試析數(shù)字化變電站關鍵技術及未來展望

　　論文摘要：隨著變電站自動化程度越來越高，數(shù)字化變電站技術在我國得到迅速發(fā)展。數(shù)字化變電站就是把變電站的信息采集、處理、傳輸以及輸出全部實現(xiàn)數(shù)字化。由于這項技術匯集多方面、多層次技術革新，所以它的發(fā)展將會是一個比較長期的過程。主要闡述了數(shù)字化變電站的背景和特征，著重介紹了變電站數(shù)字化過程中的關鍵技術，同時介紹了變電站數(shù)字化之后對未來產生的影響。

　　論文關鍵詞：變電站；變電站數(shù)字化；通信網絡
　　
　　為了提高電力系統(tǒng)的自動化水平和可靠性，提高電網企業(yè)的經濟效益和管理水平，我國電力企業(yè)積極進行變電站的數(shù)字化。隨著國家標準的不斷完善以及智能斷路器、非常規(guī)互感器和網絡技術的發(fā)展，數(shù)字化將是未來變電站自動化發(fā)展的必然趨勢。

　　一、數(shù)字化變電站的特點

　　隨著數(shù)字化技術的出現(xiàn)和應用，數(shù)字化變電站的概念也被提出。數(shù)字化變電站可以實現(xiàn)信息的整體和統(tǒng)一處理,同時具備變電站內IED之間、控制中心和變電站之間協(xié)同互動運行的能力。一般情況下，數(shù)字化變電站具備以下幾個技術特點。
　　1.層次化
　　由于所具備的功能差異，變電站的結構邏輯可分成間隔層、過程層以及變電站層。間隔層的作用是通過本間隔的數(shù)據作用于自身間隔的一次設備。所有與一次設備接口功能的實現(xiàn)是通過過程層完成的。利用全站的數(shù)據，變電站層可以對全站的一次設備進行監(jiān)視以及控制，同時可以實現(xiàn)與遠方控制中心進行交換數(shù)據。
　　2.一次設備的智能化
　　可編程（PLC）控制器可以替換變電站二次回路中的繼電器及其配套的邏輯回路，光電數(shù)字和光纖將會代替變電站目前普通的模擬信號和控制線路被。
　　3.二次設備的網絡化
　　變電站的二次設備不設功能裝置重復的輸入/輸出接口，通過網絡可以真正實現(xiàn)數(shù)據共享、資源共享，普通的功能裝置也會演變成邏輯的功能模塊。
　　4.運行管理實現(xiàn)自動化
　　日常運行、維護、數(shù)據記錄可以實現(xiàn)無紙化辦公和自動化的信息分流交換；變電站發(fā)生故障時，及時提出故障原因和維修意見；系統(tǒng)可以自動發(fā)出變電站設備狀態(tài)檢修報告。

　　二、數(shù)字化變電站中的關鍵技術

　　由于用戶對供電質量、可靠性要求以及電壓等級和電網容量的不斷提高，電力電子、傳感器、網絡通信和信號處理等技術日漸成熟，所以變電站一次設備智能化、自動化成為發(fā)展的必然趨勢。當前，該技術主要是智能斷路器、集成型智能開關以及電子式電流電壓互感器等設備的發(fā)展和應用。
　　1.非常規(guī)的互感器
　　隨著計算機技術和光電技術日益成熟，非常規(guī)互感器在實際生產中得到了廣泛的應用。它具有很強的抗電磁干擾能力、絕緣好、可測量頻帶寬，新型光電/電子式互感器具有現(xiàn)代光電技術的優(yōu)點以及電光晶體的各種優(yōu)異特性，在電力行業(yè)有著廣泛的應用。同時，結合數(shù)字信號處理DSP技術和光電技術，未來將呈現(xiàn)出很好的發(fā)展勢頭。
　　數(shù)字化保護和測控設備可以和非常規(guī)互感器直接接口，省去了中間環(huán)節(jié)。它的優(yōu)點是：能隔離高低壓，絕緣性能良好；由于不含鐵芯，鐵磁諧振和磁飽可以消除；良好的抗電磁干擾性能，低壓側無開路高壓危險；測量精度高，動態(tài)范圍大；頻率響應范圍大；無易燃、易爆等危險。
　　由于以上優(yōu)點，非常規(guī)互感器不僅具有可觀的經濟效益和社會效益，而且能很好地適應電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網絡化發(fā)展的需要，提高了電力系統(tǒng)自動化程度并且能夠保證其安全可靠的運行。
　　2.斷路器智能技術
　　為了改變現(xiàn)有斷路器的單一空載分閘特性，自動獲得實際開斷時電氣和機械性能上的最佳開斷效果，且由于電網運行過程中會經常有各種開斷指令，斷路器可以執(zhí)行相應的智能操作——自動調整執(zhí)行機構和滅弧室工作條件的選擇。通過智能斷路器的過程層(I/O)通信接口，輸入和輸出通信數(shù)據，而這些通信數(shù)據必須符合IEC61850標準。或者說根據IEC61850提出的標準體系，斷路器屬于過程層設備，所以控制跳合閘命令的傳遞以及斷路器狀態(tài)信息傳輸是通過IEC61850標準的通信數(shù)據來實現(xiàn)的。
　　3.集成型智能開關設備
　　國外一些大的電力設備生產公司已經推出類似產品，瑞士ABB公司推出的接插式開關系統(tǒng)PASS是最具代表性的。它是ABB公司在生產氣體絕緣組合電器GLS和空氣絕緣開關設備ALS的基礎上研發(fā)的一種新型電器設備，而該款產品具備了GLS的優(yōu)點。從20世紀末應用至今，已在美國、加拿大、英國、瑞典等變電站使用并且用戶反應良好。可以說，集成型智能開關設備是電力系統(tǒng)將來一次電氣設備的發(fā)展方向，它的主要優(yōu)點是結構緊湊、安裝方便、接線簡化、占地面積小、自動化程度高、可靠性高和日常維護簡單。

　　三、數(shù)字化變電站通信網絡結構

　　建設數(shù)字化變電站的基礎之一就是從邏輯概念和物理概念上，將通信體系分為三個層次，即間隔層、變電站層以及過程層，并且制定了各層通信接口之間的通信標準。而另一個前提就是制定的IEC61850標準，該標準的制定，有利于實現(xiàn)電力自動化系統(tǒng)的三個功能，即控制、監(jiān)視和繼電保護功能。
　　由于沒有規(guī)定通信拓撲，并且對設備之間的通信接口沒有任何標準，所以各個廠家只是根據客戶需求自行設計和定義物理通信鏈路上的通信接口，上述的三個層次僅是抽象的概念。由于IEC6185O使用以太網作為基本通信技術，并沒有限制實際的網絡形式，所以，隨著網絡技術的進步，同一個網絡完全可以融合變電站總線和過程總線。這樣的通信系統(tǒng)既有利于變電站與控制中心構成統(tǒng)一的無縫通信網絡，而且可以同時實現(xiàn)變電站內的無縫連接。
　　變電站層有兩種功能。變電站層功能是指SAS到各個接口的功能，即到本地站操作員人機接口、遠方控制中心遙控接口或遠程監(jiān)視維護工程遠方監(jiān)視接口的功能。另外一個功能是指利用多個變電站或間隔的數(shù)據，而且作用到整個站的一次設備或多個間隔。
　　間隔層是利用分析某個間隔數(shù)據，然后可以實現(xiàn)控制該層一次設備的目的。該功能是與任何類型的I/O或智能傳感器和執(zhí)行器通信，即通過一定的邏輯接口在間隔層內通信或與過程層通信。
　　過程層功能是連接到過程的全部功能。

　　四、數(shù)字化變電站對變電站的影響

　　1.對二次系統(tǒng)應用的影響
　　由于現(xiàn)代數(shù)字技術的發(fā)展以及相關標準的制定，變電站數(shù)字化技術得以迅速發(fā)展應用。在電氣量采集的環(huán)節(jié)、IED設備數(shù)據傳輸交換方式、變電站信息冗余性、變電站二次系統(tǒng)運行安全性、可靠性等，都將由于變電站數(shù)字化技術的應用產生巨大的影響。
　　2.對變電站整體建設方案的影響
　　當今，由于土地價格昂貴，縮小變電站的占地面積將是目前變電站建設急需考慮的問題。由于電子式互感器的體積小，方便安裝，與其他高壓設備集成方便，所以能減少變電站的占地面積。實現(xiàn)數(shù)字化的變電站基本上沒有電纜，采用光纖通信，造價低，重量輕�？梢匀∠�變電站內大部分電纜井和電纜層，建設變電站的成本也可大大減少。
　　3.數(shù)字化變電站對設備調試的影響
　　數(shù)字化變電站不僅可以提高二次系統(tǒng)安全性，而且可以大大簡化二次系統(tǒng)的調試；電壓互感器的極性由安裝位置決定，所以現(xiàn)場不需要校驗；絕緣電阻不需要測試；電子式互感器還可以確保使用數(shù)據正確，這是由于該設備傳輸?shù)臄?shù)據都有標記，方便識別；除此之外，由于一二次回路接線不需要查線，原來的查線工作大大減少，減輕運行維護人員的工作量；由于絕緣的系統(tǒng)的光纖信號傳輸回路，所以沒有接地，減少了變電站檢查接地的工作量。

　　五、數(shù)字化變電站未來的發(fā)展

　　電力系統(tǒng)通過SAS技術的應用，不僅提高了電網運行的安全性、穩(wěn)定性，而且還大大減少了系統(tǒng)的維護和檢修費用，具有十分明顯的經濟價值。由于變電站是整個電力系統(tǒng)最基本信息源，所以它也是整個系統(tǒng)中數(shù)字化的基礎�；�于以上原因，數(shù)字化變電站應具備以下幾項技術優(yōu)點。
　�。�1）過程層信息系統(tǒng)內部互相調用。在數(shù)字化變電站過程層的數(shù)據化的信息傳輸都是通過光纖完成的，所以過程層的信息可以實現(xiàn)系統(tǒng)內部互相調。
　�。�2）數(shù)字化變電站通信網絡技術有及時性、穩(wěn)定性以及兼容性等優(yōu)點。
　　（3）信息模型化和互操作。作為電力系統(tǒng)的信息源頭，數(shù)字化變電站不僅要提供盡可能多的信息，而且這些信息應建立在統(tǒng)一的電力系統(tǒng)信息模型的基礎之上。作為執(zhí)行終端，實現(xiàn)各種協(xié)同功能是數(shù)字化變電站最基本的特征，這要求IED之間能夠互操作。為了實現(xiàn)設備之間互相操作，變電站信息的標準化是基礎。
　�。�4）檢測調試方法的變化。由于數(shù)字化變電站中的大多數(shù)自動化功能都以數(shù)據通信的方式實施，所以通信監(jiān)測設備顯得非常關鍵，不僅用于檢查網絡的聯(lián)通性，而且對通信過程和傳輸信息進行監(jiān)視，用來分析自動化功能的實施情況。
　　（5）廣域自動化功能。數(shù)字化變電站的通信網絡建設需求是互相兼容的，傳輸?shù)男畔⒂型�一個標準同時必須能夠相互共享，這樣才能達到電網與變電站之間協(xié)同配合的目的。
　　六、總結
　　由于數(shù)字化變電站技術涉及到許多通信網絡以及新設備的應用，所以從研發(fā)到實際應用將會是比較長期的過程。如IEC61850標準體系、智能斷路器、電子式互感器、網絡通信技術等。由于各種新技術沒有經過一定時期的實踐檢驗，所以在現(xiàn)場應用的穩(wěn)定性需要結合工程實際逐步完善。
　　國內外數(shù)字化變電站的研究和建設也還在起步階段。我國的數(shù)字化變電站建設的總思路是先把低電壓變電站（110kV以下）作為建設試點，通過一段時間的摸索，然后應用到高的電壓等級的變電站上，在此期間更需要進行大量的理論研究和實踐摸索。同時，由于目前大部分變電站都沒有經過數(shù)字化改造，所以現(xiàn)有的常規(guī)變電站就可以為數(shù)字化變電站技術的發(fā)展提供應用的平臺，而電網的發(fā)展也為變電站數(shù)字化技術提供契機。未來數(shù)字化變電站應用技術的成熟，將標志著新一代數(shù)字化電網的實現(xiàn)。
　　但一些數(shù)字化變電站關鍵技術和設備，如電子式互感器、智能斷路器技術、網絡通信技術等還處于實際應用的起步階段，需要進行大量的理論研究和運行經驗的積累。

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