數字化變電站中過程層的技術研究

摘要：數字化變電站是一個廣泛的概念，現在國內外很多廠家和研發機構都在做相關的研究工作，相關的產品也在不斷推出。僅僅只是某些一次裝置的智能化或者是二次裝置的接口的改變是不能稱為真正意義上的數字化。影響的范圍很大，數字化的進程不是單個設備就能造就的，它給變電站的通信概念注入了新的含義，整個變電站的結構也會發生非常大的變化。本文闡述了數字化變電站概念，介紹了智能數字化變電站過程層總線通信技，談了智能數字化變電站過程總線應用結構體系。

關鍵詞：智能數字化變電站；過程總線；總線通信技術

隨著電力電子技術、計算機技術、電力通信技術等在電力系統中應用的不斷完善，加上電力系統不斷向大參數、高電壓等級、復雜電網結構等方向快速發展，傳統的變電站自動化系統在實時性、可靠性、精確性等方面均很難滿足現代智能數字化遠程調度電力系統需求。為了實現變電站中所有智能IED電子設備間數據信息資源的實時共享和互操作，如何確保過程通信網絡中所有測控、保護、監視等數據信息在采集、遠程傳輸、以及運算分析等過程中具有非常強大的實時性、安全性、可靠性等，就成為智能數字化變電站自動化過程層應用技術研究難點和熱點，具有非常重要的意義。

一、數字化變電站概念

1.基本概念。提高電網運行可靠性是電力企業研究不變的宗旨，隨著電網技術的發展和信息交換標準的提高，IEC61850 標準應運而生，并迅速得到國內電力自動化企業的一致認可及廣泛應用。如今，基于IEC61850 標準的研究在變電站的應用中得到越來越多的關注，在這樣的背景下提出了智能化變電站概念。

2.智能化變電站由智能化一次設備（智能開關電子式互感器）、二次保護測控設備（新一代微機保護監控設備）、在線監測（環境監測、一次設備在線監測等）和站 內監控系統組成，建立在IEC61850 通信規范基礎上，實現變電站自動化所要求的保護、測量和控制等功能。按照物理網絡連接，一般分為站控層、過程層和間隔層。

二、智能數字化變電站過程層總線通信技術

1.變電站IEC61850國際標準。變電站IEC61850國際標準是新一代智能數字化變電站自動化系統通信網絡和系統通信協議的技術標準，通過對變電站內部所有lED設備數據對象的統一信息集成建模，并按照面向對象服務技術和抽象通信服務規范接口的統一語言描述定義，從而實現變電站內所有分層分布式智能IED電子設備間數據信息資源的無縫通信實時共享。應用IEC61850標準中的通信協議可以實現智能數字化變電站自動化系統中所有智能IED設備間的互操作性、以及系統自動化功能的擴展兼容性和運行長期精確穩定性，是實現變電站自動化系統中數據信息資源實時共享的基礎前提，為智能數字化變電站自動化系統的過程層智能IED電子設備實現信息集成建模的基礎數字化的重要保證，是變電站自動化系統過程總線通信技術的研究發展重要方向。

2.電子式互感器與智能化斷路器。電子式電流/電壓互感器為變電站系統運行中，特征電參量數據信息的實時采集、監視、保護、控制等智能IED電子設備提供重要的數據信息。由于不同智能IED設備通常來自不同廠家或同廠家不同型號的產品，因此，利用電子式電流/電壓互感器為不同智能IED電子設備間提供標準化、系統化的數據信息，也是變電站自動化系統過程層實現不同智能lED電子設備間數據信息資源實時共享和互操作的重要技術支撐。斷路器智能化的二次系統可以實現斷路器監測系統信息量的最大化、準確化、故障事故邏輯判定程序多樣化、以及斷路器監控保護技術手段智能自動化等多種功能，可以有效提高智能數字化變電站系統在實際運行中對系統故障和事故定位的實時精確化。

3.網絡通信集成網絡化技術。數據信息的實時通信是實現變電站自動化系統智能數字化的關鍵技術。光纖通信技術、交換式以太網、以及虛擬局域網（VLAN）等網絡通信技術在變電站自動化系統中應用的不斷完善深入，使得變電站自動化系統的二次信號回路和控制回路逐步向集成網絡化等方向快速發展。用數字通信技術手段代替傳統的電量信號傳輸模式；用光纖作為傳輸介質代替傳統控制、信號電纜的硬接線模式，為變電站自動化系統從集中式向分散分布式信息集成等方向發展提供重要技術支撐。過程層中二次設備不再出現常規功能裝置重復的I/O輸入輸出接線端口，通過過程層網絡真正實現不同智能IED電子設備間數據信息資源的實時共享和互操作。

三、智能數字化變電站過程總線應用結構體系

1.智能數字化變電站自動化系統匯中過程層和過程總線通信的提出，是基于IEC61850國際系統規范標準對傳統變電站自動化系統的通信協議體系（如UCA2.O）進行信息集成通信的重大技術變革，也是智能數字化變電站區別傳統變電站自動化系統的重要指標特征之一。按照智能數字化變電站IEC61850標準要求，過程總線應用結構采用集成網絡化通信結構代替傳統變電站的二次控制、信號電纜硬接線模式。智能數字化變電站過程總線應用結構應以工業以太網為通信核心，按照不同的組網方式構筑滿足不同數據信息流需求的合理靈活的邏輯拓撲結構。目前，智能數字化變電站自動化系統建設和改造工程中常用的過程總線應用結構體系主要包括星形拓撲、總線拓撲、環形拓撲、以及網狀拓撲四種模式。但是從大量工程應用效果來看，星形結構從信息流通信實時可靠性、邏輯拓撲結構清晰性、以及使用成熟完善性等方面均較其它三種應用結構體系較為完善合理。加上變電站智能IED電子設備制造成本的不斷下降，采用冗余設計模式的星形網絡拓撲結構，已成為智能數字化變電站過程總線首先的通信應用保護結構。

2.在大量工程應用實踐經驗的基礎上，很多電力研究學者又在過程層總線中通過將保護IED設備和合并單元兩者相互組合，并利用時鐘源進行在線分析的改進過程層總線保護結構模式，其具體結構如圖1所示：

從圖1中可知，電力研究學者在標準冗余星形結構的基礎上，引入了考慮間隔層與過程層設備單元間的可用性因素，利用合理的合并單元與斷路器控制組合體與保護IED電子設備間的運行可靠性判斷，通過功能整合有效提高智能數字化變電站中過程通信總線運行可靠性、精確性、以及實時可靠性。

3.智能數字化變電站過程層總線應用功能的實現按照圖1中所述的功能整合過程總線冗余保護結構，推出了實際變電站自動化系統工程應用中的過程層功能合并單元（合并單元/斷路器控制器）的整合設計方案。此處以ABB制造廠家的智能數字化變電站過程總線保護結構體系為例，其具體過程總線保護實現方案如圖2所示：

從圖2可知，ABB推出基于ELK—CP3組合采集分析處理裝置（組合式電壓/電流互感器）的過程總線保護結構。

隨著變電站自動化系統中過程層電氣一次設備的智能化、數字化，以及二次設備的集成網絡化，采用數據和信息的集中標準化采集模式，并基于IEC61850標準的過程層通訊網絡結構，實現了變電站自動化系統中過程總線上數據信息的集成統一采集傳送，完成了變電站中不同智能IED設備間功能數據信息的實時共享和互操作，促進了變電站自動化系統向智能數字化方向快速穩定發展。

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