數(shù)字化變電站技術(shù)及優(yōu)勢

■ 廣東電網(wǎng)公司珠海供電局 裴星宇

數(shù)字化技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)發(fā)展的前沿技術(shù)，變電站數(shù)字化對進(jìn)一步提升變電站綜合自動化水平將起到極大的促進(jìn)作用，是未來變電站建設(shè)的發(fā)展方向。隨著智能化電氣的發(fā)展，特別是智能化開關(guān)、電子式互感器等機(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)，一次設(shè)備在線狀態(tài)檢測、變電站運行操作培訓(xùn)仿真等技術(shù)的日漸成熟，以及計算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在實時系統(tǒng)中的開發(fā)利用，變電站進(jìn)入數(shù)字化的新階段。國內(nèi)部分電力公司已開展了數(shù)字化變電站的研究工作，目前數(shù)字化變電站技術(shù)已進(jìn)入實際工程應(yīng)用階段。

一、數(shù)字化變電站的特征

數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繼承并發(fā)展了分層分布式變電站結(jié)構(gòu)的特點，同時隨著電子式互感器、智能開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，使得數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又有了不同于常規(guī)變電站的革命性變化，也呈現(xiàn)了與常規(guī)變電站迥異的鮮明的技術(shù)特征。

1、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，各類數(shù)據(jù)從源頭實現(xiàn)數(shù)字化，真正實現(xiàn)信息集成、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)共享，為實現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變，為實現(xiàn)信息集成化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。打破常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制、保護(hù)、故障錄波、量測與計量等幾乎都是功能單一、相互獨立的裝置的模式，改變了硬件重復(fù)配置、信息不共享、投資成本大的局面。

2、系統(tǒng)分層分布化

變電站自動化系統(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化系統(tǒng)大多采用成熟的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和開放式互連規(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。變電站自動化系統(tǒng)引入了過程層的概念，信息應(yīng)用模式發(fā)生了根本變化，基于網(wǎng)絡(luò)的信息交互更加廣泛，更加智能化的一次設(shè)備與二次設(shè)備的界限變得模糊，一次和二次設(shè)備實現(xiàn)了初步的融合，這也符合未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。

3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊

數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)具有體積小、重量輕等特點，可以將其集成在智能開關(guān)設(shè)備系統(tǒng)中，按變電站機(jī)電一體化設(shè)計理念進(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、測控裝置、故障錄波及其它自動裝置的I/O單元(如A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等)作為一次智能設(shè)備的一部分，實現(xiàn)了 IED 的近過程化(processclose)設(shè)計；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關(guān)柜上。

4、系統(tǒng)建模實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化

IEC 61850確立了電力系統(tǒng)的建模標(biāo)準(zhǔn)，為變電站自動化系統(tǒng)定義了統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的信息模型和信息交換模型，實現(xiàn)智能設(shè)備的互操作，實現(xiàn)變電站信息共享。對一、二次設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一建模，資源采用全局統(tǒng)一命名規(guī)則，變電站內(nèi)及變電站與控制中心之間實現(xiàn)了無縫通信，從而簡化系統(tǒng)維護(hù)、配置和工程實施。

5、設(shè)備實現(xiàn)廣泛在線監(jiān)測

在數(shù)字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、各種智能電子裝置IED（Intelligent Electronic Device）的故障和動作信息及信號回路狀態(tài)。數(shù)字化變電站中將幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，在設(shè)備狀態(tài)特征量的采集上沒有盲區(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”，這將大大提高系統(tǒng)的可用性。

二、數(shù)字化變電站關(guān)鍵設(shè)備

數(shù)字化變電站是智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備在IEC62850通信協(xié)議技術(shù)上分層構(gòu)建的，能夠?qū)崿F(xiàn)智能設(shè)備間信息共享和互操作。

1、數(shù)字化變電站的一次設(shè)備

數(shù)字化變電站是以IEC61850 系列標(biāo)準(zhǔn)為先導(dǎo)牽引，以O(shè)CVT/ECVT 等非常規(guī)互感器、智能斷路器技術(shù)發(fā)展為突破口，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展為支撐的系統(tǒng)化工程。智能化的一次設(shè)備包括光電/電子式互感器，智能化斷路器等。

（1）光電互感器

光電/電子式互感器的最大特點是可以輸出低壓模擬量和數(shù)字量信號，直接用于微機(jī)保護(hù)和電子式計量設(shè)備，適應(yīng)電子系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要，由于其動態(tài)范圍比較大，能同時適用于測量和保護(hù)兩種功能的應(yīng)用。光電/電子式互感器具有良好的絕緣性能、較強(qiáng)的抗電磁干擾能力、測量頻帶寬、動態(tài)范圍大等特點。

（2）智能斷路器

智能化斷路器由微機(jī)、電力電子元件組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器，實現(xiàn)按電壓波形控制跳、合閘角度，精確控制跳、合閘時間，減少暫態(tài)過電壓幅值。檢測電網(wǎng)中斷路器開斷前一瞬間的各種工作狀態(tài)信息，自動選擇和調(diào)節(jié)操動機(jī)構(gòu)以及滅弧室狀態(tài)相適應(yīng)的合理工作條件，以改變現(xiàn)有斷路器的單一分閘特性。在輕載時以較低的分閘速度開斷，而在系統(tǒng)故障時又能以較高的分閘速度進(jìn)行開斷。這樣就可獲得開斷時電氣和機(jī)構(gòu)性能上的最佳開斷效果。斷路器設(shè)備的信息由設(shè)備內(nèi)微機(jī)直接處理，并獨立執(zhí)行就地功能，而不依賴于變電站級的控制系統(tǒng)。

2、數(shù)字化變電站的二次設(shè)備

數(shù)字化變電站的二次設(shè)備與傳統(tǒng)二次設(shè)備相比，已發(fā)生了很大的變化。在設(shè)計理念上，將變電站內(nèi)二次設(shè)備統(tǒng)一納入同一數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)共享，繼電保護(hù)、自動化和計量等統(tǒng)一按照“大二次系統(tǒng)”考慮，模糊了專業(yè)界限。在技術(shù)實現(xiàn)上，引入了光纖通信技術(shù)，利用光纖傳輸容量大，抗干擾的特點，在一次設(shè)備區(qū)將各種數(shù)據(jù)、信息收集在一起，通過有限數(shù)量的光纜將信息“捆綁”傳給二次設(shè)備，從而大大減少了二次控制電纜的數(shù)量；引入了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，二次設(shè)備具備能與智能一次設(shè)備共用通信系統(tǒng)交換數(shù)字信息的能力，從而實現(xiàn)二次設(shè)備智能化和網(wǎng)絡(luò)化。在通信規(guī)約上，統(tǒng)一采用了IEC 61850通信協(xié)議，實現(xiàn)了站控層、間隔層、過程層的全程數(shù)字化，規(guī)范了通信協(xié)議。在設(shè)備功能實現(xiàn)方面，軟件邏輯連接替代了傳統(tǒng)的控制電纜連接。變電站數(shù)字化后，取消了控制電纜，設(shè)備間的聯(lián)系完全依靠計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來完成，設(shè)備功能的實現(xiàn)均需通過計算機(jī)操作才能實現(xiàn)。

3、IEC61850 通信及建模標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850 通信及建模體系不同于以往的傳統(tǒng)規(guī)約，是一套完整的體系，包含了10 個標(biāo)準(zhǔn)文本；自2004 年第一版頒布后，我國電力標(biāo)委會積極跟蹤研究并轉(zhuǎn)化為國內(nèi)DL/T 860 系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并與2007 年11 月提出了《DL/T860系列標(biāo)準(zhǔn)工程化實施技術(shù)規(guī)范》，以規(guī)范在我國的實際工程應(yīng)用。IECTC57 工作組也在不斷地補充和完善IEC61850 系列標(biāo)準(zhǔn)，推出的IEC61850-9-2 / LE 版是 IEC61850-9-2的更為明確定義的限定性、實例化的配套規(guī)范；IEC61850 的第二版于2009 年發(fā)布，這一新版本主要是解決第一版存在的問題，如標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容本身前后不一致的、表述模糊導(dǎo)致各廠家理解不一致的、被廠家在開發(fā)產(chǎn)品的過程中發(fā)現(xiàn)且TC57工作組確認(rèn)是需要解決的問題等，針對SCL 的應(yīng)用情況還拓展出了SED、IID 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，還規(guī)范了變電站與變電站間，變電站與控制中心間的IEC61850-90 標(biāo)準(zhǔn)，此外還增加一些新的邏輯節(jié)點類。未來的第三版將重點關(guān)注通信的安全性，在其它領(lǐng)域如風(fēng)電，水電，新能源發(fā)電等領(lǐng)域的擴(kuò)展應(yīng)用。

由于制定該系列標(biāo)準(zhǔn)時采用了先進(jìn)的面向?qū)ο蠼＠砟詈头謱?、映射的策略，使該系列?biāo)準(zhǔn)與傳統(tǒng)的其他規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)相比具有突出的優(yōu)勢。對變電站自動化及其相近系統(tǒng)通過統(tǒng)一建模的方式規(guī)范信息內(nèi)容，這部分標(biāo)準(zhǔn)采用了通信服務(wù)和通信映射相分離的策略，確保了其內(nèi)容的長期穩(wěn)定性，通過分層和映射的策略使得標(biāo)準(zhǔn)能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的快速發(fā)展，內(nèi)核是穩(wěn)定的，外部的大多數(shù)變化只影響系列標(biāo)準(zhǔn)的一小部分，使該系列標(biāo)準(zhǔn)獲得更好的穩(wěn)定性與適應(yīng)性。

目前，已有越來越多的新建變電站監(jiān)控系統(tǒng)要求支持IEC61850 MMS 協(xié)議，對間隔層的邏輯互鎖功能要求用GOOSE機(jī)制來實現(xiàn)。IEC 61850 系列標(biāo)準(zhǔn)適用的業(yè)務(wù)領(lǐng)域也在拓展，比如風(fēng)電等新能源領(lǐng)域、低壓智能配電、工業(yè)自動化等領(lǐng)域，相關(guān)的探索和研究應(yīng)用也在快速開展?？梢灶A(yù)見IEC 61850未來會擴(kuò)展到更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，真正實現(xiàn)“一個世界，一個標(biāo)準(zhǔn)，一個技術(shù)”的偉大構(gòu)想。

三、數(shù)字化變電站的優(yōu)勢

1、徹底解決變電站事故

我國微機(jī)保護(hù)在原理和技術(shù)上已相當(dāng)成熟，常規(guī)變電站發(fā)生事故的主要原因在于電纜老化接地造成誤動、C T特性惡化和特性不一致引起故障、季節(jié)性切換壓板易出錯等。這些問題在數(shù)字化變電站中都能得到根本性的解決。

數(shù)字化變電站中采用電子式互感器根本性地解決了CT動態(tài)范圍小及飽和問題，從源頭上保證了保護(hù)的可靠性。信息傳遞全部采用光纖網(wǎng)絡(luò)后，二次回路設(shè)計極大簡化，保護(hù)壓板、按鈕和把手大大減少，顯著減少運行維護(hù)人員的“三誤”事故，光纖的應(yīng)用也徹底解決了電纜老化問題，系統(tǒng)可靠性得到充分保障。

2、提高了信號傳輸可靠性

數(shù)字化變電站的信號傳輸均通過計算機(jī)通信技術(shù)實現(xiàn)，通信系統(tǒng)在傳輸有效信息的同時傳輸信息效驗碼和通道自檢信息，拒絕誤傳信號和監(jiān)視通信系統(tǒng)的完好性，電壓互感器、電流互感器斷線的判斷將不再成為問題；數(shù)字化變電站二次設(shè)備和一次設(shè)備之間采用光纖連接，從根本上解決了抗干擾問題，而且也沒有二次回路兩點接地的可能性。

工業(yè)以太網(wǎng)是隨著微機(jī)保護(hù)開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)的，更是成為近幾年的變電站自動化系統(tǒng)的主流通信方式。在大量的工程實踐證明站控層與間隔層之間的以太網(wǎng)通信的可靠性不存在任何問題。而間隔層與過程層的通信對實時性、可靠性提出了更高的要求，但通過近兩年的研究與實踐，這一難點問題也已經(jīng)解決?？梢哉f原來制約數(shù)字化變電站發(fā)展的因素目前已經(jīng)得到逐一排除。

3、節(jié)約了投資和成本

標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型實現(xiàn)了變電站信息共享，原先必須由IED實現(xiàn)的某些保護(hù)功能可以由一個軟件模塊來實現(xiàn)了，如母線保護(hù)、備自投等，設(shè)備的減少同時減少了變電站的占地面積，節(jié)約了大量成本，而且提高了可靠性。二次回路設(shè)計簡化，接線大大減少，顯著降低了安裝、調(diào)試、維護(hù)工作量，把維護(hù)人員從繁雜的布線核查中解脫出來。數(shù)字化變電站中實現(xiàn)了信息共享，設(shè)備提供了更豐富的狀態(tài)監(jiān)測信息，根據(jù)這些信息可實現(xiàn)更智能化的維護(hù)工作，包括故障診斷和定位，維護(hù)更簡便。電纜的顯著減少也節(jié)約了大量的投資。這些方面節(jié)約的資金足以抵消網(wǎng)絡(luò)投資的增加。雖然總投資與常規(guī)變電站相仿，但數(shù)字化變電站的性價比大大提高了。

變電站設(shè)備問的信息交換均通過通信網(wǎng)絡(luò)完成；變電站在擴(kuò)充功能和擴(kuò)展規(guī)模時，只需在通信網(wǎng)絡(luò)上接入新增設(shè)備，無需改造和更換原有設(shè)備，由此降低了變電站全壽命周期成本。

4、進(jìn)一步提高了自動化和管理水平

由于數(shù)字化變電站通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)更加完整，通信可靠性和實時性大幅度提高，由此提高了自動化水平。一次、二次設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)都可具備完善的自檢功能，可根據(jù)設(shè)備的健康情況實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修。

四、結(jié)束語

數(shù)字化變電站是目前電力系統(tǒng)建設(shè)的前沿技術(shù)，數(shù)字化變電站的建設(shè)作為系統(tǒng)建設(shè)中的重要組成部分，是變電站自動化技術(shù)發(fā)展中具有里程碑意義的一次變革，代表著我國變電站技術(shù)的發(fā)展方向，對變電站自動化系統(tǒng)的各方面將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。數(shù)字化變電站新技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高國家電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平，增強(qiáng)了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的可能性，降低了變電站建設(shè)的總造價。變電站的全面數(shù)字化為實現(xiàn)變電站狀態(tài)檢修創(chuàng)造了條件，它必將提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和自動化水平。數(shù)字化變電站的研究是科技創(chuàng)新的充分體現(xiàn)，實現(xiàn)數(shù)字化變電站對于我國變電站的自動化運行和管理將帶來深遠(yuǎn)的影響和變革，數(shù)字化變電站的建設(shè)為今后實現(xiàn)智能化電力系統(tǒng)打下了堅實的基礎(chǔ)。

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