數字化變電站的建設

周嫣蕾，傅笑梅

國網鎮江供電公司，江蘇 鎮江 212000

0 引言

數字化變電站中的相關電氣設備（包括一次電氣設備、二次電氣設備）都實現了數字化通信，并以此為基礎實現了內部智能裝置的互操作。近年來，計算機網絡技術在變電站領域得到了廣泛應用，數字化變電站的建設與發展取得了一定的成績，且其建設思路也獲得了較高的認可度，ABB、西門子等知名電氣公司陸續開展數字變電站技術的試驗分析。如果一次電氣設備投運過程中實現了數字化通信，變電站中將會安裝更多的智能設備，傳統的點對點通信形式不能滿足站內的通信需求，網絡化的通信形式將是唯一的解決方案。智能裝置采用統一的、標準化的數據模型與通信平臺，配合既有的數字變電站技術及IEC 61850標準，可以實現網絡化通信。

1 數字化變電站概述

電壓轉換、電力流向調控、電壓調節、電能配置等均是電力系統運作中需要執行的任務，變電站參與其中并發揮重要作用。變電站關系著電網運行的安全性、可靠度及經濟性。數字化變電站具備一次設備智能化與二次設備網絡化的雙重屬性，應用于基于IEC 61850標準等技術規范建設的變電站項目中。其中，智能電氣設備的主要功能是實現一體化信息共享與互操作。

數字化變電站的優勢主要表現為如下幾點：能高效采集信號，電力設備利用效率高，互操作性強及調試操作簡單。和傳統變電站相比，數字化變電站設備實際使用效率明顯提升，故障檢修次數較少且耗時更短暫；增強了不同電力設備之間的互操作性，縮短了設備的投運時間，提升了實際工作效率；提升了信息資源共享化水平，有益于壓縮變電站早期建設及運行維護成本，實現真正意義上的電力設備操控智能化、通信過程網絡化及運維管理自動化。

2 傳統變電站的局限性

大部分傳統變電站內配置的是常規電力設備，尤其是繼電保護、自動化設施基本上運用的是電磁型設備，結構復雜，運行可靠度不足，并且自我檢測、診斷能力整體偏低。傳統變電站主要依賴人工或記錄儀器記錄大量的歷史運行數據、檢修操作（異常事件）數據等。基于電線電纜執行模擬量、開關量及動作邏輯信號的傳輸任務，不同保護裝置之間的硬接線繁多，特別是二次回路接線更是錯綜復雜、可靠性差；記錄的有關運行歷史信息無法滿足調度中心的工作需求，實際運行管理水平及自動化程度偏低，設備運維工作量大，成本高。

3 數字化變電站的功能分層

3.1 過程層

過程層為一次電氣設備和二次智能裝置之間的接口設施，即設備的數字化接口，該層的功能如下[1]。（1）實時檢測電流、電壓及諧波分量。運用間隔層的設備檢測得到的數據，能運算得到有功、無功、頻率等電氣量值。與常規方式比較，數字化變電站過程層采用電流互感器（TA）、電壓互感器（TV）代替常規電磁式互感器，基于數字化形式傳送采集值模擬量。（2）在線檢測與統計運行設備的狀態參數。變壓器、母線、電抗器等是需要檢測運行狀態參數的設備，在線檢測指標以溫度、壓力、密度、機械特性等為主。（3）執行和驅動操控過程。管理對象以變壓器設備的分接接頭與電容器或電抗器的投切動作、控制開關分合閘及電源充放電等為主。過程層執行控制命令時體現出智能化特性，可以精準識別命令真假及合理程度，也能準確調控即將發出的動作，把操作時間控制在設計范圍內。

3.2 間隔層

為了全面提升間隔層內設備的運行效率與安全性，推薦在該層設置一個面向過程層的接口，前期試驗表明這類接口不會干擾間隔層的功能發揮[2]。間隔層的功能如下：（1）匯聚間隔層各過程層實時采集到的數據；（2）針對一次設備，采用統一的維護、調控、測量等措施；（3）運行間隔層中的操作閉鎖及各間隔之間的聯合式閉鎖程序；（4）精準操控同期及其他控制單元；（5）管理信息收集、統計測算及調控指令發出的優先級；（6）承接上下的通信，可以快速與過程層、變電站層進行通信。

3.3 變電站層

變電站層的功能如下：（1）在兩級高速網絡的支撐下，聚集變電站運行期間實時采集的所有數據，確保數據庫內信息處于持續更新的狀態，嚴格依照設計周期登錄歷史數據庫；（2）基于現行協議要求，把部分數據輸送至調度或控制中心；（3）快速接收來自調度或控制中心的調控命令，并把其轉送到間隔層、過程層；（4）可線上編程的閉鎖式調控功能；（5）當地監控本地、人機互聯互動，如展現、操控、印刷、預警信息，呈現聲像等多媒體；（6）在線維護間隔層和過程層設備，修正部分運行參數；（7）全站故障智能分析與操作技術培訓[3]。

4 數字化變電站的建設標準和主要裝置

4.1 IEC 61850標準

IEC 61850標準是電力行業自動化領域唯一的全球通用型標準，其是智能變電站的工程設計、運轉標準化的基礎，可以提升工程實施過程的規范性、統一性與透明度[4]。在電力工程實施期間，不同系統集成商構建的智能變電站項目都能應用SCD（系統配置）文件來了解變電站整體的結構與部署特征，對智能變電站的持久發展起到推動作用，同時輔助提高變電站技術的應用水平。

文章提及的智能設備包括任何具備通信功能的一次電氣設備、二次電氣設備。縱觀當前技術發展情況，一次電氣設備內僅有電子式互感器具有局部支持IEC 61850的功能，這也是近些年中IEC 61850標準主要被用在二次電氣設備領域的主要原因。

廣義層面上的二次電氣設備包括的類型較多，如繼電保護、測控、計量、故障錄波裝置等，當前尚無計量、故障錄波裝置可以支持IEC 61850標準的相關報道。ABB、西門子、GE等電氣機械企業陸續對外推出了具有IEC 61850功能的繼電保護與測控裝置。

4.2 主要裝置

4.2.1 智能斷路器

智能斷路器可以看成是微電子、微機科技與新式傳感器構成的斷路器二次操作系統，數字化控制裝置是智能斷路器執行單元的主體構成。智能斷路器無須配置傳統斷路器的輔助開關節點與繼電器設施，在傳感器和數字化控制裝置的協助下能夠實時收集設備的運行參數信息、監測器故障及缺陷，參照故障電流的檢出情況，提前運用防控措施。智能斷路器以常規斷路器為基礎增配了智能控制單元，數據采集、智能辨識與調節裝置是該單元的主要構成模塊。

未來幾年，可以預見智能斷路器的技術發展方向如下：

（1）新型傳感器更加小型化，動作更加敏捷；

（2）總線技術被用到智能斷路器領域，基于串行模式的現場設備與主控制器進行雙向通信，顯著增加信息的傳輸量，提升傳輸精準度。

4.2.2 組合式開關

氣體絕緣金屬封閉式開關是在一個充有SF6氣體的罐中合并了互感器、避雷器、隔離及接地開關、斷路器的結構緊湊的開關設備。ABB公司推出的插接式開關（PASS）是代表性極強的湊型組合式開關，這種開關最大的特點是減少了氣罐的投用數目，縮短了實際密封長度，壓縮了設備自身體積，明顯節約變電站項目的占地面積，精簡了設備運輸及組裝過程，降低了運行維護費用，提升了變電站的建設速度，引領著其數字化發展進程。

4.2.3 電子式互感器

電子式互感器的經典結構如圖1所示。電子式互感器中，電流互感器（TA）的工作原理主要是法拉第磁光效應，其組成包括羅氏線圈、低功率電流互感器等；電壓互感器（TV）分為電壓互感器OVT、電容及電阻分壓傳感器等。

圖1 電子式互感器的經典結構

（1）采集器單元。不同類型的傳感器的運作原理有一定差別，要為其配置不同的采集器單元[5]。例如，對于無源型傳感器，電壓、電流傳感器是唯一的采集器單元；如果是有源型互感器，除了電壓、電流傳感器，還要安裝帶有信號搜集、光電轉換功能的電子線纜，且要額外為這些線纜提供電源。現階段，通常運用如下幾種形式供電：①懸浮電源，直接選擇高壓母線作為電源來源，通過調整磁通量或輸入電流輸出穩定電壓；②太陽能供電，采用太陽能—電能轉換器與鋰電池構成的電源，這種電源提供的功率偏低，氣候等環境因素易影響其供電效率；③激光供電，相比之下，激光供電的成熟度較高，但使用成本也較高，當前大部分有源型互感器均運用這種供電形式。

（2）合并單元。電子式互感器的合并單元能成功聚集12路采樣數據，不同通道為不同采樣測量值服務。合并單元具備很多功能，包括采集處置、同步化、串口發送多路數據信息等。互感器能以合并單元作為媒介直接為二次電氣設備提供信息，使變電站二次接線形式更加精簡化。羅氏線圈、阻容分壓等均是互感器傳感模塊模型，鑒于電磁式傳感模塊具備長期穩定運行狀態的特性，可以在該模塊內利用電磁原理，運用合并單元采集模塊信號，運用光纖將信號傳送到變電站控制平臺上。

不同類型互感器的合并單元結構可能存在差異，但是其實現的主要功能大體一致：①完整接收并處置數個采集器傳輸的信息；②接收站端同步信號，并將其反饋到各采集器，同步各路A/D采樣過程；③把激光電源提供給有源型互感器，實時監測采集器的電源運作狀態；④合并處置采集器的數據后，以網絡通信的形式將其提供給繼電保護及相關監控設備。

5 建設案例

鎮江電力設計院參照IEC 61850標準設計建設的單個220 kV變電站二次系統如圖2所示，站中多數保護、測控、變電站層設備均依照IEC 61850標準建模及通信，選用光纖以太環網作為物理通信介質[6]。直流屏等不支持IEC 61850標準的設備統一運用了串行通信形式被接進主控單元，因為IEC 61850至今尚未提供遠方調度中心的標準，故而遠距離傳輸時依然沿用IEC 60870-5-101規約的要求。

圖2 基于IEC 61850標準的變電站二次系統設計

該建設方案的最大特點是完整地闡述了各類型接口的特點，可以實現變電站內的變電站層及間隔層的功能。

6 結束語

雖然近些年國內外陸續開始將數字化變電站項目投入運行，但是這些實體工程僅有數字化變電站的局部特征。

為了充分發揮數字變電站在實際工程中的作用，要積極運用電子式互感器，基于IEC 61850標準完成二次設備建模及通信，打造有機系統，全面提升變電站運行的可靠性，創造更理想的經濟效益。