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1 数字化变电站中的标准
为适应变电站自动化技术的快速发展，国际电工委员会（IEC）TC57工作组制定了目前基于通信网络的变电站自动化系统唯一的国际标准——《变电站通信网络和系统》系列标准（即IEC 61850系列标准）。该标准规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言，通过对变电站自动化系统中所有对象统一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口，来实现不同厂家设备间的互操作和数据共享，大幅度提高通信速度和可靠性。IEC 61850是电力系统向统一大信息平台迈进的基石性标准，也是电力系统变电站走向数字化的基础。
IEC 61850标准的目的既不是对在变电站运行的功能进行标准化，也不是对变电站自动化系统的映射分配进行标准化，而是尽最大可能地去使用现有的标准和被广泛接受的通信原理，通过对变电站运行功能进行识别和描述，分析运行功能对通信协议要求的影响，将应用功能和通信分开，对应用功能和通信之间的中性接口进行标准化，允许在变电站自动化系统的组件之间进行兼容的数据交换。
与传统的通信协议体系相比，在技术上IEC 61850具有如下突出的特点：应用面向对象建模技术；采用分层分布式的结构体系；使用抽象通信服务接口ACSI和特殊通信服务映射SCSM技术；实现智能电子设备间的互操作性；提供自我描述的数据对象及其服务；具有面向未来的开放的体系结构。
2 数字化变电站自动化系统的结构
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。在逻辑结构上可分为三个层次，根据IEC 61850通信协议定义，分别为“变电站层”、“间隔层”、“过程层”。各层次内部及层次之间采用高速网络通信。
变电站层设备由带数据库的计算机服务器、操作员工作站、远方通信接口等组成。变电站层的主要任务是通过高速网络汇总全站的实时数据信息，按既定规约将有关数据信息送往调度或控制中心，并接收有关控制命令转间隔层、过程层执行，同时还具有全站操作闭锁控制、站内监控、人机联系、设备在线监视、在线修改参数及变电站故障自动分析等功能。
间隔层设备以每个间隔单元为对象进行配置，由每个间隔的控制、保护或监视单元组成。间隔层的主要功能是汇总本间隔过程层实时数据信息，实施对一次设备保护控制以及本间隔的操作闭锁，实施操作同期、优先级控制，具有承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能。
过程层设备典型的有远方I/O、智能传感器和执行器。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，主要功能是：电力运行实时的电气量检测、运行设备的状态参数在线检测与统计、操作控制的执行与驱动等。
3 数字化变电站的关键性特征
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号网络取代传统的导线连接。换言之，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。
网络化的二次装置：变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、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，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
全站统一的标准平台：数字化变电站自动化系统的核心技术之一，就是变电站自动化系统的通信协议采用IEC61850标准。基于IEC 61850的全站统一的数据模型及通信服务平台以服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型和数据对象模型建立了变电站自动化系统中常用设备的统一数据模型，以满足装置互操作性要求。它将变电站系统明确地划分为变电站层、间隔层和过程层三层，给不同层间定义了清晰的接口。
自动化的运行管理系统：变电站运行管理自动化系统应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即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。
4 数字化变电站三阶段方案
建立数字化变电站自动化系统是电力系统现代化的必然趋势，但结合变电站现有的实际条件，并考虑到国内目前的技术现状，实现数字化进程，可以按方案考虑分三个阶段进行。
仅采用IEC 61850协议的过渡型数字化变电站：过程层单元和间隔层单元之间关系保持原样，在间隔层单元与变电站层单元之间实现IEC 61850连接，按照IEC 61850标准进行设备建模和信息交换。这种方案的优点是相比现有的变电站，数字化程度高，信息和通信符合最新国际标准，具有很好的互操作性。二次设备可通过在现有成熟的设备基础上完成，具有较高的实用性，便于现阶段在变电站推广和老站改造；缺点是变电站的间隔层和变电站层实现数字化，过程层仍是模拟信号设备，数字化不完整。
采用IEC 61850协议与数字化TA/TV的实用型数字化变电站：这种方案的优点是采用ECT/EVT，变电站的间隔层和变电站层全部数字化、过程层基本实现数字化。过程层的采样数据实现共享，节省电缆；ECT/EVT采用先进的光测量原理，抗电磁干扰和线性变换性能好。ECT/EVT在国内外的运行成功，是目前推广数字化变电站关注的焦点，具有示范价值；缺点是过程层的开关（SW/CB）控制仍是单独的信号回路。目前ECT/EVT在国内还不完全成熟，成本较高。
采用IEC 61850协议、数字化TA/TV、智能一次设备的完全型数字化变电站：这种方案的优点是变电站的间隔层和变电站层、过程层全部实现数字化。过程层的测量、监视和控制全部实现数字化、网络化。最终降低成本和提高可靠性，是今后变电站数字化的发展方向；缺点是数字式的开关（ESW/ECB），目前技术上还没成熟到试运行阶段，此方案目前暂时无法实施。
5 数字化变电站的优点
基于IEC 61850数字化变电站主要由网络化的二次设备、智能化的一次设备、电子式互感器构成，另外还有采用IEC 61850系统软件基础之上的各种应用功能。由于这些先进技术的应用，基于IEC 61850数字化变电站与传统的变电站相比，有着诸多优势。
5.1 IEC 61850标准技术优势
标准规范一致性。IEC 61850标准在MMS的基础之上建立一套适用于电力系统的通用通信接口ACSI，符合IEC61850标准的各个厂家产品可以非常方便的实现互操作。
简单直观。IEC 61850标准中每个数据均自带名字和数据类型，避免了传统规约中使用点号和数据包类型号带来的混淆。同时借鉴了面向对象编程思想，使得用户可以更加简单直观的读懂装置所传递的信息。
规约调试的工作量减少。IEC 61850强调了一致性测试，理想情况下各个不同厂家装置及后台系统可以无缝组网。
5.2 电子/光电式互感器
电子/光电式互感器改变了原来信息采样模式，以全数字化的方式输出信息，克服了传统互感器的诸多不足之处，如：磁饱和问题、铁磁共振效应、滞后效应、二次输出端开路导致高压危险、体积与重量较大、不易与后续数字设备连接等。光电互感器则截然不同，它无爆炸危险、无磁饱和、经由光路输出，无二次输出端开路导致高压的危险，因此可在不切断一次电流情况下维修二次电路。电子/光电式互感器体积小、重量轻、不易受电磁干扰、易于与后续数字设备连接、测量精度高等。
5.3 智能化开关设备
智能开关的出现使跳合闸命令和信号量实现数字化传输，节省了传统方案一次设备和二次设备之间的大量电缆，取而代之的是少量的光缆，避免电缆带来的电磁兼容、传输过电压和两点接地等问题。原来冗余控制回路得以简化和优化，取消了一次和二次之间的大量的端子排连接设计，简化了设计工作，同时也降低了二次回路发生故障的概率。
5.4 技术和经济意义
在技术上，可以减少设备的退出次数和退出时间，提高设备的使用效率；避免信号传输和处理过程带来的附加误差，提高保护、测量和计量系统的精度；减少自动化设备数量，简化二次接线，提高系统的可靠性；设备具有互操作性，方便设备的维护和更新，提高工作效率；方便变电站的扩建及自动化系统的扩充。
在经济上，可以实现信息在运行系统和其他支持系统之间的共享，减少重复建设和投资；减少变电站寿命周期内的总体成本，包括初期建设成本和运行维护成本。
6 当前存在的不足
目前运行的数字化变电站虽然没有达到完全的数字化，但基本上达到了人们的要求，同时也还存在许多需要改进的地方。
电子/光电互感器目前的精度还有待提高，环境变化特别是温度的变化对其影响较大，稳定性方面还有很多工作要做，使用寿命也是需要考量的重要指标。
IEC 61850标准的满足程度存在问题。很多厂家都声称自己的设备是遵循IEC 61850标准开发的，但不同厂家产品在互联时还是存在不少问题，这是产品在执行标准时不规范所造成的，所以，要真正实现即插即用、互联互通还有很长的路要走。
7 结束语
基于IEC 61850的数字化变电站技术是变电站自动化技术未来的发展方向和趋势。建设数字化变电站的最终目的是发挥数字化的优势，提高电网运行可靠性。目前我国数字化变电站应用还处于起步、探索阶段，虽然一些基于IEC 61850通信协议，信息采集、传输、处理实现了数字化的变电站已陆续投产挂网运行，但距离真正意义上的数字化变电站大规模实用化阶段还有很大的差距，还有很多问题需要探讨，IEC 61850规约还需要不断地完善，实际运行中还会遇到这样那样的问题，我们只有在实践中不断积累经验，不断改进和完善我们的设计，把监控、保护、调度等多个专业综合起来，才能最终实现信息全系统共享的目标。
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