综合自动化变电站向数字化变电站发展浅析

金 钊，周志宇

（1.哈尔滨工业大学 黑龙江 哈尔滨 150001；2.华北电力大学 北京 102206）

变电站经历过常规变电站、综合自动化变电站、数字化变电站在逐步向智能化变电站发展，而数字化变电站是智能化变电站的基础。数字化变电站概念是指变电站信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化，其基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化。

文中研究了数字化变电站技术特点，采用低功率、紧凑型、数字化的新型电流和电压互感器代替常规TA和TV；一次智能化开关；利用高速以太网构成变电站数据采集及传输系统，实现基于IEC 61850标准的统一信息建模，并比较了数字化变电站比综合自动化变电站优势。

1 变电站发展历程

1.1 变电站阶段划分

第一阶段：1990年前传统二次系统，常规继电器实现保护测控；

第二阶段：1990年至2005年综合自动化变电站推广，技术发展较快；

第三阶段：90年代中期至今综合自动化变电站技术已经比较成熟，向数字化变电站过渡90年代中期IEC提出IEC61850标准2005-2009数字化变电站开始出现；

第四阶段前景：智能电网的发展加快数字化变电站的发展。

1.2 综合自动化变电站发展过程

综合自动化变电站的概念是在微机保护在变电站得到广泛应用的背景下提出来的。由于变电站微机保护装置普及，微机保护除了具备强大的保护功能外，还具备强大的数据采集功能和通讯功能，因此，如果能够将微机保护的数据采集功能充分利用起来，不但有助于降低监控系统的造价，而且还有助于提高变电站运行的自动化水平[1]。

综合自动化变电站的发展经历了两个阶段：第一阶段（上世纪90年代中期）：主要是以110 kV及以下电压等级的变电站为对象开发出了星型结构的综合自动化系统。如图1所示。

图1 综合自动化系统第一阶段星型结构图Fig.1 Integrated Automation system first stage star structure

第二阶段（本世纪初）：主要是以220 kV及以上电压等级的变电站为对象开发出了总线结构的综合自动化系统。综合自动化变电站是借助于通讯技术，将变电站内以微机保护为主体的一系列智能装置所提供的信息综合起来所构成的保护监控一体化变电站。目前运行的变电站综合自动化系统是利用现代电子技术通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备包括继电保护、控制、测量、信号、故降录波、自动装置及远动装置等功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统，通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站运行监视和控制任务[2]。综合自动化系统总线结构如图2所示。

2 数字化变电站

2.1 综合自动化与数字化变电站结构区别

与综合自动化变电站比较，数字化变电站含有以下多种技术的研究应用：IEC61850的应用；电子式互感器及智能高压电器；基于IEC61850标准、电子互感器、智能高压电器等应用的继电保护、测控技术与装置；基于IEC61850标准的电能计量技术；数字化变电站稳定安全可靠性；数字化变电站相关的设计、试验、验收、运行、维护技术标准与规范研究。同是站控层-间隔层-过程层间，综合自动化变电站与数字化变电站结构比较，对比如图3所示。

图2 综合自动化系统第二阶段总线结构图Fig.2 Integrated automation system the second stage bus structure

2.2 数字化变电站建设参考标准

数字化变电站建设参考标准为不同厂家的设备互联提供互操作性；对变电站自动化系统（SAS）功能，将功能分配到装置，实现自由配置；支持未来的技术发展，因为它可兼容主流通讯技 术而发展，并可伴随系统需求而进化，保持稳定性。

图3 传统综合自动化变电站与数字化变电站结构对比图Fig.3 Traditional transformer substation integrated automation and digitized substation structure comparison chart

其中，过程层设备主要包括电子式电流电压互感器、智能一次设备等，现阶段智能化开关由传统开关+智能终端方式来实现开关设备智能化，电子式电流电压互感器采用罗氏线圈+激光供能的光电电流电压互感器来实现互感器设备的数字化[3]。过程层设备具有自我检测、自我描述功能，支持IEC 61850过程层协议。传输介质采用光纤传输。

3 数字化变电站一次与二次设备功能定位

实现数字化变电站一次和二次设备功能重新定位，主要包括以下3个方面。

3.1 一次智能开关

由电力电子技术、数字化控制装置组成执行单元，代替常规机械结构的辅助开关和继电器。可按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合闸过程的时间，减少瞬时过电压幅值；断路器操作所需的各种信息由装在断路器设备内的数字化控制装置直接处理，使断路器装置能独立地执行其当地功能，而不依赖于变电站级的控制系统；新型传感器与数字化控制装置相配合，独立采集运行数据，可检测设备缺陷和故障，在缺陷变为故障之前发出报警信号，以便采取措施避免事故发生；断路器具有数字化接口，可收发GOOSE消息以实现开关控制。智能控制柜方案如图4所示。

图4 智能控制柜方案图Fig.4 Smart control cabinet scheme figure

3.1.1 智能开关现状

为解决开关等其他一次设备智能化的问题，一些二次设备厂家开发了用于一次设备智能化的智能终端（或称智能单元）。智能终端安装在一次设备端子箱，采集设备状态和控制设备，用光纤通信与二次设备交换信息。利用现有的成熟的二次技术，结合传统开关设备，提升智能化水平；与GIS开关相结合的智能汇控柜；智能操作箱/智能终端 （智能I/O）；PASS系统。保护控制一体化开关柜、通过对原GIS开关的汇控柜做智能化改造，把保护、测控和GIS控制功能整合在一起，构成智能开关功能[4]。

目前，智能一次设备通过在一次设备外加智能组件，实现一次设备的保护、测控和状态监测等功能。现阶段技术条件下一般可采用“常规一次设备+智能终端+状态监测单元”的方案，保留常规电气一次设备本体结构或机电控制回路，仅间隔内保留部分电缆接线，达到一次设备的智能化目的，如图5所示。

图5 智能GIS开关与控制柜图Fig.5 Smart GIS switch and intelligent control cabinet

采用“常规开关设备+智能终端”方案相对安全可靠、运行稳定，有在500 kV电压等级运行的经验，在220 kV及以下变电站有较多的成功案例，满足智能变电站的技术要求，智能组件就地安装于一次设备本体或就地户外智能汇控柜内。

3.1.2 智能控制柜方案的优势

1）节约了电缆等设备投资以及相应的施工投资；

2）节约了保护小室及主控室等的占地面积和投资；

3）GIS智能控制柜优化了二次回路和结构；智能GIS开关与控制柜，如图6所示；

图6 一次设备智能化方案（常规开关设备+智能终端）Fig.6 Equipment intellectualization scheme（conventional switch equipment+intelligent terminal）

4）一次二次联合设计，减轻了设计院的负担；

5）基于通讯和组态软件的联锁功能比传统硬接点联锁方便。

3.2 电子式互感器

从电子式互感器CT、PT引出的光缆，根据需要，在端子箱内重新组成对应各保护、测量等回路，二次设备引入测量量，进行A/D变换后，送入CPU处理判断。电子式互感器与常规互感器主要性能比较如表1所示。常规电子互感器与电子互感器外观比较，如图7所示。

表1 电子式互感器与常规互感器主要性能比Tab.1 Electronic transformer and conventional transformer main performance comparison

3.3 IEC 61850的应用

IEC61850是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。采用开放性IEC61850国际标准主要解决网络通信及信息共享和互操作的问题[5]。其特点主要有:信息分层（站控层、间隔层、过程层）、面向对象建模和信息自我描述，适应开放互操作性要求、采用抽象通信服务接口，适应通信网络技术迅猛发展、具有传输采样测量值和快速传输变化值[5]。

4 数字化比传统综合自动化变电站优势

4.1避免重复建设共享统一信息模型

数字化变电站的所有信息采用统一的信息模型，按统一的通信标准接入变电站通信网络。变电站的保护、测控、计量、监控、远动、VQC等系统均用同一个通信网络接收电流、电压和状态等信息以及发出控制命令，不需为不同功能建设各自的信息采集、传输和执行系统。

传统变电站由于各种功能采用的通信标准和信息模型不尽相同，二次设备和一次设备间用电缆传输模拟信号和电平信号，各种功能需建设各自的信息采集、传输和执行系统，增加了变电站的复杂性和成本。

4.2 减少变电站全生命周期成本

变电站的设备间信息交换均通过通信网络完成，变电站在扩充功能和扩展规模时，只需在通信网络上接入新增设备，无需改造或更换原有设备，保护用户投资。

图7 电子互感器与电子互感器外观比较图（中间为220kV光常规电电流互感器Fig.7 Electronic transformer and electronic transformer is appearance（Eiddle of 220 kV light conventional power current transformer）

数字化变电站的各种功能的采集、计算和执行分布在不同设备实现。变电站在新增功能时，如果原来的采集和执行设备能满足已能新增功能的需求，可在原有的设备上运行新增功能的软件，不需要硬件投资。

4.3 二次接线将大幅度简化

数字化变电站的一次设备和二次设备间、二次设备之间均采用计算机通信技术，一条信道可传输多个通道的信息。同时采用网络通信技术，通信线的数量约等于设备数量。因此数字化变电站的二次接线将大幅度简化。

4.4 信号传输采用计算机通信技术实现

数字化变电站的信号传输均用计算机通信技术实现。通信系统在传输有效信息的同时传输信息校验码和通道自检信息，一方面杜绝误传信号，另一方面在通信系统故障时可技术告警[6]。

传统变电站一次设备和二次设备间直接通过电缆传输没有校验信息的信号，当信号出错或电缆断线、短路时都难以发现。而且传输模拟信号难以使用光纤技术，易受干扰。网络架构图如图3所示。

4.5 变电站可实现更复杂自动化功能

传统变电站由于通信系统传输信息的完整性、实时性和可靠性有限，许多自动化技术只能停留在试验室里，难以工程应用。数字化变电站的采用智能一次设备，所有功能均可遥控实现。通信系统传输的信息更完整，通信的可靠性和实时性都大幅度提高。变电站因此可实现更多、更复杂的自动化功能，提高自动化水平。

5 结 论

文中主要阐述了综合自动化变电站技术向数字化变电站发展概况，数字化变电站的几个主要技术特征，研究了数字化变电站的技术背景，数字化变电站的架构体系基本特点，及数字化变电站技术应用对于变电站二次系统的主要影响。分析了数字化变电站较传统的综合自动化变电站的优势，提出了数字化变电站将作为智能变电站基础将被广泛普及。

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