浅析数字化变电站自动化系统

林飞，刘丽娟

（1.赤峰富龙热电股份有限公司；2.赤峰学院医学院，内蒙古赤峰024000）

浅析数字化变电站自动化系统

林飞1，刘丽娟2

（1.赤峰富龙热电股份有限公司；2.赤峰学院医学院，内蒙古赤峰024000）

电力系统是国民经济发展的重要基础，经济发展的快慢可以从数字化变电站自动化系统水平高低中得以体现.电力系统在我国取得了辉煌的成果，特别是“西电东送”使变电站自动化在智能化开关、一次运行设备在线状态检测、光电式电流、电压互感器、变电站运行等方面日趋成熟，并有可能成为今后电力系统发展的新趋势.

数字化；智能化；技术化；自动化

在21世纪新经济时代发展的阶段，各国的综合国力都在日趋增强，主要体现之一是各国在不断加强网络化、信息化的发展进程.数字化技术日渐被人们认可并重视.数字化技术表现几个特性：（1）数字化是计算机的基础，计算机的运用主要以数字运算为主，是智能技术的基础.（2）数字化也是多媒体技术的基础，数字化变电站因此成为了变电站信息化采集、传输，处理整体过程从过去的单一模拟信息转换为多元的数字信息体系，通过网络建立和应用使其特性在设备智能化、通信网络化和统一化等方面都得以体现.笔者从数字化变电站自动化系统的结构、特点及应用和未来发展等方面进行浅析，从而说明数字技术应用于变电站自动化系统中使得变电站的运作效率大大提高，实现了从模拟技术到数字技术的质的飞跃.

1 数字化变电站自动化系统的结构

随着智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现和应用在GIS(气体绝缘组合电器设备)、AIS(自动识别系统)、超高压直流站等场合，变电站自动化的技术迈入了数字化的新阶段.在高压和超高压变电站中，智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、监控等装置的I/O部分，而在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计.数字化变电站在自动化系统方面可以分为“过程层”、“间隔层”、“变电站层”三个逻辑结构，各层次内外部与层次间采用现代网络通信系统加以联机，实现整体统一运作.

1.1 过程层

过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是智能化电气设备的智能化部分，其主要功能可分为三类：①电气运行的实时电气量检测.即利用光电电流、电压互感器及直接采集数字量等手段，对电流、电压、相位及谐波分量等进行检测.②运行设备的状态参数在线检测与统计.如对变电站的变压器、断路器、母线等设备在线检测温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据.③操作控制的执行与驱动.在执行控制命令时具有智能性，能判断命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，如能使断路器定向合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内.过程层的典型设备有远方I/O(输入/输出)、智能传感器和执行器，主要完成开关量和模拟量的采集以及控制命令的发送等与一次设备相关的功能.

1.2 间隔层

间隔层的主要功能是：汇总本间隔过程层实时数据信息；实施对一次设备保护控制功能；实施本间隔操作闭锁功能；实施操作同期及其他控制功能；对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能，必要时，上下网络接口具备双口全双工方式以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性.

1.3 变电站层

变电站层的主要任务是：通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；按既定协约将有关数据信息送往调度或控制中心；接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；具有（或备有）站内当地监控、人机联系功能，如显示、操作、打印、报警等功能以及图像、声音等多媒体功能；具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能；具有（或备有）变电站故障自动分析和操作培训功能.

2 技术特点及应用

2.1 数字化变电站的适应性

2.1.1 因数字化设备的应用，二次设备现场化带来的运行检修、安全规程的适应问题，需修改现有的运行规程和安全规程，如光电互感器的二次的开路、短路问题，安全规程中需增加不得用眼睛观察激光孔或激光光缆，以免烧伤眼睛等规定，在巡视时要特别注意光纤及与二次设备连接的尾纤应可靠连接，尾纤自然弯曲，无折痕，外皮无破损.智能设备的互操作性、机电一体化，使得状态检修将更加考验现有的检修技能.

2.1.2 主变等套管CT与主变厂家的衔接还不是很好，即使套管CT、间隙PT换为光电互感器，主变温度油、线温测量方式也要相应改变，非电量接口也将网络化.

2.1.3 二次保护试验方式方法的改变，不能用常规试验台加入模拟电流电压，而是采用数字输入测量装置，测量装置的精度又牵涉到计量水平和相关法规，保护中回路检查如PT并联，事故跳合闸信息，等处理手段上将更依赖网络技术等等.

2.1.4 在经济评估上，受材料影响，220KV及以上变电站经济性较好，110KV及以下变电站经济性较差，500KV及以上交直流站经济性优势就非常明显.

这些都有异与常规站，还需在运行中积累大量的建设、管理、维护和运行经验.

2.2 设备特点

2.2.1 光电化的电流电压互感器：采用罗氏线圈原理实现的光电互感器主要特点有绝缘简单，体积小、重量轻、CT动态范围宽，无饱和现象，无谐振、二次输出不怕开路，数字量输出的特点.一般可分为有源和无源两种，有源光电互感器即传感头部分需要外加“取能”或“送能”电源，利用光纤传输数据，易于实现高精度、高可靠性的电子电路，难点是电源的远端取电技术和电源的管理，并且有源的物理距离受一定的限制，长时间大功率激光供能对光电设备寿命影响，易受电磁干扰等问题.无源光电互感器即不需要外加电源的自励源式互感器，难点是如何减小“唤醒电流”的死角，晶体的双折射现象，光纤的偏振效应，维尔德常数的温度效应等. 2.2.2合并器：因有可能常规互感器与光电互感器同时存在、或光电互感器三相交流量的同步，主变不同电压侧间隔获得数据差动保护需求、母线不同间隔差动、线路两侧差动保护，安稳装置的同步要求，需要点对点的光纤网络数据收集和分发，使得合并器的出现就尤为重要.

2.2.3 智能化的一次设备：智能设备首先应具备数字化接口，一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路，采用微处理器和光电技术设计，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程控制器代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替.通过过程总线接口给间隔层设备提供电气信息，接受间隔层设备的跳合闸等控制命令；各断路器的智能终端输入开关位置、低气压、刀闸位置等状态量，输出跳合闸命令，含操作回路；本体智能终端输入非电量、中性点刀闸位置、档位等信号，输出档位控制、中性点刀闸控制和风扇控制等接点，智能化设备是机电一体的进一步结合.

2.2.4 网络化二次设备：网络化的二次设备具有数字化接口，能满足电子式互感器和智能开关的要求，能满足IEC-61850的要求，目前的问题是基于IEC-61850的间隔层和变电站层的二次设备和一次设备之间相互配合的技术壁垒实际上比常规站更高，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现功能装置重复的I/O现场接口，二次电缆也由大量控制电缆改为少量光缆，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块.因为网络化二次设备的出现，也使得二次保护、监控控制等设备与一次设备可以实现就地安装.

3 数字化变电站自动化系统存在的问题

数字化变电站自动化系统的研究目前尚处于不完善阶段，大部分精力集中在过程层方面，例如智能化开关设备，光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发.目前存在着许多问题：首先，研究开发过程中专业协作需要加强，比如智能化电器的研究至少存在机、电、光三个专业协同攻关.其次，材料器件方面的缺陷及改进.并且试验设备、测试方法、检验标准，特别是电磁干扰与兼容控制与试验还是薄弱环节.

4 数字化变电站的未来发展

国际上数字化变电站的研究已从实验室阶段进入实际工程应用阶段，我国已建成了一些数字化变电站如：09年我国国家电网220千伏陈甫数字化变电站在天津建成，该站全部采用国内自主知识产权的数字化设备，代表着目前电力系统自动化和数字化技术的最先进水平，标志着我国在变电站电子互感器、智能开关、光纤网络化等多项数字化技术应用研究方面取得重大突破，达到国际同类先进水平.该数字化变电站采用具有数字化接口的电子互感器和智能化开关，和基于网络通信对外联系的保护、控制等二次设备，应用光纤网络二次回路技术，基于IEC61850标准的统一通信平台，将变电站所有信息的采集、传输、处理、输出过程由过去的模拟信息全部转换为数字信息，并建立与之相适应的通信网络和系统.又如09年我国第一个500kV数字化变电站试点工程在南方电网超高压输电公司柳州局桂林变电站成功投入运行，标志着桂林变电站成为我国第一个在过程层、间隔层、变电站层满足IEC61850标准的500kV变电站.这些数字化变电站的建立和使用将推动我国在变电站方面与国际标准的接轨，数字化变电站自动化系统得到蓬勃发展的时代已经到来.

〔1〕任雁铭，秦立军，杨奇逊．变电站自动化系统中内部通信网络的研究［J］．电网技术，2000（24）.

〔2〕邹积岩，王瑛，董恩源．电子操作的概念与实践．高压电器，2000，36（5）:29.

〔3〕朱大新.数字化变电站综合自动化系统的发展[J].电工技术杂志，2001,4(2):20-22.

〔4〕周长久.国内领先的数字变电站技术[J].云南电业，2006（11）:7.

〔5〕高翔，张沛超.数字化变电站的主要特征和关键技术[J].电网技术，2006,30(23):67.

〔4〕高翔.数字化变电站应用展望[J].华东电力，2006,34(8):46.

TP27

A

1673-260X（2010）11-0034-02