0引言
数字化变电站[1]是以变电站一、二次系统为数字化对象，对数字化信息进行统一建模，将物理设备虚拟化，采用标准化的网络通信平台，实现信息共享和互操作，它是由智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850通信协议基础上分层构建，能够实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。与常规变电站相比，数字化变电站间隔层和站控层的设备及网络接口只是接口和通信模型发生了变化，而过程层却发生了较大的改变，由传统的电流、电压互感器、一次设备以及一次设备与二次设备之间的电缆连接，逐步改变为电子式互感器、智能化一次设备、合并单元、光纤连接等内容。
基于IEC61850通信系统[2]的数字化变电站能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成，减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用，节约大量时间，增加了自动化系统使用期间的灵活性。它解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。极大的方便了系统的集成，降低了变电站自动化系统的工程费用。在我国采用该标准系列将大大提高变电站自动化系统的技术水平、提高变电站自动化系统安全稳定运行水平、节约开发验收维护的人力物力、实现完全的互操作性[3]。
1数字化变电站系统结构[4]
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;在逻辑结构上可分为三个层次，根据IEC61850通信协议草案定义，这三个层次分别称为“站控层”、“间隔层”和“过程层”。
1.1站控层
站控层的主要任务是：①通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库;②按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心;③接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行;④具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能;⑤具有(或备有)站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至图像，声音等多媒体功能;⑥具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能;⑦具有(或备有)变电站故障自动分析和操作培训功能.
1.2间隔层
间隔层设备的主要功能是：①汇总本间隔过程层实时数据信息;②实施对一次设备保护控制功能;③实施本间隔操作闭锁功能;④实施操作同期及其他控制功能;⑤对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制;⑥承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。
1.3过程层
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。过程层的主要功能分三类：①电力运行实时的电气量检测;②运行设备的状态参数检测;③操作控制执行与驱动。
2常规变电站数字化改造策略
对于不同电压等级的常规变电站，考虑到目前智能化高压电器尚不成熟，通过分散布置的智能操作箱实现一次设备智能化的应用较短;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;应根据具体情况酌情处理。
因此，针对系统内作用重大、地位重要的220kV及以上变电站，宜采用积极稳妥、渐进发展的原则，进行改造。即：变电站自动化系统在站控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，可以考虑对其中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110kV及以下变电站，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站控层、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操作箱、分散布置的MU，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。通过这种设计，变电站二次电缆大为减少，总体系统趋于简单。
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无需对投资较大、更换困难、运行状态尚好的一次开关类设备、互感器设备进行更换;②减少大量工作量、极大缩短改造周期，实现数字化变电站改造;③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。
变电站改造方案
3.1变电站架构
对于结构简单、进出回路较少、系统功能及逻辑较为简单的常规中低压变电站可以考虑集中分散式架构。即站控层与分布式架构相同，采用支持IEC61850标准的站控层设备，构成基于IEC61850标准的数字化变电站站控层。
对于高压进出线、主变等通过一套或数套支持IEC61850标准的集中式测控保护装置(每组均需冗余配置)，组成基于IEC61850的数字化变电站系统，在间隔层实现IEC61850。
对于低电压等级，由于基本采用开关柜形式，电子式互感器的技术和经济优势不明显，而且各个间隔间的电流和电压信号基本上不需要在多个间隔层设备之间共享，不必对电流和电压信息进行数字化后再以IEC61850(或者IEC60044-8)标准进行传输。对于低电压等级，可以仍采用常规互感器，或者采用低功率输出的新型互感器并以就地安装的间隔层设备想配合，间隔层设备采用数字化接口支持IEC61850规约。
3.2过程层设备接入解决方案
(1)国内解决办法
①应用智能操作箱。对于过程层，由于断路器、刀闸等一次设备暂不具备实现数字化的条件，对需要进行分散控制的开关类设备，采用智能操作箱实现对一个完整控制单元(含断路器及相关刀闸)的YX/YK进行处理，并经过GOOSE网与间隔层IED进行联系。
②模拟量分散采样。针对互感器，由于常规变电站均采用的是传统互感器，全面更换既不可行也十分浪费，因此，对于需要进行分散采样的互感器，采用基于IEC61850标准的合并单元MU进行同步分布式采样，其输出依据IEC61850-9-1或IEC61850-9-2[5]送往相关间隔层IED。
采用合并单元MU和智能控制箱的过程层设备接入结构如图1所示
(2)国外解决方案
较为常见的以GE公司为代表的厂家设计制造的过程总线合并单元设备Brick，可安装于开关本体上，用预先端接的铜制和光纤电缆取代纷纭复杂的铜电缆，通过将成本花费转至现成的材料，节约大量的现场劳力成本。
Brick装置铜缆输入输出采用预制连接器，即MILspec38999标准连接器(俗称航空头)，可以极大地减少的现场安装工作量并提高安装质量。Brick装置有四个航空接口，两路铜缆输入，可分别就近接入开关、刀闸等信号和CT、PT的测量量;一路铜缆控制输出，控制一次设备的开闭;一路光纤输出，经过交叉汇集板，接入间隔层61850微机保护测量控制装置，并通过嵌入到光缆的铜线对Brick设备供电。
采用过程层合并单元Brick进行设备采样值转换，其系统结构如图2。
4.结论
本文论述了数字化变电站的技术特征、系统结构及常规综自站数字化改造的策略和过程层一次设备的接入解决方案。采用MU加智能控制箱和采用Brick装置的一次设备接入方式，都是基于IEC61850-9-1或IEC61850-9-2标准设计的，两种方式各有特点，并在多个数字化变电站建设和改造中得到成功应用。进行过程层一次设备接入装置选型时应根据变电站的具体情况如在电网中的重要程度、变电站分布式结构、一次设备类型等因素综合考虑。
参考文献
[1]高翔;数字化变电站应用技术[M].中国电力出版社，2008
[2]田国政;变电站自动化系统的通信网络及传输规约选择[J];电网技术;2003年09期
[3]朱大新;数字化变电站综合自动化系统的发展电工技术杂志;2001年04期[J];
[4]张沛超;高翔.数字化变电站系统结构[J];电网技术;2006年24期
[5]IEC;IEC61850：Communicationnetworksandsystemsinsubstations[S][M];2004年
文章来源：OFweek光电新闻网
