淺析數字化變電站

摘要：隨著智能化開關、光電式互感器等機電一體化設備的出現，數字化變電站從理論變為現實，隨著智能電網的大力發展一個數字化變電站時代即將來臨。該文主要從數字化變電站自動化系統的技術特點、與常規變電站的優勢及應用中存在的問題等幾個方面進行論述。

關鍵詞：數字化變電站；lEo61850

一、引言

數字化變電站是當前電力系統研究的熱點，數字化變電站是由智能化一次設備和網絡化二次設備分層構建，建立在IEC61850通信規范基礎上，能夠實現變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現代化變電站，作為一門新興技術，數字化變電站從提出開始就受到了極大的關注，并已成為我國電力系統研究的熱點之一。隨著相關軟硬件技術的不斷發展和成熟，數字化變電站必將成為變電站技術的發展趨勢。

二、數字化變電站的產生及發展

盡管20世紀90年代以來變電站綜合自動化技術的發展對于電網運行技術的提高起到了十分積極的作用，改善了變電站自動控制的能力和可靠性，但在實現技術方案上基本上還是維持著常規變電站自動化系統原有的功能和邏輯關系，在工作方式上多數仍然是各自獨立運行，形成了各種“信息孤島”現象。數據交互方面由于規約的限制，不同廠家的設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現信息的冗余應用。涉及到不同廠家產品同時應用時，系統的聯調時間長，系統的穩定性較差，對維護及運行帶來了極大的不便，一定程度上影響了變電站自動化系統的投入率。

隨著光電技術在傳感器應用領域研究的突破，IEC61850標準的頒布實施，以太網通信技術的應用，以及智能斷路器技術的發展，給變電站自動化技術帶來了一個嶄新的發展機遇。這些相關技術的發展和應用使數字化變電站興起并不斷向前發展。

目前，國內在數字化變電站設備領域的研究已經取得了長足進展。具有國際先進水平的國產光電互感器已通過國家級鑒定，多個數字化變電站已先后投入運行，隨著智能電網的大力發展，更多的數字化變電站將會投入電網運行。

三、數字化變電站的技術基礎

1.IEC61850標準

IEC61850標準中引入了抽象通信服務接口(ACSI)為智能電子設備提了抽象通訊服務的一種虛擬接口，ACSI使變電站自動化功能完全獨立于具體的網絡協議，因此最新網絡技術可以很快被應用于變電站中。另外，ACSI使物理的IED(智能電子設備)隱藏起來，變電站功能可以被靈活地分配到多個lED中，還可以開發ACSI網關裝置以接人不支持1EC61850的IED[2]。

2.智能開關和電子互感器

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字信號，消除了磁飽和及鐵磁諧振現象，互感器運行暫態響應好，穩定性高，保證了系統運行的高可靠性。基于微機、電力電子技術和新型傳感器建立新的斷路器二次系統，保護和控制命令直接通過光纖傳輸到斷路器操作機構的數字化接口，消除了傳統斷路器二次電纜過多而帶來的斷路器運行的安全隱患。

四、數字化變電站的主要特點

數字化變電站各類數據從源頭實現數字化，真正實現信息集成、網絡通信、數據共享。

1.智能化的一次設備

在電流、電壓的采集環節采用數字化電氣測量系統，如光電／電子式互感器，實現了電氣量數據采集的數字化應用，為實現信息集成化應用提供了基礎。一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅動回路采用微處理器和光電技術設計，簡化了常規機電式繼電器及控制回路的結構，數字程控器及數字公共信號網絡取代傳統的導線連接。換言之，變電站二次回路中常規的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規的強電模擬信號和控制電纜被光電數字和光纖代替。

2.網絡化的二次設備

系統結構更加緊湊，數字化電氣量監測系統具有體積小、重量輕等特點，可以有效地集成在智能開關設備系統中，按變電站機電一體化設計理念進行功能優化組合和設備布置。打破常規變電站的監視、控制、保護、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，改變了硬件重復配置、信息不共享、投資成本大的局面。數字化變電站使得原來分散的二次系統裝置，具備了進行信息集成和功能合理優化、整合的基礎，二次設備之間的連接全部采用高速的網絡通信，通過網絡真正實現數據共享、資源其享，常規的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

3.自動化的運行管理系統

系統建模實現標準化，IEC61850確立了電力系統的建模標準，為變電站自動化系統定義了統一的、標準的信息模型和信息交換模型，實現智能設備的互操作，實現變電站信息共享。對一、二次設備進行統一建模，資源采用全局統一命名規則，變電站內及變電站與控制中心之間實現了無縫通信，從而簡化系統維護、配置和工程實施。

設備實現廣泛在線監測，使得設備狀態檢修更加科學可行。在數字化變電站中，可以有效地獲取電網運行狀態數據、各種智能電子裝置的故障和動作信息及信號回路狀態。數字化變電站中將幾乎不再存在未被監視的功能單元，在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。

五、數字化變電站的優勢

數字化變電站技術是變電站自動化技術發展中具有里程碑意義的一次變革，對變電站自動化系統的各方面將產生深遠的影響。數字化變電站三個主要的特征就是“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。

我國微機保護在原理和技術上已相當成熟，常規變電站發生事故的主要原因在于電纜老化接地造成誤動、CT特性惡化和特性不一致引起故障、季節性切換壓板易出錯等。這些問題在數字化變電站中都能得到根本性的解決。

數字化變電站中采用電子式互感器根本性地解決了CT動態范圍小及飽和問題，從源頭保證了保護的可靠性。信息傳遞全部采用光纖網絡后，二次回路設計極大簡化，保護壓板、按鈕和把手大大減少，顯著減少運行維護人員的“三誤”事故，光纖的應用也徹底解決了電纜老化問題，系統可靠性得到充分保障。

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。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。

六、數字化變電站應用中存在的問題

由于光電／電子式互感器本身的結構特點和工作方式，導致互感器的角差、比差現場試驗難以進行，甚至極性試驗也無法開展，只能等到設備投運帶電后，才能檢驗接線的準確性。另外，光電／電子式互感器的局放試驗、伏安特性試驗的試驗方法和標準也與常規設備有很大的區別，這都需要設備廠家和運行主管單位專門制定。

數字化變電站保護校驗相對復雜，在變電站運行的條件下對部分間隔保護校驗的難度很大，目前的常規繼電保護校驗裝置無法提供數字化保護所需的電流量和電壓量，因為電流量和電壓量必須經過合并器才能進入保護裝置，而要完成試驗必須自帶合并器提供模擬試驗中的電流量和電壓量，要完成母差保護這類需要大量電流電壓量的保護校驗便顯得尤為困難。

IEC61850通信協議本身并未對變電站網絡系統的安全性做任何規定，同時協議本身的開放性和標準性給變電站的網絡安全帶來重大隱患。要做到二次系統信息的保密性、完整性、可用性和確定性，符合二次系統安全防護的要求，是自動化廠家仍需考慮和完善的技術環節

七、結束語

本文對數字化變電站進行了介紹和論述，分析了數字化變電站的特點并闡述了其與常規變電站的優勢。當然數字化變電站還處于起步期，還存在很多的不足，這些需要在數字化變電站的發展過程中去解決和完善，在未來電網發展工程中常規變電站被數字化變電站代替的趨勢是不會變的，它將為我國“智能電網”的建設打下堅實的基礎。