（电路与系统专业论文）基于tms320f2812的数字化变电站测控装置的设计.pdf

ii 摘 要 随羞我国经济的快速增长，电能需求量的不断增加，电压等级不断提高。电力用户对供电质 量要求也越来越高，采用传统的变电站及其测控技术，越来越难满足变电站综合系统自动化技术 的发展要求。为使电力系统更加稳定、可靠地运行，研制和开发新型的变电站自动化装置更新、 改造传统变电站的二次系统具有重要的理论和现实意义。同时在我国智能电网的推动下，数字化 变电站已成为新建变电站的主流，而数字化变电站的建设对其测控装置也有了更高的要求。大规 模集成技术的进一步发展，也使数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ，d s p ) 已经取代了 单片机作为控制器的核心来提高装置的性能。其强大快速的运算、处理和运行能力，满足了电力 设备对实时性和处理算法复杂性的要求。 本文以数字化变电站新型测控装置的开发为目的，主要工作： 首先全面总结了数字化变电站及其测控装置的发展现状，充分考虑到电子式互感器和 i e c 6 1 8 5 0 标准在数字化变电站中的应用，对变电站测控装置的影响，系统的分析了数字化变电站 的技术特征和测控装置的工作原理。 其次针对数字化变电站的发展，对其测控装置提出的新的功能要求，提出了基于 d s p 的解决 方法和实施方案。利用当今快速发展的 d s p 技术，以 t i 公司推出的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 （3 2 位高性能 d s p 芯片）作为核心控制芯片，实现数字化变电站测控装置数据的采集与处理功能，对测控装置 数据处理模块、数据采集模块、开关量处理模块等进行了模块化设计。 再次结合 i e c 6 1 8 5 0 标准，对测控装置的通信模块，采用 d s p通过以太网控制器 r t l 8 0 1 9 a s ， 按照 i e c 6 1 8 5 0 - 9 - 1 将过程层数据打包好的电流/ 压数据以 i e e e 8 0 2 . 3帧格式发送至以太网。同理 测控装置与站控层设备的通信也采用以太网按照 i e c 6 1 8 5 0 - 8 标准完成数据通信。 最后对测控装置的主要控制功能，如同期功能、v q c 补偿、防误闭锁功能的研究。 关键字：数字化变电站，测控装置，tms320f2812，以太网 iii abstract with the rapid growth of our economy，increment of the demands of electric power, enhancement of the voltage levels. so the power users have an increasing requirements for quality of electronic, however it is difficult to meet the needs of the development of transformer substation comprehensive automation by the traditional substation and its measurement and control technology. it has a further effect and theatrical meaning to develop and exploit new substation automation updating、rebuilding of the traditional second system to guarantee the power system stably and credibly, meanwhile, at the impetus of the smart grid, the digital substation become a new mainstream, and it s high demanding for the test and control device to construct digital substation.with the further development of large- scale integration technology, digital signal processor (dsp) has become the core of controller to improve device performance replacing of the single chip microcomputer, its powerful and fast operational capacities meet the requirements for real- time of electrical equipment and complexity of processing algorithm. in the purpose of developing new test and control device of digital substation, this paper is composed as followed: firstly, summarizes the present situation of digital substation and its device comprehensively, taking the effect imposed by the application of electronic transducer and iec61850 standard into consideration, analyzes the feature of digital substation and principal of the test and control device systematically. secondly, in view of the new function demands to develop the digital substation for the test and control device, puts forward a solution based on dsp, taking advantage of the current dsp technology, making the tms320f2812(32 unit high performance chip) as core control chip produced by the ti company, to accomplish the data accessing and processing of the device, and have a modular design on the data processing and accessing, switch processing model respectively. thirdly, combining with the iec61850 standard, adopts dsp through ethernet controller rtl8019as with the communication module, sends the current/voltage data packed by the process layer as a standard of iec61850- 9- 1 as a mode of ieee802.3. besides of the test and control device as well as the equipment communication. lastly, implements the main function of the device such as synchronous function,vqc compensation. key word: digitized substation, measurement device, tms320f2812, ethernet 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间： 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 研究生签名： 时间： 年 月 日 导师签名： 时间： 年 月 日 宁夏大学硕士学位论文 第一章 绪 论 1 第一章 绪论 1.1 数字化变电站测控装置研究的背景和意义 变电站是电力系统不可或缺的重要环节，担负着电网运行中电能的转换、分配、控制和管理 的任务，对电网安全和系统经济运行起着举足轻重的作用。目前我国电网容量的逐年增加，电力 系统的运行管理变得更加复杂。为了电力系统的安全性、可靠性和经济性，调度中心需要及时准 确地掌握电力系统的整个运行情况，对各变电站实时数据进行分析，作出正确的判断和决策。如 出现故障必须要及时采取相应的措施，处理事故和异常情况，以保证电力系统地可靠运行。随着 微处理机、测量、控制及通讯等技术在变电站自动管理化中的应用，促进了数字化变电站的发展， 提高变电站运行的经济性和可靠性，并成为当下变电站建设的主流。在数字化变电站中，计算机 监控系统或调度中心需要变电站各种实时信息，这些数据信息主要通过测控装置来获取，同时也 可通过测控装置下达对断路器、隔离开关、放电回路等设备操作命令。并且利用测控装置还可对 有载调压变压器调压、同期合闸数据运算及辨别并实现对其控制，还要实现与站控层设备或过程 层智能设备进行通讯等任务。因此测控装置除了要向变电站监控系统或调度中心提高大量准确的 实时信息，具有较强的的数据采集和处理能力以外，还应具备良好的控制能力。 近年来，我国变电站综合自动化技术的发展取得了很大进步。很多企业推出了具有自主知识 产权的产品，在繁荣了变电站自动化产品市场的同时，由于没有形成统一的标准、规范，使得变 电站自动化系统设备数据通信网络和通信协议比较混乱1。各个厂家在变电站设备通信网络上使 用的不同的通信协议，造成不同厂家生产的变电站设备间互不兼容，因此为了保证设备之间的互 操作性，需要购置通信协议转换装置，这样会增加了系统的复杂性、系统的可靠性降低、成本增 大。国际标准化组织（iec）在充分考虑到变电站自动化系统的功能和发展要求，尤其是互操作 性要求的基础上，制定了一套基于通用网络通信平台的变电站自动化系统国际标准iec61850 标准2。它的制定改变了传统变电站自动化系统封闭式的结构，实现了变电站各设备间的互操作 (interoperability)，这就需要变电站设备能够满足 iec61850 系列标准，实现变电站各设备间的数 据通信信息共享。数字化变电站的建设和 iec61850 系列标准的制定，对其测控装置要求收发通 过网络传输的数字采样值和开入开出信息，与现有的测控装置在结构上有很大的区别。传统的变 电站及其测控技术已经不能满足变电站的发展需求。 随着大规模集成电路的发展，数字信号处理器( dsp) 在功能、处理速度和处理能力方面都取 得了划时代的突破，并广泛应用在数据通信、语音信号处理、自动控制等领域中。国内外并且基 于 d s p 的测控技术的研究已相对成熟。相比较而言，采用 dsp3数据处理能力强、执行指令速度 快，更能满足数字化变电站测控装置对实时性、可靠性、运算精度和准确性的要求。 因此综上所述，在数字化变电站建设的这一过渡过程中，设计即兼容现有变电站综合自动化 系统又能方便应用于全数字化变电站的新型测控装置，使其能够更好的满足变电站自动化系统安 全性、可靠性、实时性、灵活性要求、更加智能并且易于安装及维护的测控装置的研究对电力系 统的安全、可靠地运行有十分重要的理论意义和现实意义。尤其数字化变电站测控装置以 dsp 为控制核心，以强大的通信网路为支撑实现变电站各部分信息的数据共享的新型测控装置的研究 更具有深远的意义。 宁夏大学硕士学位论文 第一章 绪 论 2 1.2 变电站测控装置的发展现状 1.2.1 国外数字化自动化技术的发展 20 世纪 70 年代，国外就开始了变电站综合自动化系统技术的研究。80 年代初，分散式变电 站自动化系统问世；1985 年在德国汉诺威投入运行了西门子( siemens) 公司的第 1套全分散式 变电站自动化系统 lsa678； 至 1993 年初已有 300 多套系统在德国及欧洲的各种电压等级的变电 站运行。1998 年到 2000 年间，abb和 siemens 合作在德国进行了 ocis 计划，完成了变电站 间隔层和站控层设备之间的互操作试验：其中由 abb通过在以太网上实现 iec61850- 8- 1 来连接 站控层设备。在加拿大 2001 年，两家公司又进行了间隔层设备的互操作试验，并由 siemen 的 保护装置向开关模拟器发送跳闸信号，将开关打开并将其信息发给其他装置以配置为重合闸装置 向断路器发送重合命令实现变电站保护功能。西门子输配电集团于 2004 年 11 月在瑞士承建了运 用 iec61850 标准的第一个数字化变电站综合自动化系统，到 2005 年该公司在全球的第 100 个 iec61850 工程程实例，在上海南桥 500kv 变电站自动化系统顺利投入运行。到 2 0 0 7 年，该公司 已经销售了 12000 台具备 iec61850 标准的装置， 在全球建成了 300 多项 iec61850 标准的数字化 变电站工程。其中 abb公司也在全球完成了基于 iec61850 的变电站自动化系统工程几十项。在 智能化设备的研发方面也比较先进。 1.2.2 国内数字化变电站技术的发展 我国的变电站自动化技术起步较晚。90 年代初，我国的电力企业才开始在中、低压变电站中 实行无人值守、减员增效的措施。近几年来，随着大规模集成电路技术和通信技术的应用极大地 促进了变电站综合自动化技术的发展，极大地提高了电力系统建设的现代化水平，也为数字化变 电站的建设打下良好的基础。2000 年以后中国电科院以及南瑞、南自、四方等公司逐步开设了专 门的机构研究 iec61850 标准与数字化变电站的发展 3 - 4 。从 2004 年底开始，国网公司已将“基 于 iec61850 的变电站自动化系统”列入我国电力重点应用新技术目录，并牵头组织了四次 iec61850 标准的互操作试验，国内有 9 家主要的变电站自动化生产厂商参与了此试验。近几年 来，大规模集成电路技术和通信技术的应用极大地促进了变电站综合自动化技术的发展，随着高 性能单片机及微处理器的问世，加上网络技术、现场总线技术的出现，使变电站综合自动化尤其 是数字化变电站的研究进入了高潮。 2006 年 3 月，云南曲靖 110kv 翠峰变电站顺利通过验收，并投入运行，该站是我国首座全 数字变电站，一/ 二次设备间完全采用符合 iec61850 标准的光纤通信技术。随后，国电南瑞和许 继等公司也积极开展了基于 iec61850标准的变电站自动化系统的研究和设备研发工作。 2006 年， 由国电南自公司研发的并新建了第一个 110kv 数字化变电站在西安投运。随着技术的不断进步 和完善，我国数字化变电站的试点建设已经有了相当数量，我国已经先后建成，郑州 110kv吴河 变全数字化变电站，110kv福州会展中心变，220kv 黑龙江延寿变，唐山郭家屯 220kv 数字化变 电站等工程，尤其是国内首套由国电南瑞研制应用 iec61850 标准的北京顺义 500kv 变电站自动 化系统通过出厂验收，标志我国自主研发能够满足 iec61850 标准的高电压等级变电站自动化系 统获得基本成功，标志着我国变电站数字化研究迈上了新的台阶。 宁夏大学硕士学位论文 第一章 绪 论 3 随着我国经济的增长，我国电能资源供需矛盾日益突出，导致电力供应结构性的矛盾，迫切 需要我国即“西电东送、南北互供、全国联网”之后，加快智能电网和数字化变电站技术在电力 系统中的应用。 2009 年 11 月 18 日在北京，举办的“智能电网与数字化变电站应用技术高级论坛” 上，业内人士及专家纷纷表示： “智能电网是电力工业将来的发展方向。在智能电网规划的推动 下，未来数字化变电站将成为新建变电站的主流” 5 。数字化变电站数字化技术在变电站综合自 动化系统中应用的产物，是电网基础运行数据的采集源头和指令执行机构，是智能电网建设的重 要环节。实现智能电网的前提条件就是变电站数字化，因此数字化变电站的建设有利于实现电网 的科学化管理与决策，有助于改善电力系统的安全稳定性。同时，智能电网的提出必然加快我国 数字化变电站的建设进程。在智能电网建设的大背景下，数字化变电站快速发展是必然趋势 5 。 在智能化电气的发展，特别是智能开关、电子式互感器一体化设备的出现，将大大提高了数字化 变电站的现代化水平，并增强输电配电以及电网调度的可靠性。 1.2.3 宁夏数字化变电站的发展 宁夏电力公司投资建设的第一座数字化变电站是银川市海宝 110 千伏数字化变电站， 于 2008 年 3 月 1 日开工建设，12 月工程全部完成并通过内部验收，2009 年 5 月 20 日正式投入运行，工 程投资共计约 3310 万元。该站采用全户内布置方式，主变落地式安装，两台主变压器容量均为 50000kva 1 5 。站内设 10 千伏配电室、电容器室、110 千伏 g i s室、电气二次设备室、接地变室、 主变压器室等设备间。 2010 年 9 月 30 日，330kv 蒋家南数字化变电站顺利投入运行，该站在宁夏宁东能源化工基 地，它是严格按照国家电网公司智能化变电站设计规范要求建设的一座智能化变电站 1 4 。该工程 是宁夏第一座高电压等级的无人值守变电站 6 。330kv 系统：远景出线 10 回，本期 4 回；主变压 器进线远景 2 台，本期 1 台。本期 330kv 配电装置 4 回进线，安装2 台主变压器，共有6 个元件， 采用 11 台断路器。全站建立在iec 61850 通信规范的基础上，按分层分布式原则来实现变电站内 智能电气设备间的互操作和信息共享，从过程层、间隔层以及站控层实现了全数字化。 宁夏， 在330kv蒋家南变电站投运的基础之上， 现已开工220kv石嘴山智能化变电站和330kv 镇罗变电站，二者均完全按照数字化变电站的技术特征进行设计，标志宁夏电力公司在数字化变 电站的建设中迈出了坚实有力的一步。 1.2.4 变电站测控装置的现状分析 随着变电站综合自动化技术的发展也带来了变电站测控装置的发展。变电站测控装置经历了 由: 电磁式、晶体管式、数字式再到微机式四个发展阶段。变电站综合自动化系统作为电力系统 自动化中的重要组成部分，来实现高效、准确的测控功能，良好的通信网络实现信息共享至关重 要。测控装置与变电站内各智能设备( ied) 互连，集测控、保护、通信故障分析于一体的综合微 机测控装置在数字化变电站中出现 7 ，不但减少了一次设备维护的费用及控制设备数量和控制费 用，而且提高变电站整体的可靠性和稳定性。 到目前为止，国外各大电力设备公司如 abb、siemens、harris 等公司，都陆续地推出 变电站自动化系统的系列化产品，新建变电站大部分采用了全数字化的二次设备；我国研制的变 宁夏大学硕士学位论文 第一章 绪 论 4 电站数字化保护设备及调度自动化系统的技术成熟并且应用广泛，其测控装置己被电力用户接受 并广泛使用，但是在实际的工程中变电站测控装置尚存在以下一些问题，主要有 6 、1 0 : 整个测控 装置的功能实现是以一种功能“拼凑”方式构成的，缺乏系统化设计，使整个装置的性能指标不 高；远动、计量和当地监测系统所用的变送器各自设置，加大了传统互感器的负载，会造成数 据测量的不一致性的同时也增加了装置投资；远动装置和微机监测系统一个受制于调度所，一 个是服务于当地监测，没有做到资源共享，增加了投资且使现场造成复杂性，影响系统的可靠性。 装置的各接口的通信规约缺乏规范性，不同厂家生产的产品互联兼容性差，导致各系统的联调时 间长，对系统运行维护带来极大的不便。 近年来，变电站测控装置的结构也已由原来的集中控制型，逐步过渡到功能分布、模块化的 分散网络型，并通过采用现场总线或以太网实现主控室与间隔间的通信，从而提高了系统的可靠 性与可维护性。由于数字化变电站对测控装置的数据处理以及控制操作能力的要求更高，采用单 一的单片机或微处理器作为测控装置的控制器核心显然不能满足要求。所以，目前由 d s p 测控技 术在数字化变电站中的应用，使得测控装置的性能有了很大的提高。随着变电站技术的发展，微 机化已成为数字化变电站测控装置的主导，通过功能组合形成网络化、数字化、集成化和智能化 5 的数字化变电站测控装置必然趋势。 1.3 课题研究的内容 本文研究的主要内容有:广泛收集并大量研读了国内外关于数字化变电站自动化系统以及现 代测控技术的相关文献资料，了解了数字化变电站测控装置的国内外研究现状，明确开展本课题 的意义。并通过数字化变电站测控装置的功能要求， 确定采用基于 dsp 技术，选择tms320f2812 芯片作为测控装置的主控制器。并在此基础上，结合 iec61850 标准，研究了测控装置各部分功 能模块的实现方案。 论文主要完成的工作是： 全面总结了数字化变电站及其测控装置的发展现状，系统的分析了数字化变电站的技术特 征和测控装置的工作原理。针对数字化变电站的发展，对其测控装置提出的新的功能要求，提出 了相应的相应的解决方法和实施方案。 以有源电子式互感器结构和工作原理进行分析，充分考虑到电子式互感器在数字化变电站 应用对测控装置的影响，并对二者的数字化链接模型进行了研究，采用了基于 d s p 的实现方案。 利用当今快速发展的 dsp 技术，以 t i 公司推出的 tms320f2812 （32 位高性能 dsp 芯片） 作为核心控制芯片，以实现数字化变电站测控装置数据的采集和处理功能，对测控装置数据处理 模块、数据采集模块、开关量处理模块等进行了模块化设计。 比较变电站常用的网络通信技术，结合 iec61850 标准，对测控装置的过程层通信模块， 采用 d s p 通过以太网控制器 rtl8019as， 按照 iec61850- 9- 1 打包好的电流电压数据以 ieee802.3 帧格式发送至以太网的方法。同理测控装置与站控层设备的通信也采用以太网按照 iec61850- 8 标准完成数据通信。 对测控装置的同期功能、v q c 补偿、防误闭锁功能进行了研究。 宁夏大学硕士学位论文 第二章 数字化变电站的技术特征 5 第二章 数字化变电站的技术特征 2.1 数字化变电站的的关键技术 数字化变电站技术是我国电力系统研究的热点，尽管国内有学者和研究机构在专业期刊上 探讨数字化变电站的发展时，提出过“数字化变电站”的专业名词解释， 但是到现在为止国内 外始终没有形成 “数字化变电站”的完整定义。 就目前而言数字化变电站是：变电站自动化系统发展的一种概况说法 7 ，它是由智能化的一 次设备和网络化的二次设备组成，将物理设备虚拟化，以变电站一次和二次系统为数字化对象， 对数字化信息进行统一建模，全站采用标准化的数据模型和网络通信平台，并在此平台的基础上 实现智能化设备( ied) 间信息共享和互操作的，满足变电站安全、经济、稳定、可靠运行的现代 化变电站。数字化变电站最主要的技术特征就是采用 iec61850 标准、具有智能化的一次设备和 网络化的二次设备以及数字化数据通信。与传统的综合自动化变电站相比，数字化变电站具有： 高安全性、高可靠性、高性能和高经济性，其技术含量高，具有节能、环保、节约社会资源等多 重功效。 2.1.1 iec61850 标准 iec61850 标准是国际电工委员会 tc57 工作组制定的, 关于变电站通信网络和系统的系 列标准。它是变电站自动化系统基于通用网络通信平台的唯一国际标准 8 ，在数字化变电站的建 设过程中, 采用 iec61850 是数字化变电站必然选择。 总体上来说 iec61850 标准的特点为 8 ：还按功能将变电站自动化系统分为 3 层两网：即变 电站层（站控层） 、间隔层和过程层，在变电站层与间隔层之间的网络称为站控层网络，它采用 抽象通信服务接口，映射到制造报文规范( mms) 、传输( tcp/ip) 以太网；在间隔层与过程层之间 的网络称为过程层网络， 采用单点向多点的单向传输以太网； 根据电力系统生产运行过程的特点， 制定出满足变电站各种信息传输要求的服务模型并传输采样测量值；采用抽象通信服务接口以适 应通信网络技术迅速发展的要求（它不仅规范了保护、测控装置的模型和通信接口，而且定义了 电子式电流电压互感器、智能断路器、智能开关等一次设备的模型和通信接口。变电站内的智能 电子设备( ied） ，如测控装置和保护装置均采用统一的协议, 进行信息交换） ；iec61850 标准采用 面向对象建模技术，面向设备建模和自我描述，以适应应用功能的扩展和需要，解决了系统产品 的互操作性要求和协议的转换问题，还可以使变电站自动化设备具有自诊断、自描述和即插即用 的功能，方便了系统的集成，降低了变电站建设的工程费用；定义并传输元数据，扩充数据和设 备管理功能；采用配置语言，在信息源定义数据和数据属性；另外该系列标准还包括变电站通信 网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等内容。 在我国采用 iec61850 标准按照变电站所要完成的测量、控制和保护等功能，提供了完整的 信息模型及相关服务，它使系统安全稳定运行水平提高，节省了检修维护的人力物力、实现了互 操作性。因此数字化变电站的通信系统是基于 i e c 6 1 8 5 0 标准建立的。 宁夏大学硕士学位论文 第二章 数字化变电站的技术特征 6 2.1.2 智能化的一次设备 随着电网容量和电压等级以及用户对供电质量和可靠性要求的不断提高，在传感器、电力 电子和通信等技术的日渐成熟，一次设备的自动化、智能化成为发展趋势，其控制输入与信号输 出均被数字化并利用网络通信技术进行传输。目前，智能化的一次设备主要体现在光电/ 电子式 互感器和智能化断路器的应用和发展上 9 。 国际上将有别于传统的电磁型电流/ 电压互感器的新型互感器统称为非常规互感器。其中基 于电光效应的互感器称为光学电压电流互感器 ，其余泛称为电子式电压电流互感器。光电/ 电子 式互感器与电磁式互感器相比优点是：无磁饱和、无铁磁谐振、绝缘简单可靠、体积小、重量轻、 综合成本低；可以输出低压模拟量和数字量信号，方便地与数字式仪表、微机保护和测控装置连 接。实现计量、控制、保护和数据传输的功能，满足电力系统数字化、网络化和智能化的需要； 具有较强的抗电磁干扰能力、测量频带宽、动态范围大等特点。电子式互感器的使用对变电站自 动化系统的影响主要体现在: 由于电子式互感器稳态精度和暂态精度都很高( 能达到 0.2s) 1 1 ，具 有无饱和特性，不仅满足电力系统精确计量的要求，而且使保护的灵敏度、快速性显著提高，能 够有效传变非周期分量的特性，还促成了变电站整体保护性能的提高。另外由于电子式互感器测 量的信号采用光纤传输系统，避免了信号的电磁干扰问题；同时电子式互感器输出，使间隔层设 备如测控、保护等装置不再需要二次 vt/ct、a/d 转换，简化了 ied 设备在间隔层中的硬件结构 也提高了系统整体的经济性。同时电子式互感器测量信息经光纤传输，避免了模拟信号测量电缆 的使用，且易于实现测量信息的共享。在后面的章节中，非常规互感器对数字化变电站的影响， 在测控装置的设计中充分体现。 智能化断路器采用以单片机或微处理器为核心, 实现断路器智能化控制的智能控制器。它不 仅具备传统断路器的各种保护功能，同时还可以对电路进行在线检测、测量、自诊断、实验、以 及通信功能等。能够实现按电压波形精确控制跳合闸的角度和时间，减小了暂态过电压幅值；能 够检测变电站中断路器开断前后的各种工作状态信息，并储存在存储器中；能够自动的选择调节 操动机构和灭弧室状态相适应的工作条件；并且在轻载时能以较低的分闸速度开断，而当系统故 障时又能以较高的速度进行开断。 另外智能断路器的信息由断路器内部微机直接处理， 独立执行， 而不依赖于变电站的其他控制装置。 2.1.3 网络化的二次设备 变电站内的二次设备包括：继电保护装置、测控装置、故障录波装置、远动装置、防误闭锁 装置以及在线状态监测装置，由于这些设备处在变电站间隔层，所以数字化变电站网络化的二次 设备主要是指变电站间隔层设备的网络化，间隔层与过程层、站控层设备间均通过高速通信网络 交互信息。由于过程层设备数字化，常规间隔层设备的开入/ 开出、模拟量输入等外部接口均被 通信接口所取代。在数字化变电站中二次设备全部基于标准化和模块化的微处理器设计来制造， 避免了常规功能装置重复的 i/o 现场接口。二次设备之间都采用高速的网络通信连接，通过通信 网络真正实现变电站的资源共享。 宁夏大学硕士学位论文 第二章 数字化变电站的技术特征 7 2.1.4数字化数据通信与自动化运行管理 数字化变电站一、二次设备之间的数字化的数据通信是指：利用计算机网络通信技术， （如 交换式以太网） ，实现信息的就地采集与数字化传输。数据通信简化了传统变电站综合自动化系 统电缆接线的错综复杂，并通过一次设备信息的共享，可以实现对保护、测控和计算等功能进行 优化组合以及系统集成。 一、二次设备之间的数字通信主要有：电气量采样的数字化信息传输给保护测控等二次设 备；保护装置状态信息、故障检测及报警信息的数字化传输；智能变压器报警信息、环境温度等 信息的数字化传输。要使变电站一、二次设备之间实现全数字化通信，变电站内智能设备的数量 会急剧增加，功能更加集成，因此要实现全站设备间的互操作性，变电站设备必须采用统一的数 据建模，使用统一的数据通信平台。随着变电站自动化技术的发展，形成了至今为止最为完善的 变电站自动化的通信标准 iec61850 标准。 2.2 数字化变电站的结构 根据 iec61850 通信协议，数字化变电站自动化系统分为三层分别为过程层、间隔层、站控 层，各层次内部及层次之间采用高速网络通信。整体结构如图 2 - 1 所示。 远方调度 站控单元人机界面通信控制器变电站层 站控层总线 局域网接口装置 星形耦合器 间隔数据 采集和处 理装置 间隔数据 采集和控 制装置 间隔保护 装置 间隔i 间隔层 过程层总线 开关控制 模块 数字式断路器 控制单元 合并 单元 过程层 智能过程设备 局域网接口装置 星形耦合器 间隔数据 采集和处 理装置 间隔数据 采集和控 制装置 间隔保护 装置 间隔n 开关控制 模块 数字式断路器 控制单元 合并 单元 智能过程设备 图 2- 1 数字化变电站系统组成框图 2.2.1 过程层 过程层是一次设备与二次设备的结合面，主要包括非常规互感器、智能断路器和智能开关等 设备。过程层主要功能是实现：电力运行设备的实时电气量检测、状态参数检测以及操作控制执 宁夏大学硕士学位论文 第二章 数字化变电站的技术特征 8 行与驱动 9 。 电力运行设备的实时电气量检测，主要包括电流电压的幅值、相位以及谐波分量的检测。 需要对变电站主要设备，如变压器、断路器、隔离开关等进行状态参数检测。在线检测的 主要内容有温度、压力、密度、机械特性以及工作状态等数据。 操作控制的执行与驱动包括有对断路器/ 隔离开关分合、电容/ 电抗器投切、变压器分接头 调节以及直流电源的充放电控制。 2.2.2 间隔层 间隔层设备主要包括测量、控制、保护、计量装置以及与接入其它智能设备的协议转换设备。 间隔层的主要功能是：汇总各间隔内过程层传送的实时数据信息采集和本间隔防误闭锁、同期操 作，并实现对一次设备保护、控制功能以及其它功能 9 。对数据采集、处理运算及控制命令的发 出具有优先级控制; 具有承上启下的通信功能，即可以同时高速完成与过程层及站控层的网络通 信。按间隔对象配置测控、保护、计量装置以及与接入其它智能设备的协议转换设备。单间隔设 备有线路测控、保护、计量装置，跨间隔设备包括母线保护、变压器保护设备等。 数字化变电站间隔层设备的保护和测控装置与常规变电站不同主要体现在硬件设计上，取消 了原有的模拟插件、开入/ 开出插件和保护硬压板；增加了网络通信接口插件，直接采用光纤连 接方式与过程层设备通信；保护屏上除了接电源线以外，常规端子被通信线缆取代。 2.2.3 站控层 站控层是数字化变电站综合性的监控及信息传输平台，其主要功能是 1 2 ：通过两级高速通信 网络汇总全站的实时数据信息，刷新数据库实时信息，按时登录历史数据库；按规约将相关数据 送入上层调度中心；能接收调度中心有关控制操作指令，并将指令传送给间隔层、过程层执行； 具有对间隔层、过程层诸多设备的在线监测、维护、在线组态以及在线修改参数的功能；具有在 线可编程的全站操作闭锁控制功能；具有站内就地监控和人机界面，如显示、打印、报警等多媒 体功能。 数字化变电站站与常规变电站站控层的各设备在功能实现方式上有很大区别。传统变电站在 站控层的电量远传、保护信息管理以及防误闭锁均是由单独的硬件构成，但数字化变电站中不在 单独配置硬件设备， 而是各系统功能有效的集成， 主服务器的功能除了远动功能还是直采直送外， 功能更加强化，均由主服务器来完成信息的采集运算处理，这样不仅可以充分利用主服务器的计 算能力，而且减少了各系统间的接口配合，提高了系统可靠性。操作员站只调用主服务器处理后 的数据，并从站控层信息安全角度考虑，设置通信网络物理隔离装置及网络防火墙，通过专用网 络向相关部门传送保护及电量数据。 与传统的变电站相比具有四个优点：高安全性、高可靠性、高性能和高经济性 9 。 （1 ）高安全性： 数字化变电站电子式感器的应用， 避免了油互感器或 s f6互感器的渗漏问题， 减小了系统运行维护工作量，提高了系统的安全性；电子式互感器高低压部分的光电隔离，避免 了传统变电站中电流互感器二次侧开路和电压互感器一次侧短路可能带来的安全的问题；变电站 采用光缆传输代替传统的电缆传输，避免了电缆端子接头松动、发热、开路和短路的危害，提高 宁夏大学硕士学位论文 第二章 数字化变电站的技术特征 9 了变电站整体的安全运行水平。 （2 ）高可靠性：数字化变电站设备自检功能强，合并单元收不到数据会自动判断通讯故障 或互感器故障发出警告，不但提高了运行的可靠性，而且减少了运行人员的工作量。 （3 ）高性能： 变电站采用电子式互感器无磁饱和， 精度高， 暂态特性好； 变电站采用 iec61850 标准通信，通信规约统一不需要进行转换，加快了数据通信速度，降低了系统的复杂度，提高了 通信系统的整体性能；变电站数字信号用光纤传输避免了传统变电站电缆传输带来的电磁干扰、 信号衰减和失真；去除了 lc 滤波网络，无谐振过电压；传输和处理中不会产生附加误差，提高 了测量、保护和计量的精度。 （4 ）高经济性能：在数字化变电站用光缆代替传统电缆，简化了电缆层、电缆防火、电缆 沟，并且自动化调度的工作量减小，在降低了系统运行和维护成本的同时，也缩短了工期，减少 重复建设和投资。 2.3 数字化变电站测控装置的功能 2.3.1 测控装置的功能 根据 i e c 6 1 8 5 0 标准，数字化变电站测控装置是面向间隔层设计的，根据变电站自动化系统 的要求，测控装置除了应该具有原测控装置的功能，实现交流量数据采集与处理、数据管理与存 储功能、开关量的输入/ 输出、人机交互功能、就地操作控制功能，网络通信以及故障定位功能 以外，还能够适应数字化变电站自动化系统的发展，使其更好地在电力系统高压或超高压中实施 完成如下功能：各种信号（电气量、非电气量）的采集及处理，满足测量精度要求，能够将监测 的开关量实时有效地将信息传送给后台监控装置，能够实现对智能断路器、隔离开关、无功调压 等设备进行就地控制，同时也可以接收传输后台或调度中心的网络遥控指令；计算出电压/ 电流 的幅值、相位及线路的有功/ 无功功率、系统运行的频率等，并能够越限告警；对智能断路器、 隔离开关等设备进行控制操作，实现防误闭锁操作判断，并能与站控层集中式防误闭锁系统相结 合，根据现场需要实现全站或部分防误闭锁功能；通过变电站测控装置还能够对有载调压变压器 进行调压、同期合闸数据运算和辨别并实现对其控制；并与站控层设备和过程层 ied 设备接口进 行通讯，能实现通信转发及规约转换；最后在数字化变电站中测控装置还能