黃 聰

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

目前，我國的變電站自動化技術(shù)取得了相應(yīng)的成效，已經(jīng)發(fā)展到了成熟階段。在變電站建設(shè)中，應(yīng)用了較多的自動化技術(shù)，在一定程度上提升了電網(wǎng)建設(shè)的自動化水平。這不僅增加了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動化調(diào)度，而且還在一定程度上降低了變電站建設(shè)的成本。然而，技術(shù)的發(fā)展是永無止境的，在智能化電氣飛速發(fā)展的背景下，尤其是一些智能化設(shè)備出現(xiàn)之后，變電站仿真技術(shù)也在日益完善，計(jì)算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)也已經(jīng)被應(yīng)用于系統(tǒng)的開發(fā)中，這表明我國的變電站正朝著數(shù)字化新階段發(fā)展[1]。

1 數(shù)字化變電站的概念、特點(diǎn)及優(yōu)勢

1.1 數(shù)字化變電站的概念

數(shù)字化變電站即變電站內(nèi)的一次電氣設(shè)備與二次電氣設(shè)備裝置可以用數(shù)字化的方式來進(jìn)行通信。此外，全站還得建立數(shù)字模型和數(shù)據(jù)通信平臺，通過平臺即可實(shí)現(xiàn)智能裝置的互通。

1.2 數(shù)字化變電站的特點(diǎn)

1.2.1 一次設(shè)備的智能化

設(shè)備可以通過數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開關(guān)等來實(shí)現(xiàn)智能化，并且一次設(shè)備與二次設(shè)備之間可以利用光纖來進(jìn)行連接[2]。

1.2.2 二次設(shè)備

二次設(shè)備的設(shè)計(jì)制造均遵循標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，并且設(shè)備與設(shè)備之間通過通信網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行模擬量、開關(guān)量、控制命令等信息的交換，這樣便可以取消控制電纜。

1.2.3 運(yùn)行管理系統(tǒng)自動化

變電站運(yùn)行管理自動化系統(tǒng)主要包含自動故障分析系統(tǒng)、設(shè)備健康狀態(tài)檢測系統(tǒng)等。在這些智能化系統(tǒng)的作用下，當(dāng)變電站發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠及時查找故障發(fā)生的原因，并給出相應(yīng)故障分析報告，以便及時采取應(yīng)對措施，以此來實(shí)現(xiàn)變電站一次設(shè)備、二次設(shè)備的狀態(tài)檢修。

1.3 數(shù)字化變電站的優(yōu)勢

數(shù)字化變電站使用的設(shè)備均為智能化設(shè)備，并且設(shè)備之間還可以通過智能化網(wǎng)絡(luò)交換信息。數(shù)字化變電站具有以下優(yōu)勢。

（1）在數(shù)字變電站中，信息平臺作為各項(xiàng)功能的載體，它具有防止設(shè)備重復(fù)出現(xiàn)的功能。通常，在數(shù)字化變電站中，信息采集都是按照統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，在信息采集完成后，再將這些信息傳入到變電站的通信網(wǎng)絡(luò)中。此外，變電站的保護(hù)、測量、運(yùn)動等系統(tǒng)可同時共享一個通信網(wǎng)絡(luò)，以此來接收相應(yīng)的電流、電壓和狀態(tài)信息，并且不需要重復(fù)采集、傳輸。

（2）為變電站新增功能擴(kuò)展規(guī)模。在數(shù)字化變電站中，可以通過信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息交換。當(dāng)變電站新增功能和擴(kuò)展規(guī)模時，通常只需要將這些新增的設(shè)備接入到通信網(wǎng)絡(luò)中，并不需要將原有的設(shè)備更換，在一定程度上降低了變電站全壽命周期的成本。

（3）在數(shù)字化變電站中，使用的設(shè)備之間均采用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，利用一條通道來實(shí)現(xiàn)傳輸。同時，在采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以后，一臺設(shè)備使用一條通信線，這樣不僅提升了數(shù)據(jù)信息的傳輸效率，而且還在一定程度上降低了電纜的數(shù)量與接線的復(fù)雜程度。

（4）較高的測量精度。在數(shù)字化變電站中，均采用電子式互感器，這樣可以有效避免傳輸過程中產(chǎn)生的誤差，在一定程度上提升了系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)的精度。

（5）提高了利于信息傳輸?shù)目煽啃?。在?shù)字化變電站中，可利用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信號傳輸。在系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的過程中，還可以對信息進(jìn)行效驗(yàn)碼和通道自檢，保證了數(shù)據(jù)信息和通信系統(tǒng)的完整性。此外，數(shù)字信號還可以利用光纜傳輸，從根本上解決了干擾問題。

（6）解決設(shè)備間的互操作問題。在數(shù)字化變電站中，所使用的智能設(shè)備均采用標(biāo)準(zhǔn)的信息模型與通信接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無縫銜接。

（7）提升了變電站的自動化管理水平。在將數(shù)字化技術(shù)運(yùn)用在變電站后，變電站通信數(shù)據(jù)傳輸變得更為完整，在一定程度上提升了通信的可靠性與實(shí)時性。此外，變電站還可以實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的自動化功能，有效提升了自動化水平。同時，一次設(shè)備、二次設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)可以通過智能監(jiān)測系統(tǒng)來進(jìn)行自檢，可根據(jù)設(shè)備的健康情況對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢修。

2 數(shù)字化變電站采用的主要技術(shù)

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)

數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)涵蓋的內(nèi)容相對較多，因此，在構(gòu)建過程中需要衡量相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)承受能力[3]。通常，數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)主要包括：①站控層網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)階段的站控層網(wǎng)絡(luò)主要有：單星型以太網(wǎng)、雙星型以太網(wǎng)、單自愈環(huán)網(wǎng)等。其中，單星型以太網(wǎng)主要使用在110 kV 以下的變電站中，這種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢為取消了保護(hù)管理，將保護(hù)直接連接到了主網(wǎng)上，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。雙星型以太網(wǎng)通常用于220 kV 以上等級的數(shù)字化變電站中，其優(yōu)勢在于不需要單獨(dú)設(shè)置錄波網(wǎng)，同時將保護(hù)裝置與二次回路直接連接到主網(wǎng)上。單自愈環(huán)網(wǎng)在國外的應(yīng)用較為廣泛，在我國的應(yīng)用相對較少。②過程層網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)階段主要采用的有SV 采樣值網(wǎng)絡(luò)和GOOSE 網(wǎng)絡(luò)。其中，SV 采樣值網(wǎng)絡(luò)可按國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850-9-1、IEC 60044-8、IEC 61850-7-2 等組網(wǎng)模型來進(jìn)行傳輸，IEC61850-7-2 服務(wù)器組網(wǎng)模型描述見表1。而GOOSE 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式有雙星型以太網(wǎng)單出口、雙星型以太網(wǎng)雙出口、單星型以太網(wǎng)、GOOSE 網(wǎng)，以此來進(jìn)行分段配置，雖然這些網(wǎng)絡(luò)具有一定優(yōu)勢，但是在運(yùn)行過程中也存在相應(yīng)的問題，因此，在應(yīng)用時需要根據(jù)實(shí)際情況來使用[4]。以以太網(wǎng)環(huán)形拓?fù)錁?gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)和GOOSE 網(wǎng)合并的變電站過程總線網(wǎng)絡(luò)為例，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)演算的基本概念，可將服務(wù)節(jié)點(diǎn)的最大服務(wù)延時與最大數(shù)據(jù)積累計(jì)算出來。其中，漏桶到達(dá)曲線是到達(dá)曲線γr,b的一種特列，可將其表示為：

表1 IEC61850-7-2服務(wù)器模型

圖1 單星型以太網(wǎng)模式的結(jié)構(gòu)

式中：r,b分別為數(shù)據(jù)流的最大持續(xù)到達(dá)速率和最大突發(fā)長度。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)演算理論，當(dāng)數(shù)據(jù)流在服務(wù)節(jié)點(diǎn)上的到達(dá)曲線是漏桶型時，數(shù)據(jù)流要以優(yōu)先級排隊(duì)（PQ）或者采取先到先服務(wù)（FCFS）的方式來接受相應(yīng)的服務(wù)，則數(shù)據(jù)流在服務(wù)節(jié)點(diǎn)上的服務(wù)曲線βR,τT可表示為：

式中：[x]+=Max(x,0)稱為速率延遲服務(wù)曲線，可通過R和τt來描述，分別代表數(shù)據(jù)流接受的速率和時間常數(shù)。③網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)冗余。在數(shù)字化變電站中，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式包括環(huán)型、星型、總線型。其中，環(huán)型的優(yōu)點(diǎn)在于可靠性較高，缺點(diǎn)在于造價高、網(wǎng)絡(luò)延遲大；星型的優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)延時小、造價低，缺點(diǎn)在于可靠性較低；總線型的優(yōu)點(diǎn)在于造價低，缺點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)延時大，并且可靠性相對較低。

2.2 非常規(guī)互感器

根據(jù)工作原理，可以將非常規(guī)互感器分為電子式互感器與光電式互感器兩種。其中，基于羅科夫斯基的電子式互感器適用于空氣絕緣與戶外的變電站中，它不僅可以有效解決高位電子設(shè)備的供電問題，而且解決信號從高位向低位的傳輸問題。而光電式互感器則是利用法拉第效應(yīng)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于無需向傳感器頭提供電源，可自身發(fā)電[5]。

在將非常規(guī)互感器應(yīng)用在數(shù)字化變電站中后，它不僅擁有傳統(tǒng)互感器不具有的優(yōu)點(diǎn)，而且還在一定程度上提升了數(shù)字化變電站的可靠性。例如，非常規(guī)互感器沒有使用鐵心耦合，因此不會出現(xiàn)鐵磁諧振等現(xiàn)象。此外，非常規(guī)互感器通過光纖的作用將高壓側(cè)信號傳送至二次設(shè)備中，在一定程度上降低了數(shù)字化變電站的造價成本。同時，非常規(guī)互感器并不會出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，并且能夠進(jìn)行大范圍的測量，在一定程度上滿足了繼電保護(hù)的需求，有效提升了測量精度。除此之外，非常規(guī)互感器可以通過光纖來實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)和高壓側(cè)之間的通信，并且可以將二次回路與高壓回路從電氣上隔離出來，在一定程度上提升了數(shù)字化變電站的安全性。

2.3 繼電保護(hù)

在繼電保護(hù)的作用下，可以實(shí)時監(jiān)控數(shù)字化變電站二次設(shè)備的工作狀態(tài)。在監(jiān)控過程中，系統(tǒng)可以將異常信息傳輸至用戶端，這樣技術(shù)人員便可以準(zhǔn)確掌握變電站設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，為變電站的安全運(yùn)行提供了重要保障?，F(xiàn)階段主要采用的繼電保護(hù)配置分為兩種方式：一是常規(guī)保護(hù)配置方式，二是集成保護(hù)配置方式[6]。其中，常規(guī)保護(hù)配置方式無需考慮保護(hù)邏輯的改變，可以根據(jù)對象的特征來進(jìn)行配置，并且保護(hù)的對象為單個元件，缺點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，同時還不能將數(shù)字化變電站的優(yōu)勢充分體現(xiàn)出來。而集成保護(hù)配置方式遵循雙重化的配置原則，其保護(hù)對象從單一的元件拓展到多個元件，并且其配置的結(jié)構(gòu)相對簡單，同時可以將數(shù)字化變電站的優(yōu)勢完整地體現(xiàn)出來。

3 數(shù)字化變電站的發(fā)展前景

從上述分析中可以明確看出，智能電網(wǎng)建設(shè)在數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)之上，并且它還具備了傳統(tǒng)變電站不具有的優(yōu)點(diǎn)。因此，數(shù)字化變電站在我國具有較好的發(fā)展前景。目前，我國大部分省份和地區(qū)都已經(jīng)完成了數(shù)字化變電站的建設(shè)，例如，南方電網(wǎng)投運(yùn)的110 kV 沙坪數(shù)字化變電站、110 kV 翠峰數(shù)字化變電站等，并且都取得了相應(yīng)的成效[7]。

未來，隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，數(shù)字化變電站朝著智能化變電站發(fā)展成為了一種必然趨勢。因此，在進(jìn)行變電站的智能化改造時，需要注意以下幾點(diǎn)：第一，在全面掌握和分析變電站一次設(shè)備、二次設(shè)備的基礎(chǔ)上，需對其相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行智能化改造，包括開關(guān)柜故障預(yù)警系統(tǒng)智能化改造、視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能化改造等。第二，在變電站智能改造時，應(yīng)聚集設(shè)備運(yùn)維管理、倒閘管理、安全措施設(shè)置等為一身的安全措施與設(shè)備管理仿真系統(tǒng)，從而有效提升變電站設(shè)備的運(yùn)行可靠性和運(yùn)行安全性。第三，轉(zhuǎn)變工作人員的工作模式與工作理念，根據(jù)智能化變電站運(yùn)行工作的實(shí)際需求，對運(yùn)維工作人員進(jìn)行不定期的培訓(xùn)，讓其明確智能化變電站實(shí)際的運(yùn)行過程。此外，應(yīng)建立相應(yīng)的績效考核制度，對于那些表現(xiàn)較好的員工給予一定的獎勵，以此來激發(fā)運(yùn)維人員的工作積極性；對于那些表現(xiàn)不突出的運(yùn)維人員，應(yīng)對其進(jìn)行相應(yīng)的鼓勵，讓其能夠在今后的工作中保持專注，以此來提升智能化變電站的運(yùn)行效果[8]。

4 結(jié)束語

數(shù)字化變電站是智能電網(wǎng)建設(shè)中十分重要的一部分，它不僅能夠提升智能電網(wǎng)運(yùn)行的效率與可靠性，而且在一定程度上推動了我國資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會的構(gòu)建，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)做出了極大的貢獻(xiàn)。此外，在非常規(guī)互感器、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、繼電保護(hù)裝置飛速發(fā)展的背景下，我國的數(shù)字化變電站已經(jīng)逐漸走向成熟階段，目前已經(jīng)投運(yùn)的變電站已經(jīng)取得了較大的突破。因此，數(shù)字化變電站是我國智能化電網(wǎng)建設(shè)的一種必然趨勢，其發(fā)展前景較為可觀。