数字化变电站的技术分析

1、61850数字化变电站的技术分析摘 要随着计算机信息处理与网络技术的大力发展，以其为应用基础的数字化变电站技术也在不断发展，随着电子式互感器、智能开关技术的应用，使得数字化变电站的系统结构又有了不同于常规变电站的革命性变化。针对目前数字技术的普遍应用，本文研究了其中若干关键技术，分析数字化控制技术的发展方向。关键词：数字变电站，智能电网，电子式互感器，智能开关技术第1章 数字化技术相关理论11 数字化变电站的意义数字化变电站是智能电网的物理基础，是高级调度中心的信息采集和命令执行单元，IEC61850的推出和应用，推进了变电站的标准化，使得各类二次设备以边准的方式建模和通信，第一次在变电站内能

2、够完成统一的信息交互，二次设备融合成为一种趋势。最初的建设以光电式互感器、智能化集成开关、职能变压器等数字化一次设备。现今越来越多的客户，将智能电子设备为基础的新型变电站自动化系统，实现数字化变电站站内各层间的无缝通讯，最大限度地满足信息共享和系统集成的要求，则是数字化变电站技术的发展方向。12 IEC 61850标准IEC 61850标准是由国际电工委员会(International Electro technical Commission)第57技术委员会于2004年颁布的、应用于变电站通信网络和系统的国际标准。作为基于网络通讯平台的变电站唯一的国际标准，IEC61850标准吸收了IEC6

3、0870系列标准和UCA的经验，同时吸收了很多先进的技术，对保护和控制等自动化产品和变电站自动化系统（SAS）的设计产生深刻的影响。针对传统变电站信息难以共享等不足，IEC 61850 提出了基于以太网的解决方案，这不仅大大节省了变电站建设和运行成本，也大大提高了数字化变电站内设备的互操作性。但是随着计算机和网络技术的广泛应用以及标准化和互操作技术的逐渐推广，尤其过程总线的应用使通信网络从二次系统延伸到了一次系统，数字化变电站系统内的模拟量采集、跳合闸命令均通过网络实时实现，电力系统所面临的电子安全（包括信息安全、计算机系统安全和网络安全）风险也日益加剧。13数字化变电站特点数字化变电站是由智

4、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。数字化变电站是应用IEC61850进行建模和通信的变电站，数字化变电站体现在过程层设备的数字化，整个站内信息的网络化，以及开关设备实现智能化。智能化的一次设备一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控

5、制电缆被光电数字和光纤代替。 网络化的二次设备 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IO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。 自动化的运行管理系统 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及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意

6、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”。 第2章 数字化变电站的关键技术14数字化变电站的结构1.4.1 基本结构对于一个数字化变电站而言，其基本结构应当包括基础数据层、间隔层、网络层与站控层四级结构，其结构如图所示：数字化变电站系统结构图（1）基础数据层数字化变电站的过程层是一次设备与二次设备的结合点。其主要功能有： 系统实时运行电气量检测：即利用非常规互感器检测系统电流，电压，相位和谐波分量等电气量；运行设备状态检测：在线检测变压器，断路器，母线等设备的温度，压力，密度，绝缘，机械特性以及工作状态等数据；操作控制命令执行：过程层在执行控制命令

7、时具有智能性，能判断命令的真伪及其合理性。（2）间隔层间隔层的主要功能：汇总本间隔过程层的实时数据信息；对一次设备实施保护控制功能；对本间隔执行操作闭锁功能；实施操作同期及其它控制功能；对数据采集发出具有优先级别控制等等。（3）网络层网络层的主要任务是：通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息；将有关数据信息送往电网调度或控制中心；接受电网调度或控制中心有关控制命令，并转向间隔层和过程层执行；具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；具有对间隔层和过程层设备的在线维护等功能。（4）站控层站控层的主要任务是：运行中的前端数据，最后汇总于站控层，作为数字化变电站的重要信息汇集处，通过站控层，所有站内外的

8、数据可以在此进行整理。内部的数据通过此向外传送，外部的数据也从此入口进入到站内进行处理与控制。15 数字化变电站的应用技术数字化变电站的电子互感器将高电压、大电流信号直接变换为数字信号；设备之间信息交互全部采用高速以太网的网络通信，二次设备之间不再出现常规功能装置重复的 I/O 接口；通过以太网技术真正实现数据共享、资源共享。1.5.1 电子式互感器电子式互感器的诞生是互感器传感准确化、传输光纤化和输出数字化发展趋势的必然结果。电子式互感器是数字变电站的关键装备之一。电子互感器具有优良的绝缘性能，不含铁芯，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题。电子互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好的光纤传输到二次设备

9、，这使得其绝缘结构大大简化，电压等级越高其性价比优势越明显。电子互感器利用光缆而不是电缆作为信号传输工具，实现了高低压的彻底隔离，不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次回路开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。1.5.2 智能电子设备智能电子装置是由一个或多个处理器组成，具有从外部源接收和传送数据或控制外部源的设备，即电子多功能仪表、微机保护、控制器，在特定环境下在接口所限定范围内能够执行一个或多个逻辑接点任务的实体。数字化变电站系统的各个子系统往往是由多个数字装置组成，如间隔保护系统中有变压器保护装置、线路保护装置以及母线保护装置等。在数字化变电站系统内，保护装置的主要功

10、能是用于数据采集、处理，并对隔离开关、断路器等一次设备进行控制及防误闭锁等重要任务；变电站层通过保护装置获取现场信息，进行处理与分析，同时通过对断路器、隔离开关等一次设备进行操作来执行变电站层发布的控制命令，开关量等变位时能够按照设定值发告警信号向后台传送标志。第2章 当前数字化变电站技术的应用与发展21智能断路器技术非常规传感器技术的出现以及计算机的发展，对于断路器设备内部的电磁、温度、断路器机械、机构动作状态监测已经成为可能。可以根据所检测到的电网中断路器开断前一瞬间的各种工作状态信息，自动选择和调整操动机构以及与灭弧室状态相适应的合理预定工作条件，改变现有断路器单一分闸特性。在无载时以较

11、低的分闸速度开断，在系统故障时以较高的分闸速度开断，这样，断路器在实现正常运行监视的基础上可获得电气和机构性能上的最佳开断效果。22数字化保护系统与传统保护系统相比，数字化保护系统内具有更多其它的电子装置，且数字化保护系统内的通信网络直接参与保护与测控的功能，通信网络可靠性也将直接决定变电站自动化系统的可靠性。通讯系统的安全性认证机制主要分为两大类：基于网关的认证机制以及将用户的数据流和控制信息分开的方法。认证服务只需要对用户的认证信息进行校验，用户在通过验证之后，用户数据包就不需要通过认证服务器而直接由交换机处理。电力系统内部人员无意识的失误：内部工作人员安全意识不强，口令选择强度不够，或者

12、随意将自己的账号转借给他人或者安全配置不当造成的安全漏洞等行为都会给电力系统网络安全带来威胁。23五防总体要求 在数字变电站的生产管理工作中，变电站的“五防”措施（即防止误拉、误合断路器，防止带负荷误拉、误合隔离开关，防止带电合接地开关，防止带接地开关送电，防止误入带电间隔）至关重要。隔离开关电磁锁的主要作用就是防止带负荷误拉、误合隔离开关，防止带电合接地开关。 变电站在线式五防系统是充分利用变电站自动化系统全站监控功能，经集成在自动化系统后台软件中，通过五防模块及测控装置中，对电气操作防误闭锁实时判断，对满足防误闭锁操作条件的电气设备，逐步开放操作的一套防误闭锁系统。在线式五防系统取消了电脑

13、钥匙和相关的挂锁、机械锁及电气编码锁，原设备操作回路中电气编码锁由测控装置输出控制接点相应替代，网门、刀闸机构箱、临时接地桩的挂锁由测控装置输出接点控制的在线式五防专用锁具相应替代。在线式五防系统通过对全站电气设备（一、二次设备，刀闸电机电源状态等）、在线式五防专用锁具，以及现场实际操作情况的在线监视，结合经预演成功保留在五防主机中的操作票序列，按票依次开放每步电气操作，一旦操作对象的操作条件改变不满足操作要求，自动中断余下操作步骤，实现全程实时在线闭锁。在线式五防系统能实时监视并控制所有闭锁设备状态（包括接地锁、网门锁、刀闸电机电源开关等）。 在线式五防系统能闭锁全站电气设备操作，仅对符合操

14、作条件的当前操作票项电气设备进行开放操作；操作正确后自动闭锁该设备，并自动开放符合操作条件的下步操作。 在运行中的数字变电站，在进行操作票执行过程中，若操作对象的操作条件发生变化不满足操作要求时，监控五防及间隔五防均能实时闭锁并停止继续操作，提示错误信息。操作票执行中止后，开放的电气操作应能即时闭锁（包括接地锁、网门锁、刀闸电机电源开关等）。24当前数字化的问题和发展遇到的困难现在数字化遇到的最大的问题就是技术方向发展，不光是技术方面的还有管理、维护方面的技术的问题有很多，例如数字化的稳定程度、动作的准确程度，这些都是需要时间去验证。光电互感器主要特点有绝缘简单，体积小、重量轻、动态范围宽，无

15、饱和现象，无谐振、二次输出不怕开路，数字量输出的特点。由于其利用光纤传输数据，易于实现高精度、高可靠，难点是电源的远端取电技术和电源的管理，有源光电互感器易受电磁干扰等问题。无源光电互感器即不需要外加电源的自励源式互感器，难点是如何减小“唤醒电流”的死角，易受温度影响等。在当前的应用场面上，常规互感器与光电互感器同时存在，由于保护的要求，数字变电站需要点对点的光纤网络数据收集和分发，使得合并器的出现就尤为重要。 25数字化变电站与普变电站的区别智能化一次设备的数字化传感器，数字化控制回路代替了常规继电保护装置，测控等装置的IO部分；而在中低压变电站则将保护，监控装置小型化，紧凑化，完整地安装在

16、开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。在数字变电站中，通过过程总线接口给间隔层设备提供电气信息，接受间隔层设备的跳合闸等控制命令；各断路器的智能终端输入开关位置、低气压、刀闸位置等状态量，输出跳合闸命令，含操作回路；本体智能终端输入非电量、中性点刀闸位置、档位等信号，输出档位控制、中性点刀闸控制和风扇控制等接点。在执行控制命令时具有智能性，且将操作时间限制在规定的参数内。在这样的情况下，数字变电站能够实现远程控制，无人值守。在当前智能电网中，能够起到关键控制枢纽作用，为建设坚强电网打下坚实的基础。第3章 数字化变电站实践与发展趋势现在从2000年，中国第一座数字化变电站在苏州落成，越来越多的数

17、字变电站运用了国际领先的光CT技术和程序化操作系统。数字化变电站符合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。 31数字化变电站的一体化目前，国家电网公司正积极开展智能化电网“三集五大”体系的建设，这对我国智能电网发展将产生深远影响。数字化变电站将实现调控一体化，即将原来的变电监控、变电运行维护业务全面分离，将监控业务与调度业务融合，实现电网调度与电网监控一体化管理。这种新的管理模式显著提高了电网故障处理效率和

18、日常操作效率，保证了运行人员统筹调配，为实现智能电网的全面发展，打下坚实的基础。数字化变电站是把变电站的一、二次设备作为数字化对象，以高速的以太网络通信平台作为基础，将物理性的设备虚拟化，将信息标准化，实现变电站内信息的共享和互操作，满足安全可靠、经济运行要求的变电站。数字化变电站为调控一体化管理模式提供了硬件支持，而这种新型管理模式正逐步实现电网的智能调度控制。32运行实践据了解,我国微机保护在原理和技术上已相当成熟,常规变电站发生事故的主要原因在于电缆老化接地造成误动、CT特性恶化和特性不一致引起故障、人员操作易出错等。而这些问题在数字化变电站中都能得到根本性的解决,数字化变电站将是我国变电站技术的发展方向。国际上数字化变电站的研究已从实验室阶段进入实际工程应用阶段,实用的全数字化变电站已有一些先例。33发展趋势数字化变电站现阶段总体上应遵循三层两网的体系结构。信息可以通过网络方式传输，并且已有了成功运行经验。变电站在电压等级较低，结构相对简单时，采样值可采用组网方式传输。数字化变电站的根本目的是解决常规变电站存在的问题，数字化设计方案要兼顾先进性和经济性。电子式互感器在高电压等级变电站值得推广应用，对成熟的电子式互感器可以推广应用，对光学互感器可以适当加大试点；但在低电压等级