數字化變電站系統應用

王永珩

（哈爾濱供電段，黑龍江省 哈爾濱 150010）

1 引言

數字化變電站三個主要的特征包括“一次設備智能化，二次設備網絡化，符合IEC61850標準”，即數字化變電站內的信息全部做到數字化，信息傳遞實現網絡化，通信模型達到標準化，使各種設備和功能共享統一的信息平臺。這使得數字化變電站在系統可靠性、經濟性、維護簡便性方面均比常規變電站有大幅度提升。

2 實現數字式變電站的可行性

在技術上，實現數字式變電站可以減少設備的退出次數和退出時間，提高設備的可用性；減少自動化設備數量，簡化二次接線，提高系統的可靠性；設備具有互操作性，方便了設備的維護和更新，減少投運時間，提高工作效率；可以方便變電站的擴建及自動化系統的擴充。以往的設備狀態檢修主要指一次設備，電氣二次設備的狀態監測對象不是單一的元件，而是一個單元或一個系統。雖然IED裝置本身具備狀態檢修的實施基礎，但二次設備的狀態檢修必須作為一個系統性的問題來考慮，或者說狀態監測環節應包含交流輸入、直流、操作回路等，因此，常規變電站內很難實施二次系統的狀態檢修。在數字化變電站中，可以有效地獲取電網運行狀態數據、各種IED裝置的故障和動作信息、監測操作及信號回路狀態的有效監視。數字化變電站中將幾乎不再存在未被監視的功能單元，設備狀態特征量的采集上沒有盲區。設備檢修策略可以從常規變電站設備的“定期檢修”變成“狀態檢修”，這將大大提高系統的可用性。

在經濟上，可以實現信息在運行系統和其他支持系統之間的共享，減少重復建設和投資；減少占地面積，從而減少基建投資；減少變電站壽命周期內的總體成本，包括初期建設成本和運行維護成本。除此之外，數字化變電站中IEC61850所支持的互操作性，把用戶從不同制造商設備互聯困難的限制中解脫出來，提高了變電站選擇產品的自由度。不僅如此，通用的配置方式提高了用戶對設備的駕馭能力，即使某些設備的供應商出現問題，該產品仍可與其它設備組織在統一系統中，從而保護了變電站投資。標準化的信息模型實現了變電站信息共享，原先必須由IED實現的某些保護功能可以由一個軟件模塊來實現了，如母線保護、備自投等，設備的減少同時減少了變電站的占地面積，節約了大量成本，而且提高了可靠性。二次回路設計簡化，接線大大減少，顯著降低了安裝、調試、維護工作量，把維護人員從繁雜的布線核查中解脫出來。數字化變電站中實現了信息共享，設備提供了更豐富的狀態監測信息，根據這些信息可實現更智能化的維護工作，包括故障診斷和定位，維護更簡便。電纜的顯著減少也節約了大量的投資。

3 數字化牽引變電站的系統結構

在物理上可分為兩類，即智能化的一次設備和網絡化的二次設備；在邏輯結構上根據IEC61850通信協議草案定義，可分為“過程層”、“間隔層”、“站控層”三個層次。

4 系統特點

一體化設計：數字式變電站系統以整個變電站為研究對象，實現全站保護、監控一體化以及電能計量功能，無需外部電纜接線，各個功能通過站內通信網絡組合在統一的系統中，信息、功能、應用集成化程度高，間隔層設備大大減少，通信網絡結構得到最大簡化。系統中配置專用的仲裁設備（如數字化故障錄波儀），可以明確運行狀態下，運行設備或線路上故障的的原因。

全站數據共享：數字式變電站系統的過程層、間隔層和變電站層設備之間交換的所有信息，如：電流、電壓量、開關、隔離刀閘、設備狀態和控制命令等全部實現數字化，并通過以太網傳輸。數字式變電站系統采用分布式采集、集中式處理的系統解決方案，所有模擬量的采集實現同步采樣，數據在交換服務器匯總并在網絡上實時發布，實現全站數據及信息共享，并可根據間隔層設備的功能要求實現數據定制。

雙重化配置：雙重化的變電站集成保護及測控裝置通過雙重化的GOOSE網絡、SMV采集網與過程層的智能終端（合并單元）相連。實現功能及網絡的冗余，保證任何單一故障不會引起任何應用功能的缺失。變電站層、間隔層通信采用雙以太網，能自動平衡網絡負載。

靈活性：系統采用面向對象的設計思想，根據各變電站的系統情況可自由配置保護、測控、計量等功能模塊。特別是未來客戶需擴充增值的高級應用功能時，無需額外施工僅需更換相應軟硬件即可。過程層的合并單元可以接入電子式互感器及智能開關設備，也保留了接入傳統電磁式互感器的接口以兼容傳統的一次設備。通信接口方式選擇靈活，除支持IEC61850標準規約外，還支持多種標準通信規約。此外還提供規約轉換器，可支持大部分非標準通信規約。系統采用高精度硬件時鐘，支持PPS、IRIGB、SNTP等各種對時方案。

5 系統組網

通常數字化變電站應用比較多的有環網及雙星型網絡。傳統的以太網拓撲結構中不能出現環路，因為由廣播產生的數據包會引起無限循環而導致阻塞，該問題可依靠生成樹算法解決。快速生成樹協議使算法的收斂過程從1min降低到1~10s，這樣，在變電站網絡中就可以采用多種冗余鏈路設計來保證網絡的可靠性。

而星型網絡相比環型網絡結構簡單、配置簡潔，且降低了網絡風暴形成的風險，建議采用星型網絡。各層網絡組網方式如下：站控層網絡：采用光纖以太網星型網絡結構；過程層網絡：采用光纖點對點網絡結構；專用GOOSE通信網絡：采用光纖雙網結構，網絡延時<3ms

由于數據網需要實施傳輸采樣數據，網絡上數據量較大，必須采用100M網絡。相應的網絡接口及交換設備已經在應用中非常成熟，為系統數據的擴展奠定了扎實的基礎。

6 在鐵路牽引變電所應用

考慮到鐵路牽引供電系統原有傳統一次設備的改造難度，通過在互感器和開關上加裝智能采集終端及智能控制終端裝置,實現模擬量數字化傳輸和開關、刀閘的數字化操作。其中智能終端裝置針對單個PT，CT或斷路器設計，由智能采集裝置根據系統同步脈沖完成模數轉換，并將數據通過光纖送至合并單元，合并單元通過高速光纖再將一組時標一致的電壓和電流數據通過光纖轉發給各保護測控單元。保護測控單元需要對合并單元轉發數據通過插值算法進行“重采樣”才能進行計算（如線性插值算法），并發送控制命令,實現多個間隔的保護測控功能。

與常規互感器輸出的模擬信號有所不同，由合并單元輸出的數字采樣信號中必須含有時間信息。各合并單元輸出的電壓、電流信號必須嚴格同步，否則將直接影響保護動作的準確性和正確性。因此，同步時鐘是全數字化保護系統中的關鍵元件。過程層設備采用基于衛星鐘秒脈沖進行同步，間隔層設備采用IRIG-B碼校時，站控層采用SNTP軟件同步方案。

間隔層保護裝置與通信裝置采用雙重化配置，變電站采用2套復用的保護測控裝置,每套保護測控裝置由2臺獨立的保護測控裝置構成,其中1臺主要完成單間隔保護 (如線路保護、電容器及電抗器組保護等),另1臺主要完成跨間隔保護(如主變、差動保護及備自投裝置 )。

站控層網絡采用單網或雙網通信 ,通信方式為工業以太網。第三方設備（包括電表、交直流系統、安防系統等）可通過協議轉換裝置接入監控系統。

7 總結

根據IEEE、IEE、CIGRE等國際著名研究機構的最新數字化變電站自動化的前沿技術，針對220/27.5Kv鐵路牽引變電站的供電模式和具體特點，提出了嶄新的基于IEC61850標準的數字化變電站的解決方案。該系統通過合理的硬件集成、功能集成和信息集成簡化硬件設置，實施信息全面集成和功能的合理優化、整合，全面實現變電站保護、測控、自動化、電量計量等功能，不僅簡化了現場施工，降低了用戶運行維護難度，也減少了數字化變電站的投資成本。在鐵路牽引變電所具有很大的推廣應用前景。

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