数字化变电站技术分析

国网北京通州供电公司 张国瑞 何方明 李志超

现阶段，众多国家已经就智能电网发展达成了共识，有关其研究成果层出不穷。而数字化变电站作为智能电网的重要组成部分，具有采集、传输和处理数据的功能，可为电网运行提供支持。

1 数字化变电站关键技术

数字化变电站属于多项先进技术应用融合的产物，主要包括一次设备、二次设备和通信协议技术，可以使信息共享和相互操作目标达成，本电站在设计过程中，对下述技术进行了应用。

1.1 电子互感器

电子互感器是现代科技下的产物，其运用了微电子、光学和微机技术。通过将光纤传感作为测量手段，电子互感器能够准确地测量电压和电流值。与传统的互感器相比，能够避免诸如短路、开路等问题，而且更易于携带，不易受到各种外部因素的影响。以有源电子互感器为例，该电子互感器由两部分组成，分别为电压和电流互感器，其中前者对电阻、电容或电感分压方式进行了应用，后者对罗柯夫基线圈加以运用。在该装置中，传感头会在接通电源后，将模拟量进行转化，使其成为数字信号，同时对光线传输的方式加以运用，向各种系统传递数字信号，如保护或测控系统[1]。

此类装置的工作原理与CT相同，均利用电磁感应原理，利用装置上的元件完成对一次电流的测量，这里所说的元件包括空芯圈和低功率线圈。但二者也存在一定的差别，具体为该装置对输出功率的要求，远小于CT，故无须过大的铁芯截面。在电流经过线圈中心后，感应电压会随之产生，其所处位置为线圈的两端，若线圈截面积和匝数密度均匀，可以利用下述公式，对线圈所输出的电压信号和被测电流之间的关系加以表示：。

式中：真空磁导率由μ0表示；线圈的匝数密度由n表示；线圈截面积由s表示。采取积分的方式，计算e（t），即可求出电流。通过上述公式可知，电流变化率，能够被线圈两端的电压所反映出来，故在应用范围上存在局限性，难以对稳定的直流电流准确测量。无源电子式电流互感器的测量原理为光学测量，其特点是无须提供高压部分，在测量过程中，此类装置所采用的方法为法拉第磁光效应，通过传感元件之间的差别，可将其分为不同的类型。相较于上一种装置，该装置具有良好的线性度，且无须对电源进行使用，但系统复杂，其使用容易被外界因素所限制。

1.2 合并单元

在采集电流电压值后，在被三相合并处理后，使之成为统一的格式，方能将处理后的信号进行输出，且保证其符合相关的标准要求。在研究后得知，合并单元内的二次变换数据通道多达12个，其中5个通道负责采集电压值，7个通道则采集电流量。在装置运行过程中，对电流电压信号进行打包编码处理时，确保采集器与合并单元之间的数据同步是一项至关重要的任务。

现阶段，常用措施如下：对线性插值法进行应用，以此实现对模拟信号值的统一处理，此类方法虽然可以摆脱GPS和秒脉冲传输系统，但对设备要求较高，故难以达成；依托于GPS，将同步采集命令，发送到采集装置，在接收命令后，采集装置会做出动作，从而完成预期的目的。虽然此类方法实现难度低，但存在失去步骤的隐患。

1.3 IEC61850

该标准属于现阶段完善程度高，应用效果显著的标准，究其原因，主要是该标准采取了分层通信方法，能够协调不同类型的设备，从而实现各设备IED之间的相互操作目标。相较于传统标准，以对象为基准构建模型，是IEC61850的创新点。在完成各类设备、服务器和节点设备模型创建后，即可统一设备数据模型，为后续数据采集、分析和处理创造有利的条件。

1.4 数字化变电站组网

对于数字化变电站，网络是其核心要素，缺之不可。如果没有网络，变电站的各种功能将无法正常运作。为了满足这一需求，必须选择适当的组网方式。与常规变电站相比，数字化变电站的基本结构依然采用分层分布式设计。其功能主要集中在三个层级：站控层、过程层和间隔层。其中，站控层和过程层的网络是连接这三个层级设备的核心网络。现阶段，变电站通信网络拓扑物理结构主要包括以下三种。

总线型：此类结构是指全部设备之间，均依靠一条总线相连接，各连接设备在地位上并无差别。此类结构由于不具备中心节点，故具有良好的扩充性，且安装难度低。但存在适应性差和故障难以定位的问题；星型拓扑结构：该结构仅存在一个节点，位于网络中心，其余设备均需要连接该节点。此类结构较为简单，维护难度低，且故障定位快，但会导致硬件资源被大量浪费，再加上所有信息都由中心节点处理，致使分布式处理能力弱；环型拓扑结构：此类结构无须使用过多的交换机，故成本低廉，且在传播速度上，具有显著的优势。但存在网络结构复杂、不易于维护、扩展性不足。在经过综合比较后，本电站应用了环形拓扑结构。

2 数字化变电站一次设计

本公司所建设的数字变电站为110kV智能变电站，其主变容量为3×63MVA，需要一次建设完成。在无功补偿方面，各工程主变所配置2组并联电容器，其容量为6000kVA。本工程最终所配置的电容器，其数量为9组，同时对自动分组投切开关的方式进行了应用[2]。

2.1 电气主接线、计算短路电流

本公司建设的数字变电站，本期出线为3回，其中2回分别与其他回路相连接，1回留作备用。设备会一次上齐。本电站的接线方式以线变组的方式为主，所设置的站变电数量为两台，分别与10kV I段与HB段母线相连接。在电气主接线方面，所设计的方案主要包括两个，二者之间的区别为电流互感器配置，方案1对电子式电流互感器的使用范围仅局限于主变进线，其余回路所使用的互感器，主要以常规电流互感器为主。而方案2，其余回路，则对电流电压互感器加以运用。本电站基于系统阻抗，对110kV单相、三相以及10kV短路电流加以计算，最终结果表明，上述短路电流值分别为15.08kA、15.19kA、19.14kA，在设备选型过程中，需要将上述数值作为依据。

2.2 选择电气设备

在电气设备选择过程中，需要将损耗、体积、噪声小作为重要条件，同时还要保证设备运行安全，在10kV开关柜电流互感器选择上，本电站在经过综合对比后选择了方案1。其他设备选用如下所述。

主变压器。由于数字化变电站无须人工值班管理，在主变压器选择方面，对三相双卷自冷型降油浸变压器加以使用。该变压器具有低损耗的特点，且适应环境的能力强。将电网运行情况作为依据，为使供电电压质量得到保证，本电站采用了调压开关，将其用于变压器电压控制。其中，主变容量为63MVA，型号为SZ11-63000/110，电压比如下：8×1.5%/10.5kV，阻抗电压达到了Uk=16%。

GIS设备。本电站所使用的GIS设备，且电流为2000安倍，开断电流为40kA，动稳电流为100kA。考虑到应用成效和经济性。在1号主变进出线处，所应用的装置主要包括光电式电流和间隔电子式电压两类互感器。而在2号和3号间隔，则对组合装置进行应用；开关柜。本电站在配置开关柜时，还配置了其他装置，包括操作机构、真空断路器、接地开关，通过上述装置的配置，使远程控制目标达成。

2.3 防雷接地

本电站主体全部位于室内，简言之就是各类电气设备的安装点是变电站内部，故在避雷措施选择上采取了敷设避雷带的措施，其材质为热镀锌圆钢。与此同时，还要将均压网敷设到站层楼板内完成接地。在经过检验后，发现本电站的土壤电阻率为每米640Ω，考虑到本站面积偏小，故采取水平和垂直接地相结合的接地方式，其中以前者为主，所采用的接地材料为铜绞线，其尺寸为TJ-120mm2，后者为辅，所采用的材料为紫铜棒。

3 数字化变电站二次系统设计

3.1 系统组成、网络结构

本电站所建立的基础为ICE 61850通信标准，其目的在于发挥数字化变电站的功能，具体为数据共享和相互操作。本次设计，主要通过分布式结构的使用，将变电站架构分为三层，分别为站控层、间隔层和过程层。其中，以网络为媒介，使各层结构中的设备相互连接。以太网星型双网结构，是本电站站控层所应用的网络结构，其主要被分为两个部分，包括A和B网，无须设立第三个网络，上述所述的网均属于监控网，主要作用为集成保护故障信息，为保信子站获取信息提供支持。本电站在经过综合比较后，针对过程层，所采用的方案为三网合一，本文所说的三网，分别是指SV、G00SE、IEEE1588，并通过双网配置的方式，保证系统结构的稳定性。

3.2 站控层、间隔层、过程层

站控层内的电气设备较多，包括系统主机、驾驶舱、记录分析装置。本电站将实际需求作为依据，构建站内运行系统，将多个子系统相结合，完成对一体化信息平台的打造，使各种功能集于一体，提升信息分析和处理效率。同时，赋予平台多项功能，如状态检修、故障分析和视频联动等。本站的主要操作方式为主机控制和工作站；间隔层内的电气设备数量较少，主要以电能计量、测控和电压等级保护装置为主。本电站所采用的测控一体化装置，属于主后保护装置，配置方式为双重配置。其中，获取采样数据的来源为SV网，并向智能终端发送报文，值得注意的是，在发送报文时，会采用GOOSE，之后，跳闸操作即可完成。

采集、监测、执行命令是过程层的主要功能，采集主要是指对电气量加以采集、监测对象为开关量和各类设备的运行情况，而执行的对象为控制命令。本电站在合并单元设置上，对一体化配置方案加以落实，所涉及的装置除合并单元外，还包括智能终端。在安装阶段，本工程遵循就近安装的原则，将一次设备和装置布置到GIS室。其中，一体化装置之间通过光纤相互联系，并通过对DL/T860.92规约的应用，使间隔层内各二级设备之间的传输目标达成[3]。

3.3 在线防护

本电站对在线防护系统进行运用，其配置方式为一体化配置，简言之，就是与自动化系统相互结合。在线防护系统软件，主要由两部分构成，分别为操作票和实时库。其操作方式由主机和工作人员共同控制，在结构设计上，应用三层防护结构。

防护原理如下：站控层防护。闭锁方式分为两种，分别为利用操作票完成闭锁以及基于防误逻辑完成闭锁。同时，本站还构建了与之相匹配的数据库，其组成信息较多，比如闭锁节点位置、设备遥信、锁具状态等。其中，监控后台实时库是该数据库的建立依托，究其原因主要是防护系统，可以直接调取监控系统中的数据；间隔层防护。系统以GOOSE报文为媒介，传递防护闭锁信息。若监控后台发生问题，位于监控层的防护装置，依然可以正常运行，向终端传输各类与防护有关的信号，同时还能完成全站设备五防闭锁操作；过程层。通过对在线专用锁具的应用，针对各类手动设备实施闭锁。

3.4 状态检修

为了满足设备状态检修的需求，本电站构建了一套状态监测系统。这套系统能够有效地获取和处理变电站内各设备的信息。与此同时，通过引入专家系统，对设备状态进行专业评估，进而提高状态检修的效率和品质。在检修后，系统会自动生成检修报告，并向相关部门和平台发送，为工作人员确定故障类型和制定解决措施，创造有利的条件。

综上所述，本变电站属于典型的数字化变电站，在设计过程中，对电子互感器、合并单元和IEC61850通信协议等技术加以运用，并在一次设备和二次系统设计阶段，应用先进的网络结构，最终打造了集多种功能于一体的信息平台。依托该平台，可实现对变电站全部信息的汇集和处理，使故障告警、远程操作、辅助决策等功能的作用被充分发挥。