數字化變電站的發展現狀與關鍵技術分析

□謝海川 陳 博 冉啟偉

一、引言

變電站在電力系統中占據重要地位，隨著電能需求量的增大、電網互聯的加強，傳統變電站的缺點逐漸顯現出來，諸如信息共享性差、系統擴展性差等問題嚴重制約電力系統的發展壯大。在變電站自動化技術日益發展進步的推動下，結合現代網絡通信技術、微電子技術，數字化變電站技術已逐漸成熟并表現出替代傳統變電站的強勁趨勢。數字化變電站憑借其擴展靈活、信息高度共享的特點將在未來智能電網建設中發揮重要作用，將大大提高變電站的自動化、智能化程度，實現更優的電能變送和控制運行效果。

二、數字化變電站的概述及發展現狀

數字化變電站的主要特征是站內的電氣一次設備均通過數字化實現通信，二次設備和一次設備處于同一的通信平臺上，實現兩者之間更優的互操作性。在數字化變電站中，一次設備變得更加智能化，同時二次設備的網絡化程度大大提高。IEC61850標準自從發布以來，我國就始終關注并逐步對變電站系統進行了統一化改造。我國數字化變電站的初次投入運行是在2006年，此后陸續有很多變電站都進行了數字化升級。電壓等級從最初的110kV到如今普遍存在的500kV，設備集成從一開始單一廠家發展到現在的多廠家互相集成，我國的數字化變電站發展速度很快。在發展過程中，我國電力企業積累了一定的運行經驗，但是同時也暴露出一些有待解決的問題。2006年以來，我國成立了數字化變電站標準委員會，并陸續進行了6次互操作實驗，通過設備研制、標準建立，制定了一系列符合我國電力系統情況的標準和導則。當前，我國各省市電網均不同程度配置了數字化變電站，雖然各站點的情況有所差異，但是基本都符合統一化標準。

三、數字化變電站的基本系統架構

(一)數字化變電站的網絡結構。數字化變電站的基本網絡結構一般包括星網和環網兩種形式。

1.星網。星網結構的優點主要表現在任意兩個通信主體之間最多經三級交換機，更多情況下是點對點的網絡連接，因此其優點是通信延遲小且網架結構清晰，便于維護升級。但該網絡結構也同時存在網絡冗余度低的缺點，當體系內的一個通信個體發生故障，必然導致該點的通信中斷。同時需要注意的是，一點故障并不會影響其它通信點的通信。星網結構不需要裝設交換機，通信延遲很小，并且由于結構簡單，對各種通信設備的要求也很低。對于網絡冗余度低的問題，則可以通過采用備用網絡形成雙網通信方式來改善。

2.環網。環網結構下由于任意兩點之間至少有兩條通信通道，因此在體系內任意一點發生故障的情況下不會引起通信中斷，即環網結構的網絡冗余度較高。但是這種優點是建立在環網體系內多級交換機通信的基礎之上的，這就必然造成通信延遲較大，系統物理結構復雜，網絡交換機數量大且對各臺交換機都有較高的性能要求。另外，如果在環網結構內采用了不同廠家生產的交換機，可能由于通信樹協議不同而難以組網以及運行和調試。

(二)數字化變電站的功能結構。IEC61850是國際通用的數字化變電站通信標準，該標準將變電站自動化模型自下而上分為過程層、間隔層以及站控層三個層面。該標準規定了以太網通信方式是這三層之間的通信標準，但是并沒有對其組網方案進行統一制定。數字化變電站的三層網絡:一是過程層網絡，亦稱為采用網絡，該網絡主要完成各種電壓、電流以及功率信號的采樣功能。二是間隔層網絡，將采用數據進行實時匯總并起到承上啟下通信傳輸作用。三是站控層，主要實現人機交互功能，它對間隔層和過程層設備進行狀態監測和維護，并實現在線組態、修改運行參數等功能。對上述三層網絡，有如下兩種基本的功能結構可實現三者之間的通信連接。

1.全站統一化網絡結構。采用這種功能結構的數字化變電站內三層通過唯一網絡進行連接，網絡內的任意通信終端均能自由連接到其他終端設備。這種結構的優點是可以實現高共享率的數據連接，且不需要頻繁的數據轉換，需要的網絡設備數量較少，成本較低。

2.各自獨立的網絡結構。采用各自獨立的網絡結構，即過程層、間隔層和站控層之間網絡各自相對獨立，各層內采用一種網絡連接方式，層與層之間通過信息轉換進行互聯。這種方式的優點是各層之間獨立性高，彼此之間干擾性差，有利于減小維護量、提高運行可靠性。但是，其缺點就是各層之間信息傳遞過程中延遲大、數據轉換過程對網絡設備的要求較高，同時減低了信號傳輸的可靠性。

四、數字化變電站工程應用實踐

(一)光學互感器在數字化變電站中的應用。光學電壓、電流互感器憑借其測量范圍寬且線性化程度高以及抗干擾能力強的優點，在數字化變電站中有著廣泛的應用前景。光纖式互感器通常由光感應環節和數字運算環節構成，因為光纖內傳輸的信號不會被電磁場所影響，所以光纖式互感器表現出抗干擾能力強的特點。根據光纖式互感器中光學部分的安裝位置，其在變電站內安裝方式有兩種:外置式和內置式。外置式即將光學部分裝設于電氣設備外部，內置式則代表著將光學部分裝設在電氣設備內部。實際應用中，應根據電氣設備的實際結構特征以及工作環境選擇合理的裝設方式，避免光傳感部分受到環境腐蝕等影響。

(二)數字化變電站內網絡互聯設計。數字化變電站中，站控層、間隔層以及過程層需要通過合理的網絡通信方案進行互聯，以保證各層之間的實時通信，并確保信號傳輸的可靠性。在設計互聯網絡時，應遵循IEC61850標準，對于數據流量較小的環節，可以采用以太網加屏蔽雙絞線的方案。對于數據流量較大的部分，可采用光纖進行傳輸。特別是對于110kV及以上電壓等級的變電站，由于各保護測量單元之間通過點對點的方式進行連接，所以較適合采用光纖直連的方式，以充分實現數據傳遞的可靠性和實時性。對于變電站內的主變壓器，通常各個保護測量單元之間通過多點交叉的方式進行連接，因而較適宜利用網絡交換機構成采樣網絡。

五、結語

數字化變電站的建設是長期的系統工程，在我國電力系統中廣泛采用具有高度信息共享和擴展性能的數字化變電站是未來的重要發展方向。數字化變電站基于智能化開關電氣設備以及光電式電壓、電流互感器，可以實現變電站過程層、間隔層和站控層之間的無縫連接通信，實現靈活自由的控制作用。本文從數字化變電站的拓撲結構和工程實踐兩方面對其關鍵技術進行了分析，但是數字化變電站涉及的問題很多，在進行建設升級的過程中，還必須對其相關試驗標準以及測控方法等諸多問題進行深入探究，以推動其更快、更好地發展。

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