随着电网规模的不断扩大和电压等级的不断提高,智能化电网是未来电力系统发展的必然方向。继美国首先提出发展智能电网之后,智能电网就被认为是促进可再生能源发展、实现低碳经济的核心。从世界范围来看,我国成为第二个将智能电网上升为国家战略的国家。在这一战略实施过程中,数字化变电站是传统变电站向智能变电站的重要过渡阶段。

数字化变电站是以变电站一二次设备为数字化对象,主要有两部分构成:一是智能化一次设备包括电子式互感器、智能化开关等;二是二次设备还需进行网络化分层:过程层、间隔层、站控层等几个部分,它们是以IEC61850通信规范为基础,在变电站内智能电气设备之间可以进行信息共享和互操作,是光电技术、信息技术、网络通信技术等多种技术的融合,具有现代化变电站的特点。可以说数字化变电站技术是当今世界电力系统中最先进的电力自动化技术,引领着电力技术发展方向,同时随着IEC61850通信协议的提出,由智能化终端、数字化保护测控设备、数字化计量仪表、光纤以太网及IEC61850规约组成的可以完成包括信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化的分层分布式变电站已经被广泛认知,这种新型变电站站内信息全部做到数字化、信息传递实现网络化、通信模型达到标准化,使各种设备和功能共享统一的信息平台。

1   IEC61850在数字化变电站的应用

1.1   IEC61850标准

IEC61850标准是国际电工委员会(IEC)TC57工作组基于网络通信平台的变电站自动化系统制定的《变电站通信网络和系统》唯一的国际标准。它解决的主要问题是网络的通信和信息共享互操作等两个方面的问题。

数字化变电站在我国发展迅速,在IEC61850的设想于1995年首次被欧洲电力研究人员提出后,我国电力工作者也持续关注IEC61850的发展,并积极配合发展国内的各项相关标准。自2000年起,我国有了IEC61850的国内标准。其中重要的一点是对于通信协议的统一解释,IEC61850标准文本仅仅定义了90%,而10%是选择项,因此各国的实施程度会存在着差异。在各个国家标准的出台过程中,从CD到CDV,从FDIS到正式出版物,随着IEC标准的不断发展,我国国家标委会及其工作组专家们都进行了密切跟踪,在近5年的时间里,他们完成了IEC61850到行业标准DL/T860的转化。其中,IEC61850标准还分为IEC61850-9-1和IEC61850-9-2。IEC61850-9-1部分遵循了IEC60044-7/8标准对合并单元的设定,映射方法相对固定、简单,但对ASCI模型的支持不够。IEC61850-9-2映射方法更为灵活,对ASCI模型的支持部分除了支持直接映射到数据链路层的“SendMSVMessage”服务外,还支持向MMS的映射。其具体的差异还表现在如表1所示的几个方面。值得一提的是2011年我国在北京举办了由全国电力系统管理及其信息交换标准化技术委员会与赛尔传媒共同主办的“第二届数字化变电站及IEC61850标准应用经验高峰论坛”。

1.2   IEC61850标准的应用

2006年以来,世界范围内相继有采用IEC61850标准的变电站投入运行,从110kV到500kV,从单一厂家设备到多厂家设备集成,都有很好的示范工程。国内对数字化变电站工程实践的探索正在向纵深发展。

根据IEC关于变电站的结构规范,将变电站分为3个层次,即变电站层、间隔层以及过程层。在设计理念上不是以整个变电站作为设备确定目标,而是以间隔和设备作为设计对象。各层的具体关系与联系如图1所示。

图1  IEC标准下变电站内部各层的关系

(1)站控层。站控层设备由主机/操作员站(双套,其中一套设置于变电站,1套设置于集控中心)、远动装置(双套)、五防工作站、继电保护信息子站等组成,按全站最终规模设置。其功能主要有以下几个方面:

①通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息,不断刷新实时数据库,按时登录历史数据库;

②将站内采集的有关数据信息实时送向调度或控制中心(既定规约下),供集控中心调度时参考;

③起到站内控制中心的作用,在接收到上级调控中心的相关控制命令后转发至间隔层和过程层执行;

④在某些特殊的情况下,允许站控层具有在线可编程的全站式操作闭锁控制功能;

⑤在人机联系方面,站控层具有人性化、多功能的特点来保证站内实时监控,比如信号显示、故障报警、实时操作、结果打印、甚至可以处理图像、动态断面、声音等数字或模拟信号的功能。

(2)间隔层。间隔层的主要功能是:

①承上启下的通信功能,并列高速完成与过程层和站控层的网络通信功能;

②汇总间隔层和过程层实时数据信息;

③实施对一次设备的保护控制功能;

④对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制。基于以上功能可以知道它的主要设备应该包括:保护装置、测控装置、备自投装置等设备。在通信网络方面,间隔层设备之间以及间隔层对站控层的网络都是以树枝状和星状型、100M工业以太网为主,在通信标准上系统建模和信息传输部分均严格按照IEC61850通信标准来进行,这样可以保证在间隔层的信息传输不会出现错误。同时从安全性上考虑,间隔层防误闭锁功能采用GOOSE方式实现。

(3)过程层。过程层设备包括光电互感器、合并单元、智能终端。合并器与互感器的输出相连并完成与一些跨间隔合并器的数据传输。其功能主要是过程层完成电力运行实时的电气量检测、运行设备的状态参数检测、操作控制执行与驱动。就是常说的模拟量/开关量采集、控制命令的执行。

从以上分析可以看出,数字化变电站三个层次之间是相互配合的,是一个整体,缺一不可,他们之间的拓扑关系如图1所示。

2   数字化变电站的优势及发展

2.1   数字化变电站与传统变电站的比较

传统的常规变电站二次系统采用单元间隔的布置形式,装置之间相对独立,装置间缺乏整体的协调和功能优化,输入信息不能共享,接线比较复杂,系统扩展复杂。而数字化变电站将传统的硬接线方式改成了用通信的方式采集模拟量和开关量。将传统的保护功能拆分到多个智能设备,同通信的方式再集中到一起处理保护逻辑.对于数字化站的改造扩建更容易,长线投资更少.两者之间具体的结构区别如图2所示。除了在结构设计上有区别外,两者所用的电子式互感器也有较大的差异,主要体现在表2所示的几个方面。

图2  常规变电站与数字化变电站的结构比较

通过上述比较可以看出,数字化变电站的可靠运行水平、站内分层结构的设计和一次设备的性能等方面具有传统常规变电站无法比拟的优越性。

2.2   数字化变电站的发展

国内的数字化变电站从上世纪90年代由概念的提出到现在,已经有了近十几年的发展历程,它一共经历了早期的集控台式、第一代全集中式、第二代按功能分布式、直到今天的——针对对象分层的分布式等阶段,从这个过程可以看出变电站自动化技术也是一个不断发展的过程,在未来也将不会只是停留在某个阶段,肯定会紧跟智能电网发展的步伐,而不断地提高自动化水平。

数字化变电站发展也有一定的瓶颈,具体表现在以下几个方面:目前智能化水平还不足以满足完全无人值守的要求、应用实施IEC61850标准不深入、智能器件的工业化水平不够,导致智能化一次设备技术不成熟,不能完全满足现场的要求、目前的网络安全性和网络通信还存在一定隐患等。基于以上几个原因,可以看出我们还需对数字化变电站在技术层面进一步完善,因此,在2005年,由国家电网公司通信中心组织了一次IEC61850互操作试验,目的是使未来我国在数字化变电站的研究与应用中IEC61850标准能够得到更好的完善。由于大量运行站经验和实际数据的积累,目前我国IEC61850技术在变电站站控层和间隔层上的技术应用正逐渐成熟。同时随着智能化一次设备产品质量和技术的快速提升,可以从一些试运行站的近期反馈情况看出,在这些试验站上,智能化的一次设备由起初的不稳定、故障率高,发展到现在基本可以满足现场的应用。近几年,在电力系统中,随着工业的发展，各种通信设施也得到了很好的发展和普及，其中在电力系统中工业以太网随着微机保护开始得到大量应用，几乎成为近几年新发展的数字化变电站的主流通信方式。已经投入使用的数字化变电站的运行实践证明目前站控层和间隔层之间用以太网进行通信已基本上不存在问题。在实时性、可靠性方面，由于间隔层与过程层的通信要求比较高，随着各项技术的整体发展和实践应用，这一难点问题已经解决。因此相信数字化变电站在未来的相当长时间里还可以得到长足发展。   

在另一方面也不可否认,虽然数字化变电站在目前的电力系统中已经基本达到了满足实用化的水平,但是还有很多方面需要进一步改进。首先,涉及到数字化变电站的相关部门需加强研究开发过程中的专业协作;其次,器件工艺制造方面的缺陷亟待提高;再次,一些技术还处于理论水平,实验控制、检验标准、测试方法还处于弱势,有待进一步发展;最后,一体化的通信协议。比如微机保护和传统硬件保护之间的配合、通信的实时性等都需要研究人员的不断突破。

目前,国网公司、用户、设备制造商都在积极努力地推动着数字化变电站的发展,由此可以预见,三、四年以后成熟的数字化变电站将完全具备取代常规变电站所需的条件。

3   湖北省数字化变电站的应用实例

早在2006年5月8日,湖北省宜昌供电公司220kV猇亭变电站开始进行综合自动化改造,该站采用了基于IEC61850标准的南瑞继保RCS9700综合自动化系统,这是第一套在220kV变电站运行并满足IEC61850标准的国产变电站自动化系统,于2006年7月21日投入运行。

而今年7月5日,宜昌市110kV西陵变电站1#主变、110kV1#母线及所属设备、10kV7#母线及所属设备经过改造成功送电并投入运行。

改造后的西陵变电站充分展现智能变电站技术先进、经济合理、环境友好、资源节约、支撑智能电网等先进理念。实现“一次设备智能化,二次设备网络化”,符合IEC61850标准,即该变电站内的信息全部做到数字化,信息传递实现网络化,通信模型达到标准化,使各种设备和功能共享统一的信息平台。其主变压器、断路器、互感器等设备能够自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等功能。这使得该变电站在系统可靠性、经济性、维护简便性方面均比常规变电站有大幅度提升。

110kV西陵变电站是宜昌地区首次进行变电站智能化改造,这也标志着数字化变电站向智能化变电站的过渡已经逐步实现,是数字化变电站的重大进步。

4   结束语

随着我国对智能电网建设的逐步加强,智能变电站将是最终发展趋势。数字化变电站可看作是从传统变电站到智能变电站的中间过渡状态,以推广遵循IEC61850标准的智能电子设备和电子式互感器为基础,促进变电站的数字化改造。智能变电站则在数字化变电站的基础上,进一步增加高级应用,完善变电站的智能化应用与管理。

作者简介

王 桢 (1977-),男。宜昌三峡送变电工程有限责任公司,研究方向为电力报装、设计、预算,电能计量,变电站选型设计等。（御风）