35kV数字化变电站关键技术研究

梁贵

(广西电网公司柳江供电公司，广西 柳江 545100)

35kV数字化变电站关键技术研究

梁贵

(广西电网公司柳江供电公司，广西 柳江 545100)

我国电网正处于向智能电网高速发展的阶段，传统变电站已经不能满足电网发展的需要，数字化变电站关键技术可以有效的解决传统变电站自动化系统的技术瓶颈，成为智能电网变电、配电环节的重要技术支撑，有助于变电、配电环节实现信息化、互动化、自动化。35kV变电站作为配电网(农网)的电源支撑，实现其数字化改造，对于我国的智能配电网发展有巨大的推动作用。

数字化;变电站;关键技术

1 引言

电力系统的迅速发展以及电力市场改革的不断深化对电网的安全、稳定、经济运行和电能质量提出了更高的要求。变电站作为输电与配电网络的执行终端和信息源，要求提供的信息量与实现的集成控制越来越多，数字化、信息化以及信息模型化的要求越来越迫切［1－6］。

数字化变电站为数字化电力系统的建设奠定了基础，与传统变电站相比，数字化变电站的一次设备与二次设备实现了数字化通信，具有全网统一的数字模型与通信平台，最突出的特点是一次设备数字化、二次设备网络化、数字平台标准化［7－12］。

研究35kV数字化变电站的关键应用技术特点，确立35kV数字化变电站的技术体系架构，分析35kV数字化变电站的可靠性以及安全性，对于未来构建数字化变电站，乃至数字化配电网具有非常重要的意义。

2 35kV数字化变电站构架体系

与高电压等级数字化变电站相似，35kV数字化变电站要求以数字方式的传递和共享实现电气设备之间的通信，各种智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850通信规范基础上实现信息共享和互操作。35kV数字化变电站在逻辑上采用IEC61850规定变电站层、间隔层、过程层的三层结构，各层次内部及层次之间采用高速网络通信，三个层次关系如图1所示。

2.1 变电站层

变电站层通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，将有关数据信息送往电网调度控制中心与远方运行中心，并且接收调度控制中心与远方运行中心有关控制命令，并将其转向间隔层、过程层执行，另外，变电站层还具有对间隔层、过程层设备的在线维护、在线组态、在线修改参数等功能。

图1 数字化变电站的构架体系

2.2 间隔层

间隔层主要进行信息的汇总与分流，实现对一次设备的保护与控制，可实施本间隔操作闭锁功能，也可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，具有承上启下的通信功能，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。

2.3 过程层

过程层是数字化变电站中的一次设备与二次设备相结合的部分，也是智能化电气设备的智能化部分，过程层可进行实时的电气检测、设备的参数检测以及对设备进行控制执行与驱动。

3 35kV数字化变电站的关键设备

数字化变电站在电气量采集环节采用了非常规的互感器技术，一次系统的电流、电压、功率、频率等电气量信息通过合并单元变为低电平的数字信号，经光缆直接传递给变电站二次系统。在数字化变电站中，一次系统和二次系统可以实现有效的电气隔离。智能的数字化设备是实现数字化变电站的前提，本小节主要研究电子式互感器、智能断路器与电子式互感器接口设备的特点。

3.1 电子式互感器

在常规变电站中广泛采用电磁式电流、电压互感器，但是电磁式互感器具有磁饱和、铁磁谐振、动态范围小等缺点，而且随时电网电压等级的升高，电磁式互感器的绝缘结构更加复杂、体积增加，造价也随之大大提高，可见电磁式互感器很难适应智能电网发展的需求。

数字信号处理、光纤通信以及光电子技术的迅速发展有力的推动了电子式电压、电流互感器(EVT/ECT)推广应用。目前，在数字化变电站中电子式互感器已经逐步进入了实用化阶段。在实际工程应用中的电子式互感器分为有源和无源两大系列，由于其实现原理、构成、关键技术有较大的差异，因此在一些应用特征上也体现了一定的差别。

3.2 智能断路器

智能断路器与传统断路器不同，是一种具有较高性能的断路器和控制设备，需要额外配备电子设备、传感器与执行器，除了具有传统断路器的功能还具有包括监测与诊断方面的附加功能。一般由数据采集、智能识别和执行装置3个基本模块构成。

3.3 电子式互感器接口设备

合并单元是电子式电流、电压互感器接口的重要组成部分，其主要功能是同步采集多路输出的数字信号后按照标准规定的格式发给保护、测控设备。

4 全数字化保护系统的可靠性

在数字化变电站中，保护系统属于全数字化保护系统，传统的电磁式电流、电压互感器以及断路器的连接被光纤代替，信息的传递由模拟量转变为数字量，通过合并单元汇总到总线。

与传统的模拟量保护系统相比，全数字化保护系统具有较多的电子装置，而且保护装置内部的通信网络直接参与保护与测控，通信网络的可靠性直接确定着数字化变电站的可靠性，因此有必要研究全数字化保护系统的可靠性。

利用可靠性框图可以分析系统中每一个元件失效对系统整体可靠性的影响，系统之间的基本连接关系可分为串联、并联。由N个元件组成的串联系统，在串联系统中任何一个元件失效均构成系统失效，即必须系统中所有元件均正常运行才能保证系统正常运行，如图2所示。

图2 串联系统可靠性框图

其可靠性计算公式如下:

式中:λs为平均停运率;λ'i为元件i的故障停运率;λ″i为元件i的检修停运率。

式中:Us为系统的平均年停运时间;r'i为元件i的平均故障修复时间;r″为元件i的平均检修持续。

式中:rs为系统的平均停运时间。

图3所示的是由N个独立元件组成的并联系统，系统中所有元件均失效才会导致系统失效，即只要其中任何一个元件正常运行，系统仍能保持运行。

图3 并联系统的可靠性框图

其可靠性计算公式如下:

式中:Up为并联系统的不可靠率;Ui为各元件的不可靠率;rp为并联系统的平均停运持续时间;λp为并联系统的故障率。

利用可靠性框图来研究、比较传统保护系统、基于单网的数字化保护系统与基于PRP的保护系统的可靠性。传统保护系统、基于单网的数字化保护系统与基于PRP的保护系统如图4～6所示。

图4 传统保护系统

图5 基于单网的数字化保护系统

图6 基于PRP的保护系统

研究表明:

(1)与传统保护系统相比，虽然数字化保护系统中减少了大量的二次电缆，但保护系统内包含了更多的电子设备，使得结构更为复杂。在不考虑网络冗余时，数字化保护系统的可靠性会较低。

(2)当交换机的可靠性还不够高时，基于PRP的保护系统的可靠性较低，甚至会低于常规保护系统。

5 35kV数字化变电站系统的安全性

35kV数字化变电站系统基于以太网的通信方式，大大节省了运行成本，也带来变电站的信息共享，但同时也会引起相关的网络安全问题，包括网络安全威胁与人员的威胁，网络安全威胁包括截获、中断、篡改、伪造、恶意程序、权限管理不当、Internet安全漏洞;人员的威胁包括电力系统内部人员无意识的失误、人为的恶意攻击。

综合脆弱性状态图与可靠性理论相关知识，引入度量变电站系统安全性指标的系统脆弱性程度函数Rs(c)，Rs(c)指系统在特定条件、特定攻击代价c下处于安全状态的概率，Rs(c)越大，说明系统脆弱性越小，即系统安全性越好。)

式中:c为供给代价;C为攻击行为达到目的的等效代价，取决于系统安全强度和入侵者的知识水平;λ为脆弱度因子，体现的是攻击行为成功的难易程度。

图7 串联系统安全性框图

串联模型如图7所示，如果只有一条攻击行为可能导致系统处于不安全状态，则该事故发生的条件等同于所有子路径的串联，故串联模型可靠度函数为:

图8 并联系统安全性框图

并联模型如图8所示，如果可能有多条攻击路径导致系统处于不安全状态，则该事故发生的条件等同于所有子路径的并联。并联系统可靠度函数为:

数字化变电站是通过站控层和过程层网络连接而成的典型的分布式系统，攻击行为利用通信系统脆弱性以实现系统状态间的转移，并由此导致系统可能处于不安全状态。

数字化变电站系统的安全策略具有特殊性，针对其实时要求高的特点，一般的安全防护措施为:安全隔离与扩展GOOSE/SMV报文。

6 总结

以数字信号处理技术、光电子为应用基础的非常规互感器技术的发展，IEC61850标准的颁布实施，以太网通信技术的逐渐成熟，智能断路器技术的发展使变电站自动化领域进入了新的发展阶段，变电站自动化系统从信息采集、传输、处理具备了实现全数字化的可能，数字化变电站已成为未来变电站自动化技术发展的趋势。研究35kV数字化变电站的关键技术，对于未来构建数字化配电网具有非常重要的意义。

［1］ 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 －7．

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［5］ 张沛超，高翔．智能变电站［J］．电气技术，2010(8):4－7．

［6］ 李孟超，王允平，李献伟，等．智能变电站及技术特点分析［J］．电力系统保护与控制．2010，38(18):59 －63．

［7］ 范金华，万炳才．华东电网智能变电站的试点研究分析［J］．华东电力，2010，38(7):955 －958．

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Key Techniques of 35 kV Digital Substation

LIANGGui
(Guangxi Power Grid Corporation Liujiang Power Supply Bureau，Yongning Nanning Guangxi，545100)

To smartgrid，power grid in China is in rapid development stage，the traditional substation cannotalready satisfy the needs of the development of grid，key technologies of digital substation can effectively solve the traditional transformer substation automation systems technology bottleneck，become an important technology of the smart grid substation and distribution support，and help to substation，distribution，interactive，automation and informatization．35 kv substation as(site)of the power distribution network，achieving its digital transformation，for the development of smart distribution network has a huge role．

digital;transformer substation;key technology

TM63

B

1004－289X(2013)03－0066－04

2013－04－25

梁贵(1984－)，男，助理工程师，从事电网建设工程管理。