数字化变电站设备技术功能与应用研究

茆睿

【摘 要】 随着智能技术的不断变化发展，在变电站自动化领域，机电一体化智能设备的出现使变电站综合自动化技术进入了数字化发展的新阶段，数字化变电站的相关功能也得到了更为广泛的应用。本文从数字化变电站的含义及现状入手，探讨了数字化变电站设备应用的技术功能以及发展趋势，并着重对其应用方法做出分析。

【关键词】 数学化变电站 设备 功能 应用 研究

近年来，伴随着网络化、智能化、集成化技术的迅速提高，数字化变电站也成为了电力行业未来发展的主要趋势之一，据此，本文对于数字化变电站设备技术功能与实际应用所作出的研究，也具有了十分重要的现实意义。

1 数字化变电站的相关概述

1.1 数字化变电站的内涵及特征

数字化变电站是由智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等）和网络化二次设备分层（过程层、间隔层、站控层）构建，建立在IEC61850标准和通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。数字化变电站具有多方面的特征，简要概括起来主要有以下几个方面：

（1）内部紧凑化。数字化变电站的内部构成通常来说是较为紧凑的，整个变电站内部包含的开关设备、数字化电气光电测量设备以及自动化集成系统，都是依靠先进技术理念而完成设计制作的。在此类变电站中，测控装置、保护装置、故障录波以及其他的自动化装置中I/0单元部分，也成为智能设备中的重要组成部分。

（2）布局可行性。IEC61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准。它通过标准的实现，实现了智能变电站的工程运作标准化。使得智能变电站的工程实施变得规范、统一和透明。不论是哪个系统集成商建立的智能变电站工程都可以通过SCD（系统配置）文件了解整个变电站的结构和布局，对于智能化变电站发展具有不可替代的作用。对于布局可行性，就需要在IEC 61850标准的基础上，为数字化变电站实施分层分布方案提供切实可行的技术条件。

（3）传送网络化。数字化变电站主要是通过网络高速通信的方式，以完成内部设备间的相互连接。而要满足数据资源共享与其他常规功能、逻辑功能的需求，则需要从以下方面予以保证：其一是变电站内部的通信网络，既要保证内部IED设备互相连接，同时也要在电力调度的自动化设计与硬件接口等方面，与国际标准接轨，避免因设备装置损毁或连接困难而导致的通信中断等问题出现。其二是变电站的网络化信号传输，所面临的任务对象是大量的数据资源，据此，也应当对信号保护、任务遥控与数据测控等命令做到实时传送。其三，在满足及时、可靠的信息传输时，也对网络系统的安全性提出了新的要求，所以，可以通过访问只读模式、开启防火墙、设置复杂密码与闭环访问等方式，对其进行检测控制。

（4）内容集成化。数字化变电站的建立，实现了对过去二次装置分散功能的合理集成，不仅对整个系统结构实现了简化，大大提高了设备的高效性能，同时也对数字化测量技术与智能开关集成技术的应用与开发做出了重要贡献。使得当下的数据信息可以通过集中采集与一齐传送的方式，实现信息的共享。

（5）模式规范化。数字化变电站中规范化模式的建设，为信息资源之间的交换奠定了基础。主要表现在两个方面：一，标准化的模式为操作智能设备提供了行之有效的方法，也使得通信接口与通信协议保持了高度一致。而且这种简单的操作方式也为简化系统工程的实施、系统维护等其他相关工作提供便利。其二，对系统内部的配置、维护工程的实施以及网络连接任务的完成，都可以利用XML变电站的配置语言展开描述、储存、配置、管理。

（6）方式智能化。发展数字化变电站其中最为显著的特征之一，就是在变电站使用过程中，会经常利用电子、微机、电力相关技术与新式传感器，建立起适合系统需要的高压断路二次系统。而此种系统又主要具备三项特点，其一是控制开关的相关专用信息一般有设备内部的微机直接进行处理，而非依靠变电站控制，实现了独立执行的功能。其二是由电力电子、微机元件构成的执行系统能够对继电器与控制开关起到辅助的效用，进而替代了常规性的机械结构，使得整个执行过程更为快捷。其三，自我检测与监视开关的一次、二次系统，也能够在存在漏洞、隐患转变为故障前发出警报，对所出现的问题起到及时地预警、解决作用。通过一些智能软件的使用，也使得控制、保护等任务能够通过网络光钎的传输实现，而非在变电站中的二次回路完成。

1.2 关于数字化变电站的研究现状

在目前关于数字化变电站的研究进程中，国外一些公司与科研机构已经在这方面经过了长期的专研、探索、开发、实践，业已形成较为先进的运用技术，使变电站数字化获得了最为重要的技术支撑。总结来说，要建立数字化变电站主要可以通过三种方式来得到实现：第一是只采用IEC61850一项协议的过渡性变电站。第二是采用IEC61850协议、智能型一次设备与数字互感器等建立完全型的数字化变电站。第三是运用IEC61850与数字互感器，完成数字化变电站建设。从上述情况看，按照此类协议标准建立起的数字化变电站是一项十分庞大、繁杂的系统工程，依靠现今的技术水平，要实现完全的数字化还存在一定的困难。

另外，从积极方面来说，微电子、电流传感、智能断路与网络通信等技术的不断成熟，以及标准通信体系的出台，使得数值化变电站的运用发展获得了较大程度的提高。目前，我国的生产厂商也都致力于推进数值化变电站工作向前迈进，例如，通过光感互动器、智能接口、合并器、网络方式和间隔层设备的使用，以满足数值化变电站的运行需求，智能化的一次设备也作为数字变电站的基础。目前我国也展开了对高压的智能断路的研究工作，不仅包含了譬如电抗器、变压器、电容器的相关内容，同时也为满足状态监测与自动化的适应合闸功能的实现奠定基础。

2 数字化变电站设备应用的技术功能

数字化变电站吸收了分布式结构理念，同时随着各项智能技术的发展，也共同形成了数字化变电站建设的关键技术。这些内容概括来说主要包括以下几方面内容：

（1）数字化光测量技术。要实现数字化变电站的稳定运行，建立新型的传感器项目则变得十分重要。国际上将与传统电磁电流、电压互感等新型互感设备统称为“非常规互感器”（简称NCIT），目前这种NCIT的主要包含的技术原理主要有光电式的互感器（OVT/OCT）与电子式的互感器（EVT/ECT）。其中数字化光电电气的测量主要以光电式或电流变换的方式构成，并且由光缆连接。

（2）开关设备的相关技术。在数字化变电站中，主要对开光设备进行了智能化和集成化的改进，而这其中的改变主要包括下三个方面：其一是集成了高压设备开关，由于数字化变电站要对一次、二次设备的作出集成，而量测系统又为结构的集成紧凑创造了可能，因而也满足了智能设备开关的整个系统，包括避雷器内部的绝缘子内集成、智能化断路器集成以及断路与量测感应集成等要求。其二是也实现了高压组合器的集成。

（3）网络通信的相关技术。网络通信的相关技术也是数字化变电站的关键性技术之一，对变电站的运行效果起到十分重要的作用。而产生影响网络通信的主要技术因素，主要包括交换式的以太网技术、虚拟的局域网技术、IEEE协议等内容。其中IEC61850标准内对抽象通信的服务接口（简称ACSI）进行引入，使得数字化变电站的自动化性能也能够与网络协议相独立，以便于最新的网络技术可以及时的运用到变电站应用中。此外，抽象通信的服务接口（ACSI）也对物理IED予以隐藏，使得数字化变电站的功能能够被灵活、准确地被分配到IED之中。而那些不对IEC61850产生支持的IED，则可以开发相关的抽象通信的服务接口网关装置，以此对设备进行接入。

（4）单元合并的技术。单元合并指的是对二次转换的电流与电压数据进行合成。例如将超过7只的电流互感器与超出5只以上的电压互感器互相合并为统一的单元组，再将输出的瞬时信号及时填入进数据帧中，以此保障数字信号能够体现其优越性能。通过合并单元能够使接受到的信号转换成标准输出，而同步接受的信号也能为二次设备所需的时间一致一组电流、电压值提供帮助。

（5）信息同步的相关技术。二次设备的采样数据通常是在同一个时间节点上获得的，通过这种采集数据的同步实现，也避免了相位与幅值出现误差。数字化变电站中的GPS接受器可以布设在通信设备内，变电站也可以采用网络时间协议以此满足不同设备之间的同步采样，进而对世界统一时间作为同步源，并将同步误差控制在1ms以内，该过程应该以IEEE1588作为标准。此种标准包括了许多节点，并且每一个节点都代表了一个时钟，这些时钟之间主要是通过网络连接，遵守IEEE1588能确保网络同步的高度性与精确性，实现通信与执行应用程序的时间模式相互分离。

3 数字化变电站的运用与发展趋势

3.1 数字化变电站的应用

在对数字化变电站的技术功能与运用现状进行分析的基础上，也要对其运用的具体特征方法加以探究。数字化变电站在运用过程中存在许多特点，主要概括起来包括以下几方面内容：

（1）一次设备的数字化特点更为突出。与传统的变电站相比，数字化的变电站更具有智能化、科技化的特性，其设备不仅加大了信息化内容，还可以对更多的状态信息进行监测，同时也可以利用网络获取自身系统与其他设备的运行状态信息。其自动化程度较之以前也获得了大幅提高，并且具有了自动化设备种类更多、自动化功能更为复杂、互动能力与协同操作能力更强等特点。（2）在采集数据时能够实现全景化工作。如上所述，数字化变电站能够利用对时系统，完成区域与站内的时间同步，对站内设备的动态、静态信息模型进行完善，并能够向电网提供出相关全景数据。（3）管理控制的协同化操作。数字化变电站技术本身是一个相对复杂的技术体系。而要让这个体系良好的运作起来，则需要将电力技术同通信技术、计算机技术、电子技术、数字化光测量技术、智能开关集成技术与其他众多技术协同利用起来。

3.2 数字化变电站的发展趋势

数字化变电站技术的发展不是一蹴而就的，而是需要一个长期的过程，不仅需要各项技术的日渐成熟，同时也要使之与工程应用能够进行完美结合。另外在这个发展过程中，需要让常规变电站的相关技术实现兼容，这也意味着研发人员在探究数字化变电站的技术层面时，需要从现有的变电站为立足点，并以自动化技术作为基础，以此实现变电站应用中的稳定性发展与突破性成就，也使得数字化新技术能够与电网发展进行紧密的结合。

目前国内外对于数字化变电站的主流研究较多的集中在对于智能开关的技术研究上，拥有领先水平的GE、AREVA、ABB等公司在对其进行认真的研究后，已经探索出一些具有试验性的成果，现正处于试运行阶段，我国虽然也有一些公司对智能开关的技术进行深度分析，但目前仍旧处在理论探究与实验开发的初级阶段。

此外，国内公司对于数字化变电站的研究开发，主要集中在IEC61850标准的技术探索中。但从长期的发展来看，要建立智能化的集成开关、光电式的互感器、智能型的变压器等一次设备，并且实现数字化设备间与站内各层之间无缝通信的目的，也要同时满足了信息资源共享与系统集成的要求，未来变电站的发展趋势也必须有着信息高度集成、模型规范标准、布局结构紧凑、操作方法智能、通信方式快捷等特点。因而这些“数字化”内容也成为广大研究人员共同追寻的方向。

4 结语

在对变电站进行改造的过程中，仍旧存在一系列问题，在数字化设备的研制工作中也出现了许多技术难点。由此，更加需要研发人员加强实践钻研与经验总结，力求通过不懈努力，对技术难关予以攻破，并制造出功能更强、效率更高、性质更优的技术设备，以此实现变电站数字化的建设，推动我国电力行业稳步发展。

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