數(shù)字化變電站中過程層的技術(shù)研究

摘要：數(shù)字化變電站是一個廣泛的概念，現(xiàn)在國內(nèi)外很多廠家和研發(fā)機構(gòu)都在做相關(guān)的研究工作，相關(guān)的產(chǎn)品也在不斷推出。僅僅只是某些一次裝置的智能化或者是二次裝置的接口的改變是不能稱為真正意義上的數(shù)字化。影響的范圍很大，數(shù)字化的進程不是單個設(shè)備就能造就的，它給變電站的通信概念注入了新的含義，整個變電站的結(jié)構(gòu)也會發(fā)生非常大的變化。本文闡述了數(shù)字化變電站概念，介紹了智能數(shù)字化變電站過程層總線通信技，談了智能數(shù)字化變電站過程總線應用結(jié)構(gòu)體系。

關(guān)鍵詞：智能數(shù)字化變電站；過程總線；總線通信技術(shù)

隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、電力通信技術(shù)等在電力系統(tǒng)中應用的不斷完善，加上電力系統(tǒng)不斷向大參數(shù)、高電壓等級、復雜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方向快速發(fā)展，傳統(tǒng)的變電站自動化系統(tǒng)在實時性、可靠性、精確性等方面均很難滿足現(xiàn)代智能數(shù)字化遠程調(diào)度電力系統(tǒng)需求。為了實現(xiàn)變電站中所有智能IED電子設(shè)備間數(shù)據(jù)信息資源的實時共享和互操作，如何確保過程通信網(wǎng)絡(luò)中所有測控、保護、監(jiān)視等數(shù)據(jù)信息在采集、遠程傳輸、以及運算分析等過程中具有非常強大的實時性、安全性、可靠性等，就成為智能數(shù)字化變電站自動化過程層應用技術(shù)研究難點和熱點，具有非常重要的意義。

一、數(shù)字化變電站概念

1.基本概念。提高電網(wǎng)運行可靠性是電力企業(yè)研究不變的宗旨，隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和信息交換標準的提高，IEC61850 標準應運而生，并迅速得到國內(nèi)電力自動化企業(yè)的一致認可及廣泛應用。如今，基于IEC61850 標準的研究在變電站的應用中得到越來越多的關(guān)注，在這樣的背景下提出了智能化變電站概念。

2.智能化變電站由智能化一次設(shè)備（智能開關(guān)電子式互感器）、二次保護測控設(shè)備（新一代微機保護監(jiān)控設(shè)備）、在線監(jiān)測（環(huán)境監(jiān)測、一次設(shè)備在線監(jiān)測等）和站 內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)組成，建立在IEC61850 通信規(guī)范基礎(chǔ)上，實現(xiàn)變電站自動化所要求的保護、測量和控制等功能。按照物理網(wǎng)絡(luò)連接，一般分為站控層、過程層和間隔層。

二、智能數(shù)字化變電站過程層總線通信技術(shù)

1.變電站IEC61850國際標準。變電站IEC61850國際標準是新一代智能數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)通信協(xié)議的技術(shù)標準，通過對變電站內(nèi)部所有l(wèi)ED設(shè)備數(shù)據(jù)對象的統(tǒng)一信息集成建模，并按照面向?qū)ο蠓占夹g(shù)和抽象通信服務規(guī)范接口的統(tǒng)一語言描述定義，從而實現(xiàn)變電站內(nèi)所有分層分布式智能IED電子設(shè)備間數(shù)據(jù)信息資源的無縫通信實時共享。應用IEC61850標準中的通信協(xié)議可以實現(xiàn)智能數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中所有智能IED設(shè)備間的互操作性、以及系統(tǒng)自動化功能的擴展兼容性和運行長期精確穩(wěn)定性，是實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息資源實時共享的基礎(chǔ)前提，為智能數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的過程層智能IED電子設(shè)備實現(xiàn)信息集成建模的基礎(chǔ)數(shù)字化的重要保證，是變電站自動化系統(tǒng)過程總線通信技術(shù)的研究發(fā)展重要方向。

2.電子式互感器與智能化斷路器。電子式電流/電壓互感器為變電站系統(tǒng)運行中，特征電參量數(shù)據(jù)信息的實時采集、監(jiān)視、保護、控制等智能IED電子設(shè)備提供重要的數(shù)據(jù)信息。由于不同智能IED設(shè)備通常來自不同廠家或同廠家不同型號的產(chǎn)品，因此，利用電子式電流/電壓互感器為不同智能IED電子設(shè)備間提供標準化、系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)信息，也是變電站自動化系統(tǒng)過程層實現(xiàn)不同智能lED電子設(shè)備間數(shù)據(jù)信息資源實時共享和互操作的重要技術(shù)支撐。斷路器智能化的二次系統(tǒng)可以實現(xiàn)斷路器監(jiān)測系統(tǒng)信息量的最大化、準確化、故障事故邏輯判定程序多樣化、以及斷路器監(jiān)控保護技術(shù)手段智能自動化等多種功能，可以有效提高智能數(shù)字化變電站系統(tǒng)在實際運行中對系統(tǒng)故障和事故定位的實時精確化。

3.網(wǎng)絡(luò)通信集成網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)。數(shù)據(jù)信息的實時通信是實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)智能數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)。光纖通信技術(shù)、交換式以太網(wǎng)、以及虛擬局域網(wǎng)（VLAN）等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在變電站自動化系統(tǒng)中應用的不斷完善深入，使得變電站自動化系統(tǒng)的二次信號回路和控制回路逐步向集成網(wǎng)絡(luò)化等方向快速發(fā)展。用數(shù)字通信技術(shù)手段代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電量信號傳輸模式；用光纖作為傳輸介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制、信號電纜的硬接線模式，為變電站自動化系統(tǒng)從集中式向分散分布式信息集成等方向發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。過程層中二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復的I/O輸入輸出接線端口，通過過程層網(wǎng)絡(luò)真正實現(xiàn)不同智能IED電子設(shè)備間數(shù)據(jù)信息資源的實時共享和互操作。

三、智能數(shù)字化變電站過程總線應用結(jié)構(gòu)體系

1.智能數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)匯中過程層和過程總線通信的提出，是基于IEC61850國際系統(tǒng)規(guī)范標準對傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)的通信協(xié)議體系（如UCA2.O）進行信息集成通信的重大技術(shù)變革，也是智能數(shù)字化變電站區(qū)別傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)的重要指標特征之一。按照智能數(shù)字化變電站IEC61850標準要求，過程總線應用結(jié)構(gòu)采用集成網(wǎng)絡(luò)化通信結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電站的二次控制、信號電纜硬接線模式。智能數(shù)字化變電站過程總線應用結(jié)構(gòu)應以工業(yè)以太網(wǎng)為通信核心，按照不同的組網(wǎng)方式構(gòu)筑滿足不同數(shù)據(jù)信息流需求的合理靈活的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)。目前，智能數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)建設(shè)和改造工程中常用的過程總線應用結(jié)構(gòu)體系主要包括星形拓撲、總線拓撲、環(huán)形拓撲、以及網(wǎng)狀拓撲四種模式。但是從大量工程應用效果來看，星形結(jié)構(gòu)從信息流通信實時可靠性、邏輯拓撲結(jié)構(gòu)清晰性、以及使用成熟完善性等方面均較其它三種應用結(jié)構(gòu)體系較為完善合理。加上變電站智能IED電子設(shè)備制造成本的不斷下降，采用冗余設(shè)計模式的星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，已成為智能數(shù)字化變電站過程總線首先的通信應用保護結(jié)構(gòu)。

2.在大量工程應用實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，很多電力研究學者又在過程層總線中通過將保護IED設(shè)備和合并單元兩者相互組合，并利用時鐘源進行在線分析的改進過程層總線保護結(jié)構(gòu)模式，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

從圖1中可知，電力研究學者在標準冗余星形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入了考慮間隔層與過程層設(shè)備單元間的可用性因素，利用合理的合并單元與斷路器控制組合體與保護IED電子設(shè)備間的運行可靠性判斷，通過功能整合有效提高智能數(shù)字化變電站中過程通信總線運行可靠性、精確性、以及實時可靠性。

3.智能數(shù)字化變電站過程層總線應用功能的實現(xiàn)按照圖1中所述的功能整合過程總線冗余保護結(jié)構(gòu)，推出了實際變電站自動化系統(tǒng)工程應用中的過程層功能合并單元（合并單元/斷路器控制器）的整合設(shè)計方案。此處以ABB制造廠家的智能數(shù)字化變電站過程總線保護結(jié)構(gòu)體系為例，其具體過程總線保護實現(xiàn)方案如圖2所示：

從圖2可知，ABB推出基于ELK—CP3組合采集分析處理裝置（組合式電壓/電流互感器）的過程總線保護結(jié)構(gòu)。

隨著變電站自動化系統(tǒng)中過程層電氣一次設(shè)備的智能化、數(shù)字化，以及二次設(shè)備的集成網(wǎng)絡(luò)化，采用數(shù)據(jù)和信息的集中標準化采集模式，并基于IEC61850標準的過程層通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了變電站自動化系統(tǒng)中過程總線上數(shù)據(jù)信息的集成統(tǒng)一采集傳送，完成了變電站中不同智能IED設(shè)備間功能數(shù)據(jù)信息的實時共享和互操作，促進了變電站自動化系統(tǒng)向智能數(shù)字化方向快速穩(wěn)定發(fā)展。

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