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[摘要] 简述了数字化变电站自动化系统的特点及其结构，介绍了数字化变电站自动化系统中的网络选型。最后总结了其优点，并阐述了数字化变电站未来的发展。
[关键词] 数字化电子式电流/电压互感器 变电站智能高压装置IEC61 850
0 引言
变电站是电力系统的重要组成部分。变电站综合自动化技术经过10多年的发展已经达到相当水平。早期的RTU装置、高频继电保护装置等设备在变电站内开始应用，变电站就已经注入了数字化特征。然而技术的发展是没有止境的，随着智能化开关、电子式电流电压互感器、一次运行设备在线检测、变电站支行操作培训仿真等日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的应用，势必对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响，随着国际电工委员会颁布新变电站自动化通信标准IEC61850实施，数字化变电站已成为行业内一个热点内容。目前，世界范围内各电力公司都在纷纷建立试点。基于智能高压装置，电子式电流电压互感器以及IEC61850通信标准的全数字化变电站的出现，将成为不争的现实。
1 数字化变电站自动化系统的特点
1.1智能化的一次设备
一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
1.2网络化的二次设备
变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/0现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
1.3自动化的运行管理系统
变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改为“状态检修”。
2 数字化变电站自动化系统的结构
在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式互感器机电一体化设备的出现，变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元，如A/D变换、光隔离器件、控制操作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的I/0部分，而在中低压变电站则将保护装置、监控装置，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。
数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可分为三个层次，根据IEC61850。通信协议定义，这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”。
2.1过程层
过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要功能分三类：
(1)电力运行的实时电气量检测
与传统的功能一样，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测，其他电气量如有功、无功、电能量可通过间隔层的设备运算得出。与常规方式相比所不同的是传统的电磁式电流互感器、电压互感器被光电电流互感器、光电电压互感器取代；采集传统模拟量被直接采集数字量所取代。这样做的优点是抗干扰性能强，绝缘和抗饱和特性好，开关装置实现了小型化、紧凑化。
(2)运行设备的状态参数在线检测与统计
变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。
(3)操作控制的执行与驱动
操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制；电容、电抗器投切控制；断路器、刀闸合分控制；直流电源充放电控制。过程层的控制执行与驱动大部分是被动的，即按上层控制指令而动作，比如接到间隔层保护装置的跳闸指令、电压无功控制的投切命令、对断路器的遥控开合命令等。在执行控制命令时具有智能性，能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器定相合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。又例如对真空开关的同步操作要求能做到开关触头在零电压时关合，在零电流时分断等。
2.2间隔层
间隔层设备的主要功能是：
(1)汇总本间隔过程层实时数据信息；
(2)实施对一次设备保护控制功能；
(3)实施本间隔操作闭锁功能；
(4)实施操作同期及其他控制功能；
(5)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；
(6)承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。
必要时，上下网络接口具备双口全双工方式，以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。
2.3站控层
站控层的主要任务是：
(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)按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心；
(3)接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；
(4)具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；
(5)具有(或备有)站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至图像、声音等多媒体功能；
(6)具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能；
(7)具有(或备有)变电站故障自动分析和操作培训功能。
3 数字化变电站自动化系统中的网络选型
网络系统是数字化变电站自动化系统的命脉，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的可用性。常规变电站自动化系统中单套保护装置的信息采集与保护算法的运行，一般是在同一个CPU控制下进行的。使得同步采样、A/D转换、运算、输出控制命令整个流程快速、简捷，而全数字化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的。如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出是一个复杂问题，其最基本的条件是网络的适应性，关键技术是网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定。
如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任数字化变电站自动化的技术要求。目前以太网(ethernet)异军突起，已经进入工业自动化过程控制领域，固化OSI七层协议，速率达到100MHz的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现，数字化变电站自动化系统的两级网络全部采用100MHz以太网技术是可行的。
4 数字化变电站自动系统的优点
数字化变电站通信网络的改变使监控、在线检测、五防、VQC和保护等信息传输方面也由原来的点对点的对接实现了信息共享；传统开关端子箱由智能单元的形式出现，把智能开关下放到开关柜，这样既降低了造价又提高了安全性；电子式电流／电压互感器使用具有传统电磁式互感器无法比拟的诸多优点(动态范围大、频带宽、无磁饱和现象、体积少、重量轻等等)，同时输出可采用数字化、甚至网络化。数字化变电站归纳主要有六大优点：一是各种功能共用统一的信息平台，避免设备重复投入；二是测量精度高，无饱和，无CTZ二次开路；三是二次接线简单；四是光纤取代电缆，电磁兼容性能优越；五是信号传输通道都可自检，可靠性高；六是管理自动化。
5 数字化变电站的远大前景
随着光纤通信技术的发展，并基于IEC61850建设过程层通讯网络，实现数据在过程总线上统一传送及不同功能信息共享，已经成为可能。同时可将过程总线和站总线合二为一在站内形成强大的数字高速公路，将各个智能电子设备(IED)连接起来，实现所有一次、二次设备信息在光纤信息网上的交换，并对目前监视、控制、保护和计量等功能进行优化组合和系统集成，从而形成高度集成的全数字化变电站自动化系统，这即是数字化变电站给自动化系统带来发展的必然趋势。
[关键词] 数字化电子式电流/电压互感器 变电站智能高压装置IEC61 850
0 引言
变电站是电力系统的重要组成部分。变电站综合自动化技术经过10多年的发展已经达到相当水平。早期的RTU装置、高频继电保护装置等设备在变电站内开始应用，变电站就已经注入了数字化特征。然而技术的发展是没有止境的，随着智能化开关、电子式电流电压互感器、一次运行设备在线检测、变电站支行操作培训仿真等日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的应用，势必对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响，随着国际电工委员会颁布新变电站自动化通信标准IEC61850实施，数字化变电站已成为行业内一个热点内容。目前，世界范围内各电力公司都在纷纷建立试点。基于智能高压装置，电子式电流电压互感器以及IEC61850通信标准的全数字化变电站的出现，将成为不争的现实。
1 数字化变电站自动化系统的特点
1.1智能化的一次设备
一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
1.2网络化的二次设备
变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/0现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
1.3自动化的运行管理系统
变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改为“状态检修”。
2 数字化变电站自动化系统的结构
在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式互感器机电一体化设备的出现，变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元，如A/D变换、光隔离器件、控制操作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的I/0部分，而在中低压变电站则将保护装置、监控装置，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。
数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可分为三个层次，根据IEC61850。通信协议定义，这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”。
2.1过程层
过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要功能分三类：
(1)电力运行的实时电气量检测
与传统的功能一样，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测，其他电气量如有功、无功、电能量可通过间隔层的设备运算得出。与常规方式相比所不同的是传统的电磁式电流互感器、电压互感器被光电电流互感器、光电电压互感器取代；采集传统模拟量被直接采集数字量所取代。这样做的优点是抗干扰性能强，绝缘和抗饱和特性好，开关装置实现了小型化、紧凑化。
(2)运行设备的状态参数在线检测与统计
变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。
(3)操作控制的执行与驱动
操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制；电容、电抗器投切控制；断路器、刀闸合分控制；直流电源充放电控制。过程层的控制执行与驱动大部分是被动的，即按上层控制指令而动作，比如接到间隔层保护装置的跳闸指令、电压无功控制的投切命令、对断路器的遥控开合命令等。在执行控制命令时具有智能性，能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器定相合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。又例如对真空开关的同步操作要求能做到开关触头在零电压时关合，在零电流时分断等。
2.2间隔层
间隔层设备的主要功能是：
(1)汇总本间隔过程层实时数据信息；
(2)实施对一次设备保护控制功能；
(3)实施本间隔操作闭锁功能；
(4)实施操作同期及其他控制功能；
(5)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；
(6)承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。
必要时，上下网络接口具备双口全双工方式，以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。
2.3站控层
站控层的主要任务是：
(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)按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心；
(3)接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；
(4)具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；
(5)具有(或备有)站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至图像、声音等多媒体功能；
(6)具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能；
(7)具有(或备有)变电站故障自动分析和操作培训功能。
3 数字化变电站自动化系统中的网络选型
网络系统是数字化变电站自动化系统的命脉，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的可用性。常规变电站自动化系统中单套保护装置的信息采集与保护算法的运行，一般是在同一个CPU控制下进行的。使得同步采样、A/D转换、运算、输出控制命令整个流程快速、简捷，而全数字化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的。如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出是一个复杂问题，其最基本的条件是网络的适应性，关键技术是网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定。
如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任数字化变电站自动化的技术要求。目前以太网(ethernet)异军突起，已经进入工业自动化过程控制领域，固化OSI七层协议，速率达到100MHz的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现，数字化变电站自动化系统的两级网络全部采用100MHz以太网技术是可行的。
4 数字化变电站自动系统的优点
数字化变电站通信网络的改变使监控、在线检测、五防、VQC和保护等信息传输方面也由原来的点对点的对接实现了信息共享；传统开关端子箱由智能单元的形式出现，把智能开关下放到开关柜，这样既降低了造价又提高了安全性；电子式电流／电压互感器使用具有传统电磁式互感器无法比拟的诸多优点(动态范围大、频带宽、无磁饱和现象、体积少、重量轻等等)，同时输出可采用数字化、甚至网络化。数字化变电站归纳主要有六大优点：一是各种功能共用统一的信息平台，避免设备重复投入；二是测量精度高，无饱和，无CTZ二次开路；三是二次接线简单；四是光纤取代电缆，电磁兼容性能优越；五是信号传输通道都可自检，可靠性高；六是管理自动化。
5 数字化变电站的远大前景
随着光纤通信技术的发展，并基于IEC61850建设过程层通讯网络，实现数据在过程总线上统一传送及不同功能信息共享，已经成为可能。同时可将过程总线和站总线合二为一在站内形成强大的数字高速公路，将各个智能电子设备(IED)连接起来，实现所有一次、二次设备信息在光纤信息网上的交换，并对目前监视、控制、保护和计量等功能进行优化组合和系统集成，从而形成高度集成的全数字化变电站自动化系统，这即是数字化变电站给自动化系统带来发展的必然趋势。