數(shù)字化變電站設備技術功能與應用研究

茆睿

【摘 要】 隨著智能技術的不斷變化發(fā)展，在變電站自動化領域，機電一體化智能設備的出現(xiàn)使變電站綜合自動化技術進入了數(shù)字化發(fā)展的新階段，數(shù)字化變電站的相關功能也得到了更為廣泛的應用。本文從數(shù)字化變電站的含義及現(xiàn)狀入手，探討了數(shù)字化變電站設備應用的技術功能以及發(fā)展趨勢，并著重對其應用方法做出分析。

【關鍵詞】 數(shù)學化變電站 設備 功能 應用 研究

近年來，伴隨著網(wǎng)絡化、智能化、集成化技術的迅速提高，數(shù)字化變電站也成為了電力行業(yè)未來發(fā)展的主要趨勢之一，據(jù)此，本文對于數(shù)字化變電站設備技術功能與實際應用所作出的研究，也具有了十分重要的現(xiàn)實意義。

1 數(shù)字化變電站的相關概述

1.1 數(shù)字化變電站的內(nèi)涵及特征

數(shù)字化變電站是由智能化一次設備（電子式互感器、智能化開關等）和網(wǎng)絡化二次設備分層（過程層、間隔層、站控層）構建，建立在IEC61850標準和通信規(guī)范基礎上，能夠實現(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。數(shù)字化變電站具有多方面的特征，簡要概括起來主要有以下幾個方面：

（1）內(nèi)部緊湊化。數(shù)字化變電站的內(nèi)部構成通常來說是較為緊湊的，整個變電站內(nèi)部包含的開關設備、數(shù)字化電氣光電測量設備以及自動化集成系統(tǒng)，都是依靠先進技術理念而完成設計制作的。在此類變電站中，測控裝置、保護裝置、故障錄波以及其他的自動化裝置中I/0單元部分，也成為智能設備中的重要組成部分。

（2）布局可行性。IEC61850標準是電力系統(tǒng)自動化領域唯一的全球通用標準。它通過標準的實現(xiàn)，實現(xiàn)了智能變電站的工程運作標準化。使得智能變電站的工程實施變得規(guī)范、統(tǒng)一和透明。不論是哪個系統(tǒng)集成商建立的智能變電站工程都可以通過SCD（系統(tǒng)配置）文件了解整個變電站的結構和布局，對于智能化變電站發(fā)展具有不可替代的作用。對于布局可行性，就需要在IEC 61850標準的基礎上，為數(shù)字化變電站實施分層分布方案提供切實可行的技術條件。

（3）傳送網(wǎng)絡化。數(shù)字化變電站主要是通過網(wǎng)絡高速通信的方式，以完成內(nèi)部設備間的相互連接。而要滿足數(shù)據(jù)資源共享與其他常規(guī)功能、邏輯功能的需求，則需要從以下方面予以保證：其一是變電站內(nèi)部的通信網(wǎng)絡，既要保證內(nèi)部IED設備互相連接，同時也要在電力調度的自動化設計與硬件接口等方面，與國際標準接軌，避免因設備裝置損毀或連接困難而導致的通信中斷等問題出現(xiàn)。其二是變電站的網(wǎng)絡化信號傳輸，所面臨的任務對象是大量的數(shù)據(jù)資源，據(jù)此，也應當對信號保護、任務遙控與數(shù)據(jù)測控等命令做到實時傳送。其三，在滿足及時、可靠的信息傳輸時，也對網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全性提出了新的要求，所以，可以通過訪問只讀模式、開啟防火墻、設置復雜密碼與閉環(huán)訪問等方式，對其進行檢測控制。

（4）內(nèi)容集成化。數(shù)字化變電站的建立，實現(xiàn)了對過去二次裝置分散功能的合理集成，不僅對整個系統(tǒng)結構實現(xiàn)了簡化，大大提高了設備的高效性能，同時也對數(shù)字化測量技術與智能開關集成技術的應用與開發(fā)做出了重要貢獻。使得當下的數(shù)據(jù)信息可以通過集中采集與一齊傳送的方式，實現(xiàn)信息的共享。

（5）模式規(guī)范化。數(shù)字化變電站中規(guī)范化模式的建設，為信息資源之間的交換奠定了基礎。主要表現(xiàn)在兩個方面：一，標準化的模式為操作智能設備提供了行之有效的方法，也使得通信接口與通信協(xié)議保持了高度一致。而且這種簡單的操作方式也為簡化系統(tǒng)工程的實施、系統(tǒng)維護等其他相關工作提供便利。其二，對系統(tǒng)內(nèi)部的配置、維護工程的實施以及網(wǎng)絡連接任務的完成，都可以利用XML變電站的配置語言展開描述、儲存、配置、管理。

（6）方式智能化。發(fā)展數(shù)字化變電站其中最為顯著的特征之一，就是在變電站使用過程中，會經(jīng)常利用電子、微機、電力相關技術與新式傳感器，建立起適合系統(tǒng)需要的高壓斷路二次系統(tǒng)。而此種系統(tǒng)又主要具備三項特點，其一是控制開關的相關專用信息一般有設備內(nèi)部的微機直接進行處理，而非依靠變電站控制，實現(xiàn)了獨立執(zhí)行的功能。其二是由電力電子、微機元件構成的執(zhí)行系統(tǒng)能夠對繼電器與控制開關起到輔助的效用，進而替代了常規(guī)性的機械結構，使得整個執(zhí)行過程更為快捷。其三，自我檢測與監(jiān)視開關的一次、二次系統(tǒng)，也能夠在存在漏洞、隱患轉變?yōu)楣收锨鞍l(fā)出警報，對所出現(xiàn)的問題起到及時地預警、解決作用。通過一些智能軟件的使用，也使得控制、保護等任務能夠通過網(wǎng)絡光釬的傳輸實現(xiàn)，而非在變電站中的二次回路完成。

1.2 關于數(shù)字化變電站的研究現(xiàn)狀

在目前關于數(shù)字化變電站的研究進程中，國外一些公司與科研機構已經(jīng)在這方面經(jīng)過了長期的專研、探索、開發(fā)、實踐，業(yè)已形成較為先進的運用技術，使變電站數(shù)字化獲得了最為重要的技術支撐?？偨Y來說，要建立數(shù)字化變電站主要可以通過三種方式來得到實現(xiàn)：第一是只采用IEC61850一項協(xié)議的過渡性變電站。第二是采用IEC61850協(xié)議、智能型一次設備與數(shù)字互感器等建立完全型的數(shù)字化變電站。第三是運用IEC61850與數(shù)字互感器，完成數(shù)字化變電站建設。從上述情況看，按照此類協(xié)議標準建立起的數(shù)字化變電站是一項十分龐大、繁雜的系統(tǒng)工程，依靠現(xiàn)今的技術水平，要實現(xiàn)完全的數(shù)字化還存在一定的困難。

另外，從積極方面來說，微電子、電流傳感、智能斷路與網(wǎng)絡通信等技術的不斷成熟，以及標準通信體系的出臺，使得數(shù)值化變電站的運用發(fā)展獲得了較大程度的提高。目前，我國的生產(chǎn)廠商也都致力于推進數(shù)值化變電站工作向前邁進，例如，通過光感互動器、智能接口、合并器、網(wǎng)絡方式和間隔層設備的使用，以滿足數(shù)值化變電站的運行需求，智能化的一次設備也作為數(shù)字變電站的基礎。目前我國也展開了對高壓的智能斷路的研究工作，不僅包含了譬如電抗器、變壓器、電容器的相關內(nèi)容，同時也為滿足狀態(tài)監(jiān)測與自動化的適應合閘功能的實現(xiàn)奠定基礎。

2 數(shù)字化變電站設備應用的技術功能

數(shù)字化變電站吸收了分布式結構理念，同時隨著各項智能技術的發(fā)展，也共同形成了數(shù)字化變電站建設的關鍵技術。這些內(nèi)容概括來說主要包括以下幾方面內(nèi)容：

（1）數(shù)字化光測量技術。要實現(xiàn)數(shù)字化變電站的穩(wěn)定運行，建立新型的傳感器項目則變得十分重要。國際上將與傳統(tǒng)電磁電流、電壓互感等新型互感設備統(tǒng)稱為“非常規(guī)互感器”（簡稱NCIT），目前這種NCIT的主要包含的技術原理主要有光電式的互感器（OVT/OCT）與電子式的互感器（EVT/ECT）。其中數(shù)字化光電電氣的測量主要以光電式或電流變換的方式構成，并且由光纜連接。

（2）開關設備的相關技術。在數(shù)字化變電站中，主要對開光設備進行了智能化和集成化的改進，而這其中的改變主要包括下三個方面：其一是集成了高壓設備開關，由于數(shù)字化變電站要對一次、二次設備的作出集成，而量測系統(tǒng)又為結構的集成緊湊創(chuàng)造了可能，因而也滿足了智能設備開關的整個系統(tǒng)，包括避雷器內(nèi)部的絕緣子內(nèi)集成、智能化斷路器集成以及斷路與量測感應集成等要求。其二是也實現(xiàn)了高壓組合器的集成。

（3）網(wǎng)絡通信的相關技術。網(wǎng)絡通信的相關技術也是數(shù)字化變電站的關鍵性技術之一，對變電站的運行效果起到十分重要的作用。而產(chǎn)生影響網(wǎng)絡通信的主要技術因素，主要包括交換式的以太網(wǎng)技術、虛擬的局域網(wǎng)技術、IEEE協(xié)議等內(nèi)容。其中IEC61850標準內(nèi)對抽象通信的服務接口（簡稱ACSI）進行引入，使得數(shù)字化變電站的自動化性能也能夠與網(wǎng)絡協(xié)議相獨立，以便于最新的網(wǎng)絡技術可以及時的運用到變電站應用中。此外，抽象通信的服務接口（ACSI）也對物理IED予以隱藏，使得數(shù)字化變電站的功能能夠被靈活、準確地被分配到IED之中。而那些不對IEC61850產(chǎn)生支持的IED，則可以開發(fā)相關的抽象通信的服務接口網(wǎng)關裝置，以此對設備進行接入。

（4）單元合并的技術。單元合并指的是對二次轉換的電流與電壓數(shù)據(jù)進行合成。例如將超過7只的電流互感器與超出5只以上的電壓互感器互相合并為統(tǒng)一的單元組，再將輸出的瞬時信號及時填入進數(shù)據(jù)幀中，以此保障數(shù)字信號能夠體現(xiàn)其優(yōu)越性能。通過合并單元能夠使接受到的信號轉換成標準輸出，而同步接受的信號也能為二次設備所需的時間一致一組電流、電壓值提供幫助。

（5）信息同步的相關技術。二次設備的采樣數(shù)據(jù)通常是在同一個時間節(jié)點上獲得的，通過這種采集數(shù)據(jù)的同步實現(xiàn)，也避免了相位與幅值出現(xiàn)誤差。數(shù)字化變電站中的GPS接受器可以布設在通信設備內(nèi)，變電站也可以采用網(wǎng)絡時間協(xié)議以此滿足不同設備之間的同步采樣，進而對世界統(tǒng)一時間作為同步源，并將同步誤差控制在1ms以內(nèi)，該過程應該以IEEE1588作為標準。此種標準包括了許多節(jié)點，并且每一個節(jié)點都代表了一個時鐘，這些時鐘之間主要是通過網(wǎng)絡連接，遵守IEEE1588能確保網(wǎng)絡同步的高度性與精確性，實現(xiàn)通信與執(zhí)行應用程序的時間模式相互分離。

3 數(shù)字化變電站的運用與發(fā)展趨勢

3.1 數(shù)字化變電站的應用

在對數(shù)字化變電站的技術功能與運用現(xiàn)狀進行分析的基礎上，也要對其運用的具體特征方法加以探究。數(shù)字化變電站在運用過程中存在許多特點，主要概括起來包括以下幾方面內(nèi)容：

（1）一次設備的數(shù)字化特點更為突出。與傳統(tǒng)的變電站相比，數(shù)字化的變電站更具有智能化、科技化的特性，其設備不僅加大了信息化內(nèi)容，還可以對更多的狀態(tài)信息進行監(jiān)測，同時也可以利用網(wǎng)絡獲取自身系統(tǒng)與其他設備的運行狀態(tài)信息。其自動化程度較之以前也獲得了大幅提高，并且具有了自動化設備種類更多、自動化功能更為復雜、互動能力與協(xié)同操作能力更強等特點。（2）在采集數(shù)據(jù)時能夠實現(xiàn)全景化工作。如上所述，數(shù)字化變電站能夠利用對時系統(tǒng)，完成區(qū)域與站內(nèi)的時間同步，對站內(nèi)設備的動態(tài)、靜態(tài)信息模型進行完善，并能夠向電網(wǎng)提供出相關全景數(shù)據(jù)。（3）管理控制的協(xié)同化操作。數(shù)字化變電站技術本身是一個相對復雜的技術體系。而要讓這個體系良好的運作起來，則需要將電力技術同通信技術、計算機技術、電子技術、數(shù)字化光測量技術、智能開關集成技術與其他眾多技術協(xié)同利用起來。

3.2 數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢

數(shù)字化變電站技術的發(fā)展不是一蹴而就的，而是需要一個長期的過程，不僅需要各項技術的日漸成熟，同時也要使之與工程應用能夠進行完美結合。另外在這個發(fā)展過程中，需要讓常規(guī)變電站的相關技術實現(xiàn)兼容，這也意味著研發(fā)人員在探究數(shù)字化變電站的技術層面時，需要從現(xiàn)有的變電站為立足點，并以自動化技術作為基礎，以此實現(xiàn)變電站應用中的穩(wěn)定性發(fā)展與突破性成就，也使得數(shù)字化新技術能夠與電網(wǎng)發(fā)展進行緊密的結合。

目前國內(nèi)外對于數(shù)字化變電站的主流研究較多的集中在對于智能開關的技術研究上，擁有領先水平的GE、AREVA、ABB等公司在對其進行認真的研究后，已經(jīng)探索出一些具有試驗性的成果，現(xiàn)正處于試運行階段，我國雖然也有一些公司對智能開關的技術進行深度分析，但目前仍舊處在理論探究與實驗開發(fā)的初級階段。

此外，國內(nèi)公司對于數(shù)字化變電站的研究開發(fā)，主要集中在IEC61850標準的技術探索中。但從長期的發(fā)展來看，要建立智能化的集成開關、光電式的互感器、智能型的變壓器等一次設備，并且實現(xiàn)數(shù)字化設備間與站內(nèi)各層之間無縫通信的目的，也要同時滿足了信息資源共享與系統(tǒng)集成的要求，未來變電站的發(fā)展趨勢也必須有著信息高度集成、模型規(guī)范標準、布局結構緊湊、操作方法智能、通信方式快捷等特點。因而這些“數(shù)字化”內(nèi)容也成為廣大研究人員共同追尋的方向。

4 結語

在對變電站進行改造的過程中，仍舊存在一系列問題，在數(shù)字化設備的研制工作中也出現(xiàn)了許多技術難點。由此，更加需要研發(fā)人員加強實踐鉆研與經(jīng)驗總結，力求通過不懈努力，對技術難關予以攻破，并制造出功能更強、效率更高、性質更優(yōu)的技術設備，以此實現(xiàn)變電站數(shù)字化的建設，推動我國電力行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。

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