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摘要：21世纪初，智能电网（Smart Grid）概念的提出为全世界电力工业开辟了新的发展空间。数字化变电站作为智能电网的物理基础，将贯穿智能电网建设的整个过程。本文对数字化变电站的技术进行了分析与研究，主要包括：IEC61850，非常规互感器，智能断路器等本文的创新之处在于提出新的分阶段改造方案，并与一般方案进行了比较，提出了改进方案。最后对建设数字化变电站带来的经济效益进行了探讨。
关键字：IEC61850；关键技术；改造；改进方案
Study on a new method of Staged Digital Retrofit of Substation based on IEC61850
Abstract: In the early 21st century,the proposition of Smart Grid broke new ground for the power industry around the world.Intelligent Substation,as the physical basis of Smart Grid, would go through the entire process of smart grid construction. The main content of this thesis which has been focused on analyzing and researching the technology of the digitized subsutation, mainly includes: IEC61850, non Conventional Instrument Transformer, the intelligent circuit breaker and so on. innovations of this article are to propose a new structured rehabilitation programs, and programs are compared with the general, and paoposes the improvement paogram .In the end the economic benefit of the digital substation is introduced.
Key words: IEC61850; key technology ;transform; improved plan
0 引言
目前，国内数字化变电站系统的应用和实施尚处于探索、起步阶段，从数字化变电站的技术发展现状和经济效益来分析，拆除原有的常规变电站而新建数字化变电站的成本太大，尤其是对于一些刚刚进行完微机综合自动化改造的变电站，新设备还没有产生效能就更换，势必造成资金的严重浪费。因此，对传统变电站进行数字化改造将是最佳方案。既有效地利用传统变电站现有设备、最大限度地减少投资和工程量，又能充分发挥数字化变电站的优点，使当前正在运行的传统变电站过渡到数字化变电站。本文针对现阶段实际情况，提出分阶段进行传统变电站数字化改造的实施方案[1]。
1 数字化变电站关键技术
1.1 IEC61850标准
智能变电站信息共享的基础首先在于信息的规范化与标准化，进而实现互操作。IEC61850标准作为变电站通信网络与系统的惟一国际标准和电力系统无缝通信体系（变电站内、变电站与控制中心之间）的基础，是变电站信息建模与信息交互的必然选择[2]。
IEC61850标准与以往的通信规约相比，有着本质的不同。以往规约主要用于传输电力系统实时数据和一些定值及配置信息，完全基于点表方式，缺乏对变电站系统模型和功能模型的描述，也没有将系统应用与通信技术进行分层处理，同时还缺乏一致性测试，因此变电站自动化系统的应用受到通信技术的限制，传输的信息量偏少，且互操作性差，扩展性差。
IEC 61850具有3项基本目标：①真正意义上的互操作；②功能自由分布；③良好的扩展性以适应SA和通信技术的发展。为实现上述目标，与以往的变电站通信标准相比，IEC 61850体现出如下技术特征：①功能分层的变电站；②面向对象的信息模型；③面向对象的数据自描述；④变电站配置语言。
1.2 非常规互感器
非常规互感器的应用是智能变电站技术体系中重要的一个环节。智能变电站内新一代的二次装置支持电压电流值的小功率信号输入及数字信号输入，以及基于IEC61850标准的过程总线通信技术的发展，使得电子式互感器在技术上有了应用的可能性，在实际工程中也具有越来越多的应用需求[3]。
国际上将有别于传统的电磁型电压/电流互感器的新一代互感器统称为非常规互感器(Non Conventional Instrument Transformer，简称NCIT)。非常规互感器依据其变换原理可以分为有源和无源两大系列，有源非常规互感器又称为电子式电压/电流互感器(EVT/ECT)，无源非常规互感器主要指采用法拉第效应光学测量原理的互感器，又称为光电式电压/电流互感器(OVT/OCT)，见图1-1：
图1-1 非常规互感器
Fig. 1 Non Conventional Instrument Transformer
有源式电子互感器主要指罗柯夫斯基(Rogowski)线圈互感器，简称罗氏线圈，又称为电子式电压/电流互感器(EVT/ECT)，其特点是需要向传感头提供电源，目前成熟产品均采用光纤功能方式。
无源式电子互感器主要指采用光学测量原理的电流互感器，又称为光电式电压/电流互感器(OVT/OCT)，其特点是无须向传感头提供电源。
1.3 智能开关设备
与常规变电站开关设备相比，智能变电站在应用方面进一步加大了开关设备信息化。智能化的开关设备将监测更多设备自身状态信息，全面实现对开关设备的物理状况、动作情况、运行工况等方面的信息化实现[4]；在自动化功能方面，进一步实现智能化，在控制功能、状态自检测、状态检修等方面实现智能化控制操作；设备信息及智能功能，可通过网络实现与上级系统及其它设备的运行配合，自动化程度更高，具有比常规自动化设备更多、更复杂的自动化功能；具备互动化能力，与上级监控设备、系统及相关设备、调度及用户等及时交换信息，分布协同操作。 目前，智能开关设备是智能变电站技术体系中技术相对滞后的环节。开关设备仅限于通过智能终端（也称智能操作箱，相当于控制执行、采集单元）与开关设备接口现网络化操作和接入，与智能变电站信息化、自动化、互动化有较大的差距。
智能开关设备是将信息技术、传感器与传统高压电器组合，用计算机、信息技术、新型传感器和电力电子技术建立断路器的二次系统，形成具有智能功能的高压电器。其主要特点如由微机控制、电力电子组成的执行单元，可按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合闸过程的时间；新型传感器与微机相配合，独立采集运行数据，可早期检测设备缺陷进行故障预报；采用传感器技术对高压设备的运行状态进行记录、分类和评估，为设备维护、维修提供决策。监测信息量最大化、判定方式多样化、综合监控手段和专家人工智能方法等可使对故障的判定更加准确和及时。采用网络连接技术，整体信息共享，在断路器与断路器、断路器与间隔层、变电站层之间建立标准化的通信网络，是故障诊断和状态监测的重要基础之一。
1.4 在线监测技术
以往对于变压器、断路器等变电站一次设备的工作状况多年来普遍采用对设备进行定期检修预试制度，即定期停电后进行预防性试验(离线)来掌握其信息以决定能否继续运行，存在需要停电、试验真实性和实时性差等缺点。随着技术的进步，逐渐发展了一些参数的在线监测技术，以变压器为例，如套管介损、铁芯电流、油中气体、局部放电、油中微水、热点温度、绕组变形等，部分解决了停电试验的一些缺点，近年来已在此方面取得一定经验和成效，但仍存在诸如检测的参数不全、自成系统、相互兼容性差、不能统筹考虑、有时需要改动设备而实施困难等缺点，还不能保证全面、实时的反映设备的运行状况，缺乏相应的标准，尚无法满足智能电网建设对变电站在线监测的要求。
智能变电站在线监测与故障诊断系统是通过在线监测各种变电设备的状态参数，反映设备健康状况，实现变电设备状态的在线监测，同时采用专家分析系统进行科学的诊断和分析，以及时发现设备运行中的异常征兆，发出报警，避免发生设备事故，并可为设备状态检修提供基础数据；系统投入实际运行后，可以延长预防性试验的周期，替代预防性试验。智能变电站在线监测系统采集变压器、断路器&GIS、电流互感器、电压互感器等主要高压设备状态信息，进行数据采集、实时显示、诊断分析、故障报警、参数设置等，实现对变电站电气设备状态在线监测的系统化和智能化，使其具备自身状态信息管理、诊断、评估和控制的功能，通过与智能综合组件结合或集成构成具有测量、控制、保护、计量和监控功能的统一实体实现其智能化。同时进行可视化展示并发送到上级系统，为智能电网实现基于状态检测的设备全寿命周期综合优化管理提供基础数据支撑，全面提升设备智能化水平，实现电网安全在线预警和设备智能化监控。
2 变电站分阶段数字化改造的优点
传统变电站分阶段实施数字化改造可以将各种新技术最先应用到实际的生产中，如采用电子式互感器在技术上避免了传统电磁式互感器二次电流、电压在电缆传输过程中的损耗，提高了计量的精度;一次设备与二次设备之间、二次设备与二次设备之间采用光纤取代大量电缆，完成数字化采样值和控制信号传输等。通过分阶段实施传统变电站的数字化改造一方面可大大减少前期投资费用;另一方面，根据变电站现有设备运行情况进行分阶段数字化改造可以最大限度地发挥现有设备的效能，避免一味追求技术先进而造成不必要的浪费。同时随着数字化技术的不断发展，其相关产品的技术含量也越来越高，并且其价格也必然会持续下降，分阶段实施数字化改造总投资也必然降低。由于大量设备均已在工厂进行了调试试验，从而分阶段实施变电站数字化改造可大大减少工程量，缩短工程时间，减少施工过程中所需要的一次设备停电时间，一方面方便电网运行方式的安排，一方面可以提前送电，保证居民和企业客户的正常用电，并给公司带来效益。
3 数字化改造
3.1 一般改造方法
数字化变电站分为三层结构：过程层、间隔层和变电站层。传统变电站的数字化改造工作也可以分解为相对独立的3个部分：变电站层数字化改造；间隔层数字化改造；过程层数字化改造[5-6]。
3.1.1 变电站层数字化改造
变电站层设备由传统意义上的后台监控系统和远动服务器等构成。变电站层采用以太网结构，监控、远动通信服务器等变电站层设备需支持IEC61850标准。监控系统集监控、远动通信、运行维护、五防闭锁于一体。对电度表、直流屏等不符合网络通信要求的智能设备采用一台规约转换设备进行规约转换，接入以太网。采用调度端对时方式。远动通信通过接收调度主站下发的对时命令进行主站和各单元设备对时。
目前，许多微机综合自动化变电站已完成了变电站层设备的数字化的改造，不需要进行整体改造、更换，对于老式常规变电站可以随着微机自动化的改造进行，预先对变电站层的设备进行数字化改造，以便为整站数字化改造打好基础
3.1.2 间隔层数字化改造
间隔层设备由按间隔对象配置的数字式保护测控装置、低压保护装置、计量装置以及与接入其他智能设备规约转换设备，这些设备装置都必须满足IEC61850标准。间隔层设备与站控层设备间信息交换采用100M交换以太网。由于间隔层的硬件设备处于强电磁干扰的恶劣环境下，因此相应的保护和测控设备必须能防止干扰，性能稳定，可靠工作，完全适合于将其布置在开关柜上。采集的模拟量、开关量、电能量可通过站内电气接线的拓扑结构对模拟量和关量的数据合理性进行检查及相应处理，完成对单元设备的实时测量、保护、控制，按照要求将现场总线通信转化为以太网通信方式与站控层和调度中心进行实时数据交换，同时具有现场总线上所有信号数据的汇总功能。
许多微机综合自动化变电站也已完成了该层设备的数字化的改造，对于老式常规变电站也可以随着微机自动化的改造的进行，预先对间隔层的设备进行数字化改造。
3.1.3 过程层数字化改造 过程层设备主要包括光电式电流、电压互感器、智能断路器等一次设备。这些设备都具有满足IEC61850标准的接口，过程层和间隔层之间通过交换式以太网进行电压、电流、功率因数等信息的传输与共享。
对于目前存在的变电站基本采用以下的方式完成过程层数字化的改造工作。以龙口市为例，不论老式的常规变电站还是微机综合自动化变电站，他们的设备都比较老旧，采用的是电磁式互感器和六氟化硫断路器，随着使用时间增长，在变电站一次设备达到使用寿命进行更换时，可选择采用可提供数字接口和模拟接口的电子式互感器完成过程层数字化改造。更换电子式互感器后，在无需更换原有的二次设备和电缆的前提下，通过电缆使互感器的模拟接口与变电站二次设备连接，从而保证变电站正常的运行和维护。等二次设备达到使用寿命后，再将其更换为数字化的二次设备，同时改用互感器数字接口与数字化二次设备进行通信。
3.2 数字化改造新方案
上面是目前分阶段数字化改造所采用的一般方式。下面结合自己几年的工作经验和有关微机保护设备的一些运行经验，下面提出改进方案。无论是老式的常规变电站还是微机综合自动化变电站的数字化改造，均分为两个阶段。第一阶段:与上述方案类似，在相对成熟的变电站层和间隔层，推广IEC6185O标准的实施，变电站层二次保护设备和间隔层设备均采用满足IEC61850标准的装置，他们之间采用100M以太网技术进行信息的传输和共享。第二阶段:在电磁式电流互感器和电压互感器这些一次设备上加装数据采集单元，在六氟化硫断路器、变压器上安装监控装置，数据采集单元和监控装置与相应的一次设备通过硬接线连接。数据采集单元为数字式保护和测控装置提供数据，监控装置通过以太网络接收间隔层保护装置的跳闸命令以及测控装置的跳合闸命令，并按不同的GOOSE优先级传送到监控装置，由监控装置通过硬接线输出到一次设备。待一次设备(互感器和断路器)达到工作寿命淘汰换成电子式互感器和智能断路器后，也就完成变电站的数字化改造建设。对于比较重要的保护如变压器保护等，可以采用过程层硬接线模式和网络模式并存的双重化配置方式。
3.3 方案比较
以上两种方案，最大的区别就在于过程层设备的改造方案上。与第一种方案相比较，第二种方案有以下几个优点:
(1)进行数字化改造时，对于电磁式电流互感器和电压互感器可能使用年限还没到，尤其可能刚刚更换的设备，盲目的将其换成带有数字接口和模拟接口的电子式互感器，将会造成资源的浪费，不如方案二中采用在一次设备上加装数据采集单元和监控装置。
(2)即使可以等到电磁式电流互感器和电压互感器以及断路器达到年限时再进行更换，可能需要几年时间，远不如采用方案二提前感受变电站数字化带来的电网安全、可靠、稳定的运行，以及其产生的经济效益。.
(3)方案二中的数据采集单元和监控装置都是外加在一次设备上的，方便安装、拆卸。对于一个供电公司，所辖的变电站改造不可能同时进行，采用方案二不仅可以提前感受“科学技术就是第一生产力”带来的效益，还能改造完一个变电站后将相应数据采集单元和监控装置进行拆除拿到下一个变电站进行使用，从而达到资源的最大化利用。
(4)根据查阅有关资料可知，对于过程层设备国外己经有取消一次设备和二次设备之间以及二次设备相互之间硬连接线的成功实例，但国内还没有。第一个方案是取消硬连接线采取网络模式。方案二则出于系统安全性考虑，在现阶段数字化变电站系统中，尤其110kv及以上的变电站的重要保护采取过程层硬接线模式和网络模式并存的双重化配置方式。
4 建设数字化变电站的经济效益分析
建设数字化变电站的经济效益主要体现在五个方面:
(1)投资成本上的效益:采用电子式互感器，设备小，减少变电站占地面积从而减少建设投资;减少大量不同规格电缆的敷设;设备可实现信息集成化应用和共享，减少设备的重复投资等。
(2)减少工期，提前送电。由于系统集成度高，大量的调试工作在工厂完成，大大缩短现场调试时间。
(3)变电站二次系统具有自我诊断和监视能力，可为运行和维护提供综合、有效的信息，更容易实现远方维修和远方运行控制，实现变电站无人值班，减少系统的运行维护成本。
(4)设备可以即插即用，便于电网系统的升级改造。(5)全数字计量系统，没有距离传输影响，不需要进行线损补偿。
5 结论
综上所述，为了适应现代社会发展的需求，满足电力供应的安全、可靠、连续，数字化变电站是未来发展的趋势。对于新建变电站，如果条件允许的情况下建设数字化变电站是最佳的方案；在现有条件设备的情况下，对于常规变电站采用分阶段改造是最佳的方案。
参考文献
[1] 汤汉松，孙志杰，徐大司. 数字化变电站的现状与未来[J]. 江苏电机工程，2007，26（增刊）：5-7.
[2] 孟和. 基于IEC61850电子式互感器数字接口软件设计与实现[D]. 成都：西南交通大学，2010.
[3] 孟和. 基于IEC61850电子式互感器数字接口软件设计与实现[D]. 成都：西南交通大学，2010.
[4] 刘清瑞，刘日堂，尚学军. 110kV数字化变电站的关键技术[J]. 继电器. 2007，35（增刊）：240-245.
[5] 黄少雄，李斌. 传统变电站分阶段数字化改造方案研究[J]. 东北电力技术. 2009（7）：33-36.
[6] 孙平，田峰，刘冀. 常规变电站数字化改造的模式探讨[J]. 农村电气化，2008（增刊）：82-86.
作者简介：
郭现广，男，河北省邯郸市人，助理工程师，研究领域为电气工程；
张栋梁，男，江苏徐州人，副教授，博士学位，研究领域为电气工程；
李宁，男，江苏徐州人，在读硕士研究生，研究领域为电气工程；
曹国梁，男，江苏徐州人，助理工程师，研究领域为继电保护。
关键字：IEC61850；关键技术；改造；改进方案
Study on a new method of Staged Digital Retrofit of Substation based on IEC61850
Abstract: In the early 21st century,the proposition of Smart Grid broke new ground for the power industry around the world.Intelligent Substation,as the physical basis of Smart Grid, would go through the entire process of smart grid construction. The main content of this thesis which has been focused on analyzing and researching the technology of the digitized subsutation, mainly includes: IEC61850, non Conventional Instrument Transformer, the intelligent circuit breaker and so on. innovations of this article are to propose a new structured rehabilitation programs, and programs are compared with the general, and paoposes the improvement paogram .In the end the economic benefit of the digital substation is introduced.
Key words: IEC61850; key technology ;transform; improved plan
0 引言
目前，国内数字化变电站系统的应用和实施尚处于探索、起步阶段，从数字化变电站的技术发展现状和经济效益来分析，拆除原有的常规变电站而新建数字化变电站的成本太大，尤其是对于一些刚刚进行完微机综合自动化改造的变电站，新设备还没有产生效能就更换，势必造成资金的严重浪费。因此，对传统变电站进行数字化改造将是最佳方案。既有效地利用传统变电站现有设备、最大限度地减少投资和工程量，又能充分发挥数字化变电站的优点，使当前正在运行的传统变电站过渡到数字化变电站。本文针对现阶段实际情况，提出分阶段进行传统变电站数字化改造的实施方案[1]。
1 数字化变电站关键技术
1.1 IEC61850标准
智能变电站信息共享的基础首先在于信息的规范化与标准化，进而实现互操作。IEC61850标准作为变电站通信网络与系统的惟一国际标准和电力系统无缝通信体系（变电站内、变电站与控制中心之间）的基础，是变电站信息建模与信息交互的必然选择[2]。
IEC61850标准与以往的通信规约相比，有着本质的不同。以往规约主要用于传输电力系统实时数据和一些定值及配置信息，完全基于点表方式，缺乏对变电站系统模型和功能模型的描述，也没有将系统应用与通信技术进行分层处理，同时还缺乏一致性测试，因此变电站自动化系统的应用受到通信技术的限制，传输的信息量偏少，且互操作性差，扩展性差。
IEC 61850具有3项基本目标：①真正意义上的互操作；②功能自由分布；③良好的扩展性以适应SA和通信技术的发展。为实现上述目标，与以往的变电站通信标准相比，IEC 61850体现出如下技术特征：①功能分层的变电站；②面向对象的信息模型；③面向对象的数据自描述；④变电站配置语言。
1.2 非常规互感器
非常规互感器的应用是智能变电站技术体系中重要的一个环节。智能变电站内新一代的二次装置支持电压电流值的小功率信号输入及数字信号输入，以及基于IEC61850标准的过程总线通信技术的发展，使得电子式互感器在技术上有了应用的可能性，在实际工程中也具有越来越多的应用需求[3]。
国际上将有别于传统的电磁型电压/电流互感器的新一代互感器统称为非常规互感器(Non Conventional Instrument Transformer，简称NCIT)。非常规互感器依据其变换原理可以分为有源和无源两大系列，有源非常规互感器又称为电子式电压/电流互感器(EVT/ECT)，无源非常规互感器主要指采用法拉第效应光学测量原理的互感器，又称为光电式电压/电流互感器(OVT/OCT)，见图1-1：
图1-1 非常规互感器
Fig. 1 Non Conventional Instrument Transformer
有源式电子互感器主要指罗柯夫斯基(Rogowski)线圈互感器，简称罗氏线圈，又称为电子式电压/电流互感器(EVT/ECT)，其特点是需要向传感头提供电源，目前成熟产品均采用光纤功能方式。
无源式电子互感器主要指采用光学测量原理的电流互感器，又称为光电式电压/电流互感器(OVT/OCT)，其特点是无须向传感头提供电源。
1.3 智能开关设备
与常规变电站开关设备相比，智能变电站在应用方面进一步加大了开关设备信息化。智能化的开关设备将监测更多设备自身状态信息，全面实现对开关设备的物理状况、动作情况、运行工况等方面的信息化实现[4]；在自动化功能方面，进一步实现智能化，在控制功能、状态自检测、状态检修等方面实现智能化控制操作；设备信息及智能功能，可通过网络实现与上级系统及其它设备的运行配合，自动化程度更高，具有比常规自动化设备更多、更复杂的自动化功能；具备互动化能力，与上级监控设备、系统及相关设备、调度及用户等及时交换信息，分布协同操作。 目前，智能开关设备是智能变电站技术体系中技术相对滞后的环节。开关设备仅限于通过智能终端（也称智能操作箱，相当于控制执行、采集单元）与开关设备接口现网络化操作和接入，与智能变电站信息化、自动化、互动化有较大的差距。
智能开关设备是将信息技术、传感器与传统高压电器组合，用计算机、信息技术、新型传感器和电力电子技术建立断路器的二次系统，形成具有智能功能的高压电器。其主要特点如由微机控制、电力电子组成的执行单元，可按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合闸过程的时间；新型传感器与微机相配合，独立采集运行数据，可早期检测设备缺陷进行故障预报；采用传感器技术对高压设备的运行状态进行记录、分类和评估，为设备维护、维修提供决策。监测信息量最大化、判定方式多样化、综合监控手段和专家人工智能方法等可使对故障的判定更加准确和及时。采用网络连接技术，整体信息共享，在断路器与断路器、断路器与间隔层、变电站层之间建立标准化的通信网络，是故障诊断和状态监测的重要基础之一。
1.4 在线监测技术
以往对于变压器、断路器等变电站一次设备的工作状况多年来普遍采用对设备进行定期检修预试制度，即定期停电后进行预防性试验(离线)来掌握其信息以决定能否继续运行，存在需要停电、试验真实性和实时性差等缺点。随着技术的进步，逐渐发展了一些参数的在线监测技术，以变压器为例，如套管介损、铁芯电流、油中气体、局部放电、油中微水、热点温度、绕组变形等，部分解决了停电试验的一些缺点，近年来已在此方面取得一定经验和成效，但仍存在诸如检测的参数不全、自成系统、相互兼容性差、不能统筹考虑、有时需要改动设备而实施困难等缺点，还不能保证全面、实时的反映设备的运行状况，缺乏相应的标准，尚无法满足智能电网建设对变电站在线监测的要求。
智能变电站在线监测与故障诊断系统是通过在线监测各种变电设备的状态参数，反映设备健康状况，实现变电设备状态的在线监测，同时采用专家分析系统进行科学的诊断和分析，以及时发现设备运行中的异常征兆，发出报警，避免发生设备事故，并可为设备状态检修提供基础数据；系统投入实际运行后，可以延长预防性试验的周期，替代预防性试验。智能变电站在线监测系统采集变压器、断路器&GIS、电流互感器、电压互感器等主要高压设备状态信息，进行数据采集、实时显示、诊断分析、故障报警、参数设置等，实现对变电站电气设备状态在线监测的系统化和智能化，使其具备自身状态信息管理、诊断、评估和控制的功能，通过与智能综合组件结合或集成构成具有测量、控制、保护、计量和监控功能的统一实体实现其智能化。同时进行可视化展示并发送到上级系统，为智能电网实现基于状态检测的设备全寿命周期综合优化管理提供基础数据支撑，全面提升设备智能化水平，实现电网安全在线预警和设备智能化监控。
2 变电站分阶段数字化改造的优点
传统变电站分阶段实施数字化改造可以将各种新技术最先应用到实际的生产中，如采用电子式互感器在技术上避免了传统电磁式互感器二次电流、电压在电缆传输过程中的损耗，提高了计量的精度;一次设备与二次设备之间、二次设备与二次设备之间采用光纤取代大量电缆，完成数字化采样值和控制信号传输等。通过分阶段实施传统变电站的数字化改造一方面可大大减少前期投资费用;另一方面，根据变电站现有设备运行情况进行分阶段数字化改造可以最大限度地发挥现有设备的效能，避免一味追求技术先进而造成不必要的浪费。同时随着数字化技术的不断发展，其相关产品的技术含量也越来越高，并且其价格也必然会持续下降，分阶段实施数字化改造总投资也必然降低。由于大量设备均已在工厂进行了调试试验，从而分阶段实施变电站数字化改造可大大减少工程量，缩短工程时间，减少施工过程中所需要的一次设备停电时间，一方面方便电网运行方式的安排，一方面可以提前送电，保证居民和企业客户的正常用电，并给公司带来效益。
3 数字化改造
3.1 一般改造方法
数字化变电站分为三层结构：过程层、间隔层和变电站层。传统变电站的数字化改造工作也可以分解为相对独立的3个部分：变电站层数字化改造；间隔层数字化改造；过程层数字化改造[5-6]。
3.1.1 变电站层数字化改造
变电站层设备由传统意义上的后台监控系统和远动服务器等构成。变电站层采用以太网结构，监控、远动通信服务器等变电站层设备需支持IEC61850标准。监控系统集监控、远动通信、运行维护、五防闭锁于一体。对电度表、直流屏等不符合网络通信要求的智能设备采用一台规约转换设备进行规约转换，接入以太网。采用调度端对时方式。远动通信通过接收调度主站下发的对时命令进行主站和各单元设备对时。
目前，许多微机综合自动化变电站已完成了变电站层设备的数字化的改造，不需要进行整体改造、更换，对于老式常规变电站可以随着微机自动化的改造进行，预先对变电站层的设备进行数字化改造，以便为整站数字化改造打好基础
3.1.2 间隔层数字化改造
间隔层设备由按间隔对象配置的数字式保护测控装置、低压保护装置、计量装置以及与接入其他智能设备规约转换设备，这些设备装置都必须满足IEC61850标准。间隔层设备与站控层设备间信息交换采用100M交换以太网。由于间隔层的硬件设备处于强电磁干扰的恶劣环境下，因此相应的保护和测控设备必须能防止干扰，性能稳定，可靠工作，完全适合于将其布置在开关柜上。采集的模拟量、开关量、电能量可通过站内电气接线的拓扑结构对模拟量和关量的数据合理性进行检查及相应处理，完成对单元设备的实时测量、保护、控制，按照要求将现场总线通信转化为以太网通信方式与站控层和调度中心进行实时数据交换，同时具有现场总线上所有信号数据的汇总功能。
许多微机综合自动化变电站也已完成了该层设备的数字化的改造，对于老式常规变电站也可以随着微机自动化的改造的进行，预先对间隔层的设备进行数字化改造。
3.1.3 过程层数字化改造 过程层设备主要包括光电式电流、电压互感器、智能断路器等一次设备。这些设备都具有满足IEC61850标准的接口，过程层和间隔层之间通过交换式以太网进行电压、电流、功率因数等信息的传输与共享。
对于目前存在的变电站基本采用以下的方式完成过程层数字化的改造工作。以龙口市为例，不论老式的常规变电站还是微机综合自动化变电站，他们的设备都比较老旧，采用的是电磁式互感器和六氟化硫断路器，随着使用时间增长，在变电站一次设备达到使用寿命进行更换时，可选择采用可提供数字接口和模拟接口的电子式互感器完成过程层数字化改造。更换电子式互感器后，在无需更换原有的二次设备和电缆的前提下，通过电缆使互感器的模拟接口与变电站二次设备连接，从而保证变电站正常的运行和维护。等二次设备达到使用寿命后，再将其更换为数字化的二次设备，同时改用互感器数字接口与数字化二次设备进行通信。
3.2 数字化改造新方案
上面是目前分阶段数字化改造所采用的一般方式。下面结合自己几年的工作经验和有关微机保护设备的一些运行经验，下面提出改进方案。无论是老式的常规变电站还是微机综合自动化变电站的数字化改造，均分为两个阶段。第一阶段:与上述方案类似，在相对成熟的变电站层和间隔层，推广IEC6185O标准的实施，变电站层二次保护设备和间隔层设备均采用满足IEC61850标准的装置，他们之间采用100M以太网技术进行信息的传输和共享。第二阶段:在电磁式电流互感器和电压互感器这些一次设备上加装数据采集单元，在六氟化硫断路器、变压器上安装监控装置，数据采集单元和监控装置与相应的一次设备通过硬接线连接。数据采集单元为数字式保护和测控装置提供数据，监控装置通过以太网络接收间隔层保护装置的跳闸命令以及测控装置的跳合闸命令，并按不同的GOOSE优先级传送到监控装置，由监控装置通过硬接线输出到一次设备。待一次设备(互感器和断路器)达到工作寿命淘汰换成电子式互感器和智能断路器后，也就完成变电站的数字化改造建设。对于比较重要的保护如变压器保护等，可以采用过程层硬接线模式和网络模式并存的双重化配置方式。
3.3 方案比较
以上两种方案，最大的区别就在于过程层设备的改造方案上。与第一种方案相比较，第二种方案有以下几个优点:
(1)进行数字化改造时，对于电磁式电流互感器和电压互感器可能使用年限还没到，尤其可能刚刚更换的设备，盲目的将其换成带有数字接口和模拟接口的电子式互感器，将会造成资源的浪费，不如方案二中采用在一次设备上加装数据采集单元和监控装置。
(2)即使可以等到电磁式电流互感器和电压互感器以及断路器达到年限时再进行更换，可能需要几年时间，远不如采用方案二提前感受变电站数字化带来的电网安全、可靠、稳定的运行，以及其产生的经济效益。.
(3)方案二中的数据采集单元和监控装置都是外加在一次设备上的，方便安装、拆卸。对于一个供电公司，所辖的变电站改造不可能同时进行，采用方案二不仅可以提前感受“科学技术就是第一生产力”带来的效益，还能改造完一个变电站后将相应数据采集单元和监控装置进行拆除拿到下一个变电站进行使用，从而达到资源的最大化利用。
(4)根据查阅有关资料可知，对于过程层设备国外己经有取消一次设备和二次设备之间以及二次设备相互之间硬连接线的成功实例，但国内还没有。第一个方案是取消硬连接线采取网络模式。方案二则出于系统安全性考虑，在现阶段数字化变电站系统中，尤其110kv及以上的变电站的重要保护采取过程层硬接线模式和网络模式并存的双重化配置方式。
4 建设数字化变电站的经济效益分析
建设数字化变电站的经济效益主要体现在五个方面:
(1)投资成本上的效益:采用电子式互感器，设备小，减少变电站占地面积从而减少建设投资;减少大量不同规格电缆的敷设;设备可实现信息集成化应用和共享，减少设备的重复投资等。
(2)减少工期，提前送电。由于系统集成度高，大量的调试工作在工厂完成，大大缩短现场调试时间。
(3)变电站二次系统具有自我诊断和监视能力，可为运行和维护提供综合、有效的信息，更容易实现远方维修和远方运行控制，实现变电站无人值班，减少系统的运行维护成本。
(4)设备可以即插即用，便于电网系统的升级改造。(5)全数字计量系统，没有距离传输影响，不需要进行线损补偿。
5 结论
综上所述，为了适应现代社会发展的需求，满足电力供应的安全、可靠、连续，数字化变电站是未来发展的趋势。对于新建变电站，如果条件允许的情况下建设数字化变电站是最佳的方案；在现有条件设备的情况下，对于常规变电站采用分阶段改造是最佳的方案。
参考文献
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[2] 孟和. 基于IEC61850电子式互感器数字接口软件设计与实现[D]. 成都：西南交通大学，2010.
[3] 孟和. 基于IEC61850电子式互感器数字接口软件设计与实现[D]. 成都：西南交通大学，2010.
[4] 刘清瑞，刘日堂，尚学军. 110kV数字化变电站的关键技术[J]. 继电器. 2007，35（增刊）：240-245.
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[6] 孙平，田峰，刘冀. 常规变电站数字化改造的模式探讨[J]. 农村电气化，2008（增刊）：82-86.
作者简介：
郭现广，男，河北省邯郸市人，助理工程师，研究领域为电气工程；
张栋梁，男，江苏徐州人，副教授，博士学位，研究领域为电气工程；
李宁，男，江苏徐州人，在读硕士研究生，研究领域为电气工程；
曹国梁，男，江苏徐州人，助理工程师，研究领域为继电保护。