綜合自動化變電站向數(shù)字化變電站發(fā)展淺析

金 釗，周志宇

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150001；2.華北電力大學(xué) 北京 102206）

變電站經(jīng)歷過常規(guī)變電站、綜合自動化變電站、數(shù)字化變電站在逐步向智能化變電站發(fā)展，而數(shù)字化變電站是智能化變電站的基礎(chǔ)。數(shù)字化變電站概念是指變電站信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數(shù)字化，其基本特征為設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運(yùn)行管理自動化。

文中研究了數(shù)字化變電站技術(shù)特點(diǎn)，采用低功率、緊湊型、數(shù)字化的新型電流和電壓互感器代替常規(guī)TA和TV；一次智能化開關(guān)；利用高速以太網(wǎng)構(gòu)成變電站數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信息建模，并比較了數(shù)字化變電站比綜合自動化變電站優(yōu)勢。

1 變電站發(fā)展歷程

1.1 變電站階段劃分

第一階段：1990年前傳統(tǒng)二次系統(tǒng)，常規(guī)繼電器實(shí)現(xiàn)保護(hù)測控；

第二階段：1990年至2005年綜合自動化變電站推廣，技術(shù)發(fā)展較快；

第三階段：90年代中期至今綜合自動化變電站技術(shù)已經(jīng)比較成熟，向數(shù)字化變電站過渡90年代中期IEC提出IEC61850標(biāo)準(zhǔn)2005-2009數(shù)字化變電站開始出現(xiàn)；

第四階段前景：智能電網(wǎng)的發(fā)展加快數(shù)字化變電站的發(fā)展。

1.2 綜合自動化變電站發(fā)展過程

綜合自動化變電站的概念是在微機(jī)保護(hù)在變電站得到廣泛應(yīng)用的背景下提出來的。由于變電站微機(jī)保護(hù)裝置普及，微機(jī)保護(hù)除了具備強(qiáng)大的保護(hù)功能外，還具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能和通訊功能，因此，如果能夠?qū)⑽C(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集功能充分利用起來，不但有助于降低監(jiān)控系統(tǒng)的造價(jià)，而且還有助于提高變電站運(yùn)行的自動化水平[1]。

綜合自動化變電站的發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段（上世紀(jì)90年代中期）：主要是以110 kV及以下電壓等級的變電站為對象開發(fā)出了星型結(jié)構(gòu)的綜合自動化系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 綜合自動化系統(tǒng)第一階段星型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Integrated Automation system first stage star structure

第二階段（本世紀(jì)初）：主要是以220 kV及以上電壓等級的變電站為對象開發(fā)出了總線結(jié)構(gòu)的綜合自動化系統(tǒng)。綜合自動化變電站是借助于通訊技術(shù)，將變電站內(nèi)以微機(jī)保護(hù)為主體的一系列智能裝置所提供的信息綜合起來所構(gòu)成的保護(hù)監(jiān)控一體化變電站。目前運(yùn)行的變電站綜合自動化系統(tǒng)是利用現(xiàn)代電子技術(shù)通信技術(shù)和信息處理技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對變電站二次設(shè)備包括繼電保護(hù)、控制、測量、信號、故降錄波、自動裝置及遠(yuǎn)動裝置等功能進(jìn)行重新組合、優(yōu)化設(shè)計(jì)，對變電站全部設(shè)備的運(yùn)行情況執(zhí)行監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)的一種綜合性的自動化系統(tǒng)，通過變電站綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間相互交換信息，數(shù)據(jù)共享，完成變電站運(yùn)行監(jiān)視和控制任務(wù)[2]。綜合自動化系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 數(shù)字化變電站

2.1 綜合自動化與數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)區(qū)別

與綜合自動化變電站比較，數(shù)字化變電站含有以下多種技術(shù)的研究應(yīng)用：IEC61850的應(yīng)用；電子式互感器及智能高壓電器；基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)、電子互感器、智能高壓電器等應(yīng)用的繼電保護(hù)、測控技術(shù)與裝置；基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電能計(jì)量技術(shù)；數(shù)字化變電站穩(wěn)定安全可靠性；數(shù)字化變電站相關(guān)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、驗(yàn)收、運(yùn)行、維護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范研究。同是站控層-間隔層-過程層間，綜合自動化變電站與數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)比較，對比如圖3所示。

圖2 綜合自動化系統(tǒng)第二階段總線結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Integrated automation system the second stage bus structure

2.2 數(shù)字化變電站建設(shè)參考標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字化變電站建設(shè)參考標(biāo)準(zhǔn)為不同廠家的設(shè)備互聯(lián)提供互操作性；對變電站自動化系統(tǒng)（SAS）功能，將功能分配到裝置，實(shí)現(xiàn)自由配置；支持未來的技術(shù)發(fā)展，因?yàn)樗杉嫒葜髁魍ㄓ嵓?術(shù)而發(fā)展，并可伴隨系統(tǒng)需求而進(jìn)化，保持穩(wěn)定性。

圖3 傳統(tǒng)綜合自動化變電站與數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)對比圖Fig.3 Traditional transformer substation integrated automation and digitized substation structure comparison chart

其中，過程層設(shè)備主要包括電子式電流電壓互感器、智能一次設(shè)備等，現(xiàn)階段智能化開關(guān)由傳統(tǒng)開關(guān)+智能終端方式來實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備智能化，電子式電流電壓互感器采用羅氏線圈+激光供能的光電電流電壓互感器來實(shí)現(xiàn)互感器設(shè)備的數(shù)字化[3]。過程層設(shè)備具有自我檢測、自我描述功能，支持IEC 61850過程層協(xié)議。傳輸介質(zhì)采用光纖傳輸。

3 數(shù)字化變電站一次與二次設(shè)備功能定位

實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站一次和二次設(shè)備功能重新定位，主要包括以下3個(gè)方面。

3.1 一次智能開關(guān)

由電力電子技術(shù)、數(shù)字化控制裝置組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和繼電器。可按電壓波形控制跳、合閘角度，精確控制跳、合閘過程的時(shí)間，減少瞬時(shí)過電壓幅值；斷路器操作所需的各種信息由裝在斷路器設(shè)備內(nèi)的數(shù)字化控制裝置直接處理，使斷路器裝置能獨(dú)立地執(zhí)行其當(dāng)?shù)毓δ埽灰蕾囉谧冸娬炯壍目刂葡到y(tǒng)；新型傳感器與數(shù)字化控制裝置相配合，獨(dú)立采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，可檢測設(shè)備缺陷和故障，在缺陷變?yōu)楣收现鞍l(fā)出報(bào)警信號，以便采取措施避免事故發(fā)生；斷路器具有數(shù)字化接口，可收發(fā)GOOSE消息以實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。智能控制柜方案如圖4所示。

圖4 智能控制柜方案圖Fig.4 Smart control cabinet scheme figure

3.1.1 智能開關(guān)現(xiàn)狀

為解決開關(guān)等其他一次設(shè)備智能化的問題，一些二次設(shè)備廠家開發(fā)了用于一次設(shè)備智能化的智能終端（或稱智能單元）。智能終端安裝在一次設(shè)備端子箱，采集設(shè)備狀態(tài)和控制設(shè)備，用光纖通信與二次設(shè)備交換信息。利用現(xiàn)有的成熟的二次技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)備，提升智能化水平；與GIS開關(guān)相結(jié)合的智能匯控柜；智能操作箱/智能終端 （智能I/O）；PASS系統(tǒng)。保護(hù)控制一體化開關(guān)柜、通過對原GIS開關(guān)的匯控柜做智能化改造，把保護(hù)、測控和GIS控制功能整合在一起，構(gòu)成智能開關(guān)功能[4]。

目前，智能一次設(shè)備通過在一次設(shè)備外加智能組件，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的保護(hù)、測控和狀態(tài)監(jiān)測等功能。現(xiàn)階段技術(shù)條件下一般可采用“常規(guī)一次設(shè)備+智能終端+狀態(tài)監(jiān)測單元”的方案，保留常規(guī)電氣一次設(shè)備本體結(jié)構(gòu)或機(jī)電控制回路，僅間隔內(nèi)保留部分電纜接線，達(dá)到一次設(shè)備的智能化目的，如圖5所示。

圖5 智能GIS開關(guān)與控制柜圖Fig.5 Smart GIS switch and intelligent control cabinet

采用“常規(guī)開關(guān)設(shè)備+智能終端”方案相對安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，有在500 kV電壓等級運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，在220 kV及以下變電站有較多的成功案例，滿足智能變電站的技術(shù)要求，智能組件就地安裝于一次設(shè)備本體或就地戶外智能匯控柜內(nèi)。

3.1.2 智能控制柜方案的優(yōu)勢

1）節(jié)約了電纜等設(shè)備投資以及相應(yīng)的施工投資；

2）節(jié)約了保護(hù)小室及主控室等的占地面積和投資；

3）GIS智能控制柜優(yōu)化了二次回路和結(jié)構(gòu)；智能GIS開關(guān)與控制柜，如圖6所示；

圖6 一次設(shè)備智能化方案（常規(guī)開關(guān)設(shè)備+智能終端）Fig.6 Equipment intellectualization scheme（conventional switch equipment+intelligent terminal）

4）一次二次聯(lián)合設(shè)計(jì)，減輕了設(shè)計(jì)院的負(fù)擔(dān)；

5）基于通訊和組態(tài)軟件的聯(lián)鎖功能比傳統(tǒng)硬接點(diǎn)聯(lián)鎖方便。

3.2 電子式互感器

從電子式互感器CT、PT引出的光纜，根據(jù)需要，在端子箱內(nèi)重新組成對應(yīng)各保護(hù)、測量等回路，二次設(shè)備引入測量量，進(jìn)行A/D變換后，送入CPU處理判斷。電子式互感器與常規(guī)互感器主要性能比較如表1所示。常規(guī)電子互感器與電子互感器外觀比較，如圖7所示。

表1 電子式互感器與常規(guī)互感器主要性能比Tab.1 Electronic transformer and conventional transformer main performance comparison

3.3 IEC 61850的應(yīng)用

IEC61850是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)。采用開放性IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)主要解決網(wǎng)絡(luò)通信及信息共享和互操作的問題[5]。其特點(diǎn)主要有:信息分層（站控層、間隔層、過程層）、面向?qū)ο蠼：托畔⒆晕颐枋觯m應(yīng)開放互操作性要求、采用抽象通信服務(wù)接口，適應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展、具有傳輸采樣測量值和快速傳輸變化值[5]。

4 數(shù)字化比傳統(tǒng)綜合自動化變電站優(yōu)勢

4.1避免重復(fù)建設(shè)共享統(tǒng)一信息模型

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(biāo)準(zhǔn)接入變電站通信網(wǎng)絡(luò)。變電站的保護(hù)、測控、計(jì)量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動、VQC等系統(tǒng)均用同一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)和信息模型不盡相同，二次設(shè)備和一次設(shè)備間用電纜傳輸模擬信號和電平信號，各種功能需建設(shè)各自的信息采集、傳輸和執(zhí)行系統(tǒng)，增加了變電站的復(fù)雜性和成本。

4.2 減少變電站全生命周期成本

變電站的設(shè)備間信息交換均通過通信網(wǎng)絡(luò)完成，變電站在擴(kuò)充功能和擴(kuò)展規(guī)模時(shí)，只需在通信網(wǎng)絡(luò)上接入新增設(shè)備，無需改造或更換原有設(shè)備，保護(hù)用戶投資。

圖7 電子互感器與電子互感器外觀比較圖（中間為220kV光常規(guī)電電流互感器Fig.7 Electronic transformer and electronic transformer is appearance（Eiddle of 220 kV light conventional power current transformer）

數(shù)字化變電站的各種功能的采集、計(jì)算和執(zhí)行分布在不同設(shè)備實(shí)現(xiàn)。變電站在新增功能時(shí)，如果原來的采集和執(zhí)行設(shè)備能滿足已能新增功能的需求，可在原有的設(shè)備上運(yùn)行新增功能的軟件，不需要硬件投資。

4.3 二次接線將大幅度簡化

數(shù)字化變電站的一次設(shè)備和二次設(shè)備間、二次設(shè)備之間均采用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，一條信道可傳輸多個(gè)通道的信息。同時(shí)采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通信線的數(shù)量約等于設(shè)備數(shù)量。因此數(shù)字化變電站的二次接線將大幅度簡化。

4.4 信號傳輸采用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化變電站的信號傳輸均用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通信系統(tǒng)在傳輸有效信息的同時(shí)傳輸信息校驗(yàn)碼和通道自檢信息，一方面杜絕誤傳信號，另一方面在通信系統(tǒng)故障時(shí)可技術(shù)告警[6]。

傳統(tǒng)變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備間直接通過電纜傳輸沒有校驗(yàn)信息的信號，當(dāng)信號出錯或電纜斷線、短路時(shí)都難以發(fā)現(xiàn)。而且傳輸模擬信號難以使用光纖技術(shù)，易受干擾。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖3所示。

4.5 變電站可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜自動化功能

傳統(tǒng)變電站由于通信系統(tǒng)傳輸信息的完整性、實(shí)時(shí)性和可靠性有限，許多自動化技術(shù)只能停留在試驗(yàn)室里，難以工程應(yīng)用。數(shù)字化變電站的采用智能一次設(shè)備，所有功能均可遙控實(shí)現(xiàn)。通信系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒏暾ㄐ诺目煽啃院蛯?shí)時(shí)性都大幅度提高。變電站因此可實(shí)現(xiàn)更多、更復(fù)雜的自動化功能，提高自動化水平。

5 結(jié) 論

文中主要闡述了綜合自動化變電站技術(shù)向數(shù)字化變電站發(fā)展概況，數(shù)字化變電站的幾個(gè)主要技術(shù)特征，研究了數(shù)字化變電站的技術(shù)背景，數(shù)字化變電站的架構(gòu)體系基本特點(diǎn)，及數(shù)字化變電站技術(shù)應(yīng)用對于變電站二次系統(tǒng)的主要影響。分析了數(shù)字化變電站較傳統(tǒng)的綜合自動化變電站的優(yōu)勢，提出了數(shù)字化變電站將作為智能變電站基礎(chǔ)將被廣泛普及。

[1]湯漢松.數(shù)字化變電站的現(xiàn)狀與未來[J].江蘇電機(jī)工程，2007，26（5）：5-7.

TANG Han-song.Digitized substation the current situation and future[J].Jiangsu Electrical Engineering，2007，26（5）:5-7.

[2]沈明浩.數(shù)字化變電站解讀[J].科技傳播，2011（10）:62-64

SHEN Ming-hao.Digitized substation reading[J].Science and Technology Communication，2011（10）:62-64.

[3]張承模，吳剛.數(shù)字化變電站自動化技術(shù)應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代機(jī)械，2012（2）:56-58.

ZHANG Cheng-mo，WU Gang.Digitized substation automation technology application research[J].The Modern Machinery，2012（2）:56-58.

[4]吳奇青.從福建省第一座220 kV數(shù)字化變電站開工建設(shè)談數(shù)字化變電站的技術(shù)特點(diǎn) [J].企業(yè)家天地，2010（2）:202-203.

WU Ji-qing.From the first seat in fujian province of 220 kV digitized substation construction about the technical features of digital substation[J].Entrepreneurs of Heaven and Earth，2010（2）:202-203.

[5]劉嬌，劉斯佳.智能變電站建設(shè)方案的研究[J].廣東電力，2010，38（7）:974-977.

LIU Jiao，LIU Si-jia.Intelligent substation construction scheme of research[J].Guangdong Power，2010，38（7）:974-977.

[6]蘇永春，吳素農(nóng) 江西電網(wǎng)智能變電站研究及建設(shè)展望[J].江西電力，2009，33，（5）:1-4.

SU Yong-chun，WU Su-nong.Jiangxi power substation research and construction intelligent prospects[J].Jiangxi Power，2009，33（5）:1-4.