數(shù)字化變電站解讀

沈明浩

云南省玉溪供電局 ，云南 玉溪 653100

1 數(shù)字化變電站的定義

“數(shù)字化變電站”是以變電站一、二次設備為數(shù)字化對象，以高速網(wǎng)絡通信平臺為基礎，通過對數(shù)字化信息進行標準化，實現(xiàn)信息共享和互操作，并以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)為基礎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量監(jiān)視、控制保護、信息管理等自動化功能的變電站。

在變電站自動化領域中，隨著智能化電氣的發(fā)展，特別是智能開關、光電式互感器機電一體化設備的出現(xiàn)，變電站自動化技術進入了數(shù)字化的新階段。在高壓和超高壓變電站中，保護裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動裝置的I/O單元，如A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等將割列出來作為智能化一次設備的一部分。反言之，智能化一次設備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路代替了綜合自動化保護裝置、測控等裝置的I/O部分；而在中低壓變電站則將保護、監(jiān)控裝置更加小型化、緊湊化，完整地集成開關柜上，充分體現(xiàn)了了變電站機電一體化的技術要求。

數(shù)字化變電站具有“四化”特征：全站信息數(shù)字化；通信平臺網(wǎng)絡化；信息共享標準化；高級應用互動化。實現(xiàn)四化功能的基礎如下：

1）智能化的一次設備

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(guī)機電式繼電器及控制回路的結構，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號網(wǎng)絡取代傳統(tǒng)的導線連接。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)的強電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。

2）網(wǎng)絡化的二次設備

變電站內常規(guī)的二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡通信，二次設備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復的I/O現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡真正實現(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）自動化的運行管理系統(tǒng)

變電站運行管理自動化系統(tǒng)應包括電力生產運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計無紙化；數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動化；變電站運行發(fā)生故障時能即時提供故障分析報告，指出故障原因，提出故障處理意見；系統(tǒng)能自動發(fā)出變電站設備檢修報告，即常規(guī)的變電站設備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。

2 變電站自動化的發(fā)展歷程

表1 變電站自動化發(fā)展歷程表

2.1 常規(guī)變電站的缺點

1）技術和管理上條塊分割、設備互不兼容；

2）硬件設備多而雜，標準化程度低；

3）控制電纜、端子排規(guī)模大、安裝調試比較復雜；

4）被動系統(tǒng)，無法自診斷、維護工作量大。

2.2 綜合自動化變電站存在的問題

變電站綜合自動化系統(tǒng)仍然存在信息難以共享、設備之間不具備互操作性、系統(tǒng)的可擴展性差等問題，制約了變電站可靠性、實時性、經濟性的進一步提升。

另一方面，大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行也對變電站向電網(wǎng)高級功能應用提供數(shù)據(jù)的支撐能力提出了更高的要求。

3 數(shù)字化變電站

3.1 數(shù)字化變電站研究的意義

目前變電站自動化系統(tǒng)雖已部分實現(xiàn)了計算機化和網(wǎng)絡化，但設備之間缺乏互操作性，不能夠實現(xiàn)一體化。各廠家功能和接口的差異，導致設備維護和升級成本巨大。變電站自動化系統(tǒng)與互感器、開關等終端設備需要通過電纜相連，模擬信號的傳輸存在電磁干擾及附加誤差等，沒有全部實現(xiàn)數(shù)字化。變電站內、變電站與控制中心之間沒有完全實現(xiàn)信息共享，一次設備的狀態(tài)信息無法全部接入。

隨著智能化開關、光電式電流電壓互感器、一次運行設備在線狀態(tài)檢測、變電站運行操作培訓仿真等技術日趨成熟，以及計算機高速網(wǎng)絡在實時系統(tǒng)中的開發(fā)應用，對已有的變電站自動化技術產生深刻的影響，全數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)已經可以實現(xiàn)。

數(shù)字化變電站由于對信息采集、傳輸、處理和輸出過程實現(xiàn)數(shù)字化，基本特征具有設備智能化、通信網(wǎng)絡化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運行管理自動化等等特點。

變電站數(shù)字化為電網(wǎng)的智能化提供了有力保證，為各種綠色、低碳能源的接入提供了可靠的支撐平臺。

實現(xiàn)數(shù)字化變電站對于我國變電站的自動化運行和管理將帶來深遠的影響和變革，具有重大的技術和經濟意義。

3.2 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結構

數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結構在物理上可分為兩類，即智能化的一次設備和網(wǎng)絡化的二次設備；在邏輯結構上可分為三個層次，根據(jù)IEC61850通信協(xié)議草案定義，這三個層次分別稱為“過程層”、“間隔層”、“站控層”。各層次內部及層次之間采用高速網(wǎng)絡通信，三個層次的關系如圖1所示。

圖1 數(shù)字化變電站邏輯結構圖

3.2.1 過程層

過程層是一次設備與二次設備的結合面，或者說過程層是指智能化電氣設備的智能化部分。過程層的主要功能分3類：1）電力運行實時的電氣量檢測；2）運行設備的狀態(tài)參數(shù)檢測；3）操作控制執(zhí)行與驅動。

1）電力運行的實時電氣量檢測

與傳統(tǒng)的功能一樣，主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測，其他電氣量如有功、無功、電能量可通過間隔層的設備運算得出。與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器被光電電流互感器、光電電壓互感器取代；采集傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代，這樣做的優(yōu)點是抗干擾性能強，絕緣和抗飽和特性好，開關裝置實現(xiàn)了小型化、緊湊化。

2）運行設備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測與統(tǒng)計

變電站需要進行狀態(tài)參數(shù)檢測的設備主要有變壓器、斷路器、刀閘、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)。在線檢測的內容主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

3）操作控制的執(zhí)行與驅動

操作控制的執(zhí)行與驅動包括變壓器分接頭調節(jié)控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、刀閘合分控制，直流電源充放電控制。過程層的控制執(zhí)行與驅動大部分是被動的，即按上層控制指令而動作，比如接到間隔層保護裝置的跳閘指令、電壓無功控制的投切命令、對斷路器的遙控開合命令等。在執(zhí)行控制命令時具有智能性，能判別命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇裕€能對即將進行的動作精度進行控制，能使斷路器定相合閘，選相分閘，在選定的相角下實現(xiàn)斷路器的關合和開斷，要求操作時間限制在規(guī)定的參數(shù)內。又例如對真空開關的同步操作要求能做到開關觸頭在零電壓時關合，在零電流時分斷等。

3.2.2 間隔層

間隔層設備的主要功能是：1）匯總本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息；2）實施對一次設備保護控制功能；3）實施本間隔操作閉鎖功能；4）實施操作同期及其他控制功能；5）對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制；6）承上啟下的通信功能，即同時高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡通信功能。必要時，上下網(wǎng)絡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)絡通信的可靠性。

3.2.3 站控層

站控層的主要任務是：1）通過兩級高速網(wǎng)絡匯總全站的實時數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實時數(shù)據(jù)庫，按時登錄歷史數(shù)據(jù)庫；2）按既定規(guī)約將有關數(shù)據(jù)信息送向調度或控制中心；3）接收調度或控制中心有關控制命令并轉間隔層、過程層執(zhí)行；4）具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；5）具有（或備有）站內當?shù)乇O(jiān)控，人機聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報警，甚至圖像，聲音等多媒體功能；6）具有對間隔層、過程層諸設備的在線維護、在線組態(tài)，在線修改參數(shù)的功能；7）具有（或備有）變電站故障自動分析和操作培訓功能。

3.3 數(shù)字化變電站的優(yōu)點

數(shù)字化變電站的一次設備和二次設備均采用智能設備，設備間交互的信息均按統(tǒng)一的模型數(shù)字化。數(shù)字化變電站較常規(guī)綜合自動化變電站有以下優(yōu)勢：

1）提升測量精度

數(shù)字化變電站采用輸出數(shù)字信號的電子式互感器，數(shù)字化的電流電壓信號在傳輸?shù)蕉卧O備和二次設備處理的過程中均不會產生附加誤差，提升了保護系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和計量系統(tǒng)的系統(tǒng)精度。

傳統(tǒng)變電站互感器輸出的模擬信號通過電纜傳輸時和二次設備的數(shù)據(jù)采集過程中都將產生附件誤差，系統(tǒng)精度難以提高。

2）提高信號傳輸?shù)目煽啃?/p>

數(shù)字化變電站的信號傳輸均用計算機通信技術實現(xiàn)。通信系統(tǒng)在傳輸有效信息的同時傳輸信息校驗碼和通道自檢信息，杜絕誤傳信號和監(jiān)視通信系統(tǒng)的完好性，PT斷線、CT斷線的判斷將不再是問題。數(shù)字信號可以用光纖傳輸，從根本上解決抗干擾問題。

傳統(tǒng)變電站一次設備和二次設備間直接通過電纜傳輸沒有校驗信息的信號，當信號出錯或電纜斷線、短路時都難以發(fā)現(xiàn)。而且傳輸模擬信號不能采用光纖技術，易受干擾。

3）減少二次接線

數(shù)字化變電站的一次設備和二次設備間采用計算機通信技術，一條信道可傳輸多個通道的信息，加上使用網(wǎng)絡技術，大幅度減少了二次接線的數(shù)量和復雜度。

4）解決設備間的互操作問題

數(shù)字化變電站的所有智能設備均按統(tǒng)一的標準建立信息模型和通信接口，設備間可實現(xiàn)無縫連接。

傳統(tǒng)變電站的不同生產廠家二次設備之間的互操作性問題至今仍然沒有得到很好地解決，主要原因是二次設備缺乏統(tǒng)一的信息模型規(guī)范和通信標準。為實現(xiàn)不同廠家設備的互連，必須設置大量的規(guī)約轉換器，增加了系統(tǒng)復雜度和設計、調試和維護的難度，降低了通信系統(tǒng)的可靠性。

5）變電站的各種功能可共享統(tǒng)一的信息平臺，避免設備重復

數(shù)字化變電站的所有信息采用統(tǒng)一的信息模型，按統(tǒng)一的通信標準接入變電站通信網(wǎng)絡。變電站的保護、測控、計量、監(jiān)控、遠動、VQC等系統(tǒng)均用同一個通信網(wǎng)絡接收電流、電壓和狀態(tài)等信息以及發(fā)出控制命令，不需為不同功能建設各自的信息采集、傳輸和執(zhí)行系統(tǒng)。

傳統(tǒng)變電站由于各種功能采用的通信標準和信息模型不盡相同，二次設備和一次設備間用電纜傳輸模擬信號和電平信號，各種功能需建設各自的信息采集、傳輸和執(zhí)行系統(tǒng)，增加了變電站的復雜性和成本。

6）自動化運行和管理水平的進一步提高

數(shù)字化變電站的采用智能一次設備，所有功能均可遙控實現(xiàn)。通信系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒏暾ㄐ诺目煽啃院蛯崟r性都大幅度提高。變電站因此可實現(xiàn)更多、更復雜的自動化功能，提高自動化水平。

傳統(tǒng)變電站由于受一次設備和通信系統(tǒng)能力的限制，許多自動化技術只能停留在試驗室里，難以進行工程實際應用。

7）避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題

數(shù)字化變電站二次設備和一次設備之間使用絕緣的光纖連接，電磁干擾和傳輸過電壓沒有影響到二次設備的途徑，而且也沒有二次回路兩點接地的可能性。

傳統(tǒng)變電站的二次設備與一次設備之間仍然采用電纜進行連接，電纜感應電磁干擾和一次設備傳輸過電壓可能引起的二次設備運行異常，在二次電纜比較長的情況下由電容耦合的干擾可能造成繼電保護誤動作。盡管電力行業(yè)的有關規(guī)定中要求繼電保護二次回路一點接地，但由于二次回路接地點的狀態(tài)無法實時檢測，二次回路兩點接地的情況近期仍時有發(fā)生并對繼電保護產生不良影響，甚至造成設備誤動作。

3.4 數(shù)字化變電站建設和運行的關鍵及難點

1）變電站全站數(shù)字化最大的障礙在于一次設備。目前我國智能開關設備、電子式互感器等的研制和運用相對比較滯后，對數(shù)字化變電站建設的投資、設備質量和技術服務提出了較高要求；

2）變電站建設的歷史原因。部分變電站將繼續(xù)采用傳統(tǒng)的開關設備甚至二次設備和系統(tǒng)軟件。為滿足數(shù)字化變電站的要求，將為傳統(tǒng)一次設備配置智能終端，并改造傳統(tǒng)二次設備和系統(tǒng)軟件的通信服務和信息模型使之符合IEC61850標準。智能終端的研發(fā)工作、傳統(tǒng)二次設備和系統(tǒng)軟件的改造工作也是今后的工作難點；

3）變電站設備的一致性測試。數(shù)字化變電站的智能設備應在選型前進行一致性測試來驗證其是否符合IEC61850標準，并作為選型的依據(jù)之一。這樣可大大減少變電站聯(lián)調的工作量，避免臨時修改通信程序和增加規(guī)約轉換器。

需研究適合的測試的工具、合理的檢測規(guī)程和測試用例以保證一致性檢測的效果；

4）保證系統(tǒng)可靠性及研究可靠性評價方法。數(shù)字化變電站的許多功能分布在多個物理設備上實現(xiàn)，和一個物理設備參與多個功能的實現(xiàn)，都對系統(tǒng)可靠性提出了挑戰(zhàn)。按“故障弱化”的思想，通過合理地配置冗余設備可保證系統(tǒng)可靠性。同時研究計算變電站平均故障間隔時間、可用率等數(shù)據(jù)的可靠性評價方法；

5）適應數(shù)字化變電站的運行、維護和管理方法。數(shù)字化變電站由于廣泛地采用智能設備，對現(xiàn)有地運行、維護和管理方法提出了挑戰(zhàn)。例如許多設備的輸出接口都由傳統(tǒng)的模擬接口和硬接線變?yōu)閿?shù)字通信接口，必須有新的調試和檢驗設備以及相應規(guī)程。還有許多原來由不同部門管理的功能由同一設備實現(xiàn)也造成一些責任區(qū)劃分問題。所以規(guī)劃數(shù)字式變電站時應充分考慮運行、維護和管理的因素，同時也應根據(jù)數(shù)字化變電站的特點適當調整運行、維護和管理的規(guī)程；

6）在選取作為試點的變電站時，建議將以下來兩點也作為考慮重點：（1）變電站在系統(tǒng)中的地位。如樞紐站在改造過程中，受運行方式影響造成多間隔停電、停電時間較長等，則容易導致工程建設周期難以控制；（2）一次設備規(guī)模。如涉及的設備規(guī)模較大，除延長工程建設周期外，還容易因缺乏數(shù)字化設備運行經驗造成工程難以投運，甚至引起停電事故。

4 結論

數(shù)字化變電站為智能電網(wǎng)的建設奠定了基礎，為提高電網(wǎng)的可靠性提供了技術保證，也為多種能源接入系統(tǒng)描繪了一幅美好的藍圖。但要實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化變電站還有較長的一段路要走。

數(shù)字化變電站的建設過程是實現(xiàn)智能化電網(wǎng)的必經之路，也是供電部門提高供電效率和提升生產管理水平的一個積累過程。通過數(shù)字化變電站的應用研究和示范工程的實施，積累相關經驗，培養(yǎng)數(shù)字化變電站建設、運行和檢修等方面所需的各種人才，研究并制定數(shù)字化變電站設計、建設、運行、維護和管理的各種規(guī)范，是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化和現(xiàn)代化的有力措施。

[1]陳軼瑋.數(shù)字化變電站實用化研究[D].浙江大學，2007.

[2]高梯才，趙海森.數(shù)字化變電站技術應用研討[J].山西電力，2008(5).