數字化變電站應用技術的研究

陳彥合 邱 爽 陳 輝

（1.中國民用航空沈陽航空器適航審定中心，遼寧 沈陽 110043；2.國網遼寧省電力有限公司撫順供電公司，遼寧 撫順 113008）

IEC61850標準的頒布實施，光電技術在傳感器領域的研究突破，智能型斷路器技術的提高，以及以太網技術的應用，給變電站綜合自動化技術帶來了新的發展機遇。數字化變電站技術工程化的推進將為數字化電網的構建奠定堅實的基礎，這種技術的應用同時為調度自動化技術的發展提供了內在推動力，對調度自動化技術向智能化程度發展起到了促進作用。隨著各種相關應用技術的成熟和發展，數字化變電站必將取代常規變電站，成為未來變電站自動化技術發展的主流。

1 傳統變電站自動化系統的現狀與不足

傳統變電站自動化系統主要分成三層：變電站層、間隔層和過程層。常規變電站自動化系統主要依靠常規的電磁型電流/電壓互感器進行信息采集，然而由于傳統的電流互感器受其特性的限制，很難在如此寬泛的工作范圍內同時滿足保護和測控單元的精度要求，因此，常規電流互感器分為保護級與計量級等不同等級，不同特性的電流互感器應用于測控單元、計量系統和保護裝置。另外，常規互感器在二次負載方面存在問題：對于二次回路線路長，所接負載重、設備多的情況，如果超過了電流互感器的二次額定負載能力，需要串接或考慮換用負載能力強的電流互感器。所以，在現場中我們往往可以看見在反映同一個電流的位置上安裝了一串不同類型不同型號的電流互感器，占地面積多，投資大，與二次設備的配合比較復雜。間隔層中，在工作方式上，常規變電站自動化系統的邏輯關系和功能大多數都獨立運行。由于規約的限制，在數據交互方面，不同廠家的設備相互之間無法實現通信，無法共享資源，裝置的冗余配置也無法實現信息的冗余應用。當同時應用不同廠家的產品時，系統的聯調時間變長，穩定性變差，給系統的維護及運行造成了極大的不便，在一定程度上給變電站自動化系統的投入率造成了影響。在常規變電站中由于二次電纜的可靠性問題引起的設備故障事件時有發生。

圖1 保護及智能控制柜與常規控制柜的比較圖

數字化變電站可以預期實現一、二次設備的信號利用遠動通信技術進行傳輸，光纜代替了傳統的二次控纜，數字信號代替了傳統的模擬信號。變電站二次回路設計更加便利，每個回路的電纜連接變成了光纜的示意連接，既節省了設計周期，同時簡潔的二次回路設計提高了變電站自動化系統的可靠性，給施工維護提供了方便。在數字化變電站中通信系統統一建模，實現信息共享，可以使變電站通信功能更加優化。

2 數字化變電站系統概述

數字化變電站系統可以分為三層：即站控層、間隔層和過程層，網絡結構為開放式分層、分布式結構。

站控層由計算機網絡連接的系統主機、遠動主機、VQC、工作站、GPS對時系統等設備構成。按照IEC-61850-5的要求，提供變電站內運行的人機聯系界面，對間隔層設備實現管理控制等功能，形成了全站監控以及管理中心，并可實現與集控中心、調度中心和保護信息主站之間的通信。站控層是整個變電所的設備監視、測量、控制、管理的中心，通過光纜與間隔層設備采用IEC61850-8-1通信協議。數字化變電站與傳統變電站相比，由于整個站控層網絡采用了IEC61850通信標準，大大增強了其模型描述能力和裝置互操作性。站控層的設備除了通訊協議要滿足IEC61850外，其他功能與傳統自動化變電站沒有變化。

過程層設備包括光電式電子互感器、智能開關設備、合并單元及過程層網絡設備等。模擬采樣數據、保護間配合信號、保護命令的傳輸對于要求具有非常高的實時性和可靠性，所以過程層選用基于IEC60044-8的點到點星型拓撲結構，使用100M的光纖以太網，選用光纖做傳輸介質。

間隔層設備由繼電保護、測控裝置等組成，與過程層設備單元之間采用GOOSE通信協議。保護測控設備采用IEC60044-8或IEC61850-9-1。間隔層按照不同的電氣間隔單元和電壓等級，分散在各個配電裝置室中，當站控層及網絡出現失效時，間隔層仍然能獨立完成其監測和斷路器控制功能。在普通的數字化變電站中，二次設備通常采用分層分布式結構，功能獨立，面向間隔。這種模式雖然在可靠性方面有較大較高，但CT和PT負載重、硬件重復配置、接線復雜、缺乏整體的協調和功能優化、信息不共享、運行維護成本高、投資成本大。這些裝置一般不具有全局視角，基于單點信息，是一種硬件冗余的系統模式，而非信息冗余。往往會因有效信息不夠全面而作出錯誤判斷，或者作出局部最優而并非全局最優的判斷，對系統的穩定運行造成影響。因此，該數字化變電站間隔層采用集中式保護形式，將所有保護、測控功能集中在一個裝置中實現，下放到GIS智能化匯控柜中，考慮可靠性問題，保護裝置可雙重配置。

3 智能化GIS匯控柜應用技術的研究

3.1 傳統GIS匯控柜的應用技術

在以往的數字化變電站設計中，在66kV GIS附近安放兩面GIS匯控柜，里面安裝智能匯控裝置與開關設備配合完成一次設備的智能化。保護裝置通過GOOSE 網下發的分、合閘命令可通過匯控裝置轉換成硬接點，斷路器的操作也是匯控裝置通過自帶的操作回路插件實現的。匯控裝置就地采集刀閘、斷路器等一次設備的開關量信息并通過GOOSE網絡上送給相關保護使用，并通過以太網將一次設備信息上送至MMS網，完成對一次設備的監視、測量及控制，保護裝置與GIS匯控柜之間通過電纜進行連接。

3.2 智能化GIS匯控柜的應用技術的優勢

智能化GIS匯控柜與以往數字化變電站不同，將普通的GIS匯控柜更換為保護及智能匯控柜。特點是將保護裝置由原來的二層控制室下放到該匯控柜中，同時安裝了一臺智能控制裝置，使得運行維護人員能及時了解GIS的運行情況，圖1為保護及智能控制柜與常規控制柜的比較圖 ，圖中所示，GIS設備與傳統匯控柜端子排之間的用二次控纜進行連接；智能化匯控柜與GIS之間連接通過光纖用插件進行連接。傳統GIS匯控柜通過二次控纜與二層的保護、測控裝置進行連接，而智能匯控柜將保護下放到智能匯控柜中，縮短了二次控纜的長度。保護與后臺監控系統之間的連接通過光纖即可完成。綜上所述，變智能化GIS匯控柜技術的應用與傳統GIS匯控柜比較，優勢如下：

（1）節約了電纜等設備投資以及相應的施工投資

減少變電站內控制電纜的數量是數字化變電站建設的一個主要目標。一方面，隨著原材料價格的上漲，電纜的成本變得越來越高，另一方面，光纜的抗干擾性能遠好于控纜，可以使變電站內通信傳輸的可靠性大大提高。另外，將模擬信號轉變為數字信號能大大增加傳輸的帶寬和信息量。

（2）GIS智能匯控柜使得二次回路更加簡潔

傳統匯控柜與保護裝置的功能有很多重合之處，例如壓力閉鎖、防跳、三相不一致等。GIS智能控制柜可以有效地取消和簡化這些功能重復的地方，使二次回路的可靠性大大提高。

（3）出廠前完成已完成設備聯調，減少現場調試工作量

通常設備的調試周期比較長，在電纜敷設并連接后進行，而智能匯控柜中的一、二次設備在出廠之前已經完成聯調，到現場后調試工作幾乎很少。可以顯著地縮短調試周期。

（4）聯鎖功能更為方便

智能控制柜中的斷路器及所有刀閘位置均可由智能裝置進行采集，且間隔之間有光纜連接，所以可以方便地將一、二次設備之間聯鎖，大大地減少了機構輔助接點的數量，從而使設備運行可靠性有所提高。

（5）減少了電流互感器的二次負擔

智能匯控柜中電流互感器與保護裝置的電氣距離相對縮短，因此可以選擇容量較小的小功率互感器。

（6）減少了保護控制室的占地面積和投資

使用GIS智能匯控柜可以使保護測控裝置下放到匯控柜上，從而能夠有效的減少保護控制室的占地面積，并減少造價。

結語

數字化變電站技術的發展將會是一個漫長的過程，方案的可行性、技術的成熟度均要與工程的實際應用相結合逐步發展、完善，或者說采取分步走的策略是數字化變電站應用技術發展比較可行的方案：第一階段可以根據IEC61850標準實施示范性工程，積累數字化變電站網絡通信協議的應用經驗；第二階段可以考慮選擇采用非常規互感器技術實現信息采集、傳輸、處理的數字化應用，使非常規互感器的應用技術更加成熟；第三階段結合智能斷路器技術的成熟度實現信息的采集、傳輸和處理，從交流量的采集到斷路器操作的全數字化應用；通過將過程層總線與變電站總線進行集成，實現數字化變電站綜合自動化的應用。

數字化變電站的應用技術突破了傳統變電站綜合自動化技術，具有顯著的技術特性，數字化變電站二次系統的結構更多的反應出網絡通信技術的特點。因此，可以獲取更高的冗余性和可靠性。同時，對等通信模式的實現對于信息傳輸的安全性提出了更高的要求，應該考慮基于IED信息安全的實現模式，以建立變電站綜合自動化系統、調度自動化系統的信息安全機制，為電網安全可靠運行提供保障。

數字化變電站應用技術在技術、經濟上具有明顯的綜合效益，數字化變電站的應用技術可以兼容傳統變電站技術，這表明數字化變電站技術可以在傳統變電站自動化技術的基礎上穩步發展、逐步突破，實現新技術的應用與智能電網的發展的有機結合，在數字化變電站技術成熟的基礎上建設新一代智能化電網。

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