数字化变电站及其关键技术概述

蔡志江　胡亚平

（乌鲁木齐电业局光源电力有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830011）

【摘　要】数字化变电站是实现智能电网的重要环节。本文简述了数字化变电站的概念、特点、关键技术及其建设方法等问题。通过分析可以认为，数字化变电站必然成为未来变电站的发展趋势。

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关键词 数字化变电站；数字化技术；电子式互感器；IEC61850

０　引言

数字化变电站是由智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等）和网络化二次设备分层（过程层、间隔层、站控层）构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站[1]。与常规变电站相比，数字化变电站间隔层和站控层的设备及网络接口只是接口和通信模型发生了变化，而过程层却发生了较大的改变，由传统的电流、电压互感器、一次设备以及一次设备与二次设备之间的电缆连接，逐步改变为电子式互感器、智能化一次设备、合并单元、光纤连接等内容。作为一门新兴技术，数字化变电站从提出开始就受到了极大的关注，目前已成为我国电力系统研究的热点之一。随着相关软硬件技术的不断发展和成熟，数字化变电站将成为变电站技术的发展方向。

1　数字化变电站的关键设备

1.1　智能化的一次设备

一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替[2]。一次设备例如电子式互感器，电子式互感器(ECT、EVT)分为两大类:有源电子式互感器和无源电子式互感器。有源电子式互感器利用Rogowski空芯线圈或低功率铁心线圈感应被测电流,利用电容(电阻、电感)分压器感应被测电压。远端模块将模拟信号转换为数字信号后经通信光纤传送。无源电子式互感器利用Faraday磁光效应感应被测电流信号,利用Pockels电光效应感应被测电压信号,通过光纤传输传感信号。

1.2　网络化的二次设备

变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源其享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。将IEC61850应用于变电站内的通信,以充分利用网络通信的最新技术,实现二次设备的信息共享、互操作和功能的灵活配置。数字化变电站采用低功率、数字化的新型互感器代替常规互感器，将高电压、大电流直接变为数字信号[3]。常规站与数字站结构区别如图1所示。

1.3　自动化的运行管理系统

变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。

2　数字化变电站通信规约关键技术

数字化变电站是建立于IEC61 850通信规范基础上，由电子式互感器(ECT、EVT)、智能化开关等智能化一次设备、网络化二次设备按变电站层、间隔层、过程层分层构建而成,能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。它的关键技术主要包括以下几个方面：

（１）功能建模。从变电站自动化通信系统的通信性能(PICOM)要求出发,定义了变电站自动化系统的功能模型(Part5)。

（2）数据建模。采用面向对象的方法,定义了基于客户机/服务器结构的数据模型(PartT-3/4)。

（3）通信协议。定义了数据访问机制(通信服务)和向通信协议栈的映射,如在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到MMS(IEC61850-8-I),在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络。(IEC61850-9-1)或映射成基于IEEE802,3标准的过程总线(IEC61850-9-2)(Part 7-2,Part8/9)。

（4）变电站自动化系统工程和一致性测试。定义了基于XML(Extensible Make up Language)的结构化语言(Part6),描述变电站和自动化系统的拓扑以及IED结构化数据。为了验证互操作性,Part10描述了IEC 61850标准一致性测试。

（5）IEC 61850 标准中引入了抽象通信服务接口(abstract communication service interface， ACSI)。ACSI使变电站自动化功能完全独立于具体的网络协议，因此最新网络技术可以很快被应用于变电站中[4]。

3　数字化变电站建设

数字化变电站和传统变电站相比实现了信息采集、传送、处理、输出由模拟量到数字量的转变，并形成了相应的通信网络和控制处理系统，实现了信息的共享和互操作。从技术规律和电网特性角度看，数字化变电站推广建设是智能电网形成的基础环节，是智能电网实现数字化，信息化，自动化的技术和实践经验来源。数字化变电站的基本结构继承了分层分布式的特点，如图 2所示。

其功能在逻辑上被分配到 3个不同的层(即过程层、间隔层和变电站层)中。过程层是一次设备和二次设备的结合处，其主要功能是:进行电气量的检测、运行设备的状态参数在线检测与统计、操作控制的执行等任务。间隔层的主要功能是进行本间隔过程层实时数据信息的汇总，并对一次设备实施保护控制功能，具有承上启下的作用。变电站层主要任务是汇总全站的实时数据信息，将有关数据信息送往调度或控制中心并接受调度或控制中心有关控制命令，转发间隔层、过程层执行等功能。相对于常规变电站，数字化变电站具有很多先进技术和功能特点。

3.1　基于数字和光纤的信号采集系统

电子式互感器(ECT、EVT)和光电互感器的应用使得数字化变电站实现了站内信息的数字化采集和光纤传递，大大简化了二次回路，解决了电缆老化问题，减少了运行人员的误操作，系统可靠性得到提高。智能电网的数字化程度要求更高，将有各种先进的智能传感器要运用到一次设备中去，包括发、输、变、配、用户等个个环节，用以监控电网设备健康状态和全网电气信息，形成庞大的智能监控系统。数字化变电站的硬件设施和建设过程中的相关经验，在智能电网建设中有重要的作用和价值。

3.2　信息交互网络化

数字化变电站内设备之间通过高速以太网进行信息交换，二次设备不再出现功能重复的I/O接口，常规的功能装置变成了逻辑功能模块，变电站内实现了真正的数据集资源共享。和智能电网高速、动态互动、实时信息共享的超级网络构架的目标方向一致。

3.3　全站统一的标准平台

IEC61850确立了电力系统建模标准，为变电站定义了标准的信息模型和信息交换模型。采用对象建模、抽象通信服务接口（ACSI）、以及设备自我描述规范，解决了不同厂商产品互操作问题，形成了全站设备功能和信息共享的统一标准平台。

3.4　信息同步与安全性

数字化变电站与传统变电站相比，一次设备及一次设备与二次设备之间连接，由电缆被电子式互感器、智能化一次设备、合并单元、光纤所代替，这为采样数据的共享提供了条件，同时也带来了电子式互感器间采样同步问题。IEC 61850采用SNTP(sim plenetwork time protoco1)实现不同设备间的同步采样，以UTC(universal time coordinated)作为时钟同步源[5]。IEEE1588[协议为消除或削弱网络测控系统各个测控设备的时钟误差和测控数据在网络中的传输延迟提供了有效路径，只要按照这个规范去设计网络化测控系统，则系统的测控精度可控制在亚微妙级，从而可以有效解决分层分布式测控系统的实时性问题IEC 61850 采用 SNTP( simple network time protoco1) 实现不同设备问的同步采样， 以UTC( universal time coordinated) 作为时钟同步源。IEC61850协议的开放性和标准性带来了电力系统运行的安全性问题，IEC在制订了IEC61850之后，开展了安全标准IEC62351的编制，其中IEC62351-6定义了IEC61850的安全性[6]。

3.5　智能化一次设备不断成熟

以往制约数字变电站发展的主要是因为IEC61850技术不成熟，2005年的IEC61850互操作实验[3]极大推动了IEC61850在数字化变电站中的研究应用，目前变电站层与间隔层技术已经成熟，间隔层与过程层技术也在不断成熟。国内的智能化一次设备质量提升的飞快，从已经运行变电站的反馈情况来看，智能化一次设备已经从初期的不稳定到了现在基本能满足现场应用的水平，这为智能电网建设打下了基础。数字化变电站系统结构如图3所示。

4　结论

由于其具有信息充分共享、通信系统能可靠实时的交换所有设备的完整信息、降低变电站整个生命周期的费用等优点。数字化变电站必然会成为未来变电站发展的趋势。建设以光电式互感器、智能化集成开关、智能变压器等数字化一次设备和其他智能电子设备为基础的新型变电站自动化系统。实现数字化变电站站内各层间的无缝通信。最大限度地满足信息共享和系统集成的要求。则是数字化变电站技术的发展方向。可以预期。一个系统分布化、结构紧凑化、模型标准化、通信网络化、信息集成化、检修状态化、操作智能化的完全数字化变电站将作为未来“ 数字化电网”的功能和信息节点展示在人们面前。

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参考文献

［１］朱永利,邸剑,翟学明．数字化变电站中的通信网关[J]．电力系统自动化,2009(4):53-57．

［２］张兴,郭燕娜．浅谈数字化变电站的技术与发展[J]．江苏电机工程,2007,26(6):41-43．

［３］高翔,张沛超．数字化变电站的主要特征和关键技术[J]．电网技术,2006,23(2):21-24．

［４］丁书文,史志鸿．数字化变电站的几个关键技术问题[J]．继电器,2008(10):53-56．

［５］马临超,倪艳荣,齐山成．数字化变电站浅析[J]．河南机电高等专科学校学报,2009(3):6-8．

［６］张沛超,高翔．数字化变电站系统结构[J]．电网技术,2006(12):74-77．

［责任编辑：汤静］