數字化變電站技術介紹

1、通訊的重要性 卿旺平 數字化變電站新技術介紹本文分為四個部分1、數字化變電站的特征2、數字化變電站主要技術應用3、 數字化變電站建設帶來的影響4、 數字化變電站給變電運行工作帶來的新挑戰(zhàn) 第一章第一章 數字化變電站的特征數字化變電站的特征1.1常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)的主要問題：常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)的主要問題：微電子、計算機技術的發(fā)展使變電站各種IED具備了數字化、低功耗的特點。這些IED物理上可安裝在3個不同的功能層，即變電站、間隔層、過程層。目前集中式或分布式變電站自動化系統(tǒng)其信息采集來源于常規(guī)的電磁型電壓互感器。因此，變電站IED必須通過電磁變換回路將常規(guī)電磁型電流、電壓互感器的二次輸出信號

2、變換為適合于微電子電路的低電平信號。通過對應于每臺設備的電纜線將這些測量值傳送至繼電保護、測控、計算測量及自動化系統(tǒng)。其簡單結構示意如圖所示。 圖中保護單元和測控單元在電網運行中所履行的只能不同的，保護裝置在電網中承擔事故時快速切除和隔離故障，恢復系統(tǒng)正常運行功能，因此，繼電保護裝置要求對于故障時各種電氣量等信號有正確響應，此時，故障電流往往超過額定電流的十幾倍以至于數十倍。而對于測量系統(tǒng)而言，主要反應的是正常運行工況下電流信號，一般均在額定電流之下或輕負荷情況下。所以，這兩種應用對于TA的工作范圍及角度要求是不一樣的。傳統(tǒng)TA受其特性限制，難以做到在如此寬泛的工作范圍內同時滿足保護和測控單元

3、的精度要求，因此，常規(guī)TA分為保護級與計量級等不同等級，測控單元、計量系統(tǒng)和保護裝置分別取之不同特性的電流互感器。 此外，常規(guī)TA存在二次負載問題，對于二次回路線路過長，所接設備多、負載重的情況，如果超過了TA的二次額定負載能力，需要考慮用負載能力強的TA或多組TA串接以提高負載能力。所以，在現(xiàn)場應用中往往可以看到反應同一電流的位置上安裝了一串不用型號不同類型的TA，設備投資大，占地多，與二次設備的配合復雜。 常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)應用的特點是變電站二次系統(tǒng)采用單元間隔的布置形式，裝置之間相對獨立，裝置間缺乏整體的協(xié)調和功能優(yōu)化，輸入信息不能共享、接線比較復雜、系統(tǒng)擴展復雜。主要有以下幾方面的問

4、題： 信息難以共享信息難以共享變電站自動化系統(tǒng)接入的信息大致可以分為：（1）電力系統(tǒng)運行信息，如電流、電壓、頻率等；（2）變電站設備運行狀態(tài)信息，如一次設備、二次設備是否投運等；(3) 變電站設備異常信息，如測控裝置異常，保護裝置直流失卻等；(4) 電網事故信息，如斷路器、保護動作跳閘等；由于信息采集部分來自于不同的TA，因此，作為變電站自動化系統(tǒng)應用主要環(huán)節(jié)的測控、保護、故障錄波器等系統(tǒng)信息的應用、處理分屬于不同的專業(yè)管理部門，不同的IED以功能劃分，獨立運行，變電站自動化系統(tǒng)、變電站與控制中心之間的通信以及控制中心層面不同應用之間缺乏統(tǒng)一的建模規(guī)范，變電站自動化系統(tǒng)的各種信息向電網控制中心

5、進行傳遞，在控制中心不同應用之間的信息交互以專業(yè)為界。變電站自動化系統(tǒng)的信息在就地提供給變電站運行值班人員，并經SCADA系統(tǒng)為電網調度提供電網運行狀態(tài)信息，構成調度自動化系統(tǒng)的基礎應用，如EMS系統(tǒng)的狀態(tài)估計、調度員潮流等；另外，一般還會有其他信息獨立組成各自的應用系統(tǒng)由相應的技術管理部門負責運行和管理，如故障錄波器系統(tǒng)，數字式保護聯(lián)網系統(tǒng)以及近年來發(fā)展的故障信息系統(tǒng)等。實際運行中來自不同信息采集單元的設備信息無法共享，形成了各種“信息孤島”現(xiàn)象。 網絡通信技術的發(fā)展已經使變電站自動化系統(tǒng)接入和共享其他一些有有用信息成為可能，為減少設備重復投資，提高電力系統(tǒng)運行和管理效率，需要對變電站各種信

6、息的對象進行統(tǒng)一建模，把屬于不同技術管理部門、各自相對獨立發(fā)展的其他一些技術集成到變電站自動化系統(tǒng)中，使得變電站的信息在相應的運行和管理部門之間得到充分共享。 設備不具備互操作性設備不具備互操作性在變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展初期，人們就期待解決不同生產廠一家二次設備之間的互操作性(Interoperability)，甚至互換性(Interchangeability)，變電站的二次設備根據國際IEC組織57技術委員會第10工作組的劃分可分為三類： (1) 以TA、TV為主的一次、二次設備的接口設備； (2)保護、控制、儀表等二次控制、測量設備；(3) 實現(xiàn)與電網調度或遠程控制中心通信的系統(tǒng)，或稱為站控

7、層設備，傳統(tǒng)RTU與遠程控制中心的通信功能是站控層設備最基本的一個功能，但站控層設備的功能遠遠超過傳統(tǒng)RTU功能。這里所討論設備之間的互操作性是指二次IED設備，在同一個網絡上或通信通道上能夠工作，實現(xiàn)共享信息和命令的能力。這些IED還應具有互換性，也就是說，一個廠家的IED可用另一個廠家的IED替換，而不需要改變系統(tǒng)中其它元件。由于二次設備缺乏統(tǒng)一的功能和接口規(guī)范，通信標準的采用缺乏一致性，各廠家對于相同規(guī)約實現(xiàn)上的差異，至今不能實現(xiàn)不同廠家IED之間的互操作。 IEC制定IEC60870-5-103標準時提出繼電保護裝置等IED通過采用通用報文來實現(xiàn)“自我描述”的概念，但標準缺乏通用報文具

8、體應用時的指導性規(guī)范。為了考慮標準與此前開發(fā)并已實際應用的IED設備相兼容，在等同采用IEC標準時相應的電力行業(yè)標準在其附錄中補充了很多不符合互操作性原則的專用報文，因此，沒有很好地解決互操作性問題。由于缺乏統(tǒng)一的功能和接口規(guī)范，不同廠家的IED缺乏互操作性，缺乏互操作性的IED對于變電站自動化系統(tǒng)長期維護和運行時一個巨大的障礙可靠性受二次電纜影響可靠性受二次電纜影響雖然現(xiàn)有變電站自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了設備的智能化，但這些IED之間以及IED與一次系統(tǒng)設備和變電站自動化系統(tǒng)之間大多采用電纜連接，二次系統(tǒng)的安全性取決于變電站IED具有的耐受電磁干擾的能力，同時，必須確保引入到IED的電磁干擾低于裝置本

9、身可以耐受的水平。實際運行中由于種種原因，經常發(fā)生由于電纜遭受電磁干擾和一次設備傳輸過電壓引起IED運行異常;盡管電力行業(yè)的有關規(guī)定中要求繼電保護二次回路一點接地，但由于二次回路接地點的狀態(tài)無法實時檢測，二次回路兩點接地的情況仍時有發(fā)生，并對繼電保護產生不良影響，甚至造成設備誤動作。在二次電纜比較長的情況下由電容耦合的干擾可能造成繼電保護誤動作。國家電力調度通信中心主編的電力系統(tǒng)繼電保護典型故障分析中215個事故案例中，因二次系統(tǒng)問題引起的保護不正確動作有92次，二次電纜實際上構成了變電站安全運行的主要隱患。 理想數字化變電站簡介理想數字化變電站簡介數字化變電站的基本概念為變電站的信息采集、傳

10、輸、處理、輸出過程全部數字化，基本特征為設備智能化、通信網絡化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運行管理自動化等。數字化變電站建設的關鍵是實現(xiàn)滿足上述特征的通信網絡和系統(tǒng)。IEC 61850標準包括變電站通信網絡和系統(tǒng)的總體要求、功能建模、數據建模、通信協(xié)議、項目管理和一致性檢測等一系列標準。按照IEC 61850標準建設通信網絡和系統(tǒng)的變電站，符合數字化變電站的要求。數字化變電站的主要一次設備和二次設備均應為智能設備，這是變電站實現(xiàn)數字化的基礎。智能設備具有與其它設備交互參數、狀態(tài)和控制命令等信息的通信接口。如果確需使用傳統(tǒng)非智能設備，應通過配置智能終端將其改造為智能設備。設備間信息傳輸的方式為網絡通

11、信或串行通信，取代傳統(tǒng)的二次電纜等硬接線。數字化變電站的設備根據需要設計相應的在線檢測功能，變電站自動化系統(tǒng)可根據設備實時提供的健康狀態(tài)提出檢修要求，實現(xiàn)計劃檢修向狀態(tài)檢修的轉變。數字化變電站不需解決不同制造商設備信息代碼表不統(tǒng)一的問題。數字化變電站的設備信息應符合標準的信息模型，具有“自我描述”機制。采用面向對象自我描述的方法，傳輸到自動化系統(tǒng)的數據都帶說明，馬上建立數據庫，使現(xiàn)場驗收的驗證工作大大簡化，數據庫的維護工作量大大減少，實現(xiàn)設備的“即插即用”。按照IEC 61850，變電站的功能應分為站控層、間隔層和過程層。其架構體系如圖所示過程層過程層是一次設備與二次設備的結合面，或者說過程層

12、是指智能化電氣設備的智能化部分。過程層的主要功能分三類：（1）實時運行電氣量檢測。與傳統(tǒng)的功能一樣主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測，其他電氣量如有功、無功、電能量可通過價格曾的設備運算得到。與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器被非常規(guī)互感器取代，采集傳統(tǒng)模擬量被直接采集數字量所取代，動態(tài)性能好，抗干擾性能強，絕緣和抗飽和特性好。（2）運行設備狀態(tài)檢測。變電站需要進行狀態(tài)參數檢測的設備主要有變壓器、斷路器、隔離開關、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)等。在線檢測的主要內容有溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態(tài)等數據。（3）操作控制命令執(zhí)行，包括變壓器分接頭

13、調節(jié)控制、電容、電抗器投切控制、斷路器、隔離開關合分控制以及直流電源充放電控制等。過程層的控制命令執(zhí)行大部分是被動的，即按上層控制指令而動作，如接到間隔層保護裝置的跳閘指令、電壓無功控制的投切命令、斷路器的遙控開合命令等，并具有一定的智能性，能判別命令的真?zhèn)渭昂侠硇?，如實現(xiàn)動作精度的控制，使斷路器定相合閘，選相分閘，在選定的相角下實現(xiàn)斷路器的關合和開端等。間隔層間隔層的主要功能是：（1）匯總本間隔過程層實時數據信息；（2）實施對一次設備的保護控制功能；（3）實施本間隔操作閉鎖功能；（4）實施操作同期及其他控制功能；（5）對數據采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別控制；（6）執(zhí)行數據的承上

14、啟下通信傳輸功能，同時高速完成與過程層及變電站層的網絡通信功能，上下網絡接口具備雙口全雙工方式以提高信息通道的冗余度，保證網絡通信的可靠性。變電站層變電站層的主要任務是：（1）通過兩級高速網絡匯總全站的實時數據信息，不斷刷新實時數據庫，按時登陸歷史數據庫；（2）將有關數據信息送往電網調度或控制中心；（3）接受電網調度或控制中心有關控制命令并轉間隔層、過程層執(zhí)行；（4）具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；（5）具有（或備有）站內當地監(jiān)控、人機聯(lián)系功能，顯示、操作、打印、報警等功能以及圖像、聲音等多媒體功能；（6）具有對間隔層、過程層設備在線維護、在線組態(tài)、在線修改參數的功能。數字化變電站的技術

15、特征數字化變電站的技術特征 數字化變電站概念的提出是基于光電技術、微電子技術、信息技術、網絡通信技術的發(fā)展，在應用方面直接表現(xiàn)為變電站二次系統(tǒng)的信息應用模式發(fā)生巨大的變化。因此，從某種意義上講“數字化變電站”只要指變電站二次系統(tǒng)的“數字化”。 數字化變電站采用低功率、緊湊型、數字化的新型電流和電壓互感器代替常規(guī)TA和TV將高電壓、大電流直接變換為低電平信號或數字信號，利用高速以太網構成變電站數據采集及傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)基于IEC61850標準的統(tǒng)一信息建模，并采用智能斷路器控制等技術，這使得變電站自動化技術在常規(guī)變電站自動化技術的基礎上實現(xiàn)了巨大跨越，數字化變電站主要技術特征主要體現(xiàn)在以下幾個方面

16、： 數據采集數字化數據采集數字化數字化變電站的主要標志是采用數字化電氣量測系統(tǒng)（如光電式互感器或電子式互感器）采集電流、電壓等電氣量，實現(xiàn)了電力量數據采集環(huán)節(jié)的數字化應用，其特點在于可以實現(xiàn)一、二次系統(tǒng)在電氣上的有效隔離；增大了電氣量的動態(tài)測量范圍并提高了測量精度，從而為實現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉變以及信息集成化應用提供了基礎；對于低驅動功率的變電站二次系統(tǒng)設備可以直接實現(xiàn)數字化接口應用。系統(tǒng)分層分布化系統(tǒng)分層分布化：根據IEC61850標準的描述，變電站的一、二次設備可以分為三層：站控層（變電站層），間隔層，過程層。過程層通常又稱為設備層，主要是指變電站內的變壓器和斷路器、隔離開關

17、及其輔助觸點，電流、電壓互感器等一次設備。變電站綜合自動化系統(tǒng)主要指間隔層和站控層。間隔層一般按斷路器間隔劃分，具有測量、控制元件或繼電保護元件。測量、控制元件負責該間隔的測量、監(jiān)視、斷路器的操作控制和聯(lián)閉鎖，以及時間順序記錄等，保護元件負責該間隔線路、變壓器等設備的保護、故障記錄等。因此，間隔層由各種不同間隔的裝置組成，這些裝置直接通過局域網或者串行總線與變電站層聯(lián)系；也可設有數據管理機或保護管理機，分別管理各測量、監(jiān)視元件和各保護元件，然后集中由數據管理機和保護管理機與變電站層通信。站控層包括監(jiān)控主機、遠動通信機等。變電站層設現(xiàn)場總線或局域網，實現(xiàn)各主機之間、監(jiān)控主機與間隔層之間信息交換。

18、基于IEC61850標準的數字化變電站確立了電力系統(tǒng)的建模標準，采用面向對象建模技術、軟件復用技術、高速以太網技術、嵌入式系統(tǒng)技術和嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operation System)技術，以及XML技術等，體現(xiàn)了“軟件總線”的概念，實現(xiàn)軟件領域的“即插即用”。滿足了電力系統(tǒng)實時性、可靠性要求，有效地解決了異構系統(tǒng)間的信息互通、數據內容與顯示分離、自定義性和可擴展性等問題，使得變電站分層分布式方案的實施具備了可靠的技術基礎。信息交互網絡化信息交互網絡化：數字化變電站采用低功率、數字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變換為數字信號。變電站內設備之間通

19、過高速網絡進行信息交互，二次設備不再出現(xiàn)功能重復的I/O接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，即通過采用標準以太網技術真正實現(xiàn)了數據及資源共享。具體包括：(1)過程層與間隔層之間的信息交換，即過程層的各種智能傳感器和執(zhí)行器可以自由地與間隔層的裝置交換信息；(2)間隔層內部的信息交換；(3)間隔層之間的通信；(4)間隔層與變電站層的通信；(5)變電站層不同設備之間的通信設備檢修狀態(tài)化設備檢修狀態(tài)化狀態(tài)檢修是建立在設備狀態(tài)有效監(jiān)測基礎上，根據監(jiān)測和分析診斷的結果安排檢修時間和項目，主要包含設備狀態(tài)監(jiān)測、設備診斷、檢修決策三個環(huán)節(jié)。狀態(tài)監(jiān)測是設備診斷的根據和狀態(tài)檢修的基礎，檢修決策就是結合在線監(jiān)

20、測與診斷情況，綜合設備和系統(tǒng)的技術應用要求確定具體的檢修計算或策略。電力系統(tǒng)長期以來實行的以預防性計劃檢修為主的檢修體制，主要依據檢修規(guī)程來確定檢修項目，存在設備缺陷較多的檢修不足、設備狀態(tài)較好的又檢修過度的狀況，一定程度上導致檢修的盲目性，定期檢修模式實際上很難實現(xiàn)“應修必修，修必修好”的檢修目標。在數字化變電站中，可以有效地獲取電網運行狀態(tài)數據以及各種IED裝置的故障和動作信息，實現(xiàn)對操作及信號回路狀態(tài)的有效監(jiān)視。數字化變電站中幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設備狀態(tài)特征量的采集沒有盲區(qū)。設備檢修策略可以從常規(guī)變電站設備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，從而大大提高系統(tǒng)的可用性。設備操作智能

21、化設備操作智能化高壓斷路器二次技術的發(fā)展趨勢是用微電子、計算機技術和非常規(guī)互感器建立新的斷路器二次系統(tǒng)，如ABB公司的PASS，西門子公司的HIS等，其主要特點是：(1)以微電子、計算機技術誒基礎的控制回路組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機械結構的輔助開關和輔助繼電器。可按電壓波形控制跳、合閘角度，精確控制跳、合閘過程的時間，減少暫態(tài)過電壓幅值；(2)斷路器設備的專用信息由裝在斷路器設備內基于計算機技術的控制單元直接處理，使斷路器能獨立地執(zhí)行其他功能，而不依賴于變電站層的控制系統(tǒng)；(3)非常規(guī)互感器與微機型控制元件相配合，獨立采集運行狀態(tài)數據，可有效地判斷斷路器的工作狀況；(4)連續(xù)自我檢測和監(jiān)視斷路器

22、一次、二次系統(tǒng)設備，可檢測設備缺陷和故障，在缺陷變?yōu)楣收现鞍l(fā)出報警信號，為狀態(tài)維修提供參考。實現(xiàn)斷路器的智能化必須在斷路器內嵌入電壓和電流變換器，并作為智能控制元件的輸入，斷路器系統(tǒng)的智能性由微機型控制單元、智能型接口裝置和相應的控制軟件來實現(xiàn)。保護和控制命令可以通過光纖網絡而非變電站二次回路系統(tǒng)，實現(xiàn)與斷路器操作機構的數字化接口應用。 第二章 數字化變電站主要技術應用一次電流傳感器P2P1MR IVMR EFS1S2一次轉換器二次電源傳輸系統(tǒng)二次轉換器供合并單元用二次轉換器模擬量電壓出一次電源電子式互感器電子式互感器是由連接到傳輸系統(tǒng)和二次轉換器的一個或多個電流或電壓傳感器組成，用以傳輸正

23、比于被測量的量，供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制裝置。在數字接口的情況下，一組電子式互感器共用一臺合并單元完成此功能。電子式互感器的輸出性能參數電子式互感器的輸出性能參數：1、空芯線圈式電流互感器：額定一次電流：600 4000A；額定二次輸出為數字式。2、輸出格式：電流互感器測量通道：2D41H；電流互感器保護通道：01CFH。輸出格式參照IEC60044-8或IEC61850-9的要求，數據采用Manchester編碼，傳輸速率為2.5Mbit/s。準確等級：測量0.2，保護5P。合并單元是對傳感模塊傳來的三相電氣量進行合并和同步處理，并將處理后的數字信號按特定的格式提供給間隔級設備使用

24、的裝置。合并單元的輸出格式：IEC-60044-8IEC-61850-9-1IEC-61850-9-2合并單元的特點：合并單元的特點：1、具有完善的監(jiān)測功能，能夠檢測出各個插件、遠端電子式互感器模塊的工作狀態(tài)，能夠檢查光纖信號的強弱，在信號偏弱時給出告警信息2、具有模擬數據輸出功能，便于現(xiàn)場與保護的聯(lián)調3、具有測量功能能夠實時顯示電壓電流功率等測量值，方便現(xiàn)場的調試和測試 合并單元同步采樣問題：合并單元同步采樣問題：1、常規(guī)互感器與電子式互感器會并存，如電壓、電流之間，變壓器不同的電壓等級之間三相電流、電壓采樣必須同步2、變壓器差動保護從不同電壓等級的多個間隔獲取數據存在同步問題3、母線差動保

25、護從多個間隔獲取數據也存在同步4、線路縱差保護線路兩端數據采樣也存在同步解決同步采樣的兩種方案及特點：解決同步采樣的兩種方案及特點：1、基于GPS秒脈沖同步的同步采樣*同步方法簡單*秒脈沖丟失時存在危險2、二次設備通過再采樣技術(插值算法)實現(xiàn)同步*采樣率要求高*硬件軟件要求高，實現(xiàn)難度較大*不依賴于GPS和秒脈沖傳輸系統(tǒng)智能操作箱 20世紀90年代,在我國電氣領域中出現(xiàn)了“智能化開關電氣”的概念。目前,對“智能化開關”的一般表述是:智能化開關電氣是將計算機技術、數字信息處理技術、電力電子技術、傳感器技術、網絡技術、通信技術和新型開關制造技術傳統(tǒng)電氣上進行有機融合,使其具備智能化核心。相對于傳

26、統(tǒng)開關電氣,智能化開關電氣應具備如下特點:高性能、高可靠性;免維護;硬件軟件化;具備在線監(jiān)測和自診斷功能;提供網絡化遠動接口;功能自適應等。 一般來說,智能化開關設備除滿足常規(guī)電氣設備的原有功能外,還應具備以下幾個特點和功能:1、開關工作狀態(tài)的在線監(jiān)測與診斷功能在線監(jiān)視功能應能實現(xiàn)對設備的各項電性能、磁性能、溫度、開關機械和機構動作情況進行在線監(jiān)視,以滿足狀態(tài)檢修、狀態(tài)監(jiān)測以及狀態(tài)評估的需要,并據此提出檢修計劃,安排實施。2、開關設備的智能控制功能智能開關設備的智能控制功能應能實現(xiàn)在最佳狀態(tài)進行開斷,并實現(xiàn)定相位合閘、定相位分閘,按照指定的程序順序控制。3、開關設備的智能操動功能為實現(xiàn)智能開關

27、的電子操動需要將機械儲能變?yōu)殡娙輧δ?將機械傳動變?yōu)樽冾l器通過電機直接驅動。實現(xiàn)電子操動后,開關的機械運動部件減少到一個,即開關分合閘動作,這樣其機械系統(tǒng)的可靠性提高。4、開關設備的數字化通信接口智能開關設備的數字化接口是為了滿足傳輸開關的位置信息、在線檢測數據以及分合閘命令的需要。 傳感器既有電量的,也有非電量的。非電量傳感器主要用于對開關電氣本身進行在線檢測和自診斷,如行程、溫度、密度、濕度等。以上各參量需進行傳感信息分析,以確定開關電氣的狀態(tài)。在線檢測和自診斷功能保證了智能化電氣只有處于正常工作狀態(tài)方能進行操作,否則報警閉鎖并指示對開關如何檢修。IEC61850建模 20世紀90年代中期

28、，IECTC57和IECTC95成立了一個聯(lián)合工作組，制定了IEC6087-5-103標準(繼電保護設備信息接口配套標準)，同時EPRI開始制定公用事業(yè)通信系統(tǒng)結構份CA)并發(fā)布了UCA2.0。1994年由德國國家委員會提出制定通用的變電站自動化標準的建議，1998年IEC、IEEE和EPRI達成共識，由IEC牽頭，以美國UCA2.0為基礎，開始制定IEC61850變電站自動化標準，由IECTC95工作組對IEC61850及其數據模型開展研究。1999年的IECTc57京都會議和20(X)年SPAG會議提出將正C61850作為無縫通信標準。1999年8月正CSBI成立配電自動化工作組，指出要開

29、展無縫通信，統(tǒng)一數據建模，更多配電專家參與標準制定。在IECTc57工作組2(X)2年北京會議上，指出今后的工作方向:追求現(xiàn)代技術水平的通信體系，實現(xiàn)完全的互操作性，體系向下兼容，基于現(xiàn)代技術水平的標準信息和通信技術平臺，在IT系統(tǒng)和軟件應用通過數據交換接口標準化實現(xiàn)開放式系統(tǒng)。IEC61850不僅用于變電站內通信，且用于變電站和控制中心通信。目前，IEC61850共14個部份已全部通過為國際標準。（1）IEC61850標準主要內容為:功能建模:從變電站自動化通信系統(tǒng)的通信性能(PICOM)要求出發(fā)，定義了變電站自動化系統(tǒng)的功能模型(IEC61850-5)；數據建模:采用面向對象的方法，定義了

30、基于客戶機/服務器結構的數據模型(IEC6185-7-3/4)；通信協(xié)議:IEC61850標準總結了變電站內信息傳輸所必需的通信服務，設計了獨立于所采用網絡和應用層協(xié)議的抽象通信服務接口(ACSI)。在IEC61850-7-2中，建立了標準兼容服務器所必須提供的通信服務的模型，包括服務器、邏輯設備、邏輯節(jié)點、數據和數據集模型?？蛻敉ㄟ^ACSI，由特殊通信服務映射(SCSM)映射到所采用的具體協(xié)議棧，如制造報文規(guī)范(MMS)等。IEC61850標準使用ACSI和SCSM技術，解決了標準的穩(wěn)定性與未來網絡技術發(fā)展之間的矛盾，即當網絡技術發(fā)展時只要改動SCSM，而不需要修改ACSI(IEC61850

31、-7-2，-8/9)；變電站自動化系統(tǒng)工程和一致性測試:定義了基于XML的結構化語言(IEC61850-6)，描述變電站和自動化系統(tǒng)的拓撲以及IED結構化數據。為了驗證互操作性，IEC61850-10描述了正C61850標準一致性測試。（2）IEC 61850的主要特點：定義了變電站的信息分層結構。變電站通信網絡和系統(tǒng)協(xié)議 IEC 61850 標準草案提出了變電站內信息分層的概念，將變電站的通信體系分為 3 個層次，即變電站層、間隔層和過程層，并且定義了層和層之間的通信接口；采用了面向對象的數據建模技術。IEC 61850 標準采用面向對象的建模技術，定義了基于客戶機/服務器結構數據模型。每個

32、IED包含一個或多個服務器，每個服務器本身又包含一個或多個邏輯設備。邏輯設備包含邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點包含數據對象。數據對象則是由數據屬性構成的公用數據類的命名實例。從通信而言，IED 同時也扮演客戶的角色。任何一個客戶可通過抽象通信服務接口（ACSI）和服務器通信可訪問數據對象；數據自描述。該標準定義了采用設備名、邏輯節(jié)點名、實例編號和數據類名建立對象名的命名規(guī)則；采用面向對象的方法，定義了對象之間的通信服務，比如，獲取和設定對象值的通信服務，取得對象名列表的通信服務，獲得數據對象值列表的服務等。面向對象的數據自描述在數據源就對數據本身進行自我描述，傳輸到接收方的數據都帶有自我說明，不需要再對數

33、據進行工程物理量對應、標度轉換等工作。由于數據本身帶有說明，所以傳輸時可以不受預先定義限制，簡化了對數據的管理和維護工作；網絡獨立。IEC 61850 標準總結了變電站內信息傳輸所必需的通信服務，設計了獨立于所采用網絡和應用層協(xié)議的抽象通信服務接口（ASCI）。在 IEC61850-7-2 中，建立了標準兼容服務器所必須提供的通信服務的模型，包括服務器模型、邏輯設備模型、邏輯節(jié)點模型、數據模型和數據集模型?？蛻敉ㄟ^ ACSI，由專用通信服務映射（SCSM）映射到所采用的具體協(xié)議棧，例如制造報文規(guī)范（MMS）等。IEC 61850 標準使用 ACSI和 SCSM技術，解決了標準的穩(wěn)定性與未來網絡

34、技術發(fā)展之間的矛盾，即當網絡技術發(fā)展時只要改動 SCSM，而不需要修改 ACSI。變電站內采用IEC61850，通過通信網絡，只需要在客戶端配置服務器網絡IP地址，變電站內各種應用可以得到各個設備的數據:由于數據具有自描述特征，所有測點名可用通信方式獲得，無須人工配置，當變電站內增加或刪除裝置或應用時不需要進行通信配置;站內所有應用程序和智能設備采用相同的規(guī)約、數據格式、數據訪問方式、命名規(guī)則和配置語言，采用標準的網絡通信平臺，提高了系統(tǒng)的靈活性、擴展性和互操作性。在系統(tǒng)集成時，應用程序不需處理大量不同的通信規(guī)約、數據格式和數據訪問形式，也無需進行重復的變電站配置和對點工作，維護大大簡化，同時

35、也增強了變電站的可靠性和安全性。IEC61850與IEC61970調度通信標準具有一定的互操作性，將來可以實現(xiàn)無縫連接，實現(xiàn)主站對變電站的直接訪問，減少了通信瓶頸和規(guī)約轉換數據損失。在未來的10年內，IEC61850將成為主流的變電站自動化規(guī)范，是基于網絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標準，也將成為電力系統(tǒng)從調度中心到變電站、變電站內、配電自動化無縫連接的通信標準，還可望成為通用網絡通信平臺的工業(yè)控制通信標準。 第三章第三章 數字化變電站建設帶來的影響數字化變電站建設帶來的影響 數字化變電站的推廣應用將對變電站的二次系統(tǒng)以及變電站的建設方案、變電站的檢修、試驗等方面工作都帶來深遠的影響。

36、數字化變電站的推廣將創(chuàng)造出新的市場需求，變電站自動化系統(tǒng)涉及的產品種類繁多，無論一次設備還是二次設備廠商都不得不適應新的競爭環(huán)境，捕捉新的市場機會的同時，也承受著新的風險，數字化變電站技術全面推廣必將使產業(yè)結構發(fā)生較大的變化。對二次系統(tǒng)應用的影響對二次系統(tǒng)應用的影響基于IEC61850標準的數字化變電站在現(xiàn)代網絡技術的基礎上發(fā)展起來，給變電站的自動化技術帶來了全方位的影響。在交流電氣量的采集環(huán)節(jié)、變電站IED設備之間的信息交互模式、變電站信息冗余性的實現(xiàn)方式、變電站二次系統(tǒng)的可靠性、安全性、運行檢修策略等，均將由于相關技術的應用而發(fā)生巨大的變化，這一系列變化意味著變電站二次系統(tǒng)技術將步入一個全

37、新的發(fā)展階段。1、采用電子式互感器的影響數字化變電站在電氣量采集環(huán)節(jié)采用了電子式互感器技術，對于變電站二次系統(tǒng)技術應用帶來的最明顯特征就是，一次系統(tǒng)的電流、電壓、功率、頻率等電氣量信息通過合并單元變?yōu)榈碗娖降臄底中盘枺浌饫|直接傳遞給變電站二次系統(tǒng)的IED設備。變電站二次系統(tǒng)不再需要引入交流二次電纜，一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)可以實現(xiàn)有效的電氣隔離。因此常規(guī)變電站由于交流電纜引起的傳導性電磁干擾現(xiàn)象將不復存在，以往因一次系統(tǒng)故障產生的干擾對于二次系統(tǒng)的影響將得到有效的控制。二次系統(tǒng)的安全性大大提高，二次系統(tǒng)的接地只需要考慮本系統(tǒng)的等電位問題，不需要與一次系統(tǒng)關聯(lián)。同時也可以大大降低由于二次接線錯誤以及

38、絕緣降低帶來的保護誤動、拒動等事故。電子式互感器動態(tài)范圍大、對于不同應用的適應性強，合并單元可分別輸出信號給不同的裝置，只要合并一單元的輸出接口數量足夠，即可滿足使用需求，不存在容量限制問題，這就從源頭上保證信息采集的唯一性?；跀底至繙y系統(tǒng)的繼電保護裝置不再需要考慮CT開路、PT短路以及互感器飽和、方向元件的極性等問題，可以大大簡化保護裝置的算法，提高保護動作的可靠性?，F(xiàn)場的調試工作也將有很大的變化，對調試人員的要求也更高了。2、智能斷路器技術的應用帶來的影響變電站采用智能斷路器技術或智能控制裝置所實現(xiàn)的斷路器控制功能就地化后，原來由電纜連接的復雜的跳合閘回路改由光纜來傳送操作命令，不僅消除

39、了二次系統(tǒng)與開關站電氣之間的聯(lián)系，大大減少了高壓對低壓設備的電磁干擾，而且降低了現(xiàn)場維護的工作量，有利于實現(xiàn)二次系統(tǒng)的狀態(tài)檢修。同時可以通過智能化控制，提高一次設備的運行壽命和降低操作帶來的對電網安全的影響。3、信息交互采取對等通信模式數字化變電站內設備之間的信息交互由常規(guī)變電站以硬接點信號交互為特征的方式變?yōu)榛贗EC61850標準的對等通信模式P2P(Pee:toPeer)，P2P是一種分布式網絡，網絡的參與者共享所擁有的一部分硬件資源，如處理能力、存儲能力、網絡連接能力等，這些共享資源由網絡提供服務和內容，同時，能被其它對等節(jié)點(Peer)直接訪問而無需經過中間實體。P2P技術的特點主要

40、體現(xiàn)在以下幾個方面:非中心化，可擴展性，魯棒性，負載均衡。對等通信模式帶來的最大好處就是極大地提高了IED信息傳遞的效率和有效性，所有IED需要與外部智能裝置交互的信息，或者需要告知其它裝置、系統(tǒng)的信息可以在以太網上用通用面向對象的變電站事件GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)實現(xiàn)信息的有效發(fā)布。這種應用模式改變了以往由大量二次電纜構成的變電站控制、跳閘、告警、事件記錄等信息傳遞、交互模式，變電站內部全部實現(xiàn)光纖通信方式，一方面可以實現(xiàn)整個二次系統(tǒng)的有效監(jiān)視，另一方面節(jié)省了大量的二次電纜，簡化了系統(tǒng)的設計和工程實施。4、信息同步采取網絡

41、同步機制常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)對時系統(tǒng)基本采用直接對時和網絡對時相結合，一般在變電站內有一個或多個GPS接受器實現(xiàn)對于間隔層各種IED的對時，采取分脈沖方式或IRIG-B方式;在近期的應用中逐步出現(xiàn)了集中式GPS應用模式，在變電站小室中安裝一套GPS裝置，通過GPS接受器擴展箱實現(xiàn)對小室內的各種IED對時。站控層一般有1-2臺服務器采用串口時間報文的方式從GPs接受器獲取時間信息，并通過網絡方式向其余站控層接點進行對時。IEC61850標準對于網絡對時提出了明確的要求和模型，IEC6185O-5功能通信要求和裝置模型的附件G明確:“具有精確外部時間源的邏輯節(jié)點作為主時鐘，通過主時鐘對各分布節(jié)點設

42、置絕對時間，各分布節(jié)點通過主時鐘實現(xiàn)時間同步，時鐘同步通過協(xié)議層完成”。數字化變電站采取網絡對時模式，根據數字化變電站信息流的特點，在間擬采取網絡同步時鐘SNTP(Simple Network Time Protocol)時間同步機制，在層擬采取IEEE1588信息同步機制。5、信息處理基于網絡通信技術帶來的影響數字化變電站的各項信息采集、處理、傳輸和存儲等功能的實現(xiàn)完全基于網絡通信技術，過程層、間隔層、站控層的IED設備及網絡通信設備，如路由器、網關、交換機、接口裝置等組成了整個變電站的二次系統(tǒng)，其各個環(huán)節(jié)可以得到有效的監(jiān)視，提高了二次系統(tǒng)的實時監(jiān)視功能。變電站內智能設備實現(xiàn)了互操作性，使系

43、統(tǒng)改造升級更加容易，并有望作到即插即用。6、信息的安全性問題凸現(xiàn)變電站內采取對等通信模式后，信息的安全性問題就變得尤為重要，以往變電站設備之間點對點的通信方式，就信息的安全性來講是比較高的，因為，這種信息的交互機制在安全性方面體現(xiàn)為局部性特征。變電站內信息交互采用對等通信模式后，所有IED設備的信息均在局域網上實現(xiàn)，或者說每個IED均具備實現(xiàn)對其它IED信息交互的可能，因此，一旦某個IED受到惡意攻擊，在變電站未實現(xiàn)信息有效安全防護的情況下有可能對于整個變電站自動化系統(tǒng)的安全運行帶來極大的影響。由于變電站IED之間將不再有點對點的硬接線，常規(guī)變電站內裝置之間明顯的安全隔離點將不復存在，裝置在任

44、何情況下的隔離措施將通過軟件來實現(xiàn)，因此，系統(tǒng)運行安全性全部依賴IED的控制系統(tǒng)和變電站集中控制系統(tǒng)。變電站的控制、跳閘、聯(lián)閉鎖、事件記錄等功能全部通過軟件來實現(xiàn)，這樣，變電站自動化系統(tǒng)的信息安全機制變得尤為重要，這種安全機制在對等方式信息交互機制下，將更多地體現(xiàn)為網絡的安全性問題。未來電力系統(tǒng)的安全運行將建立在設備的安全運行和信息的安全維護基礎上，或者說電力系統(tǒng)運行是建立在設備管理和信息管理的基礎上，信息的安全性在很大程度上意味著電網控制系統(tǒng)的安全性，因此，控制系統(tǒng)的安全性對于電網的安全穩(wěn)定運行的意義要遠高于電力設備的安全性。v 數字化變電站對繼電保護的影響數字化變電站對繼電保護的影響數字化

45、變電站消除了幾個制約繼電保護穩(wěn)定運行的瓶頸。經過多年的發(fā)展，我國微機保護在原理和技術上己相當成熟，國產微機線路保護技術全面超越進口保護，處于國際領先水平。繼電保護正確動作率逐年提高顯著，但這幾年幾乎停滯不前，除裝置本身的原因外，以下幾個方面是引發(fā)繼電保護不正確動作的主要原因:l)變電站直流電源回路故障接地引發(fā)繼電保護誤跳閘；2)二次回路設計接線錯誤，電纜長、執(zhí)行反措不到位，電纜老化接地，造成保護誤動;3)cT特性惡化和特性不一致引起故障延遲切除和區(qū)外故障誤動;4)一些配電系統(tǒng)無母差保護、備自投等，上一級保護難起后備作用，造成事故擴大，供電中斷等;5)由于有許多季節(jié)性負荷，備自投、低頻低壓減載壓

46、板等核查、切換工作量大，易出錯。采用基于IEC61850標準的數字化變電站技術，在不增加硬件設備、不重復采集交流信息的前提下，將相應功能分散到各間隔保護單元中，實現(xiàn)網絡化母線保護、網絡化備自投和網絡化低頻低壓減載功能，可以基本消除以上限制繼電保護運行水平繼續(xù)提高的瓶頸，由于二次電纜少，主要是直流電源等，保護壓板、按鈕和把手大大減少，也可以顯著減少運行維護人員的“三誤”事故。對于裝置缺陷，由于直接采用數字量，電磁干擾大大減弱，裝置可以集成度更高，運行將更加穩(wěn)定;對于通道設備故障或郊區(qū)、邊遠地區(qū)變電站銅電纜經常被盜，造成高頻保護誤動這種情況，要通過采用光纖通道來解決。數字化變電站對數字化變電站對S

47、CADA系統(tǒng)的影響系統(tǒng)的影響IEC61850在數字化變電站中的應用，必然引起上位機SCADA系統(tǒng)在功能模塊實現(xiàn)方式上的變化。由于標準規(guī)范了數據模型的構成，采用了面向對象的方法建立設備模型，因此實時數據庫的建立及其工具需要依照標準要求進行改造。影響最大的是SCADA系統(tǒng)的數據采集模塊的實現(xiàn)方式，標準通過抽象服務接口和特殊服務映射實現(xiàn)了與底層具體通信協(xié)議的隔離，其中重點是如何實現(xiàn)制造報文規(guī)范(MMs)及服務映射。因此，數字化變電站需要推出新一代實現(xiàn)無縫通信的SCADA系統(tǒng)。數字化變電站對數字化變電站對對產業(yè)結構的影響對產業(yè)結構的影響 由于數字化變電站的應用涉及到多個技術領域和行業(yè)，如自動化系統(tǒng)、工

48、業(yè)以太網交換機、高壓開關、互感器、GPS、測試校驗等，因此要全面推進不僅需要保護及電力自動化相關廠商的努力，還要一次設備產品也支持IEC61850標準，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)運行管理模式也需要做相應的改進。多個行業(yè)要同步是需要時間的，技術要成熟、觀念要轉變都需要時間，這意味著數字化變電站的深化實施和推廣還需要進一步的努力，數字化變電站的應用必將是一個分階段、分步驟的實踐過程。1、電網企業(yè)隨著我國電網規(guī)模、系統(tǒng)容量不斷擴大，電壓等級不斷提高，網架結構加強，廠網分離的運營方式，電網企業(yè)從單純重視安全生產管理轉變到全面關注綜合社會經濟效益的運營管理；從變電站建設的“一型三化”，無人值班、集中控制、專業(yè)管理融

49、合，到對變電站資產全壽命周期管理理論的實踐應用都體現(xiàn)了這個內在的轉變。社會經濟綜合效益是電網企業(yè)對變電站持續(xù)技術投入的內在的驅動力。只有提高自動化水平，才能提高運行管理水平，才能提高可靠性、安全性和勞動生產率，最終達到提升綜合效益水平的目標。由于數字化變電站系統(tǒng)采用組合式智能電器，大大縮小了開關場占地面積；采用光電互感器和光纖網絡通信技術，取代了傳統(tǒng)綜自系統(tǒng)大量的二次電纜，控制室面積，控制屏個數，屏上端子數等大幅減少，原來基于硬接線的信號聯(lián)絡方式轉變?yōu)榛诠饫w網絡的軟接線方式。先進性、可靠性給電網企業(yè)帶來極大的經濟效益。符合IEC61850標準的數字化變電站技術產品雖然有待完善，但更具有傳統(tǒng)產

50、品不可比擬的許多優(yōu)點，數字化變電站的數據網絡化使得用戶可以采取一些創(chuàng)新的方案來解決許多應用問題，提高可靠性，提高經濟效益，帶動整個電力系統(tǒng)運行管理水平上升到新高度，所以電網企業(yè)的積極性很高；電網企業(yè)主動參于標準的制定，主動組織互操作試驗，主動開展數字化變電站的科研試點，又對數字化變電站推廣應用發(fā)揮了巨大作用。電網企業(yè)是受益者，也是有力的推動者。國網公司為打造智能、高效的數字化電網，在2007年頒布了數字化電網關鍵技術研究框架，其中，數字化變電站相關技術和應用是其重點之一，是數字化電網的基礎。數字化變電站的推廣和深化，將對整個電網的運行和控制產生深遠的影響。2、二次設備廠家按照IEC61850的

51、劃分，變電站自動化系統(tǒng)分為站控層、間隔層和過程層三層結構，過程層做為一次設備在二次系統(tǒng)中的映射，使得一次設備和二次設備聯(lián)系更加緊密，界限逐漸模糊。數字化變電站技術發(fā)展對該行業(yè)產品的影響是巨大的：由于數據采集數字化，現(xiàn)在的微機保護的模擬量輸入回路和開關量輸入輸出回路都不復存在；功能的自由分布，使得裝置功能也在分化組合，有些原有裝置的功能被多個現(xiàn)有裝置通過網絡分擔而化為無形；新型繼電保護原理應用，如暫態(tài)保護的應用，基于網絡的分布式保護的應用；對錄波、計量的影響，可能集成到智能設備，智能設備變成多功能合一設備；出現(xiàn)合并單元和智能操作箱、一體化智能開關等產品；發(fā)展新型測試儀器和精度校驗設備。二次設備領

52、域在220 kV及以上的高端市場的行業(yè)集中度較高，中低端市場還比較分散。IEC61850會重新使行業(yè)洗牌，行業(yè)演變可能會朝著兩端走：大企業(yè)集團方向，產品線涵蓋了一次、二次，發(fā)揮一體化優(yōu)勢，做系統(tǒng)集成更好滿足客戶的需求；專業(yè)化技術型公司會得到發(fā)展，如為其中某一塊提供核心技術，做其中的外包服務等。那些不能適應市場與技術快速變化的公司和那些基礎技術研發(fā)能力較弱的公司會淡出市場。一次設備的穩(wěn)定度高，壽命周期長，更新速度慢，廠家變革的速度和動力都不及二次系統(tǒng)設備廠家。數字化變電站技術發(fā)展，尤其是以監(jiān)測和自診斷的附加功能為特征的智能化開關設備的發(fā)展對行業(yè)產生影響，另外，組合型開關電器的發(fā)展使得與多個配套行

53、業(yè)與開關行業(yè)的聯(lián)系緊密了。數字化變電站技術發(fā)展對該行業(yè)產品的影響：（1）促進新型傳感器的發(fā)展，不僅包括電流和電壓測量的互感器，還包括非電量互感器如溫度、壓力、密度、位移、弧光、濕度和位置等傳感器；（2）促進基于ECT/EVT或OCT/OVT的組合電器應用；（3）與二次系統(tǒng)聯(lián)結部分的智能接口/操作箱的發(fā)展。行業(yè)演變可能會由于高電壓等級的一次設備投入較大，所以有一定的準入門檻，高端的市場格局不易輕易打破。中壓開關柜面向的行業(yè)眾多，市場集中度不高，眾多企業(yè)普遍存在核心技術缺失，競爭力不強的弱點，如果利用此次機會推出符合未來數字化變電站方向的性價比高的產品，有可能隨著數字化變電站的推廣獲得大的發(fā)展。一次和二次企業(yè)通過行業(yè)聯(lián)合體（合作、