王 昕 ，趙艷峰，劉清蟬，林 聰

(云南電力試驗研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，昆明650217)

數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過程層、間隔層、站控層)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［1］。數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站比較，數(shù)字化變電站間隔層和站控層的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)接口只是接口和通信模型發(fā)生了變化，而過程層卻發(fā)生了較大的改變，由傳統(tǒng)的電流、電壓互感器、一次設(shè)備以及一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的電纜連接，逐步改變?yōu)殡娮邮交ジ衅?、智能化一次設(shè)備、合并單元、光纖連接等內(nèi)容。全站采用統(tǒng)一的通訊規(guī)約IEC61850 構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)、測控、計量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動、VQC 等系統(tǒng)均用同一網(wǎng)絡(luò)接收電流、電壓和狀態(tài)信息，各個系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享。常規(guī)變電站的一次設(shè)備采集模擬量，通過電纜將模擬信號傳輸?shù)綔y控保護(hù)裝置，裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后處理數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)線上將數(shù)字量傳到后臺監(jiān)控系統(tǒng)。同時監(jiān)控系統(tǒng)和測控保護(hù)裝置對一次設(shè)備的控制通過電纜傳輸模擬信號實現(xiàn)其功能。數(shù)字化變電站一次設(shè)備采集信息后，就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過光纜上傳測控保護(hù)裝置，然后傳到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，而監(jiān)控系統(tǒng)和測控保護(hù)裝置對一次設(shè)備的控制也是通過光纜傳輸數(shù)字信號實現(xiàn)其功能。

1 數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站的基本結(jié)構(gòu)繼承了分層分布式的特點(diǎn)，其功能在邏輯上被分配到3 層:過程層、間隔層和站控層［2］。

1.1 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:電力運(yùn)行實時的電氣量檢測;運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測;操作控制執(zhí)行與驅(qū)動。電力運(yùn)行的實時電氣量檢測，主要包括電流和電壓幅值、相位以及諧波分量的檢測，與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式互感器被光電/電子式互感器取代，傳統(tǒng)模擬量被直接數(shù)字量采集所取代。運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測與統(tǒng)計，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、隔離開關(guān)、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)。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、隔離開關(guān)分合控制，直流電源充放電控制。

1.2 間隔層

間隔層設(shè)備的主要功能是匯總本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息，實施對一次設(shè)備保護(hù)控制功能和本間隔操作閉鎖、操作同期及其他控制功能;對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制;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。

1.3 站控層

站控層設(shè)備的主要功能是通過兩級高速網(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;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;接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)給間隔層、過程層執(zhí)行;具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;具有站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，人機(jī)聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報警、圖像、聲音等多媒體功能;具有對間隔層、過程層等設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)的功能。

2 數(shù)字化變電站特點(diǎn)

數(shù)字化變電站是指信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的變電站，與傳統(tǒng)變電站相比，具有以下特點(diǎn):一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)行管理自動化、系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化。

2.1 一次設(shè)備智能化

采用數(shù)字信號輸出的電子式互感器、智能開關(guān)(或配智能終端傳統(tǒng)開關(guān))等智能一次設(shè)備。一次設(shè)備和二次設(shè)備間以光纖傳輸數(shù)字編碼信息方式交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等，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，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)字公共信號通過網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接［3］。

2.2 二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化

將IEC61850 應(yīng)用于變電站內(nèi)的通信，以充分利用網(wǎng)絡(luò)通信的最新技術(shù)，實現(xiàn)二次設(shè)備的信息共享、互操作和功能的靈活配置。數(shù)字化變電站采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變?yōu)閿?shù)字信號［4］。二次設(shè)備間用通信網(wǎng)絡(luò)交換模擬量、開關(guān)量和控制命令等信息，取消控制電纜。裝置冗余被信息冗余取代，降低了工程造價，提高了可靠性。

2.3 運(yùn)行管理自動化

應(yīng)包括自動故障分析系統(tǒng)、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和程序化控制系統(tǒng)等自動化系統(tǒng)，提高自動化水平，降低運(yùn)行維護(hù)難度，減少工作量。

2.4 系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化

統(tǒng)一的信息模型和信息交換模型解決了互操作問題，實現(xiàn)了信息共享，簡化了系統(tǒng)維護(hù)、工程配置和工程實施。

3 傳統(tǒng)變電站改造方案

數(shù)字化變電站電氣一、二次設(shè)備與傳統(tǒng)變電站電氣一、二次設(shè)備在接口上有本質(zhì)的區(qū)別。因此，如要對傳統(tǒng)變電站進(jìn)行數(shù)字化改造，必將對原有的通信網(wǎng)絡(luò)、電纜線路、綜自設(shè)備進(jìn)行顛覆性改造，資金投入大，尤其是對于一些剛剛進(jìn)行完綜合自動化改造的變電站，新設(shè)備還沒有產(chǎn)生效能就更換，勢必造成資金的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，在傳統(tǒng)變電站數(shù)字化改造中如何有效地利用現(xiàn)有設(shè)備、最大限度地減少投資和工程量，又能充分發(fā)揮數(shù)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)，使當(dāng)前正在運(yùn)行的傳統(tǒng)變電站平滑過渡到數(shù)字化變電站是一個關(guān)系到數(shù)字化變電站能否得到快速推廣的現(xiàn)實問題。

從目前數(shù)字化變電站的技術(shù)現(xiàn)狀來看，數(shù)字化變電站的改造工作可以分解為相對獨(dú)立的3 個部分:過程層數(shù)字化改造，間隔層數(shù)字化改造，站控層數(shù)字化改造。在進(jìn)行數(shù)字化變電站改造時可根據(jù)被改造變電站現(xiàn)有一次、二次設(shè)備現(xiàn)狀，制定相應(yīng)的分階段改造方案。結(jié)合云南巍山變電站建設(shè)的實際情況，采用保留一次側(cè)常規(guī)互感器，二次側(cè)進(jìn)行數(shù)字化改造的方案?；ジ衅鳛樵谐Ｒ?guī)互感器，將一次側(cè)的電壓、電流變換為二次側(cè)電壓電流，二次側(cè)電壓接入電壓采集器，電流接入電流采集器，電壓電流采集器在合并單元發(fā)出的同步信號同步下，進(jìn)行采樣。多路采集器采樣輸出的采樣值經(jīng)合并單元合并后，輸出符合IEC61850-9 通信協(xié)議，提供給后端符合IEC61850 通信協(xié)議的智能設(shè)備。巍山變改造方案如圖1 所示。

圖1 巍山變電站數(shù)字化改造示意圖

3.1 采樣技術(shù)

傳統(tǒng)變電站分階段數(shù)字化改造方案中過程層的改造與間隔層、變電站層的改造為分階段實施，無論先進(jìn)行一次設(shè)備還是二次設(shè)備數(shù)字化改造都要解決在改造第一階段基于IEC61850 數(shù)字化設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備之間的接口問題，即通過A/D 轉(zhuǎn)換，將傳統(tǒng)互感器輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號是方案得以實施的關(guān)鍵技術(shù)之一。

傳統(tǒng)變電站一般采用交流采樣技術(shù)將TV 和TA 輸出的二次電壓和電流首先通過中間電壓互感器和中間電流互感器轉(zhuǎn)換成電壓信號。多路模擬開關(guān)通過CPU 提供的地址信號選擇相應(yīng)的輸出信號。采樣/保持器將多路模擬開關(guān)輸出信號經(jīng)過采樣、保持提供給下一級多路模擬開關(guān)。多路模擬開關(guān)再通過CPU 提供的采樣地址對采樣信號進(jìn)行篩選輸出給A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器將采樣得到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出給CPU 進(jìn)行運(yùn)算處理。在整個交流采樣過程中為了保證采樣數(shù)值準(zhǔn)確可靠，必須對信號的頻率進(jìn)行實時跟蹤測量，將結(jié)果提供給采樣/保持器和CPU，以隨時調(diào)整采樣周期，交流采樣工作原理如圖2 所示。

圖2 交流采樣原理圖

3.2 采樣值合成技術(shù)

本系統(tǒng)中，互感器采用三相三線接法，即在A、B接有電流互感器，在AB、CB 相接有電壓互感器。在IEC61850 計量模型中，電壓、電流分別為對地電壓，單相電流。為了計量和保護(hù)單元方便的利用采樣值，采用矢量值合成B 相電流和ABC 對地電壓，從而在采樣值數(shù)據(jù)包中為各相電流和對地電壓。

3.3 計量誤差校驗技術(shù)

在變電站數(shù)字化改造過程中，電能計量的準(zhǔn)確性關(guān)系到電量公平計量，是變電站改造的重要部分，針對本站中，將三相三線制改為三相四線制計量，設(shè)計了針對該系統(tǒng)的計量誤差校正系統(tǒng)。系統(tǒng)在電能計量校準(zhǔn)開始時，測試設(shè)備通過自檢確定采樣設(shè)備的采樣誤差。然后利用A/D 采樣設(shè)備對輸入信號進(jìn)行采樣，根據(jù)自檢誤差校準(zhǔn)輸出A/D 采樣值。被測電能表接收采樣值進(jìn)行運(yùn)算，輸出脈沖與模擬標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行誤差比對，進(jìn)而得到被測電能表的實際誤差。電能表誤差測試系統(tǒng)如圖3 所示。

4 方案驗證

本項目在云南巍山變電站進(jìn)行試點(diǎn)改造，為了驗證該技術(shù)方案的計量準(zhǔn)確性，采用將數(shù)字智能系統(tǒng)計量結(jié)果與傳統(tǒng)計量系統(tǒng)相比較的方法對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證，驗證示意圖如圖4 所示。通過抄讀常規(guī)電子表與數(shù)智能計量表的每日電能示值增加電量，統(tǒng)計日電量增加誤差，每日電量統(tǒng)計值如表1 所示，兩類表計每日統(tǒng)計電量的變化曲線圖如圖5 所示。通過對一周統(tǒng)計的電量進(jìn)行分析可以看到常規(guī)電子表與智能計量表的電能計量誤差最大不超過0.33%，且總體計量一致性小于0.2%。

圖4 兩類表計電量對比示意圖

圖5 兩類表計每日統(tǒng)計電量的變化曲線圖

表1 電能每日計量統(tǒng)計表

5 結(jié)束語

數(shù)字化變電站已成為未來變電站發(fā)展的趨勢。原有的傳統(tǒng)變電站的數(shù)字化改造工作也必將在未來一段時間陸續(xù)展開。本文根據(jù)目前數(shù)字化變電站的發(fā)展情況結(jié)合生產(chǎn)實際從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行管理3 個方面考慮，提出了傳統(tǒng)變電站分階段實施數(shù)字化改造方案，通過對傳統(tǒng)變電站進(jìn)行數(shù)字化改造，使得新技術(shù)最先應(yīng)用到實際生產(chǎn)當(dāng)中，充分發(fā)揮新技術(shù)帶來的先進(jìn)生產(chǎn)力。本方案在云南巍山變電站進(jìn)行試點(diǎn)改造運(yùn)行，項目在技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)行管理方面都取得了階段性的成果，為今后數(shù)字化變電站的改造與建設(shè)提供了技術(shù)支持，為數(shù)字化變電站的推廣及應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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