數字化變電站技術初探

摘要:基于變電站自動化系統的發展，數字化變電站技術在近年得到長足的進步。本文闡述了數字化變電站變電站的概念、數字變電站的自動化及在數字變電站的設計和運行中要注意的問題。

關鍵詞:數字化;變電站;保護

數字化變電站基本定義為:“變電站內一、二次電氣設備和保護裝置均應實現數字化通信，并具有全站統一的數據建模及數據通信平臺，在此平臺的基礎上實現智能裝置之間的互操作性”。

1 數字化變電站的自動化的原因

1.1 隨著電網復雜程度的增加，各級調度中心要求更多的信息，以便及時掌握電網及變電站的運行情況;

1.2 提高變電站的可控性，要求更多地采用遠方集中控制、操作、反事故措施等;

1.3 采用無人值班管理模式，提高勞動生產率，減少人為誤操作的可能，提高運行可靠性;

1.4 利用當代計算機技術、通信技術等提供的先進技術裝備，改變傳統二次設備模式，簡化系統，信息共享，減少電纜，減少占地面積，降低造價，以改變變電站面貌。

2 我國開展變電站綜合自動化

2.1 中低壓變電站采用自動化系統，以便更好地實施無人值班，達到減人增效的目的。

2.2 對高壓變電站(220kV及以上)的建設和設計來說，要采用新的控制方式，解決各專業在技術上保持相對獨立而造成的各行其是，重復投資，甚至影響運行可靠性的弊端。這些問題主要是:(l)計量、遠動和當地監測系統所用的變送器各自設置，加大了CT和PT負載，投資增加，還造成數據測量的不一致性;(2)遠動裝置和微機監測系統功能重復，一個是受制于調度所，一個是服務于當地監測，沒有做到資源共享，增加了投資且使現場接線復雜化，影響可靠性;(3)傳統二次控制系統和當地微機監測系統功能重復，在某種程度上影響了運行人員對當地微機監測系統的重視程度，認為可有可無，造成監控系統在變電站投人率不高。綜上所述開展變電站綜合自動化技術的研究開發勢在必行。

3 實際運行的數字化變電站存在的問題

3.1 數字化過程層帶來的新問題過程層的數字化必然帶來設備的增多，同時必須增加合并器。由于合并器的數據交換極其頻繁，降低了系統的可靠性。

3.2 關于保護的問題所有具有通信功能的一次設備和二次設備都按照IEC61850建模并通信。但由于現今產品的限制，一次設備和二次設備間的通信和數字化接口部分可能存在問題，影響保護的穩定可靠。同時由于全站采用數字化傳輸，就必然帶來誤碼的問題。雖然通信可通過嚴格的校驗屏蔽誤碼問題，但是同時也可能帶來系統可用率的降低。數字化傳輸的延時問題也可能帶來保護作延時增加的問題。

3.3 關于數據采集共享的問題

由于繼電保護設備在保證電力系統安全穩定運行上有著特殊的作用，因而決定了它在電力系統中的重要地位，所以繼電保護如果與變電站綜合自動化系統其它設備進行數據采集和共享，必須解決各個系統的設備對數據的采集速率問題。

3.4 關于系統的安全問題

原來的SCADA和其他的控制系統都是一個獨立系統，它們的安全性來自于硬件平臺和邏輯結構與外界不同。開放式變電站綜合自動化系統基于開放的、標準的網絡技術之上。供應商都可以開發基于因特網的應用程序來監測、控制或遠方診斷，但是帶來的問題是可能導致計算機控制系統的安全性降低。對電力系統這樣一個要求高可靠性和安全穩定性的系統而言，安全問題尤其突出。

4 數字化變電站建設設計中的問題

4.1 技術層面面臨的問題

4.1.1 應用電子式互感器帶來的問題根據IEC標準，從測量原理分類，電子式電流互感器包含了光學電流互感器、空芯電流互感器(又稱為Rogowski線圈)及低功率型電流互感器3種由于在光學電流互感器的溫度穩定性研究方面遇到的困難，現階段實用化的高壓電子式電流互感器主要是以空芯線圈為傳感單元，低壓側的半導體激光器通過供能光纖給高壓側的調制電路供電，將高壓側的含有被測電流信息的電壓信號轉換成數字信號驅動發光二極管，通過信號傳輸光纖以光脈沖的形式傳輸至低壓側。在電子式互感器應用方面，需要關注以下問題。

4.1.2 互感器的安裝位置，合并單元的配置方案，各個二次設備如何共享數字信號，差動保護(變壓器、母線、線路等)采樣數據的同步，數字化過程層設備的測量精度，多個過程層接口的保護測控設備的應用等如何解決。

4.2 支持IEC61850標準中存在的問題

國際上實現IEC61850的變電站層和間隔層部分規約已經實現，功能也已相當完整。國內部分制造廠在開發和應用方面有了一些成果。但是，由于制定IEC61850時，具體的保護功能和類型是按照歐美的標準及習慣制定的，國內使用的保護功能和方法與其有一定的差異，完整實現站層和間隔層部分規約包括GOOSE時，由于存在網絡沖突，可能會造成GOOSE報文的延遲;而且目前國內高壓保護全部是雙重化配置，當雙套保護同時動作的時候，會同時發送緊急事件報文，此時可能會發生沖突。因此國內急需建立一個完整全面的IEC61850數字式設備測試環境，從科研試點的角度出發，數字化變電站中有必要配置專用的網絡分析儀。網絡分析儀主要用于詳細記錄網絡上的報文信息，實現檢索、排序分類等基本數據統計功能和針對IEC61850標準的高級報文分析功能。目前，國外有一些分析MMS報文和GOOSE報文的軟件，但價格昂貴而且長期運行穩定性差。

4.3 安全層面面臨的問題原來的SCADA和其他的控制系統都是一個獨立系統，由于硬件平臺和邏輯結構都與外界不同，因此具有較高的安全性。而開放式變電站綜合自動化系統基于開放的、標準的網絡技術之上，供應商都能開發基于因特網的應用程序來監測、控制或遠方診斷，可能導致計算機控制系統的安全性降低。對于要求高可靠性和安全穩定性的電力系統而言，安全問題尤其突出。因此，可以嘗試從物理安全性以及軟件安全性兩方面著手。

4.3.1 物理安全性方面

一種方法是采用虛擬網技術。VLAN(虛擬網絡)技術，即將一個物理的LAN邏輯地劃分成不同的廣播域(即VLAN)，使每一個VLAN都包含一組有著相同需求的計算機工作站。另一種方法是采用多智能體技術。多智能體是分布式人工智能DAI(Distributed Artificial Intellgence)研究的前沿領域，是由多個智能體組成的系統。

4.3.2 軟件安全性方面

第一種方法是采用數字簽名技術。數字簽名是基于保密算法的程序式安全措施。其安全程度取決于算法的復雜和精準程度。數字化變電站可考慮對變電站運行信息(遙控信息、遙調信息、保護裝置和其他安全自動裝置的整定信息等)應用數字簽名。第二種方法是采用防火墻技術。廣泛應用于互聯網絡的防火墻技術可以在有數據溝通的終端之間，通過TCP/IP協議完成對數據流的安全保護。并且這種措施可以根據實際情況應用不同的安全等級策略，方便靈活。

4.4 其他技術層面出現的問題除了以上兩大核心技術面臨挑戰，其他技術層面如數字化變電站通信網絡的拓撲結構，操作箱數字化的配置，時間同步和閉鎖功能的實現，智能開關耐壓等級及短路電流開斷能力的完善，網絡環境下傳輸延時不確定等已經成為數字化變電站建設中需要關注的問題。

參考文獻

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