数字化变电站自动化系统发展趋势

目前，我国数字化变电站系统已经投运电网、核电、煤炭等领域的25 个科技试点或工程建设重点项目。现从数字化变电站、数字化变电站自动化系统的特点、结构、网络选型、主要问题以及数字化变电站自动化系统发展趋势等方面进行了探讨分析。 
1 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。数字化变电站的优点： 
1.1 性能高 
(1)通信网络统一采用IEC61850规范，无需进行转化，能使通信速度有所加快，系统的复杂性以及维护难度都有所降低，由此通信系统的性能提高。(2)数字信号采用光缆进行传输，传输过程中没有信号的衰减和失真。(3)电子互感器无磁饱和，精度高。 
1.2 安全性高 
(1) 电子互感器的应用在很大程度上减少了运行维护的工作量，同时提高了安全性。(2)电子互感器使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能危及人身安全等问题已经全部消失，很大程度上提高了安全性。 
1.3 可靠性高 
合并器如果收不到数据，就会判断通讯故障(互感器故障)而发出警告，因此设备自检功能强，提高了运行的可靠性以及减轻了运行人员的工作量。 
1.4 经济性高 
(1)实现了信息共享，兼容性高，变电站成本减少; 
(2)解决了电子互感器渗漏问题，由此减少了检修成本;(3)技术含量高，具有环保、节能、节约社会资源的多重功效。 
2 数字化变电站自动化系统的特点 
2.1 智能化的一次设备 
    一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。 
2.2 网络化的二次设备 
    变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。 
2.3 自动化的运行管理系统 
    变电站自动化运行管理系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化;数据信息分层、分流交换自动化;变电站运行发生故障时能及时提供故障分析报告、指出故障原因、提出故障处理意见;系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。 
3 数字化变电站自动化系统的结构 
    数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为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过程层、间隔层以及变电站层。 
3.1 过程层 
(1)运行设备在线监测参数包括：压力、温度、密度、绝缘、机械特性等数据。 
(2)电流、电压、相位以及谐波分量的检测就是电力运行的实时电气量检测，其他电气量可通过间隔层的设备运算得出。 
(3)电容、电抗器投切控制、变压器分接头调节控制、直流电源充放电控制以及刀闸合分控制是操作控制的执行和驱动的主要内容。在执行控制命令时能对即将进行的动作精度进行控制、能判别命令的真伪及其合理性，能使断路器定相合闸、选相分闸，要求操作时间限制在规定的参数内以实现断路器的关合和开断等。 
3.2 间隔层 
    实施对一次设备保护控制功能;汇总本间隔过程层实时数据信息;实施本间隔操作闭锁功能;优先控制对数据采集、统计运算以及控制命令的发出;实施操作同期及其他控制功能;同时高速完成与站控层和过程层的网络通信功能。 
3.3 变电站层 
(1)根据既定规约，将相关数据送往调度中心。 
(2)利用两级高速网络对全站的实时数据信息进行汇总，对实时数据不断进行刷新，历史数据库要按时登录。 
(3)接收调度中心的相关控制命令，转到间隔层、过程层进行执行。 
(4)具有站内当地监控、人际联系功能，在线可编程的全站操作闭锁控制功能，变电站故障自动分析和操作培训功能，对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能。 
4 数字化变电站自动化系统中的网络选型 
    网络系统的可靠性和信息化传输的快速性决定了系统的可用性，它是数字化变电站自动化系统的命脉。数字化系统中网络上多个CPU协同完成全信息的采样、保护算法与控制命令的形成。网络的适应性是控制好采样的同步和保护命令的快速输出的最基本的条件，网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定是控制好采样的同步和保护命令快速输出的关键技术。数字化变电站自动化系统的两级网络全部采用100 MHz以太网技术。 
5 数字化变电站自动化系统中的数据建模 
    变电站化系统及相关设备、功能和数据进行建模是通过采用面向变电站对象建模的方法，其采用统一建模语言UML来进行描述，并将这些模型在变电站层的计算机上、间隔层的IED上以及过程层的ECT/EVT和智能终端上软件实现，以完成过程层、间隔层IED之间及IED与变电站层计算机之间的通信。以下几个步骤分别是实际IED的数据建模的过程。 
5.1 功能建模 
    数字化变压器保护装置的每个功能都定义为相应逻辑节点类的一个实例，如差动保护、瞬时过流保护、谐波制动功能分别用逻辑节点PDIF、PIOC、PHAR来表示;测量功能用MMXU表示;就地设定和手动操作功能用IHMI来表示;扰动纪录功能用RADR来表示;断路器控制功能用CSWI来表示;断路器用XCBR来表示;电流电压互感器用TCTR、TVTR来表示。然后根据实际情况，在不同的物理装置内分配LN。 
5.2 设备建模 
    设备建模主要是对IED的Server、LD、LN、DO及DA进行依次建模。一个IED可能包含一个或多个服务器，服务器是物理设备中的一个通信实体，是物理设备的外部通信接口，包含从通信网络可视和可访问的内容。 
5.3 信息交换服务建模 
    根据实际需要信息交换服务建模完成设置组控制块(SGCB)、报告控制块(BRCB和URCB)、纪录控制块(LCB)、通用变电站事件控制块(GOCB和GSCB)、采样值传输控制块(MSVCB和USVCB)和DATE-SET、文件、关联等的建模。 
6 数字化变电站自动化系统发展中的主要问题 
    在过程层、间隔层、变电站层这3个层中，数字化变电站自动化系统的研究正在自下而上逐步发展。过程层是目前主要集中研究的内容。在国外，已经对过程层有了较成熟的经验;在国内，许多大专院校、研究院等都对其进行了开发研究，并且在某些方面还取得了较满意的成绩。我国目前在数字化变电站自动化系统的研究中还存在一定的问题，首先，需加强研究开发过程中专业协作;其次，改进材料器件方面的缺陷;再次，实验控制、检验标准、测试方法还处于弱势;最后，一体化的通信协议。 
7 数字化变电站自动化系统发展趋势 
    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保持在50～80亿元。 
    随着国家电网公司坚持智能电网计划的实施，变电站将向智能变电站发展，一次设备要升级为智能电力设备，二次设备则成为智能控制单元，这是一个革命性的变化。