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[摘 要]随着数字化变电站的发展，变电站自动化系统从信息采集、传输、处理具备了实现全数字化的可能，数字化变电站已成为未来变电站自动化技术发展的趋势。本论文研究了数字化变电站若干关键技术，目的在于分析数字化变电站技术对于变电站自动化系统技术发展方向的影响，研究数字化变电站技术应用模式和发展前景。数字电站建设是变电站未来发展的必然趋势。
[关键词]数字化变电站，结构，保护测控，关键技术
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0383-01
0.背景
数字化变电站技术是当今世界最先进的电力自动化技术，引领着电力技术发展方向，符合IEC61850标准”，由电子式互感器、智能化终端、数字化保护测控设备、数字化计量仪表、光纤以太网组成的全智能化的分层分布式变电站，即站内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。可靠性、经济性、维护简便性方面均比常规变电站有大幅提升。
1.数字化变电站的基本结构
数字化变电站的基本功能和基本要求数字化变电站的采用IEC61850的规定，分为过程层、间隔层和站控级三层结构。各层次内部和之间采用高速网络通信。其中，过程层是电气设备的智能化部分，其功能有三大类：电气量参数测试、设备健康状态检测和操作控制的执行和驱动。数字化变电站设备的间隔层设备在自动化方面和传统变电站比具有非常大的变化，主要体现在统一的模型建设，分层次的通信信息，通信接口的规格和抽象描述等技术应用。
数字化变电站站控层能在变电站和控制系统之间实现无缝通信站，并协调职能的信息共享水平；统一的标准平台，基于三层结构的平台上，数字化变电站的功能将不能局限于传统的监测和控制和保护功能，还可以覆盖计量，故障录波和测距、安全稳定装置，动态监测、电能质量监测，信息管理，模拟仿真、遥视等不同的应用领域。从物理角度来看，数字化变电站还是一二次设备这两个层次上。由于一次设备的智能化以及二次设备的网络化，数字式变电站一次设和二次设备之间的结合更加紧密。
2.数字化变电站的特点
2.1 数字化的数据采集系统
数字化变电站采用如光电式或电子式互感器的数字化电气量测系统采集变电站电流、电压等电气量，不仅实现了一、二次系统的电气隔离，而且增大了电气量的动态测量范围和测量精度，为信息集成化应用提供了保障。变电站系统应是全部数字化实现和集成。
2.2 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號网络取代传统的导线连接。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。使用智能的一次设备，应使傳统的设备智能化断路器代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器，实现按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合闸时间，减少暂态过电压幅值；检测电网中断路器开断前一瞬间的各种工作状态信息，自动选择和调节操动机构以及灭弧室状态相适应的合理工作条件，以改变现有断路器的单一分闸特性；在轻载时以较低的分闸速度开断，而在系统故障时又以较高的分闸速度开断等，这样就可获得开断时电气和机构性能上的最佳开断效果。
2.3 分散式的系统结构
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；系统采用成熟的网络通信技术和开放式互连规约，能够更完整地记录设备信息并显著地提高系统的响应速度。通信技术是变电站自动化系统信息传输的基础，所采用的技术必须满足变电站内通信网络传输时间要求，随着以太网技术不断成熟和改进，嵌入式以太网在工业控制领域地广泛应用，在网络负荷得到有效控制的情况下，变电站网络采用低廉、成熟的以太网可以满足变电站实时通信的要求。
2.4 自动化的运行管理技术
数字化变电站运行管理自动化技术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及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；智能化一次设备可直接处理设备信息并独立执行本地功能，而不依赖于变电站级的控制系统，同时具有自检功能，发现缺陷时能及时报警；系统能自动发出变电站设备检修报告。
3.数字化变电站的优势
3.1 提升测量的精确性
数字化变电站采用输出数字信号的电子式互感器，数字化的电流、电压信号在传输到二次设备和二次设备处理的过程中均不会产生附加误差，无TA饱和问题，提升了保护、测量和计量等系统的系统精度。传统变电站互感器输出的模拟信号通过电缆传输时及二次设备的数据采集过程中都将产生附加误差，系统精度难以提高。
3.2 提高信号传输的可靠性
数字化变电站的信号传输采用计算机通信技术实现。通信系统在传输有效信息的同时传输信息校验码和通道自检信息，杜绝误传信号和监视通信系统的完好性，光电互感器有完备的自检功能，出现通信故障或互感器故障时，二次装置会因收不到校样码正确的数据而直接判断出互感器异常。
3.3 提高系统安全的可靠性
数字化变电站二次设备和一次设备之间使用光纤通信，实现了电气信号的彻底隔离，从根本上解决了传输通道的抗干扰问题，电磁干扰和传输过电压失去了影响二次设备的途径，而且也没有二次回路。
3.4 减少二次接线的复杂性
数字化变电站的设备间采用计算机通信技术，一条信道可传输多个通道的信息，加上使用网络技术，大幅减少使用端子排连接的二次接线数量和复杂度，也减少了控制电缆的用量，此工程较规模相同的常规综自变电站减少电缆约10km。 3.5 解决设备间的互操作性
数字化变电站所有符合IEC61850标准的智能设备均按统一的通信标准建立信息模型和通信接口，设备间实现无缝连接。例如通过制定IEC61850标准，实现智能电子装置（IED）的互操作性和互换性。为了保证IED的互操作性，需要对其进行一致性测试和性能测试。一致性测试与常规变电站相比，数字化变电站系统中的一致性测试和应用测试的联系更为紧密。一致性测试是应用测试的基础，产品只有通过了一致性测试才具备构成应用系统以执行应用测试的条件。
4.目前数字化变电站存在的问题
4.1 信息的同步性
为避免电气量的相位和幅值产生误差，二次设备需要在同一时间点上获得采样数据。传统电磁式互感器输出的模拟信号不存在上述问题，但由合并单元輸出的数字采样信号就必须含有时间信息。应在现场进行试验来验证合并单元进行数据采样的时间同步准确度，以满足系统测量和控制的要求。
4.2 信息的安全性
IEC61850本身对变电站网络系统的安全性未做规定，协议的开放性和标准性带来了电力系统运行的安全性问题，应保证二次系统信息的保密性、完整性、可用性及确定性。总之，在数字化变电站技术发展过程中必须考虑二次系统的安全防护问题，应结合电力系统的运行特征并参照安全标准IEC62351的要求来制定信息的安全防护策略，如闭环网络访问、只读访问以及密码和防火墙等。在加强信息的安全防护措施后还必须考虑其对系统性能和网络带宽的影响。
4.3 专业的渗透性
数字化变电站自动化系统的研究的主要内容集中在过程层方面，如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发。主要存在的问题是：（1）研究开发过程中专业协作需要加强，比如智能化电器的研究至少存在机、电、光3个专业协同攻关；（2）材料器件方面的缺陷及改进；（3）试验设备、测试方法、检验标准，特别是EMC（电磁干扰与兼容）控制与试验还是薄弱环节。
5.结论
数字化变电站技术的发展将是个长期的过程。以光电式互感器、智能化集成开关、智能变压器等数字化一次设备和其他智能电子设备为基础的新型变电站自动化系统，实现数字化变电站站内各层间的无缝通信，最大限度地满足信息共享和系统集成的要求，则是数字化變电站技术的发展方向
参考文献
[1] 张沛超，高翔.智能变电站[J].电气技术，2010（8）.
[2] 陈树勇.智能电网技术综述[J].电网技术，2009（8）.
[3] 高翔，刘韶俊.继电保护状态检修及实施探讨[J].继电器，2005，33.
[关键词]数字化变电站，结构，保护测控，关键技术
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0383-01
0.背景
数字化变电站技术是当今世界最先进的电力自动化技术，引领着电力技术发展方向，符合IEC61850标准”，由电子式互感器、智能化终端、数字化保护测控设备、数字化计量仪表、光纤以太网组成的全智能化的分层分布式变电站，即站内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。可靠性、经济性、维护简便性方面均比常规变电站有大幅提升。
1.数字化变电站的基本结构
数字化变电站的基本功能和基本要求数字化变电站的采用IEC61850的规定，分为过程层、间隔层和站控级三层结构。各层次内部和之间采用高速网络通信。其中，过程层是电气设备的智能化部分，其功能有三大类：电气量参数测试、设备健康状态检测和操作控制的执行和驱动。数字化变电站设备的间隔层设备在自动化方面和传统变电站比具有非常大的变化，主要体现在统一的模型建设，分层次的通信信息，通信接口的规格和抽象描述等技术应用。
数字化变电站站控层能在变电站和控制系统之间实现无缝通信站，并协调职能的信息共享水平；统一的标准平台，基于三层结构的平台上，数字化变电站的功能将不能局限于传统的监测和控制和保护功能，还可以覆盖计量，故障录波和测距、安全稳定装置，动态监测、电能质量监测，信息管理，模拟仿真、遥视等不同的应用领域。从物理角度来看，数字化变电站还是一二次设备这两个层次上。由于一次设备的智能化以及二次设备的网络化，数字式变电站一次设和二次设备之间的结合更加紧密。
2.数字化变电站的特点
2.1 数字化的数据采集系统
数字化变电站采用如光电式或电子式互感器的数字化电气量测系统采集变电站电流、电压等电气量，不仅实现了一、二次系统的电气隔离，而且增大了电气量的动态测量范围和测量精度，为信息集成化应用提供了保障。变电站系统应是全部数字化实现和集成。
2.2 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號网络取代传统的导线连接。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。使用智能的一次设备，应使傳统的设备智能化断路器代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器，实现按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合闸时间，减少暂态过电压幅值；检测电网中断路器开断前一瞬间的各种工作状态信息，自动选择和调节操动机构以及灭弧室状态相适应的合理工作条件，以改变现有断路器的单一分闸特性；在轻载时以较低的分闸速度开断，而在系统故障时又以较高的分闸速度开断等，这样就可获得开断时电气和机构性能上的最佳开断效果。
2.3 分散式的系统结构
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；系统采用成熟的网络通信技术和开放式互连规约，能够更完整地记录设备信息并显著地提高系统的响应速度。通信技术是变电站自动化系统信息传输的基础，所采用的技术必须满足变电站内通信网络传输时间要求，随着以太网技术不断成熟和改进，嵌入式以太网在工业控制领域地广泛应用，在网络负荷得到有效控制的情况下，变电站网络采用低廉、成熟的以太网可以满足变电站实时通信的要求。
2.4 自动化的运行管理技术
数字化变电站运行管理自动化技术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及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；智能化一次设备可直接处理设备信息并独立执行本地功能，而不依赖于变电站级的控制系统，同时具有自检功能，发现缺陷时能及时报警；系统能自动发出变电站设备检修报告。
3.数字化变电站的优势
3.1 提升测量的精确性
数字化变电站采用输出数字信号的电子式互感器，数字化的电流、电压信号在传输到二次设备和二次设备处理的过程中均不会产生附加误差，无TA饱和问题，提升了保护、测量和计量等系统的系统精度。传统变电站互感器输出的模拟信号通过电缆传输时及二次设备的数据采集过程中都将产生附加误差，系统精度难以提高。
3.2 提高信号传输的可靠性
数字化变电站的信号传输采用计算机通信技术实现。通信系统在传输有效信息的同时传输信息校验码和通道自检信息，杜绝误传信号和监视通信系统的完好性，光电互感器有完备的自检功能，出现通信故障或互感器故障时，二次装置会因收不到校样码正确的数据而直接判断出互感器异常。
3.3 提高系统安全的可靠性
数字化变电站二次设备和一次设备之间使用光纤通信，实现了电气信号的彻底隔离，从根本上解决了传输通道的抗干扰问题，电磁干扰和传输过电压失去了影响二次设备的途径，而且也没有二次回路。
3.4 减少二次接线的复杂性
数字化变电站的设备间采用计算机通信技术，一条信道可传输多个通道的信息，加上使用网络技术，大幅减少使用端子排连接的二次接线数量和复杂度，也减少了控制电缆的用量，此工程较规模相同的常规综自变电站减少电缆约10km。 3.5 解决设备间的互操作性
数字化变电站所有符合IEC61850标准的智能设备均按统一的通信标准建立信息模型和通信接口，设备间实现无缝连接。例如通过制定IEC61850标准，实现智能电子装置（IED）的互操作性和互换性。为了保证IED的互操作性，需要对其进行一致性测试和性能测试。一致性测试与常规变电站相比，数字化变电站系统中的一致性测试和应用测试的联系更为紧密。一致性测试是应用测试的基础，产品只有通过了一致性测试才具备构成应用系统以执行应用测试的条件。
4.目前数字化变电站存在的问题
4.1 信息的同步性
为避免电气量的相位和幅值产生误差，二次设备需要在同一时间点上获得采样数据。传统电磁式互感器输出的模拟信号不存在上述问题，但由合并单元輸出的数字采样信号就必须含有时间信息。应在现场进行试验来验证合并单元进行数据采样的时间同步准确度，以满足系统测量和控制的要求。
4.2 信息的安全性
IEC61850本身对变电站网络系统的安全性未做规定，协议的开放性和标准性带来了电力系统运行的安全性问题，应保证二次系统信息的保密性、完整性、可用性及确定性。总之，在数字化变电站技术发展过程中必须考虑二次系统的安全防护问题，应结合电力系统的运行特征并参照安全标准IEC62351的要求来制定信息的安全防护策略，如闭环网络访问、只读访问以及密码和防火墙等。在加强信息的安全防护措施后还必须考虑其对系统性能和网络带宽的影响。
4.3 专业的渗透性
数字化变电站自动化系统的研究的主要内容集中在过程层方面，如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发。主要存在的问题是：（1）研究开发过程中专业协作需要加强，比如智能化电器的研究至少存在机、电、光3个专业协同攻关；（2）材料器件方面的缺陷及改进；（3）试验设备、测试方法、检验标准，特别是EMC（电磁干扰与兼容）控制与试验还是薄弱环节。
5.结论
数字化变电站技术的发展将是个长期的过程。以光电式互感器、智能化集成开关、智能变压器等数字化一次设备和其他智能电子设备为基础的新型变电站自动化系统，实现数字化变电站站内各层间的无缝通信，最大限度地满足信息共享和系统集成的要求，则是数字化變电站技术的发展方向
参考文献
[1] 张沛超，高翔.智能变电站[J].电气技术，2010（8）.
[2] 陈树勇.智能电网技术综述[J].电网技术，2009（8）.
[3] 高翔，刘韶俊.继电保护状态检修及实施探讨[J].继电器，2005，33.