智能變電站功能架構及設計原則

張可佳

（四川省電力公司內江電業局，四川 內江 641003）

2009年，國家電網公司首次提出了建設“堅強智能電網”的戰略目標和發展思路。堅強智能電網被認為是21世紀電力系統變革和發展的必然趨勢，也是21世紀人類將現代高科技實用化的重大科技創新。堅強智能電網的發展，必將對傳統電網的功能、形態和作用做出重大甚至是本質的改變，深刻改變世界能源生產和利用格局，深刻影響經濟發展方式和人們生活方式，在現代社會中發揮越來越重要的作用[1-3]。而在智能電網的建設和發展中，作為智能電網的重要組成部分，智能變電站的設計建設及投入使用至關重要。

智能變電站以現代先進的自動化技術、高效的信息化技術和快速的分析技術為基礎，高效高質的完成對電力系統進行測量、控制和保護等基本功能，能夠提高電力系統的安全穩定運行，因此，堅強智能電網的建設對于保證電網穩定運行和提高對用戶的供電質量和可靠性具有重要的現實意義和理論價值。實現對各種資源的靈活高效的優化配置[4-5]。

本文探討了智能變電站的主要創新點，總結了智能變電站的系統結構設計以及智能變電站各個部分的功能。在此基礎上，研究了智能變電站的具有的功能要求。最后，歸納了智能變電站的設計原則和及實際建設過程中注意事項。

1 智能變電站

智能變電站通過先進、高效可靠和環保的智能設備集合而成，采用高速的通信網絡為載體，能夠自動的完成電力系統進行測量、控制和保護等基本功能。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、協同互動等高級功能的變電站[3]。

智能變電站與數字化變電站更加強調目的，即更加強調變電站具有的功能和目標，因此智能變電站概念中包含兩個方面的集成[6-10]：物理集成和邏輯集成，如圖1所示。

堅強智能變電站是堅強智能電網的基礎。而高可靠性設備的大量投入則可以保證是變電站的堅強性。變電站的自動化分析、綜合和協調控制、設備信息的數字化、各種基本功能的集成化是智能變電站的關鍵，也是智能變電站發展的必然趨勢。實現信息共享智能化和是最終目標。智能化變電站相對與傳統變電站的創新點主要在以下四個方面。

圖1 智能變電站的物理集成和邏輯集成

1）一次設備智能化。即綜合具有狀態監測、檢測與診斷、狀態檢修及資產評估等智能化功能。

2）互動。實現與大用戶、其他變電站及調度中心的交流互動。

3）協調控制。電能質量監測控制、變壓器電壓/無功廣域協調控制，保證全站的經濟運行。

4）智能應用。高速采集實時數據，完成相應存儲分析，并做出智能決策以提高變電站智能應用水平。

2 智能變電站系統結構設計

變電站自動化系統的功能是控制和監視，以及一次設備和電網的繼電保護和監視[4]。根據IEC61850標準，從功能邏輯上，變電站自動化系統分為3層：變電站層、間隔層和過程層。圖2給出了變電站自動化系統邏輯結構圖。

圖2 變電站自動化系統邏輯結構圖

1）過程層

過程層包括遠方的輸入輸出設備，智能化的傳感器和智能化的執行器（如隔離開關，變壓器和斷路器）等新智能組件，具體負責模擬量和開關量的實時采集，并向間隔層和變電站層發送控制指令，可實現發送控制指令，可實現變電站電能分配、傳輸及其測量、控制、保護、狀態監測等基本功能。

2）間隔層

間隔層由各間隔的控制、保護和監視單元組成，一般指繼電保護裝置、系統監測控制裝置、主IED等二次設備，完成與各種遠方I/O、智能傳感器和控制器通信。

3）變電站層

變電站層由采集儲存數據的計算機、操作工作臺和遠方通信等部分組成。基于變電站層，全站將被看成一個整體，主要分為有關過程和接口的兩類變電站層功能。

數字通信是變電站內各層聯系的基礎。變電站層和間隔層采用的是站級總線（StationBus）通信，即采用抽象通信服務接口映射到制造報文規范、傳輸控制協議/網際協議以太網或光纖網，屬于串行通信方式；在間隔層和過程層采用的是過程總線（ProcessBus）通信，即單點向多點傳輸的通信方式，屬于并行通信方式。同時，為實現全站信息快速高效交換，變電站內的智能組件及相關電子設備（IED設備，測控單元和繼電保護裝置）均采用統一的協議。最后，全站數據源的統一標準化也是網絡信息共享的基本要求。

3 系統功能要求

智能變電站系統功能應滿足集成化和多樣化的要求，同時應保證數據源使用統一標準化規范，方便網絡共享。同時，智能設備之間應實現進一步的互聯互通，支持采用系統級的運行控制策略。同時，實現智能設備間的交互性溝通功能，保證系統協調控制及安全高效運行也是智能變電站系統功能的基本要求[11-12]。從功能需求層次上來分，智能變電站系統功能要求可分為一般功能要求和高級功能要求兩類。

3.1 一般功能要求

主要有：①數據采集和處理功能；②實時數據庫功能，采集并存儲通信體系中各層傳輸來的數據信息；③無人值班等相關功能要求；④防誤閉鎖的功能；⑤針對采集數據和各種通信接口獲取數據的報警處理功能；⑥在線計算及制表功能；⑦遠動通信功能；⑧系統自診斷和自恢復功能；⑨與其他智能設備的通信接口功能；⑩變電站內的設備狀態具有可視化功能；設備能夠根據需求，經過簡單的改造之后能夠實現相應的高級功能。

3.2 高級功能要求

除了上述一般功能要求外，為實現運維高效性，針對智能變電站的特點,智能變電站還需滿足設備狀態可視化、智能告警及分析決策、故障信息綜合分析決策、集中式處理功能、站域保護、與外部系統信息交互等高級功能的要求。

1）設備狀態可視化

進行變壓器斷路器隔離開關等主要一次設備狀態信息的采集，做相應可視化處理后上傳到上級數據系統，達到優化電網運行和各設備運行管理的目的。

2）智能告警及分析決策

針對變電站內故障信息，建立其物理模型，對報警信息做初步處理，過濾掉錯誤信息后，全面分析變電站的運行狀態，實時報警變電站出現的故障并提出相應處理策略。同時，為了提高效率，課更具實際需求，在主站建立分層分類的故障告警系統。

3）故障信息綜合分析決策

在記錄了故障時間順序、保護裝置、故障錄波和相量測量等數據的基礎上，對相關數據進行綜合分析和處理，并將故障分析結果進行人性化的可視化展示。

4）支撐電網經濟運行與優化控制

以站內變壓器和無功補償設備為調節手段，配合堅強智能電網綜合調度體系，實現全網的安全經濟運行和優化控制。

5）站域控制

在集中處理判斷站內信息的基礎上，協調站內多種自動控制裝置（備用自投、母線分和運行等），達到適應系統運行方式的目的。

6）與外部系統交互信息

與其他變電站，上級調度中心及各類電源等的信息交換也是智能變電站需要滿足的高級功能之一。

4 設計原則及其注意事項

4.1 基本設計原則[2-7]

基本設計原則包括：

1）傳感器嵌入設備采集實時信息。

2）采用開放性體系架構（SOA）。

3）統一建模（UML）。

4）遵循標準化、規范化原則。

5）保證可靠性、冗余性。

6）網絡管理（流量與均衡）。

7）數據管理（分層分布式）。

8）具有智能分析及協調功能。

9）變電站外的數據訪問。

10）網絡安全的保證。

4.2 具體設計注意事項

安全可靠是設備與系統設計選型需要滿足的首要原則；其次，盡可能采用結構緊湊型設備已滿足智能變電站運行維護高效化的要求；最后，優化整合所有設備，以避免重復配置。

以下是智能變電站系統設計過程時需要著重注意的幾個方面[2-7]。

1）變電站布置

合理布局變電站內電氣主接線設計，兼顧電網結構要求和變電站功能需求，協調電網架構與主接線形式，優化電氣總平面布置方案，采用集成化設備，節約占地面積與建筑面積[5]。

2）土建與建筑物

優化站內建筑結構設計，盡量合并具有相同功能的房間；圍繞節約占地面積和建筑面積的要求，合理設計用來放置系統層設備的主控樓或機房等建筑；使用電纜替代光纖，并合理布置電纜溝位置。

3）網絡架構

靈活配置各網絡設備，充分考慮經濟性要求，優化交換機的數量，使網絡成本降到最低。其次，在搭建網絡結構時，必須滿足網絡系統易擴展、以配置的要求；當新設備投入運行時，如果站內網絡性能下降，應首先保證變電站自動化功能，并滿足相應性能指標要求；最后，在網絡通信系統正常運行維護期間，全系統運行應不受影響仍能正常工作。

5 結論

電力搶修能保障持續供電，最大限度的減少電力事故造成的社會與人民經濟財產損失。本文介紹了三種配電網電力搶修模式的業務流程和特點，隨著電力企業內部管理規范化標準的提高，傳統的電力搶修模式會逐漸向以3G無線視頻監控指揮系統為基礎的現代化搶修模式轉變。本文為電力搶修人員提供一些理論參考。

在智能電網的建設和發展中，作為智能電網的重要組成部分，智能變電站的設計建設及投入使用至關重要。本文探討了智能變電站的主要創新點，總結了智能變電站的系統結構設計以及智能變電站各個部分的功能。在此基礎上，研究了智能變電站的具有的功能要求。最后，歸納了智能變電站的設計原則和及實際建設過程中注意事項。本文為智能變電站建設和研究人員提供一些理論參考。

[1]劉振亞.智能電網技術[M].北京:中國電力出版社,2010.

[2]Research Reports International. Understanding the smart grid[R]. Research Reports International,2007.

[3]2009 Q G D W.智能變電站技術導則[S].2009.

[4]胡學浩.初能電網一未來電網的發展態勢[J].電網技術,2009,33(14):1-5.

[5]常康,薛峰,楊衛東.中國智能電網基本特征及其技術.進展評述[J].電力系統自動化,2009,33(17):10-15.

[6]IEC 61850.DL/T 860.1-2004(IEC 61850-1)變電站通信網絡和系統.2005.

[7]高翔.數字化變電站應用展望[J].華東電力,2006,34(8):51-57.

[8]高翔,張沛超.數字化變電站的主要特征和關鍵技術[J].電網技術,2006,30(23):71-75,91.

[9]王大鵬,栗俊凱,晁軍征.淺談數字化變電站的發展及應用[J].山東電力技術,2007(1):15-19.

[10]張沛超,高翔.數字化變電站系統結構[J].電網技術,2006,30(24):73-77.

[11]高翔,張沛超.數字化變電站主要技術特征和關鍵技術[J].電網技術,2006,30(23):68-71,87.

[12]申屠剛.智能化變電站架構及標準化信息平臺研究[D].浙江大學(碩士論文),2010.