數字化變電站

(一)智能化的一次設備

一次設備被檢測的信號和被控制的操作驅動迴路經過重新設計，採樣微處理器和光電技術設計。使原來要通過二次採樣電纜輸入的電壓電流信號，通過電子式互感器取代傳統互感器的方式，原來開關位置、閉鎖信號和保護、測控的跳合閘命令等原來用二次電纜傳輸的信號量，都通過集成智能化一次設備實現。簡化了常規機電式繼電器及控制迴路的結構，數字程式控制器及數字公共信號網路取代傳統的導線連接。換言之，變電站二次迴路中常規的繼電器及其邏輯迴路被可編程器件代替，常規的強電模擬信號和控制電纜被光電式數字量和光纖網路代替。

(二)網路化的二次設備

變電站內常規的二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發展中的在線狀態檢測裝置等全部基於標準化、模塊化的微處理機設計製造，設備之間的連接全部採用高速的網路通信，二次設備不再出現常規功能裝置重複的I/O現場介面，通過網路真正實現數據共享、資源其享，常規的功能裝置在這裡變成了邏輯的功能模塊。

(三)自動化的運行管理系統

變電站運行管理自動化系統應包括電力生產運行數據、狀態記錄統計無紙化；數據信息分層、分流交換自動化；變電站運行發生故障時能及時提供故障分析報告，指出故障原因，提出故障處理意見；系統能自動發出變電站設備檢修報告，即常規的變電站設備“定期檢修”改變為“狀態檢修”。

1.山東青島220kV午山變電站

2. 山東濰坊220kV怡明變電站

3. 山東德州110kV雙富變電站

4. 山東淄博110kV李家變電站

1、性能高

（1）通信網路統一採用IEC61850規範，無需進行轉化，能使通信速度有所加快，系統的複雜性以及維護難度都有所降低，由此通信系統的性能提高；

（2）數字信號採用光纜進行傳輸，傳輸過程中沒有信號的衰減和失真。

（3）電子互感器無磁飽和，精度高。

2、安全性高

（1）電子互感器的應用在很大程度上減少了運行維護的工作量，同時提高了安全性；

（2）電子互感器使得電流互感器二次開路、電壓互感器二次短路可能危及人身安全等問題已經全部消失，很大程度上提高了安全性。

3、可靠性高

合併器如果收不到數據，就會判斷通訊故障（互感器故障）而發出警告，因此設備自檢功能強，提高了運行的可靠性以及減輕了運行人員的工作量。

4、經濟性高

（1）實現了信息共享，兼容性高，變電站成本減少；

（2）解決了電子互感器滲漏問題，由此減少了檢修成本；

（3）技術含量高，具有環保、節能、節約社會資源的多重功效。

數字化變電站自動化系統的結構在物理上可分為智能化的一次設備和網路化的二次設備；在邏輯結構上可分為過程層、間隔層以及變電站層。

1、過程層

（1）運行設備在線監測參數包括：壓力、溫度、密度、絕緣、機械特性等數據。

（2）電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測就是電力運行的實時電氣量檢測，其他電氣量可通過間隔層的設備運算得出。

（3）電容、電抗器投切控制、變壓器分接頭調節控制、直流電源充放電控制以及刀閘合分控制是操作控制的執行和驅動的主要內容。在執行控制命令時能對即將進行的動作精度進行控制、能判別命令的真偽及其合理性，能使斷路器定相合閘、選相分閘，要求操作時間限制在規定的參數內以實現斷路器的關合和開斷等。

2、間隔層

實施對一次設備保護控制功能；匯總本間隔過程層實時數據信息；實施本間隔操作閉鎖功能；優先控制對數據採集、統計運算以及控制命令的發出；實施操作同期及其他控制功能；同時高速完成與站控層和過程層的網路通信功能。

3、變電站層

（1）根據既定規約，將相關數據送往調度中心。

（2）利用兩級高速網路對全站的實時數據信息進行匯總，對實時數據不斷進行刷新，歷史資料庫要按時登錄。

（3）接收調度中心的相關控制命令，轉到間隔層、過程層進行執行。

（4）具有站內當地監控、人際聯繫功能，在線可編程的全站操作閉鎖控制功能，變電站故障自動分析和操作培訓功能，對間隔層、過程層諸設備的在線維護、在線組態、在線修改參數的功能。

數字化變電站對電氣設備行業影響巨大，將導致二次設備行業、互感器行業甚至開關行業的洗牌，並且以IEC61850為紐帶將促進一次設備和二次設備企業的相互合作與滲透。未來數字化變電站將實現一次設備的智能化和二次設備的信息化，通過在變電站的站控層、間隔層以及過程層採用全面的標準IEC61850通信協議，避免設備的重複投入。在站控層方面，除了繼承傳統的監控系統外，應配置遠動工作站，目的是向調度實現遠程數據傳輸；在間隔層方面，由於多種IED的應用使的數字變電站產生多種不同的框架結構；在過程層方面，一些高級設備的研發和應用，例如智能化開關設備等。據行業內的分析報告顯示，每年都有上千座35 kV及以上等級的新建變電站投入運行，新建變電站基本上都採用自動化系統模式，因此預計未來幾年電力系統變電站自動化市場規模每年將保持在50～80億元。

隨著國家電網公司堅持智能電網計劃的實施，變電站將向智能變電站發展，一次設備要升級為智能電力設備，二次設備則成為智能控制單元，這是一個革命性的變化。

數字化變電站與傳統變電站自動化系統相比，不管是在各自的構成原件上還是在系統結構上都有很多差異。從元件方面來說的話，數字化變電站可以分為第一和第二設備這兩個層面，再加上一些新的技術的應用，使得這兩次設備之間的聯繫更緊密；從結構方面來說，數字化變電站的每層可以分為：過程層、間隔層和站控層，在每層之間都是採用乙太網進行數據通信的。網路進行了直接的參與並且直接影響到了系統整個的可靠性。本文主要是根據一些它們的特點來對提高數字化變電站可靠性的基本途徑進行了介紹和講解。這種介紹把數字化變電站的系統劃分成為了通信、控制和保護層等子系統。再運用一些可用性的框圖，分別對每個子系統可靠性參數進行初步的計算，然後再計算出整個變電站的參數。

1.變電站的可靠性

隨著現今國家電網的發展，人們對於電網的安全性和質量的要求越來越高，而變電站是電網中的重要環節，所要求的向調度控制中心發出的信息量是越來越多，不僅僅包括了常規的運行和一些事故的信息，還包括著一些重要的設備。所以，數字化的變電站系統已經成為為現今的發展趨勢。

其中有一種對可靠性的定義是：“系統或者是設備在一定的時間裡或是在固定的情況下，執行對其事先語言的功能的能力。”可想而知，參數是來衡量數字化變電站系統的可靠性的。

關於可靠度R。所謂可靠度，就是指設備及其系統在一定的時間內完成的規定功能的一種概率。假如在實際運用中設備或者系統的故障分佈是一種指數分佈的話，那麼它的表達式是完全不同的。

2.關於數字化變電站可靠性的提高方法

從數字化變電站的一些特點可以看出，要提高可靠性的方法有：（1）用一些光纜代替銅纜，也就是說用乙太網的匯流排代替了二次連接的導線，進行大量的減少系統中元件的數量：（2）及時的利用網路冗餘和功能來提高系統的可靠性；（3）利用系統和元件自身的自檢和監視來提高系統的可靠性。本文章主要是通過討論採用的裝置或者是系統的冗餘來提高數字化變電站系統的可靠性和安全性。

3.關於數字化變電站系統的計算

3.1 變電站的系統

變電站系統發生交換機故障和鏈路的時候，雙網之間是可以進行無縫的切換的。站控層主要包含著兩個分別的系統，那就是就地監控和遠程的監控，兩個中任一個系統正常工作的話就可以完成對變電站的監控。間隔層中各自安裝間隔控制單元。間隔內保護系統採用的是雙重化配裝置，它們兩層的保護是完全獨立的。一些採用并行冗餘網路的數字化變電站的系統如圖1所示，站控系統的框圖如圖2所示。

3.2 關於通信系統的安全性

環網拓撲在環路上的任何一鏈路的故障都提供了一定程度的冗餘積累。它正常通信所需的條件就是所有交換機運行的正常，而且最多僅僅只能有一條鏈路發生故障，要是鏈路發生的故障太多時，通信系統是無法正常的進行通信的。

3.3 關於間隔保護系統控制系統的安全性和可靠性

在數字化變電站的系統內部分析保護系統的可靠性的時候，主要考慮的是網路介質、合併單元、斷路器IED和同步的時鐘並且交換機等的影響等等。間隔保護系統採用的是兩個完全獨立的單元，只要有一個保護單元正常工作，那就可以完成保護的功能。間隔控制系統內部的控制單元有兩個網路埠，通過網路介質可以分別接於兩個并行的冗餘的通行系統中。

3.4 站控層系統和數字化變電站全站的可靠性

站控層系統主要是包含兩套系統，分別是：就地監控系統和遠程系統。只要有任何一個系統正常工作的話，就可以完成對變電站的監控。並且就地監控和RTU都是有兩個網路埠，通過網路的一些介質分別接入兩個共同并行冗餘的通信系統中。

4.數字化變電站的各個元件的安全性

從一些數字化變電站的系統的構成可以看出，影響系統全局可靠性的因素很多很多，例如交換機、光纖鏈路以及BPU等元件的可靠性的參數的變化都可能會對數字化變電站系統的成功率產生極大的影響。

一些相關的結果表明，數字化變電站系統與一些傳統變電站自動化系統來比，雖然數字化變電站系統中引入例如許多新型的電子裝置，但是通過合理地通過實現功能冗餘並採用并行冗餘網路，就依然可以使各個間隔和全站的可靠性達到一些標準所要求的級別。本文對於數字化變電站的可靠性和安全性分析方法和結果可以為實施數字化變電站的系統提供一定的理論依據和實施方案。我們應該為之努力。