。

[1]史春光.試探數(shù)字化變電站[J].企業(yè)技術開發(fā),2009(28):7-8.

[2]IEC 61850變電站通信網(wǎng)和系統(tǒng)系列標準[M].北京:中國電力出版社,2004.

[3]徐丙垠,李天友,薛永端.智能配電網(wǎng)與配電自動化[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(7):38-41.

[4]施耐德電氣公司.Sepam1000+40系列安裝和用戶手冊[Z].2002(9).

[5]施耐德電氣公司.功率表PM500安裝和用戶手冊[Z].2002(3).

[6]周斌,張斌,閆承志.數(shù)字化變電站同期功能的實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(9):57-60.