数字化变电站的应用研究

　　【摘要】在建设坚强智能电网的大背景下，数字化变电站建设引起了研究人员的广泛关注。本文对数字化变电站的基本结构、关键技术和调试工作进行了综述。首先给出数字化变电站的定义，介绍了数字化变电站的四个基本特征。然后，根据IEC61850标准规范，从物理和逻辑两个角度入手，对数字化变电站的基本结构进行详细阐述。给出了数字化变电站建设中涉及的关键技术，并在传统变电站调试规范的基础上，介绍了数字化变电站的试验和调试工作，最后指出今后数字化变电站的发展方向。
　　【关键词】数字化变电站；IEC61850标准；非常规互感器；调试技术
　　1引言
　　随着国民经济的不断发展，用户对电力的需求量日益增加，对电能质量的要求也越来越高。如何保证供电质量，以及电力系统的安全性、可靠性和经济性，已成为电力部门关注的主要问题。变电站作为电力系统的重要环节，承担着电能转换、分配、控制和管理的任务。近年来，计算机、信息和网络技术的迅速发展，使得变电站自动化应用技术水平不断提高，加上智能设备等技术的日趋成熟，促使以数字化技术为中心的数字化变电站建设成为可能。
　　数字化变电站是指以变电站内一次、二次设备为数字化对象，以高速网络通信平台为基础，通过对数字化信息进行标准化，实现变电站内信息共享和互操作，且满足安全稳定、经济可靠运行要求的现代化变电站[1]。与传统变电站相比，数字化变电站具有如下特点[2-3]：1）智能化的一次设备；2）网络化的二次设备；3）自动化的运行管理系统；4）基于IEC61850的标准化网络通信平台。自2005年以来，国内已相继投运了多座数字化变电站，电压等级涉及110kV到500kV。四川也在2008年启动了110kV南塔变电站数字化改造工程，并于2009年2月28号正式投入运行。未来，在建设坚强智能电网的大背景下，数字化变电站建设必将成为今后变电站建设的重点[4-6]。
　　2数字化变电站的基本结构
　　从物理结构上讲，数字化变电站可分为一次设备和二次设备两类；从逻辑结构上讲，根据IEC61850标准中通信协议规定，数字化变电站又可以分为“过程层”、“间隔层”和“变电站层”三个层次[7-8]。
　　2.1物理结构
　　2.1.1一次设备
　　与传统变电站相比，数字化变电站的一次设备更加智能化。采用微处理器和光电技术设计简化了信号检测与操作驱动回路，并对采集的信号数字化处理，采用光纤进行传输，保证了数字信号传输在电磁环境下的抗干扰水平。同时，一次设备实现了故障的自动检测和诊断，减少了停电检修的几率，提高了电网运行的可靠性。
　　智能化的一次设备主要包括：电子式电压和电流互感器、智能化断路器和变压器，以及其它电气辅助设备。
　　2.1.2二次设备
　　变电站内的二次设备采用标准化和模块化的微处理器设计，并利用高速网络通信进行各种模拟量、开关量和控制信息的交换，这样就可通过网络实现数据和资源的共享。
　　网络化的二次设备包括：继电保护、防误闭锁、测量控制、远动、故障录波、电压无功控制、在线状态检测装置，等。
　　2.1.3运行管理系统
　　数字化变电站中运行管理系统应充分利用数字化网络提供的设备运行状态信息，及时发现电气设备的隐患，并对设备运行状态进行综合分析，以及自动智能的判断。变电站运行管理系统应包括电力系统运行数据自动记录和保存；数据信息分层、分流交换自动化；当变电站发生故障时，能及时提供故障分析报告、确定故障原因及处理措施；能自动给出变电站设备检修报告，将变电站设备“计划检修”变更为“状态检修”。
　　2.2逻辑结构
　　2.2.1过程层
　　数字化变电站中过程层是变电站内一次设备与二次设备的智能化部分，由典型的远方I/O、智能传感器和执行器等装置构成，主要实施电气量参数检测、设备运行状态在线监测、操作控制的执行与驱动等功能。其中，电气量参数检测功能模块主要对由光电电压、电流互感器采集到的电压、电流、相位及谐波分量进行检测，其它电气量可通过间隔层的设备计算得到。同时，用数字信号代替模拟信号，能有效避免外界噪声环境的干扰。设备运行状态在线监测功能模块对变电站内的变压器、断路器、刀闸、母线等设备的温度、压力、绝缘、机械特性等运行状态进行在线监测。操作控制的执行和驱动功能模块主要指在接收到上层的控制指令后，对变电站内的变压器分接头、电容和电抗器投切、断路器和刀闸分合等操作进行控制。在执行控制指令时，具有判别指令真伪及合理性的能力，还能对动作精度进行智能控制。
　　2.2.2间隔层
　　数字化变电站中间隔层设备主要由按间隔对象配置的数字式保护测控、低压保护、计量以及其它智能设备规约转换设备组成。间隔层设备的主要功能为汇总本间隔过程层实时数据信息；实施对一次设备保护控制及本间隔层操作的闭锁功能；实施操作同期及优先级控制；实施与上下层的通信功能。
　　2.2.3变电站层
　　数字化变电站中变电站层由后台监控和远动系统组成，可实现变电站与控制系统无缝通信，以及变电站各功能模块的协调运行。变电站层的主要任务为汇总并保存变电站内设备的实时信息；基于IEC61850标准的规定将数字信息传送至调控中心；接收调控中心发送的控制指令转移到下层执行；具有变电站操作闭锁控制、变电站故障自动分析等功能。
　　3数字化变电站关键技术
　　3.1IEC61850标准
　　IEC61850标准作为唯一的变电站网络通信国际标准，于2004年由国际电工委员会IEC正式发布。IEC61850标准采用了目前计算机、通信、网络等众多相关领域中许多先进、成熟、可靠的技术，包括面向对象的变电站自动化系统通信模型、基于XMLI.0的变电站配置语言SCL、抽象通信服务接口ACSI、特殊通信服务映射SCSM等，保证了电力系统对于实时性、可靠性和稳定性的要求。
　　与现有其它变电站通信规约比较，IEC61850标准采用面向对象建模思想，明确了一致性测试标准，将变电站自动化系统与通信技术有效分离，主要优点如下[9]：为满足信息实时传输的要求，将电子设备与变电站自动化系统进行分层；为满足网络发展的要求，采用抽象通信服务接口和特定的通信服务映射；为满足功能模块扩展性及开放互操作性的要求，采用了面向对象的建模技术。
　　3.2非传统设备的应用
　　3.2.1非常规互感器
　　互感器为电力系统计量和继电保护装置提供了电压和电流信号，其测量精度及运行的可靠性与电力系统安全稳定运行密切相关。传统电磁式电压和电流互感器已逐渐暴露出了诸多缺点：产品造价高，质量重；固有的磁饱和现象严重影响了继电保护装置动作的准确性；输出模拟量信息，容易受外界环境干扰。
　　一些非常规互感器，包括基于光学传感技术的光电电压和电流互感器，以及基于空芯或低功耗铁芯线圈感应电流的电子式互感器，能有效克服传统电磁式互感器的缺点，受到了国内外研究人员的广泛关注，目前已逐步从试验阶段走向了工程应用，成为数字化变电站建设的主要推动力，必将为变电站自动化技术的发展起到积极的作用。
　　与传统电磁感应式互感器相比，非常规互感器的主要优点为绝缘性能高，高压侧与低压侧完全隔离；不含铁芯，彻底消除了磁饱和谐振问题；抗电磁干扰能力强；测量精度高；体积小、质量轻。
　　3.2.2智能断路器
　　智能断路器定义为一类配置有电子设备、传感器和执行器，且具有开关设备基本功能，以及其它附加功能（如：监测、诊断功能）的开关设备和控制设备。与传统断路器相比，智能断路器将微电子、计算机技术和新型传感器结合起来，通过建立新的断路器二次系统使其具有智能化的操作能力。
　　数字化变电站技术的发展对智能断路器提出了新的要求，在IEC61850标准下，智能断路器必须具备过程层通信接口，能够接收和发送符合IEC61850标准的通信报文。此外，除完成断路器的基本操作功能外，还能对断路器的运行状态进行有效监视。智能断路器在传统断路器的基础上引入智能控制单元，它由数据采集、智能识别和调节装置3个基本功能模块构成。其中，数据采集功能模块可将电力系统运行数字信号传输至智能识别功能模块，以便分析处理；智能识别功能模块是整个智能控制单元的核心，能根据接收的数字信号和主控室发送的操作信号，自动识别当前断路器的运行状态，并确定最佳的断路器分合闸信息。然后对调节功能模块发出调节信息，待调节完成后发出分合闸信号。
　　实现断路器的智能操作具有以下的优势：减小断路器分合闸操作下的冲击力和机械磨损，提高断路器的使用寿命和操作可靠性；实现了检测、保护、控制及通信等高压开关设备的智能化功能；实现断路器的定相合闸及选相分闸。
　　3.3设备间的互操作性
　　数字化变电站内设备间的互操作性可在最大范围内促进不同厂家的设备进行集成和扩展，这也是制定IEC61850标准的目的之一。为保证设备间的互操作性，需进行设备的一致性和性能测试，包括间隔层设备之间、间隔层和变电站层设备之间、基于采样值及扩展性互操作测试。
　　3.4数据采集的稳定性
　　数字变电站中光电互感器的可靠性将直接影响到数字化变电站数据采集的有效性和稳定性。数字化变电站通过采用一些光电电压、电流互感器，将一次和二次系统在电气回路中进行有效隔离，二次系统的设备可直接输出低电平的数字信号。光电互感器包含光电传感器和光纤二次通信网络两个部分，由模拟电路和数字回路构成。其中，模拟回路主要包含光源、光电转换和双光路预处理电路；数字回路将模拟信号进行自动采集分析，完成双光路运算并进行数据管理。光电互感器对温度和电磁干扰十分敏感，到目前为止，光电传感器在实际工程应用中基本处于示范性探索阶段，有待解决的关键技术包括光学传感材料、传感头组装、微信号检测、温度和振动对测量精度的影响等[10]。
　　4数字化变电站调试技术
　　变电站调试是变电站安全、可靠、稳定运行的前提。与传统变电站的调试相比，数字化变电站还未形成一套成熟、规范的调试方法。因此，本文在传统变电站调试方法的基础上，从设备和网络两个方面对数字化变电站进行调试，调试对象为数字化变电站相对传统变电站新增的设备和网络。
　　4.1设备调试
　　4.1.1数字式光电互感器
　　数字化变电站中使用的非常规互感器种类繁多，包括电子互感器、光纤互感器、电磁互感器、有源或无源互感器，等。从技术特点来分析，非常规互感器可分为“光学传感+光纤传输”型和“电气传感+光纤传输”型两大类。其中，前者基于Faraday磁光效应或Pockels电光效应进行测量，后者采用Rogowski感应线圈进行测量，光纤起到传递数字信号以及绝缘的作用。根据非常规互感器的工作原理，需进行接地、局部放电、变比和极性、误差测量、低压器件的工频耐压等试验。
　　4.1.2合并单元
　　合并单元伴随着电子式互感器的出现而出现。IEC61850标准中明确规定，合并单元位于过程层中，提供多个电子传感器输入接口和一个串行或以太网输出接口，具体实现对多路电子式电压、电流互感器信号进行同步采集。
　　同时，IEC61850标准将合并单元分成同步、多路数据接收与处理、串口发送三个功能模块。其中，同步功能模块接收变电站内统一的同步信号，并给A/D转换器发送采样同步信号；多路数据接收与处理功能模块将接收的多路信号按IEC61850标准规定进行数据打包；串口发送功能模块对数据包进行编码，并由光纤传送至间隔层设备。合并单元需进行绝缘耐压、光纤以太网端口、母线和线路合并单元拉合直流、线路合并单元电压切换、母线合并单元电压并列的试验和调试工作。
　　4.1.3智能单元
　　对传统变电站进行数字化改造，需在其基础上安装多种智能单元。如：在常规断路器和主变处安装智能单元，完成信号输出和控制输入的光电转换功能；用可编程软件代替常规继电器控制回路；用数字信号代替常规模拟信号传输，等。根据智能单元的功能和作用，需进行外观、通信网络、光纤链路中断反应、智能终端传动等试验和调试工作。
　　4.1.4其它设备
　　除上述设备外，数字化变电站中的保护和测控装置也必须纳入调试的范畴。根据设备工作原理、运行环境以及电力行业对变电站设备规范，数字化变电站还需进行单装置及屏柜、二次回路检验及调试工作，包括对装置的外部结构、继电保护装置的定值整定及各种配置文件、二次回路的接线、光纤端口、光纤性能等试验和调试工作。
　　数字化变电站建立在智能化的一次设备和网络化的二次设备基础上，在IEC61850标准中，数字化变电站等同于一个分层的网络体系，每个变电站设备可看作一个或多个逻辑节点，逻辑节点间由通信网络进行信息交换，并共同完成变电站的基本功能。因此，数字化变电站的各种功能都靠通信网络来完成，通信网络必须具备传输各种节点信息的功能，包括变电站层MMS、过程层GOOSE等。同时，通信网络还应具备快速的实时响应能力、高可靠性、良好的开放性、支持优先级传输以及良好的电磁兼容性能。
　　数字化变电站的网络调试工作包括网络通信设备、通信协议、网络性能等方面。根据国际、国家及电力系统行业标准，需对变电站二次设备的各种配置文件(如：CID、SCD、GOOSE，等)、网络设备性能(如：网络吞吐量、传输延时、交换机丢包率，等)、网络性能(如：GOOSE、MMS网络，等)进行试验和调试。
　　5结论
　　数字化变电站是智能电网运行数据的采集源头和命令执行单元，目前数字化变电站建设已经在全国广泛开展，这将给全国变电站的自动化运行和管理带来深远影响。然而仍存在以下问题有待解决：
　　1）传统变电站数字化改造过程中需解决传统设备与IEC61850数字化设备的接口问题；
　　2）需制定一套全面完整且适合国内变电站环境的变电站网络通信标准；
　　3）各种新型的数字化设备技术的应用。
　　
　　【参考文献】
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　　[10]宋卓．数字化变电站的应用基础及调试技术研究[D]．合肥：合肥工业大学，2009．

《数字化变电站的应用研究》

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文章名称： 数字化变电站的应用研究

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