電力系統(tǒng)數(shù)字化變電站的構(gòu)建及實(shí)踐

田 翀 李 立 楊炳元 田永高 李麗萍

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特 010080；2.山西省交城供電公司，山西 交城 030500）

微機(jī)型綜合自動化裝置是一種具測量、控制、保護(hù)、通信一體化的一種經(jīng)濟(jì)型保護(hù)。隨著微機(jī)型保護(hù)裝置、微機(jī)五防裝置、變電站無人值守系統(tǒng)、調(diào)度自動化四遙（遙測、遙信、遙控、遙調(diào)）功能的實(shí)現(xiàn)，微機(jī)綜合自動化的成熟發(fā)展，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的方便，人們對自動化的依賴程度也在日益增長。

已經(jīng)在電力系統(tǒng)成熟地運(yùn)用了幾十年的變電站微機(jī)綜合自動化技術(shù)，傳統(tǒng)技術(shù)也越來越不能滿足現(xiàn)代化變電站設(shè)備智能化、不能實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作，不能滿足電力系統(tǒng)建設(shè)智能電網(wǎng)的需要。

數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備（電子式互感器、智能化開關(guān)等）和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層（過程層、間隔層、站控層）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[1]。

1 數(shù)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)和特征

1.1 電流電壓互感器的光電化

傳統(tǒng)變電站的互感器的基本原理都是利用電磁感應(yīng)原理。與傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式互感器相比，光電式互感器具有優(yōu)良的絕緣性能；不含鐵心，消除了磁飽和和鐵磁諧振等問題；抗電磁干擾性能好，低壓邊無開路高壓危險(xiǎn)；動態(tài)范圍大，測量精度高；頻率響應(yīng)范圍寬；沒有因存油而產(chǎn)生的易燃、易爆炸等危險(xiǎn)；體積小、重量輕、節(jié)約空間以及便宜的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。

光電互感器（也稱數(shù)字式互感器，智能互感器、電子互感器），采用羅氏線圈原理，實(shí)現(xiàn)互感器的光電化，使得高低壓完全隔離。利用光纖傳輸數(shù)據(jù)，易于實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性。

光電互感器分有源和無源兩種。有源型光電互感器的一次傳感器為空心線圈，高壓側(cè)傳感頭電子器件部分需要由電源供電方能工作。大致可分為三部分：高電位測信號采集處理部分、低電位測信號處理部分、高電位測電源供電部分。無源光電電流互感器是不需要外加電源的自勵源式互感器，它的一次傳感器是為磁光玻璃，無需電源供電。

1.2 合并器

由于在實(shí)際的變電站數(shù)字化改造過程中，運(yùn)行中的設(shè)備有可能常規(guī)電磁式互感器與光電互感器同時(shí)存在，合并器能夠?qū)崿F(xiàn)電磁式互感器的模擬信號和光電化互感器數(shù)字信號的點(diǎn)對點(diǎn)的光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集采樣、接受、發(fā)送。

1.3 一次設(shè)備的智能化

變電站一次設(shè)備主要包括變壓器、電容器、電抗器、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、母線等。

一次設(shè)備智能化是數(shù)字化變電站的主要標(biāo)志之一。它具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化信息接口，融狀態(tài)檢測、控制保護(hù)、在線調(diào)控、信息通信等于一體，一次設(shè)備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動回路中常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字信號和光纖代替。它通過智能設(shè)備的數(shù)字化接口（過程總線接口）將一次設(shè)備智能終端輸入的開關(guān)位置、低氣壓、隔離開關(guān)位置、中性點(diǎn)刀閘位置、分接開關(guān)檔位等狀態(tài)量，傳送給間隔層設(shè)備提供電氣信息，并且同時(shí)接受間隔層設(shè)備輸入的跳合閘操作、分接開關(guān)檔位控制、電容器投切控制、刀閘控制、風(fēng)扇控制等控制命令，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體的進(jìn)一步結(jié)合，滿足整個(gè)智能化電網(wǎng)的需要。

1.4 二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化

二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化就是將變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)、防誤閉鎖、測量控制、遠(yuǎn)動、通信、故障錄波、電壓無功控制、同期操作、在線狀態(tài)檢測等裝置全部按照IEC-61850的要求，改造為具有數(shù)字化接口的網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備，能滿足電子式互感器和智能開關(guān)的要求。

1.5 自動化的運(yùn)行管理和檢修更加優(yōu)越

變電站運(yùn)行管理自動化系統(tǒng)包括電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計(jì)無紙化；數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動化；變電站運(yùn)行過程中發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)提供故障的分析報(bào)告，指出故障的原因，提出故障的處理意見；系統(tǒng)能夠自動發(fā)出變電站設(shè)備的檢修報(bào)告。智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備使得設(shè)備在線狀態(tài)檢測更加實(shí)時(shí)性、控制操作更加可靠，通信系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒏暾?，通信的?shí)時(shí)性大幅度提高；變電站可實(shí)現(xiàn)更多、更復(fù)雜的自動化功能，提高自動化運(yùn)行和管理水平。因此，數(shù)字化變電站運(yùn)行管理，運(yùn)行規(guī)程和檢修方案都要獨(dú)立地制定。光電互感器等網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的出現(xiàn)，也使得二次保護(hù)、監(jiān)控控制等設(shè)備與一次設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)就地安裝。

2 數(shù)字化變電站綜合自動化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)在邏輯結(jié)構(gòu)上分為三個(gè)層次（如圖1所示），這三個(gè)層次分別稱為“站控層”、“間隔層”、“過程層”。各層次內(nèi)部和層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。

圖1 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

隨著智能開關(guān)、光電式互感器等機(jī)電一體化的智能化電氣設(shè)備的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，并應(yīng)用在GIS、PASS、AIS、超高壓直流站等場合，變電站綜合自動化的技術(shù)邁入了數(shù)字化的新階段。在智能化數(shù)字化變電站中，一次設(shè)備的智能化和二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化代替了常規(guī)的互感器、繼電保護(hù)裝置、監(jiān)控等裝置的 I/O部分，可將保護(hù)、監(jiān)控裝置小型化、緊湊化，完整地安裝在開關(guān)柜上，實(shí)現(xiàn)了變電站的機(jī)電一體化[2]。

2.1 站控層（變電站層）及其功能

站控層設(shè)備主要就是指監(jiān)控主站、工程師站、信息子站等。它的主要功能是：為變電站提供運(yùn)行、管理、工程配置的界面，并記錄變電站內(nèi)的所有相關(guān)信息。

2.2 間隔層及其功能

間隔層主要指的是繼電保護(hù)與測控、錄波等。它的功能是：①匯總本間隔過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；②實(shí)施對一次設(shè)備保護(hù)控制功能；③實(shí)施本間隔操作閉鎖功能；④實(shí)施操作同期及其他控制功能；⑤對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制；⑥承上啟下的通信功能，即同時(shí)高速完成與過程層及變電站層的網(wǎng)絡(luò)通信功能，必要時(shí)，上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工方式以提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性[3]。

2.3 過程層

過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，也可以說過程層是智能化電氣設(shè)備的智能化部分，包括光電互感器、合并單元、智能終端與過程層網(wǎng)絡(luò)組成。過程層網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備就是交換機(jī)，它一端連接間隔層的IED設(shè)備，另一端連接過程層的智能接口和合并器。它的功能是：①電氣運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測；②運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的在線檢測和統(tǒng)計(jì)；③操作控制執(zhí)行和驅(qū)動。

3 110kVV數(shù)字化站的實(shí)例及配置原則

現(xiàn)有常規(guī)的110KVV變電站的一般微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了站控層與間隔層設(shè)備間的數(shù)字化，間隔層裝置內(nèi)部也已基本都是數(shù)字化存儲與處理，所以應(yīng)該把數(shù)字化建設(shè)的重點(diǎn)放在對于一次設(shè)備的數(shù)字化改造以及間隔層設(shè)備的數(shù)字化接口的改造?；ジ衅鞑捎霉怆娀ジ衅?，開關(guān)采用傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)備+智能終端來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然為節(jié)約投資，也可采用光電互感器+網(wǎng)絡(luò)化二次和常規(guī)一次設(shè)備的方式。

3.1 變電站實(shí)例現(xiàn)狀

以下示例為常規(guī)微機(jī)綜合自動化110kV變電站（如圖2所示）數(shù)字化改造為實(shí)例：

二卷式主變（110/110kV），容量 2×40MVAA；

110kV、10kV電壓側(cè)母線均為單母分段；

110kV一次設(shè)備：戶外斷路器＋隔離開關(guān)+電流互感器組合；PT+避雷器組合。

10kV一次設(shè)備：戶內(nèi)KYN28—12成套開關(guān)柜。

圖2 2 銀通110kVV變電站主接線示意圖

3.2 配置原則

整站的方案配置圖如圖3所示。

1）互感器及合并器配置原則

110kV間隔電流互感器按單元配置，每個(gè)110kV線路及分段開關(guān)間隔單元布置一組互感器，線圈布置原則為1組保護(hù)線圈+1組計(jì)量線圈；應(yīng)配置單采集器采集數(shù)據(jù)；合并器應(yīng)單重化配置。

主變各側(cè)互感器按照主保護(hù)、后備保護(hù)獨(dú)立原則配置（如圖44所示），線圈布置原則為2組保護(hù)線圈+1組計(jì)量線圈；應(yīng)配置雙采集器采集數(shù)據(jù)；合并器應(yīng)按差動及后備保護(hù)雙重化（分別）配置，合并器的輸入應(yīng)分別來自不同的采集器，并分別安裝于差動及后備保護(hù)的保護(hù)屏上。

圖3 整站的方案配置圖

圖4 變壓器10kVV側(cè)合并器配置

10kV間隔按照單元配置模擬量輸出的電子式電流加智能單元、電壓互感器加智能單元，經(jīng)過合并器將模擬量數(shù)據(jù)化后送給各自單元的保護(hù)以及測控和計(jì)量設(shè)備。

110kV、10kkV側(cè)電壓互感器（PT）配置分別獨(dú)立的PPT合并器或者智能終端，并且各間隔合并器應(yīng)留有來自不同PT合并器的輸入數(shù)據(jù)，在間隔本身來實(shí)現(xiàn)PTT并列、切換功能。PT系統(tǒng)切換架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 PT系統(tǒng)切換架構(gòu)圖

2）智能終端配置原則

智能終端裝置是通過智能設(shè)備的數(shù)字化接口（過程總線接口）將傳統(tǒng)一次設(shè)備接入過程層總線的設(shè)備，它將一次設(shè)備智能終端輸入的開關(guān)位置、低氣壓、隔離開關(guān)位置、中性點(diǎn)刀閘位置、分接開關(guān)檔位等狀態(tài)量傳送給間隔層設(shè)備，并且接受間隔層設(shè)備輸入的操作、控制信號。

主變高、低壓側(cè)斷路器各配置1臺智能終端，高壓側(cè)安裝在戶外的高壓側(cè)端子箱內(nèi)，低壓側(cè)與合并器及保護(hù)集成設(shè)計(jì)，安裝在開關(guān)柜上；兩臺主變分別配置一臺本體智能終端，安裝在主變端子箱內(nèi)。

110kV線路及分段開關(guān)間隔單元：各配置1臺智能終端，安裝在端子箱內(nèi)；10kV出線間隔：每個(gè)間隔配置1臺智能終端，與合并器及保護(hù)集成設(shè)計(jì)，安裝在開關(guān)柜內(nèi)。

4 數(shù)字化變電站的適應(yīng)性

1）一、二次設(shè)備數(shù)字化的應(yīng)用，智能設(shè)備的機(jī)電一體化、互操作性，使得狀態(tài)檢修將更加考驗(yàn)現(xiàn)有的檢修技能。光電互感器運(yùn)行后的二次的開路、短路問題，使得現(xiàn)行的安全規(guī)程的適用性帶領(lǐng)問題，需要在安全規(guī)程中增加不得用眼睛直接觀察激光孔或激光光纜，以免燒傷眼睛；在巡視設(shè)備時(shí)要特別檢查光纖及與二次設(shè)備連接的尾纖應(yīng)可靠連接，尾纖自然彎曲，無折痕，外皮無破損等規(guī)定。

2）主變套管CT、穿墻套管CT、間隙PT等應(yīng)用光電互感器，以及主變油溫、瓦斯、導(dǎo)線溫度等的測量方式，使得生產(chǎn)廠家在制造過程中必須考慮到電氣量、非電量接口的網(wǎng)絡(luò)化。

3）保護(hù)試驗(yàn)必須采用數(shù)字輸入測量裝置，現(xiàn)有的常規(guī)試驗(yàn)臺加入模擬的電流、電壓裝置已不能使用；測量裝置的精度又牽涉到計(jì)量水平和相關(guān)法規(guī)；保護(hù)中回路檢查如 PT并聯(lián)，斷路器跳合閘信息等的處理手段也將更依賴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

4）受到材料的影響，在經(jīng)濟(jì)比較上，500kV及以上交直流站經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢非常明顯，220kV及以上變電站經(jīng)濟(jì)性也較好，110kV及以下變電站經(jīng)濟(jì)性就相對較差。

如上分析表明，數(shù)字化變電站有異與常規(guī)變電站，還需在運(yùn)行中積累大量的建設(shè)、管理、維護(hù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

5 數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢

2005年國家電網(wǎng)公司通信中心組織的IEC61850互操作試驗(yàn)極大推動了IEC61850在數(shù)字化變電站中的研究與應(yīng)用，我國已建成了一些數(shù)字化變電站示范站，部分省電力公司已經(jīng)開展了數(shù)字化變電站的研究工作，在解決了通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題后，數(shù)字化變電站將是我國變電站技術(shù)的發(fā)展方向。

雖然數(shù)字化變電站技術(shù)已經(jīng)基本達(dá)到了滿足工程化應(yīng)用的水平，但是在技術(shù)上還有很多需要改進(jìn)的地方，而對于運(yùn)行規(guī)程方面，也需要進(jìn)一步研究及積累經(jīng)驗(yàn)，所以近兩年內(nèi)仍將是數(shù)字化變電站試運(yùn)行積累經(jīng)驗(yàn)的階段。目前，國家電網(wǎng)公司、設(shè)備制造商等都在努力積極地推動著數(shù)字化變電站的發(fā)展，可以預(yù)見，二、三年后成熟的數(shù)字化變電站將完全取代常規(guī)化變電站。

[1]龔泉,劉琳,楊帆.基于 IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站系統(tǒng)測試[J].華東電力,2009,37(6):936-940.

[2]尹慧敏.數(shù)字化變電站技術(shù)應(yīng)用研究[J].云南電力技術(shù),2010,39(6):79-80.

[3]丁書文,等.數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)選型[J].繼電器,2003,31(7):37-38.