對數字化變電站設計技術的探析數字化變電站摘要:本文筆者通過對數字化變電站技術的建設設計運行及傳統變電站的改造中出現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，數字化技術已成為科學發展的前沿技術，變電站數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。數字化變電站是一個不斷發展的概念，目前它是由電子式互感器、智能化一次設備、網絡化二次設備在IEC61850通信規范基礎上分層構建，能夠實現智能設備間信息共享和互操作的現代化變電站。

隨著2006年1月8日，我國的第一座完整意義上的數字化變電站―一云南省曲靖市翠峰110kV數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字化變電站建設中的多項空白，也為國內電力系統的數字化建設邁出了重要的一步。國內部分省市已經開始進行試點建設，積累經驗，為大規模推廣奠定基礎?？梢灶A見，數字化變電站是大勢所趨，是未來變電站模式的發展方向。

1數字化變電站基本概念

作為現代化變電站，數字化變電站指的是變電站內一次電氣設備和二次電子裝置均實現數字化通信，并具有全站統一的數據模型和數據通信平臺，在此平臺的基礎上實現智能裝置之間信息共享和互操作。

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

在數字化變電站中，自動化系統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絡化的二次設備;在邏輯結構上可分為3個層次，根據IEC關于變電站的結構規范，將變電站分為3個層次，即變電站層、間隔層以及過程層。各層次內部及層次之間采用高速網絡通信。

在數字化變電站中，其主要的核心技術體現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字化變電站發展的核心與基礎。與傳統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;二次系統無電流，不存在TA開路的問題;數字化通信，可以通過網絡實時監測互感器工作狀態。這些優點為傳統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規約，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的通用通信接口ACSI，符合IEC61850標準的各個廠家產品可以非常方便的實現互操作。在IEC61850標準中，它的每個數據都是自帶名字和數據類型，為了防止傳統規約中使用點號和數據包類型號帶來的混淆;規約調試的工作量減少，因此，IEC61850特別強調一致性測試，理想情況下各個不同廠家裝置及后臺系統可以無縫組網。

2數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定性研究方面遇到的困難，現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字信號驅動發光二極管，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字信號，差動保護(變壓器、母線、線路等)采樣數據的同步，數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IEC61805的變電站層和間隔層部分規約已經實現，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，國內使用的保護功能和方法與其有一定的差異，完整實現站層和間隔層部分規約包括GOOSE時，由于存在網絡沖突，可能會造成GOOSE報文的延遲;而且目前國內高壓保護全部是雙重化配置，當雙套保護同時動作的時候，會同時發送緊急事件報文，此時可能會發生沖突。因此國內急需建立一個完整全面的IEC61850數字式設備測試環境，從科研試點的角度出發，數字化變電站中有必要配置專用的網絡分析儀。網絡分析儀主要用于詳細記錄網絡上的報文信息，實現檢索、排序、分類等基本數據統計功能和針對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外，其他技術層面如數字化變電站通信網絡的拓撲結構，操作箱數字化的配置，時間同步和閉鎖功能的實現，智能開關耐壓等級及短路電流開斷能力的完善，網絡環境下傳輸延時不確定等已經成為數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和其他的控制系統都是一個獨立系統，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基于開放的、標準的網絡技術之上，供應商都能開發基于因特網的應用程序來監測、控制或遠方診斷，可能導致計算機控制系統的安全性降低。對于要求高可靠性和安全穩定性的電力系統而言，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技術。VLAN(虛擬網絡)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。這樣就可以實現電網的運行數據以及各種調度信息存儲于不同的節點，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。這種方法的基礎與上一措施相同，都是分布式網絡。不同的是，多智能體技術賦予每一個受監控點一定的決策及協調能力。這樣就比單純的分布式網絡更為靈活，并且安全系數更高，通過策略庫，可以應對出現的復雜的情況。

(2)軟件安全性方面

對于變電站網絡安全體系主要有以下兩種方法：一是采用數字簽名技術，因為數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。數字化變電站可考慮對變電站運行信息(遙控信息、遙調信息、保護裝置和其他安全自動裝置的整定信息等)應用數字簽名。二是采用防火墻技術，因為在互聯網上廣泛應用的防火墻技術可以在有數據溝通的終端之間，通過TCP/IP協議完成對數據流的安全保護。而且這種措施還可以根據實際情況采用不同的安全等級策略，方便靈活。數字化變電站的信息安全防護是整體的、動態的過程，同時也是多種技術的總和。應當綜合考慮變電站的網絡安全策略，建立起一套真正適合變電站的網絡安全體系。

3數字化變電站變電運行時的一些問題

基于IEC61850通信協議的數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。

3.1智能開關的調試技術

數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字化變電站的操作智能型。智能開關的調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視、控制及信息傳輸速度的需要。

3.2間隔層的改造

由于數字化變電站中的繼電保護是直接以數字量輸入和輸出的，內部無需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。其次，由于數字化變電站的繼電器可以進行暫態檢測，因此數據可以常備常新，隨時檢測，更準確迅速地反映電能參數的變化和異常，因此與以前的穩態校驗在校驗方法上大大不同。

3.3傳統變電站與數字化變電站故障分析及排查

傳統變電站與數字化變電站有個很大的區別是內部連接方式的不同。傳統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相連接，網絡內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誤操作。數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，連續自我檢測和監視開關設備的一次和二次系統，在缺陷變為故障之前發出預警提示，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，數字化變電站的運行工作比傳統變電站簡單方便，也對變電運行提出了新的挑戰。作為運行單位必須及早著手準備，加快人才培養，加快對新設備、新技術的消化和吸收，以便積極應對。

4傳統型變電站升級改造

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

4.1變電站層的改造

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