数字化变电站意义及关键技术研究 智能变电站关键技术
摘 要：基于IEC61850标准，对研究数字化变电站重要意义进行了探讨。结合数字化变电站二次体系结构，对数字化变电站关键技术进行研究，从整体上对数字化变电站进行阐述。 关键词：数字化变电站 ；意义 ；关键技术 ；体系结构
中图分类号：TM76 文献标识码：A
1实现数字化变电站的重要意义
变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平，一定程度上提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可靠性。然而，传统变电站自动化系统仍然存在下列问题：
互操作问题
由于不同厂家变电站自动化系统采用的通信技术和协议各不相同，造成产品之间缺乏互操作性，导致集成和维护成本的增加，也降低了系统的可靠性。
电磁式互感器的问题
传统互感器存在铁芯饱和、暂态特性差和体积庞大等缺点，难以满足现代自动化技术的需求。
常规一次设备的问题
目前多数变电站都没有装设状态监视设备，由于缺乏一次设备状态监视信息，通常只能采用计划检修，而不能实现状态检修。同时，非智能断路器设备也不能实现按波形控制合闸角和在线监测的功能。
线缆投资、运行维护费用较高
数字化变电站成功地解决了上述传统变电站存在的问题，是电力系统发展的必然趋势，是通讯技术、信息技术和计算机技术发展的必然结果。IEC61850标准以及数字化技术在变电站内的全面推广应用将是解决这些难题的关键所在。目前，国际电工委员会TC57工作组已经制定了《变电站通信网络和系统》系列标准——IEC 61850，为变电站自动化系统提供了统一平台和标准框架。随着电子式电流、电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响，全数字化的变电站自动化系统即将得到广泛的应用。通过数字化变电站技术的研究和实施，提高变电站自动化系统以及整个电网的技术水平和安全稳定运行水平。
目前我国正在大力建设创新型国家，国家电网公司已成为全国“创新型试点企业”。国家电网公司高度重视科技进步和自主创新，将其作为公司和电网发展的战略支撑，力争掌握一批拥有自主知识产权的关键技术和核心技术，占据世界电力科技发展制高点，在能源技术创新中积极发挥主体作用和表率作用，服务创新型国家建设。而数字化变电站在各个方面均顺应了科技进步和自主创新的要求。首先在技术储备方面，IT技术与通信技术近些年来的突破性进展使得数字化变电站从技术和经济角度而言成为可能，智能化电气设备的发展，特别是智能化断路器、电子式互感器等机电一体化智能设备的出现，使得变电站进入了数字化发展的新阶段；其次在发展水平上看，在数字化变电站的研究、试验、工程推广等方面，国外企业也刚刚开展，尤其国内在ECT/EPT及变电站自动化等方面的研究工作并不落后于国外企业，可以说实现数字化变电站是建设创新型电网的要求，也是我国电力行业赶超国际水平的一个契机。
通过数字化66kV变电所的建设与研究，提出适合中国电网结构及运行方式的完整的66kV数字化变电站系统方案，将对鞍山以至整个辽宁电网的数字化建设工作产生积极影响。
数字化变电站含义及其关键技术
数字化变电站技术是指基于IEC61850标准建立全站统一的数据模型和数据通信平台，实现站内一次设备和二次设备的数字化通信，以全站为对象统一配置保护和自动化功能。
其主要特征包括：
——基于IEC61850的全站统一的数据模型及通信服务平台；
——智能化一次电气设备；
——基于全站统一授时的网络化二次设备。
我们认为实现“数字化变电站”的关键技术包括以下几点：
●IEC61850的体系架构
●全站功能的统一配置
●一体化功能系统控制器
●通信网络架构
●电子式电流/电压互感器
●智能化的一次设备
●全站统一的授时系统
数字化变电站基本内容
分析上述数字化变电站要求可见，完整的数字化变电站方案应包括符合IEC61850标准的全部一次、二次系统的实现。大体可分为以下几部分内容：
a一次部分
●变压器
●开关、刀闸
●直流系统等
b二次部分
二次系统在逻辑上按功能可分为过程层、间隔层和变电站层，结构如图1所示：
●硬件设备
为实现图1所示的逻辑功能，二次系统设备包括：
a.电子式互感器、合并单元
b.变压器智能单元
c.开关、刀闸控制器
d.直流系统智能单元
e.满足IEC61850标准的系统控制器
f.监控主机（操作员站，工程师站）
g.远动主机
h.打印服务器
i.工业以太网交换机和用于光纤通信的光端机
●软件系统
软件系统采用跨平台结构设计，可选择windows、Unix、linux操作系统；数据库结构按照IEC61850模型定义、实现，所有程序支持IEC61850模型。系统集成工程化工具为工程人员或用户提供完善、方便的配置、测试、维护手段，包括系统的配置/组态、实时库的管理、模型、通信的一致性测试、SCL配置文件和参数化的管理等功能。
●站内通信网络
系统应以网络交换以太网技术为基础，站级总线采用星型结构光纤10M/100M以太网，组网方式为VLAN虚拟以太网，具有自愈功能；过程总线选择星型结构光纤100/1000Mb以太网，防止出现实时信息在网络上发生碰撞以至影响实时响应要求。必要时可考虑采用VLAN优先级协调多以太网跨过多交换机运行。
在66kV数字化变电站的设计方案中，根据需要传输的数据量的计算结果，站级总线和过程总线均采用星形结构光纤100M以太网。
●授时系统
时钟同步系统由网络时间服务器（主时钟）及时钟扩展输出装置（扩展时钟）组成。时钟同步系统具有两台互为备用的网络时间服务器，时钟扩展输出装置的具体数量根据现场实际进行选项匹配，以满足时间系统对信号数量和种类的要求。网络时间服务器和时钟扩展输出装置既可以集中组屏，也可根据现场的实际情况单独组屏。
参考文献
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论数字化电力变电站重要技术以及对未来的发展？
为了提高电力系统的自动化水平和可靠性，提高电网企业的经济效益和管理水平，我国电力企业积极进行变电站的数字化。随着国家标准的不断完善以及智慧断路器、非常规互感器和网路技术的发展，数字化将是未来变电站自动化发展的必然趋势。 一、数字化变电站的特点 随着数字化技术的出现和应用，数字化变电站的概念也被提出。数字化变电站可以实现资讯的整体和统一处理,同时具备变电站内IED之间、控制中心和变电站之间协同互动执行的能力。一般情况下，数字化变电站具备以下几个技术特点。 1.层次化 由于所具备的功能差异，变电站的结构逻辑可分成间隔层、过程层以及变电站层。间隔层的作用是通过本间隔的资料作用于自身间隔的一次装置。所有与一次装置介面功能的实现是通过过程层完成的。利用全站的资料，变电站层可以对全站的一次装置进行监视以及控制，同时可以实现与远方控制中心进行交换资料。 2.一次装置的智慧化 可程式设计***PLC***控制器可以替换变电站二次回路中的继电器及其配套的逻辑回路，光电数字和光纤将会代替变电站目前普通的模拟讯号和控制线路被。 3.二次装置的网路化 变电站的二次装置不设功能装置重复的输入/输出介面，通过网路可以真正实现资料共享、资源共享，普通的功能装置也会演变成逻辑的功能模组。 4.执行管理实现自动化 日常执行、维护、资料记录可以实现无纸化办公和自动化的资讯分流交换;变电站发生故障时，及时提出故障原因和维修意见;系统可以自动发出变电站装置状态检修报告。 二、数字化变电站中的关键技术 由于使用者对供电质量、可靠性要求以及电压等级和电网容量的不断提高，电力电子、感测器、网路通讯和讯号处理等技术日渐成熟，所以变电站一次装置智慧化、自动化成为发展的必然趋势。当前，该技术主要是智慧断路器、整合型智慧开关以及电子式电流电压互感器等装置的发展和应用。 1.非常规的互感器 随着计算机技术和光电技术日益成熟，非常规互感器在实际生产中得到了广泛的应用。它具有很强的抗电磁干扰能力、绝缘好、可测量频频宽，新型光电/电子式互感器具有现代光电技术的优点以及电光晶体的各种优异特性，在电力行业有着广泛的应用。同时，结合数字讯号处理DSP技术和光电技术，未来将呈现出很好的发展势头。 数字化保护和测控装置可以和非常规互感器直接介面，省去了中间环节。它的优点是：能隔离高低压，绝缘效能良好;由于不含铁芯，铁磁谐振和磁饱可以消除;良好的抗电磁干扰效能，低压侧无开路高压危险;测量精度高，动态范围大;频率响应范围大;无易燃、易爆等危险。 由于以上优点，非常规互感器不仅具有可观的经济效益和社会效益，而且能很好地适应电力系统数字化、智慧化和网路化发展的需要，提高了电力系统自动化程度并且能够保证其安全可靠的执行。 2.整合型智慧开关装置 国外一些大的电力装置生产公司已经推出类似产品，瑞士ABB公司推出的接插式开关系统PASS是最具代表性的。它是ABB公司在生产气体绝缘组合电器GLS和空气绝缘开关装置ALS的基础上研发的一种新型电器装置，而该款产品具备了GLS的优点。从20世纪末应用至今，已在美国、加拿大、英国、瑞典等变电站使用并且使用者反应良好。可以说，整合型智慧开关装置是电力系统将来一次电气装置的发展方向，它的主要优点是结构紧凑、安装方便、接线简化、占地面积小、自动化程度高、可靠性高和日常维护简单。 3.断路器智慧技术 为了改变现有断路器的单一空载分闸特性，自动获得实际开断时电气和机械效能上的最佳开断效果，且由于电网执行过程中会经常有各种开断指令，断路器可以执行相应的智慧操作——自动调整执行机构和灭弧室工作条件的选择。通过智慧断路器的过程层***I/O***通讯介面，输入和输出通讯资料，而这些通讯资料必须符合IEC61850标准。或者说根据IEC61850提出的标准体系，断路器属于过程层装置，所以控制跳合闸命令的传递以及断路器状态资讯传输是通过IEC61850标准的通讯资料来实现的。 三、数字化变电站通讯网路结构 建设数字化变电站的基础之一就是从逻辑概念和物理概念上，将通讯体系分为三个层次，即间隔层、变电站层以及过程层，并且制定了各层通讯介面之间的通讯标准。而另一个前提就是制定的IEC61850标准，该标准的制定，有利于实现电力自动化系统的三个功能，即控制、监视和继电保护功能。 由于没有规定通讯拓扑，并且对装置之间的通讯介面没有任何标准，所以各个厂家只是根据客户需求自行设计和定义物理通讯链路上的通讯介面，上述的三个层次仅是抽象的概念。由于IEC6185O使用乙太网作为基本通讯技术，并没有限制实际的网路形式，所以，随着网路技术的进步，同一个网路完全可以融合变电站汇流排和过程汇流排。这样的通讯系统既有利于变电站与控制中心构成统一的无缝通讯网路，而且可以同时实现变电站内的无缝连线。 变电站层有两种功能。变电站层功能是指SAS到各个介面的功能，即到本地站操作员人机介面、远方控制中心遥控介面或远端监视维护工程远方监视介面的功能。另外一个功能是指利用多个变电站或间隔的资料，而且作用到整个站的一次装置或多个间隔。 间隔层是利用分析某个间隔资料，然后可以实现控制该层一次装置的目的。该功能是与任何型别的I/O或智慧感测器和执行器通讯，即通过一定的逻辑介面在间隔层内通讯或与过程层通讯。 过程层功能是连线到过程的全部功能。 四、数字化变电站对变电站的影响 1.对二次系统应用的影响 由于现代数字技术的发展以及相关标准的制定，变电站数字化技术得以迅速发展应用。在电气量采集的环节、IED装置资料传输交换方式、变电站资讯冗余性、变电站二次系统执行安全性、可靠性等，都将由于变电站数字化技术的应用产生巨大的影响。 2.对变电站整体建设方案的影响 当今，由于土地价格昂贵，缩小变电站的占地面积将是目前变电站建设急需考虑的问题。由于电子式互感器的体积小，方便安装，与其他高压装置整合方便，所以能减少变电站的占地面积。实现数字化的变电站基本上没有电缆，采用光纤通讯，造价低，重量轻。可以取消变电站内大部分电缆井和电缆层，建设变电站的成本也可大大减少。 3.数字化变电站对装置除错的影响 数字化变电站不仅可以提高二次系统安全性，而且可以大大简化二次系统的除错;电压互感器的极性由安装位置决定，所以现场不需要校验;绝缘电阻不需要测试;电子式互感器还可以确保使用资料正确，这是由于该装置传输的资料都有标记，方便识别;除此之外，由于一二次回路接线不需要查线，原来的查线工作大大减少，减轻执行维护人员的工作量;由于绝缘的系统的光纤讯号传输回路，所以没有接地，减少了变电站检查接地的工作量。 五、数字化变电站未来的发展 电力系统通过SAS技术的应用，不仅提高了电网执行的安全性、稳定性，而且还大大减少了系统的维护和检修费用，具有十分明显的经济价值。由于变电站是整个电力系统最基本资讯源，所以它也是整个系统中数字化的基础。基于以上原因，数字化变电站应具备以下几项技术优点。 ***1***过程层资讯系统内部互相呼叫。 在数字化变电站过程层的资料化的资讯传输都是通过光纤完成的，所以过程层的资讯可以实现系统内部互相调。 ***2***检测除错方法的变化。 由于数字化变电站中的大多数自动化功能都以资料通讯的方式实施，所以通讯监测装置显得非常关键，不仅用于检查网路的联通性，而且对通讯过程和传输资讯进行监视，用来分析自动化功能的实施情况。 ***3***广域自动化功能。 数字化变电站的通讯网路建设需求是互相相容的，传输的资讯有同一个标准同时必须能够相互共享，这样才能达到电网与变电站之间协同配合的目的。 ***4***数字化变电站通讯网路技术有及时性、稳定性以及相容性等优点。 ***5***资讯模型化和互操作。 作为电力系统的资讯源头，数字化变电站不仅要提供尽可能多的资讯，而且这些资讯应建立在统一的电力系统资讯模型的基础之上。作为执行终端，实现各种协同功能是数字化变电站最基本的特征，这要求IED之间能够互操作。为了实现装置之间互相操作，变电站资讯的标准化是基础。 六、总结 由于数字化变电站技术涉及到许多通讯网路以及新装置的应用，所以从研发到实际应用将会是比较长期的过程。如IEC61850标准体系、智慧断路器、电子式互感器、网路通讯技术等。由于各种新技术没有经过一定时期的实践检验，所以在现场应用的稳定性需要结合工程实际逐步完善。 国内外数字化变电站的研究和建设也还在起步阶段。我国的数字化变电站建设的总思路是先把低电压变电站***110kV以下***作为建设试点，通过一段时间的摸索，然后应用到高的电压等级的变电站上，在此期间更需要进行大量的理论研究和实践摸索。同时，由于目前大部分变电站都没有经过数字化改造，所以现有的常规变电站就可以为数字化变电站技术的发展提供应用的平台，而电网的发展也为变电站数字化技术提供契机。未来数字化变电站应用技术的成熟，将标志著新一代数字化电网的实现。 但一些数字化变电站关键技术和装置，如电子式互感器、智慧断路器技术、网路通讯技术等还处于实际应用的起步阶段，需要进行大量的理论研究和执行经验的积累。
浅谈当前数字化变电站的技术基础与特征
浅谈当前数字化变电站的技术基础与特征 论文关键词：数字化变电站 技术基础 特征 论文摘要： 当代科技的不断发展，促进了微电子技术及信息技术在电力系统中的应用与发展。同时，数字化技术的引入也使得变电站的运行发生了变化。变电站引入数字化技术使变电站的二次设备逐渐向一次设备进行延伸。传统变电站的数字化过程使得变电站运行更加自动化，管理更加科学化，因此研究数字化变电站的技术基础及特征有着非常重大的意义。 数字技术的发展及应用使得数字化变电站有了技术的支撑。目前，我国数字化变电站的技术主要有数字化的电气量测量系统。而变电站的自动化技术基础主要包括：智能化的开关、光电式的电流及电压互感器、一次运行的设备、在线状态的检测系统、运行操作的培训仿真技术等。数字化变电站的特征及技术的影响势必会使数字化的变电站成为发展的趋势。本文就数字化变电站的主要技术基础及特征进行论述。 1．数字化变电站的技术特征 当前的数字化变电站主要通过电子式互感器、智能化的开关等数字化的一次设备、网络化的二次设备分层组成，在IEC61850通信规范的基础之上逐步实现变电站系统不断信息化、自动化智能化等要求。 首先，变电站中的电气设备信息通过数字化技术可以实现相互间的资源共享及利用，使操作更加便捷，同时减少变电站相关设备退出的次数及时间，减少了损耗，提高了设备的使用时间，对于自动化设备的数量进行精简，极大的简化了变电站的二次接线，提高变电站设备使用系统的可靠性，维护及及时更新扩展变电站中的设备功能。 其次，逐步实现了变电站信息在其系统运行过程中和其它支持的系统之间的信息共享，减少了资源重复建设，有利于投资成本的回收并延长变电站的使用年限。减少周期内的维护成本与建设费用。数字化变电站主要标志就是实现了数据采集的数字化，通过运用数字化的电气量测工具，比如光电式的互感器、电子式的互感器等来采集电流、电压等，对这些电气量的采集与测量，实现了变电站第一、二次系统的有效隔离。因此，也就增大了变电站的电气量动态测量的范围。同时，因为采集的数字化也提高了电气量的测量精确率。在准备实现变电站信息共享的同时，为以往变电站装置冗余迈向信息冗余提供了信息基础，逐步使变电站的电气量采集与测量走向了信息化、集成化。 第三，变电站信息系统分布出现分层化。以往变电站的自动化系统主要是集中式，而数字化变电站则改变了以往的集中式采用了分布式。数字化变电站通过采用第二代的分层分布式自动化系统可以更加完整的记录变电站内各个设备的信息，并及时的显示，大大提高了网络通信的'速度和开放程度。 在IEC61850通信规范的基础之上提出的有关数字化变电站的过程层、间隔层及站控层等三层结构模式。可采用面向对象进行建模，通过软件复用、嵌入式等实时操作控制系统等高科技技术，不断满足数字化变电站等电力系统对于实时性、可靠性的需求。不但可以有效的解决变电站中异构系统间的信息的互通问题及装置不同引起的系统操作问题，而且还给当前的数字化变电站的分层分布式模式提供了强大的技术支持。 2．数字化变电站的技术基础 当下数字化变电站需要的技术基础支撑主要有非常规传感器；可靠稳定的通信网络；数字化变电站的组成设备的稳定性。 我国当前的数字化变电站建设是应用现代科学技术的必然趋势。伴随着众多变电站技术问题的研究与解决，数字化变电站的技术基础越来越稳定。首先，通过数字化变电站的设备组成可以看出数字化变电站的技术基础。数字化变电站的技术设备主要由电子式电压电流互感器、智能化的一次设备、网络化的二次设备组成。 电子式的电压电流互感器主要通过罗哥夫斯基线圈，进行电阻分压、阻容分压和电容分压，以此替代传统电磁式的电流电压互感器。这样，数字化变电站的电子式电流电压互感器采用了先进的电子元器件和电磁兼容等设计，可以更加直接的策略电流电压信息。并且通过和数字化的仪表等智能化的综合测量装置，用计算机技术对电流电压等信息的测量，并进行数字化处理使得国家电网中的电气设备可以进行网上在线状态监控与保护。而传统变电站中的常规互感器则与电子式的互感器有很大的差别，不但比电子式的互感器绝缘复杂化、而且体积比较大、重量重动态测量的范围比较小；不如电子式的互感器能够在电力系统的运行中根除重大的电力故障隐患，保证国家变电站用电设备的安全及人身安全。 智能化的一次设备主要是根据变电站相关设备的规范标准，不但具备普通传统变电站的开关设备的基本功能，而且在这个基础之上更加的智能化。除此之外，数字化变电站的智能化的一次设备还可以进行在线监控、利用数字化接口及智能化电子开关来操作变电站中一系列的高级智能化设备。因此，数字化变电中的智能化的一次设备是数字化变电站的重要基础设备，可以提供被检测的信号回路及被控制的操作驱动回路。通过计算机进行微处理及光电技术的设计，简化了传统常规机电式的继电器和控制回路的结构。同时，智能化一次设备提供了数字化变电站技术基础，通过数字程控器与数字公共信号网络进行连接，有利于变电站二次回路。同时，光电数字及光纤也代替了传统的强电模拟信号与控制电缆。更加节省了变电站的电缆用量、减少占地面积，缩短了数字化变电站的投运周期及电子式电压互感器的电气距离。更为重要的是通过智能化一次设备，数字化变电站在提供在线检测的同时，减少了人为失误更优化了控制回路。 最后，变电站中网络化的二次设备。传统变电站内的常规化二次设备，主要由继电保护装置、防误闭锁装置、测量测控装置等组成，这些网络化的二次设备可以标准化、模块化的进行计算机微处理机。通过网络化二次设备之间的告诉网络通信通道的连接，真的达到数据的资源共享、信息传递的高速化。 3．当前我国数字化变电站的技术 目前，我国数字化变电站的技术主要有数字化的电气量测量系统。拥有稳定性高的电气量测量系统对于建设数字化的变电站可以说是至关重要的。当前，国际上对于电压式的互感器系统称为非常规互感器，这种电压互感器和以往变电站所采用的传统的互感器有很大的差别。 在新型的电压互感器中基于电光效应的电压互感器基于电光效应的互感器称为光学电流电压互感器或者称为无源式互感器而其余的则为电子式电流压互感器或者称为有源式互感器。众所周知，由于线性的双折射现象和发光源器件的发光强度会下降，光在传输过程中引起的偏振角变化以及在不同材料的中维尔德常数也会受到外界温度的影响，造成无源式互感器的测量精度不稳定等问题。而光学互感器则拥有比较好的线性度、测量精准度、无源、不轻易受到电磁干扰等优势。我国目前的数字化变电站的该井需要采用这种新型互感器的优点，通过其工作的原理提高变电站工作的稳定性。
什么是数字化变电站
数字化变电站是由智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等）和网络化二次设备分层（过程层、间隔层、站控层）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现代化变电站。 数字化变电站是应用IEC61850进行建模和通信的变电站，数字化变电站体现在过程层设备的数字化，整个站内信息的网络化，以及开关设备实现智能化。
功能特点：
在高压和超高压变电站中，保护装置，测控装置，故障录波及其他自动装置的I／O单元，如A／D变换，光隔离器件，控制操作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的数字化传感器，数字化控制回路代替了常规继电保护装置，测控等装置的I／O部分；而在中低压变电站则将保护，监控装置小型化，紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。
性能指标：
在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关，光电式互感器机电一体化设备的出现，变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。
新型数字变电站的的主要特征系统由四部分组成：
（1）基于全数字和光纤的信号采集系统
（2）继电保护和综合自动化系统
（3）数字遥视监控系统
（4）基于智能高效的电能质量调节系统
数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可分为三个层次，根据IEC6185A通信协议草案定义，这三个层次分别称为“过程层”，“间隔层”，“站控层”。
数字化变电站的主要优点有六个方面：一是各种功能共用统一的信息平台，避免设备重复投入。二是测量精度高、无饱和、无CT二次开路。三是二次接线简单。四是光纤取代电缆，电磁兼容性能优越。五是信息传输通道都可自检，可靠性高。六是管理自动化。数字化变电站的主要特点也是六个方面：一是变电站传输和处理的信息全数字化。二是过程层设备智能化。三是统一的信息模型：数据模型、功能模型。四是统一的通信协议：数据无缝交换。五是高质量信息：可靠性、完整性、实时性。六是各种设备和功能共享统一的信息平台。
