數(shù)字化變電站設備技術功能與應用研究

茆睿

【摘 要】 隨著智能技術的不斷變化發(fā)展，在變電站自動化領域，機電一體化智能設備的出現(xiàn)使變電站綜合自動化技術進入了數(shù)字化發(fā)展的新階段，數(shù)字化變電站的相關功能也得到了更為廣泛的應用。本文從數(shù)字化變電站的含義及現(xiàn)狀入手，探討了數(shù)字化變電站設備應用的技術功能以及發(fā)展趨勢，并著重對其應用方法做出分析。

【關鍵詞】 數(shù)學化變電站 設備 功能 應用 研究

近年來，伴隨著網絡化、智能化、集成化技術的迅速提高，數(shù)字化變電站也成為了電力行業(yè)未來發(fā)展的主要趨勢之一，據(jù)此，本文對于數(shù)字化變電站設備技術功能與實際應用所作出的研究，也具有了十分重要的現(xiàn)實意義。

1 數(shù)字化變電站的相關概述

1.1 數(shù)字化變電站的內涵及特征

數(shù)字化變電站是由智能化一次設備（電子式互感器、智能化開關等）和網絡化二次設備分層（過程層、間隔層、站控層）構建，建立在IEC61850標準和通信規(guī)范基礎上，能夠實現(xiàn)變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。數(shù)字化變電站具有多方面的特征，簡要概括起來主要有以下幾個方面：

（1）內部緊湊化。數(shù)字化變電站的內部構成通常來說是較為緊湊的，整個變電站內部包含的開關設備、數(shù)字化電氣光電測量設備以及自動化集成系統(tǒng)，都是依靠先進技術理念而完成設計制作的。在此類變電站中，測控裝置、保護裝置、故障錄波以及其他的自動化裝置中I/0單元部分，也成為智能設備中的重要組成部分。

（2）布局可行性。IEC61850標準是電力系統(tǒng)自動化領域唯一的全球通用標準。它通過標準的實現(xiàn)，實現(xiàn)了智能變電站的工程運作標準化。使得智能變電站的工程實施變得規(guī)范、統(tǒng)一和透明。不論是哪個系統(tǒng)集成商建立的智能變電站工程都可以通過SCD（系統(tǒng)配置）文件了解整個變電站的結構和布局，對于智能化變電站發(fā)展具有不可替代的作用。對于布局可行性，就需要在IEC 61850標準的基礎上，為數(shù)字化變電站實施分層分布方案提供切實可行的技術條件。

（3）傳送網絡化。數(shù)字化變電站主要是通過網絡高速通信的方式，以完成內部設備間的相互連接。而要滿足數(shù)據(jù)資源共享與其他常規(guī)功能、邏輯功能的需求，則需要從以下方面予以保證：其一是變電站內部的通信網絡，既要保證內部IED設備互相連接，同時也要在電力調度的自動化設計與硬件接口等方面，與國際標準接軌，避免因設備裝置損毀或連接困難而導致的通信中斷等問題出現(xiàn)。其二是變電站的網絡化信號傳輸，所面臨的任務對象是大量的數(shù)據(jù)資源，據(jù)此，也應當對信號保護、任務遙控與數(shù)據(jù)測控等命令做到實時傳送。其三，在滿足及時、可靠的信息傳輸時，也對網絡系統(tǒng)的安全性提出了新的要求，所以，可以通過訪問只讀模式、開啟防火墻、設置復雜密碼與閉環(huán)訪問等方式，對其進行檢測控制。

（4）內容集成化。數(shù)字化變電站的建立，實現(xiàn)了對過去二次裝置分散功能的合理集成，不僅對整個系統(tǒng)結構實現(xiàn)了簡化，大大提高了設備的高效性能，同時也對數(shù)字化測量技術與智能開關集成技術的應用與開發(fā)做出了重要貢獻。使得當下的數(shù)據(jù)信息可以通過集中采集與一齊傳送的方式，實現(xiàn)信息的共享。

（5）模式規(guī)范化。數(shù)字化變電站中規(guī)范化模式的建設，為信息資源之間的交換奠定了基礎。主要表現(xiàn)在兩個方面：一，標準化的模式為操作智能設備提供了行之有效的方法，也使得通信接口與通信協(xié)議保持了高度一致。而且這種簡單的操作方式也為簡化系統(tǒng)工程的實施、系統(tǒng)維護等其他相關工作提供便利。其二，對系統(tǒng)內部的配置、維護工程的實施以及網絡連接任務的完成，都可以利用XML變電站的配置語言展開描述、儲存、配置、管理。

（6）方式智能化。發(fā)展數(shù)字化變電站其中最為顯著的特征之一，就是在變電站使用過程中，會經常利用電子、微機、電力相關技術與新式傳感器，建立起適合系統(tǒng)需要的高壓斷路二次系統(tǒng)。而此種系統(tǒng)又主要具備三項特點，其一是控制開關的相關專用信息一般有設備內部的微機直接進行處理，而非依靠變電站控制，實現(xiàn)了獨立執(zhí)行的功能。其二是由電力電子、微機元件構成的執(zhí)行系統(tǒng)能夠對繼電器與控制開關起到輔助的效用，進而替代了常規(guī)性的機械結構，使得整個執(zhí)行過程更為快捷。其三，自我檢測與監(jiān)視開關的一次、二次系統(tǒng)，也能夠在存在漏洞、隱患轉變?yōu)楣收锨鞍l(fā)出警報，對所出現(xiàn)的問題起到及時地預警、解決作用。通過一些智能軟件的使用，也使得控制、保護等任務能夠通過網絡光釬的傳輸實現(xiàn)，而非在變電站中的二次回路完成。

1.2 關于數(shù)字化變電站的研究現(xiàn)狀

在目前關于數(shù)字化變電站的研究進程中，國外一些公司與科研機構已經在這方面經過了長期的專研、探索、開發(fā)、實踐，業(yè)已形成較為先進的運用技術，使變電站數(shù)字化獲得了最為重要的技術支撐?？偨Y來說，要建立數(shù)字化變電站主要可以通過三種方式來得到實現(xiàn)：第一是只采用IEC61850一項協(xié)議的過渡性變電站。第二是采用IEC61850協(xié)議、智能型一次設備與數(shù)字互感器等建立完全型的數(shù)字化變電站。第三是運用IEC61850與數(shù)字互感器，完成數(shù)字化變電站建設。從上述情況看，按照此類協(xié)議標準建立起的數(shù)字化變電站是一項十分龐大、繁雜的系統(tǒng)工程，依靠現(xiàn)今的技術水平，要實現(xiàn)完全的數(shù)字化還存在一定的困難。

另外，從積極方面來說，微電子、電流傳感、智能斷路與網絡通信等技術的不斷成熟，以及標準通信體系的出臺，使得數(shù)值化變電站的運用發(fā)展獲得了較大程度的提高。目前，我國的生產廠商也都致力于推進數(shù)值化變電站工作向前邁進，例如，通過光感互動器、智能接口、合并器、網絡方式和間隔層設備的使用，以滿足數(shù)值化變電站的運行需求，智能化的一次設備也作為數(shù)字變電站的基礎。目前我國也展開了對高壓的智能斷路的研究工作，不僅包含了譬如電抗器、變壓器、電容器的相關內容，同時也為滿足狀態(tài)監(jiān)測與自動化的適應合閘功能的實現(xiàn)奠定基礎。

2 數(shù)字化變電站設備應用的技術功能

數(shù)字化變電站吸收了分布式結構理念，同時隨著各項智能技術的發(fā)展，也共同形成了數(shù)字化變電站建設的關鍵技術。這些內容概括來說主要包括以下幾方面內容：

（1）數(shù)字化光測量技術。要實現(xiàn)數(shù)字化變電站的穩(wěn)定運行，建立新型的傳感器項目則變得十分重要。國際上將與傳統(tǒng)電磁電流、電壓互感等新型互感設備統(tǒng)稱為“非常規(guī)互感器”（簡稱NCIT），目前這種NCIT的主要包含的技術原理主要有光電式的互感器（OVT/OCT）與電子式的互感器（EVT/ECT）。其中數(shù)字化光電電氣的測量主要以光電式或電流變換的方式構成，并且由光纜連接。

（2）開關設備的相關技術。在數(shù)字化變電站中，主要對開光設備進行了智能化和集成化的改進，而這其中的改變主要包括下三個方面：其一是集成了高壓設備開關，由于數(shù)字化變電站要對一次、二次設備的作出集成，而量測系統(tǒng)又為結構的集成緊湊創(chuàng)造了可能，因而也滿足了智能設備開關的整個系統(tǒng)，包括避雷器內部的絕緣子內集成、智能化斷路器集成以及斷路與量測感應集成等要求。其二是也實現(xiàn)了高壓組合器的集成。

（3）網絡通信的相關技術。網絡通信的相關技術也是數(shù)字化變電站的關鍵性技術之一，對變電站的運行效果起到十分重要的作用。而產生影響網絡通信的主要技術因素，主要包括交換式的以太網技術、虛擬的局域網技術、IEEE協(xié)議等內容。其中IEC61850標準內對抽象通信的服務接口（簡稱ACSI）進行引入，使得數(shù)字化變電站的自動化性能也能夠與網絡協(xié)議相獨立，以便于最新的網絡技術可以及時的運用到變電站應用中。此外，抽象通信的服務接口（ACSI）也對物理IED予以隱藏，使得數(shù)字化變電站的功能能夠被靈活、準確地被分配到IED之中。而那些不對IEC61850產生支持的IED，則可以開發(fā)相關的抽象通信的服務接口網關裝置，以此對設備進行接入。

（4）單元合并的技術。單元合并指的是對二次轉換的電流與電壓數(shù)據(jù)進行合成。例如將超過7只的電流互感器與超出5只以上的電壓互感器互相合并為統(tǒng)一的單元組，再將輸出的瞬時信號及時填入進數(shù)據(jù)幀中，以此保障數(shù)字信號能夠體現(xiàn)其優(yōu)越性能。通過合并單元能夠使接受到的信號轉換成標準輸出，而同步接受的信號也能為二次設備所需的時間一致一組電流、電壓值提供幫助。

（5）信息同步的相關技術。二次設備的采樣數(shù)據(jù)通常是在同一個時間節(jié)點上獲得的，通過這種采集數(shù)據(jù)的同步實現(xiàn)，也避免了相位與幅值出現(xiàn)誤差。數(shù)字化變電站中的GPS接受器可以布設在通信設備內，變電站也可以采用網絡時間協(xié)議以此滿足不同設備之間的同步采樣，進而對世界統(tǒng)一時間作為同步源，并將同步誤差控制在1ms以內，該過程應該以IEEE1588作為標準。此種標準包括了許多節(jié)點，并且每一個節(jié)點都代表了一個時鐘，這些時鐘之間主要是通過網絡連接，遵守IEEE1588能確保網絡同步的高度性與精確性，實現(xiàn)通信與執(zhí)行應用程序的時間模式相互分離。

3 數(shù)字化變電站的運用與發(fā)展趨勢

3.1 數(shù)字化變電站的應用

在對數(shù)字化變電站的技術功能與運用現(xiàn)狀進行分析的基礎上，也要對其運用的具體特征方法加以探究。數(shù)字化變電站在運用過程中存在許多特點，主要概括起來包括以下幾方面內容：

（1）一次設備的數(shù)字化特點更為突出。與傳統(tǒng)的變電站相比，數(shù)字化的變電站更具有智能化、科技化的特性，其設備不僅加大了信息化內容，還可以對更多的狀態(tài)信息進行監(jiān)測，同時也可以利用網絡獲取自身系統(tǒng)與其他設備的運行狀態(tài)信息。其自動化程度較之以前也獲得了大幅提高，并且具有了自動化設備種類更多、自動化功能更為復雜、互動能力與協(xié)同操作能力更強等特點。（2）在采集數(shù)據(jù)時能夠實現(xiàn)全景化工作。如上所述，數(shù)字化變電站能夠利用對時系統(tǒng)，完成區(qū)域與站內的時間同步，對站內設備的動態(tài)、靜態(tài)信息模型進行完善，并能夠向電網提供出相關全景數(shù)據(jù)。（3）管理控制的協(xié)同化操作。數(shù)字化變電站技術本身是一個相對復雜的技術體系。而要讓這個體系良好的運作起來，則需要將電力技術同通信技術、計算機技術、電子技術、數(shù)字化光測量技術、智能開關集成技術與其他眾多技術協(xié)同利用起來。

3.2 數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢

數(shù)字化變電站技術的發(fā)展不是一蹴而就的，而是需要一個長期的過程，不僅需要各項技術的日漸成熟，同時也要使之與工程應用能夠進行完美結合。另外在這個發(fā)展過程中，需要讓常規(guī)變電站的相關技術實現(xiàn)兼容，這也意味著研發(fā)人員在探究數(shù)字化變電站的技術層面時，需要從現(xiàn)有的變電站為立足點，并以自動化技術作為基礎，以此實現(xiàn)變電站應用中的穩(wěn)定性發(fā)展與突破性成就，也使得數(shù)字化新技術能夠與電網發(fā)展進行緊密的結合。

目前國內外對于數(shù)字化變電站的主流研究較多的集中在對于智能開關的技術研究上，擁有領先水平的GE、AREVA、ABB等公司在對其進行認真的研究后，已經探索出一些具有試驗性的成果，現(xiàn)正處于試運行階段，我國雖然也有一些公司對智能開關的技術進行深度分析，但目前仍舊處在理論探究與實驗開發(fā)的初級階段。

此外，國內公司對于數(shù)字化變電站的研究開發(fā)，主要集中在IEC61850標準的技術探索中。但從長期的發(fā)展來看，要建立智能化的集成開關、光電式的互感器、智能型的變壓器等一次設備，并且實現(xiàn)數(shù)字化設備間與站內各層之間無縫通信的目的，也要同時滿足了信息資源共享與系統(tǒng)集成的要求，未來變電站的發(fā)展趨勢也必須有著信息高度集成、模型規(guī)范標準、布局結構緊湊、操作方法智能、通信方式快捷等特點。因而這些“數(shù)字化”內容也成為廣大研究人員共同追尋的方向。

4 結語

在對變電站進行改造的過程中，仍舊存在一系列問題，在數(shù)字化設備的研制工作中也出現(xiàn)了許多技術難點。由此，更加需要研發(fā)人員加強實踐鉆研與經驗總結，力求通過不懈努力，對技術難關予以攻破，并制造出功能更強、效率更高、性質更優(yōu)的技術設備，以此實現(xiàn)變電站數(shù)字化的建設，推動我國電力行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。

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