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【摘要】数字化变电站是电力系统发展的必然趋势，是通讯技术、信息技术和计算机技术发展的必然结果。数字化变电站项目的实施对于现代电力系统的发展和数字化电网将产生深远的影响。本文简介了数字化变电站的技术特征和系统结构，并对常规综合自动化变电站的数字化改造的方案进行了简要分析。
【关键词】数字化；变电站
一、引言
数字化变电站作为电力自动化发展史上的一次重大的技术变革，对整个电力事业的发展具有重要的意义。数字化变电站的研究与实施将为实现国家电网公司“一强三优”总体战略目标，提高国家电网整体科技含量，推动电网集约化发展、集约化管理和集约化运营，建设坚强的数字化电网发挥重要的作用。
IEC 61850标准——变电站通信网络和系统，是国际电工委员会(IEC)TC57工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。IEC61850规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言，使不同智能电气设备间的信息共享和互操作成为可能。
二、电子式互感器
电子式互感器通常由传感模块和合并单元两部分构成，传感模块又称远端模块，安装在高压一次侧，负责采集、调理一次侧电压电流并转换成数字信号。合并单元安装在二次侧，负责对来自远端模块的各相电流电压信号进行同步处理，并转发给二次设备。如图1所示。
电子式互感器是数字化变电站实现模拟量测量的重要装置。电子式互感器分为无源电子式互感器和有源电子式互感器两种。其中有源电子式互感器是空心线圈电流互感器，带铁心的低功率电流互感器；电阻分压或阻容分压的电压互感器。无源电子式互感器是基于光效应的互感器，如采用法拉第效应磁光变化原理的电流互感器和普克尔效应电光原理的电压互感器。常规互感器与电子式互感器比较如表1所示。
三、智能化一次设备
智能化的一次电气设备主要包括：智能型断路器/隔离开关和智能化变压器等。智能化就是设备具有实时数据的采集和处理（应用的）能力，有智能控制的能力，有与其它智能单元实时交换数据的能力，设备有自我描述和诊断能力。目前由于一次设备技术发展尚不成熟，普遍采用就地安装合并单元和智能操作箱进行就地转换，一次设备的信息通过电缆接到合并单元和智能操作箱，在由合并单元和智能操作箱通过光缆接入过程层网络。
四、网络化的二次装置
要实现一次设备和二次装置之间的数字化通信，以及变电站自动化系统特定的功能要求（比如实时性、精确性、稳定性、安全性等），系统网络结构的设计和网络信息流的优化分配也是非常重要的。二次装置网络化含义是应用最先进的网络通信技术，以使整个系统性能达到最优。IEC61850标准将变电站自动化系统分为三层：变电站层、间隔层和过程层，提出了各层的标准逻辑接口，针对典型的功能规定了特定的消息类型、传输速度的要求以及网络带宽的选择等，这些都为实现数字化变电站提供了很好的指导依据。
五、站内通信系统
根据数字化变电站的功能要求，借鉴IEC61850标准的变电站体系，数字化变电站应采用三层结构。这三层分别是：变电站层、间隔层和过程层。
(一)变电站层：变电站层位于变电站自动化系统的的最上层，应配备监控/保护主机、远动主机、打印机等设备，具有典型的SCADA功能，接收、处理实时数据，转发实时数据至调度中心和按照电网允许的需要发出控制和调节命令（有些命令直接来自调度中心，有些命令来自变电站自动化系统本身）。
(二)间隔层：间隔层包括测控、保护等间隔层IED装置，应按照应用功能合理分配逻辑节点，完成相应的数据分析、处理和控制功能。数字化变电站内二次设备将变成了数字化功能模块，如继电保护、防误闭锁、测量控制、远动、故障录波、安全稳定、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，模块之间的连接全部采用高速的网络通信，通过网络真正实现数据共享、资源其享；二次回路中常规的继电器及其逻辑回路完全被可编程序代替。
(三)过程层：过程层包括二次系统和一次系统的接口单元，承担一次设备数字化、智能化的重要功能，是整个数字化变电站的基础。过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层设备主要包括电子式互感器和智能高压电器。
六、控制及防误闭锁
GOOSE是IEC61850定义的一种通信机制，用于快速传输变电站事件，诸如命令、告警、指示、信息。GOOSE实现了装置间快速信息通信；内在自检功能，在线监测；不仅可以传送开关量，还可传递变化不快的模拟量。单个的GOOSE信息由智能单元发送，并能被若干个智能单元接收使用。所以通过GOOSE可以实现关联闭锁功能。
七、全站统一时钟
为了保障全站信息（开关量、数据采集、保护动作报告等）的实时性和同步性，应对所有的智能单元设备统一GPS时钟，为多设备关联保护装置正确动作提供有力保障。而且所有事件记录都带有毫秒级的时标，有利于现场运行人员进行运行分析和故障分析。
八、数字化变电站结构图和数字化变电站原理示意图
九、常规变电站数字化改造策略
常规综合自动化变电站的数字化改造应按照IEC61850的变电站架构进行，应采用基于IEC61850标准的数字化变电站系统进行改造。由于目前一次智能设备技术发展尚不成熟，普遍采用分散安装合并单元和智能操作箱实现一次设备智能化的应用事例较少；各类数字化接口保护装置虽然得到了一些应用，但应用时间也较短。因此，针对系统内作用重大、地位重要的220kV变电站，应采用积极稳妥、渐进发展的原则，进行改造。即：变电站自动化系统在变电站层和间隔层实现基于IEC61850标准的系统，对于过程层暂时不进行变化；变电站所有装置和后台系统实现IEC61850，所有改动仅限于通信层面，对变电站现有格局影响最小。当然，可以考虑对其低压侧进行相应数字化改造。针对系统内影响较小、结构简单的66kV变电站，可采用积极推进、滚动发展、试验完善的原则，进行改造。即：变电站自动化系统从变电站层、间隔层和过程层实现基于IEC61850标准的系统；应用分散布置的智能单元、分散布置的合并单元，集中式保护测控实现从站控层、间隔层、过程层全面实现基于IEC61850标准的数字化变电站系统。
通过上述改造原则，我们可以看到，这种改造模式的优点在于：
1.对投资较大、运行状态良好的一次开关类设备、互感器设备无需更换。2.提高了安全性由于用光缆代替了电缆避免了电缆端子接线松动、发热、开路和短路带来的危险提高了变电站整体安全运行水平。3.用光缆代替电缆降低了成本减少大量工作量、极大缩短改造周期。4.保护和自动化调试工作量减少，降低了运行维护成本。5.实现了信息资源共享、兼容性高、便于新增功能和扩展规模，减少了变电站投资成本。6.针对不同应用，采用不同技术策略，既保证系统的可靠性，又不失技术的先进性，并可为后续技术进步及改进，提供无缝升级和扩展的可能；充分考虑现实状况，提供不同的技术解决方案，并可以灵活组合，充分适应各类不同应用的需求。
十、结束语
数字化变电站是变电站自动化技术发展的一次重大变革，在我国没有成熟的经验可以参考。数字化变电站的功能将不局限于传统的测控和保护功能，还会涵盖计量、故障录波和测距、安稳装置、动态监测、电能质量监测、信息管理、仿真、电子式互感器以及智能开关产品等。基于集中式保护的全网络数字化变电站是一种可以尝试的变电站新模式，如果集中保护功能相关的设备运行可靠，成本进一步降低，必将给数字化变电站传统保护模式带来一次结构革新，对大型复杂的变电站二次接线进行变革。
参考文献
[1]邓建平.数字化变电站技术丛书.成果与展望分册[M].中国电力出版社,2010(1).
[2]马辉,数字化变电站技术丛书.设计分册[M].中国电力出版社,2010(1).
[3]高翔.数字化变电站应用技术[M].中国电力出版社,2008(1).
[4]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.
【关键词】数字化；变电站
一、引言
数字化变电站作为电力自动化发展史上的一次重大的技术变革，对整个电力事业的发展具有重要的意义。数字化变电站的研究与实施将为实现国家电网公司“一强三优”总体战略目标，提高国家电网整体科技含量，推动电网集约化发展、集约化管理和集约化运营，建设坚强的数字化电网发挥重要的作用。
IEC 61850标准——变电站通信网络和系统，是国际电工委员会(IEC)TC57工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。IEC61850规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言，使不同智能电气设备间的信息共享和互操作成为可能。
二、电子式互感器
电子式互感器通常由传感模块和合并单元两部分构成，传感模块又称远端模块，安装在高压一次侧，负责采集、调理一次侧电压电流并转换成数字信号。合并单元安装在二次侧，负责对来自远端模块的各相电流电压信号进行同步处理，并转发给二次设备。如图1所示。
电子式互感器是数字化变电站实现模拟量测量的重要装置。电子式互感器分为无源电子式互感器和有源电子式互感器两种。其中有源电子式互感器是空心线圈电流互感器，带铁心的低功率电流互感器；电阻分压或阻容分压的电压互感器。无源电子式互感器是基于光效应的互感器，如采用法拉第效应磁光变化原理的电流互感器和普克尔效应电光原理的电压互感器。常规互感器与电子式互感器比较如表1所示。
三、智能化一次设备
智能化的一次电气设备主要包括：智能型断路器/隔离开关和智能化变压器等。智能化就是设备具有实时数据的采集和处理（应用的）能力，有智能控制的能力，有与其它智能单元实时交换数据的能力，设备有自我描述和诊断能力。目前由于一次设备技术发展尚不成熟，普遍采用就地安装合并单元和智能操作箱进行就地转换，一次设备的信息通过电缆接到合并单元和智能操作箱，在由合并单元和智能操作箱通过光缆接入过程层网络。
四、网络化的二次装置
要实现一次设备和二次装置之间的数字化通信，以及变电站自动化系统特定的功能要求（比如实时性、精确性、稳定性、安全性等），系统网络结构的设计和网络信息流的优化分配也是非常重要的。二次装置网络化含义是应用最先进的网络通信技术，以使整个系统性能达到最优。IEC61850标准将变电站自动化系统分为三层：变电站层、间隔层和过程层，提出了各层的标准逻辑接口，针对典型的功能规定了特定的消息类型、传输速度的要求以及网络带宽的选择等，这些都为实现数字化变电站提供了很好的指导依据。
五、站内通信系统
根据数字化变电站的功能要求，借鉴IEC61850标准的变电站体系，数字化变电站应采用三层结构。这三层分别是：变电站层、间隔层和过程层。
(一)变电站层：变电站层位于变电站自动化系统的的最上层，应配备监控/保护主机、远动主机、打印机等设备，具有典型的SCADA功能，接收、处理实时数据，转发实时数据至调度中心和按照电网允许的需要发出控制和调节命令（有些命令直接来自调度中心，有些命令来自变电站自动化系统本身）。
(二)间隔层：间隔层包括测控、保护等间隔层IED装置，应按照应用功能合理分配逻辑节点，完成相应的数据分析、处理和控制功能。数字化变电站内二次设备将变成了数字化功能模块，如继电保护、防误闭锁、测量控制、远动、故障录波、安全稳定、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，模块之间的连接全部采用高速的网络通信，通过网络真正实现数据共享、资源其享；二次回路中常规的继电器及其逻辑回路完全被可编程序代替。
(三)过程层：过程层包括二次系统和一次系统的接口单元，承担一次设备数字化、智能化的重要功能，是整个数字化变电站的基础。过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层设备主要包括电子式互感器和智能高压电器。
六、控制及防误闭锁
GOOSE是IEC61850定义的一种通信机制，用于快速传输变电站事件，诸如命令、告警、指示、信息。GOOSE实现了装置间快速信息通信；内在自检功能，在线监测；不仅可以传送开关量，还可传递变化不快的模拟量。单个的GOOSE信息由智能单元发送，并能被若干个智能单元接收使用。所以通过GOOSE可以实现关联闭锁功能。
七、全站统一时钟
为了保障全站信息（开关量、数据采集、保护动作报告等）的实时性和同步性，应对所有的智能单元设备统一GPS时钟，为多设备关联保护装置正确动作提供有力保障。而且所有事件记录都带有毫秒级的时标，有利于现场运行人员进行运行分析和故障分析。
八、数字化变电站结构图和数字化变电站原理示意图
九、常规变电站数字化改造策略
常规综合自动化变电站的数字化改造应按照IEC61850的变电站架构进行，应采用基于IEC61850标准的数字化变电站系统进行改造。由于目前一次智能设备技术发展尚不成熟，普遍采用分散安装合并单元和智能操作箱实现一次设备智能化的应用事例较少；各类数字化接口保护装置虽然得到了一些应用，但应用时间也较短。因此，针对系统内作用重大、地位重要的220kV变电站，应采用积极稳妥、渐进发展的原则，进行改造。即：变电站自动化系统在变电站层和间隔层实现基于IEC61850标准的系统，对于过程层暂时不进行变化；变电站所有装置和后台系统实现IEC61850，所有改动仅限于通信层面，对变电站现有格局影响最小。当然，可以考虑对其低压侧进行相应数字化改造。针对系统内影响较小、结构简单的66kV变电站，可采用积极推进、滚动发展、试验完善的原则，进行改造。即：变电站自动化系统从变电站层、间隔层和过程层实现基于IEC61850标准的系统；应用分散布置的智能单元、分散布置的合并单元，集中式保护测控实现从站控层、间隔层、过程层全面实现基于IEC61850标准的数字化变电站系统。
通过上述改造原则，我们可以看到，这种改造模式的优点在于：
1.对投资较大、运行状态良好的一次开关类设备、互感器设备无需更换。2.提高了安全性由于用光缆代替了电缆避免了电缆端子接线松动、发热、开路和短路带来的危险提高了变电站整体安全运行水平。3.用光缆代替电缆降低了成本减少大量工作量、极大缩短改造周期。4.保护和自动化调试工作量减少，降低了运行维护成本。5.实现了信息资源共享、兼容性高、便于新增功能和扩展规模，减少了变电站投资成本。6.针对不同应用，采用不同技术策略，既保证系统的可靠性，又不失技术的先进性，并可为后续技术进步及改进，提供无缝升级和扩展的可能；充分考虑现实状况，提供不同的技术解决方案，并可以灵活组合，充分适应各类不同应用的需求。
十、结束语
数字化变电站是变电站自动化技术发展的一次重大变革，在我国没有成熟的经验可以参考。数字化变电站的功能将不局限于传统的测控和保护功能，还会涵盖计量、故障录波和测距、安稳装置、动态监测、电能质量监测、信息管理、仿真、电子式互感器以及智能开关产品等。基于集中式保护的全网络数字化变电站是一种可以尝试的变电站新模式，如果集中保护功能相关的设备运行可靠，成本进一步降低，必将给数字化变电站传统保护模式带来一次结构革新，对大型复杂的变电站二次接线进行变革。
参考文献
[1]邓建平.数字化变电站技术丛书.成果与展望分册[M].中国电力出版社,2010(1).
[2]马辉,数字化变电站技术丛书.设计分册[M].中国电力出版社,2010(1).
[3]高翔.数字化变电站应用技术[M].中国电力出版社,2008(1).
[4]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.