對數(shù)字化變電站設計技術的探析數(shù)字化變電站

對數(shù)字化變電站設計技術的探析數(shù)字化變電站摘要:本文筆者通過對數(shù)字化變電站技術的建設設計運行及傳統(tǒng)變電站的改造中出現(xiàn)的若干問題進行簡要的闡述和分析，供各位同仁參考及借鑒。關鍵詞：數(shù)字化變電站設計建設技術安全層面升級改造

0引言

當前，數(shù)字化技術已成為科學發(fā)展的前沿技術，變電站數(shù)字化對進一步提升變電站綜合自動化水平將起到極大促進作用。數(shù)字化變電站是一個不斷發(fā)展的概念，目前它是由電子式互感器、智能化一次設備、網(wǎng)絡化二次設備在IEC61850通信規(guī)范基礎上分層構建，能夠實現(xiàn)智能設備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。

隨著2006年1月8日，我國的第一座完整意義上的數(shù)字化變電站―一云南省曲靖市翠峰110kV數(shù)字化變電站通過鑒定驗收。該變電站的落成填補了我國在數(shù)字化變電站建設中的多項空白，也為國內(nèi)電力系統(tǒng)的數(shù)字化建設邁出了重要的一步。國內(nèi)部分省市已經(jīng)開始進行試點建設，積累經(jīng)驗，為大規(guī)模推廣奠定基礎?？梢灶A見，數(shù)字化變電站是大勢所趨，是未來變電站模式的發(fā)展方向。

1數(shù)字化變電站基本概念

作為現(xiàn)代化變電站，數(shù)字化變電站指的是變電站內(nèi)一次電氣設備和二次電子裝置均實現(xiàn)數(shù)字化通信，并具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)通信平臺，在此平臺的基礎上實現(xiàn)智能裝置之間信息共享和互操作。

數(shù)字化變電站的優(yōu)點有：數(shù)據(jù)共享、信息全面、安裝、運行、維護、升級方便、底層數(shù)據(jù)格式相同、設備成本低、便于提供先進的應用功能，主要特征有：數(shù)字化的TV/TA、二次設備、開關設備、無縫通信協(xié)議(IEC61850)、實時數(shù)據(jù)傳輸(G00SE)等。

在數(shù)字化變電站中，自動化系統(tǒng)的結構在物理上可分為2個部分，即智能化的一次設備和網(wǎng)絡化的二次設備;在邏輯結構上可分為3個層次，根據(jù)IEC關于變電站的結構規(guī)范，將變電站分為3個層次，即變電站層、間隔層以及過程層。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡通信。

在數(shù)字化變電站中，其主要的核心技術體現(xiàn)在電子式互感器以及IEC61850標準的應用上。電子式互感器的應用是數(shù)字化變電站發(fā)展的核心與基礎。與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器相比，電子式互感器無絕緣油，不會有安全隱患;無鐵芯，無鐵磁共振、磁滯效應及沒有磁飽和現(xiàn)象;測量帶寬和精度高;體積小、重量輕、運行時無噪音，高電壓等級時性價比好;二次系統(tǒng)無電流，不存在TA開路的問題;數(shù)字化通信，可以通過網(wǎng)絡實時監(jiān)測互感器工作狀態(tài)。這些優(yōu)點為傳統(tǒng)的變電站帶來了巨大的革命性影響。

IEC61850標準比起以往的電力系統(tǒng)規(guī)約，無論在標準制定思想和結構定義上都有了很大的進步。比如標準規(guī)范一致性，IEC61850標準在MMS的基礎之上建立了一套適用于電力系統(tǒng)的通用通信接口ACSI，符合IEC61850標準的各個廠家產(chǎn)品可以非常方便的實現(xiàn)互操作。在IEC61850標準中，它的每個數(shù)據(jù)都是自帶名字和數(shù)據(jù)類型，為了防止傳統(tǒng)規(guī)約中使用點號和數(shù)據(jù)包類型號帶來的混淆;規(guī)約調(diào)試的工作量減少，因此，IEC61850特別強調(diào)一致性測試，理想情況下各個不同廠家裝置及后臺系統(tǒng)可以無縫組網(wǎng)。

2數(shù)字化變電站建設設計常見問題

2.1技術層面問題

(1)電子式互感器帶來的相關問題

根據(jù)IEC標準，從測量原理分類，電子式電流互感器包含了光學電流互感器、空芯電流互感器(又稱為Rogowki線圈)及低功率型電流互感器3種。由于在光學電流互感器的溫度穩(wěn)定性研究方面遇到的困難，現(xiàn)階段實用化的高壓電子式電流互感器主要是以空芯線圈為傳感單元，低壓側的半導體激光器通過供能光纖給高壓側的調(diào)制電路供電，將高壓側的含有被測電流信息的電壓信號轉換成數(shù)字信號驅動發(fā)光二極管，通過信號傳輸光纖以光脈沖的形式傳輸至低壓側。在電子式互感器應用方面，需要關注以下問題:互感器的安裝位置，合并單元的配置方案，各個二次設備如何共享數(shù)字信號，差動保護(變壓器、母線、線路等)采樣數(shù)據(jù)的同步，數(shù)字化過程層設備的測量精度，多個過程層接口的保護測控設備的應用等如何解決。

(2)支持IEC61850標準中存在的問題

國外實現(xiàn)IEC61805的變電站層和間隔層部分規(guī)約已經(jīng)實現(xiàn)，功能也已相當完整。由于制定IEC61850時，具體的保護功能和類型是按照歐美的標準及習慣制定的，國內(nèi)使用的保護功能和方法與其有一定的差異，完整實現(xiàn)站層和間隔層部分規(guī)約包括GOOSE時，由于存在網(wǎng)絡沖突，可能會造成GOOSE報文的延遲;而且目前國內(nèi)高壓保護全部是雙重化配置，當雙套保護同時動作的時候，會同時發(fā)送緊急事件報文，此時可能會發(fā)生沖突。因此國內(nèi)急需建立一個完整全面的IEC61850數(shù)字式設備測試環(huán)境，從科研試點的角度出發(fā)，數(shù)字化變電站中有必要配置專用的網(wǎng)絡分析儀。網(wǎng)絡分析儀主要用于詳細記錄網(wǎng)絡上的報文信息，實現(xiàn)檢索、排序、分類等基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能和針對IEC61850標準的高級報文分析功能。目前，國外有一些分析MMS報文和GOOSE報文的軟件，但價格昂貴而且長期運行穩(wěn)定性差。

(3)其他技術層面的一些問題

除了以上兩大核心技術面臨的挑戰(zhàn)外，其他技術層面如數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡的拓撲結構，操作箱數(shù)字化的配置，時間同步和閉鎖功能的實現(xiàn)，智能開關耐壓等級及短路電流開斷能力的完善，網(wǎng)絡環(huán)境下傳輸延時不確定等已經(jīng)成為數(shù)字化變電站建設中關注的焦點問題。

2.2安全層面問題

先前的SCADA和其他的控制系統(tǒng)都是一個獨立系統(tǒng)，由于硬件平臺和邏輯結構都與外界不同，因此具有較高的安全性。而開放式變電站綜合自動化系統(tǒng)基于開放的、標準的網(wǎng)絡技術之上，供應商都能開發(fā)基于因特網(wǎng)的應用程序來監(jiān)測、控制或遠方診斷，可能導致計算機控制系統(tǒng)的安全性降低。對于要求高可靠性和安全穩(wěn)定性的電力系統(tǒng)而言，安全問題尤其突出。因此，可以嘗試從兩方面著手。

(1)物理安全性方面

一種方法是采用虛擬網(wǎng)技術。VLAN(虛擬網(wǎng)絡)技術，即將一個物理的LAN邏輯地劃分成不同的廣播域(即VLAN)，使每一個VLAN都包含一組有著相同需求的計算機工作站。這樣就可以實現(xiàn)電網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)以及各種調(diào)度信息存儲于不同的節(jié)點，降低了人為破壞或者自然災害的風險。另一種方法是采用多智能體技術。多智能體是分布式人工智能DAI(DitributedArtificiallntelligence)研究的前沿領域，是由多個智能體組成的系統(tǒng)。這種方法的基礎與上一措施相同，都是分布式網(wǎng)絡。不同的是，多智能體技術賦予每一個受監(jiān)控點一定的決策及協(xié)調(diào)能力。這樣就比單純的分布式網(wǎng)絡更為靈活，并且安全系數(shù)更高，通過策略庫，可以應對出現(xiàn)的復雜的情況。

(2)軟件安全性方面

對于變電站網(wǎng)絡安全體系主要有以下兩種方法：一是采用數(shù)字簽名技術，因為數(shù)字簽名是基于保密算法的程序式安全措施。它的安全程度取決于算法的復雜和精準程度。數(shù)字化變電站可考慮對變電站運行信息(遙控信息、遙調(diào)信息、保護裝置和其他安全自動裝置的整定信息等)應用數(shù)字簽名。二是采用防火墻技術，因為在互聯(lián)網(wǎng)上廣泛應用的防火墻技術可以在有數(shù)據(jù)溝通的終端之間，通過TCP/IP協(xié)議完成對數(shù)據(jù)流的安全保護。而且這種措施還可以根據(jù)實際情況采用不同的安全等級策略，方便靈活。數(shù)字化變電站的信息安全防護是整體的、動態(tài)的過程，同時也是多種技術的總和。應當綜合考慮變電站的網(wǎng)絡安全策略，建立起一套真正適合變電站的網(wǎng)絡安全體系。

3數(shù)字化變電站變電運行時的一些問題

基于IEC61850通信協(xié)議的數(shù)字化變電站引起了一、二次設備的變革，也必將給變電運行及檢修工作帶來新的挑戰(zhàn)。

3.1智能開關的調(diào)試技術

數(shù)字化變電站的一項關鍵技術就是智能開關的使用，因此，智能開關的性能直接關系到數(shù)字化變電站的操作智能型。智能開關的調(diào)試要考慮兩方面因素:一是物理性能，如絕緣性能，機械靈活程度等;二是二次設備配合度，即要滿足精密二次設備監(jiān)視、控制及信息傳輸速度的需要。

3.2間隔層的改造

由于數(shù)字化變電站中的繼電保護是直接以數(shù)字量輸入和輸出的，內(nèi)部無需A/D轉換過程，因此就拋棄了以往的笨重的A/D轉換設備，新式校驗設備更加輕便小巧易于攜帶;更重要的是將不再直接檢測高強度的模擬量，提高了檢測人員和設備的安全系數(shù)。其次，由于數(shù)字化變電站的繼電器可以進行暫態(tài)檢測，因此數(shù)據(jù)可以常備常新，隨時檢測，更準確迅速地反映電能參數(shù)的變化和異常，因此與以前的穩(wěn)態(tài)校驗在校驗方法上大大不同。

3.3傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站故障分析及排查

傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站有個很大的區(qū)別是內(nèi)部連接方式的不同。傳統(tǒng)變電站主要是靠復雜的二次電纜群傳遞模擬信號，因此誤操作的概率較大，而數(shù)字化變電站的過程層與間隔層之間、間隔層與變電站層之間都是通過光纖以太網(wǎng)相連接，網(wǎng)絡內(nèi)部通過自我檢測的方式進行故障排查，方便快捷且不易出現(xiàn)誤操作。數(shù)字化變電站在早期檢測方面也有了一個突破，即將新型傳感器和計算機配合使用，連續(xù)自我檢測和監(jiān)視開關設備的一次和二次系統(tǒng)，在缺陷變?yōu)楣收现鞍l(fā)出預警提示，及早解決，盡可能減小損失。但是，目前尚無一個符合實際的預警標準，如何制定出精確的臨界值是其中的難點。通過以上的分析不難看出，數(shù)字化變電站的運行工作比傳統(tǒng)變電站簡單方便，也對變電運行提出了新的挑戰(zhàn)。作為運行單位必須及早著手準備，加快人才培養(yǎng)，加快對新設備、新技術的消化和吸收，以便積極應對。

4傳統(tǒng)型變電站升級改造

數(shù)字化變電站具有更加靈活，更加方便的調(diào)控手段，也具有更高的安全性和穩(wěn)定性。這種技術將在以后的電力系統(tǒng)中得到普及。但是已建成的大量傳統(tǒng)變電站的整體一次性升級必將產(chǎn)生沉重的經(jīng)濟負擔，因此，建議通過以下幾個措施逐步升級傳統(tǒng)型變電站。

4.1變電站層的改造

若變電站內(nèi)與控制中心都支持IEC61850標準，可以拋棄101、104直接采用IEC61850與IEC61970完成升級;否則需進行規(guī)約轉換，即在變電站層實現(xiàn)IEC61850與101、104的網(wǎng)關。具體工程則應