数字化变电站自动化技术的应用分析

王小奎

[摘    要]变电站作为改变电压的电力基础设施，在满足社会各领域电力能源需求方面起到不可替代的重要作用。近年来，随着智能化、数字化技术的迅猛发展，在基于IEC61850全球通用标准的前提下，由电子式互感器、智能化开关与网络化二次设备分层构建的数字化变电站模式应运而生。由于这种现代化变电站经济性好、安全性高，逐步替代了以电磁型互感器为主导的传统变电站。基于此，文章将着重围绕数字化变电站系统结构，以及自动化技术在数字化变电站的具体应用予以全面阐述。

[关键词]数字化变电站;自动化技术;系统结构;具体应用

[中图分类号]TM63;TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）01–0–03

Application Analysis of Digital Substation Automation Technology

Wang Xiao-kui

[Abstract]As the power infrastructure of changing voltage， substation plays an irreplaceable role in meeting the power energy demand in various fields of society. In recent years， with the rapid development of intelligent and digital technology， under the premise of IEC61850 global standard， the digital substation mode， which is composed of electronic transformer， intelligent switch and network secondary equipment， emerges as the times require. Because of its good economy and high security， the modern substation has gradually replaced the traditional substation dominated by electromagnetic transformer. Based on this， this paper will focus on the digital substation system structure， as well as the specific application of automation technology in digital substation.

[Keywords]digital substation; automation technology; system structure; specific application

數字化变电站的自动化技术不仅取代了传统的人工操作的格局，同时，也大幅降低了变电站的故障发生几率，进而有效延长了变电站的使用寿命。进入21世纪后，智能化开关、电子式互感器的制造工艺日渐纯熟，高科技含量越来越高，在这一背景之下，数字化变电站模型横空出世，我国电网的建设水平与发达国家之间的差距也在逐步缩小。

1 数字化变电站结构组成

1.1 智能化一次设备与网络化二次设备

数字化变电站模式的建立符合IEC61850全球通用标准要求，同时，基于计算机网络技术，使各种电气设备之间能够实现信息共享与交互操作，这就节省了大量的人力资源。数字化变电站主要包括智能化一次设备与网络化二次设备。其中，智能化一次设备主要由电子设备、传感器、执行器组成，主要负责对电力能源传输以及电压变化进行监测与诊断。而网络化二次设备主要由继电保护装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制装置以及在线状态检测装置组成。该设备的通信接口属于独立式的网络结构，便于设备间的互操作，同时，也能够实现各种信息资源的传递与共享。

1.2 过程层

过程层是一次设备与二次设备的承接层，具有实时测量和监控电流与电压变化的功能，过程层的核心中枢是光电式互感器，在变电站运行过程中，对数字信号的抗干扰能力较强。另外，过程层能够对变压器、断路器、隔离开关、电容器等装置的各项运行参数进行跟踪检测，比如温度、压力、密度、绝缘情况以及机械特性等，在保证系统正常运行方面起到至关重要的作用。

1.3 间隔层

间隔层设备包括计量装置、保护测控装置以及规约转换设备，其中，保护测控装置基于标准化模块而建立，信息上传等功能完全遵照于IEC61850协议，并为智能化设备提供了通信接口，间隔层所承担的基本功能包括：①实时数据信息的汇总;②对一次设备的保护控制;③闭锁功能;④实现同期操作;⑤对系统运行过程中产生的数据进行采集、统计、运算，并发出执行口令。

1.4 站控层

站控层作为网络二次设备的重要分层，主要由监控、远动、防误闭锁、信息保护、电量远传、安防监视、火灾报警、灯光遥控等组成，该分层与间隔层设备之间遵照IEC61850全球通用协议。

2 数字化变电站自动化系统传统模型框架

2.1 集中式变电站系统模型

该模型在运行过程中，所测得的各项数据参数均输入测控主机单元或者远动终端，控制与执行口令均由主机发出，然后，该模型中的保护装置与主机或者远动装置并入同一接口，担负信息传送功能。由于集中式变电站的二次控制电缆较多，这就给电流互感器的正常运转增加了负担。另外，集中式变电站由于功能性集中，如果出现运行故障，承担各项功能的组件都会受到影响。与此同时，系统内部软件组成复杂，这就给维修人员增加了工作难度。

2.2 分散式变电站系统模型

与集中式变电站系统相比，分散式变电站的保护测控系统处于中低压开关柜或者高压一次设备的位置，主要以保护管理机作为连接介质，与变电站的自动化系统相连。该系统模式的最大应用优势是二次电缆数量减少，而且在运行过程中，并不会改变过程层与间隔层设备间的通信传输方式，分散式变电站系统结构组成如图1所示。

2.3 傳统模型构架优化改良

集中式与分散式变电站在采集数据信息时，均采用传统的电磁互感器，且与二次设备间的传递介质为金属电缆。因此，在变电站实际运行时出现以下问题。第一，系统绝缘方式属于油浸式绝缘或者气体绝缘，随着电压等级的升高，绝缘系统结构也变得异常复杂，这样就增加了电力部门的投入成本。第二，集中式与分散式变电站均含有铁芯装置，由于这种装置的存在，导致系统在对高频信号作出响应的功能性逐步弱化，一次侧暂态过程反应也相对较差。第三，由于传统的电磁互感器经常发生二次绕组开路以及短路现象，以至于变电站运行的安全系数大幅降低。第四，在超高压工作状态下，电容式电压互感器的暂态特性差，导致残余电压的衰减时间变短，在这种情况之下，继电器的正常动作电压将受到严重影响。就信息数据的传递方式而言，由于金属电缆本身抗干扰能力差，尤其在远距离传统时，极易受到磁场波干扰，而出现电压不稳的情况，以至于信息数据无法实现实时共享，使得终端操作人员出现误判。

针对传统变电站存在的问题，技术人员需对运行模式进行优化和改良。将传统的金属电缆替换成光纤，光纤本身具有较强的抗干扰能力，能够切断外界磁场波的干扰路径，这时，系统的通信频带变宽，易于形成通畅的网络传输环境，进而实现数据信息的实时传递与共享。当变电站运行时，智能设备的控制与执行口令可以借助于网络发出，这就提高了变电站运行的可靠性与稳定性。

3 数字化变电站自动化技术的具体应用

3.1 光电互感器类型

光电互感器是对大电流、高电压进行实时监视与测量的一种智能化装置。由于光电互感器体积小、重量轻、经济性好，而且无铁芯、无燃烧、抗干扰能力强，因此，已经成为电力计量与保护、自动化发展进程中的主流应用技术。根据传感器头部是否使用电源的情况，光电互感器可以划分为有源式互感器与无源式互感器。

（1）有源式互感器

有源式互感器的一次电流传感元件主要以空心线圈以及高饱和电流互感器为主，利用电阻、电感分压器来感知和测量电压。工作原理是：电流与电压通过远端模块经由数字处理器、单片机以及相关电子线路，被转换成为光信号，然后借助于光纤介质将其传送至主控制室内，最后经过后续处理，将模拟信号或者数字信号二次输出。

（2）无源式互感器

与有源式互感器相比，无源式互感器头部没有电源电路，互感器的正常工作运转可以在没有电源供电的情况下完成。这种互感器传感头由光学元件构成，主要利用法拉第磁光效应、磁致伸缩效应、自然旋光效应以及光干涉原理对电流实时进行监视与测量。其中最为常用的无源式互感器是基于法拉第效应的光电电流互感器。而测量电压信号的互感器主要基于泡克尔斯效应原理感应被测的电压信号。

3.2 电子式互感器

电子式互感器的核心组成结构主要由2部分组成，即传感模块与合并单元。传感模块的安装位置处于一次侧，主要将一次侧电流转化成为数字信号。合并单元的安装位置处于二次侧，主要以远端模块的传输信号进行合并处理。

3.2.1 传感模块

电子传感模块主要由有源电子式电流互感器高压侧的电子电路组成，使输出信号在滤波、积分变换以及A/D转换作用下，转变成为数字信号，然后通过电光转换，这些数字信转变成为光信号，然后再利用光纤介质传送至主控制室当中。目前，在电力系统中，较为常见的供电技术是激光供电技术，该技术也是有源电子式互感器的一项关键的应用技术。

有源电子式互感器包括电压互感器以及电压/电流互感器，前者主要基于电容或者电阻分压原理，额定容量能够达到毫瓦级别，输出的电压在±5 V以下。而有源电子式电压/电流互感器吸取了传统电磁互感器的优点，不仅抗干扰能力强，而且绝缘性能好，能够有效降低高电压等级电压/电流互感器的重量、体积以及生产成本，并且解决了光学互感器安全性差、可靠性差的难题。

3.2.2 合并单元

电子式互感器的合并单元将多路ECT/EVT的数字信号以系统可识别的格式传送给保护设备与测控设备。其连接方式主要是利用二次设备接口与串行单向多种点进行对点连接。合并单元由三个功能模块构成，同步功能控制模块、多路数据采集与处理功能模块和串口发送功能模块。由于合并单元的识别精度取决于该单元的输出信号，在测量中的A/D转换并不会出现附加误差，因此，系统整体精度要远远高于其它常规系统。

3.2.3 智能终端与GOOSE通信网络

数字化变电站智能终端的点对点传输模式能够在原有开关条件下，使一次设备与间隔级设备之间实现数据信息的即时传递与共享。GOOSE通信网络主要由保护装置、智能终端、本体智能单元测控装置、公用测控等装置组成，该通信网络能够实现信息传递的实时性，提高系统运行的可靠与稳定性。其优势在于：第一，减少前期变电站建设投入成本;第二，微型化的保护小室与主控室的设计理念，节省了大量的设备占地面积;第三，控制柜智能化操作使二次回路与系统得到进一步优化;第四，由于电子式互感器在出厂之前就已经完成了联合调试工作，因此，现场调试工作量大大减少。第五，互感器中各个电气元件间的距离大幅缩减，这就减轻了互感器的负载量。

4 结束语

数字化变电站自动化技术在电力系统中推广应用不仅推进了智能电网的建设进程，而且也提升了电力能源的供给速度与质量，为电网的安全稳定运行提供了强大的技术支撑。从当前电力系统的建设发展进度看，数字化变电站的自动化技术必将成为未来电力系统的应用发展趋势。

参考文献

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[4] 王海军.数字化变电站自动化技术的应用探究[J].引文版：工程技术，2015（23）：158.