数字化变电站运行优化的研究

王志鹏，王立新，王春喜

（1.山西电力科学研究院，山西 太原 030001；2.晋中供电公司，山西 晋中 030600）

某110kV变电站经过历年扩建和增容改造，现有110kV进线2回，主变压器（主变）2台，其中1号主变10000kVA为无载调压，2号主变20 000 kVA为有载调压，35 kV出线2回，10 kV出线6回，10 kV电容器2组，其中1号电容器1 200 kvar，2号电容器2 400 kvar。现担负着某县多个乡镇及高速公路等重要负荷的供电任务。

2005年，国家电网公司出台了未来5年研究和推广数字化变电站技术的实施方案，全国先后有20多个网、省局申报了数字化变电站示范工程项目。山西省根据上级单位的部署安排，积极推出了一系列的数字化变电站的改造和推进项目，其目的是通过科技创新打造国家电网公司数字化变电站的优质工程。该110 kV变电站作为试点于2008年开始进行数字化变电站的全面改造，不仅达到了国内领先水平而且对智能化变电站的建设和运行具有一定的示范作用。

1 数字化变电站系统简介

变电站数字化大致可描述为“站控层数字化、间隔层数字化、过程层数字化”的渐进模式，当前典型的数字化变电站有三种方案。

方案一是仅站控层遵循IEC61850标准的不完全数字化变电站。一次设备仍然采用传统的互感器和开关，仅二次保护装置和监控系统遵循IEC 61850标准实现数字化。

方案二是在继承方案一的基础上，遵循IEC61850标准，采用数字化CT/PT的不完全数字化变电站；间隔层设备通过“过程层网络”接收采样及状态量数据，能够实现多个间隔层设备间数据共享；对于过程层网络，既可以是一个简单网络，也可在同一物理网上根据需要设子网，能够灵活组网。

方案三是在继承方案二的基础上，遵循IEC61850标准，采用数字化CT/PT和智能一次设备的完全型数字化变电站；在继承方案二的基础上，一次设备采用电子式互感器和智能开关，二次保护装置和监控系统遵循IEC61850标准，实现数字化。

由于智能开关（ESW/ECB） 目前在技术上还没达到试运行标准，因此方案三只是作为今后数字化变电站的发展方向提出，故在该110 kV数字化变电站的改造当中选取了方案二，如图1所示。

2 过程层数字化

数字化变电站中过程层的作用是给间隔层设备提供一次设备信息，并接受间隔层设备的控制命令。过程层中的设备主要包括智能电子设备（Intelligent Electronic Device）、智能开关等智能一次设备（目前采用的是常规开关和智能操作箱共同工作的方案）。过程层设备具备自动检测和自动描述的功能。

图1 不完全数字化变电站的三层网络模式

随着光电子技术的发展，一种新型的光学互感器（OCT/OVT）得以发展，根据实践可知，光学原理互感器在110 kV及以上电压等级线路中有应用优势。光学电流互感器对一次侧电流的测量采用了法拉第 （Faraday） 效应和塞格奈克 （Sagnac） 效应，其结构共分为高压侧信号采集处理单元、低压侧信号处理单元和高压侧电源供电单元三个部分。由传感器得到的电流信号先通过高压侧信号采集处理单元中的A/D转换器转变为数字信号，再经电光转换器（LED）将该数字信号与时钟信号整合成光脉冲光信号，之后光纤将信号传输到起偏器，通过磁光材料后再经由检偏器发出，并由光纤传输到低压侧信号处理单元。在该单元当中，先是通过光电探测器（PIN）将含有电流信息的光信号转变成电压信号，再经过放大整形电路和逻辑控制电路将电压信号分离成计量用电流、保护用电流、电源电压监测和传感头的温度等实际信息，这些信息由D/A转换器还原成模拟信号最终反馈在PC终端上。通过原理分析可以看出光学电流互感器具有良好的绝缘性能、不受电磁干扰、测量的动态范围大、频率响应宽和体积小、质量轻等优点，并且适用于数字化网络的传输。据统计表明，电压等级越高，光学电流互感器制造成本的优势越明显，其中110 kV铁磁线圈TA与光学电流互感器的造价比约为1.4∶1，220 kV约2∶1，330 kV约2.5∶1，500 kV约4∶1，据有关互感器生产厂家预算，1 000 kV约6∶1。同时，利用光纤传输信号可显著减少线路损耗，提高现场的安全性，使得光学电流互感器非常适用于超高压和特高压电力系统。该110 kV数字化变电站改造工程，其电子式电流互感器就被光学电流互感器所代替。

光学电压互感器（OVT）采用了普克尔（Pockels）效应，也具有不受电磁干扰、无铁磁谐振和体积小、质量轻等优点，但是光学电压互感器对光相位变化值的测量精度要求高，目前达到理想效果是比较困难的。所以此次改造工程中采用的是光学电流互感器与电子式电压互感器配合使用的方案。

互感器将一次采样信息转换成数字量信号，通过光纤接入合并单元（Mergingunit）DMU801，合并单元再将接收到的各采集器数据进行同步综合处理，最后提供给间隔层的保护、测控、计量等设备。在合并单元与间隔层设备间，IEC61850建议了两种采样值传输的方式：IEC61850-9-1（点对点传输）和IEC61850-9-2（网络传输）。

IEC61850-9-1通信标准的采样值传输方式与间隔层设备之间通过光纤一对一连接，需要在过程层铺设大量的光缆，不仅会造成合并单元的不灵活安装而且还不便于运行维护，作为目前数字化变电站常运用的标准，点对点的缺点已经日益显现。随着IEC61850-9-2通信标准采样值传输方式的长足发展，该110 kV数字化变电站就应用了这种先进的传输方案。改造工程中发现应用这种传输方式，光缆的铺设量大幅减少，其各数据在过程层上实现了共享，对母差、主变等保护不需再加装其他的数据处理单元，并且全面支持ASIC模型，为智能化变电站的发展奠定了通信基础。

除此以外，该110 kV数字化变电站还采用了基于GOOSE的网络跳合闸方案，由变压器智能终端单元（DTU811）将传统的一次变压器设备改造为数字化智能设备，通过发出GOOSE跳闸模式连接变压器各侧的断路器智能终端单元DTU811实现网络跳闸，该模式彻底避免了CPU的误读高电平导致非电量保护误动作可能。

3 间隔层数字化

数字化变电站间隔层内是保护装置，间隔层在对本层实时数据汇总的同时，对一次设备实施保护控制功能，并且在过程层和站控层之间起到承上启下的高速网络通信功能。

该110 kV数字化变电站改造工程应用了许继电气公司的CBZ-8000B智能变电站自动化系统的系列产品，在间隔层设备中，包括线路保护装置、主变保护装置、电容器保护装置等。线路保护装置分为110 kV线路保护装置和低压线路保护装置。WXH811B系列主要应用于110 kV电压等级的数字化变电站中，该装置有三段相间及接地距离保护、四段零序保护等功能，此外还配置有三相一次重合闸功能、分布式备投及测控功能；WXH821B主要用于10～35 kV电压等级。WBH815B装置由WBH815B/R1和WBH815B/R2两部分组成，该装置起到主变保护的作用，WBH815B/R1的主要作用是完成变压器的主保护，实现五侧差动；WBH815B/R2的主要作用是完成变压器主保护的后背保护和测量控制功能，实现三侧保护。电容器应用WDR821B装置进行保护，该装置可实现对中低压系统中装设的并联电容器的保护功能，并且配有闭锁投切的功能。

4 站控层数字化

站控层的主要作用是遵循IEC61850通信标准与调度中心进行信息互联，并且将调度中心的有关控制命令通过以太网转换到间隔层和过程层执行。站控层内主要包含变电站时间同步系统和监控PC。变电站时间同步系统是在站内配置一套GPS对时标准时间主钟装置，这样就可以为系统故障的分析和处理提供准确的时间依据，同时也是加强整个电网运行管理水平的必要手段。监控PC机作为系统服务器和工作站的载体，各种规约通信程序在同一服务器中并列运行，可以使用多种端口来实现或监控与下层设备的联系。

5 数字化变电站系统存在的问题

a）当发生故障时，间隔层内的保护装置和监控装置有可能不动作，而且站内PC也不能马上反馈GOOSE报文记录。由于各GOOSE信息交换机就是整个网络中的一个个节点，发生故障时，很有可能造成该节点与各设备接口的通信中断，这样就不能及时对故障做出保护，从而也达不到数字化变电站的标准。如果这种情况发生频繁，在确定是GOOSE信息交换机的问题后可以适当对其节点位置进行调整，同时对常发生类似故障的设备进行实时的监控，并联系厂家人员。

b）静态工作光强受环境温度影响程度的大小决定了光学电流互感器的运行稳定性。因此可知光学电流互感器存在着不能稳定运行的隐患，进而可能出现扰动信号使得一些保护装置出现误动作。为了避免此类事故的发生，建议定时监测光学电流互感器和保护装置之间的传输回路中是否有不稳定的尖脉冲波或不规则的谐波出现。若有此类现象发生，首先应考虑传输回路接口板或信号板是否存在质量问题；其次就是注意相关的软件编程中是否设置相应的波形过滤功能，但是这些都不能从根本上解决此类问题。目前，很多科研机构和高校都有针对此类问题的新型光学电流互感器的研究，例如由哈尔滨工业大学和华北电力大学联合组成的课题组提出了“自适应光学传感原理和螺线管聚磁光路结构”的解决方案。

c）站控层的变电站监控系统仍然使用的是普通的变电站综合自动化系统，这与数字化变电站的网络层不能完全匹配。因此，需要全新的监控系统，将现有数字化变电站所监测的信息与MIS生产管理信息系统集成，通过图形处理、数据整合、数据挖掘等手段，开发一种基于SOA架构的变电站监控三维可视化系统。改变传统的监视模式，构建智能可视化支撑平台，实现电网监视、分析、预警、辅助决策的知识可视化模式，实现事故前电网薄弱环节的可视化预警及预案，事故中的可视化故障定位，直观提醒事故的发生，事故后的可视化事故恢复方案，涵盖了调度员值班全过程的人机界面可视化。