茆睿

【摘 要】 隨著智能技術(shù)的不斷變化發(fā)展，在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域，機(jī)電一體化智能設(shè)備的出現(xiàn)使變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化發(fā)展的新階段，數(shù)字化變電站的相關(guān)功能也得到了更為廣泛的應(yīng)用。本文從數(shù)字化變電站的含義及現(xiàn)狀入手，探討了數(shù)字化變電站設(shè)備應(yīng)用的技術(shù)功能以及發(fā)展趨勢(shì)，并著重對(duì)其應(yīng)用方法做出分析。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)學(xué)化變電站 設(shè)備 功能 應(yīng)用 研究

近年來(lái)，伴隨著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化技術(shù)的迅速提高，數(shù)字化變電站也成為了電力行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一，據(jù)此，本文對(duì)于數(shù)字化變電站設(shè)備技術(shù)功能與實(shí)際應(yīng)用所作出的研究，也具有了十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)字化變電站的相關(guān)概述

1.1 數(shù)字化變電站的內(nèi)涵及特征

數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備（電子式互感器、智能化開(kāi)關(guān)等）和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層（過(guò)程層、間隔層、站控層）構(gòu)建，建立在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。數(shù)字化變電站具有多方面的特征，簡(jiǎn)要概括起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）內(nèi)部緊湊化。數(shù)字化變電站的內(nèi)部構(gòu)成通常來(lái)說(shuō)是較為緊湊的，整個(gè)變電站內(nèi)部包含的開(kāi)關(guān)設(shè)備、數(shù)字化電氣光電測(cè)量設(shè)備以及自動(dòng)化集成系統(tǒng)，都是依靠先進(jìn)技術(shù)理念而完成設(shè)計(jì)制作的。在此類變電站中，測(cè)控裝置、保護(hù)裝置、故障錄波以及其他的自動(dòng)化裝置中I/0單元部分，也成為智能設(shè)備中的重要組成部分。

（2）布局可行性。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn)。它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了智能變電站的工程運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化。使得智能變電站的工程實(shí)施變得規(guī)范、統(tǒng)一和透明。不論是哪個(gè)系統(tǒng)集成商建立的智能變電站工程都可以通過(guò)SCD（系統(tǒng)配置）文件了解整個(gè)變電站的結(jié)構(gòu)和布局，對(duì)于智能化變電站發(fā)展具有不可替代的作用。對(duì)于布局可行性，就需要在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，為數(shù)字化變電站實(shí)施分層分布方案提供切實(shí)可行的技術(shù)條件。

（3）傳送網(wǎng)絡(luò)化。數(shù)字化變電站主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)高速通信的方式，以完成內(nèi)部設(shè)備間的相互連接。而要滿足數(shù)據(jù)資源共享與其他常規(guī)功能、邏輯功能的需求，則需要從以下方面予以保證：其一是變電站內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)，既要保證內(nèi)部IED設(shè)備互相連接，同時(shí)也要在電力調(diào)度的自動(dòng)化設(shè)計(jì)與硬件接口等方面，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，避免因設(shè)備裝置損毀或連接困難而導(dǎo)致的通信中斷等問(wèn)題出現(xiàn)。其二是變電站的網(wǎng)絡(luò)化信號(hào)傳輸，所面臨的任務(wù)對(duì)象是大量的數(shù)據(jù)資源，據(jù)此，也應(yīng)當(dāng)對(duì)信號(hào)保護(hù)、任務(wù)遙控與數(shù)據(jù)測(cè)控等命令做到實(shí)時(shí)傳送。其三，在滿足及時(shí)、可靠的信息傳輸時(shí)，也對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性提出了新的要求，所以，可以通過(guò)訪問(wèn)只讀模式、開(kāi)啟防火墻、設(shè)置復(fù)雜密碼與閉環(huán)訪問(wèn)等方式，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)控制。

（4）內(nèi)容集成化。數(shù)字化變電站的建立，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)去二次裝置分散功能的合理集成，不僅對(duì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化，大大提高了設(shè)備的高效性能，同時(shí)也對(duì)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)與智能開(kāi)關(guān)集成技術(shù)的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)做出了重要貢獻(xiàn)。使得當(dāng)下的數(shù)據(jù)信息可以通過(guò)集中采集與一齊傳送的方式，實(shí)現(xiàn)信息的共享。

（5）模式規(guī)范化。數(shù)字化變電站中規(guī)范化模式的建設(shè)，為信息資源之間的交換奠定了基礎(chǔ)。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一，標(biāo)準(zhǔn)化的模式為操作智能設(shè)備提供了行之有效的方法，也使得通信接口與通信協(xié)議保持了高度一致。而且這種簡(jiǎn)單的操作方式也為簡(jiǎn)化系統(tǒng)工程的實(shí)施、系統(tǒng)維護(hù)等其他相關(guān)工作提供便利。其二，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的配置、維護(hù)工程的實(shí)施以及網(wǎng)絡(luò)連接任務(wù)的完成，都可以利用XML變電站的配置語(yǔ)言展開(kāi)描述、儲(chǔ)存、配置、管理。

（6）方式智能化。發(fā)展數(shù)字化變電站其中最為顯著的特征之一，就是在變電站使用過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常利用電子、微機(jī)、電力相關(guān)技術(shù)與新式傳感器，建立起適合系統(tǒng)需要的高壓斷路二次系統(tǒng)。而此種系統(tǒng)又主要具備三項(xiàng)特點(diǎn)，其一是控制開(kāi)關(guān)的相關(guān)專用信息一般有設(shè)備內(nèi)部的微機(jī)直接進(jìn)行處理，而非依靠變電站控制，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立執(zhí)行的功能。其二是由電力電子、微機(jī)元件構(gòu)成的執(zhí)行系統(tǒng)能夠?qū)^電器與控制開(kāi)關(guān)起到輔助的效用，進(jìn)而替代了常規(guī)性的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)執(zhí)行過(guò)程更為快捷。其三，自我檢測(cè)與監(jiān)視開(kāi)關(guān)的一次、二次系統(tǒng)，也能夠在存在漏洞、隱患轉(zhuǎn)變?yōu)楣收锨鞍l(fā)出警報(bào)，對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題起到及時(shí)地預(yù)警、解決作用。通過(guò)一些智能軟件的使用，也使得控制、保護(hù)等任務(wù)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)光釬的傳輸實(shí)現(xiàn)，而非在變電站中的二次回路完成。

1.2 關(guān)于數(shù)字化變電站的研究現(xiàn)狀

在目前關(guān)于數(shù)字化變電站的研究進(jìn)程中，國(guó)外一些公司與科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)在這方面經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的專研、探索、開(kāi)發(fā)、實(shí)踐，業(yè)已形成較為先進(jìn)的運(yùn)用技術(shù)，使變電站數(shù)字化獲得了最為重要的技術(shù)支撐?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，要建立數(shù)字化變電站主要可以通過(guò)三種方式來(lái)得到實(shí)現(xiàn)：第一是只采用IEC61850一項(xiàng)協(xié)議的過(guò)渡性變電站。第二是采用IEC61850協(xié)議、智能型一次設(shè)備與數(shù)字互感器等建立完全型的數(shù)字化變電站。第三是運(yùn)用IEC61850與數(shù)字互感器，完成數(shù)字化變電站建設(shè)。從上述情況看，按照此類協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)建立起的數(shù)字化變電站是一項(xiàng)十分龐大、繁雜的系統(tǒng)工程，依靠現(xiàn)今的技術(shù)水平，要實(shí)現(xiàn)完全的數(shù)字化還存在一定的困難。

另外，從積極方面來(lái)說(shuō)，微電子、電流傳感、智能斷路與網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的不斷成熟，以及標(biāo)準(zhǔn)通信體系的出臺(tái)，使得數(shù)值化變電站的運(yùn)用發(fā)展獲得了較大程度的提高。目前，我國(guó)的生產(chǎn)廠商也都致力于推進(jìn)數(shù)值化變電站工作向前邁進(jìn)，例如，通過(guò)光感互動(dòng)器、智能接口、合并器、網(wǎng)絡(luò)方式和間隔層設(shè)備的使用，以滿足數(shù)值化變電站的運(yùn)行需求，智能化的一次設(shè)備也作為數(shù)字變電站的基礎(chǔ)。目前我國(guó)也展開(kāi)了對(duì)高壓的智能斷路的研究工作，不僅包含了譬如電抗器、變壓器、電容器的相關(guān)內(nèi)容，同時(shí)也為滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化的適應(yīng)合閘功能的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2 數(shù)字化變電站設(shè)備應(yīng)用的技術(shù)功能

數(shù)字化變電站吸收了分布式結(jié)構(gòu)理念，同時(shí)隨著各項(xiàng)智能技術(shù)的發(fā)展，也共同形成了數(shù)字化變電站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。這些內(nèi)容概括來(lái)說(shuō)主要包括以下幾方面內(nèi)容：

（1）數(shù)字化光測(cè)量技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站的穩(wěn)定運(yùn)行，建立新型的傳感器項(xiàng)目則變得十分重要。國(guó)際上將與傳統(tǒng)電磁電流、電壓互感等新型互感設(shè)備統(tǒng)稱為“非常規(guī)互感器”（簡(jiǎn)稱NCIT），目前這種NCIT的主要包含的技術(shù)原理主要有光電式的互感器（OVT/OCT）與電子式的互感器（EVT/ECT）。其中數(shù)字化光電電氣的測(cè)量主要以光電式或電流變換的方式構(gòu)成，并且由光纜連接。

（2）開(kāi)關(guān)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)。在數(shù)字化變電站中，主要對(duì)開(kāi)光設(shè)備進(jìn)行了智能化和集成化的改進(jìn)，而這其中的改變主要包括下三個(gè)方面：其一是集成了高壓設(shè)備開(kāi)關(guān)，由于數(shù)字化變電站要對(duì)一次、二次設(shè)備的作出集成，而量測(cè)系統(tǒng)又為結(jié)構(gòu)的集成緊湊創(chuàng)造了可能，因而也滿足了智能設(shè)備開(kāi)關(guān)的整個(gè)系統(tǒng)，包括避雷器內(nèi)部的絕緣子內(nèi)集成、智能化斷路器集成以及斷路與量測(cè)感應(yīng)集成等要求。其二是也實(shí)現(xiàn)了高壓組合器的集成。

（3）網(wǎng)絡(luò)通信的相關(guān)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)通信的相關(guān)技術(shù)也是數(shù)字化變電站的關(guān)鍵性技術(shù)之一，對(duì)變電站的運(yùn)行效果起到十分重要的作用。而產(chǎn)生影響網(wǎng)絡(luò)通信的主要技術(shù)因素，主要包括交換式的以太網(wǎng)技術(shù)、虛擬的局域網(wǎng)技術(shù)、IEEE協(xié)議等內(nèi)容。其中IEC61850標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)對(duì)抽象通信的服務(wù)接口（簡(jiǎn)稱ACSI）進(jìn)行引入，使得數(shù)字化變電站的自動(dòng)化性能也能夠與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相獨(dú)立，以便于最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以及時(shí)的運(yùn)用到變電站應(yīng)用中。此外，抽象通信的服務(wù)接口（ACSI）也對(duì)物理IED予以隱藏，使得數(shù)字化變電站的功能能夠被靈活、準(zhǔn)確地被分配到IED之中。而那些不對(duì)IEC61850產(chǎn)生支持的IED，則可以開(kāi)發(fā)相關(guān)的抽象通信的服務(wù)接口網(wǎng)關(guān)裝置，以此對(duì)設(shè)備進(jìn)行接入。

（4）單元合并的技術(shù)。單元合并指的是對(duì)二次轉(zhuǎn)換的電流與電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行合成。例如將超過(guò)7只的電流互感器與超出5只以上的電壓互感器互相合并為統(tǒng)一的單元組，再將輸出的瞬時(shí)信號(hào)及時(shí)填入進(jìn)數(shù)據(jù)幀中，以此保障數(shù)字信號(hào)能夠體現(xiàn)其優(yōu)越性能。通過(guò)合并單元能夠使接受到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出，而同步接受的信號(hào)也能為二次設(shè)備所需的時(shí)間一致一組電流、電壓值提供幫助。

（5）信息同步的相關(guān)技術(shù)。二次設(shè)備的采樣數(shù)據(jù)通常是在同一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上獲得的，通過(guò)這種采集數(shù)據(jù)的同步實(shí)現(xiàn)，也避免了相位與幅值出現(xiàn)誤差。數(shù)字化變電站中的GPS接受器可以布設(shè)在通信設(shè)備內(nèi)，變電站也可以采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議以此滿足不同設(shè)備之間的同步采樣，進(jìn)而對(duì)世界統(tǒng)一時(shí)間作為同步源，并將同步誤差控制在1ms以內(nèi)，該過(guò)程應(yīng)該以IEEE1588作為標(biāo)準(zhǔn)。此種標(biāo)準(zhǔn)包括了許多節(jié)點(diǎn)，并且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都代表了一個(gè)時(shí)鐘，這些時(shí)鐘之間主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，遵守IEEE1588能確保網(wǎng)絡(luò)同步的高度性與精確性，實(shí)現(xiàn)通信與執(zhí)行應(yīng)用程序的時(shí)間模式相互分離。

3 數(shù)字化變電站的運(yùn)用與發(fā)展趨勢(shì)

3.1 數(shù)字化變電站的應(yīng)用

在對(duì)數(shù)字化變電站的技術(shù)功能與運(yùn)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，也要對(duì)其運(yùn)用的具體特征方法加以探究。數(shù)字化變電站在運(yùn)用過(guò)程中存在許多特點(diǎn)，主要概括起來(lái)包括以下幾方面內(nèi)容：

（1）一次設(shè)備的數(shù)字化特點(diǎn)更為突出。與傳統(tǒng)的變電站相比，數(shù)字化的變電站更具有智能化、科技化的特性，其設(shè)備不僅加大了信息化內(nèi)容，還可以對(duì)更多的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以利用網(wǎng)絡(luò)獲取自身系統(tǒng)與其他設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。其自動(dòng)化程度較之以前也獲得了大幅提高，并且具有了自動(dòng)化設(shè)備種類更多、自動(dòng)化功能更為復(fù)雜、互動(dòng)能力與協(xié)同操作能力更強(qiáng)等特點(diǎn)。（2）在采集數(shù)據(jù)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)全景化工作。如上所述，數(shù)字化變電站能夠利用對(duì)時(shí)系統(tǒng)，完成區(qū)域與站內(nèi)的時(shí)間同步，對(duì)站內(nèi)設(shè)備的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)信息模型進(jìn)行完善，并能夠向電網(wǎng)提供出相關(guān)全景數(shù)據(jù)。（3）管理控制的協(xié)同化操作。數(shù)字化變電站技術(shù)本身是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的技術(shù)體系。而要讓這個(gè)體系良好的運(yùn)作起來(lái)，則需要將電力技術(shù)同通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、數(shù)字化光測(cè)量技術(shù)、智能開(kāi)關(guān)集成技術(shù)與其他眾多技術(shù)協(xié)同利用起來(lái)。

3.2 數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展不是一蹴而就的，而是需要一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，不僅需要各項(xiàng)技術(shù)的日漸成熟，同時(shí)也要使之與工程應(yīng)用能夠進(jìn)行完美結(jié)合。另外在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中，需要讓常規(guī)變電站的相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)兼容，這也意味著研發(fā)人員在探究數(shù)字化變電站的技術(shù)層面時(shí)，需要從現(xiàn)有的變電站為立足點(diǎn)，并以自動(dòng)化技術(shù)作為基礎(chǔ)，以此實(shí)現(xiàn)變電站應(yīng)用中的穩(wěn)定性發(fā)展與突破性成就，也使得數(shù)字化新技術(shù)能夠與電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)行緊密的結(jié)合。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于數(shù)字化變電站的主流研究較多的集中在對(duì)于智能開(kāi)關(guān)的技術(shù)研究上，擁有領(lǐng)先水平的GE、AREVA、ABB等公司在對(duì)其進(jìn)行認(rèn)真的研究后，已經(jīng)探索出一些具有試驗(yàn)性的成果，現(xiàn)正處于試運(yùn)行階段，我國(guó)雖然也有一些公司對(duì)智能開(kāi)關(guān)的技術(shù)進(jìn)行深度分析，但目前仍舊處在理論探究與實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的初級(jí)階段。

此外，國(guó)內(nèi)公司對(duì)于數(shù)字化變電站的研究開(kāi)發(fā)，主要集中在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)探索中。但從長(zhǎng)期的發(fā)展來(lái)看，要建立智能化的集成開(kāi)關(guān)、光電式的互感器、智能型的變壓器等一次設(shè)備，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)備間與站內(nèi)各層之間無(wú)縫通信的目的，也要同時(shí)滿足了信息資源共享與系統(tǒng)集成的要求，未來(lái)變電站的發(fā)展趨勢(shì)也必須有著信息高度集成、模型規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、布局結(jié)構(gòu)緊湊、操作方法智能、通信方式快捷等特點(diǎn)。因而這些“數(shù)字化”內(nèi)容也成為廣大研究人員共同追尋的方向。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)變電站進(jìn)行改造的過(guò)程中，仍舊存在一系列問(wèn)題，在數(shù)字化設(shè)備的研制工作中也出現(xiàn)了許多技術(shù)難點(diǎn)。由此，更加需要研發(fā)人員加強(qiáng)實(shí)踐鉆研與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，力求通過(guò)不懈努力，對(duì)技術(shù)難關(guān)予以攻破，并制造出功能更強(qiáng)、效率更高、性質(zhì)更優(yōu)的技術(shù)設(shè)備，以此實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)字化的建設(shè)，推動(dòng)我國(guó)電力行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。

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