随着规定变电站信息采集、处理、传输及应用框架的IEC61850标准的颁布实施, 光电技术为基础的新型互感器正从试验阶段走向工程应用以及智能断路器技术的成熟, 一批数字化变电站示范性工程的建设, 这些都极大推动了数字化变电站技术的进展。数字化变电站技术将成为变电站自动化技术发展的主流和方向。半导体芯片技术、通信技术、现场总线技术以及计算机技术的飞速发展, 分层分布式的自动化系统结构被广泛采用, 由于传统上相对独立的远动和继电保护的逐步统一, 催生了变电站综合自动化系统。
变电站信息的采集、传输、处理全过程实现数字化, 每个环节都具备完善的自诊断功能, 实现变电站过程层的所有设备都智能化, 二次接线大大简化。整个变电站的信息模型, 包括数据模型和功能模型, 都采用统一模式各类设备的数据通信都采用开放的统一的通信协议, 所有数据无缝交换, 所有信息的可靠性、完整性、实时性都能得到保证, 数据测量精度高, 整个变电站的管理实现全面的自动化和信息化。
1 数字化变电站的发展概况
在当今的信息化时代中, 数字化也越来越为人们所重视。数字化技术主要体现以下几个方面的特性:首先, 数字化是数字计算机的基础, 并且数字化是软件技术的基础, 是智能技术的基础;其次, 数字化是多媒体技术的基础, 它为信息社会提供了基础。数字化变电站就是使变电站的所有信息采集, 传输, 处理, 输出过程由过去的模拟信息全部转换为数字信息, 并建立与之相适应的通信网络和系统。它的基本特征体现在设备智能化, 通信网络化模型和通信协议统一化, 运行管理自动化等方面。我国首座数字化变电站-翠峰变电站位于1998年3月3日建成投产, 并于2006年3月27日改造为全数字化变电站正式投入运行。经过7个月的投产运行, 各种数据采集、传输准确无误.运行平稳、安全、可靠.在全国处于领先地位.并达到国际先进水平。
变电站自动化技术经过10多年的发展已经达到一定的水平, 在我国城乡电网改造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班, 而且在220kV及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术, 从而大大提高了电网建设的现代化水平, 增强了输配电和电网调度的可能性, 降低了变电站建设的总造价, 这已经成为不争的事实。然而, 技术的发展是没有止境的, 随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟, 以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用, 势必对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响, 全数字化的变电站自动化系统即将出现, 变电站的数字化为变电站的运行管理带来了新的机遇和挑战。
2 字化变电站的主要技术特征
数字化变电站是由电子式互感器、智能化一次设备、网络化二次设备分层构建, 建立在IEC61850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。
2.1 电子式互感器的使用
互感器是为电力系统进行电能计量、测量、控制、保护等提供电流/电压信号的重要设备, 其精度及可靠性与电力系统的安全、稳定和经济运行密切相关, 是电力系统必不可少的设备。由于电子式互感器体积小、重量轻、易于组合到断路器或其它高压设备中, 共用支撑绝缘子, 使设备紧凑, 减少变电站占地面积以及基础工程施工量, 减少设备安装和调试工作量。仅有少量光缆与二次设备连接, 使电缆数量和缆沟数量都大大减少。总占地面积减少15%左右, 总投资减少20%左右。电子式电压互感器不存在二次短路、电子式电流互感器不存在二次开路, 彻底避免了因电压互感器二次短路、电流互感器二次开路而造成的人身伤亡、设备损害、用户失电等事故引起的巨大经济损失, 消除了因PT短路、CT开路引起的安全隐患。电子式互感器的使用, 使二次部分结构清晰简洁, 采样点唯一、数字化传输, 保护测控调试时无需进行模拟量比较测试, 只做逻辑测试即可, 这些都大大降低了设备调试的工作量, 光缆的数量与维护量均比电缆大大减少, 使得变电站运行维护工作量减小且光缆数字回路具有完备的自检功能, 运行维护更为方便。
电子式互感器的使用使得二次回路简化并消除了二次回路接地故障。传统互感器由于电磁干扰、二次回路多点接地、接地不可靠或二次回路接线错误等原因常引起保护误动。电子式互感器配合智能单元的使用使得变电站干扰源大幅度降低, 不再存在二次回路接地问题。
电子式互感器还可以直接输出数字量, 消除了模拟量传输损耗造成的二次压差以及模数转换带来的采样误差, 使电能计量更为准确。由于电子式互感器无饱和, 也避免了传统互感器因负荷超过变比而引起计量电度表与实际负荷之间产生的计量误差。
2.2 一次设备的智能化
一次设备中被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路都采用微处理器和光电技术的设计, 这使常规机电式继电器及控制回路的结构简化了, 传统的导线连接被数字程控器及数字公共信号网络所取代。可编程控制器代替了变电站二次回路中常规的继电器和其逻辑回路, 常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
2.3 二次设备的网络化
变电站内常规的二次设备, 如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造, 设备之间的连接全部采用高速的网络通信, 二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口, 通过网络真正实现数据共享、资源其享, 常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
2.4 自动运行的管理系统
变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化;数据信息分层、分流交换自动化;变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告, 指出故障原因, 提出故障处理意见;系统能自动发出变电站设备检修报告, 即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。
要想在变电站内一次电气设备与二次电子装置均实现数字化通信, 并具有全站统一的数据建模及数据通信平台, 在此平台的基础上实现智能装置之间的互操作性。在一、二次设备之间同样实现全数字化通信, 如果变电站内智能装置的数量急剧增加, 全站智能装置必须采用统一的数据建模及数据通信平台, 才能实现互操作性, 变电站内所有智能设备之间的通信全部采用光纤, 包括PT/CT量的采集和变换。光纤通信抗电磁干扰能力强, 造价大大降低, 施工工艺大大简化。
数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为智能化的一次设备和网络化的二次备。在逻辑结构上分为三个层次:“过程层”、“间隔层”、“站控层”。各层次内部和层次之间采用高速网络通信。
以国际电工委员会 (IEC) 关于变电站的结构规范为准, 分层分布式结构取代传统的集中式把厂站分为3个层次即站控层、间隔层以及过程层, 在设计理念上不是以整个厂站作为设备所要面对的目标, 而是以间隔和元件作为设计的依据, 在中低压系统中, 采用物理结构和电气特性完全独立, 功能上既考虑测控又涉及继电保护, 这样的测控保护综合单元对应一次系统中的间隔出线或发电机、变压器、电容器、电抗器等电气元件, 而高压与超高压系统, 则以独立的测控单元对应高压或超高压系统中的间隔和元件。
过程层的典型设备有远方I/O、智能传感器和执行器, 主要完成开关量和模拟量的采集以及控制命令的发送等与一次设备相关的功能。间隔层设备的主要功能包括汇总本间隔过程层实时数据信息, 实施对一次设备保护控制功能, 实施本间隔操作闭锁功能。实施操作同期及其他控制功能。站控层的主要功能包括通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息, 不断刷新实时数据库, 按时登录历史数据库、按既定协约将有关数据信息送往调度或控制中心、接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行。过程层与间隔层之间基于交换式以太网的串行通信方式在标准中称为过程总线通信, 间隔层与变电站层之间串行通信方式称为站级总线通信。
3 数字化变电站中存在的问题及解决途径
数字化变电站自动化系统的研究目前尚处于起步阶段, 大部分精力集中在过程层方面, 例如智能化开关设备, 光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发。目前存在着许多问题如下。
(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。单一专业取得全面突破仍有相当大的困难。
(2) 材料器件方面的缺陷及改进。如电子式互感器的材料并且试验设备、测试方法、检验标准, 特别是电磁干扰与兼容控制与试验还是薄弱环节。
(3) 数字化变电站的管理模式与传统变电站有很大区别, 需要根据其自身特点制订相应的管理操作规程, 不能完全套用传统结构的变电站。
(4) 数字化变电站的系统安全问题尤其突出, 由于数字化变电站采用的软硬件平台易于受到黑客等外部攻击, 因此从设计到实施系统的安全措施都十分重要。目前可采用的技术措施分为物理隔离、加密技术与防火墙。关于变电站网络的物理隔离、物理分段和系统分区国家电力调度通信中心已经有明确的规定, 一定不能忽略。加密技术可以对网络中传输的数据进行加密处理, 到达目的地址后再解密还原为原始数据, 从而防止非法用户对信息的截取和盗用。防火墙技术通过对网络的隔离和限制访问等方法, 来控制网络的访问权限, 从而保证数字化变电站系统的网络安全。
4 结语
从目前的情况来看, 还有一些技术问题需要解决, 但随着技术进步和电网运行的要求, 尤其是智能电器技术和电子式互感器技术的突飞猛进, 符合IEC61850标准的数字化变电站将得到迅速的应用和普及。重点研究一次设备数字化和智能化技术以及电子式互感器的产业化技术。大力发展具有我国自主知识产权的数字化变电站核心技术, 推广一致性测试、仿真和培训系统, 通过数字化变电站的应用研究和示范工程的实施, 开发变电站所需的各种设备和软件, 总结数字化变电站的建设、管理、维护和运行的实践经验, 研究并制定数字化变电站设计、建设、运行、维护和管理的各种规范, 为今后大规模推广建设数字化变电站打下良好基础。
摘要：随着光纤通信系统和网络技术的发展, 变电站综合自动化技术进入了全数字化的新阶段。简要分析了数字化变电站的主要技术特征, 阐述了数字化变电站存在的问题及解决途径。
关键词：数字化,发展现状,存在问题,解决方法
参考文献
[1] 杨小铭, 王刚, 刑宜宝.数字化变电站间隔层保护装置的研究与设计[J].电力系统自动化, 2007 (31) .
[2] 周长久.国内领先的数字变电站技术[J].云南电业, 2006 (11) .
[3] 朱大新.数字化变电站综合自动化系统的发展[J].电工技术杂志, 2001, 4 (2) .
[4] 高翔, 张沛超.数字化变电站的主要特征和关键技术[J].电网技术, 2006, 30 (23) .