电力系统综述

数字化变电站文献综述

0前言

由于传统变电站具有功能重复，缺乏统一化设计，对变电站综合自动化系统的工程设计缺乏规范性要求(尤其是系统各部分接口的通信规约)等缺点，鱼待需要解决，数字化变电站应运而生，数字化变电站是以变电站一、二次设备为数字化对象，以高速网络通信平台为基础，通过对数字化信息进行标准化，实现信息共享和互操作，并以网络数据为基础，实现继电保护、数据管理等功能，满足安全稳定、建设经济等现代化建设要求的变电站。

所谓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。作为一门新兴技术，数字化变电站从提出开始就受到了极大的关注，目前已成为我国电力系统研究的热点之一。随着相关软硬件技术的不断发展和成熟，数字化变电站将成为变电站技术的发展方向。

1实现数字化变电站的意义

实现数字化变电站对于我国变电站的自动化运行和管理将带来深远的影响和变革，具有非常重大的技术和经济意义:

首先在技术上，实现数字化变电站可以减少设备的检修次数和检修时间，提高设备的使用效率;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;此外，还可以方便变电站的扩建及自动化系统的扩充。

其次在经济上，可以实现信息在运行系统和其它支持系统之间的共享，减少重复建设和投资;减少占地面积，从而减少建设投资;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等。

2数字化变电站的主要技术特征

2.1数据采集数字化

数字化变电站的主要标志是采用数字化电气量测系统(如光电式互感器或电子式互感器)采集电流、电压等电气量，实现了一、二次系统在电气上的有效隔离，增大了电气量的动态测量范围并提高了测量精度，从而为实现常规变电站装置兀余向信息兀余的转变以及信息集成化应用提供了基础。

2.2系统分层分布化

变电站自动化系统的发展经历了从集中式向分布式的转变，第二代分层分布式变电站自动化系统大多采用成熟的网络通信技术和开放式互连规约，能够更完整地记录设备信息并显著地提高系统的响应速度。 2.3系统结构紧凑化

数字化电气量测系统具有体积小、重量轻等特点，可以将其集成在智能开关设备系统中，按变电站机电一体化设计理念进行功能优化组合和设备布置。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其它自动装置的v0单元(如A/D变换、光隔离器件、控制操作回路等)作为一次智能设备的一部分，实现了IED的近过程化(process-close)设计;在中低压变电站可将保护及监控装置小型化、紧凑化并完整地安装在开关柜上。

2.4系统建模标准化

IEC61850确立了电力系统的建模标准，为变电站自动化系统定义了统一、标准的信息模型和信息交换模型，其意义主要体现在实现智能设备的互操作性、实现变电站的信息共享和简化系统的维护、配置和工程实施等方面。

2.5信息交互网络化

数字化变电站采用低功率、数字化的新型互感器代替常规互感器，将高电压、大电流直接变换为数字信号。变电站内设备之间通过高速网络进行信息交互，二次设备不再出现功能重复的v0接口，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块，即通过采用标准以太网技术真正实现了数据及资源共享。具体包括:

(1)过程层与间隔层之间的信息交换，即过程层的各种智能传感器和执行器可以自由地与间隔层的装置交换信息;

(2)间隔层内部的信息交换;

(3)间隔层之间的通信;

(4)间隔层与变电站层的通信;

(5)变电站层不同设备之间的通信。

2.6信息应用集成化

数字化变电站对原来分散的二次系统装置进行了信息集成及功能优化处理，因此可以有效地避免常规变电站的监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等装置存在的硬件配置重复、信息不共享及投资成本大等问题的发生。

数字化变电站将是未来“数字化电力系统”中的功能和信息节点。IEC针对电力系统操作与运行制定了一整套标准，以逐步统一电力系统内各自动化系统的信息模型和信息交换模型，消除由于缺乏统一建模和系统异构而导致的各种“信息孤岛”。

2.7设备检修状态化

在数字化变电站中，可以有效地获取电网运行状态数据以及各种IED装置的故障和动作信息，实现对操作及信号回路状态的有效监视。数字化变电站中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没有台区。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”，从而大大提高系统的可用性。

2.8设备操作智能化

新型高压断路器二次系统是采用微机、电力电子技术和新型传感器建立起来的，断路器系统的智能性由微机控制的二次系统、IED和相应的智能软件来实现，保护和控制命令可以通过光纤网络到达非常规变电站的二次回路系统，从而实现与断路器操作机构的数字化接口。

3数字化变电站的系统结构

数字化变电站自动化系统的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;逻辑结构上，根据IEC 61850标准，将数字化变电站分为过程层、间隔层和站控层三层结构形式。

3.1物理结构

智能化的一次电气设备主要包括:电子式电流/电压互感器、智能型断路器/隔离开关、智能型变压器，以及其它电气辅助设备。变电站内的二次设备主要包括继电保护装置、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设备等。

3.2逻辑结构

数字化变电站过程层主要包括电子式互感器、断路器和变压器等高压一次设备及其智能终端，该层主要实现信号的采集和对系统的操作控制，过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要功能有电力运行的实时电气量检测，运行设备的状态参数检测和操作控制执行与驱动。间隔层包括数字式保护、计量、监控等二次设备，负责间隔内信息的运算处理与控制，以及与过程层和站控层的网络通信工作。

站控层有些类似于传统变电站的综自系统，负责全站信息的管理和远方调度等信息的通信，站控层的主要任务是:(1)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。(2)按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心。(3)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。(4)具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能。(5)具有(或各有)站内当地监控，人机联系功能。(6)具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能。(7)具有(或各有)变电站故障自动分析和操作培训功能。

4数字化变电站的关键技术

4.1电子式互感器

电子式互感器的测量数据必须以符合lEC标准规定的数据格式在变电站内传输，只有这样才能实现电子式互感器与数字式变电站的数据融合，使之真正应用于数字化的计量和保护系统中。电子式互感器的数字输出口负责将瞬时电流电压数字信号以指定帧格式封装，并传送给变电站的二次设备，它与目前电力系统中所采用的信号传输方式有较大差异，所以其稳定性、可靠性、接口问题及性价比是各方关心的焦点问题。这些问题成了决定电子式互感器能否最终大批量在电力系统推广应用的关键技术，需要进一步深入研究，特别是对影响产品稳定性、可靠性的各种因素，进行可靠性评估，将产品的可靠度量化，为产品的实用化、市场化发展提供理论及试验依据。

4.2通信网络的可靠性和实时性

网络系统是数字化变电站的“神经系统”，其可靠性和实时性直接决定了变电站系统的可用性。通信网络的可靠性主要通过选择具有高可靠性的网络拓扑结构及采用冗余技术来保证。变电站通信网络的实时性也是倍受人们关注的问题。IEC 61850对变电站自动化系统的报文性能作了严格详细的规定，依据对时间的要求将报文划分为1(快速跳闸报文)、2(中速跳闸报文)、3(低速跳闸报文)、4(生成数据报文)、5(文件传输报文)、6(时间同步报文)及7(具有访问控制的命令报文)等7大类，其中“快速跳闸报文”和针对保护与控制的“生成数据报文”的时间要求为3 ms。为验证以太网技术能否满足上述实时性要求，国内外专家学者进行了大量研究，结果表明如果采用100 M以太网和多播技术，在正常情况下网络的最大通信时延完全能够满足实时性要求，且有较大的裕度。但在网络发生异常情况(如网络中某些节点突然断开、出现数据风暴以及由于接入新设备或新系统而导致的网络负载突然增加等)下是否仍满足实时性要求还需进一步研究。

4.3 lED(智能电子装置)的互操作性

制定IEC 61850标准的主要目标之一是实现lED的互操作性和互换性。为了保证IED的互操作性，需要对其进行一致性测试和性能测试。一致性测试属于“证书”测试，目的是测试lED是否符合特定标准。IEC 61850. 10中专门定义了一致性测试方法。性能测试属于应用测试，目的是测试lED是否满足运行性能要求。一致性测试一般由授权机构完成，而性能测试则由用户组织实施。与常规变电站相比，数字化变电站系统中的一致性测试和应用测试的联系更为紧密。一

致性测试是应用测试的基础，产品只有通过了一致性测试才具备构成应用系统以执行应用测试的条件。由于IEC 61850标准的复杂性、其性能在网络异常时的未知性以及保护、监控系统对实时性的严格要求等原因，很可能出现单独产品己通过一致性测试，将其构成应用系统时却不能通过应用测试的情况。通过一致性测试只是通过应用测试的充分而非必要条件。

4.4信息的同步性

为避免电气量的相位和幅值产生误差，二次设备需要在同一时间点上获得采样数据。由合并单元输出的数字采样信号必须含有时间信息。应在现场进行试验来验证合并单元进行数据采样的时间同步准确度，以满足系统测量和控制的要求。

由于过程层总线的负载大，要求同步误差控制在I}s}因此过程层同步标准必须采取IEEE 1588标准。1个IEEE 1588精密时钟系统包括多个节点，每个节点代表1个时钟，时钟之间经由网络连接。按工作原理可将时钟分为普通时钟和边界时钟，普通时钟只有1个TVP端口，而边界时钟具有多个TVP端口。在网络中，每个时钟都可能处于从属时钟((slave)、主时钟((master)和原主时钟((passive)}3种状态，时钟所处的状态是根据最优化的时钟算法确定的。

IEEE 1588所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。

4.5信息的安全性

IEC 61850对变电站网络系统的安全性未做规定，但这显然是不容忽视的问题，尤其过程总线的应用使网络系统从二次延伸到了一次，模拟量采集、跳合闸命令均通过网络实时实现的。如果由于网络的安全性、实时性原因引起误动、拒动、整定参数的错误更改等，将给电力系统的安全稳定运行带来严重威胁，有时甚至引发灾难性事故，因此，应保证二次系统信息的保密性、完整性、可用性及确定性。为适应电力系统信息安全防护的要求，IEC在制定了IEC60870一一5, IEC 61850等标准的基础上，开展了安全标准IEC 62351的编制，其中:IEC