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(wǎng)絡
為了提高電力系統(tǒng)的自動化水平和可靠性，提高電網(wǎng)企業(yè)的經(jīng)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(wǎng)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(jù)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(jù)，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(jù)。
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(wǎng)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(wǎng)絡可以真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(jù)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(wǎng)容量的不斷提高，電力電子、傳感器、網(wǎng)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(jīng)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(wǎng)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(wǎng)運行過程中會經(jīng)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(jù)，而這些通信數(shù)據(jù)必須符合IEC61850標準�；蛘哒f根據(jù)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(jù)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(jīng)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(wǎng)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(jù)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(wǎng)作為基本通信技術，并沒有限制實際的網(wǎng)絡形式，所以，隨著網(wǎng)絡技術的進步，同一個網(wǎng)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(wǎng)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(jù)，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(jù)，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(jù)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。可以取消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(jù)正確，這是由于該設備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(wǎng)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(jīng)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。基于以上原因，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(jù)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(wǎng)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(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡建設需求是互相兼容的，傳輸?shù)男畔⒂型粋�標準同時必須能夠相互共享，這樣才能達到電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡通信技術等。由于各種新技術沒有經(jīng)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(jīng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(jīng)驗的積累。
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