数字化变电站技术及优势

■ 广东电网公司珠海供电局 裴星宇

数字化技术是当今科学发展的前沿技术，变电站数字化对进一步提升变电站综合自动化水平将起到极大的促进作用，是未来变电站建设的发展方向。随着智能化电气的发展，特别是智能化开关、电子式互感器等机电一体化设备的出现，一次设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术的日渐成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发利用，变电站进入数字化的新阶段。国内部分电力公司已开展了数字化变电站的研究工作，目前数字化变电站技术已进入实际工程应用阶段。

一、数字化变电站的特征

数字化变电站的系统结构继承并发展了分层分布式变电站结构的特点，同时随着电子式互感器、智能开关技术的应用，使得数字化变电站的系统结构又有了不同于常规变电站的革命性变化，也呈现了与常规变电站迥异的鲜明的技术特征。

1、数据采集数字化

数字化变电站的主要标志是采用数字化电气量测系统(如光电式互感器或电子式互感器)采集电流、电压等电气量，各类数据从源头实现数字化，真正实现信息集成、网络通信、数据共享，为实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转变，为实现信息集成化应用提供了基础。打破常规变电站的监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等几乎都是功能单一、相互独立的装置的模式，改变了硬件重复配置、信息不共享、投资成本大的局面。

2、系统分层分布化

变电站自动化系统的发展经历了从集中式向分布式的转变，第二代分层分布式变电站自动化系统大多采用成熟的网络通信技术和开放式互连规约，能够更完整地记录设备信息,并显著地提高系统的响应速度。变电站自动化系统引入了过程层的概念，信息应用模式发生了根本变化，基于网络的信息交互更加广泛，更加智能化的一次设备与二次设备的界限变得模糊，一次和二次设备实现了初步的融合，这也符合未来的技术发展趋势。

3、系统结构更加紧凑

数字化电气量测系统具有体积小、重量轻等特点，可以将其集成在智能开关设备系统中，按变电站机电一体化设计理念进行功能优化组合和设备布置。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其它自动装置的I/O单元(如A/D变换、光隔离器件、控制操作回路等)作为一次智能设备的一部分，实现了 IED 的近过程化(processclose)设计；在中低压变电站可将保护及监控装置小型化、紧凑化并完整地安装在开关柜上。

4、系统建模实现标准化

IEC 61850确立了电力系统的建模标准，为变电站自动化系统定义了统一的、标准的信息模型和信息交换模型，实现智能设备的互操作，实现变电站信息共享。对一、二次设备进行统一建模，资源采用全局统一命名规则，变电站内及变电站与控制中心之间实现了无缝通信，从而简化系统维护、配置和工程实施。

5、设备实现广泛在线监测

在数字化变电站中，可以有效地获取电网运行状态数据、各种智能电子装置IED（Intelligent Electronic Device）的故障和动作信息及信号回路状态。数字化变电站中将几乎不再存在未被监视的功能单元，在设备状态特征量的采集上没有盲区。设备检修策略可以从常规变电站设备的“定期检修”变成“状态检修”，这将大大提高系统的可用性。

二、数字化变电站关键设备

数字化变电站是智能化的一次设备、网络化的二次设备在IEC62850通信协议技术上分层构建的，能够实现智能设备间信息共享和互操作。

1、数字化变电站的一次设备

数字化变电站是以IEC61850 系列标准为先导牵引，以OCVT/ECVT 等非常规互感器、智能断路器技术发展为突破口，以网络技术发展为支撑的系统化工程。智能化的一次设备包括光电/电子式互感器，智能化断路器等。

（1）光电互感器

光电/电子式互感器的最大特点是可以输出低压模拟量和数字量信号，直接用于微机保护和电子式计量设备，适应电子系统数字化、智能化和网络化的需要，由于其动态范围比较大，能同时适用于测量和保护两种功能的应用。光电/电子式互感器具有良好的绝缘性能、较强的抗电磁干扰能力、测量频带宽、动态范围大等特点。

（2）智能断路器

智能化断路器由微机、电力电子元件组成执行单元，代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器，实现按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合闸时间，减少暂态过电压幅值。检测电网中断路器开断前一瞬间的各种工作状态信息，自动选择和调节操动机构以及灭弧室状态相适应的合理工作条件，以改变现有断路器的单一分闸特性。在轻载时以较低的分闸速度开断，而在系统故障时又能以较高的分闸速度进行开断。这样就可获得开断时电气和机构性能上的最佳开断效果。断路器设备的信息由设备内微机直接处理，并独立执行就地功能，而不依赖于变电站级的控制系统。

2、数字化变电站的二次设备

数字化变电站的二次设备与传统二次设备相比，已发生了很大的变化。在设计理念上，将变电站内二次设备统一纳入同一数据网络中，数据共享，继电保护、自动化和计量等统一按照“大二次系统”考虑，模糊了专业界限。在技术实现上，引入了光纤通信技术，利用光纤传输容量大，抗干扰的特点，在一次设备区将各种数据、信息收集在一起，通过有限数量的光缆将信息“捆绑”传给二次设备，从而大大减少了二次控制电缆的数量；引入了计算机网络技术，二次设备具备能与智能一次设备共用通信系统交换数字信息的能力，从而实现二次设备智能化和网络化。在通信规约上，统一采用了IEC 61850通信协议，实现了站控层、间隔层、过程层的全程数字化，规范了通信协议。在设备功能实现方面，软件逻辑连接替代了传统的控制电缆连接。变电站数字化后，取消了控制电缆，设备间的联系完全依靠计算机网络来完成，设备功能的实现均需通过计算机操作才能实现。

3、IEC61850 通信及建模标准

IEC61850 通信及建模体系不同于以往的传统规约，是一套完整的体系，包含了10 个标准文本；自2004 年第一版颁布后，我国电力标委会积极跟踪研究并转化为国内DL/T 860 系列行业标准，并与2007 年11 月提出了《DL/T860系列标准工程化实施技术规范》，以规范在我国的实际工程应用。IECTC57 工作组也在不断地补充和完善IEC61850 系列标准，推出的IEC61850-9-2 / LE 版是 IEC61850-9-2的更为明确定义的限定性、实例化的配套规范；IEC61850 的第二版于2009 年发布，这一新版本主要是解决第一版存在的问题，如标准内容本身前后不一致的、表述模糊导致各厂家理解不一致的、被厂家在开发产品的过程中发现且TC57工作组确认是需要解决的问题等，针对SCL 的应用情况还拓展出了SED、IID 等相关标准，还规范了变电站与变电站间，变电站与控制中心间的IEC61850-90 标准，此外还增加一些新的逻辑节点类。未来的第三版将重点关注通信的安全性，在其它领域如风电，水电，新能源发电等领域的扩展应用。

由于制定该系列标准时采用了先进的面向对象建模理念和分层、映射的策略，使该系列标准与传统的其他规约标准相比具有突出的优势。对变电站自动化及其相近系统通过统一建模的方式规范信息内容，这部分标准采用了通信服务和通信映射相分离的策略，确保了其内容的长期稳定性，通过分层和映射的策略使得标准能够适应网络通信等技术的快速发展，内核是稳定的，外部的大多数变化只影响系列标准的一小部分，使该系列标准获得更好的稳定性与适应性。

目前，已有越来越多的新建变电站监控系统要求支持IEC61850 MMS 协议，对间隔层的逻辑互锁功能要求用GOOSE机制来实现。IEC 61850 系列标准适用的业务领域也在拓展，比如风电等新能源领域、低压智能配电、工业自动化等领域，相关的探索和研究应用也在快速开展。可以预见IEC 61850未来会扩展到更广泛的工业领域，真正实现“一个世界，一个标准，一个技术”的伟大构想。

三、数字化变电站的优势

1、彻底解决变电站事故

我国微机保护在原理和技术上已相当成熟，常规变电站发生事故的主要原因在于电缆老化接地造成误动、C T特性恶化和特性不一致引起故障、季节性切换压板易出错等。这些问题在数字化变电站中都能得到根本性的解决。

数字化变电站中采用电子式互感器根本性地解决了CT动态范围小及饱和问题，从源头上保证了保护的可靠性。信息传递全部采用光纤网络后，二次回路设计极大简化，保护压板、按钮和把手大大减少，显著减少运行维护人员的“三误”事故，光纤的应用也彻底解决了电缆老化问题，系统可靠性得到充分保障。

2、提高了信号传输可靠性

数字化变电站的信号传输均通过计算机通信技术实现，通信系统在传输有效信息的同时传输信息效验码和通道自检信息，拒绝误传信号和监视通信系统的完好性，电压互感器、电流互感器断线的判断将不再成为问题；数字化变电站二次设备和一次设备之间采用光纤连接，从根本上解决了抗干扰问题，而且也没有二次回路两点接地的可能性。

工业以太网是随着微机保护开始应用于电力系统的，更是成为近几年的变电站自动化系统的主流通信方式。在大量的工程实践证明站控层与间隔层之间的以太网通信的可靠性不存在任何问题。而间隔层与过程层的通信对实时性、可靠性提出了更高的要求，但通过近两年的研究与实践，这一难点问题也已经解决。可以说原来制约数字化变电站发展的因素目前已经得到逐一排除。

3、节约了投资和成本

标准化的信息模型实现了变电站信息共享，原先必须由IED实现的某些保护功能可以由一个软件模块来实现了，如母线保护、备自投等，设备的减少同时减少了变电站的占地面积，节约了大量成本，而且提高了可靠性。二次回路设计简化，接线大大减少，显著降低了安装、调试、维护工作量，把维护人员从繁杂的布线核查中解脱出来。数字化变电站中实现了信息共享，设备提供了更丰富的状态监测信息，根据这些信息可实现更智能化的维护工作，包括故障诊断和定位，维护更简便。电缆的显著减少也节约了大量的投资。这些方面节约的资金足以抵消网络投资的增加。虽然总投资与常规变电站相仿，但数字化变电站的性价比大大提高了。

变电站设备问的信息交换均通过通信网络完成；变电站在扩充功能和扩展规模时，只需在通信网络上接入新增设备，无需改造和更换原有设备，由此降低了变电站全寿命周期成本。

4、进一步提高了自动化和管理水平

由于数字化变电站通信系统传输数据更加完整，通信可靠性和实时性大幅度提高，由此提高了自动化水平。一次、二次设备和通信网络都可具备完善的自检功能，可根据设备的健康情况实现设备的状态检修。

四、结束语

数字化变电站是目前电力系统建设的前沿技术，数字化变电站的建设作为系统建设中的重要组成部分，是变电站自动化技术发展中具有里程碑意义的一次变革，代表着我国变电站技术的发展方向，对变电站自动化系统的各方面将产生深远的影响。数字化变电站新技术的应用可以大大提高国家电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可能性，降低了变电站建设的总造价。变电站的全面数字化为实现变电站状态检修创造了条件，它必将提高电力系统的经济性、可靠性和自动化水平。数字化变电站的研究是科技创新的充分体现，实现数字化变电站对于我国变电站的自动化运行和管理将带来深远的影响和变革，数字化变电站的建设为今后实现智能化电力系统打下了坚实的基础。

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