淺析數(shù)字化變電站

陳小平

摘要：隨著智能化開(kāi)關(guān)、光電式互感器等機(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)，數(shù)字化變電站從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，隨著智能電網(wǎng)的大力發(fā)展一個(gè)數(shù)字化變電站時(shí)代即將來(lái)臨。該文主要從數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)、與常規(guī)變電站的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題等幾個(gè)方面進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；lEo61850

一、引言

數(shù)字化變電站是當(dāng)前電力系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站，作為一門(mén)新興技術(shù)，數(shù)字化變電站從提出開(kāi)始就受到了極大的關(guān)注，并已成為我國(guó)電力系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一。隨著相關(guān)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，數(shù)字化變電站必將成為變電站技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

二、數(shù)字化變電站的產(chǎn)生及發(fā)展

盡管20世紀(jì)90年代以來(lái)變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)的提高起到了十分積極的作用，改善了變電站自動(dòng)控制的能力和可靠性，但在實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案上基本上還是維持著常規(guī)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)原有的功能和邏輯關(guān)系，在工作方式上多數(shù)仍然是各自獨(dú)立運(yùn)行，形成了各種“信息孤島”現(xiàn)象。數(shù)據(jù)交互方面由于規(guī)約的限制，不同廠家的設(shè)備之間不能互相通信，不能共享資源，裝置的冗余配置并不能實(shí)現(xiàn)信息的冗余應(yīng)用。涉及到不同廠家產(chǎn)品同時(shí)應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，對(duì)維護(hù)及運(yùn)行帶來(lái)了極大的不便，一定程度上影響了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的投入率。

隨著光電技術(shù)在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域研究的突破，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，以太網(wǎng)通信技術(shù)的應(yīng)用，以及智能斷路器技術(shù)的發(fā)展，給變電站自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了一個(gè)嶄新的發(fā)展機(jī)遇。這些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使數(shù)字化變電站興起并不斷向前發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)在數(shù)字化變電站設(shè)備領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。具有國(guó)際先進(jìn)水平的國(guó)產(chǎn)光電互感器已通過(guò)國(guó)家級(jí)鑒定，多個(gè)數(shù)字化變電站已先后投入運(yùn)行，隨著智能電網(wǎng)的大力發(fā)展，更多的數(shù)字化變電站將會(huì)投入電網(wǎng)運(yùn)行。

三、數(shù)字化變電站的技術(shù)基礎(chǔ)

1.IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中引入了抽象通信服務(wù)接口(ACSI)為智能電子設(shè)備提了抽象通訊服務(wù)的一種虛擬接口，ACSI使變電站自動(dòng)化功能完全獨(dú)立于具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此最新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以很快被應(yīng)用于變電站中。另外，ACSI使物理的IED(智能電子設(shè)備)隱藏起來(lái)，變電站功能可以被靈活地分配到多個(gè)lED中，還可以開(kāi)發(fā)ACSI網(wǎng)關(guān)裝置以接人不支持1EC61850的IED[2]。

2.智能開(kāi)關(guān)和電子互感器

光電式互感器不用鐵芯做磁耦合而是將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號(hào)，消除了磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象，互感器運(yùn)行暫態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn)定性高，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。基于微機(jī)、電力電子技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng)，保護(hù)和控制命令直接通過(guò)光纖傳輸?shù)綌嗦菲鞑僮鳈C(jī)構(gòu)的數(shù)字化接口，消除了傳統(tǒng)斷路器二次電纜過(guò)多而帶來(lái)的斷路器運(yùn)行的安全隱患。

四、數(shù)字化變電站的主要特點(diǎn)

數(shù)字化變電站各類數(shù)據(jù)從源頭實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，真正實(shí)現(xiàn)信息集成、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)共享。

1.智能化的一次設(shè)備

在電流、電壓的采集環(huán)節(jié)采用數(shù)字化電氣測(cè)量系統(tǒng)，如光電／電子式互感器，實(shí)現(xiàn)了電氣量數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)信息集成化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。一次設(shè)備被檢測(cè)的信號(hào)回路和被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了常規(guī)機(jī)電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號(hào)網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接。換言之，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號(hào)和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。

2.網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，數(shù)字化電氣量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，可以有效地集成在智能開(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。打破常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制、保護(hù)、故障錄波、量測(cè)與計(jì)量等幾乎都是功能單一、相互獨(dú)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。數(shù)字化變電站使得原來(lái)分散的二次系統(tǒng)裝置，具備了進(jìn)行信息集成和功能合理優(yōu)化、整合的基礎(chǔ)，二次設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源其享，常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

3.自動(dòng)化的運(yùn)行管理系統(tǒng)

系統(tǒng)建模實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，IEC61850確立了電力系統(tǒng)的建模標(biāo)準(zhǔn)，為變電站自動(dòng)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(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的互操作，實(shí)現(xiàn)變電站信息共享。對(duì)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(shí)現(xiàn)了無(wú)縫通信，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)維護(hù)、配置和工程實(shí)施。

設(shè)備實(shí)現(xiàn)廣泛在線監(jiān)測(cè)，使得設(shè)備狀態(tài)檢修更加科學(xué)可行。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)、各種智能電子裝置的故障和動(dòng)作信息及信號(hào)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(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”，這將大大提高系統(tǒng)的可用性。

五、數(shù)字化變電站的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字化變電站技術(shù)是變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展中具有里程碑意義的一次變革，對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的各方面將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。數(shù)字化變電站三個(gè)主要的特征就是“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)”，即數(shù)字化變電站內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化，信息傳遞實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通信模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，使各種設(shè)備和功能共享統(tǒng)一的信息平臺(tái)。這使得數(shù)字化變電站在系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)簡(jiǎn)便性方面均比常規(guī)變電站有大幅度提升。

我國(guó)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(dòng)、CT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(cuò)等。這些問(wèn)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(dòng)態(tài)范圍小及飽和問(wèn)題，從源頭保證了保護(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(jì)極大簡(jiǎn)化，保護(hù)壓板、按鈕和把手大大減少，顯著減少運(yùn)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(wèn)題，系統(tǒng)可靠性得到充分保障。

除此之外，數(shù)字化變電站中IEC61850所支持的互操作性，把用戶從不同制造商設(shè)備互聯(lián)困難的限制中解脫出來(lái)，提高了變電站選擇產(chǎn)品的自由度。不僅如此，通用的配置方式提高了用戶對(duì)設(shè)備的駕馭能力，即使某些設(shè)備的供應(yīng)商出現(xiàn)問(wèn)題，該產(chǎn)品仍可與其它設(shè)備組織在統(tǒng)一系統(tǒng)中，從而保護(hù)了變電站投資。標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型實(shí)現(xiàn)了變電站信息共享，原先的某些保護(hù)功能可以由一個(gè)軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)了，如母線保護(hù)、備自投等，設(shè)備的減少同時(shí)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。數(shù)字化變電站中實(shí)現(xiàn)了信息共享，設(shè)備提供了更豐富的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，根據(jù)這些信息可實(shí)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(jiǎn)便。

六、數(shù)字化變電站應(yīng)用中存在的問(wèn)題

由于光電／電子式互感器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式，導(dǎo)致互感器的角差、比差現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難以進(jìn)行，甚至極性試驗(yàn)也無(wú)法開(kāi)展，只能等到設(shè)備投運(yùn)帶電后，才能檢驗(yàn)接線的準(zhǔn)確性。另外，光電／電子式互感器的局放試驗(yàn)、伏安特性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)也與常規(guī)設(shè)備有很大的區(qū)別，這都需要設(shè)備廠家和運(yùn)行主管單位專門(mén)制定。

數(shù)字化變電站保護(hù)校驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜，在變電站運(yùn)行的條件下對(duì)部分間隔保護(hù)校驗(yàn)的難度很大，目前的常規(guī)繼電保護(hù)校驗(yàn)裝置無(wú)法提供數(shù)字化保護(hù)所需的電流量和電壓量，因?yàn)殡娏髁亢碗妷毫勘仨毥?jīng)過(guò)合并器才能進(jìn)入保護(hù)裝置，而要完成試驗(yàn)必須自帶合并器提供模擬試驗(yàn)中的電流量和電壓量，要完成母差保護(hù)這類需要大量電流電壓量的保護(hù)校驗(yàn)便顯得尤為困難。

IEC61850通信協(xié)議本身并未對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性做任何規(guī)定，同時(shí)協(xié)議本身的開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)性給變電站的網(wǎng)絡(luò)安全帶來(lái)重大隱患。要做到二次系統(tǒng)信息的保密性、完整性、可用性和確定性，符合二次系統(tǒng)安全防護(hù)的要求，是自動(dòng)化廠家仍需考慮和完善的技術(shù)環(huán)節(jié)

七、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)數(shù)字化變電站進(jìn)行了介紹和論述，分析了數(shù)字化變電站的特點(diǎn)并闡述了其與常規(guī)變電站的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然數(shù)字化變電站還處于起步期，還存在很多的不足，這些需要在數(shù)字化變電站的發(fā)展過(guò)程中去解決和完善，在未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展工程中常規(guī)變電站被數(shù)字化變電站代替的趨勢(shì)是不會(huì)變的，它將為我國(guó)“智能電網(wǎng)”的建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。