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摘要：数字化变电站智能输电网的物理媒介是促进智能电网发展的一个关键技术。首先介绍智能电网系统组成结构，主要包括过程层、间隔层的变电站层。在此基础上，讨论了数字化变电站的主要特性和关键技术。可为数字化变电站设计和相关科研与运行人员提供参考。
关键词：数字化变电站；组成结构；主要特征；关键技术
电网自动化技术是我国电网的6个重点技术之一，而数字化变电站技术则是电网自动化技术领域中的一项重要内容，也是提高电网运行效率、促进我国电力事业发展主要推动力。当前，随着科学技术的不断发展，我国大多数新建的变电站都采用了分层、分布式变电站微机监控系统，并且对以往的变电站进行了技术改造。随着计算机网络技术的不断发展，变电站自动化系统中，逐渐实现了信息采集与运输为一体的数字化技术，该自动化技术的有效运用，推动了我国电力系统的发展。
1.进行对数字化变电站的主要特征和关键技术的研究的重要意义
为了有效保证电力系统供电安全性能，这与越来越趋于完善的数字化变电站技术是分不开的，伴随着数字化的变电站技术的水平得以迅速提升，变电站将会对电力系统的安全运行发挥出更重要的作用。根据我国颁布的《继电保护与电网安全自动装置检验条例》之中的相关规定，对数字化变电站的安全运行状态做出了具体的指明与规定，并明确指出，要保证数字化变电站的继电保护、安全自动装置设备完好、功能正常，还要确保数字化变电站的回路接线及定值正确。如果传统的变电站出现故障，只有等保护装置功能失效或等下一次校验才能发现。如果这期间电力系统发生故障，保护将不能正确动作。针对这样的情况，进行对数字化变电站的主要特征和关键技术的研究有着重要的意义。
2.数字化变电站的组成结构
数字化变电站按照其结构组成可以看成三层结构，由上至下分别为变电站层、间隔层和过程层。
2.1过程层
变电站的底层是过程层，主要由一次设备、互感器、智能综端和MU合并单元组成。过程层是一次设备与二次设备的结合体，其功能主要分为三部分：一是电力运行过程中的电气量的检测，主要包括电流幅值和电压幅值、电流电压的相位和地电流电压的谐波成分；二是运行设备的状态参数检测，主要针对变电站内的设备包括电力主变电压器、厂内安装的电抗器和电容器等无功设备、隔离开关盒断路器等开关设备、母线和直流电源等设备，需要监测这些设备的运行状态是否正常运行，监测的内容包括设备运行的温度和压力设备的绝缘情况、设备的运行状态是否在其机械特性下以及设备的工作状态是否正常等等；三是操作控制执行与驱动，主要的操作有主变的分接头的档位调节、无功设备的投与切、开关设备的分与合以及直流电源设备的充放电等。
2.2间隔层
变电站的中间层是过程层，主要由数字式保护测控装置、低压保护装置、计量装置以及接入的其他设备组成。间隔层与变电站层的通信规约采用IEC61850的通信标准，在100M的交换以太网内进行信息的交换。
间隔层的主要功能是对过程层的实时信息进行收集和整理，进行一次设备的保护和控制，发出具有优先级别的数据采集和控制命令，同时协助实现变电站层和过程层之间的通信功能。
2.3变电站层
变电站三层结构的最上层是变电站层，也叫站控层，主要由变电站内的监测设备和远动服务器构成。变电站层的主要作用主要包括以下几个方面：收集变电站内的实时数据信息；通过一定的通信协议将相关的数据信息送到电网调度系统或者控制中心，同时接受调度系统或者控制中心的命令，并将相关的命令转发给间隔层和控制层；变电站层具有在线可编层的全站操作闭锁控制功能。
3.数字化变电站的主要特性
3.1数据采集的数字化
数字化变电站通过数字化设备对变电站内的主要电气量，如电压、电流等的测量实现数字化测量，实现了一次系统和二次系统的有效电气隔离。这种电气隔离能增加电气量测量的精度，为实现信息的集成化应用奠定了基础。
3.2数字化变电站内一次设备的智能化
数字变电站技术中利用微处理器和光电技术对一次设备检测的回路信号和操作信号进行了处理，并简化了相关控制结构以及数字程控器和公共网络信号之间的导线连接。此外，数字化变电站中常规的继电器逻辑回路也被相关可编程序代替。变电站内具备相关的智能接口以满足一次设备的智能化发展需要。
3.3信息应用集成化
数字化变电通过对分散的二次系统装置进行整合，同时对不同装置的不同功能，如保护功能、监测功能、计量功能和控制功能等整合到一台或者两台设备上进行功能优化处理，避免了设备的重复购买，节约了投资成本。
3.4设备检修状态化
数字化变电站能够实现设备状态检修和自动化的运营管理技术。在传统的变电站技术中，设备状态检修主要是针对一次设备，二次设备的检修是系统状态的检修。虽然传统技术具备状态检修实施的基础，但二次设备检修需要考虑系统问题，以及操作信号回路状态的监视，数字化变电站能够对所有功能单兀进彳了监视，能够完成指定的状态检修，提高了系统的可用性。此外，数字化变电站运营管理过程中包括了生产运行数据、状态数据记录、数据信息分层等多方面数据的管理。数字化变电站能够对发生故障的设备进行功能自检，发现缺陷可以随时报警，即将定期检修改为状态检修，完成自动化的运营管理技术。
3.5系统结构紧凑化
由于数字化测量装置本身比较轻便，同时体积很小，能将其集成在智能开关设备中，按照变电站机电一体化设计理念进行优化组合和设备布置。
3.6设备操作智能化
数字化变电站的新型高压断路器二次系统是通过现代化先进电力电子技术和传感器建立起来的，因而能够准确地控制开关器件的跳闸、合闸，同时能实现设备的自检等功能。
4.数字化变电站的关键技术
4.1IEC61850标准体系
IEC61850标准作为新型的变电站通行网络以及系统协议，适用于变电站自动化系统和分层智能电子装置。此标准采用的是基于XML之上的变电站配置描述语言描述变电站自动化系统和一次设备两者间的关系。每种设备都要以此标准为基础，提供一份配套的配置文件，并使用统一的系统配置工具使其实现工程化。IEC61850标准的终极目的就是要规定要求并给出配套框架实现各类供应商给出的智能电子设备间的相互操作性。
4.2非常规传感器的稳定性
电气测量系统的有效运行是影响数字化变电站整体运行效率的关键因素，在国际上，将传统电磁型电流和电压互感器的新型互感器称之为非常规传感器。非常规传感器在针对电气测量方面的稳定性问题上有一定的特点，由于双折射现象以及发光源的强度发生变化，光传输环节中的共振角变化和材料变化都会对其产生一定的影响。有源式互感器的主要问题在于工作时必须要保证电源的持续性与稳定性。在数字化变电站中，通过供电技术对高压侧电子产生的模块实现持续供电，激光供电的合并单元与有源互感器之间的距离会受到一定的限制，而激光供电器的稳定性对于互感器整体的使用效果有着一定的影响。同时，针对线圈容易受到电磁干扰的问题，可以考虑使用屏蔽传感线圈来进行解决。光学互感器具有较强的线性度，同时其测量精度不会受到电磁干扰以及无源等因素的影响，因此近年来受到国内外的广泛关注，通过对其工作原理的不断改进可有效提升设备的稳定性。近年来，国内光学互感器的研究取得了较大的进展，而且新型的非常规传感器也为数字化变电站的建设与使用奠定了坚实的基础。
4.3通信网络的可靠性和实时性
在数字化变电站系统中，网络系统是其核心部分，网络系统的可靠性与实时性对变电站系统的可用性有着直接的影响。而网络系统的有效运行，应当以网络的可靠性以及网络拓扑结构的可靠性作为保证。在数字化变电站系统的设计方案中，过程总线与站级总线都采用环形拓扑结构，因此具有很高的可靠性。在网络系统设计中，还要对优化问题进行全面的考虑。除可靠性外，通信网络的实时性也是近年来人们普遍关注的点问题，根据时间的要求对不同的报文进行等级划分，再根据不同等级的报文采用不同的信息通信协议，确保通信网络的延时性能够满足系统实时性的要求，而且具有较大的扩展空间。当网络受到不同因素影响而发生突然断不开或者由于设备更新而导致负载突然增加等情况下，是否能够满足通信实时性的要求，还有待于我们作进一步的探索。
4.4智能化一次设备
上面已经讲过，智能化一次设备是数字化变电站的核心设备之一，主要由智能识别、数据采集与执行装置共同构成。其中数据采集模块通常情况下是由新型的传感器组成，该模块能够识别和收集电网运行中产生的数据，同时通过数字信号传递给其他模块。而智能识别模块是整个智能化设备的关键所在，工作人员可以根据数据采集模块发到电网中的数字信号自动识别电网的工作状态，与此同时根据断路器的仿真信息来确定最终的合闸时间。执行装置主要是用来接受外来的控制信息，然后科学设置整动机构的各项参数，从而通过这种方式改变不同操作时间的特性。总的来说，智能断路器的工作过程为：如果在数字化变电站工作过程中一旦发现系统出现故障，则继电保护装置会自动产生相应的信号，然后启动智能模块来客观分析当前的断路器工作条件，并根据调节装置发出的不同定量控制信息对机构参数进行相应调整，通过这种方式来获得与当前系统运行状态相匹配的特性，最后指导断路器产生相应的动作。从这个描述我们可以发现智能断路器有一个显著特点，就是能够通过执行单元采用微机控制及电力电子技术代替过去那种常规机械结构的辅助开关和辅助继电器，然后按电压波形控制跳、合闸角度的幅值。除此之外，它还具有自检功能，可根据需要监视断路器设备一、二次系统，发现具有缺陷的图层操作并且进行快速提醒，并且将修改后的图层进行提交保存，从而确保数据安全管理的同时数据能够得到永久保存。
4.5继电保护配置
继电保护配置主要是研究怎样在数字化基础上，有效体现变电站的二次设备冗余配置原则，具体需要考虑以下四方面：一是电子化感器二次侧的冗余，电子互感器二次侧经由采集器实现模拟量到数字量的转变，要保证可靠性，应多配置几个二次侧采集器，如配置三个二次侧，其中两个作为保护装置分别服务第一和第二套保护，第三个作为计量系统。二是智能操作箱的冗余，每个间隔配置两个智能操作箱，分别服务于第一和第二套保护，倘若要单独配置测控装置，那么第一套智能操作箱还应服务测控装置。三是过程层交换机的冗余，过程交换机的主要作用是传输模拟量SV以及状态量GOOSE，过程层有很多种组网方式，但所有组网方式都要以冗余原则为基础，换言之，服务于第一套保护装置的网络和服务于第二套保护装置的网络两者间要独立开来。四是间隔层保护装置的冗余，仍然坚持已有的保护装置冗余配置原则，如超过220kV的电压等级，应配置双套母线保护、双套线路保护以及双套变压器保护等。
4.6数字化变电站自动化系统结构
数字化变电站自动化系统主要由三部分构成，一是站控层，二是间隔层，三是过程层。各层之间借助过程总线（处理间隔层装置和智能化一次设备）和站级总线（解决变电层装置与间隔层装置之间的通信问题）实现通信连接。其中，过程层是一次设备和二次设备的结合面，具有在线监测并统计运行过程中电气一次设备的具体状态参数，如上送断路器等有关工作数据；实施并驱动远程控制以及有关操作命令。间隔层的作用就是收集并整理本间隔的实时数据信息，进行实施控制与保护，同时还能实现有关控制闭锁以及间隔级信息与同期操作之间的人机交互。最后变电站层是以两级高速网络归纳的全站实时数据信息为基础，不间断地更新实时数据库，把有价值的数据信息第一时间传递给电网调度中心或是控制中心，同时接收中心的有关控制命令并及时传递给间隔层和过程层。除此之外，变电站层还有人机联系、站内当地监控等作用。
5.总结
综上所述，为了保证变电站中各个设备能够安全运行，进而保证电力系统的正常运行，进行对数字化变电站的主要特征和关键技术的研究是非常有必要的。与此同时，变电站采用数字化运行手段将更少的依赖于常规的运行手段，将朝综合化、自动化方向发展，进而保证电力系统的安全高效运行。
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