数字化变电站的发展现状与关键技术分析

□谢海川 陈 博 冉启伟

一、引言

变电站在电力系统中占据重要地位，随着电能需求量的增大、电网互联的加强，传统变电站的缺点逐渐显现出来，诸如信息共享性差、系统扩展性差等问题严重制约电力系统的发展壮大。在变电站自动化技术日益发展进步的推动下，结合现代网络通信技术、微电子技术，数字化变电站技术已逐渐成熟并表现出替代传统变电站的强劲趋势。数字化变电站凭借其扩展灵活、信息高度共享的特点将在未来智能电网建设中发挥重要作用，将大大提高变电站的自动化、智能化程度，实现更优的电能变送和控制运行效果。

二、数字化变电站的概述及发展现状

数字化变电站的主要特征是站内的电气一次设备均通过数字化实现通信，二次设备和一次设备处于同一的通信平台上，实现两者之间更优的互操作性。在数字化变电站中，一次设备变得更加智能化，同时二次设备的网络化程度大大提高。IEC61850标准自从发布以来，我国就始终关注并逐步对变电站系统进行了统一化改造。我国数字化变电站的初次投入运行是在2006年，此后陆续有很多变电站都进行了数字化升级。电压等级从最初的110kV到如今普遍存在的500kV，设备集成从一开始单一厂家发展到现在的多厂家互相集成，我国的数字化变电站发展速度很快。在发展过程中，我国电力企业积累了一定的运行经验，但是同时也暴露出一些有待解决的问题。2006年以来，我国成立了数字化变电站标准委员会，并陆续进行了6次互操作实验，通过设备研制、标准建立，制定了一系列符合我国电力系统情况的标准和导则。当前，我国各省市电网均不同程度配置了数字化变电站，虽然各站点的情况有所差异，但是基本都符合统一化标准。

三、数字化变电站的基本系统架构

(一)数字化变电站的网络结构。数字化变电站的基本网络结构一般包括星网和环网两种形式。

1.星网。星网结构的优点主要表现在任意两个通信主体之间最多经三级交换机，更多情况下是点对点的网络连接，因此其优点是通信延迟小且网架结构清晰，便于维护升级。但该网络结构也同时存在网络冗余度低的缺点，当体系内的一个通信个体发生故障，必然导致该点的通信中断。同时需要注意的是，一点故障并不会影响其它通信点的通信。星网结构不需要装设交换机，通信延迟很小，并且由于结构简单，对各种通信设备的要求也很低。对于网络冗余度低的问题，则可以通过采用备用网络形成双网通信方式来改善。

2.环网。环网结构下由于任意两点之间至少有两条通信通道，因此在体系内任意一点发生故障的情况下不会引起通信中断，即环网结构的网络冗余度较高。但是这种优点是建立在环网体系内多级交换机通信的基础之上的，这就必然造成通信延迟较大，系统物理结构复杂，网络交换机数量大且对各台交换机都有较高的性能要求。另外，如果在环网结构内采用了不同厂家生产的交换机，可能由于通信树协议不同而难以组网以及运行和调试。

(二)数字化变电站的功能结构。IEC61850是国际通用的数字化变电站通信标准，该标准将变电站自动化模型自下而上分为过程层、间隔层以及站控层三个层面。该标准规定了以太网通信方式是这三层之间的通信标准，但是并没有对其组网方案进行统一制定。数字化变电站的三层网络:一是过程层网络，亦称为采用网络，该网络主要完成各种电压、电流以及功率信号的采样功能。二是间隔层网络，将采用数据进行实时汇总并起到承上启下通信传输作用。三是站控层，主要实现人机交互功能，它对间隔层和过程层设备进行状态监测和维护，并实现在线组态、修改运行参数等功能。对上述三层网络，有如下两种基本的功能结构可实现三者之间的通信连接。

1.全站统一化网络结构。采用这种功能结构的数字化变电站内三层通过唯一网络进行连接，网络内的任意通信终端均能自由连接到其他终端设备。这种结构的优点是可以实现高共享率的数据连接，且不需要频繁的数据转换，需要的网络设备数量较少，成本较低。

2.各自独立的网络结构。采用各自独立的网络结构，即过程层、间隔层和站控层之间网络各自相对独立，各层内采用一种网络连接方式，层与层之间通过信息转换进行互联。这种方式的优点是各层之间独立性高，彼此之间干扰性差，有利于减小维护量、提高运行可靠性。但是，其缺点就是各层之间信息传递过程中延迟大、数据转换过程对网络设备的要求较高，同时减低了信号传输的可靠性。

四、数字化变电站工程应用实践

(一)光学互感器在数字化变电站中的应用。光学电压、电流互感器凭借其测量范围宽且线性化程度高以及抗干扰能力强的优点，在数字化变电站中有着广泛的应用前景。光纤式互感器通常由光感应环节和数字运算环节构成，因为光纤内传输的信号不会被电磁场所影响，所以光纤式互感器表现出抗干扰能力强的特点。根据光纤式互感器中光学部分的安装位置，其在变电站内安装方式有两种:外置式和内置式。外置式即将光学部分装设于电气设备外部，内置式则代表着将光学部分装设在电气设备内部。实际应用中，应根据电气设备的实际结构特征以及工作环境选择合理的装设方式，避免光传感部分受到环境腐蚀等影响。

(二)数字化变电站内网络互联设计。数字化变电站中，站控层、间隔层以及过程层需要通过合理的网络通信方案进行互联，以保证各层之间的实时通信，并确保信号传输的可靠性。在设计互联网络时，应遵循IEC61850标准，对于数据流量较小的环节，可以采用以太网加屏蔽双绞线的方案。对于数据流量较大的部分，可采用光纤进行传输。特别是对于110kV及以上电压等级的变电站，由于各保护测量单元之间通过点对点的方式进行连接，所以较适合采用光纤直连的方式，以充分实现数据传递的可靠性和实时性。对于变电站内的主变压器，通常各个保护测量单元之间通过多点交叉的方式进行连接，因而较适宜利用网络交换机构成采样网络。

五、结语

数字化变电站的建设是长期的系统工程，在我国电力系统中广泛采用具有高度信息共享和扩展性能的数字化变电站是未来的重要发展方向。数字化变电站基于智能化开关电气设备以及光电式电压、电流互感器，可以实现变电站过程层、间隔层和站控层之间的无缝连接通信，实现灵活自由的控制作用。本文从数字化变电站的拓扑结构和工程实践两方面对其关键技术进行了分析，但是数字化变电站涉及的问题很多，在进行建设升级的过程中，还必须对其相关试验标准以及测控方法等诸多问题进行深入探究，以推动其更快、更好地发展。

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