3 山西电力职业技术学院 山西太原 030021）
摘要：进入21世纪以来随着我国社会经济的不断进步，我国科学技术水平也随之相应提高。尤其是在我国实现工业现代化道路中电力工业成为推动我国发展的重要因素之一。但是目前我国的电力工业发展的速度比较低，不能够很好的满足我国社会发展的需要，而且变电站的自动化技术水平也比较低，最终导致我国电力事业发展效率的低下。所以电力部门的改造已经成为实际发展的需要，实现变电站无人值守自动变电，提高变电站的生产效益。变电自动跟踪系统能够采用先进的数字图像处理技术以及模式识别技术对摄像机收集到的图像和数据进行科学的分析和识别，及时跟踪现场可疑的运动目标，并且及时启动应急报警系统。这样的系统能够弥补传统的图像监控系统的不足，及时掌握变电站的现场情况，对出现的问题能够做到及时发现、及时解决。
关键词：自动化变电站；数字化变电站；发展
1 综合自动化变电站概述
变电站综合自动化是一项提高变电站安全、可靠稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，向用户提供高质量电能服务的一项措施。随着自动化技术、通信技术、计算机和网络技术等高科技的飞速发展，一方面综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统，已经成为必然趋势；另一方面，保护本身也需要自检查、故障录波、事件记录、运行监视和控制管理等更强健的功能。
2 综合自动化变电站系统结构
目前从国内、外变电站综合自动化的开展情况而言，大致存在以下几种结构：
2.1 分布式系统结构
按变电站被监控对象或系统功能分布的多台计算机单功能设备，将它们连接到能共享资源的网络上实现分布式处理。系统结构的最大特点是将变电站自动化系统的功能分散给多台计算机来完成。分布式模式一般按功能设计，采用主从CPU系统工作方式，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了CPU运算处理的瓶颈问题。该模式在安装上可以形成集中组屏或分层组屏两种系统组态结构，较多地使用于中、低压变电站。分布式变电站综合自动化系统自问世以来，显示出强大的生命力。目前，还存在在抗电磁干扰、信息传输途径及可靠性保证上的问题等。
2.2 集中式系统结构
集中式一般采用功能较强的计算机并扩展其I/O接口，集中采集变电站的模拟量和数量等信息，集中进行计算和处理，分别完成微机监控、微机保护和自动控制等功能。目前国内许多的厂家尚属于这种结构方式，这种结构有以下不足：（1）前置管理机任务繁重、引线多，降低了整个系统的可靠性，若前置机故障，将失去当地及远方的所有信息及功能。（2）软件复杂，修改工作量大，系统调试烦琐。
2.3 分层分布式结构
按变电站的控制层次和对象设置全站控制级——变电站层（站级测控单元）和就地单元控制级——间隔层（间隔单元）的二层式分布控制系统结构。也可分为三层，即变电站层、通信层和间隔层。
这种结构相比集中式处理的系统具有以下明显的优点：（1）可靠性提高，任一部分设备故障只影响局部，即将“危险”分散，当站级系统或网络故障，只影响到监控部分，而最重要的保护、控制功能在段级仍可继续运行；段级的任一智能单元损坏不应导致全站的通信中断，比如长期霸占全站的通信网络。（2）可扩展性和开放性较高，利于工程的设计及应用。（3）站内二次设备所需的电缆大大减少，节约投资也简化了调试维护。
3 数字化变电站国内外发展情况
数字化变电站是基于IEC61850标准，其工作方向是：追求现代技术水平的通信体系，实现完全的互操作性，体系向下兼容，基于现代技术水平的标准信息和通信技术平台，在IT系统和软件应用通过数据交换接口标准化实现开放式系统。
IEC61850标准提供了变电站自动化系统功能建模、数据建模、通信协议、通信系统的项目管理和一致性检测等一系列标准。按照IEC61850标准建设变电站的通信网络和系统，是建设数字化变电站的有效途径。IEC61850标准的发布和符合其标准的设备的推出，为建设数字化变电站提供了坚实的基础。
国外针对IEC 61850标准的应用和研究开始较早，相应的示范工程在制定IEC 61850的过程中就开始实施。美国、德国、荷兰等国都有示范工程，用以验证标准，通过实践来促进标准的进一步完善。在德国有一个示范工程，参加这个工程的有SIEMENS，ABB，ALSTOM等公司，用一个公司的变电站主站和其他公司的IED相联，然后用另一个公司的变电站主站和其他公司的IED相联，示范工程的总结已在2000年CIGRE会议上发表。
我国引进IEC61850的工作于2001年开始，2005年完成。我国的各主要电力设备制造商也积极研究符合IEC61850标准的变电站一次和二次设备，已有不少产品通过了鉴定和投入运行。同时，一些研究机构和试验仪器制造商也正在研制数字接口的一次和二次设备的测试仪器。
3.1 数字化变电站的结构和优点
3.1.1 数字化变电站的基本结构
数字化变电站智能化系统的构造组成在物理上可以分做两种类别，即智能化的一次设备和网络化的二次设备。借鉴IEC61850标准的变电站组成构造，数字化变电站应该使用三层结构。这三层一一是：变电站层、间隔层和过程层。
首先我们先说一说：变电站层位于变电站自动化系统的的顶端，监察主机、远控主机打印机等，SCADA功能，收纳，实时数据，把最新数据发送至处理中心和按照电网同意的要求发出控制和调整的命令（一些命令直接从调度中心发送过来，命令还有一部分指令来自变电站本身的智能化系统）。其次间隔层：间隔层包括测试控制、保卫等间隔层IED装置，应该顺应应用功能更好的放置逻辑节完成相应的数据解读、运用和控制功能。数字化变电站内二次设备将成为数字化功能模块，例如继电保护、防误闭锁、测量控制、远动、故障录波、安全稳定、实时操作装置和还在研发的在线检测状态的设施等全部基于标准化、模块化的微处理机研究创造，模块之间的关联都是用快速的互联网通信，通过互联网是数据共享成为现实（三过程层过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要功能分三类：电力运行的实时电气量监察。？设备运行的状态参数观察。操作控制执行与驱动
3.1.2 数字化变电站的优点及研究意义
可以提高系统准确程度。数字化变电站使用数字信号的电子式互感器进行输出，数字化的电流电压的数据信息要运送到二次设备并且在二次设备的加工处理进程中几乎不会出现额外的数据差异，大大提高了维护系统、测算系统和计量系统的精确程度。使信号传递的过程更加稳定。数字化变电站的信息传递都采用计算机通信技术实现。信息程序在传递有用的讯号的同时传送信息验证码和自我检索信息，防止出现信息传递出错和监茬通信结构的完整性，PT 断线、CT 断线的判别就再也不是难题了。由数字组成的信号可以通过光纤传递，在起点上解决抗干扰处理掉防止干扰的问题。
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变电站的所有功能可以使用同样的信息中心，使设备和数字化变电站有不一样的的众多信息使用一样的信息模型，按照相同的通讯标准进入变电站通讯网络。变电站的保卫、监察、计算、监控、远程指令、VQC 等系全都使用相同的通信网络获取电流、电压和状态的信息以及发出控制指令，不再需要因为功能的不同建造不同的的信息获取、传传递和执行系统。智能化运行和管理都能通过远程操控实现水平的进一步提高数字化变电站的采用智能一次设备，众多功能都能通过远程操控实现。使通讯系统信息传递的稳定性更好，讯息交换的可靠性和实时性水平都会有很大的提升。变电站因此可以做到海量的繁复烦的自动化功能，是自动化水平有一个质的飞越。
4 综合自动化变电站向数字化变电站转化的技术要点
数字化变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的新型现代化变电站。
4.1 基于IEC61850标准进行统一集成建模
建立基于IEC61850标准的集成统一通信网络，是常规变电站进行数字化升级改造的重要保障基础。各种支持IEC61850 标准的IED电子设备将取代非IEC61850通信规约的产品，进而实现间隔层中不同IED设备间数据信息资源的实时享。站控层中，通过支持IEC61850标准的后台软件、实现各类监控工作站与间隔层各IED智能设备统一通信，进而建立满足IEC61850标准的变电站综合自动化系统，确保变电站安全可靠的运行。
4.2 设备操控的智能自动化功能实现
对于常规变电站自动化系统中的过程层设备，如断路器、隔离刀闸等一次设备暂不具备数字化输出功能。因此，在进行变电站数字化升级改造过程中，需对其进行数字化接口改造，采用就地安装智能操作箱，对设备相关数据信息数字化处理并经过GOOSE数据通信网与间隔层中测控、保护等电子设备进行通信。从而实现断路器、隔离刀闸等过程层开关设备的就地智能化处理，确保与相关二次设备的实时通讯和控制，进而实现一次设备的智能化操控。
4.3 数据采集合并单元实现模拟量分散采样
数字化变电站采用电子式互感器（ECT、EVT）采集现场数据信息。而由于待改造常规变电站系统中采用传统互感器，其模拟量无法直接接入数字化系统，需对常规变电站互感器进行升级改造。采用模数转换模块转换后接入基于IEC61850标准的MU合并单元，对常规互感器所采集的模拟量进行采样，并实时转换成对应的数字信号，且严格按照IEC61850-9-1或IEC61850-9-2标准要求输出并送往间隔层中相关的二次测保设备中，完成对应数据信息的实时采集。当然，也可以采用直接更换为电子式互感器的方式来进行改造。
4.4 数据信息及测控命令的集中式处理
集中分散式结构是变电站数字化升级改造的主要网络架构，采用支持IEC61850标准的站控层软、硬件设备构成整个数字化变电站的运算分析核心，并通过满足IEC61850标准的网络通信与间隔层IED设备、过程层MU合并单元等进行实时数据信息通信共享。变电站系统中的220 kV、110 kV高压进出线、主变等可通过支持IEC61850通信规约标准的测控、保护装置集中组屏布置、而对于35 kV及以下的中低压单元，采用室内、外开关柜就地分布装设方式，采集开关柜中的相关数据信息，实现与站控层相关功能单元的实时通信，构成完善的基于IEC61850标准的数字化变电站自动化系统。
4.5 信息的安全性
由于数据信息通信的安全可靠性直接关系到整个网络系统的安全运行可靠性，因此，在变电站数字化升级改造过程中，必须考虑二次系统的安全防护问题。系统应满足《变电站二次系统安全防护方案》的要求，实现二次系统的安全分区。确保数字化变电站系统安全稳定的运行。
5 存在于数字化变电站中的问题
1）数字化变电站的间隔层，于一个体系中成为一个重要环节，不再是独立体系。这样一来，增大了对过程层设备以及相关的网络设备的依赖程度，而且很大程度上依赖于光纤网络通信的可靠性。网络若出现故障，变电站所有的保护及控制的相关功能会失效，引发严重后果。要求网络设备要具备极高的可靠性，含有间隔层保护、检测和控制等装置设备。
2）研究并采用更加晚上的闭锁机制来实现保护和控制功能。网络对跳合闸命令发送的实现，难以完全保证在非法入侵时的信息安全，存在较大的安全隐患。其中至关重要的就是枢纽变电站，尤其不能出现半点差池。信息安全性，直接决定了变电站系统可靠性如何，系统复杂，则通信频繁，信息的安全性和可靠性的重要之处就凸现出来。IEC61850协议，其开放性和标准性，也对电力系统的安全带来了威胁。尤其要保证二次系统中，相关信息的完整性及确定性，考虑并采用二次系统安全防护的措施，适应变电站信息安全防护的要求。另外，我们要结合电力系统相关的运行特征，以安全标准为根本要求和最终的目的，制定安全防护的相关策略，参考闭环网络和只读访问，密码和防火墙等等。最后，也要充分地考虑到对系统性能，以及宽带网络的影响。
3）鉴于电子式互感器的自身结构以及工作方式，直接或间接地致使难以进行互感器角差、比差的现场试验，更可能无法开展极性的相关试验，待到设备投运带电状态之后，才可以对接线准确性进行相关检验。
4）考虑到数字化变电站，其保护和校验都比较复杂，而在变电站的运行状态下，想要检验部分间隔保护的难度极大，所以，在目前不能提供所需的数字化保护电流量和电压量，常规继电保护的校验装置满足此需要。由于电流量和电压量想要进入保护装置，必须经过合并器，试验的完成也需要自带合并器。所以，母差保护这一类保护校验的完成，需要大量电流和电压量，难度系数很大。
6 数字化变电站的发展趋势
数字化变电站对电气设备行业影响巨大，将导致二次设备行业、互感器行业甚至开关行业的洗牌，并且以IEC61850为纽带将促进一次设备和二次设备企业的相互合作与渗透。未来数字化变电站将实现一次设备的智能化和二次设备的信息化，通过在变电站的站控层、间隔层以及过程层采用全面的标准IEC61850通信协议，避免设备的重复投入。在站控层方面，除了继承传统的监控系统外，应配置远动工作站，目的是向调度实现远程数据传输；在间隔层方面，由于多种IED的应用使的数字变电站产生多种不同的框架结构；在过程层方面，一些高级设备的研发和应用，例如智能化开关设备等。据行业内的分析报告显示，每年都有上千座35 kV及以上等级的新建变电站投入运行，新建变电站基本上都采用自动化系统模式，因此预计未来几年电力系统变电站自动化市场规模每年将近百亿元。
7 结束语
数字化变电站使智能电网的建设有了更加坚实的基础，为提高电网的稳定性提供了技术上的保障，可是要是数字化变电站更加实用还是需要大家继续努力任重而道远。数字化变电站的建造过程是实现智能化电网的基础，通过数字化变电站的研发与应用和示范工程的措施，积攒更多的经验，培养数字化变电站建设、运行和维护等方面将用到的各类人才，研发和制定数字化变电站设计、建设、运行、维护和管理的各种规范，是实现电网智能化和现代化的非常重要的举措。
参考文献：
[1] 高翔.数字化变电站应用技术[M].中国电力出版社，2008（1）.
[2] 王大鹏，等.浅谈数字化变电站的发展及应用[J].山东电力技术，2007，01.
[3] 黄益庄. 智能变电站自动化系统原理与应用技术[M].北京：中国电力出版社， 2012.
论文作者:王红燕1,林霞2,刘晓春3
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/6/7
标签：变电站论文; 设备论文; 系统论文; 标准论文; 间隔论文; 功能论文; 信息论文; 《电力设备》2018年第1期论文;