数字化变电站系统应用

王永珩

（哈尔滨供电段，黑龙江省 哈尔滨 150010）

1 引言

数字化变电站三个主要的特征包括“一次设备智能化，二次设备网络化，符合IEC61850标准”，即数字化变电站内的信息全部做到数字化，信息传递实现网络化，通信模型达到标准化，使各种设备和功能共享统一的信息平台。这使得数字化变电站在系统可靠性、经济性、维护简便性方面均比常规变电站有大幅度提升。

2 实现数字式变电站的可行性

在技术上，实现数字式变电站可以减少设备的退出次数和退出时间，提高设备的可用性；减少自动化设备数量，简化二次接线，提高系统的可靠性；设备具有互操作性，方便了设备的维护和更新，减少投运时间，提高工作效率；可以方便变电站的扩建及自动化系统的扩充。以往的设备状态检修主要指一次设备，电气二次设备的状态监测对象不是单一的元件，而是一个单元或一个系统。虽然IED装置本身具备状态检修的实施基础，但二次设备的状态检修必须作为一个系统性的问题来考虑，或者说状态监测环节应包含交流输入、直流、操作回路等，因此，常规变电站内很难实施二次系统的状态检修。在数字化变电站中，可以有效地获取电网运行状态数据、各种IED装置的故障和动作信息、监测操作及信号回路状态的有效监视。数字化变电站中将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上没有盲区。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”，这将大大提高系统的可用性。

在经济上，可以实现信息在运行系统和其他支持系统之间的共享，减少重复建设和投资；减少占地面积，从而减少基建投资；减少变电站寿命周期内的总体成本，包括初期建设成本和运行维护成本。除此之外，数字化变电站中IEC61850所支持的互操作性，把用户从不同制造商设备互联困难的限制中解脱出来，提高了变电站选择产品的自由度。不仅如此，通用的配置方式提高了用户对设备的驾驭能力，即使某些设备的供应商出现问题，该产品仍可与其它设备组织在统一系统中，从而保护了变电站投资。标准化的信息模型实现了变电站信息共享，原先必须由IED实现的某些保护功能可以由一个软件模块来实现了，如母线保护、备自投等，设备的减少同时减少了变电站的占地面积，节约了大量成本，而且提高了可靠性。二次回路设计简化，接线大大减少，显著降低了安装、调试、维护工作量，把维护人员从繁杂的布线核查中解脱出来。数字化变电站中实现了信息共享，设备提供了更丰富的状态监测信息，根据这些信息可实现更智能化的维护工作，包括故障诊断和定位，维护更简便。电缆的显著减少也节约了大量的投资。

3 数字化牵引变电站的系统结构

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通信协议草案定义，可分为“过程层”、“间隔层”、“站控层”三个层次。

4 系统特点

一体化设计：数字式变电站系统以整个变电站为研究对象，实现全站保护、监控一体化以及电能计量功能，无需外部电缆接线，各个功能通过站内通信网络组合在统一的系统中，信息、功能、应用集成化程度高，间隔层设备大大减少，通信网络结构得到最大简化。系统中配置专用的仲裁设备（如数字化故障录波仪），可以明确运行状态下，运行设备或线路上故障的的原因。

全站数据共享：数字式变电站系统的过程层、间隔层和变电站层设备之间交换的所有信息，如：电流、电压量、开关、隔离刀闸、设备状态和控制命令等全部实现数字化，并通过以太网传输。数字式变电站系统采用分布式采集、集中式处理的系统解决方案，所有模拟量的采集实现同步采样，数据在交换服务器汇总并在网络上实时发布，实现全站数据及信息共享，并可根据间隔层设备的功能要求实现数据定制。

双重化配置：双重化的变电站集成保护及测控装置通过双重化的GOOSE网络、SMV采集网与过程层的智能终端（合并单元）相连。实现功能及网络的冗余，保证任何单一故障不会引起任何应用功能的缺失。变电站层、间隔层通信采用双以太网，能自动平衡网络负载。

灵活性：系统采用面向对象的设计思想，根据各变电站的系统情况可自由配置保护、测控、计量等功能模块。特别是未来客户需扩充增值的高级应用功能时，无需额外施工仅需更换相应软硬件即可。过程层的合并单元可以接入电子式互感器及智能开关设备，也保留了接入传统电磁式互感器的接口以兼容传统的一次设备。通信接口方式选择灵活，除支持IEC61850标准规约外，还支持多种标准通信规约。此外还提供规约转换器，可支持大部分非标准通信规约。系统采用高精度硬件时钟，支持PPS、IRIGB、SNTP等各种对时方案。

5 系统组网

通常数字化变电站应用比较多的有环网及双星型网络。传统的以太网拓扑结构中不能出现环路，因为由广播产生的数据包会引起无限循环而导致阻塞，该问题可依靠生成树算法解决。快速生成树协议使算法的收敛过程从1min降低到1~10s，这样，在变电站网络中就可以采用多种冗余链路设计来保证网络的可靠性。

而星型网络相比环型网络结构简单、配置简洁，且降低了网络风暴形成的风险，建议采用星型网络。各层网络组网方式如下：站控层网络：采用光纤以太网星型网络结构；过程层网络：采用光纤点对点网络结构；专用GOOSE通信网络：采用光纤双网结构，网络延时<3ms

由于数据网需要实施传输采样数据，网络上数据量较大，必须采用100M网络。相应的网络接口及交换设备已经在应用中非常成熟，为系统数据的扩展奠定了扎实的基础。

6 在铁路牵引变电所应用

考虑到铁路牵引供电系统原有传统一次设备的改造难度，通过在互感器和开关上加装智能采集终端及智能控制终端装置,实现模拟量数字化传输和开关、刀闸的数字化操作。其中智能终端装置针对单个PT，CT或断路器设计，由智能采集装置根据系统同步脉冲完成模数转换，并将数据通过光纤送至合并单元，合并单元通过高速光纤再将一组时标一致的电压和电流数据通过光纤转发给各保护测控单元。保护测控单元需要对合并单元转发数据通过插值算法进行“重采样”才能进行计算（如线性插值算法），并发送控制命令,实现多个间隔的保护测控功能。

与常规互感器输出的模拟信号有所不同，由合并单元输出的数字采样信号中必须含有时间信息。各合并单元输出的电压、电流信号必须严格同步，否则将直接影响保护动作的准确性和正确性。因此，同步时钟是全数字化保护系统中的关键元件。过程层设备采用基于卫星钟秒脉冲进行同步，间隔层设备采用IRIG-B码校时，站控层采用SNTP软件同步方案。

间隔层保护装置与通信装置采用双重化配置，变电站采用2套复用的保护测控装置,每套保护测控装置由2台独立的保护测控装置构成,其中1台主要完成单间隔保护 (如线路保护、电容器及电抗器组保护等),另1台主要完成跨间隔保护(如主变、差动保护及备自投装置 )。

站控层网络采用单网或双网通信 ,通信方式为工业以太网。第三方设备（包括电表、交直流系统、安防系统等）可通过协议转换装置接入监控系统。

7 总结

根据IEEE、IEE、CIGRE等国际著名研究机构的最新数字化变电站自动化的前沿技术，针对220/27.5Kv铁路牵引变电站的供电模式和具体特点，提出了崭新的基于IEC61850标准的数字化变电站的解决方案。该系统通过合理的硬件集成、功能集成和信息集成简化硬件设置，实施信息全面集成和功能的合理优化、整合，全面实现变电站保护、测控、自动化、电量计量等功能，不仅简化了现场施工，降低了用户运行维护难度，也减少了数字化变电站的投资成本。在铁路牵引变电所具有很大的推广应用前景。

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