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試析數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)及未來展望論文
論文摘要：隨著變電站自動化程度越來越高，數(shù)字化變電站技術(shù)在我國得到迅速發(fā)展。數(shù)字化變電站就是把變電站的信息采集、處理、傳輸以及輸出全部實現(xiàn)數(shù)字化。由于這項技術(shù)匯集多方面、多層次技術(shù)革新，所以它的發(fā)展將會是一個比較長期的過程。主要闡述了數(shù)字化變電站的背景和特征，著重介紹了變電站數(shù)字化過程中的關(guān)鍵技術(shù)，同時介紹了變電站數(shù)字化之后對未來產(chǎn)生的影響。
論文關(guān)鍵詞：變電站；變電站數(shù)字化；通信網(wǎng)絡(luò)
為了提高電力系統(tǒng)的自動化水平和可靠性，提高電網(wǎng)企業(yè)的經(jīng)濟效益和管理水平，我國電力企業(yè)積極進行變電站的數(shù)字化。隨著國家標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善以及智能斷路器、非常規(guī)互感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化將是未來變電站自動化發(fā)展的必然趨勢。
一、數(shù)字化變電站的特點
隨著數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，數(shù)字化變電站的概念也被提出。數(shù)字化變電站可以實現(xiàn)信息的整體和統(tǒng)一處理,同時具備變電站內(nèi)IED之間、控制中心和變電站之間協(xié)同互動運行的能力。一般情況下，數(shù)字化變電站具備以下幾個技術(shù)特點。
1.層次化
由于所具備的功能差異，變電站的結(jié)構(gòu)邏輯可分成間隔層、過程層以及變電站層。間隔層的作用是通過本間隔的數(shù)據(jù)作用于自身間隔的一次設(shè)備。所有與一次設(shè)備接口功能的實現(xiàn)是通過過程層完成的。利用全站的數(shù)據(jù)，變電站層可以對全站的一次設(shè)備進行監(jiān)視以及控制，同時可以實現(xiàn)與遠方控制中心進行交換數(shù)據(jù)。
2.一次設(shè)備的智能化
可編程（PLC）控制器可以替換變電站二次回路中的繼電器及其配套的邏輯回路，光電數(shù)字和光纖將會代替變電站目前普通的模擬信號和控制線路被。
3.二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化
變電站的二次設(shè)備不設(shè)功能裝置重復(fù)的輸入/輸出接口，通過網(wǎng)絡(luò)可以真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享，普通的功能裝置也會演變成邏輯的功能模塊。
4.運行管理實現(xiàn)自動化
日常運行、維護、數(shù)據(jù)記錄可以實現(xiàn)無紙化辦公和自動化的信息分流交換；變電站發(fā)生故障時，及時提出故障原因和維修意見；系統(tǒng)可以自動發(fā)出變電站設(shè)備狀態(tài)檢修報告。
二、數(shù)字化變電站中的關(guān)鍵技術(shù)
由于用戶對供電質(zhì)量、可靠性要求以及電壓等級和電網(wǎng)容量的不斷提高，電力電子、傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信和信號處理等技術(shù)日漸成熟，所以變電站一次設(shè)備智能化、自動化成為發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)前，該技術(shù)主要是智能斷路器、集成型智能開關(guān)以及電子式電流電壓互感器等設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用。
1.非常規(guī)的互感器
隨著計算機技術(shù)和光電技術(shù)日益成熟，非常規(guī)互感器在實際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。它具有很強的抗電磁干擾能力、絕緣好、可測量頻帶寬，新型光電/電子式互感器具有現(xiàn)代光電技術(shù)的優(yōu)點以及電光晶體的各種優(yōu)異特性，在電力行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。同時，結(jié)合數(shù)字信號處理DSP技術(shù)和光電技術(shù)，未來將呈現(xiàn)出很好的發(fā)展勢頭。
數(shù)字化保護和測控設(shè)備可以和非常規(guī)互感器直接接口，省去了中間環(huán)節(jié)。它的優(yōu)點是：能隔離高低壓，絕緣性能良好；由于不含鐵芯，鐵磁諧振和磁飽可以消除；良好的抗電磁干擾性能，低壓側(cè)無開路高壓危險；測量精度高，動態(tài)范圍大；頻率響應(yīng)范圍大；無易燃、易爆等危險。
由于以上優(yōu)點，非常規(guī)互感器不僅具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，而且能很好地適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需要，提高了電力系統(tǒng)自動化程度并且能夠保證其安全可靠的運行。
2.斷路器智能技術(shù)
為了改變現(xiàn)有斷路器的單一空載分閘特性，自動獲得實際開斷時電氣和機械性能上的最佳開斷效果，且由于電網(wǎng)運行過程中會經(jīng)常有各種開斷指令，斷路器可以執(zhí)行相應(yīng)的智能操作——自動調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)和滅弧室工作條件的選擇。通過智能斷路器的過程層(I/O)通信接口，輸入和輸出通信數(shù)據(jù)，而這些通信數(shù)據(jù)必須符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。或者說根據(jù)IEC61850提出的標(biāo)準(zhǔn)體系，斷路器屬于過程層設(shè)備，所以控制跳合閘命令的傳遞以及斷路器狀態(tài)信息傳輸是通過IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。
3.集成型智能開關(guān)設(shè)備
國外一些大的電力設(shè)備生產(chǎn)公司已經(jīng)推出類似產(chǎn)品，瑞士ABB公司推出的接插式開關(guān)系統(tǒng)PASS是最具代表性的。它是ABB公司在生產(chǎn)氣體絕緣組合電器GLS和空氣絕緣開關(guān)設(shè)備ALS的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型電器設(shè)備，而該款產(chǎn)品具備了GLS的優(yōu)點。從20世紀末應(yīng)用至今，已在美國、加拿大、英國、瑞典等變電站使用并且用戶反應(yīng)良好�？梢哉f，集成型智能開關(guān)設(shè)備是電力系統(tǒng)將來一次電氣設(shè)備的發(fā)展方向，它的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、接線簡化、占地面積小、自動化程度高、可靠性高和日常維護簡單。
三、數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
建設(shè)數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)之一就是從邏輯概念和物理概念上，將通信體系分為三個層次，即間隔層、變電站層以及過程層，并且制定了各層通信接口之間的通信標(biāo)準(zhǔn)。而另一個前提就是制定的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定，有利于實現(xiàn)電力自動化系統(tǒng)的三個功能，即控制、監(jiān)視和繼電保護功能。
由于沒有規(guī)定通信拓撲，并且對設(shè)備之間的通信接口沒有任何標(biāo)準(zhǔn)，所以各個廠家只是根據(jù)客戶需求自行設(shè)計和定義物理通信鏈路上的通信接口，上述的三個層次僅是抽象的概念。由于IEC6185O使用以太網(wǎng)作為基本通信技術(shù)，并沒有限制實際的網(wǎng)絡(luò)形式，所以，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，同一個網(wǎng)絡(luò)完全可以融合變電站總線和過程總線。這樣的通信系統(tǒng)既有利于變電站與控制中心構(gòu)成統(tǒng)一的無縫通信網(wǎng)絡(luò)，而且可以同時實現(xiàn)變電站內(nèi)的無縫連接。
變電站層有兩種功能。變電站層功能是指SAS到各個接口的功能，即到本地站操作員人機接口、遠方控制中心遙控接口或遠程監(jiān)視維護工程遠方監(jiān)視接口的功能。另外一個功能是指利用多個變電站或間隔的數(shù)據(jù)，而且作用到整個站的一次設(shè)備或多個間隔。
間隔層是利用分析某個間隔數(shù)據(jù)，然后可以實現(xiàn)控制該層一次設(shè)備的目的。該功能是與任何類型的I/O或智能傳感器和執(zhí)行器通信，即通過一定的邏輯接口在間隔層內(nèi)通信或與過程層通信。
過程層功能是連接到過程的全部功能。
四、數(shù)字化變電站對變電站的影響
1.對二次系統(tǒng)應(yīng)用的影響
由于現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，變電站數(shù)字化技術(shù)得以迅速發(fā)展應(yīng)用。在電氣量采集的環(huán)節(jié)、IED設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸交換方式、變電站信息冗余性、變電站二次系統(tǒng)運行安全性、可靠性等，都將由于變電站數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生巨大的影響。
2.對變電站整體建設(shè)方案的影響
當(dāng)今，由于土地價格昂貴，縮小變電站的占地面積將是目前變電站建設(shè)急需考慮的問題。由于電子式互感器的體積小，方便安裝，與其他高壓設(shè)備集成方便，所以能減少變電站的占地面積。實現(xiàn)數(shù)字化的變電站基本上沒有電纜，采用光纖通信，造價低，重量輕。可以取消變電站內(nèi)大部分電纜井和電纜層，建設(shè)變電站的成本也可大大減少。
3.數(shù)字化變電站對設(shè)備調(diào)試的影響
數(shù)字化變電站不僅可以提高二次系統(tǒng)安全性，而且可以大大簡化二次系統(tǒng)的調(diào)試；電壓互感器的極性由安裝位置決定，所以現(xiàn)場不需要校驗；絕緣電阻不需要測試；電子式互感器還可以確保使用數(shù)據(jù)正確，這是由于該設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都有標(biāo)記，方便識別；除此之外，由于一二次回路接線不需要查線，原來的查線工作大大減少，減輕運行維護人員的工作量；由于絕緣的系統(tǒng)的光纖信號傳輸回路，所以沒有接地，減少了變電站檢查接地的工作量。
五、數(shù)字化變電站未來的發(fā)展
電力系統(tǒng)通過SAS技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了電網(wǎng)運行的安全性、穩(wěn)定性，而且還大大減少了系統(tǒng)的維護和檢修費用，具有十分明顯的經(jīng)濟價值。由于變電站是整個電力系統(tǒng)最基本信息源，所以它也是整個系統(tǒng)中數(shù)字化的基礎(chǔ)�；谝陨显颍瑪�(shù)字化變電站應(yīng)具備以下幾項技術(shù)優(yōu)點。
�。�1）過程層信息系統(tǒng)內(nèi)部互相調(diào)用。在數(shù)字化變電站過程層的數(shù)據(jù)化的信息傳輸都是通過光纖完成的，所以過程層的信息可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部互相調(diào)。
�。�2）數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有及時性、穩(wěn)定性以及兼容性等優(yōu)點。
�。�3）信息模型化和互操作。作為電力系統(tǒng)的信息源頭，數(shù)字化變電站不僅要提供盡可能多的信息，而且這些信息應(yīng)建立在統(tǒng)一的電力系統(tǒng)信息模型的基礎(chǔ)之上。作為執(zhí)行終端，實現(xiàn)各種協(xié)同功能是數(shù)字化變電站最基本的特征，這要求IED之間能夠互操作。為了實現(xiàn)設(shè)備之間互相操作，變電站信息的標(biāo)準(zhǔn)化是基礎(chǔ)。
�。�4）檢測調(diào)試方法的變化。由于數(shù)字化變電站中的大多數(shù)自動化功能都以數(shù)據(jù)通信的方式實施，所以通信監(jiān)測設(shè)備顯得非常關(guān)鍵，不僅用于檢查網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性，而且對通信過程和傳輸信息進行監(jiān)視，用來分析自動化功能的實施情況。
�。�5）廣域自動化功能。數(shù)字化變電站的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求是互相兼容的，傳輸?shù)男畔⒂型粋�標(biāo)準(zhǔn)同時必須能夠相互共享，這樣才能達到電網(wǎng)與變電站之間協(xié)同配合的目的。
六、總結(jié)
由于數(shù)字化變電站技術(shù)涉及到許多通信網(wǎng)絡(luò)以及新設(shè)備的應(yīng)用，所以從研發(fā)到實際應(yīng)用將會是比較長期的過程。如IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系、智能斷路器、電子式互感器、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。由于各種新技術(shù)沒有經(jīng)過一定時期的實踐檢驗，所以在現(xiàn)場應(yīng)用的穩(wěn)定性需要結(jié)合工程實際逐步完善。
國內(nèi)外數(shù)字化變電站的研究和建設(shè)也還在起步階段。我國的數(shù)字化變電站建設(shè)的總思路是先把低電壓變電站（110kV以下）作為建設(shè)試點，通過一段時間的摸索，然后應(yīng)用到高的電壓等級的變電站上，在此期間更需要進行大量的理論研究和實踐摸索。同時，由于目前大部分變電站都沒有經(jīng)過數(shù)字化改造，所以現(xiàn)有的常規(guī)變電站就可以為數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展提供應(yīng)用的平臺，而電網(wǎng)的發(fā)展也為變電站數(shù)字化技術(shù)提供契機。未來數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)的成熟，將標(biāo)志著新一代數(shù)字化電網(wǎng)的實現(xiàn)。
但一些數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，如電子式互感器、智能斷路器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等還處于實際應(yīng)用的起步階段，需要進行大量的理論研究和運行經(jīng)驗的積累。
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