目前，我國數(shù)字化變電站系統(tǒng)已經(jīng)投運電網(wǎng)、核電、煤炭等領(lǐng)域的25 個科技試點或工程建設重點項目。現(xiàn)從數(shù)字化變電站、數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的特點、結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡選型、主要問題以及數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展趨勢等方面進行了探討分析。
1 數(shù)字化變電站
數(shù)字化變電站是由智能化一次設備(電子式互感器、智能化開關(guān)等)和網(wǎng)絡化二次設備分層(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：
1.1 性能高
(1)通信網(wǎng)絡統(tǒng)一采用IEC61850規(guī)范，無需進行轉(zhuǎn)化，能使通信速度有所加快，系統(tǒng)的復雜性以及維護難度都有所降低，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) 電子互感器的應用在很大程度上減少了運行維護的工作量，同時提高了安全性。(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)，就會判斷通訊故障(互感器故障)而發(fā)出警告，因此設備自檢功能強，提高了運行的可靠性以及減輕了運行人員的工作量。
1.4 經(jīng)濟性高
(1)實現(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)約社會資源的多重功效。
2 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的特點
2.1 智能化的一次設備
一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動回路采用微處理器和光電技術(shù)設計，簡化了常規(guī)機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)絡取代傳統(tǒng)的導線連接。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)絡化的二次設備
變電站內(nèi)常規(guī)的二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、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準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡通信，二次設備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復的I/O現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡真正實現(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 自動化的運行管理系統(tǒng)
變電站自動化運行管理系統(tǒng)應包括電力生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計無紙化;數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動化;變電站運行發(fā)生故障時能及時提供故障分析報告、指出故障原因、提出故障處理意見;系統(tǒng)能自動發(fā)出變電站設備檢修報告，即常規(guī)的變電站設備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。
3 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為智能化的一次設備和網(wǎng)絡化的二次設備;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)運行設備在線監(jiān)測參數(shù)包括：壓力、溫度、密度、絕緣、機械特性等數(shù)據(jù)。
(2)電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測就是電力運行的實時電氣量檢測，其他電氣量可通過間隔層的設備運算得出。
(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)動的主要內(nèi)容。在執(zhí)行控制命令時能對即將進行的動作精度進行控制、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，要求操作時間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi)以實現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開斷等。
3.2 間隔層
實施對一次設備保護控制功能;匯總本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息;實施本間隔操作閉鎖功能;優(yōu)先控制對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算以及控制命令的發(fā)出;實施操作同期及其他控制功能;同時高速完成與站控層和過程層的網(wǎng)絡通信功能。
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)絡對全站的實時數(shù)據(jù)信息進行匯總，對實時數(shù)據(jù)不斷進行刷新，歷史數(shù)據(jù)庫要按時登錄。
(3)接收調(diào)度中心的相關(guān)控制命令，轉(zhuǎn)到間隔層、過程層進行執(zhí)行。
(4)具有站內(nèi)當?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，變電站故障自動分析和操作培訓功能，對間隔層、過程層諸設備的在線維護、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)的功能。
4 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中的網(wǎng)絡選型
網(wǎng)絡系統(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)字化變電站自動化系統(tǒng)的命脈。數(shù)字化系統(tǒng)中網(wǎng)絡上多個CPU協(xié)同完成全信息的采樣、保護算法與控制命令的形成。網(wǎng)絡的適應性是控制好采樣的同步和保護命令的快速輸出的最基本的條件，網(wǎng)絡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命令快速輸出的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的兩級網(wǎng)絡全部采用100 MHz以太網(wǎng)技術(shù)。
5 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)建模
變電站化系統(tǒng)及相關(guān)設備、功能和數(shù)據(jù)進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來進行描述，并將這些模型在變電站層的計算機上、間隔層的IED上以及過程層的ECT/EVT和智能終端上軟件實現(xiàn)，以完成過程層、間隔層IED之間及IED與變電站層計算機之間的通信。以下幾個步驟分別是實際IED的數(shù)據(jù)建模的過程。
5.1 功能建模
數(shù)字化變壓器保護裝置的每個功能都定義為相應邏輯節(jié)點類的一個實例，如差動保護、瞬時過流保護、諧波制動功能分別用邏輯節(jié)點PDIF、PIOC、PHAR來表示;測量功能用MMXU表示;就地設定和手動操作功能用IHMI來表示;擾動紀錄功能用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)實際情況，在不同的物理裝置內(nèi)分配LN。
5.2 設備建模
設備建模主要是對IED的Server、LD、LN、DO及DA進行依次建模。一個IED可能包含一個或多個服務器，服務器是物理設備中的一個通信實體，是物理設備的外部通信接口，包含從通信網(wǎng)絡可視和可訪問的內(nèi)容。
5.3 信息交換服務建模
根據(jù)實際需要信息交換服務建模完成設置組控制塊(SGCB)、報告控制塊(BRCB和URCB)、紀錄控制塊(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個層中，數(shù)字化變電站自動化系統(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;在國內(nèi)，許多大專院校、研究院等都對其進行了開發(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)字化變電站自動化系統(tǒng)的研究中還存在一定的問題，首先，需加強研究開發(fā)過程中專業(yè)協(xié)作;其次，改進材料器件方面的缺陷;再次，實驗控制、檢驗標準、測試方法還處于弱勢;最后，一體化的通信協(xié)議。
7 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展趨勢
數(shù)字化變電站對電氣設備行業(yè)影響巨大，將導致二次設備行業(yè)、互感器行業(yè)甚至開關(guān)行業(yè)的洗牌，并且以IEC61850為紐帶將促進一次設備和二次設備企業(yè)的相互合作與滲透。未來數(shù)字化變電站將實現(xiàn)一次設備的智能化和二次設備的信息化，通過在變電站的站控層、間隔層以及過程層采用全面的標準IEC61850通信協(xié)議，避免設備的重復投入。在站控層方面，除了繼承傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)外，應配置遠動工作站，目的是向調(diào)度實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸;在間隔層方面，由于多種IED的應用使的數(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，一些高級設備的研發(fā)和應用，例如智能化開關(guān)設備等。據(jù)行業(yè)內(nèi)的分析報告顯示，每年都有上千座35 kV及以上等級的新建變電站投入運行，新建變電站基本上都采用自動化系統(tǒng)模式，因此預計未來幾年電力系統(tǒng)變電站自動化市場規(guī)模每年將保持在50～80億元。
隨著國家電網(wǎng)公司堅持智能電網(wǎng)計劃的實施，變電站將向智能變電站發(fā)展，一次設備要升級為智能電力設備，二次設備則成為智能控制單元，這是一個革命性的變化。
