數字化變電站自動化系統的研究

申狄秋

（中國南方電網超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 54006）

1 數字化變電站的概念

數字化變電站指信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數字化的變電站，基本特征為設備智能化、通信網絡化、運行管理自動化等。數字化變電站有以下主要特點：

一次設備智能化。采用數字輸出的電子式互感器、智能開關（或配智能終端的傳統開關）等智能一次設備。一次設備和二次設備間用光纖傳輸數字編碼信息的方式交換采樣值、狀態量、控制命令等信息。

二次設備網絡化。二次設備間用通信網絡交換模擬量、開關量和控制命令等信息，取消控制電纜。

運行管理系統自動化。應包括自動故障分析系統、設備健康狀態監測系統和程序化控制系統等自動化系統，提升自動化水平，減少運行維護的難度和工作量。

2 數字化變電站的主要技術特征

數據采集數字化。數字化變電站的主要標志是采用數字化電氣量測系統（如光電式互感器或電子式互感器）采集電流、電壓等電氣量，實現了一、二次系統在電氣上的有效隔離，增大了電氣量的動態測量范圍并提高了測量精度，從而為實現常規變電站裝置冗余向信息冗余的轉變以及信息集成化應用提供了基礎。

系統分層分布化。變電站自動化系統的發展經歷了從集中式向分布式的轉變，第二代分層分布式變電站自動化系統大多采用成熟的網絡通信技術和開放式互連規約，能夠更完整地記錄設備信息并顯著地提高系統的響應速度。數字化變電站自動化系統的結構在物理上可分為兩類，即智能化的一次設備和網絡化的二次設備；在邏輯結構上根據IEC61850通信標準定義，可分為“過程層“、“間隔層“、“站控層“三個層次。各層次內部及層次之間采用高速網絡通信。

信息交互網絡化與信息應用集成化。數字化變電站采用低功率、數字化的新型互感器代替常規互感器，將高電壓、大電流直接變換為數字信號。站內設備之間通過高速網絡進行信息交互，二次設備不出現功能重復的I/O接口，常規的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，以實現數據及資源共享。目前國際上已確定IEC61850為變電站自動化通信標準。此外，數字化變電站對原來分散的二次系統裝置進行了信息集成及功能優化處理，因此可以有效地避免常規變電站的監視、控制保護、故障錄波、量測與計量等裝置存在的硬件配置重復、信息不共享及投資成本大等問題的發生。

設備操作智能化。新型高壓斷路器二次系統是采用微機、電力電子技術和新型傳感器建立起來的，斷路器系統的智能性由微機控制的二次系統、IED和相應的智能軟件來實現，保護和控制命令可以通過光纖網絡到達非常規變電站的二次回路系統，從而實現與斷路器操作機構的數字化接口。

設備檢修狀態化。在數字化變電站中，可以有效地獲取電網運行狀態數據以及各種IED裝置的故障和動作信息，實現對操作及信號回路狀態的有效監視。數字化變電站中幾乎不再存在未被監視的功能單元，設備狀態特征量的采集沒有盲區。設備檢修策略可以從常規變電站設備的“定期檢修“變成“狀態檢修“，從而大大提高系統的可用性。

系統結構緊湊化和建模標準化。數字化電氣量測系統具有體積小、重量輕等特點，可以將其集成在智能開關設備系統中，按變電站機電一體化設計理念進行功能優化組合和設備布置。在高壓和超高壓變電站中，保護裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動裝置的I/O單元作為一次智能設備的一部分，實現了IED的近過程化（process-close）設計；在中低壓變電站可將保護及監控裝置小型化、緊湊化并完整地安裝在開關柜上。

可靠和實時的通信網絡。網絡系統是數字化變電站的“神經系統“，其可靠性和實時性直接決定了變電站系統的可用性。通信網絡的可靠性主要通過選擇具有高可靠性的網絡拓撲結構及采用冗余技術來保證。各IED都帶有雙網卡，可分別接入兩臺交換機，過程總線和站級總線都采用環形拓撲，因此該方案可極大地提高系統的可靠性。網絡系統設計屬于優化問題，要綜合考慮可靠性、經濟性及易維護性等諸多因素。

具備互操作性的IED。制定IEC61850標準的主要目標之一是實現IED的互操作性和互換性。為了保證IED的互操作性，需要對其進行一致性測試和性能測試。一致性測試屬于“證書“測試，目的是測試IED是否符合特定標準。IEC61850-10中專門定義了一致性測試方法。性能測試屬于應用測試，目的是測試IED是否滿足運行性能要求。一致性測試一般由授權機構完成，而性能測試則由用戶組織實施。與常規變電站相比，數字化變電站系統中的一致性測試和應用測試的聯系更為緊密。一致性測試是應用測試的基礎，產品只有通過了一致性測試才具備構成應用系統以執行應用測試的條件。

信息的安全性。IEC61850是國際電工委員會TC57工作組制定的《變電站通信網絡和系統》系列標準，是基于網絡通信平臺的變電站自動化系統唯一的國際標準，也將成為電力系統從調度中心到變電站、變電站內、配電自動化無縫連接的通信標準，還可望成為通用網絡通信平臺的工業控制通信標準。IEC61850本身對變電站網絡系統的安全性未做規定，協議的開放性和標準性帶來了電力系統運行的安全性問題，應保證二次系統信息的保密性、完整性、可用性及確定性。為適應電力系統信息安全防護的要求，IEC在制定了IEC60870-5、IEC61850等標準的基礎上，開展了安全標準IEC62351的編制，其中：IEC62351-3定義了TLS(transport layersecurity)，IEC62351-4定義了 MMS 的安全性，IEC62351-6定義了IEC61850的安全性。

3 數字化變電站自動化系統中的網絡選型

網絡系統是數字化變電站自動化系統的命脈，它的可靠性與信息傳輸的快速性決定了系統的可用性。常規變電站自動化系統中單套保護裝置的信息采集與保護算法的運行一般是在同一個CPU控制下進行的，使得同步采樣、A/D轉換，運算、輸出控制命令整個流程快速，簡捷，而全數字化的系統中信息的采樣、保護算法與控制命令的形成是由網絡上多個CPU協同完成的，如何控制好采樣的同步和保護命令的快速輸出是一個復雜問題，其最基本的條件是網絡的適應性，關鍵技術是網絡通信速度的提高和合適的通信協議的制定。如果采用通常的現場總線技術可能不能勝任數字化變電站自動化的技術要求。目前以太網（ethernet）異軍突起，已經進入工業自動化過程控制領域，固化OSI七層協議，速率達到100MHz的嵌入式以太網控制與接口芯片已大量出現，數字化變電站自動化系統的兩級網絡全部采用100MHz以太網技術是可行的。

4 數字化變電站自動化系統發展中的主要問題

在三個層次中，數字化變電站自動化系統的研究正在自下而上逐步發展。目前研究的主要內容集中在過程層方面，諸如智能化開關設備、光電互感器、狀態檢測等技術與設備的研究開發。國外已有一定的成熟經驗，國內的大專院校、科研院所以及有關廠家都投入了相當的人力進行開發研究，并且在某些方面取得了實質性的進展。但歸納起來，目前主要存在的問題是：（1）研究開發過程中專業協作需要加強，比如智能化電器的研究至少存在機、電、光三個專業協同攻關；（2）材料器件方面的缺陷及改進；（3）試驗設備、測試方法、檢驗標準，特別是EMC（電磁干擾與兼容）控制與試驗還是薄弱環節。

5 結束語

本文論述了數字化變電站綜合自動化系統的特征、結構及其發展。數字化變電站自動化是一個系統工程，要實現全部數字化變電站自動化的功能，還有許多技術問題需要攻關解決，筆者相信在不久的將來數字化的變電站自動化系統，將有一個蓬勃的發展期。

[1]數字化變電站應用技術 中國電力出版社1/2008