綜合自動化變電站向數字化變電站發展淺析

金 釗，周志宇

（1.哈爾濱工業大學 黑龍江 哈爾濱 150001；2.華北電力大學 北京 102206）

變電站經歷過常規變電站、綜合自動化變電站、數字化變電站在逐步向智能化變電站發展，而數字化變電站是智能化變電站的基礎。數字化變電站概念是指變電站信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數字化，其基本特征為設備智能化、通信網絡化、模型和通信協議統一化、運行管理自動化。

文中研究了數字化變電站技術特點，采用低功率、緊湊型、數字化的新型電流和電壓互感器代替常規TA和TV；一次智能化開關；利用高速以太網構成變電站數據采集及傳輸系統，實現基于IEC 61850標準的統一信息建模，并比較了數字化變電站比綜合自動化變電站優勢。

1 變電站發展歷程

1.1 變電站階段劃分

第一階段：1990年前傳統二次系統，常規繼電器實現保護測控；

第二階段：1990年至2005年綜合自動化變電站推廣，技術發展較快；

第三階段：90年代中期至今綜合自動化變電站技術已經比較成熟，向數字化變電站過渡90年代中期IEC提出IEC61850標準2005-2009數字化變電站開始出現；

第四階段前景：智能電網的發展加快數字化變電站的發展。

1.2 綜合自動化變電站發展過程

綜合自動化變電站的概念是在微機保護在變電站得到廣泛應用的背景下提出來的。由于變電站微機保護裝置普及，微機保護除了具備強大的保護功能外，還具備強大的數據采集功能和通訊功能，因此，如果能夠將微機保護的數據采集功能充分利用起來，不但有助于降低監控系統的造價，而且還有助于提高變電站運行的自動化水平[1]。

綜合自動化變電站的發展經歷了兩個階段：第一階段（上世紀90年代中期）：主要是以110 kV及以下電壓等級的變電站為對象開發出了星型結構的綜合自動化系統。如圖1所示。

圖1 綜合自動化系統第一階段星型結構圖Fig.1 Integrated Automation system first stage star structure

第二階段（本世紀初）：主要是以220 kV及以上電壓等級的變電站為對象開發出了總線結構的綜合自動化系統。綜合自動化變電站是借助于通訊技術，將變電站內以微機保護為主體的一系列智能裝置所提供的信息綜合起來所構成的保護監控一體化變電站。目前運行的變電站綜合自動化系統是利用現代電子技術通信技術和信息處理技術等實現對變電站二次設備包括繼電保護、控制、測量、信號、故降錄波、自動裝置及遠動裝置等功能進行重新組合、優化設計，對變電站全部設備的運行情況執行監視、測量、控制和協調的一種綜合性的自動化系統，通過變電站綜合自動化系統內各設備間相互交換信息，數據共享，完成變電站運行監視和控制任務[2]。綜合自動化系統總線結構如圖2所示。

2 數字化變電站

2.1 綜合自動化與數字化變電站結構區別

與綜合自動化變電站比較，數字化變電站含有以下多種技術的研究應用：IEC61850的應用；電子式互感器及智能高壓電器；基于IEC61850標準、電子互感器、智能高壓電器等應用的繼電保護、測控技術與裝置；基于IEC61850標準的電能計量技術；數字化變電站穩定安全可靠性；數字化變電站相關的設計、試驗、驗收、運行、維護技術標準與規范研究。同是站控層-間隔層-過程層間，綜合自動化變電站與數字化變電站結構比較，對比如圖3所示。

圖2 綜合自動化系統第二階段總線結構圖Fig.2 Integrated automation system the second stage bus structure

2.2 數字化變電站建設參考標準

數字化變電站建設參考標準為不同廠家的設備互聯提供互操作性；對變電站自動化系統（SAS）功能，將功能分配到裝置，實現自由配置；支持未來的技術發展，因為它可兼容主流通訊技 術而發展，并可伴隨系統需求而進化，保持穩定性。

圖3 傳統綜合自動化變電站與數字化變電站結構對比圖Fig.3 Traditional transformer substation integrated automation and digitized substation structure comparison chart

其中，過程層設備主要包括電子式電流電壓互感器、智能一次設備等，現階段智能化開關由傳統開關+智能終端方式來實現開關設備智能化，電子式電流電壓互感器采用羅氏線圈+激光供能的光電電流電壓互感器來實現互感器設備的數字化[3]。過程層設備具有自我檢測、自我描述功能，支持IEC 61850過程層協議。傳輸介質采用光纖傳輸。

3 數字化變電站一次與二次設備功能定位

實現數字化變電站一次和二次設備功能重新定位，主要包括以下3個方面。

3.1 一次智能開關

由電力電子技術、數字化控制裝置組成執行單元，代替常規機械結構的輔助開關和繼電器。可按電壓波形控制跳、合閘角度，精確控制跳、合閘過程的時間，減少瞬時過電壓幅值；斷路器操作所需的各種信息由裝在斷路器設備內的數字化控制裝置直接處理，使斷路器裝置能獨立地執行其當地功能，而不依賴于變電站級的控制系統；新型傳感器與數字化控制裝置相配合，獨立采集運行數據，可檢測設備缺陷和故障，在缺陷變為故障之前發出報警信號，以便采取措施避免事故發生；斷路器具有數字化接口，可收發GOOSE消息以實現開關控制。智能控制柜方案如圖4所示。

圖4 智能控制柜方案圖Fig.4 Smart control cabinet scheme figure

3.1.1 智能開關現狀

為解決開關等其他一次設備智能化的問題，一些二次設備廠家開發了用于一次設備智能化的智能終端（或稱智能單元）。智能終端安裝在一次設備端子箱，采集設備狀態和控制設備，用光纖通信與二次設備交換信息。利用現有的成熟的二次技術，結合傳統開關設備，提升智能化水平；與GIS開關相結合的智能匯控柜；智能操作箱/智能終端 （智能I/O）；PASS系統。保護控制一體化開關柜、通過對原GIS開關的匯控柜做智能化改造，把保護、測控和GIS控制功能整合在一起，構成智能開關功能[4]。

目前，智能一次設備通過在一次設備外加智能組件，實現一次設備的保護、測控和狀態監測等功能。現階段技術條件下一般可采用“常規一次設備+智能終端+狀態監測單元”的方案，保留常規電氣一次設備本體結構或機電控制回路，僅間隔內保留部分電纜接線，達到一次設備的智能化目的，如圖5所示。

圖5 智能GIS開關與控制柜圖Fig.5 Smart GIS switch and intelligent control cabinet

采用“常規開關設備+智能終端”方案相對安全可靠、運行穩定，有在500 kV電壓等級運行的經驗，在220 kV及以下變電站有較多的成功案例，滿足智能變電站的技術要求，智能組件就地安裝于一次設備本體或就地戶外智能匯控柜內。

3.1.2 智能控制柜方案的優勢

1）節約了電纜等設備投資以及相應的施工投資；

2）節約了保護小室及主控室等的占地面積和投資；

3）GIS智能控制柜優化了二次回路和結構；智能GIS開關與控制柜，如圖6所示；

圖6 一次設備智能化方案（常規開關設備+智能終端）Fig.6 Equipment intellectualization scheme（conventional switch equipment+intelligent terminal）

4）一次二次聯合設計，減輕了設計院的負擔；

5）基于通訊和組態軟件的聯鎖功能比傳統硬接點聯鎖方便。

3.2 電子式互感器

從電子式互感器CT、PT引出的光纜，根據需要，在端子箱內重新組成對應各保護、測量等回路，二次設備引入測量量，進行A/D變換后，送入CPU處理判斷。電子式互感器與常規互感器主要性能比較如表1所示。常規電子互感器與電子互感器外觀比較，如圖7所示。

表1 電子式互感器與常規互感器主要性能比Tab.1 Electronic transformer and conventional transformer main performance comparison

3.3 IEC 61850的應用

IEC61850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。采用開放性IEC61850國際標準主要解決網絡通信及信息共享和互操作的問題[5]。其特點主要有:信息分層（站控層、間隔層、過程層）、面向對象建模和信息自我描述，適應開放互操作性要求、采用抽象通信服務接口，適應通信網絡技術迅猛發展、具有傳輸采樣測量值和快速傳輸變化值[5]。

4 數字化比傳統綜合自動化變電站優勢

4.1避免重復建設共享統一信息模型

數字化變電站的所有信息采用統一的信息模型，按統一的通信標準接入變電站通信網絡。變電站的保護、測控、計量、監控、遠動、VQC等系統均用同一個通信網絡接收電流、電壓和狀態等信息以及發出控制命令，不需為不同功能建設各自的信息采集、傳輸和執行系統。

傳統變電站由于各種功能采用的通信標準和信息模型不盡相同，二次設備和一次設備間用電纜傳輸模擬信號和電平信號，各種功能需建設各自的信息采集、傳輸和執行系統，增加了變電站的復雜性和成本。

4.2 減少變電站全生命周期成本

變電站的設備間信息交換均通過通信網絡完成，變電站在擴充功能和擴展規模時，只需在通信網絡上接入新增設備，無需改造或更換原有設備，保護用戶投資。

圖7 電子互感器與電子互感器外觀比較圖（中間為220kV光常規電電流互感器Fig.7 Electronic transformer and electronic transformer is appearance（Eiddle of 220 kV light conventional power current transformer）

數字化變電站的各種功能的采集、計算和執行分布在不同設備實現。變電站在新增功能時，如果原來的采集和執行設備能滿足已能新增功能的需求，可在原有的設備上運行新增功能的軟件，不需要硬件投資。

4.3 二次接線將大幅度簡化

數字化變電站的一次設備和二次設備間、二次設備之間均采用計算機通信技術，一條信道可傳輸多個通道的信息。同時采用網絡通信技術，通信線的數量約等于設備數量。因此數字化變電站的二次接線將大幅度簡化。

4.4 信號傳輸采用計算機通信技術實現

數字化變電站的信號傳輸均用計算機通信技術實現。通信系統在傳輸有效信息的同時傳輸信息校驗碼和通道自檢信息，一方面杜絕誤傳信號，另一方面在通信系統故障時可技術告警[6]。

傳統變電站一次設備和二次設備間直接通過電纜傳輸沒有校驗信息的信號，當信號出錯或電纜斷線、短路時都難以發現。而且傳輸模擬信號難以使用光纖技術，易受干擾。網絡架構圖如圖3所示。

4.5 變電站可實現更復雜自動化功能

傳統變電站由于通信系統傳輸信息的完整性、實時性和可靠性有限，許多自動化技術只能停留在試驗室里，難以工程應用。數字化變電站的采用智能一次設備，所有功能均可遙控實現。通信系統傳輸的信息更完整，通信的可靠性和實時性都大幅度提高。變電站因此可實現更多、更復雜的自動化功能，提高自動化水平。

5 結 論

文中主要闡述了綜合自動化變電站技術向數字化變電站發展概況，數字化變電站的幾個主要技術特征，研究了數字化變電站的技術背景，數字化變電站的架構體系基本特點，及數字化變電站技術應用對于變電站二次系統的主要影響。分析了數字化變電站較傳統的綜合自動化變電站的優勢，提出了數字化變電站將作為智能變電站基礎將被廣泛普及。

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