數(shù)字化變電站升級改造技術(shù)要點探討

陳俊成

（東莞供電局，廣東東莞 523000）

1 引言

變電站作為電網(wǎng)系統(tǒng)中變電、配電以及電能調(diào)度分配的重要控制節(jié)點，其綜合自動化技術(shù)水平的高低直接影響到電網(wǎng)能否安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟、高效穩(wěn)定地運行。智能電網(wǎng)和區(qū)域大電網(wǎng)建設(shè)步伐的不斷加快，使基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站技術(shù)升級改造成為當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。非數(shù)字化常規(guī)變電站的技術(shù)升級改造，已成為當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)和改造工程中亟待解決的重要問題［1］。從國內(nèi)已有多個數(shù)字化變電站投運效果來看，其自動化調(diào)節(jié)控制水平、運行狀況、以及運行經(jīng)濟效益等較常規(guī)變電站優(yōu)越。數(shù)字化變電站綜合自動化系統(tǒng)包括過程層、間隔層和站控層三層，是集設(shè)備智能化、網(wǎng)絡(luò)通信集成化、設(shè)備模型標(biāo)準(zhǔn)化、調(diào)度運行管理自動智能化等功能為一體的電力系統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)。數(shù)字化變電站綜合自動化系統(tǒng)中電氣一、二次設(shè)備與常規(guī)變電站電氣一、二次設(shè)備在通信接口方面存在很大差異。因此，在對常規(guī)變電站進行數(shù)字化技術(shù)升級改造過程中，在充分發(fā)揮數(shù)字化變電站應(yīng)用功能效果的基礎(chǔ)上，如何最大有效利用現(xiàn)有設(shè)備和系統(tǒng)，減少工程整體投資和工程量，實現(xiàn)待改造變電站向數(shù)字化變電站方向平滑高效穩(wěn)定過渡，就顯得非常有研究意義。

2 變電站數(shù)字化改造原則

數(shù)字化變電站是變電站建設(shè)和技術(shù)改造的必然發(fā)展方向，也是智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的重要技術(shù)支撐。數(shù)字化變電站，按照一次電氣設(shè)備智能自動化、二次設(shè)備集成網(wǎng)絡(luò)化的建設(shè)改造原則，參照IEC61850變電站綜合自動化系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)嚴(yán)格按照過程層、間隔層以及站控層三層進行技術(shù)升級改造建設(shè)，其中過程層是由具有模擬量實時收集終端合并單元和能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)狀態(tài)信號輸入、輸出的智能功能單元共同組成；間隔層主要由保護裝置、測控裝置以及其它IED智能單元共同組成；站控層是數(shù)字化變電站綜合自動化系統(tǒng)監(jiān)控中心，主要由監(jiān)控、遠動、故障濾波、工程師工作站等信息子系統(tǒng)共同組成。在數(shù)字化變電站技術(shù)升級改造工程實踐中，要從技術(shù)、經(jīng)濟等方面綜合考慮改造建設(shè)方案。

為了確保數(shù)字化變電站改造工程具有較高經(jīng)濟性，原則上變電站內(nèi)的一次電氣設(shè)備包括斷路器、隔離開關(guān)、變壓器等大型設(shè)備，在性能滿足數(shù)字化變電站需求時，一般不進行直接更換，而在過程層中采用電子式電壓（電流）互感器完成整個變電站系統(tǒng)中電氣量數(shù)據(jù)信息的實時采集。間隔層IED智能電子設(shè)備和站控層間采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互共享和互操作。以智能自動化操作控制箱配套傳統(tǒng)斷路器，實現(xiàn)對斷路器設(shè)備的數(shù)字化改造，完成控制、數(shù)據(jù)采集、操縱等功能的在線遠程集控。隨著電網(wǎng)系統(tǒng)向高參數(shù)、大容量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等方向發(fā)展，變電站進行數(shù)字化改造過程中，其接線也變得越來越復(fù)雜，要實現(xiàn)在整站不停電的運行條件下進行技術(shù)升級改造，就需要進行統(tǒng)籌系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計，以確保改造工程安全可靠、高效穩(wěn)定地進行。

3 數(shù)字化變電站技術(shù)改造優(yōu)越性分析

數(shù)字化變電站綜合自動化系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)信息充分共享、較強互操作功能以及降低變電站日常檢修維護周期費用等優(yōu)點，其必將成為未來變電站自動化系統(tǒng)研究發(fā)展的重要方向。數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中，以變電站一、二次系統(tǒng)信息數(shù)字化作為研究對象，按照統(tǒng)一建模規(guī)則將變電站中的物理設(shè)備虛擬信息化，并采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)通信平臺，實現(xiàn)智能IED設(shè)備間數(shù)據(jù)信息的實時通信共享和互操作，能夠滿足現(xiàn)代智能變電站調(diào)度運行安全、穩(wěn)定、可靠、節(jié)能經(jīng)濟等功能需求［2］。常規(guī)變電站通過數(shù)字化技術(shù)升級改造，可以實現(xiàn)以下多個方面的功能：

（1）通過過程層設(shè)備的智能數(shù)字化改造，取消了常規(guī)大量控制、信號電纜直接硬連接方式，簡化系統(tǒng)接線，提高了系統(tǒng)集成化程度。

（2）數(shù)字化變電站綜合自動化系統(tǒng)以IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)作為核心，可以實現(xiàn)不同廠家或同廠家不同型號IED設(shè)備間的數(shù)據(jù)信息實時通信和互操作，有效消除了常規(guī)系統(tǒng)中存在信息孤島的不利現(xiàn)象，提高數(shù)據(jù)信息的綜合使用效率。智能IED設(shè)備間的互操作性能，使用戶能夠根據(jù)實際功能需求合理選擇系統(tǒng)部件，大幅改善系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)化程度，另外現(xiàn)場驗收、監(jiān)視診斷、以及運行維護等費用也得到大大節(jié)省。標(biāo)準(zhǔn)的擴展性接口，為系統(tǒng)增加其它功能和進行技術(shù)升級改造提供強大靈活性和便捷性。

（3）優(yōu)化系統(tǒng)功能，減少通信轉(zhuǎn)換設(shè)備等，簡化了二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局。數(shù)字化變電站強大的智能化、自動化、信息化的功能特性，可以通過內(nèi)部自動分析獲得最優(yōu)節(jié)能調(diào)度方案，實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能降耗經(jīng)濟調(diào)度運行。通過標(biāo)準(zhǔn)化、集成化實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息資源通信共享和IED設(shè)備間的互操作，有效提高了電網(wǎng)運行安全穩(wěn)定性和災(zāi)變綜合防治能力，對提高電網(wǎng)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益等方面有非常重要的現(xiàn)實意義。

4 數(shù)字化變電站技術(shù)升級改造方案

數(shù)字化變電站技術(shù)升級改造方案如圖1所示。

常規(guī)變電站進行數(shù)字化技術(shù)升級改造，主要包括過程層數(shù)字化改造、間隔層數(shù)字化改造以及站控層數(shù)字化改造三大部分。但整個變電站數(shù)字化改造工程所涉及專業(yè)較多、工程量較大，因此，在實際變電站數(shù)字化改造過程中，應(yīng)根據(jù)變電站現(xiàn)有一次、二次設(shè)備系統(tǒng)的現(xiàn)狀，有針對性地制定階段性改造方案［3］。

圖1 數(shù)字化變電技術(shù)升級改造方案

在變電站數(shù)字化改造過程中，對于高壓進出線、主變等均需要通過一套或數(shù)套支持IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)的集中式測控保護裝置（每組均需按照冗余設(shè)計原則進行配置），組成基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站間隔層系統(tǒng)高壓部分；對于35kV及以下電壓等級部分，由于在實際工程中通常采用開關(guān)柜布置形式，而其饋線線路中通常采用常規(guī)互感器，因此，可以采取支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的間隔層IED智能電子設(shè)備，分散布設(shè)在開關(guān)柜內(nèi)部，實現(xiàn)對35kV及以下部分的測控、保護等功能。對于規(guī)模較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的變電站系統(tǒng)而言，在進行數(shù)字化改造時，應(yīng)采取分階段逐步改造措施。如：對于一個220kV變電站系統(tǒng)而言，要實現(xiàn)全站數(shù)字化改造，應(yīng)將其分為低壓和高壓兩個改造階段。第一個階段是低壓35kV和10kV部分的數(shù)字化技術(shù)升級改造；第二個階段是對220kV、110kV以及主變等間隔的數(shù)字化技術(shù)升級改造。同時在整個數(shù)字化技術(shù)升級改造過程中，要嚴(yán)格按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系，對變電站系統(tǒng)中各保護、故障錄波、遠程操控、二次公用設(shè)備以及計量設(shè)備等進行數(shù)字化技術(shù)升級進行改造。變電站數(shù)字化技術(shù)升級改造，實際上就是通過智能一次設(shè)備和集成網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備，按照一次設(shè)備數(shù)字化、二次裝置網(wǎng)絡(luò)集成化以及通信數(shù)據(jù)平臺標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化要求，實現(xiàn)變電站系統(tǒng)內(nèi)部智能電氣設(shè)備間數(shù)據(jù)信息的實時通信共享和互操作。

5 數(shù)字化變電站技術(shù)升級改造要點

5.1 過程層數(shù)字化改造要點

智能終端是常規(guī)變電站一次設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)改造的重要保障基礎(chǔ)。由圖1可知，智能終端主要包括MU合并單元、主變智能單元以及智能操作箱等智能終端。為了降低數(shù)字化改造綜合成本，在變電站原一次設(shè)備中，通過智能終端將常規(guī)電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后通過光纖網(wǎng)絡(luò)完成變電站常規(guī)一次設(shè)備與間隔層測控保護裝置間數(shù)據(jù)信息的交互共享。智能操作箱有效解決了常規(guī)變電站一次設(shè)備和數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)間通信協(xié)議轉(zhuǎn)換接口問題。智能操作箱作為數(shù)字化變電站現(xiàn)地一次開關(guān)設(shè)備遠程操作的智能終端，可以將常規(guī)一次設(shè)備與間隔層單元中的保護、測控等裝置通過光纖網(wǎng)絡(luò)進行有機互聯(lián)，完成對現(xiàn)地斷路器、隔離開關(guān)（接地開關(guān)）等刀閘的分合操作。智能操作箱在接收到間隔層測控保護裝置通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給斷路器或刀閘對應(yīng)分、合及閉鎖命令后，就會轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的脈沖信號驅(qū)動繼電器硬接點完成對應(yīng)遠程操作。

5.2 間隔層數(shù)字化改造要點

利用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)具有GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)輸入輸出功能的測控保護裝置，對常規(guī)變電站間隔層設(shè)備進行數(shù)字化升級改造。變電站綜合自動化系統(tǒng)中間隔層測控保護裝置間應(yīng)按照雙重以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行互聯(lián)，各間隔層智能IED設(shè)備間通過雙重網(wǎng)絡(luò)共享系統(tǒng)中的模擬量和開關(guān)量信息，然后經(jīng)過內(nèi)部DSP數(shù)據(jù)處理單元分析運算后，完成保護操控的動作邏輯和間隔單元間的閉鎖功能。數(shù)字化變電站系統(tǒng)中模擬量傳輸采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的單播采樣值（SMV）服務(wù)，而開關(guān)量傳輸則采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的面向通用對象的變電站事件（GOOSE）服務(wù)來實現(xiàn)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通過GOOSE通信服務(wù)機制實現(xiàn)變電站系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息的快速傳遞。通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)變電站系統(tǒng)中相關(guān)遙信、遙控以及保護跳閘數(shù)據(jù)信息快速傳輸和交互共享，有效簡化變電站二次系統(tǒng)，提高變電站綜合自動化系統(tǒng)的集成可靠性。

5.3 站控層數(shù)字化改造要點

站控層中監(jiān)控主機、工程師站、遠動機、保信子站、以及GPS網(wǎng)絡(luò)則采用1000／100M工業(yè)以太網(wǎng)進行有機互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)采用雙重化冗余設(shè)計原則進行配置，間隔層與站控層間按照報文規(guī)范格式MMS通過1000／100M工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互共享，完成對整個變電站系統(tǒng)的實時監(jiān)視和控制。

6 結(jié)束語

數(shù)字化變電站的建設(shè)和技術(shù)升級改造，已成為未來變電站發(fā)展的必然方向。如何根據(jù)變電站原有一、二次設(shè)備現(xiàn)狀情況，結(jié)合IEC61850等國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采取合適有效的數(shù)字化技術(shù)改造方案，使常規(guī)變電站平滑穩(wěn)定、安全可靠的過渡到數(shù)字信息化變電站，已成為數(shù)字化變電站技術(shù)升級改造必須要解決的實際問題。

［1］高 翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［2］李映川，王曉茹.基于IEC61850的變電站智能電子設(shè)備的實現(xiàn)技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)通信，2005，26（9）：54-56.

［3］魯國剛，劉 驥，張長銀.變電站的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006.