智能變電站的關鍵技術及應用實例

黃新波，賀霞，王霄寬，王紅亮

(1.西安工程大學，西安市 710048;2.西安金源電氣股份有限公司，西安市 710001)

0 引言

目前我國變電站自動化信息共享程度普遍較低，一次設備智能化技術水平低，設備檢修模式主要為定期檢修，不能滿足電力系統的飛速發展，需要加快由定期檢修向狀態檢修的過渡。國家電網公司在建設堅強統一智能電網的變電環節中，提出了建設智能變電站的目標。

數字化變電站技術是智能變電站的基礎，主要強調以數字方式交換信息，而智能化變電站在設備功能方面強調自檢和在線監測，其重要特征為智能化［1］。

智能變電站的技術準備和建設是分階段實現的。目前，智能變電站以數字化變電站為基礎，融入在線監測、高級應用以及輔助設施等功能，未來智能變電站將把過程層和間隔層合并為設備層，實現高度集成，以符合智能電網發展的要求。

1 智能變電站的體系結構

智能變電站的建設單位主要包括繼電保護和在線監測2類，其對智能變電站結構的理解側重點不同。本文以建設單位的角度，提出智能變電站的體系結構如圖1所示。

智能變電站分為過程層、間隔層、站控層。

過程層包含合并單元、智能終端、現場監測單元和智能一次設備等，完成變電站電能分配、變換、傳輸以及狀態監測等功能，實現電氣量檢測、狀態監測、操作控制與驅動。

間隔層包含測控、保護、計量、故障錄波、網絡記錄分析一體化、備自投、低頻低壓減負荷、狀態監測智能電子設備(intelligent electronic device，IED)等裝置，實現對數據采集、統計運算及控制命令的優先級控制;完成過程層實時數據信息匯總以及與站控層的網絡通信。

圖1 智能變電站體系結構Fig.1 Intelligent substation system structure

站控層目前包括站域控制、遠動通信、對時、在線監測、輔助決策等子系統和一體化信息平臺。一體化信息平臺與各子系統之間通過IEC 61850協議進行數據和控制指令通信，將來上述子系統功能可以直接集成在信息一體化平臺中。將來，一體化信息平臺通過網絡匯集全站的實時數據信息，不斷刷新實時數據庫;按既定規約將有關信息送向調度、控制和在線監測中心;接收調度、控制和在線監測中心的命令并發送至間隔層和過程層執行;具有在線可編程的全站操作閉鎖，對間隔層和過程層設備進行在線維護、在線修改參數及變電站故障自動分析等功能［2-3］。

2 智能變電站的關鍵技術應用

與常規智能變電站相比，智能變電站的過程層設備由電子式互感器、合并單元以及智能化一次設備取代了傳統的電磁式互感器以及一、二次設備的電纜連接;傳統意義上的間隔層設備全部下放到過程層，間隔層由各類IED組成;站控層由一體化平臺組成，全面采用IEC 61850標準，不同廠家的產品可以直接進行數據通信。由此可見，智能變電站的關鍵技術應用主要有:電子式互感器、合并單元、在線監測、智能化一次設備、IED。

(1)電子式互感器與合并單元。合并單元作為過程層的重要設備，可以提供多個電子式互感器的輸入接口、串行輸出接口及以太網接口，通過輸出接口實現與間隔層設備的通信。智能合并單元是變電站智能化的重要體現，能實現多路電子式電流、電壓互感器的信號采集與處理，將各路信號匯總、同步，按照標準規定的格式將數據傳送給間隔層的保護和測控裝置。合并單元在物理形式上可以是互感器的1個組成部件，也可以是1個分立的單元，其結構如圖2所示。圖2中EVTa為電子式電壓互感器的a相;ECTa為電子式電流互感器的a相;SC為二次轉換器。合并單元的功能模塊主要包括數據同步接收功能模塊、數據處理功能模塊以及數據發送功能模塊［4-5］。

圖2 合并單元結構Fig.2 Combine unit structure

(2)智能一次設備。智能一次設備是根據我國智能電網建設需求提出的一種新設備型式，是實現變電站智能化的重要單元。在一次設備的基礎上集成了測控、保護和在線監測等技術，能實現設備狀態的自我診斷、自我動作等功能，并通過光纖將數據傳輸至變電站一體化平臺。

智能一次設備將一、二次設備有機地結合在一起，由高壓設備本體、內置或外置的傳感器和控制器以及智能組件組成。智能組件由若干智能電子裝置集合組成，完成與宿主設備相關的測量、控制、保護以及計量等功能，可外置于設備本體之外，也可以內嵌在本體內［6］，如圖3 所示。

圖3 智能化一次設備Fig.3 Intelligent primary equipment

(3)在線監測。智能變電站在線監測系統主要包括變壓器在線監測，斷路器機械特性在線監測，SF6氣體、微水、容性設備(含避雷器監測)在線監測等。通過現場安裝的微水、超高頻、數字溫度、壓力以及位移等傳感器實現設備運行狀態信息的獲取，并經現場處理單元數字化后傳輸給相應的IED。IED完成數據的初步分析后通過IEC 61850協議傳輸到站控層的在線監測中心。監測中心的專家軟件利用修正理論模型、試驗結果和現場運行結果來判斷變電站設備的運行狀況，實現一次設備的實時狀態監測。智能變電站在線監測系統如圖4所示。

圖4 在線監測系統Fig.4 On-line monitoring system

(4)IED是現代智能變電站間隔層的關鍵設備，與站控層服務器、一次設備的在線監測裝置以及相應保護裝置進行協調工作和雙向的數據通信，在智能變電站狀態監測系統與輔助系統中發揮重要作用。根據IEC 61850協議對實際的IED設備進行建模，達到不同廠家IED設備之間信息交換的目的，解決以往不同廠家的變電站設備之間通信協議不兼容的問題。IED在智能變電站系統中主要實現以下功能。

1)協調功能:與站控層一體化信息平臺以及過程層一次設備智能終端進行協調工作，IED接收一體化平臺的控制命令，并及時進行處理，發送相關命令到一次設備智能終端，并且接收智能終端上傳的數據。在此過程中，IED能正確識別和執行一體化信息平臺的控制命令，及時將過程層上傳的數據傳輸給一體化信息平臺進行處理。

2)傳輸功能:IED與智能變電站外部設備之間進行重要信息的傳輸，例如智能變電站通過IED將時鐘信息并傳輸給過程層設備實現時鐘同步，接收站控層的時鐘信息傳輸給相應的過程層，從而實現全站的時鐘同步。

3)數據處理功能:IED對設備采集的數據進行就地處理運算，并對設備故障信息進行存儲以及本地顯示。

4)嵌入IEC 61850協議:IED接收的數據可能來自不同廠家，數據的格式也各不相同，IED通過對接收數據進行IEC 61850協議封裝，統一不同的協議，實現變電站的信息共享以及設備的互操作性［7-8］。

(5)智能變電站通信網絡。智能變電站的網絡結構分為站控層和過程層。在目前智能變電站的設計中，一般把測控、保護和在線監測網絡分成2部分設計，測控、保護的組網分為SV和GOOSE網絡。SV網主要實現電流、電壓交流量的上傳;GOOSE網主要實現開關量的上傳及分/合閘控制、防誤閉鎖等。

站控層網絡主要處理間隔層之間IED的通信，同時與一體化平臺、在線監測系統進行信息交換，并通過遠動裝置與各級調度進行雙向信息交換。站控層也可以通過網絡設備直接接入電力數據網，其網絡平臺實現全站信息的匯總功能(包括防誤閉鎖)，可通過MMS/GOOSE雙重以太網實現。智能變電站的通信協議都統一為IEC 61850標準，未來智能變電站的通信網絡架構更接近雙網雙環的設計理念，使整個變電站的通信網絡數據通信更加通暢，通信網絡更加堅強。在智能變電站的站控層與間隔層通信網絡的結構設計中，基本的模式有星形和環形2種結構［9-10］，星形網與環網的結構如圖5、6所示。

3 220 kV虹橋變電站改造實例分析

圖5 星形網絡結構Fig.5 Star network structure

圖6 雙網雙環的網絡結構Fig.6 Network structure of double network with double loop

虹橋220 kV變電站位于河北省唐山市玉田縣境內，是唐山電網北部環網的重要樞紐變電站，通過220 kV線路與天津薊縣、唐山陡河電廠和唐山500 kV太平站相連。虹橋變電站目前有2臺180 MVA主變壓器，220 kV為雙母線接線方式，共有出線6回。110 kV為雙母線帶旁路接線方式，出線10回。10 kV為單母線分段接線方式，出線10回，電容器8組，接地變壓器2臺，分段開關柜1面。目前，220 kV虹橋變電站采用強電一對一控制屏的控制方式，為有人值守的非綜合自動化變電站，通過智能化改造，可以從時間、空間、業務等多個層面和維度實現變電站無人值守，降低變電站的運維成本、優化資源配置、提升運行指標。

改造后的虹橋220 kV智能變電站建立了全景展示站內各類信息的一體化信息平臺。采用DL/T 860(IEC 61850)通信規約，實現了順序控制、智能告警、故障綜合分析、圖模一體化源端維護等高級應用;利用標準化、集成化的智能組件實現了高壓設備的狀態監測功能;通過靈活的調度端和站端的互動功能，支持電網經濟運行與優化控制;該站各項指標均滿足國家電網公司《變電站智能化改造技術規范》的要求。改造后的虹橋變電站結構如圖7所示。

虹橋變電站的改造包括:高壓設備、繼電保護設備、故障錄波器、監控系統、計量系統、一體化電源的智能化改造以及建設智能附屬設施管理系統。

站控層主要包括信息一體化平臺、智能高級應用、五防系統等，虹橋變電站站控層主要配置了服務器兼操作員工作站2臺，一體化應用服務器1臺，報表工作站1臺，智能接口機4臺，子站控制器4臺以及多個交換機及網絡設備。

圖7 改造后的虹橋變電站結構Fig.7 Hongqiao substation structure after transformation

(1)高壓設備智能化改造。在主變壓器、電流互感器、斷路器、母線避雷器等高壓設備上安裝狀態監測裝置，配置智能組件并接入狀態監測系統，采用IEC 61850通信規約將高壓設備運行狀態上送一體化信息平臺，實現設備狀態的可視化及自診斷。

(2)繼電保護設備智能化改造。具體措施包括:對硬件不支持IEC 61850通信規約的保護設備進行更換;對通信規約為103的保護裝置進行改造，將所有保護裝置接入監控系統一體化信息平臺，實現保護軟壓板遠方投退和定值區切換以及保護主站系統和保護裝置之間的互操作。

(3)故障錄波器智能化改造。更換故障錄波器管理機和采集板，故障錄波主站系統和故障錄波器采用IEC 61850通信規約，通過以太網口和一體化信息平臺服務器連接，為故障信息綜合分析決策系統提供錄波數據。

(4)監控系統智能化改造。主控制室增加1套采用IEC 61850通信協議的監控系統，實現一、二次設備的數據采集與監控。

(5)計量系統智能化改造。電壓、電流互感器與電能表是計量裝置的重要組成部分，采用高精度智能電能表，并集中組屏;采用終端通過IEC 61850通信規約與一體化信息平臺通信;通過調度數據專網及專用電話通道將數據傳輸至電量系統主站，實現Web發布。

(6)一體化電源改造。安裝1套一體化電源代替原有的直流屏、站用電屏、UPS屏，并對蓄電池進行增容改造，建立站用電源信息共享后臺。成功實現全站交流、直流、UPS電源統一管理以及遠方監測、分析和控制。

(7)建設智能輔助設施管理系統。對站內視頻、照明、門禁、安防、溫控、消防等附屬設施及局部氣候條件實現全面、可視化的監控和管理，為無人值班站建設提供軟硬件支撐，智能輔助改造見表1。

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4 結語

未來智能變電站基于設備智能化的發展和高級功能的實現，將整個變電站分為設備層和系統層。設備層包含一次設備和智能組件，將一次設備、二次設備、在線監測和故障錄波設備等進行有機融合，具有電能輸送、電能分配、繼電保護、控制、測量、計量、狀態監測、故障錄波、通信等功能，體現智能變電站智能化技術的發展方向。系統層面向全站，通過智能組件獲取并綜合處理變電站中關聯智能設備的相關信息，具備基本數據處理和高級應用等功能，包括網絡通信系統、對時系統、高級應用系統、一體化平臺等，突出信息共享、設備狀態可視化、智能告警、分析決策等高級功能。智能變電站的數據源應統一，實現網絡共享。

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