數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究

申狄秋

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 54006）

1 數(shù)字化變電站的概念

數(shù)字化變電站指信息采集、傳輸、處理、輸出過(guò)程完全數(shù)字化的變電站，基本特征為設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)行管理自動(dòng)化等。數(shù)字化變電站有以下主要特點(diǎn)：

一次設(shè)備智能化。采用數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開(kāi)關(guān)（或配智能終端的傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)）等智能一次設(shè)備。一次設(shè)備和二次設(shè)備間用光纖傳輸數(shù)字編碼信息的方式交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等信息。

二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。二次設(shè)備間用通信網(wǎng)絡(luò)交換模擬量、開(kāi)關(guān)量和控制命令等信息，取消控制電纜。

運(yùn)行管理系統(tǒng)自動(dòng)化。應(yīng)包括自動(dòng)故障分析系統(tǒng)、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和程序化控制系統(tǒng)等自動(dòng)化系統(tǒng)，提升自動(dòng)化水平，減少運(yùn)行維護(hù)的難度和工作量。

2 數(shù)字化變電站的主要技術(shù)特征

數(shù)據(jù)采集數(shù)字化。數(shù)字化變電站的主要標(biāo)志是采用數(shù)字化電氣量測(cè)系統(tǒng)（如光電式互感器或電子式互感器）采集電流、電壓等電氣量，實(shí)現(xiàn)了一、二次系統(tǒng)在電氣上的有效隔離，增大了電氣量的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍并提高了測(cè)量精度，從而為實(shí)現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變以及信息集成化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

系統(tǒng)分層分布化。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從集中式向分布式的轉(zhuǎn)變，第二代分層分布式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)大多采用成熟的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和開(kāi)放式互連規(guī)約，能夠更完整地記錄設(shè)備信息并顯著地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為兩類(lèi)，即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備；在邏輯結(jié)構(gòu)上根據(jù)IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)定義，可分為“過(guò)程層“、“間隔層“、“站控層“三個(gè)層次。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。

信息交互網(wǎng)絡(luò)化與信息應(yīng)用集成化。數(shù)字化變電站采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號(hào)。站內(nèi)設(shè)備之間通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，二次設(shè)備不出現(xiàn)功能重復(fù)的I/O接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及資源共享。目前國(guó)際上已確定IEC61850為變電站自動(dòng)化通信標(biāo)準(zhǔn)。此外，數(shù)字化變電站對(duì)原來(lái)分散的二次系統(tǒng)裝置進(jìn)行了信息集成及功能優(yōu)化處理，因此可以有效地避免常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制保護(hù)、故障錄波、量測(cè)與計(jì)量等裝置存在的硬件配置重復(fù)、信息不共享及投資成本大等問(wèn)題的發(fā)生。

設(shè)備操作智能化。新型高壓斷路器二次系統(tǒng)是采用微機(jī)、電力電子技術(shù)和新型傳感器建立起來(lái)的，斷路器系統(tǒng)的智能性由微機(jī)控制的二次系統(tǒng)、IED和相應(yīng)的智能軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，保護(hù)和控制命令可以通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)到達(dá)非常規(guī)變電站的二次回路系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)與斷路器操作機(jī)構(gòu)的數(shù)字化接口。

設(shè)備檢修狀態(tài)化。在數(shù)字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及各種IED裝置的故障和動(dòng)作信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作及信號(hào)回路狀態(tài)的有效監(jiān)視。數(shù)字化變電站中幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設(shè)備狀態(tài)特征量的采集沒(méi)有盲區(qū)。設(shè)備檢修策略可以從常規(guī)變電站設(shè)備的“定期檢修“變成“狀態(tài)檢修“，從而大大提高系統(tǒng)的可用性。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化和建模標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)字化電氣量測(cè)系統(tǒng)具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，可以將其集成在智能開(kāi)關(guān)設(shè)備系統(tǒng)中，按變電站機(jī)電一體化設(shè)計(jì)理念進(jìn)行功能優(yōu)化組合和設(shè)備布置。在高壓和超高壓變電站中，保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、故障錄波及其他自動(dòng)裝置的I/O單元作為一次智能設(shè)備的一部分，實(shí)現(xiàn)了IED的近過(guò)程化（process-close）設(shè)計(jì)；在中低壓變電站可將保護(hù)及監(jiān)控裝置小型化、緊湊化并完整地安裝在開(kāi)關(guān)柜上。

可靠和實(shí)時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)字化變電站的“神經(jīng)系統(tǒng)“，其可靠性和實(shí)時(shí)性直接決定了變電站系統(tǒng)的可用性。通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性主要通過(guò)選擇具有高可靠性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及采用冗余技術(shù)來(lái)保證。各IED都帶有雙網(wǎng)卡，可分別接入兩臺(tái)交換機(jī)，過(guò)程總線和站級(jí)總線都采用環(huán)形拓?fù)洌虼嗽摲桨缚蓸O大地提高系統(tǒng)的可靠性。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬于優(yōu)化問(wèn)題，要綜合考慮可靠性、經(jīng)濟(jì)性及易維護(hù)性等諸多因素。

具備互操作性的IED。制定IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)IED的互操作性和互換性。為了保證IED的互操作性，需要對(duì)其進(jìn)行一致性測(cè)試和性能測(cè)試。一致性測(cè)試屬于“證書(shū)“測(cè)試，目的是測(cè)試IED是否符合特定標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850-10中專(zhuān)門(mén)定義了一致性測(cè)試方法。性能測(cè)試屬于應(yīng)用測(cè)試，目的是測(cè)試IED是否滿(mǎn)足運(yùn)行性能要求。一致性測(cè)試一般由授權(quán)機(jī)構(gòu)完成，而性能測(cè)試則由用戶(hù)組織實(shí)施。與常規(guī)變電站相比，數(shù)字化變電站系統(tǒng)中的一致性測(cè)試和應(yīng)用測(cè)試的聯(lián)系更為緊密。一致性測(cè)試是應(yīng)用測(cè)試的基礎(chǔ)，產(chǎn)品只有通過(guò)了一致性測(cè)試才具備構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)以執(zhí)行應(yīng)用測(cè)試的條件。

信息的安全性。IEC61850是國(guó)際電工委員會(huì)TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，也將成為電力系統(tǒng)從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動(dòng)化無(wú)縫連接的通信標(biāo)準(zhǔn)，還可望成為通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的工業(yè)控制通信標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850本身對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性未做規(guī)定，協(xié)議的開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)性帶來(lái)了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性問(wèn)題，應(yīng)保證二次系統(tǒng)信息的保密性、完整性、可用性及確定性。為適應(yīng)電力系統(tǒng)信息安全防護(hù)的要求，IEC在制定了IEC60870-5、IEC61850等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了安全標(biāo)準(zhǔn)IEC62351的編制，其中：IEC62351-3定義了TLS(transport layersecurity)，IEC62351-4定義了 MMS 的安全性，IEC62351-6定義了IEC61850的安全性。

3 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)選型

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的命脈，它的可靠性與信息傳輸?shù)目焖傩詻Q定了系統(tǒng)的可用性。常規(guī)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中單套保護(hù)裝置的信息采集與保護(hù)算法的運(yùn)行一般是在同一個(gè)CPU控制下進(jìn)行的，使得同步采樣、A/D轉(zhuǎn)換，運(yùn)算、輸出控制命令整個(gè)流程快速，簡(jiǎn)捷，而全數(shù)字化的系統(tǒng)中信息的采樣、保護(hù)算法與控制命令的形成是由網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)CPU協(xié)同完成的，如何控制好采樣的同步和保護(hù)命令的快速輸出是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，其最基本的條件是網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)通信速度的提高和合適的通信協(xié)議的制定。如果采用通常的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可能不能勝任數(shù)字化變電站自動(dòng)化的技術(shù)要求。目前以太網(wǎng)（ethernet）異軍突起，已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制領(lǐng)域，固化OSI七層協(xié)議，速率達(dá)到100MHz的嵌入式以太網(wǎng)控制與接口芯片已大量出現(xiàn)，數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)全部采用100MHz以太網(wǎng)技術(shù)是可行的。

4 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展中的主要問(wèn)題

在三個(gè)層次中，數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究正在自下而上逐步發(fā)展。目前研究的主要內(nèi)容集中在過(guò)程層方面，諸如智能化開(kāi)關(guān)設(shè)備、光電互感器、狀態(tài)檢測(cè)等技術(shù)與設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)。國(guó)外已有一定的成熟經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)的大專(zhuān)院校、科研院所以及有關(guān)廠家都投入了相當(dāng)?shù)娜肆M(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，并且在某些方面取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。但歸納起來(lái)，目前主要存在的問(wèn)題是：（1）研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中專(zhuān)業(yè)協(xié)作需要加強(qiáng)，比如智能化電器的研究至少存在機(jī)、電、光三個(gè)專(zhuān)業(yè)協(xié)同攻關(guān)；（2）材料器件方面的缺陷及改進(jìn)；（3）試驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試方法、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，特別是EMC（電磁干擾與兼容）控制與試驗(yàn)還是薄弱環(huán)節(jié)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了數(shù)字化變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的特征、結(jié)構(gòu)及其發(fā)展。數(shù)字化變電站自動(dòng)化是一個(gè)系統(tǒng)工程，要實(shí)現(xiàn)全部數(shù)字化變電站自動(dòng)化的功能，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要攻關(guān)解決，筆者相信在不久的將來(lái)數(shù)字化的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，將有一個(gè)蓬勃的發(fā)展期。

[1]數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù) 中國(guó)電力出版社1/2008