浅谈数字化变电站自动化系统

摘要：随着电网的不断发展和电力市场改革的深入，人们对电网安全经济运行和供电质量的要求越来越高。变电站作为输配电系统的信息源和执行终端，要求提供的信息量和实现的集成控制越来越多，数字化、信息化以及信息模型化的要求越来越迫切。因此，数字化变电站将成为变电站自动化的发展方向。本文就数字化变电站自动化系统相关问题进行了探讨。

关键词：数字化变电站系统

一、变电站自动化系统概述

变电站作为电网中的关键节点，担负着电能输配电的控制、管理的任务，其运行的安全可靠性对保证整个电力系统的稳定运行及可靠供电具有重要的作用。具备继电保护、监控和远动等功能的变电站自动化系统(Substation Automation System，SAS)是保证上述任务完成的基础。

而传统的SAS并不能很好地满足这些要求，它存在如下不足：首先，信息建模缺乏统一的规范，IED之间相对独立，来自不同信息采集单元的设备信息无法实现共享，形成了各种“信息孤岛”现象;其次，缺乏统一的功能和接口规范，不同厂家的IED缺乏互操作性，进一步导致系统的可扩展性差;最后，系统可靠性受二次电缆影响，实际运行中因二次电缆引起的保护不正确动作率较高。因此，基于这些技术的数字化变电站系统(Digital Substation Automation System，DSAS)成为变电站自动化的发展方向已成为共识。

二、数字化变电站自动化系统的特征

数字化变电站的概念是随着数字式过程层设备的诞生而出现的。在实现过程层数字化、信息共享化的基础上，数字化变电站强调SAS整体的信息化、统一模型化和站内EID之间、变电站与控制中心之间协同操作、集成应用的能力。未来的SAS将以输配电系统的统一信息源和执行终端、自动化功能的协调和集成为目标，从数字化的趋势出发进行建设。目前，数字化变电站尚未有严格定义，但普遍认为它大致应具备以下几项形态特征：

1. 变电站层次化

根据不同功能，变电站在逻辑结构上划分为变电站层、间隔层和过程层。变电站层的功能是利用全站的数据对全站的一次设备进行监视和控制及与远方控制中心进行数据交换。间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备进行保护和控制。过程层的功能是实现所有与一次设备接口相关的功能，包括开入/开出、模拟量采样等;过程层是专门针对数字式过程层设备划分的，它分担了常规变电站间隔层的部分功能。

2.过程层设备数字化

一次设备被检测信号回路采用电子式互感器(ECT、EVT)，被控制驱动回路采用综合业务数字网(ISG)，运行控制操作过程经网络通信方式以信息报文的方式实现，常规的强电模拟信号测量电缆和控制电缆被数字光纤所取代。

3. 间隔层设备网络化

间隔层设备，包括继电保护、防误闭锁、测控、远动、故障录波、电压无功调节、同期操作和在线监测等装置均基于标准化、模块化的微处理器设计制造;设备与过程层、变电站层和设备之间均通过高速通信网络交互信息。由于过程层设备数字化，常规间隔层设备的开入/开出、模拟量输入等外部接口均被通信接口所取代。

4.运行管理自动化

电力生产运行数据、状态记录统计无纸化;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，指出故障原因和处理意见;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”改变为“状态检修”。

三、数字化变电站自动化系统的功能

为了保证互操作的实现，应该对DSAS应实现的功能达成共识。国际大电网委员会(CIGRE)的34.03工作组(WG34.03)在关于变电站的数据流的报告中，分析了变电站自动化需要完成的63种功能，从系统的观点出发可以分为以下功能组：控制功能;监视功能;继电保护功能;与继电保护有关的功能(如故障录波、故障测距、小电流接地选线等);测量表计功能(如三相智能式电子电费计量等);接口功能(如与微机五防、继电保护、电能计量、全球定位系统(GPS)等IED的接口);自动控制功能(如有载调压变压器分接头和并联补偿电容器的综合控制、电力系统低频减载、静止无功补偿器控制、配网系统故障分段隔离、非故障段恢复供电与网络重组等);远动功能;系统控制功能(与主站通信，当地SCADA等)。

四、数字化变电站自动化系统的结构

IEC61850标准基于可交换的网络技术定义了站级和过程层两种总线结构：站级总线将所有间隔集合到站级监控管理层，并且在相互之间传递主要的控制信息，例如测量，联闭锁等(典型应用包括MMS站级到间隔级的信息交换和GOOSE间隔级之间的信息交换);过程层总线连接间隔层和过程层IED设备，并传输用于保护装置的实时采样数据(SV)。

由于IEC61850标准并未规定网络拓扑，因此无论是树型网、星型网或者环网结构都是适用的，甚至站级总线和过程层总线都可以使用同一物理网络。作为站级总线，在大型变电站系统中，对于各个不同的电压等级一般采用环网加交换机形式，用于连接所有的主保护设备、后备保护和控制设备。在大型变电站系统中，各电压等级的环网通过树型结构连接到站级总线当中，从而使站级总线呈现出一种混合的树型和环型网络拓扑结构。站级总线和过程总线对于时间的要求是有严格区别的，它决定了冗余网络结构的不同应用方式。当在站级总线上仅仅传输控制命令的时候，它可以容许100ms的网络传输延时，当传输互联、跳闸及反向闭锁信号时，它们要求网络的传输延时不能超过2ms。然而最糟糕的情况已经实际出现过，在极端情况下，当控制命令序列执行时，它要求网络延时不能超过0ms。过程总线由于要传输实时采样数据，无论在正常或极端情况下，它要求的网络传输延时不能超过4ms。

参考文献：

[1] 高翔. 数字化变电站应用技术. 北京: 中国电力出版社, 2008.

[2] 徐立子. 变电站自动化系统的分析和实施. 电网技术, 2000, 24(05): 25-29.