陳彥合 邱 爽 陳 輝

（1.中國民用航空沈陽航空器適航審定中心，遼寧 沈陽 110043；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司撫順供電公司，遼寧 撫順 113008）

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，光電技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的研究突破，智能型斷路器技術(shù)的提高，以及以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，給變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。數(shù)字化變電站技術(shù)工程化的推進(jìn)將為數(shù)字化電網(wǎng)的構(gòu)建奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這種技術(shù)的應(yīng)用同時(shí)為調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展提供了內(nèi)在推動(dòng)力，對(duì)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)向智能化程度發(fā)展起到了促進(jìn)作用。隨著各種相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的成熟和發(fā)展，數(shù)字化變電站必將取代常規(guī)變電站，成為未來變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主流。

1 傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀與不足

傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)主要分成三層：變電站層、間隔層和過程層。常規(guī)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)主要依靠常規(guī)的電磁型電流/電壓互感器進(jìn)行信息采集，然而由于傳統(tǒng)的電流互感器受其特性的限制，很難在如此寬泛的工作范圍內(nèi)同時(shí)滿足保護(hù)和測控單元的精度要求，因此，常規(guī)電流互感器分為保護(hù)級(jí)與計(jì)量級(jí)等不同等級(jí)，不同特性的電流互感器應(yīng)用于測控單元、計(jì)量系統(tǒng)和保護(hù)裝置。另外，常規(guī)互感器在二次負(fù)載方面存在問題：對(duì)于二次回路線路長，所接負(fù)載重、設(shè)備多的情況，如果超過了電流互感器的二次額定負(fù)載能力，需要串接或考慮換用負(fù)載能力強(qiáng)的電流互感器。所以，在現(xiàn)場中我們往往可以看見在反映同一個(gè)電流的位置上安裝了一串不同類型不同型號(hào)的電流互感器，占地面積多，投資大，與二次設(shè)備的配合比較復(fù)雜。間隔層中，在工作方式上，常規(guī)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的邏輯關(guān)系和功能大多數(shù)都獨(dú)立運(yùn)行。由于規(guī)約的限制，在數(shù)據(jù)交互方面，不同廠家的設(shè)備相互之間無法實(shí)現(xiàn)通信，無法共享資源，裝置的冗余配置也無法實(shí)現(xiàn)信息的冗余應(yīng)用。當(dāng)同時(shí)應(yīng)用不同廠家的產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)時(shí)間變長，穩(wěn)定性變差，給系統(tǒng)的維護(hù)及運(yùn)行造成了極大的不便，在一定程度上給變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的投入率造成了影響。在常規(guī)變電站中由于二次電纜的可靠性問題引起的設(shè)備故障事件時(shí)有發(fā)生。

圖1 保護(hù)及智能控制柜與常規(guī)控制柜的比較圖

數(shù)字化變電站可以預(yù)期實(shí)現(xiàn)一、二次設(shè)備的信號(hào)利用遠(yuǎn)動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，光纜代替了傳統(tǒng)的二次控纜，數(shù)字信號(hào)代替了傳統(tǒng)的模擬信號(hào)。變電站二次回路設(shè)計(jì)更加便利，每個(gè)回路的電纜連接變成了光纜的示意連接，既節(jié)省了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)簡潔的二次回路設(shè)計(jì)提高了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性，給施工維護(hù)提供了方便。在數(shù)字化變電站中通信系統(tǒng)統(tǒng)一建模，實(shí)現(xiàn)信息共享，可以使變電站通信功能更加優(yōu)化。

2 數(shù)字化變電站系統(tǒng)概述

數(shù)字化變電站系統(tǒng)可以分為三層：即站控層、間隔層和過程層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為開放式分層、分布式結(jié)構(gòu)。

站控層由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的系統(tǒng)主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)、VQC、工作站、GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成。按照IEC-61850-5的要求，提供變電站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)聯(lián)系界面，對(duì)間隔層設(shè)備實(shí)現(xiàn)管理控制等功能，形成了全站監(jiān)控以及管理中心，并可實(shí)現(xiàn)與集控中心、調(diào)度中心和保護(hù)信息主站之間的通信。站控層是整個(gè)變電所的設(shè)備監(jiān)視、測量、控制、管理的中心，通過光纜與間隔層設(shè)備采用IEC61850-8-1通信協(xié)議。數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站相比，由于整個(gè)站控層網(wǎng)絡(luò)采用了IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，大大增強(qiáng)了其模型描述能力和裝置互操作性。站控層的設(shè)備除了通訊協(xié)議要滿足IEC61850外，其他功能與傳統(tǒng)自動(dòng)化變電站沒有變化。

過程層設(shè)備包括光電式電子互感器、智能開關(guān)設(shè)備、合并單元及過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。模擬采樣數(shù)據(jù)、保護(hù)間配合信號(hào)、保護(hù)命令的傳輸對(duì)于要求具有非常高的實(shí)時(shí)性和可靠性，所以過程層選用基于IEC60044-8的點(diǎn)到點(diǎn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用100M的光纖以太網(wǎng)，選用光纖做傳輸介質(zhì)。

間隔層設(shè)備由繼電保護(hù)、測控裝置等組成，與過程層設(shè)備單元之間采用GOOSE通信協(xié)議。保護(hù)測控設(shè)備采用IEC60044-8或IEC61850-9-1。間隔層按照不同的電氣間隔單元和電壓等級(jí)，分散在各個(gè)配電裝置室中，當(dāng)站控層及網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)失效時(shí)，間隔層仍然能獨(dú)立完成其監(jiān)測和斷路器控制功能。在普通的數(shù)字化變電站中，二次設(shè)備通常采用分層分布式結(jié)構(gòu)，功能獨(dú)立，面向間隔。這種模式雖然在可靠性方面有較大較高，但CT和PT負(fù)載重、硬件重復(fù)配置、接線復(fù)雜、缺乏整體的協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化、信息不共享、運(yùn)行維護(hù)成本高、投資成本大。這些裝置一般不具有全局視角，基于單點(diǎn)信息，是一種硬件冗余的系統(tǒng)模式，而非信息冗余。往往會(huì)因有效信息不夠全面而作出錯(cuò)誤判斷，或者作出局部最優(yōu)而并非全局最優(yōu)的判斷，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。因此，該數(shù)字化變電站間隔層采用集中式保護(hù)形式，將所有保護(hù)、測控功能集中在一個(gè)裝置中實(shí)現(xiàn)，下放到GIS智能化匯控柜中，考慮可靠性問題，保護(hù)裝置可雙重配置。

3 智能化GIS匯控柜應(yīng)用技術(shù)的研究

3.1 傳統(tǒng)GIS匯控柜的應(yīng)用技術(shù)

在以往的數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)中，在66kV GIS附近安放兩面GIS匯控柜，里面安裝智能匯控裝置與開關(guān)設(shè)備配合完成一次設(shè)備的智能化。保護(hù)裝置通過GOOSE 網(wǎng)下發(fā)的分、合閘命令可通過匯控裝置轉(zhuǎn)換成硬接點(diǎn)，斷路器的操作也是匯控裝置通過自帶的操作回路插件實(shí)現(xiàn)的。匯控裝置就地采集刀閘、斷路器等一次設(shè)備的開關(guān)量信息并通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)上送給相關(guān)保護(hù)使用，并通過以太網(wǎng)將一次設(shè)備信息上送至MMS網(wǎng)，完成對(duì)一次設(shè)備的監(jiān)視、測量及控制，保護(hù)裝置與GIS匯控柜之間通過電纜進(jìn)行連接。

3.2 智能化GIS匯控柜的應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)勢

智能化GIS匯控柜與以往數(shù)字化變電站不同，將普通的GIS匯控柜更換為保護(hù)及智能匯控柜。特點(diǎn)是將保護(hù)裝置由原來的二層控制室下放到該匯控柜中，同時(shí)安裝了一臺(tái)智能控制裝置，使得運(yùn)行維護(hù)人員能及時(shí)了解GIS的運(yùn)行情況，圖1為保護(hù)及智能控制柜與常規(guī)控制柜的比較圖 ，圖中所示，GIS設(shè)備與傳統(tǒng)匯控柜端子排之間的用二次控纜進(jìn)行連接；智能化匯控柜與GIS之間連接通過光纖用插件進(jìn)行連接。傳統(tǒng)GIS匯控柜通過二次控纜與二層的保護(hù)、測控裝置進(jìn)行連接，而智能匯控柜將保護(hù)下放到智能匯控柜中，縮短了二次控纜的長度。保護(hù)與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)之間的連接通過光纖即可完成。綜上所述，變智能化GIS匯控柜技術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)GIS匯控柜比較，優(yōu)勢如下：

（1）節(jié)約了電纜等設(shè)備投資以及相應(yīng)的施工投資

減少變電站內(nèi)控制電纜的數(shù)量是數(shù)字化變電站建設(shè)的一個(gè)主要目標(biāo)。一方面，隨著原材料價(jià)格的上漲，電纜的成本變得越來越高，另一方面，光纜的抗干擾性能遠(yuǎn)好于控纜，可以使變電站內(nèi)通信傳輸?shù)目煽啃源蟠筇岣?。另外，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)能大大增加傳輸?shù)膸捄托畔⒘俊?/p>

（2）GIS智能匯控柜使得二次回路更加簡潔

傳統(tǒng)匯控柜與保護(hù)裝置的功能有很多重合之處，例如壓力閉鎖、防跳、三相不一致等。GIS智能控制柜可以有效地取消和簡化這些功能重復(fù)的地方，使二次回路的可靠性大大提高。

（3）出廠前完成已完成設(shè)備聯(lián)調(diào)，減少現(xiàn)場調(diào)試工作量

通常設(shè)備的調(diào)試周期比較長，在電纜敷設(shè)并連接后進(jìn)行，而智能匯控柜中的一、二次設(shè)備在出廠之前已經(jīng)完成聯(lián)調(diào)，到現(xiàn)場后調(diào)試工作幾乎很少?？梢燥@著地縮短調(diào)試周期。

（4）聯(lián)鎖功能更為方便

智能控制柜中的斷路器及所有刀閘位置均可由智能裝置進(jìn)行采集，且間隔之間有光纜連接，所以可以方便地將一、二次設(shè)備之間聯(lián)鎖，大大地減少了機(jī)構(gòu)輔助接點(diǎn)的數(shù)量，從而使設(shè)備運(yùn)行可靠性有所提高。

（5）減少了電流互感器的二次負(fù)擔(dān)

智能匯控柜中電流互感器與保護(hù)裝置的電氣距離相對(duì)縮短，因此可以選擇容量較小的小功率互感器。

（6）減少了保護(hù)控制室的占地面積和投資

使用GIS智能匯控柜可以使保護(hù)測控裝置下放到匯控柜上，從而能夠有效的減少保護(hù)控制室的占地面積，并減少造價(jià)。

結(jié)語

數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展將會(huì)是一個(gè)漫長的過程，方案的可行性、技術(shù)的成熟度均要與工程的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合逐步發(fā)展、完善，或者說采取分步走的策略是數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)發(fā)展比較可行的方案：第一階段可以根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施示范性工程，積累數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；第二階段可以考慮選擇采用非常規(guī)互感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息采集、傳輸、處理的數(shù)字化應(yīng)用，使非常規(guī)互感器的應(yīng)用技術(shù)更加成熟；第三階段結(jié)合智能斷路器技術(shù)的成熟度實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸和處理，從交流量的采集到斷路器操作的全數(shù)字化應(yīng)用；通過將過程層總線與變電站總線進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站綜合自動(dòng)化的應(yīng)用。

數(shù)字化變電站的應(yīng)用技術(shù)突破了傳統(tǒng)變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)，具有顯著的技術(shù)特性，數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更多的反應(yīng)出網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的特點(diǎn)。因此，可以獲取更高的冗余性和可靠性。同時(shí)，對(duì)等通信模式的實(shí)現(xiàn)對(duì)于信息傳輸?shù)陌踩蕴岢隽烁叩囊?，?yīng)該考慮基于IED信息安全的實(shí)現(xiàn)模式，以建立變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的信息安全機(jī)制，為電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行提供保障。

數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上具有明顯的綜合效益，數(shù)字化變電站的應(yīng)用技術(shù)可以兼容傳統(tǒng)變電站技術(shù)，這表明數(shù)字化變電站技術(shù)可以在傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)上穩(wěn)步發(fā)展、逐步突破，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的應(yīng)用與智能電網(wǎng)的發(fā)展的有機(jī)結(jié)合，在數(shù)字化變電站技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上建設(shè)新一代智能化電網(wǎng)。

[1]徐寧，朱永利.基于IEC 61850的變電站自動(dòng)化對(duì)象建模[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2006，26（03）：70.

[2]劉學(xué)軍.繼電保護(hù)原理[M].北京：中國電力出版社，2004.

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

[4]何光宇，孫英云.智能電網(wǎng)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[5]劉瑋，曾耿暉.智能操作回路設(shè)計(jì)綜述[J].電力設(shè)備，2005，6（02）.

[6]孫振權(quán)，張文元.電子式電流互感器研發(fā)現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].高壓電器，2004，40（05）.