數字化變電站發展的瓶頸問題及其解決策略研究

摘要：隨著網絡通信技術在變電站自動化系統中的廣泛應用，數字化變電站的應用日益廣泛。變電站自動化技術中數字化變電站技術的出現是變電站發展史上的一次重大變革，其建成和運用具有劃時代的意義。通過分析目前數字化變電站的基本結構和技術特點，得出目前數字化變電站發展的技術瓶頸問題，最后結合當前數字化變電站改造工程中的先進技術應用，提出了解決數字化變電站發展瓶頸問題的策略，為更好地促進數字化變電站的建設及其技術發展提供有益的參考和幫助。

關鍵詞：數字化變電站；技術瓶頸；問題；解決策略

作者簡介：李亞民（1983-），男，湖南常德人，貴州送變電工程公司調試所，工程師。（貴州 貴陽 550002）

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0207-02

盡管在當前智能電網發展潮流中，數字化變電站已成為電力企業的首選，然而數字化變電站在技術上仍存在較大的提升空間。相關的技術瓶頸得不到突破，將會使數字化變電站的技術優勢大打折扣，其應用推廣也將受到制約，對當前智能化電網的發展勢必也會帶來重大影響。

一、數字化變電站的基本結構和技術特點

1.數字化變電站的基本結構

數字化變電站體系結構趨向于分層分布式，主要由設備層（站控層）、間隔層和變電站層（過程層）三層組成。

（1）設備層。設備層主要由電子式互感器和智能開關設備等組成。該層用來采集電力系統實時電氣量，檢測斷路器、變壓器、母線等運行設備的狀態以及執行上層控制指令等。

（2）間隔層。間隔層主要由保護裝置、故障錄波器、測控裝置、安全自動裝置以及電能計量裝置等設備組成。該層用來匯總本間隔過程層實時數據信息，對一次設備進行保護控制，快速高效完成與設備層及變電站層的網絡通信。

（3）變電站層。變電站層主要由主機、操作員站、五防工作站、遠動裝置等設備組成。該層用來匯總全站的實時數據，向調度中心傳送數據或接收調度中心傳送到間隔層和過程層的命令。另外，該層還能夠對另外兩層的設備進行在線維護以及實現變電站自身故障的自動分析診斷功能。

2.數字化變電站的技術特點

與傳統意義上的變電站相比，數字化變電站的技術特點主要體現在如下幾點：一是一次設備的智能化。數字化變電站采用智能化的電子式互感器以及智能開關等一次設備，實現了電器自動控制、自動檢測自身故障、自動調節與遠方控制中心的通信等。二是二次設備的網絡化。通過合并單元采集非常規互感器的輸出信息，通過光纖傳輸，并在二次設備間利用通信網絡交換信息的方式將采集的信息發送給保護測控設備。三是IEC61850的標準化。數字化變電站全站通信網絡和系統實現均采用IEC61850標準，數字化變電站站內設備可基于IEC61850標準的系統性和開放性有效進行互操作。四是運行管理的自動化。數字化變電站在設備智能化、站內設備的互操作性以及網絡通信平臺的信息共享等方面的技術特點，使其具備了較大程度的運行管理自動化的特點。

二、數字化變電站發展的技術瓶頸問題

當前數字化變電站雖然廣泛應用了電子式互感器等一次智能設備，但其可靠性問題還有待完善。同樣數字化變電站雖然實現了設備間的信息交互，但在網絡交互信息的采集與共享方面卻未有實質性進展。另外，網絡系統選型問題以及IED的互操作性問題依然是制約當前數字化變電站發展的重要瓶頸問題。

1.電子式互感器的可靠性問題

電子式互感器作為設備層中的關鍵設備可靠性至關重要。由于電子式互感器中采用了一些比較容易損耗的光學器件和電子器件等元件，其可靠性很容易受系統熱穩定性、電磁兼容以及電子元件自身的可靠性等因素的影響，電子式互感器的可靠性問題還需要進一步在工程實際應用中進行檢驗。

2.網絡交互信息采集與共享問題

數字化變電站用光纖傳輸數字量，而在現場運行維護中，對光纖傳輸通道的誤碼率和傳輸時延等的測試和維護難度較大。另外，合并單元的輸出量通過以太網發送給變電站二次保護設備，被傳輸的采樣值報文流經多個節點，可能會出現數據包丟包等問題。這些問題在一定程度上制約了整個系統中各個設備對網絡交互信息的有效采集與共享。

3.網絡通信系統的選型問題

數字化變電站自動化系統的實現完全依賴于網絡通信系統，網絡通信系統的可靠性與網絡信息傳送的高效性就決定了整個數字化變電站自動化系統的可用性，因此，解決好網絡通信系統的選型問題，意義重大。雖然當前的數字化變電站內的信息交互全部通過以太網實現，而且保證了通信的確定性，但由于數字化變電站網絡系統中信息的采樣以及控制命令的形成是由網絡上多個CPU協同完成的，如何控制好信息采樣的同步以及命令的快速輸出是網絡系統選型要解決的一個復雜問題。

4.IED的互操作性問題

由于IEC61850標準比較復雜，每個廠家對于IEC61850標準的理解不盡一致，它們在產品研發上會有差異，從而影響裝置的統一配置，這就容易出現單獨產品能通過一致性測試，但將這些單獨的產品構成一個整體的應用系統時卻不能通過應用測試的情況。因此，采取有效措施解決IED的互操作性問題至關重要。

三、解決數字化變電站發展瓶頸問題的策略

1.電子式互感器的可靠性問題解決策略

影響電子式互感器測量精度的誤差主要來自于一次傳感器。其測量誤差主要由一次傳感器中傳感材料電阻或電容自身易隨溫度變化、與其周圍低電位物體間存在固有電場所產生的分布電容等因素引起。為解決這一問題，電子式電流互感器應采用帶等電位梯度屏蔽結構的小容量傳感器，有效降低傳感器的電容量，提高主絕緣的可靠性，從而確保整個電子式電流互感器的可靠性。

2.網絡交互信息采集與共享問題解決策略

當前大量的數字化變電站改造工程實踐證明，在網絡交互的過程中，通過光纖以同步多路采集的方式實現合并單元對電子式互感器輸出的數字信號的分層控制及分層數據傳輸，不僅可以保證數據信號源統一，而且采集的信號精度高、可靠性強，從而可有效提高網絡交互數據信息采集、傳輸和應用的效率，是有效解決當前數字化變電站中網絡交互信息采集與共享問題的先進技術。

3.網絡系統的選型問題解決策略

為了解決網絡系統選型中如何控制好信息采樣的同步以及命令的快速輸出問題，當前不少數字化變電站改造工程采用了如下幾個方面的措施：一是數字化一次設備，就是用可編程控制器取代變電站二次回路中常規的繼電器，同時采用光電技術和微處理器對一次設備被檢測和控制的操作驅動回路和信號回路進行設計；二是減少二次控制和信號電纜，就是減少戶外和控制室的信號電纜和二次控制電纜，盡量用光電數字信號和光纖進行通信；三是實現變電站站內的光纖網絡化，即實現變電站內一、二次設備之間全數字化光纖網絡通信；四是統一的標準化平臺，即通過采用標準統一的數據模型、功能模型、信息模塊以及通信協議，確保系統各設備間通信時可以實現數據的無縫交換以及數據傳輸的可靠性和可用性。

4.IED的互操作性問題解決策略

IEC61850標準是整個數字化變電站的通信體系進行有效通信的重要基石。該標準提供了數字化變電站自動化系統數據模型、功能模型、通信協議以及通信系統的項目管理等一系列標準。按照該標準來規范變數字化變電站電站的網絡通信系統，是解決數字化變電站IED的互操作性問題的有效途徑。

按照IEC61850標準及數字化變電站的三層（站控層、間隔層、過程層）基本結構，整個數字化變電站網絡通信系統的通信接口包括如下六類：實現變電站層（站控層）各設備之間相互通信的接口；實現變電站層（站控層）設備與間隔層設備之間相互通信的接口；實現間隔層保護設備和控制設備之間相互通信的接口；實現間隔層與設備層（站控層）各設備之間相互通信的接口；實現遠方控制中心與變電站層（站控層）各設備之間相互通信的接口；實現遠方保護與間隔層保護設備和控制設備之間相互通信的接口。

為了有效解決IED的互操作性問題，很多數字化變電站改造工程做了如下規定，通過這些規定使變電站內IED設備能夠共享統一信息，具有互操作性，從而有效解決IED的互操作性問題。其中，具體規定如下：一是圖2中所示的通信接口③根據情況在圖中所示的②和④的通信接口上實現，變電站層設備之間的通信接口和變電站層與間隔層設備的通信接口在小規模的變電站可共用一個物理通信網絡；二是其他通信接口應按照IEC61850標準的相關規定實現；三是變電站層設備與遠方控制中心的通信接口仍采用IEC60870.5.101標準實現，但要確保遠動通信接口設備應有能升級到IEC61850的能力；四是遠方保護與間隔層各設備之間相互通信的接口主要用于遠跳裝置等，由設備制造廠定義，確保能在變電站間的通信系統上能夠統一配置。

四、結語

與發達國家相比，我國的數字化變電站還處于起步的發展階段，技術上還存在較大的提升空間。數字化變電站作為智能電網的核心環節，有效解決當前數字化變電站發展中面臨的重要瓶頸問題，充分發揮其技術優勢，對促進智能電網的快速發展具有非常重要的意義。

參考文獻：

[1]丁文書.數字化變電站的幾個關鍵技術問題[J].繼電器，2011，（l）.

[2]李海星.數字化變電站的網絡通信模式[J].電力系統保護與測試，2011，（9）.

[3]高翔.數字化變電站的主要特征和關鍵技術[J].電網技術，

2010，（8）.