標簽：數字化變電站 電網

由于電力系統(tǒng)對設備小型化、智能化、可靠性的要求越來越高，而常規(guī)的變電站自動化系統(tǒng)在應用中又存在諸多不足，已不能適應電網的發(fā)展和電力市場化的需要，所以變電站技術發(fā)展的前景是數字化變電站。論述了數字化變電站自動化系統(tǒng)的主要技術特征、結構和發(fā)展前景，分析了數字化變電站自動化系統(tǒng)的通信網絡選型中的要求，詳細研究了數字化變電站自動化系統(tǒng)中網絡通信技術的應用和網絡通信技術的三種結構模式。對數字化變電站通信體系規(guī)劃、應用標準、實施方案等作了全面闡述。

0 引言

變電站自動化技術經過十多年的發(fā)展已經達到一定的水平，在我國城鄉(xiāng)電網改造與建設中大多數變電站均采用了綜合自動化技術，實現了無人值班，從而降低了變電站建設的總造價和運行成本，大大提高了電網建設的現代化水平。隨著智能化開關、光電式互感器、一次運行設備在線狀態(tài)檢測等技術逐步成熟，以及計算機高速網絡在實時系統(tǒng)中的開發(fā)應用，全數字化的變電站自動化系統(tǒng)已經出現。

目前，隨著高壓、超高壓系統(tǒng)發(fā)展，對電網安全、穩(wěn)定、可靠、控制、信息交互等提出了更高要求。國家電網公司在《國家電網公司“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃》中將“數字化變電站技術”列入電網自動化技術的五大課題之一。數字化變電站技術是今后變電站綜合自動化技術的發(fā)展方向。

1 數字化變電站的特點

數字化變電站具有以下幾個主要特征：

(1)一次設備的數字化和智能化

電子式或光電式互感器替代了變電站內傳統(tǒng)的電磁式互感器，它能直接向外提供數字式光纖以太網接口;站內采用具備向外進行數字通信的智能斷路器、變壓器等設備，或者在這些一次設備就地加裝智能終端實現信號的數字式轉換與狀態(tài)監(jiān)測，達到一次設備數字化和智能化的要求。

(2)二次設備的數字化和網絡化

數字化變電站的二次設備除了具有一般數字式設備的特點外，還具備對外光纖網絡通信接口，與傳統(tǒng)變電站信息傳輸以電纜為媒介不同，數字化變電站二次信號傳輸是基于光纖以太網實現的。

(3)變電站通信網絡和系統(tǒng)實現IEC61850標準化

傳統(tǒng)變電站中信息描述和網絡通信協議標準的差異導致了不同設備間信號識別困難、互操作性差;數字化變電站全站通信網絡和系統(tǒng)實現均采用IEC61850標準，該標準的完整性、系統(tǒng)性、開放性保證了數字化變電站站內設備具備互操作性的特征。

(4)運行管理系統(tǒng)的自動化

在現有綜自系統(tǒng)已經具備較大程度的自動化特征的基礎上，數字化變電站在站內設備的互操作性、信號的光纖傳輸、網絡通信平臺的信息共享等方面進一步體現了運行管理自動化的特點。綜上所述，基于光電技術的互感器應用構成了變電站電氣量信息采集的數字化應用;IEC61850標準的頒布實施為變電站實現信息的統(tǒng)一建模奠定了基礎;以太網技術的發(fā)展為變電站內實現基于網絡方式的信息交換提供了技術支持;智能斷路器技術的發(fā)展使變電站自動化技術實現了二次設備向一次設備的應用延伸。

2 數字化變電站通信網絡的要求

2.1 功能要求

通信網絡的根本任務是解決綜合自動化系統(tǒng)內部以及與其他系統(tǒng)之間的實時信息交換，網絡是不可或缺的功能載體，構建一個可靠、實時、高效的網絡體系是通信系統(tǒng)的關鍵之一。2000年國際大電網會議第34組(保護與控制組)，討論和介紹了變電站自動化及其通信系統(tǒng)，其基本一致的思想就是通信技術是變電站自動化系統(tǒng)的關鍵。通信網絡是連接站內各種智能電子設備(IED)的紐帶，因此它必須能支持各種通信接口，滿足通信網絡標準化。隨著變電站的無人化以及自動化信息量的不斷增加，通信網絡必須有足夠的空間和速度來存儲和傳送事件、電量、操作、故障以及錄波等數據。為改善電壓運行質量，無人值班變電站要求通信網絡具有電壓無功自動調節(jié)功能、系統(tǒng)對時功能等。另外自診斷、自恢復以及遠方診斷、在線狀態(tài)檢測是針對運行維護提出的幾項功能要求。

2.2 性能要求

通信網絡的性能要求主要體現在以下幾個方面：

(1)可靠性由于電力生產的連續(xù)性和重要性，站內通信網絡的可靠性是第一位的，應避免個別裝置損壞導致站內通信中斷。隨著數字、圖像信息的多媒體技術的應用，監(jiān)控會更加依賴通信網絡，因此一個可靠的通信網絡是首要條件。

(2)開放性站內通信網絡是調度自動化的一個子系統(tǒng)，除了保證站內IED設備互連、便于擴展外，它還應服從電力調度自動化的總體設計，硬件接口應滿足國際標準，應選用國際標準的通信協議，方便用戶的系統(tǒng)集成。

(3)實時性因測控數據、保護信號、遙控命令等都要求實時傳送，雖然正常運行時站內數據流不大，但出現故障時要傳送大量的數據，要求信息能在站內通信網絡上快速傳送。

2.3 實施方法

(1)變電站站內光纖網絡化變電站站內光纖網絡化，站內一、二次設備之間實現全數字化光纖網通信。主要包括電氣量采集值數字化傳輸保護等二次設備、跳合閘、狀態(tài)信號及故障告警信號的數字化傳輸，智能變壓器告警信號、分接遙調、溫度等模擬量的數字化傳輸。

(2)全站統(tǒng)一的標準化平臺統(tǒng)一的信息模塊、數據模型、功能模型，統(tǒng)一的通信協議、數據無縫交換、信息傳輸的可靠性、完整性、實時性。各種設備共享統(tǒng)一信息，具有互操作性。經過功能的組合化設計，利用先進的計算機技術、現代化通信技術和信號處理技術，實現對全變電站的主要設備和輸配電線路的自動監(jiān)視、自動控制與保護以及與調度通信等綜合性的自動化功能。

(3)數字化/智能化一次設備一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅動回路，采用微處理器和光電技術設計，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程控制器代替。

(4)減少二次控制和信號電纜以光纜和少量通信電纜替代戶外和控制室成捆的二次控制電纜和信號電纜。減少二次接線占地面積，降低變電站的總造價，降低運營成本。

(5)系統(tǒng)數據實現就地采集采用光纖實現數據信號的傳輸，信號采集精度高、可靠性強，數據信號源唯一，重復投資少，實現分層控制及分層數據傳輸，提高數據傳輸和應用的效率。

3 數字化變電站的通信標準

數字化變電站的通信體系基于IEC61850標準。IEC61850提供了變電站自動化系統(tǒng)功能建模、數據建模、通信協議、通信系統(tǒng)的項目管理和一致性檢測等一系列標準。按照IEC61850建設變電站的通信網絡和系統(tǒng)，是建設數字化變電站的有效途徑。IEC61850的發(fā)布為建設數字化變電站提供了堅實的基礎。按照IEC61850標準，變電站的功能應分為站控層、間隔層和過程層。數字化變電站通信系統(tǒng)應有圖1所示通信接口。

①站控層設備之間的通信接口;②站控層與間隔層設備的通信接口;③間隔層設備之間的通信接口;④間隔層與過程層設備的通信接口;⑤站控層設備與遠方控制中心的通信接口;⑥間隔層設備與遠方保護的通信接口。

其中通信接口③根據情況在通信接口②或④上實現，通信接口①和②在小規(guī)模的變電站可共用一個物理通信網絡。通信接口①～④應按照IEC61850標準建設。為了能與現有的調度系統(tǒng)接口，通信接口⑤仍采用IEC60870-5-101或104規(guī)約，但遠動通信接口設備應有能升級到IEC61850的能力。通信接口⑥主要用于縱差保護、遠跳裝置等，由設備制造廠定義，應能在變電站間的通信系統(tǒng)上實現。

數字化變電站的物理設備間應能實時、高效、可靠的交換信息，以太網通信技術是滿足這種要求的最佳選擇。根據IEEE及EPRI的實驗報告，現有的以太網通信技術完全能夠滿足變電站自動化的通信要求。以太網技術是主流的通信技術，具有極佳的經濟性，并且仍在快速發(fā)展中，為變電站自動化系統(tǒng)提供了廣闊的發(fā)展空間。

4 IEC61850數字化變電站通信方案

數字化變電站應用技術改變了變電所控制系統(tǒng)和電氣量采集系統(tǒng)、斷路器設備間連接的形式，推進了變電站內IED設備之間信息交互的網絡化實現，數字化變電站通信方案可以分為三種模式：點對點模式、過程總線模式、過程總線和站總線合并模式。

4.1 點對點連接模式

測量數據總線標準化就是傳感器、斷路器和保護設備之間信息交互采取點對點的連接模式。隔離刀閘、斷路器設備的控制經由過程總線來完成，系統(tǒng)結構如圖2所示。測量數據通過直連到保護設備的點對點的連接來發(fā)送，過程總線用于控制和監(jiān)測以及從合并單元到間隔處理單元的有效值的發(fā)送。點對點連接和過程總線都是基于10Mbit/s的以太網，只是各自使用的通信協議不同。測量數據遵循規(guī)約。這種應用模式的特點是保護的測量數據和控制通信數據嚴格分離，由于通信模塊的使用，這種模式已經為下一步變換數據過程總線做好了準備。

4.2 過程總線模式

控制和測量數據的分離通信系統(tǒng)將合并到一起，IEC61850-9-2標準化是出于對過程總線的考慮，這種應用模式見圖3。控制和測量數據的合并減少了間隔接線的復雜性，但間隔層IED設備需要兩個以太網口分別與過程總線和變電站總線連接。由于傳送了來自合并單元的數字化電氣量測系統(tǒng)的瞬時值，此種通信方式比第一種通信方式更快。出于這個原因將使用100Mbit/s以太網，保護裝置的跳閘命令通過過程總線發(fā)送到斷路器。

4.3 過程總線和站總線合并模式

由于在第一、二種模式中過程總線和變電站總線都使用了基于MMS應用層通信堆棧的以太網，因此隨著以太網交換技術的發(fā)展，使得變電站總線和各種過程總線連接構成一個通信網絡將不會影響變電站內信息通信系統(tǒng)的運作。統(tǒng)一總線的優(yōu)點是信息的完全共享、統(tǒng)一的訪問和存儲方式;間隔層中的設備只需要一個通信接口，將大大降低設備和變電站運行和維護費用。結構圖見圖4所示。

5 結束語

數字化變電站自動化系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，通信網絡是數字化變電站系統(tǒng)的關鍵技術?？梢灶A計，在現有技術水平不斷發(fā)展和運行經驗不斷總結的基礎上，數字化變電站將以其在數字化、自動化、智能化、安全性和互操作性等方面的優(yōu)勢，成為未來變電站技術發(fā)展的必然趨勢。

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作者簡介：

鞠 陽(1963-)，男，碩士，副教授，主要從事電網監(jiān)視與控制、變電站綜合自動化方面的教學和研究工作。