目前，我國數(shù)字化變電站系統(tǒng)已經(jīng)投運(yùn)電網(wǎng)、核電、煤炭等領(lǐng)域的25 個(gè)科技試點(diǎn)或工程建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目。現(xiàn)從數(shù)字化變電站、數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)選型、主要問題以及數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行了探討分析。
1 數(shù)字化變電站
數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過程層、間隔層、站控層)構(gòu)建，建立在IEC61850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)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)：
1.1 性能高
(1)通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一采用IEC61850規(guī)范，無需進(jìn)行轉(zhuǎn)化，能使通信速度有所加快，系統(tǒng)的復(fù)雜性以及維護(hù)難度都有所降低，由此通信系統(tǒng)的性能提高。(2)數(shù)字信號采用光纜進(jìn)行傳輸，傳輸過程中沒有信號的衰減和失真。(3)電子互感器無磁飽和，精度高。
1.2 安全性高
(1) 電子互感器的應(yīng)用在很大程度上減少了運(yùn)行維護(hù)的工作量，同時(shí)提高了安全性。(2)電子互感器使得電流互感器二次開路、電壓互感器二次短路可能危及人身安全等問題已經(jīng)全部消失，很大程度上提高了安全性。
1.3 可靠性高
合并器如果收不到數(shù)據(jù)，就會(huì)判斷通訊故障(互感器故障)而發(fā)出警告，因此設(shè)備自檢功能強(qiáng)，提高了運(yùn)行的可靠性以及減輕了運(yùn)行人員的工作量。
1.4 經(jīng)濟(jì)性高
(1)實(shí)現(xiàn)了信息共享，兼容性高，變電站成本減少;
(2)解決了電子互感器滲漏問題，由此減少了檢修成本;(3)技術(shù)含量高，具有環(huán)保、節(jié)能、節(jié)約社會(huì)資源的多重功效。
2 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)
2.1 智能化的一次設(shè)備
一次設(shè)備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)，簡化了常規(guī)機(jī)電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接。換言之，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。
2.2 網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備
變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機(jī)設(shè)計(jì)制造，設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享，常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。
2.3 自動(dòng)化的運(yùn)行管理系統(tǒng)
變電站自動(dòng)化運(yùn)行管理系統(tǒng)應(yīng)包括電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計(jì)無紙化;數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動(dòng)化;變電站運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)提供故障分析報(bào)告、指出故障原因、提出故障處理意見;系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出變電站設(shè)備檢修報(bào)告，即常規(guī)的變電站設(shè)備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。
3 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備;在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為過程層、間隔層以及變電站層。
3.1 過程層
(1)運(yùn)行設(shè)備在線監(jiān)測參數(shù)包括：壓力、溫度、密度、絕緣、機(jī)械特性等數(shù)據(jù)。
(2)電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測就是電力運(yùn)行的實(shí)時(shí)電氣量檢測，其他電氣量可通過間隔層的設(shè)備運(yùn)算得出。
(3)電容、電抗器投切控制、變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制、直流電源充放電控制以及刀閘合分控制是操作控制的執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)的主要內(nèi)容。在執(zhí)行控制命令時(shí)能對即將進(jìn)行的動(dòng)作精度進(jìn)行控制、能判別命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇裕苁箶嗦菲鞫ㄏ嗪祥l、選相分閘，要求操作時(shí)間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi)以實(shí)現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開斷等。
3.2 間隔層
實(shí)施對一次設(shè)備保護(hù)控制功能;匯總本間隔過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息;實(shí)施本間隔操作閉鎖功能;優(yōu)先控制對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算以及控制命令的發(fā)出;實(shí)施操作同期及其他控制功能;同時(shí)高速完成與站控層和過程層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。
3.3 變電站層
(1)根據(jù)既定規(guī)約，將相關(guān)數(shù)據(jù)送往調(diào)度中心。
(2)利用兩級高速網(wǎng)絡(luò)對全站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總，對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行刷新，歷史數(shù)據(jù)庫要按時(shí)登錄。
(3)接收調(diào)度中心的相關(guān)控制命令，轉(zhuǎn)到間隔層、過程層進(jìn)行執(zhí)行。
(4)具有站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控、人際聯(lián)系功能，在線可編程的全站操作閉鎖控制功能，變電站故障自動(dòng)分析和操作培訓(xùn)功能，對間隔層、過程層諸設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)的功能。
4 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)選型
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和信息化傳輸?shù)目焖傩詻Q定了系統(tǒng)的可用性，它是數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的命脈。數(shù)字化系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)CPU協(xié)同完成全信息的采樣、保護(hù)算法與控制命令的形成。網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性是控制好采樣的同步和保護(hù)命令的快速輸出的最基本的條件，網(wǎng)絡(luò)通信速度的提高和合適的通信協(xié)議的制定是控制好采樣的同步和保護(hù)命令快速輸出的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的兩級網(wǎng)絡(luò)全部采用100 MHz以太網(wǎng)技術(shù)。
5 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)建模
變電站化系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備、功能和數(shù)據(jù)進(jìn)行建模是通過采用面向變電站對象建模的方法，其采用統(tǒng)一建模語言UML來進(jìn)行描述，并將這些模型在變電站層的計(jì)算機(jī)上、間隔層的IED上以及過程層的ECT/EVT和智能終端上軟件實(shí)現(xiàn)，以完成過程層、間隔層IED之間及IED與變電站層計(jì)算機(jī)之間的通信。以下幾個(gè)步驟分別是實(shí)際IED的數(shù)據(jù)建模的過程。
5.1 功能建模
數(shù)字化變壓器保護(hù)裝置的每個(gè)功能都定義為相應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)類的一個(gè)實(shí)例，如差動(dòng)保護(hù)、瞬時(shí)過流保護(hù)、諧波制動(dòng)功能分別用邏輯節(jié)點(diǎn)PDIF、PIOC、PHAR來表示;測量功能用MMXU表示;就地設(shè)定和手動(dòng)操作功能用IHMI來表示;擾動(dòng)紀(jì)錄功能用RADR來表示;斷路器控制功能用CSWI來表示;斷路器用XCBR來表示;電流電壓互感器用TCTR、TVTR來表示。然后根據(jù)實(shí)際情況，在不同的物理裝置內(nèi)分配LN。
5.2 設(shè)備建模
設(shè)備建模主要是對IED的Server、LD、LN、DO及DA進(jìn)行依次建模。一個(gè)IED可能包含一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器，服務(wù)器是物理設(shè)備中的一個(gè)通信實(shí)體，是物理設(shè)備的外部通信接口，包含從通信網(wǎng)絡(luò)可視和可訪問的內(nèi)容。
5.3 信息交換服務(wù)建模
根據(jù)實(shí)際需要信息交換服務(wù)建模完成設(shè)置組控制塊(SGCB)、報(bào)告控制塊(BRCB和URCB)、紀(jì)錄控制塊(LCB)、通用變電站事件控制塊(GOCB和GSCB)、采樣值傳輸控制塊(MSVCB和USVCB)和DATE-SET、文件、關(guān)聯(lián)等的建模。
6 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展中的主要問題
在過程層、間隔層、變電站層這3個(gè)層中，數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究正在自下而上逐步發(fā)展。過程層是目前主要集中研究的內(nèi)容。在國外，已經(jīng)對過程層有了較成熟的經(jīng)驗(yàn);在國內(nèi)，許多大專院校、研究院等都對其進(jìn)行了開發(fā)研究，并且在某些方面還取得了較滿意的成績。我國目前在數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究中還存在一定的問題，首先，需加強(qiáng)研究開發(fā)過程中專業(yè)協(xié)作;其次，改進(jìn)材料器件方面的缺陷;再次，實(shí)驗(yàn)控制、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、測試方法還處于弱勢;最后，一體化的通信協(xié)議。
7 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展趨勢
數(shù)字化變電站對電氣設(shè)備行業(yè)影響巨大，將導(dǎo)致二次設(shè)備行業(yè)、互感器行業(yè)甚至開關(guān)行業(yè)的洗牌，并且以IEC61850為紐帶將促進(jìn)一次設(shè)備和二次設(shè)備企業(yè)的相互合作與滲透。未來數(shù)字化變電站將實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的智能化和二次設(shè)備的信息化，通過在變電站的站控層、間隔層以及過程層采用全面的標(biāo)準(zhǔn)IEC61850通信協(xié)議，避免設(shè)備的重復(fù)投入。在站控層方面，除了繼承傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)外，應(yīng)配置遠(yuǎn)動(dòng)工作站，目的是向調(diào)度實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸;在間隔層方面，由于多種IED的應(yīng)用使的數(shù)字變電站產(chǎn)生多種不同的框架結(jié)構(gòu);在過程層方面，一些高級設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用，例如智能化開關(guān)設(shè)備等。據(jù)行業(yè)內(nèi)的分析報(bào)告顯示，每年都有上千座35 kV及以上等級的新建變電站投入運(yùn)行，新建變電站基本上都采用自動(dòng)化系統(tǒng)模式，因此預(yù)計(jì)未來幾年電力系統(tǒng)變電站自動(dòng)化市場規(guī)模每年將保持在50～80億元。
隨著國家電網(wǎng)公司堅(jiān)持智能電網(wǎng)計(jì)劃的實(shí)施，變電站將向智能變電站發(fā)展，一次設(shè)備要升級為智能電力設(shè)備，二次設(shè)備則成為智能控制單元，這是一個(gè)革命性的變化。
