數字化變電站技術發展前景分析

黃 聰

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

目前，我國的變電站自動化技術取得了相應的成效，已經發展到了成熟階段。在變電站建設中，應用了較多的自動化技術，在一定程度上提升了電網建設的自動化水平。這不僅增加了電網運行的安全性，實現電網自動化調度，而且還在一定程度上降低了變電站建設的成本。然而，技術的發展是永無止境的，在智能化電氣飛速發展的背景下，尤其是一些智能化設備出現之后，變電站仿真技術也在日益完善，計算機高速網絡也已經被應用于系統的開發中，這表明我國的變電站正朝著數字化新階段發展[1]。

1 數字化變電站的概念、特點及優勢

1.1 數字化變電站的概念

數字化變電站即變電站內的一次電氣設備與二次電氣設備裝置可以用數字化的方式來進行通信。此外，全站還得建立數字模型和數據通信平臺，通過平臺即可實現智能裝置的互通。

1.2 數字化變電站的特點

1.2.1 一次設備的智能化

設備可以通過數字輸出的電子式互感器、智能開關等來實現智能化，并且一次設備與二次設備之間可以利用光纖來進行連接[2]。

1.2.2 二次設備

二次設備的設計制造均遵循標準化、模塊化，并且設備與設備之間通過通信網絡來進行模擬量、開關量、控制命令等信息的交換，這樣便可以取消控制電纜。

1.2.3 運行管理系統自動化

變電站運行管理自動化系統主要包含自動故障分析系統、設備健康狀態檢測系統等。在這些智能化系統的作用下，當變電站發生故障時，系統能夠及時查找故障發生的原因，并給出相應故障分析報告，以便及時采取應對措施，以此來實現變電站一次設備、二次設備的狀態檢修。

1.3 數字化變電站的優勢

數字化變電站使用的設備均為智能化設備，并且設備之間還可以通過智能化網絡交換信息。數字化變電站具有以下優勢。

（1）在數字變電站中，信息平臺作為各項功能的載體，它具有防止設備重復出現的功能。通常，在數字化變電站中，信息采集都是按照統一的通信標準來進行，在信息采集完成后，再將這些信息傳入到變電站的通信網絡中。此外，變電站的保護、測量、運動等系統可同時共享一個通信網絡，以此來接收相應的電流、電壓和狀態信息，并且不需要重復采集、傳輸。

（2）為變電站新增功能擴展規模。在數字化變電站中，可以通過信息網絡實現設備之間的信息交換。當變電站新增功能和擴展規模時，通常只需要將這些新增的設備接入到通信網絡中，并不需要將原有的設備更換，在一定程度上降低了變電站全壽命周期的成本。

（3）在數字化變電站中，使用的設備之間均采用計算機通信技術，利用一條通道來實現傳輸。同時，在采用網絡通信技術以后，一臺設備使用一條通信線，這樣不僅提升了數據信息的傳輸效率，而且還在一定程度上降低了電纜的數量與接線的復雜程度。

（4）較高的測量精度。在數字化變電站中，均采用電子式互感器，這樣可以有效避免傳輸過程中產生的誤差，在一定程度上提升了系統、測量系統、計量系統的精度。

（5）提高了利于信息傳輸的可靠性。在數字化變電站中，可利用計算機通信技術來實現信號傳輸。在系統傳輸數據的過程中，還可以對信息進行效驗碼和通道自檢，保證了數據信息和通信系統的完整性。此外，數字信號還可以利用光纜傳輸，從根本上解決了干擾問題。

（6）解決設備間的互操作問題。在數字化變電站中，所使用的智能設備均采用標準的信息模型與通信接口，實現設備之間的無縫銜接。

（7）提升了變電站的自動化管理水平。在將數字化技術運用在變電站后，變電站通信數據傳輸變得更為完整，在一定程度上提升了通信的可靠性與實時性。此外，變電站還可以實現更多復雜的自動化功能，有效提升了自動化水平。同時，一次設備、二次設備、通信網絡可以通過智能監測系統來進行自檢，可根據設備的健康情況對設備進行狀態檢修。

2 數字化變電站采用的主要技術

2.1 通信網絡

數字化變電站通信網絡涵蓋的內容相對較多，因此，在構建過程中需要衡量相應的經濟承受能力[3]。通常，數字化變電站通信網絡主要包括：①站控層網絡?，F階段的站控層網絡主要有：單星型以太網、雙星型以太網、單自愈環網等。其中，單星型以太網主要使用在110 kV 以下的變電站中，這種網絡的優勢為取消了保護管理，將保護直接連接到了主網上，其結構如圖1 所示。雙星型以太網通常用于220 kV 以上等級的數字化變電站中，其優勢在于不需要單獨設置錄波網，同時將保護裝置與二次回路直接連接到主網上。單自愈環網在國外的應用較為廣泛，在我國的應用相對較少。②過程層網絡?，F階段主要采用的有SV 采樣值網絡和GOOSE 網絡。其中，SV 采樣值網絡可按國際標準IEC 61850-9-1、IEC 60044-8、IEC 61850-7-2 等組網模型來進行傳輸，IEC61850-7-2 服務器組網模型描述見表1。而GOOSE 網絡的應用模式有雙星型以太網單出口、雙星型以太網雙出口、單星型以太網、GOOSE 網，以此來進行分段配置，雖然這些網絡具有一定優勢，但是在運行過程中也存在相應的問題，因此，在應用時需要根據實際情況來使用[4]。以以太網環形拓撲構建數據采集網和GOOSE 網合并的變電站過程總線網絡為例，根據網絡演算的基本概念，可將服務節點的最大服務延時與最大數據積累計算出來。其中，漏桶到達曲線是到達曲線γr,b的一種特列，可將其表示為：

表1 IEC61850-7-2服務器模型

圖1 單星型以太網模式的結構

式中：r,b分別為數據流的最大持續到達速率和最大突發長度。根據網絡演算理論，當數據流在服務節點上的到達曲線是漏桶型時，數據流要以優先級排隊（PQ）或者采取先到先服務（FCFS）的方式來接受相應的服務，則數據流在服務節點上的服務曲線βR,τT可表示為：

式中：[x]+=Max(x,0)稱為速率延遲服務曲線，可通過R和τt來描述，分別代表數據流接受的速率和時間常數。③網絡結構冗余。在數字化變電站中，其網絡拓撲結構的實現方式包括環型、星型、總線型。其中，環型的優點在于可靠性較高，缺點在于造價高、網絡延遲大；星型的優點在于網絡延時小、造價低，缺點在于可靠性較低；總線型的優點在于造價低，缺點在于網絡延時大，并且可靠性相對較低。

2.2 非常規互感器

根據工作原理，可以將非常規互感器分為電子式互感器與光電式互感器兩種。其中，基于羅科夫斯基的電子式互感器適用于空氣絕緣與戶外的變電站中，它不僅可以有效解決高位電子設備的供電問題，而且解決信號從高位向低位的傳輸問題。而光電式互感器則是利用法拉第效應，其主要優點在于無需向傳感器頭提供電源，可自身發電[5]。

在將非常規互感器應用在數字化變電站中后，它不僅擁有傳統互感器不具有的優點，而且還在一定程度上提升了數字化變電站的可靠性。例如，非常規互感器沒有使用鐵心耦合，因此不會出現鐵磁諧振等現象。此外，非常規互感器通過光纖的作用將高壓側信號傳送至二次設備中，在一定程度上降低了數字化變電站的造價成本。同時，非常規互感器并不會出現磁飽和現象，并且能夠進行大范圍的測量，在一定程度上滿足了繼電保護的需求，有效提升了測量精度。除此之外，非常規互感器可以通過光纖來實現低壓側和高壓側之間的通信，并且可以將二次回路與高壓回路從電氣上隔離出來，在一定程度上提升了數字化變電站的安全性。

2.3 繼電保護

在繼電保護的作用下，可以實時監控數字化變電站二次設備的工作狀態。在監控過程中，系統可以將異常信息傳輸至用戶端，這樣技術人員便可以準確掌握變電站設備的實際運行狀態，為變電站的安全運行提供了重要保障?，F階段主要采用的繼電保護配置分為兩種方式：一是常規保護配置方式，二是集成保護配置方式[6]。其中，常規保護配置方式無需考慮保護邏輯的改變，可以根據對象的特征來進行配置，并且保護的對象為單個元件，缺點在于其結構相對復雜，同時還不能將數字化變電站的優勢充分體現出來。而集成保護配置方式遵循雙重化的配置原則，其保護對象從單一的元件拓展到多個元件，并且其配置的結構相對簡單，同時可以將數字化變電站的優勢完整地體現出來。

3 數字化變電站的發展前景

從上述分析中可以明確看出，智能電網建設在數字化變電站的基礎之上，并且它還具備了傳統變電站不具有的優點。因此，數字化變電站在我國具有較好的發展前景。目前，我國大部分省份和地區都已經完成了數字化變電站的建設，例如，南方電網投運的110 kV 沙坪數字化變電站、110 kV 翠峰數字化變電站等，并且都取得了相應的成效[7]。

未來，隨著我國智能電網建設規模不斷擴大，數字化變電站朝著智能化變電站發展成為了一種必然趨勢。因此，在進行變電站的智能化改造時，需要注意以下幾點：第一，在全面掌握和分析變電站一次設備、二次設備的基礎上，需對其相關的設備進行智能化改造，包括開關柜故障預警系統智能化改造、視頻監控系統智能化改造等。第二，在變電站智能改造時，應聚集設備運維管理、倒閘管理、安全措施設置等為一身的安全措施與設備管理仿真系統，從而有效提升變電站設備的運行可靠性和運行安全性。第三，轉變工作人員的工作模式與工作理念，根據智能化變電站運行工作的實際需求，對運維工作人員進行不定期的培訓，讓其明確智能化變電站實際的運行過程。此外，應建立相應的績效考核制度，對于那些表現較好的員工給予一定的獎勵，以此來激發運維人員的工作積極性；對于那些表現不突出的運維人員，應對其進行相應的鼓勵，讓其能夠在今后的工作中保持專注，以此來提升智能化變電站的運行效果[8]。

4 結束語

數字化變電站是智能電網建設中十分重要的一部分，它不僅能夠提升智能電網運行的效率與可靠性，而且在一定程度上推動了我國資源節約型與環境友好型社會的構建，為生態環境保護做出了極大的貢獻。此外，在非常規互感器、通信網絡技術、繼電保護裝置飛速發展的背景下，我國的數字化變電站已經逐漸走向成熟階段，目前已經投運的變電站已經取得了較大的突破。因此，數字化變電站是我國智能化電網建設的一種必然趨勢，其發展前景較為可觀。