數字化變電站應用分析

摘要 隨著電力系統數字化(智能化)工作的逐步展開，數字化變電站建設與整個電網智能化建設的聯系日益緊密。本文介紹了數字化變電站的研究和應用情況，總結了典型系統方案和工程實施效果；通過廣泛調研和大量實踐經驗，提出在研發和應用過程中應加以重視并著力解決的問題，指出目前工作中尚存在的不足，并給出完善和改進建議。最后，就數字化變電站的發展提出一些看法，探討下一步的努力方向。

關鍵詞 數字化變電站 IEC61850 智能電子設備 IEC 62351

引言

近幾年，IEC 61850系列標準(變電站通信網絡和系統)的頒布、實施，極大推動了變電站的數字化建設進程，并且隨著其進一步發展和完善，正逐漸向站外乃至更廣泛的領域延伸。盡管對于數字化變電站，并沒有形成統一、完整的定義，但普遍認為(1)符合IEC61850標準的變電站通信網絡和系統；(2)智能化的一次設備(如電子式互感器、智能化開關等)；(3)網絡化的二次設備；(4)自動化的運行管理系統，為其最主要的技術特征。

數字化變電站是以變電站一、二次設備為數字化對象，以高速網絡通信平臺為基礎，通過對數字化信息進行標準化，實現全站信息共享和互操作，并以網絡數據為基礎，實現測量、監視、控制、保護、信息管理等功能的變電站，功能如圖1所示。

基于IEC 61850標準的數字化變電站是變電站自動化發展史上的重大變革，標志著變電站技術和管理等方面進入新的發展階段。數字化變電站建設的根本目的在于，保障安全生產、實現科學管理。

1 數字化變電站的研究和應用情況

1.1發展過程

迄今為止，數字化變電站的研究和應用大致經歷了如下幾個發展階段：

第一階段，2005年之前，技術積累。相關標準的研究，如IEC61850、IEC 60044-7(電子電壓互感器)、IEC 60044－8(電子電流互感器)等，新型智能設備和仿真軟件的研制。這一階段基本上是各單位各自研發，選取試點進行有效性的測試和驗證。

第二階段，2005至2006年，IEC 61850示范應用。電子式互感器研究和試應用、符合IEC 61850標準的系統研制和示范工程的實施。標志性事件是由國家電力調度通信中心組織的國內外廠家和檢測機構進行的六次IEC61850互操作試驗，從而大大加快了技術研發和工程化進程。

第三階段，2007年至現在，數字化示范工程全面展開?；贗EC 61850標準的模型和通信系統、電子式互感器、過程層／間隔層／站控層智能設備得到廣泛應用。鑒于國家電網公司在“十一五”規劃中明確提出研究和推廣以IEC 61850和電子式PT／CT為基礎的數字化變電站，各單位均加大了投入力度，在短時間內陸續推出了在不同程度上符合標準的、涵蓋各電壓等級的數字化變電站智能設備和系統，并完成了上百座數字化變電站的工程實施，積累了寶貴的實踐經驗。

現在數字化變電站仍處于各項關鍵技術并行研發、試驗、驗證階段，設計、制造、施工、生產、運行各環節仍在磨合，在趨向統一、標準化的進程當中。預計3～5年后，將進入成熟推廣應用期?！睌底只笔且豁楅L期的任務，貫穿于變電站技術發展的始終，服務于電力系統信息化建設的需要。

1.2典型系統方案與工程實施效果

數字化變電站系統實施方案是隨著研究和應用的逐步深入而不斷向高層次演變的，其先進性和效益也逐漸累積體現。具體變電站的數字化實施進程還要綜合考慮經濟性、技術成熟度、工程進度、風險控制等因素，可以在兼容變電站原有技術上的基礎上分階段進行。

初期，典型方案是僅在站級總線應用IEC61850標準，系統由站控層和間隔層設備構成，分別提供IEC 61850客戶端和服務器端功能，設備和功能分布未改變，以太網取代了串口等現場總線。這一階段主要完成了間隔層設備軟硬件的更新換代，統一了網絡環境和通信協議，驗證了IEC 61850信息模型和通信服務的有效性，減少了規約轉換裝置和費用，采用了基于SCL(變電站配置語言)的配置工具和文件，提高了系統集成效率和互操作性。

中期，典型方案是基于上述兩層應用，增加了電子式互感器和過程層智能設備，配備獨立的站級總線和過程總線；過程層智能設備為連接互感器的合并單元和連接斷路器等的智能終端；間隔層增加了可接收IEC 61850－9－1采樣信息的智能設備，如電度表；合并單元通常按點對點模式以光纖接入各間隔層設備，IEC 61850－9－1方式傳送采樣值；智能終端則通過過程總線上的交換機與間隔層通信，GOOSE方式實現一次設備信息上傳和控制／跳閘命令下行；間隔層設備之間以GOOSE方式傳遞閉鎖信息。這一階段繼續在過程層實踐了IEC 61850，通過采用電子式互感器，提高了測量和計量精度，以光纖取代了電纜傳輸采樣值，減少了占地面積，節省了建設投資；采用智能終端，減少了大量二次電纜；實現了遙控、防誤閉鎖、保護跳閘、保護配合等數傳和操控的網絡化，進一步提高了自動化技術和管理水平。

近期，典型方案與中期類似，從功能邏輯和設備物理分布上均按三層結構配置，但更進一步：合并單元與間隔層設備通過百兆以上智能型工業級以太網交換機傳輸采樣值，光纖方式連接；合并單元與智能終端可以同組一個網絡；過程總線與站級總線可以合并。間隔層／站控層設備功能不局限于測控、保護，還整合了錄波、VQC、小電流接地選線、五防等；間隔層還可采用集中監控、保護設備，減少設備數量、簡化二次接線。這一階段，在充分實現信息共享、減少重復建設和投資、減少自動化設備數量、簡化系統接線、減少電纜和屏柜用量、提高系統可靠性、促進統一管理、提高運行維護效率方面，效果顯著。

2 存在問題和改進建議

2.1問題和不足

2.1.1標準化方面：

現已完成的系統，有改造站、新建站，實現部分數字化或接近全站數字化，雖達到一定程度的互操作性，但方案各異；各層次設備，包括保護、自動化、網絡通信、時鐘和采樣同步等，接口多樣，不利于工程實施和維護，距互換還有很長的路要走。

IEC 61850標準還在發展之中，尚需完善。比如，與IEC 61970標準(能量管理系統應用程序接口)相比，對于模型還沒能采用UML工具等管理和維護，只是圖表方式的描述，隨著模型的不斷增加和擴充，提高維護手段是遲早的事，完全可以采用已有的通用的成熟工具軟件實現；接線圖、網絡拓撲描述過于簡單，與調度端通信和模型有待完善；功能模型還需不斷補充，且有不足之處，如錄波文件處理，盡管有相應邏輯節點管理錄波，但當新生成文件時，具體文件名稱和所在路徑并沒有適宜的數據屬性來存放，能夠明確通知主站系統，即時獲取新文件。

模型擴充問題。如保護相關模型，目前保護功能和原理方面并沒有本質的變化，定值、控制字等所需屬性與標準中定義差異較大，需擴充。各自按擴展原則對LN、DATA分別擴展的結果會造成為相同功能擴充不同名稱的數據類型或相反，造成重復并且容易混淆，增加了系統級配置、維護的復雜度和資源消耗。

2.1.2設備和系統方面：

智能一次設備的不足。除斷路器外，還沒有成熟的智能變壓器、電容器等，目前采用的是為現有傳統設備配備符合IEC 61850標準的智能終端的方式，來實現過程層接口，通常還要另配在線狀態檢測系統。

二次智能設備，包括以太網交換機，目前經濟上不具有優勢。為全面支持IEC 61850協議和服務，軟硬件復雜度與傳統設備不可同日而語，成本偏高。所增加的基礎開銷主要包括購買或開發：嵌入式實時操作系統、嵌入式主板及外設(高性能CPU、大容量存儲器、多個高性能以太網接口及驅動)、IEC 61850通信支撐庫。

網絡通信設備的限制。為保證作為神經系統的通信網絡的實時性、可靠性、安全性，目前需采用具有IEC 61850檢測認證的智能型工業級以太網交換機。一方面可供選擇的成熟產品很少，另一方面，單機能提供的百兆以上接口數量有限，制約了組網方式的選擇和功能的配置，并且價格偏高，大大超出了預期成本。

站內仍包含眾多的智能設備和系統，未能充分共享信息和實現互操作。盡管一些符合標準的自動化系統能實現五防、VQC、小電流接地選線等功能，但更多的情況是由不同廠家來提供五防、錄波、小電流接地選線、VQC、計量、直流、在線監測系統等，對IEC 61850標準的支持能力有限，仍需規約轉換。目前一般能做到的只是接入IEC 61850－9－1方式的采樣值，還不具備GOOSE(通用面向對象變電站事件)、IEC 61850 Client／Server通信能力，以及基于SCL(變電站配置語言)的工程化配置能力。

2.1.3檢測和維護方面：

檢測設備和手段不足。IEC 61850一致性測試能夠完成設備或系統對IEC 61850標準規定的數據模型、通信協議和服務、配置文件的符合性檢驗，有效降低系統出廠前的互操作方面的風險，但這對于系統的調試和驗收，是不夠的?，F國內仿真、測試儀廠家能夠支持IEC 61850－9－1通信，GOOSE、9－2通信等有待于發展。目前，系統整體功能和性能的檢測／維護還缺乏統一的標準、方法與設備，現場測試時，對CT／PT、合并單元、智能終端、保護、測控等設備，只能分別進行測試。

2.1.4運行管理方面：

網絡安全和可靠性問題。建立在開放的、通用標準以太網技術之上的數字化變電站網絡，提高了電力系統信息化程度，同時也使得大量敏感數據有暴露于網上，使系統遭受意外攻擊的危險；高速采樣數據全部通過網絡傳送時，監控和保護功能的正確實現高度依賴網絡的可靠性，因此必須在系統設計、實施和運行管理時采取有效技術措施，加強網絡安全防護和智能監測。

項目版本管理問題。與傳統變電站系統相比，各層設備，尤其是過程層和間隔層設備，軟件復雜性大大增加，配置更加靈活，因而在項目的整個生命期，特別是維護階段，更要注重工具、文件、應用軟件乃至系統的版本管理工作。

此外，不同原理的電子式互感器的精度和穩定性、網絡系統的安全可靠性、智能設備的長期穩定性和互操作性、自動化和保護功能的穩定可靠性等，還有待于長時間的運行檢驗，有很多細致的工作要做。

2.2完善和改進建議

數字化變電站是智能電網的重要組成部分，其建設應著眼于全局，統籌規劃。因而有必要針對不同電壓等級、不同情況的變電站，選取典型的、具有代表性的系統解決方案，對設備接口和功能加以規范化、標準化，并納入統一的管理體系，更加有序地進行推廣應用。

對于標準本身，相關部門應及時跟蹤研究標準的最新進展，根據我國的具體情況，充分發揮國內標委會的作用，提出意見和建議；指定協調和歸口單位，統一進行模型和配置等的維護管理工作。產品制造商更應該遵循統一的標準，不斷更新和完善系統功能，確保與其他廠家產品的互操能力。

關于設備和系統，一次和二次設備廠家應加強聯系和合作，發揮各自特長，加快一次設備智能化進程，早日在技術和造價上取得突破，取代現在普遍使用的“常規一次設備+智能終端”的替代方案；對于降低二次設備成本，一方面，可通過提高生產廠家軟硬件自主研發能力部分改善；另一方面，可通過整合功能，減少裝置數量、簡化系統結構來達到目的。

關于網絡，安全方面，可利用VLAN(虛擬局域網)技術，劃分不同子網，隔離端口和數據，提高網絡通信實時陛和安全性；更進一步，則需采用IEC 62351標準(數據和通信安全)，應用加密和安全認證技術，防止非法截取和盜用信息，控制訪問權限，同時注意兼顧實時陛；可靠性方面，需做好流量分析，選擇可靠的網絡設備，合理劃分網段，降低子網流量和網絡設備間耦合度，配備冗余的網絡和設備，采用高級網絡功能，配備網絡監測管理軟件或系統，掌握信息和流量，及時發現故障，從而建立完備的網絡監測和安全防護系統。

3 未來發展趨勢探討

IEC 61850標準自頒布實施時起，一直在不斷的發展和完善著，力圖與電力系統已有標準實現兼容和統一，發布的第一個版本標準名稱為“變電站通信網絡和系統”，在其尚未發布的第二版中，名稱改為”電力公用事業自動化通信網絡和系統”，內容增加了分散能源通信、風電、水電監控等，并且將IEC 62445系列標準納入到IEC 61850體系中，進行統一編號。IEC TC57推薦的通信體系如圖2所示，其中虛線部分為實現現有系統的平穩過渡而設計。

數字化變電站IEC 61850通信范圍將納入電力系統廣域網體系，縱向延伸至與調度主站的通信，將涉及與IEC 61970標準模型的協調；橫向與其他變電站通信，涉及分布式廣域保護功能的實現。

統一通信平臺的建立，為變電站功能的整合、多功能IED(智能電子設備)的產生提供了條件，站內各子系統(監控、保護、錄波、測距、小電流接地選線、五防、直流、AVC、VQC、計量、PMU等)功能有望靈活分配于各設備中，應該能夠應用新的保護原理。間隔層某些設備功能可非常強大，與站級系統的功能界限可能會模糊，站內IED軟硬件平臺趨向統一，嵌入式實時數據庫可能找到用武之地。

新標準的引用。目前系統時間同步采用SNTP(簡單網絡時間協議)，采樣同步則主要靠GPS接收裝置提供秒脈沖信號。IEEE 1588是用于測量和自動化系統中的高精度網絡時鐘同步協議，能夠通過以太網實現遠程節點的精確同步，達到亞微秒級的同步精度，對于過程總線采樣值同步是更好的選擇，但它要求網絡中各設備能夠提供相應的支持能力；網絡安全方面則將采用IEC 62351標準。

新技術的采用。網絡通信和計算機技術的發展，使得Multi－agent(多代理)技術在電力系統的應用日益增多。SPID(Strategic powerinfrastructure defense system，美國開發的電力基礎設施戰略防護系統)所采用的AO(AgentOriented)的3層Multi－Agent結構為解決靈活分區導致的繼電保護、穩定補救和無功補償裝置定值的自適應修改，以及實現解列后包括發電在內的微網和變電站的分布式智能控制，提供一個新途徑。Multi－Agent的分布協調理念，同樣可應用于各級EMS、DMS、廠站自動化系統之間的分布協調控制。

數字化變電站發展將對變電站運行管理體制產生較大影響。趨勢是保護與自動化、通信專業相互滲透和融合；二次系統的設計、試驗和運行規程，以及檢修策略和管理機制，需要隨技術的變更而調整和修改。對從業人員的技術水平要求也相應提高了。

結語

迄今為止，我們已經做了很多工作，取得了大量的階段性成果，積累了寶貴的經驗，有效提高了變電站自動化運行和管理水平，接下來，在逐步解決現有問題的同時，更要從整個電網的角度考慮，如何合理分配資源和功能、建立信息和通信模型、設計接口，從而作為統一的數據源，為電網的信息化、智能化奠定基礎。

數字化變電站建設是一項復雜而艱巨的系統工程，涉及多領域、多學科、多專業知識和技術的融合，需要設計單位、產品研發／制造廠家、檢測單位、電力用戶的共同長期努力和協作，不斷的探索和實踐；更需要權威部門牽頭組織試驗和規范標準，使得各項工作諧調、有序、沿著正確的方向進行。