变电站数字化电气二次设计特点及要素

摘要：随着时下数字式互感器技术和智能一次电气设备技术的实用化，计算机高速网络在我国电力系统网络中得到广泛的应用。数字化设计将引起电力设计人员的极力关注。文章主要阐述了数字化变电站过程电气技术的特点，并针对数字化变电站的电气二次设计要点进行了分析。

关键词：数字化，变电站 ， 电气 ， 二次设计，特点

Abstract: with the current digital transformer technology and intelligent a electrical equipment of the practical technology, computer high-speed network in electric power system of our country network widely applied. Digital design will cause power design personnel to the attention. The paper mainly expounds the process of digital substation electrical technology characteristics, and in the light of digital substation electrical design two times main point to carry on the analysis.

Keywords: digital, the substation, electric, two design features

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1 数字化变电站的概述

数字化变电站是建立在IEC61850通信规约基础上，由智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等）和网络化二次设备分层（过程层、间隔层、站控层）构建，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。

1 数字化变电站的电气技术特点

从数据源头转变成数字化信息，才真正实现了电气数据采集的数字化应用，并为实现信息集成化和数据的共享性应用提供了基础。变电站的数字化不但使得具有监视、控制、保护、故障录波、测量与计量等几乎都是功能单一、相互独立的装置模式的传统变电站转型成为采用计算机监控系统、微机型的继电保护及安全自动装置的新型数字化变电站， 而且将原有的硬件重复配置、信息不共享、投资成本大的局面转变成新建装置和系统之间通过串口或网换信息的综合自动化系统，使得原来分散的二次系统装置，具备了向信息集成和功能合理优化、整合转变的基础。

数字化变电站在逻辑结构上为“三层两网”结构， 即“站控层”、“间隔层”、“过程层”、“站控层”网络和“过程层”网络。这种构架实现了信息采集、传输、处理和输出过程的数字化，其基本特征为数字化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， 实现运行管理的自动化数字化变电站与传统的变电站相比，具有以下优点：

（1）数字化变电站最显著的特点是增加了过程层， 即将一次电气设备纳入了数字化变电站的通信网络，是变电站自动化 数字化技术发展的重大变革。

（2）数字化变电站的间隔层设备具有网络化的特点，使数字信息直接接到了站控层的交换机上，取消了转换型的串口接口装置，从而大大地提高了信息交换的速率。

（3）数字化变电站具有配有电子设备、传感器和执行器的智能开关设备，即具有较高智能的开关设备的基本功能，还具有控制设备的附加功能，尤其是在监测和诊断方面极具优势。

（4）数字化变电站的间隔层和一次设备均配置智能终端，智能终端之间通过光纤通信连接，取代了测控柜之间的电缆连接，保护、测控装置与智能终端之间通过电气回路连接，是数字化变电站的又一大特点。

（5）数字化变电站将 IEC61850应用于变电站内的通信，既充分利用了网络通信的最新技术，又实现了二次设备的信息共享、互操作和功能的灵活配置。

2 数字化变电站的电气二次设计要点分析

数字化变电站架构设计目标是设计出基于 IEC61850 通信协议构建的信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化的变电站，从而实现数字化变电站的技术创新。数字化变电站电气二次设计的构架如图1所示，分为智能设备的选择、通信规约的选择和网络结构的设计三部分。

图1

2.1 智能设备的选择

数字化变电站的智能设备包括智能开关、电子式互感器及二次设备，网络化的二次设备是数字化变电站的必然选择，但智能开关和电子式互感器的选择却存在着两种不同的方案。

智能开关可选择理想的智能开关，或是传统开关 + 智能终端的方式。理想的智能开关具有智能控制、在线监测及自诊断功能，并具有数字接口，其智能化程度较高的特点，由于其设备费用极高，在国内基本没有应用的业绩， 所以可实施性差。而传统开关+智能终端的设备具有常规的控制及操动方式，没有在线监测及自诊断的功能，虽然也具有数字接口，可接入过程总线，但其智能化程度较低。由于其可靠性较高，设备费用一般，现广泛应用于国内各大变电站，其可实施性相对较好、综合比较，智能开关应选择传统开关+智能终端作为其电气二次设计的最佳方案

电子式互感器可选择无源电子式互感器，或是有源电子式互感器。无源电子式互感器是基于有关光学传感技术而设计的，其一次侧光学电流 电压传感器无需工作电源，是独立安装的互感器的理想解决方案，目前正处在进行实用化研究，国内很少应用，由于其设备费用极高，可靠性较差， 因此可实施性差。而有源电子式互感器是基于Rogowski线圈或低功率线圈的电子式电流互感器，其互感器的传感头部分具有需用电源的电子电路，现已通过采用激光供能的办法解决了电路电源问题。由于其可靠性较高，可实施性较好，已获得较多的应用、综合比较，电子式互感器应选择有源电子式互感器作为其电气二次设计的最佳方案。

2.2 通信规约的选择

数字化变电站的网络分为站控层网络和过程层网络，不同的网络有不同的规约选择。

站控层网络规约可选择网络化的103规约或是IEC61850规约。网络化的103 规约采用传统的面向功能设计方式，其互操作性较差，适用于对实时性要求不高的以太网通信，软件费用较低，可实施性较好。而IEC61850网络规约是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，面向对象设计，是构建数字化变电站的理想平台，其基于网络平台的各种实时和非实时通信，软件费用较高，但互操作性较好，可实施性也较好。综合比较，站控层网络规约应选择IEC61850规约作为其电气二次设计的最佳方案。

图2

过程层网络规约可选择 IEC61850 规约或是 IEC60044-8规约。IEC61850规约采用FT3 帧格式，具有实时性好，传输延时固定的特点，其适用于实时性要求较好的串口通信，可采用插值法实现自同步，可靠性高，软件费用较低，可实施性好。而IEC60044- 8规约是基于网络平台的各种实时和非实时通信，面向对象设计，是构建数字化变电站的理想平台。其传输延时不固定，用于采样数据同步时需依赖于外部同步器，不能自同步，可靠性较差，软件费用也很高，但其可实施性较好。综上所述，对于单间隔不需要数据同步的二次设备，采用 IEC61850 规约传输；对于跨间隔需进行数据同步的二次设备，采用IEC60044- 8规约传输。故采用IEC61850规约与 IEC60044-8 规约相结合的方式作为其电气二次设计的方案比较合理。

2.3 网络结构的设计

网络结构的设计分为站控层网络方案和过程层网络方案设计，其中过程层网络是数字化变电站特有的网络，目前没有成熟的方案，而数字化变电站站控层网络方案比较成熟，一般采用星型以太网络，不需论证分析。

3 结束语

综上所述，本文主要介绍了数字化变电站的特征及系统的结构，并探讨了各组成部分的技术及作用，结合变电站内部智能电气设备间的信息共享和互操作，给出了数字化变电站的数字化网络结构和其电气二次设计的理想方案。

参考文献

[1]李九虎，郑玉平等.电子式互感器在数字化变电站的应用[J].电力系统自动化，2007（7）

[2]高翔数字化变电站应用技术[M].北京：中国电力出版社，2008

[3]朴在林，王立舒变电站电气部分[M].北京：水利水电出版社，2008

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。