数字化变电站自动化系统的研究

申狄秋

（中国南方电网超高压输电公司柳州局，广西 柳州 54006）

1 数字化变电站的概念

数字化变电站指信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变电站，基本特征为设备智能化、通信网络化、运行管理自动化等。数字化变电站有以下主要特点：

一次设备智能化。采用数字输出的电子式互感器、智能开关（或配智能终端的传统开关）等智能一次设备。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样值、状态量、控制命令等信息。

二次设备网络化。二次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取消控制电缆。

运行管理系统自动化。应包括自动故障分析系统、设备健康状态监测系统和程序化控制系统等自动化系统，提升自动化水平，减少运行维护的难度和工作量。

2 数字化变电站的主要技术特征

数据采集数字化。数字化变电站的主要标志是采用数字化电气量测系统（如光电式互感器或电子式互感器）采集电流、电压等电气量，实现了一、二次系统在电气上的有效隔离，增大了电气量的动态测量范围并提高了测量精度，从而为实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转变以及信息集成化应用提供了基础。

系统分层分布化。变电站自动化系统的发展经历了从集中式向分布式的转变，第二代分层分布式变电站自动化系统大多采用成熟的网络通信技术和开放式互连规约，能够更完整地记录设备信息并显著地提高系统的响应速度。数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上根据IEC61850通信标准定义，可分为“过程层“、“间隔层“、“站控层“三个层次。各层次内部及层次之间采用高速网络通信。

信息交互网络化与信息应用集成化。数字化变电站采用低功率、数字化的新型互感器代替常规互感器，将高电压、大电流直接变换为数字信号。站内设备之间通过高速网络进行信息交互，二次设备不出现功能重复的I/O接口，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块，以实现数据及资源共享。目前国际上已确定IEC61850为变电站自动化通信标准。此外，数字化变电站对原来分散的二次系统装置进行了信息集成及功能优化处理，因此可以有效地避免常规变电站的监视、控制保护、故障录波、量测与计量等装置存在的硬件配置重复、信息不共享及投资成本大等问题的发生。

设备操作智能化。新型高压断路器二次系统是采用微机、电力电子技术和新型传感器建立起来的，断路器系统的智能性由微机控制的二次系统、IED和相应的智能软件来实现，保护和控制命令可以通过光纤网络到达非常规变电站的二次回路系统，从而实现与断路器操作机构的数字化接口。

设备检修状态化。在数字化变电站中，可以有效地获取电网运行状态数据以及各种IED装置的故障和动作信息，实现对操作及信号回路状态的有效监视。数字化变电站中几乎不再存在未被监视的功能单元，设备状态特征量的采集没有盲区。设备检修策略可以从常规变电站设备的“定期检修“变成“状态检修“，从而大大提高系统的可用性。

系统结构紧凑化和建模标准化。数字化电气量测系统具有体积小、重量轻等特点，可以将其集成在智能开关设备系统中，按变电站机电一体化设计理念进行功能优化组合和设备布置。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元作为一次智能设备的一部分，实现了IED的近过程化（process-close）设计；在中低压变电站可将保护及监控装置小型化、紧凑化并完整地安装在开关柜上。

可靠和实时的通信网络。网络系统是数字化变电站的“神经系统“，其可靠性和实时性直接决定了变电站系统的可用性。通信网络的可靠性主要通过选择具有高可靠性的网络拓扑结构及采用冗余技术来保证。各IED都带有双网卡，可分别接入两台交换机，过程总线和站级总线都采用环形拓扑，因此该方案可极大地提高系统的可靠性。网络系统设计属于优化问题，要综合考虑可靠性、经济性及易维护性等诸多因素。

具备互操作性的IED。制定IEC61850标准的主要目标之一是实现IED的互操作性和互换性。为了保证IED的互操作性，需要对其进行一致性测试和性能测试。一致性测试属于“证书“测试，目的是测试IED是否符合特定标准。IEC61850-10中专门定义了一致性测试方法。性能测试属于应用测试，目的是测试IED是否满足运行性能要求。一致性测试一般由授权机构完成，而性能测试则由用户组织实施。与常规变电站相比，数字化变电站系统中的一致性测试和应用测试的联系更为紧密。一致性测试是应用测试的基础，产品只有通过了一致性测试才具备构成应用系统以执行应用测试的条件。

信息的安全性。IEC61850是国际电工委员会TC57工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准，也将成为电力系统从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化无缝连接的通信标准，还可望成为通用网络通信平台的工业控制通信标准。IEC61850本身对变电站网络系统的安全性未做规定，协议的开放性和标准性带来了电力系统运行的安全性问题，应保证二次系统信息的保密性、完整性、可用性及确定性。为适应电力系统信息安全防护的要求，IEC在制定了IEC60870-5、IEC61850等标准的基础上，开展了安全标准IEC62351的编制，其中：IEC62351-3定义了TLS(transport layersecurity)，IEC62351-4定义了 MMS 的安全性，IEC62351-6定义了IEC61850的安全性。

3 数字化变电站自动化系统中的网络选型

网络系统是数字化变电站自动化系统的命脉，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的可用性。常规变电站自动化系统中单套保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是在同一个CPU控制下进行的，使得同步采样、A/D转换，运算、输出控制命令整个流程快速，简捷，而全数字化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的，如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出是一个复杂问题，其最基本的条件是网络的适应性，关键技术是网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定。如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任数字化变电站自动化的技术要求。目前以太网（ethernet）异军突起，已经进入工业自动化过程控制领域，固化OSI七层协议，速率达到100MHz的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现，数字化变电站自动化系统的两级网络全部采用100MHz以太网技术是可行的。

4 数字化变电站自动化系统发展中的主要问题

在三个层次中，数字化变电站自动化系统的研究正在自下而上逐步发展。目前研究的主要内容集中在过程层方面，诸如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发。国外已有一定的成熟经验，国内的大专院校、科研院所以及有关厂家都投入了相当的人力进行开发研究，并且在某些方面取得了实质性的进展。但归纳起来，目前主要存在的问题是：（1）研究开发过程中专业协作需要加强，比如智能化电器的研究至少存在机、电、光三个专业协同攻关；（2）材料器件方面的缺陷及改进；（3）试验设备、测试方法、检验标准，特别是EMC（电磁干扰与兼容）控制与试验还是薄弱环节。

5 结束语

本文论述了数字化变电站综合自动化系统的特征、结构及其发展。数字化变电站自动化是一个系统工程，要实现全部数字化变电站自动化的功能，还有许多技术问题需要攻关解决，笔者相信在不久的将来数字化的变电站自动化系统，将有一个蓬勃的发展期。

[1]数字化变电站应用技术 中国电力出版社1/2008