淺談智能電網和智能變電站的技術

摘要：隨著中國經濟社會高速發展，電力需求日益增長，中國電力工業建設進入快速發展時期，在中國能源資源分布、經濟發展不均衡，大跨距、大容量輸電的背景下，國家電網公司提出了建設堅強智能電網，其承載著降低能耗、科學發展和有效利用能源、推動新興產業技術進步的使命。文章簡要分析了智能電網的概念、特性，重點研究了智能數字變電站相關技術。其中數字變電站部分首先分析研究了數字變電與傳統變電站的區別，重點分析了數字變電站的主要技術特征與系統結構，最后對智能電網的發展前景進行了展望。

關鍵詞：智能電網；數字化變電站；IEC61850

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1006—8937（2012）23—0135—02

1 智能電網的定義與特點

根據中國電力科學研究院胡學浩副總工程師在2009年舉辦的清潔能源國際峰會中的發言所提到智能電網概念，可以定義成：首先要有測量傳感系統，通過通訊、信息系統，把這個信息傳遞到調度控制部門，然后再有一些先進的計算機技術和控制技術，對智能電網進行控制，所以它是有先進技術和物流電網最好的集成，說得通俗一點，智能電網就是智能加電網，智能比較偏重于二次系統，電網偏重于物理系統。

智能電網（smart power grids），就是電網的智能化，也被稱為“電網2.0”，它是建立在集成、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標，其主要特征包括自愈，激勵和包括用戶，抵御攻擊，提供滿足21世紀用戶需求的電能質量，容許各種不同發電形式的接入，啟動電力市場以及資產的優化高效運行。

1.1 數字化變電站與傳統變電站的區別

傳統變電站與數字化變電站的物理結構幾乎沒有差別，兩者的功能和接口結構以及系統運行則具有完全不同的特性。傳統變電站功能完成和信息傳遞同連接和設備物理結構限定，而數字化變電站則完全通過網絡來分配和交換信息，兩者存在巨大差異。因此在建設、運行、維護和管理等方面，數字化變電站有其獨特的優勢，傳統變電站與數字化變電站兩者存在主要差別在于：

①智能終端就地化，減少二次電纜使用量，取而代之為光纜。

②跳閘方式發生了變化，保護裝置出口采用軟壓板方式進行投退。

③程序化操作，IEC61850的應用使保護等二次設備具備遠方操作的技術條件。

④二次系統網絡化，安全措施發生變化。

⑤自動化、保護專業逐漸向二次系統專業融合，運行、檢修規范發生變化。

⑥調試方法發生變化，需要網絡聯調，使用的試驗儀器設備發生變化。

1.2 數字化變電站的主要技術特征

1.2.1 數據采集數字化

數字化變電站采集和傳輸數字化電壓、電流等電氣量，不僅實現了一、二次有效的電氣隔離，而且擴展了測量的動態范圍與精度，使變電站的信息共享和集成應用成為可能。

1.2.2 系統分層分布化

數字化變電站采用了IEC61850提出的變電站過程屋、間隔層、站控層的三層功能分層結構。

1.2.3 系統結構緊湊化

緊湊型組合電器、智能化斷路器等智能化一次設備集成了的更多的部件和功能，體積更小，這使得變電站的占地面積大幅減小，設備布置更加緊湊。

1.2.4 系統建模標準化

數字化變電站采用了IEC61850對一、二次設備統一建模，定義了統一的建模語言、設備模型、信息模型和信息交換模型，采用全局統一規則命名資源，使變電站內及變電站與控制中心之間實現了無縫通信與信息共享。

1.2.5 信息交互網絡化

數字化變電站各層、各設備間信息交換都依賴高速網絡通信完成，網絡成為系統內各種智能電子裝置以及其它系統之間實時信息交換的載體。

1.2.6 信息應集成化

數字化變電站對常規變電站監視、控制、保護、故障錄波等分散的二次系統裝置進行了信息集成及功能優化。

1.2.7 設備檢修狀態化

在數字化變電站中，電壓和電流的采集、二次系統設備狀況、操作命令的下達和執行完全可以通過網絡實現信息的有效監測，可有效地獲得電網運行狀態數據以各種IED的故障和動作信息，監測操作及信號回路狀態，設備狀態特征量的采集沒有盲區，設備檢修策略可以從常規變電站設備的定期檢修變成狀態檢修，從而大大提高了系統的可用性。

1.2.8 設備操作智能化

智能一次設備不僅可以獲取整個系統及關聯設備狀態，而且可監測設備內部電、磁、溫度、機械動作狀態，隨著電子技術和控制技術的不斷發展，采用新型傳感器、電子控制、新控制方法構建參數，動作可靠迅速，狀態可控可測可調的智能操作回路成為可能。

1.3 數字化變電站的組成

在傳統變電站中，測量、控制、檢測、計量、保護等功能的二次設備是分散布致且是孤立運行的，一次設備和二次設備之間通過電纜實現連接。智能變電站的發展需要將間隔層的二次設備高度集成，形成一體化的智能組件，并通過光纖和一次設備以及站控層設備實現通信。

隨著技術進步，未來智能變電站將不存在一次設備和二次設備的區別，具備測量、控制、檢測、計量、保護等功能的二次設備將全部集成到一次設備內部，組成智能設備，以滿足智能變電站對自動化和智能化的要求。

1.3.1 IEC61850

當前電力系統中，對變電站自動化的要求越來越高，為方便變電站中各種IED的管理以及設備間的互聯，就需要一種通用的通信方式來實現。IEC61850提出了一種公共的通信標準，通過對設備的一系列規范化，使其形成一個規范的輸出，實現系統的無縫連接?？梢院唵握J為它就是一種通信協議，這個協議是各生產廠家必須認可和接受的。

1.3.2 智能化電器設備

一次設備：智能變電站采用低功率、緊湊型的新型電流、電壓互感器代替常規CT和PT，利用高速光纖以太網構成變電站數據采集及傳輸系統，實現了狀態監測、測控保護、信息通信等技術，可滿足整個智能電網電力流、信息流、業務流一體化的需求。智能化一次設備包括電子式互感器和智能開關、開關柜等。與常規互感器比較，電子式互感器的優點主要表現在以下幾個方面：

①高低壓完全隔離，安全性高，具有優良的絕緣性能，不含鐵芯，消除了磁飽和和及鐵磁諧振問題。

②抗電磁電網性能好，低壓測無開路高壓危險。

③動態范圍大，測量精度高，頻率響應范圍寬。

④數據傳輸抗干擾能力強。

⑤沒有因充油而潛在易燃易爆炸等危險信非常規互感器的絕緣結構相對簡單，一般不采用油作為絕緣介質，不會引起火災和爆炸等危險。

⑥體積小、質量輕。

二次設備：主要由保護裝置、測控裝置、錄波裝置、計量裝置、合并單元、智能終端等組成。二次設備通過電壓互感器或電流互感器與一次設備相連，對一次設備進行控制、調節、保護和測控。與傳統變電站相比，它的二次設備更加集中，布局更加合理，占地面積更加節省；原來的電纜布線用質量輕、價格低的光纖替代，節省了有色金屬使用量，更加有利于環保和節能。數字化變電站采用功能高度集成的一體化智能裝置，集成保護、測控、智能終端、合并單元等功能，按間隔分散布置于智能組件柜中，并將全站直流、交流、UPS、通信電源一體化設計配置，克服了常規變電站各個子系統間相互孤立、信息無法共享的弊端。

1.4 數字化變電站的體系結構

從邏輯上看：可以分為三層，即過程層、間隔層和站控層。

過程層設備包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器等一次設備及所屬智能組件以及獨立的智能電子裝置。

間隔層設備一般括繼電保護裝置、系統測控裝置、監測功能組IED設備，實現使用一個間隔并且作用于該間隔一次設備的功能，即與各種遠方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。

站控層包括自動化站級監視控制系統、站域控制、通信系統、對時系統等。

2 結 語

智能化變電站不斷的更新，進一步擴大了電網的功能，使其逐漸增加了能源資源優化配置、保障電力系統安全穩定運行、提供多元開放電力服務、推動戰略性新興產業發展等多項功能。作為我國重要的能源輸送和配置平臺，智能電網從投資建設到生產運營的全過程都將對國民經濟、能源生產和利用方式、生態環境等帶來巨大效益。智能電網建設力度目前正在不斷加強，不斷提升供電可靠性和電壓合格率，為能源的可靠供應以及地方的經濟發展提供助力，可以說，智能電網將會是實現全社會低碳發展的關鍵。

參考文獻：

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