智能變電站的結構形式研究

摘要：智能變電站是我國智能電網建設的重要環節，國內已有多個智能變電站建成投產，根據其過程層設備和間隔層設備之間的通信方式不同，其典型結構形式主要有三種。簡要介紹了智能變電站的概念與系統結構，并分析闡述了三種不同結構形式之間的差別和優缺點。

關鍵詞：智能電網；智能變電站；結構形式

作者簡介：李赫（1979-），男，黑龍江雙鴨山人，遼寧省電力有限公司大連培訓中心，講師；王永清（1963-），男，遼寧大連人，遼寧省電力有限公司大連培訓中心，講師，高級技師。（遼寧 大連 116023）

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）24-0129-022011到2015年是我國智能電網的全面建設階段，[1]智能變電站是智能電網建設在變電領域的重要內容，其主要作用就是為智能電網提供標準的、可靠的節點，目前已經在全國大面積鋪開建設。智能變電站的大規模建成投運，將會對電網的安全運行及電力企業的增效減耗提供更有力的支持。

一、智能變電站的概念

根據《智能變電站技術導則》的定義，智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環保的設備組合而成，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級應用功能的變電站。[2]

二、智能變電站的系統結構

目前，智能變電站系統結構從邏輯結構層面分析，主要包括過程層、間隔層和站控層三個層次。

1.過程層

過程層由獨立的智能電子裝置和一次設備及其所屬的智能組件構成，其中，一次設備主要包括隔離開關、斷路器、電流/電壓互感器、變壓器等。歸納起來，過程層的主要功能有：系統運行過程中實時檢測各種電氣量，主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測；運行設備的狀態參數檢測，如斷路器、隔離開關的位置信息等；設備操作的控制執行與驅動，如分、合斷路器，隔離開關等。

2.間隔層

間隔層設備主要由二次設備組成。這些二次設備主要有系統測控裝置、繼電保護裝置、計量裝置和故障錄波裝置等。間隔層只采用一個間隔的數據作用于該間隔一次設備的功能，也就是和控制器、傳感器以及遠方的輸入、輸出設備實現通信。歸納起來，間隔層的主要功能有：優先控制統計運算、數據采集等控制指令的發出；實時匯總本間隔過程層的數據；實現本間隔操作的閉鎖功能；實現上下結構的通信功能；保護并控制一次設備的運行；實現操作同期和其他控制功能。

3.站控層

站控層位于變電站自動化系統的最上層，包括自動化站級通信系統、對時系統、站域控制、監控系統、網絡打印服務器等，對整個變電站的設備進行監控、報警以及信息的傳遞，主要用于數據、同步相量和電能量的采集，負責管理保護信息，具有監控、操作閉鎖等功能。歸納起來，站控層的主要功能[3]有：利用兩級高速網絡實現全站數據信息的實時匯總，刷新實時數據庫，在設定的時間點登錄歷史數據庫；接收控制中心或調度中心的控制指令，同時將其傳輸至過程層和間隔層；在線維護過程層和間隔層的設備運行，對參數實施在線修改；具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；自動分析變電站故障，可進行操作培訓；根據規定將相關數據傳輸至控制中心或調度中心；可實現站內監控和人機聯系；實現各種智能變電站高級應用。

三、智能變電站的不同結構形式

智能變電站從最初的試點工程階段到大規模建設階段，由于相關技術的發展水平和應用需求的不同，在智能變電站技術發展的不同階段出現了不同的結構形式，主要差別在于過程層設備和間隔層設備之間的通信方式。[4]

1.“點對點”結構的智能變電站

常規變電站在結構上就是按照間隔劃分的“點對點”結構，每個間隔的底層設備信息，如電流、電壓、位置信息等，通過電纜硬接線直接接入到本間隔的二次設備上，因此“點對點”結構的智能變電站系統實現起來最為簡單。

所謂“點對點”結構，就是指測量數據由合并單元通過光纖直接連接到需要數據的保護、測控、計量、錄波等裝置；設備的控制信號也是由保護、測控等裝置直接通過光纖連接到被控制設備的智能終端。其結構示意圖如圖1所示。

與常規變電站比較，“點對點”結構的智能變電站只是用光纖代替了電纜，并不能實現過程層信息的共享，沒能完全發揮出智能變電站應有的優勢。在實現母差等復雜保護功能時，仍然需要把每個間隔的信息通過光纖直接連接到母差保護裝置上，光纖接線仍較復雜和繁多。同時，全站故障錄波等自動化功能也未能得到很好的解決。因此，隨著智能變電站技術的發展，“點對點”模式必將被全站信息共享的模式所取代。

2.基于網絡交換機的分布式智能變電站

電子式互感器、智能一次設備和智能組件等技術的不斷成熟，以及計算機高速網絡在實時系統中的應用不斷成熟，為智能變電站系統以及基于全站信息共享的保護和自動化技術的研究提供了良好的機會。采用工業以太網交換機作為過程總線，取代“點對點”光纖直連的方式，可以實現過程層信息的網絡交換和共享。其方式系統結構如圖2所示。

此種結構形式的特點：采用網絡交換機實現網絡通信，簡化了大量的光纖直連接線，為過程層數據的交換和共享打下了堅實的基礎。在此結構的基礎上，實現母差保護等復雜保護功能將非常容易。這種結構更好地發揮了智能變電站在信息交換方面的優勢。

3.過程層分布采集、間隔層集中控制的智能變電站

過程層采用分布式結構，用合并單元和智能終端實現數據采集；間隔層集中處理，采用系統控制器實現全站保護和自動化功能；通信網絡采用網絡交換機實現信息的交換和共享。該系統結構如圖3所示。

過程層分布采集、間隔層集中控制的智能變電站系統包含兩類關鍵技術：

（1）保護、自動化功能整合技術。常規變電站的二次裝置主要有繼電保護、測控單元、故障錄波器、同步相量測量單元等裝置，這些裝置之間相互獨立，無法形成一體化的站控層應用系統。IEC61850標準為一體化平臺的實現提供了有力支持，可將測控、保護、錄波、同步向量測量等裝置整合成一體化的智能裝置，在站控層也提供集成應用后臺系統，為運行人員提供一體化功能環境。

（2）全站統一配置的集中式保護技術。集中式保護匯總了變電站每個設備的信息，在此基礎上可以實現母差保護等較復雜的保護功能。集中式保護技術不但可以利用變電站每個設備的信息，而且可以利用同一設備在不同時刻的信息，從而實現保護的快速性、選擇性、可靠性和靈敏性。并能實現一些變電站的站級控制功能，如無功補償、自動電壓控制等功能。

四、智能變電站不同結構形式方案比較

1.“點對點”結構的智能變電站方案

“點對點”結構形式的智能變電站，過程層設備和間隔層設備通過“點對點”的光纖直接連接，同一間隔內的過程層設備和間隔層設備存在對應關系。“點對點”結構模式的通信通道是相互獨立的，不會因網絡問題造成信息阻塞；“點對點”模式與常規變電站架構相似，可以遵循以往常規變電站的經驗進行配置，最為簡單，在通信方面出現問題的概率最小。“點對點”模式的智能變電站的主要缺點是不能實現數據的共享，且光纖接線復雜、繁多。由于“點對點”結構的智能變電站不僅技術上簡單可靠，而且比較實現容易，所以，這種方案在很多的智能變電示范工程中得到應用。

2.基于網絡共享的全分布式智能變電站方案

此方案采用網絡交換機實現全站信息的共享，過程層采用合并單元和智能終端實現數字化、信息化，間隔層按間隔和功能配置了保護和自動化裝置，這種方案的最主要優點就是實現了全站信息的共享，同時能夠降低單一間隔設備故障時產生的影響。[5]

基于網絡共享的分布式方案還不能基于共享信息配置全站的保護和自動化功能，難以全面發揮智能變電站信息共享的主要優勢；同時，由于存在著大量的間隔層二次設備，使得網絡結構復雜，也增加了智能變電站二次系統的造價。此方案適合用在對變電站可靠性要求很高的高電壓等級樞紐變電站，可通過分布式間隔層設備承擔不同間隔的功能，以提高系統的可靠性。

3.基于網絡共享的集中式智能變電站方案

基于網絡共享的集中式智能變電站方案，完全采用以太網交換技術實現全站信息的共享，過程層同樣采用合并單元和智能終端實現數字化和信息化，與全分布式智能變電站方案不同的是，間隔層采用集中控制裝置實現全站的保護和自動化功能。該方案優點是基于共享信息配置全站的保護和自動化功能，提高了智能變電站的自動化水平；同時簡化了間隔層二次設備，大大降低了工程造價。

利用集中控制裝置的同時，也產生了相關的可靠性風險，集中控制裝置如果出現故障，對智能變電站的安全運行將會造成非常大的影響，因此通常需要配置冗余系統。集中式的結構也給按間隔停電檢修帶來問題，適用于低電壓等級的智能化變電站或高電壓等級智能化變電站的低壓部分。

4.基于網絡共享的集中、分布相結合的智能變電站方案

基于網絡共享的集中、分布相結合的智能變電站結構方案，綜合了集中式和分布式的優點，同時也克服了集中和分布式自身的缺點，根據變電站的實際情況配置集中、分布的功能，例如對高電壓等級采用分布功能，對低電壓等級采用集中功能，這種結構形式的智能變電站將是未來的發展目標。

參考文獻：

[1]劉振亞.智能電網技術[M].北京:中國電力出版社，2010:13.

[2]Q/GDW 394-2009，330kV-750kV智能變電站設計規范[S].

[3]龐紅梅，李淮海，張志鑫，等.110kV 智能變電站技術研究狀況[J].電力系統保護與控制，2010，38(6):146-150.

[4]覃劍.智能變電站技術與實踐[M].北京:中國電力出版社，2010:26.

[5]王松，陸承宇.數字化變電站繼電保護的GOOSE 網絡方案[J].電力系統自動化，2009，33(3):51-54.

（責任編輯：劉輝）