淺談智能變電站技術(shù)

黃云龍　張新雨　侯雪冬

摘要：作為智能電網(wǎng)系統(tǒng)中各電壓等級(jí)的重要樞紐，智能變電站技術(shù)的發(fā)展、創(chuàng)新對(duì)推動(dòng)智能電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步與革新具有非常重要的作用。本文對(duì)智能變電站的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的概括和總結(jié)，對(duì)智能變電站的建設(shè)、驗(yàn)收、運(yùn)行和維護(hù)等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，在與傳統(tǒng)變電站、數(shù)字化變電站等各階段變電站的對(duì)比中，提出智能變電站的優(yōu)勢(shì)和研究注意事項(xiàng)，為更好地開展智能變電站的運(yùn)行、維護(hù)和檢修工作提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；智能變電站；電力系統(tǒng)

0 引言

“智能電網(wǎng)”目前是電力系統(tǒng)發(fā)展的最前沿，是具有前瞻性和革命性的電網(wǎng)系統(tǒng)，是今后世界電網(wǎng)發(fā)展的主要方向。

智能變電站作為連接智能電網(wǎng)中不同電壓等級(jí)的智能設(shè)備的樞紐，在智能電網(wǎng)中具有核心地位，其中智能變電站技術(shù)的發(fā)展決定了智能電網(wǎng)技術(shù)的突破與發(fā)展。

從電網(wǎng)層面看，智能變電站增強(qiáng)了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的整體信息化程度，增強(qiáng)了與電力系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)能力；從站域?qū)用婵矗渲悄芑憩F(xiàn)在集成應(yīng)用的能力上，有別于傳統(tǒng)的綜合變電站的繼電保護(hù)自動(dòng)化設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，智能變電站更加智能化與集成化，更便于統(tǒng)一管理。智能變電站基于IEC61850規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)體系，采用了電子互感器等先進(jìn)的互感器和其他智能化一次設(shè)備，利用光纖組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)智能裝置之間的自動(dòng)操作和各類信息的分享，為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 智能變電站的基本概念

智能變電站采用先進(jìn)、可靠、集成、網(wǎng)絡(luò)化、可持續(xù)性的智能設(shè)備，要求以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為標(biāo)準(zhǔn)，能自動(dòng)完成一次設(shè)備、繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)化設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的采集、分析、監(jiān)測(cè)、控制、發(fā)送報(bào)警信息等基本功能，而且可以收集網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，分析整體的電網(wǎng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、智能通信等智能化的變電站。

2 智能變電站的優(yōu)勢(shì)

智能變電站是在常規(guī)變電站的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其中常規(guī)變電站經(jīng)過不斷創(chuàng)新和發(fā)展已經(jīng)逐步體現(xiàn)出智能化的基礎(chǔ)，如數(shù)字化變電站已經(jīng)具有相應(yīng)的智能化基礎(chǔ)，智能變電站在數(shù)字變電站的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新和改進(jìn)。相對(duì)于常規(guī)變電站來說，智能變電站的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

（1）常規(guī)變電站立足于本站的邏輯，統(tǒng)一站內(nèi)一次設(shè)備與二次設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，特別是站內(nèi)通信系統(tǒng)可以做到在站內(nèi)能建立一次設(shè)備和二次設(shè)備的聯(lián)系，滿足站內(nèi)的監(jiān)視與控制要求。而智能變電站著眼于地區(qū)電網(wǎng)的需求，統(tǒng)一整個(gè)電網(wǎng)的通信規(guī)約，使不同的變電站之間可以做到互動(dòng)，而更重要的是可以將不同變電站的信息傳輸?shù)秸{(diào)控中心和指揮中心，滿足整體電網(wǎng)水平上的監(jiān)測(cè)與控制，可以提高整體電網(wǎng)的安全水平。

（2）數(shù)字變電站的前瞻性為智能變電站技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路。數(shù)字變電站已經(jīng)不滿足于站內(nèi)的一致性，在原有變電站設(shè)備的基礎(chǔ)上統(tǒng)一各設(shè)備通信傳輸?shù)亩丝冢共煌瑥S家的不同設(shè)備具有統(tǒng)一性、可替換性。利用以太網(wǎng)對(duì)站內(nèi)的一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行整合，而對(duì)不同站之間制定統(tǒng)一的設(shè)備端口，為智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

而智能變電站極大地促進(jìn)了數(shù)字變電站的發(fā)展，建立了光纖組網(wǎng)的概念，不僅提高了速度，而且方便了安裝與維護(hù)，更重要的是在統(tǒng)一各設(shè)備端口的基礎(chǔ)上提出了統(tǒng)一大網(wǎng)絡(luò)的概念，更好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)一次設(shè)備、二次設(shè)備的監(jiān)視與控制，更方便與不同變電站之間的互動(dòng)，更好地實(shí)現(xiàn)調(diào)控中心、指揮中心等遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。

3 智能變電站的層級(jí)結(jié)構(gòu)

智能變電站宜采用“三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)”，由站控層、間隔層和過程層三層組成，兩層網(wǎng)絡(luò)分別連接過程層設(shè)備與間隔層設(shè)備、間隔層設(shè)備與站控層設(shè)備。

3.1 過程層設(shè)備

過程層設(shè)備包括一次設(shè)備，如主變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、接地隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、電容器等和智能終端、合并單元等智能設(shè)備，其主要是為了實(shí)現(xiàn)以下目的：一次設(shè)備的狀態(tài)，如分合狀態(tài)、電流、電壓等數(shù)據(jù)；運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；不同設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)。

3.2 間隔層設(shè)備

間隔層設(shè)備包括繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、監(jiān)控系統(tǒng)裝置、網(wǎng)絡(luò)通信裝置及其他智能接口設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)各個(gè)間隔數(shù)據(jù)的共享功能。

間隔層的主要功能：優(yōu)化各類數(shù)據(jù)指令的發(fā)出；對(duì)由不同裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行在線初步分析；防誤閉鎖；網(wǎng)絡(luò)通信；監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行有效控制。

3.3 站控層設(shè)備

站控層設(shè)備包括監(jiān)控機(jī)、路由器、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)交換機(jī)、服務(wù)器、通信數(shù)據(jù)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)記錄分析系統(tǒng)、同步對(duì)時(shí)裝置、遠(yuǎn)方控制系統(tǒng)等，對(duì)智能變電站內(nèi)的一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，必要時(shí)進(jìn)行向遠(yuǎn)方傳輸報(bào)警信息，并形成相應(yīng)報(bào)文。其主要實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)上網(wǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)合并、分析；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方對(duì)繼電保護(hù)裝置等設(shè)備程序的遠(yuǎn)方修改；可對(duì)全站防誤閉鎖參數(shù)進(jìn)行在線修改；自動(dòng)分析變電站的各類故障，可以進(jìn)行反事故演習(xí)；共享各類規(guī)定至上級(jí)單位；可實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。

4 智能變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)網(wǎng)北京市電力公司220kV智能變電站主要采用三層兩網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括直采直跳、過程層SV不組網(wǎng)的形式。站控層采用雙星型冗余網(wǎng)絡(luò)，站控層實(shí)現(xiàn)MMS網(wǎng)絡(luò)、GOOSE網(wǎng)絡(luò)、SNTP網(wǎng)絡(luò)合并，用以傳輸MMS報(bào)文和GOOSE報(bào)文；過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)220kV和110kV分開組網(wǎng)，均采用雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。35kV及10kV將測(cè)控裝置就地安置在開光柜內(nèi)。保護(hù)采樣和跳閘采用光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，保護(hù)裝置與合并單元通信采用IEC61850-9-2規(guī)約，與智能終端采用GOOSE規(guī)約。站控層采用SNTP對(duì)時(shí)，間隔層和過程層采用B碼對(duì)時(shí)。

4.1 過程層網(wǎng)絡(luò)

過程層網(wǎng)絡(luò)包括sV和GOOSE網(wǎng)絡(luò)，主要功能是實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的上傳及分合閘控制、防誤閉鎖等以及多功能測(cè)控裝置、故障錄波的網(wǎng)絡(luò)采樣。過程層組網(wǎng)方式分為網(wǎng)采網(wǎng)跳、直采直跳（GOOSE和SV共網(wǎng)）、直采直跳（GOOSE合SV分網(wǎng)）方式。

以220kV未來城站為例，其站內(nèi)自動(dòng)化過程層以SV+GOOSE兩網(wǎng)合一的方式組網(wǎng)，按照220kV、110kV分別劃分，均采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兩套SV+GOOSE網(wǎng)絡(luò)在物理上相互獨(dú)立，不配置獨(dú)立的主變過程層網(wǎng)絡(luò)，主變SV+GOOSE信息按電壓等級(jí)分別接入220kV、110kV過程層網(wǎng)絡(luò)。220kV過程層SV+GOOSE網(wǎng)絡(luò)按雙套物理獨(dú)立的單網(wǎng)配置；110kV過程層除主變間隔按雙套物理獨(dú)立的單網(wǎng)配置外，其余間隔過程層SV+GOOSE網(wǎng)絡(luò)按單網(wǎng)配置。

4.2 間隔層網(wǎng)絡(luò)

間隔層網(wǎng)絡(luò)采用雙重化以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)和其他設(shè)備間的通信傳輸，并傳輸MMS報(bào)文、GOOSE報(bào)文。

4.3 站控層網(wǎng)絡(luò)

站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用雙重化星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在間隔層和過程層之間通信，傳輸MMS報(bào)文、GOOSE報(bào)文。對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類合并處理，并設(shè)置優(yōu)先級(jí)，用以實(shí)現(xiàn)不同的功能，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的防誤閉鎖功能。

5 智能變電站設(shè)備及系統(tǒng)介紹

5.1 合并單元

合并單元是對(duì)一次設(shè)備的電壓和電流狀態(tài)進(jìn)行合并處理，并按照特定的格式傳輸?shù)较嚓P(guān)設(shè)備的裝置，其可以作為互感器的附屬設(shè)備安裝，也可以作為獨(dú)立裝置就地安置。

5.2 智能終端

智能終端為智能變電站中的智能設(shè)備，可以選擇就地安置，是一次設(shè)備和繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置等二次設(shè)備的樞紐，一般用電纜與一次設(shè)備相連，用光纖與二次設(shè)備相連，既可以將一次設(shè)備的狀態(tài)通過特定格式信息傳輸?shù)蕉卧O(shè)備層，又可以將二次設(shè)備下達(dá)的分、合閘等控制命令傳輸?shù)揭淮卧O(shè)備，實(shí)現(xiàn)雙方功能的可靠運(yùn)行。

5.3 電子式電流互感器

電子式電流互感器是新型的智能裝置，由幾個(gè)電壓互感器和幾個(gè)電流互感器組成，可以連接傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器，將電氣量按照特定的格式傳輸至二次設(shè)備，用以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)、測(cè)控等功能，在數(shù)字接口的情況下一組電子式互感器可以共用一臺(tái)合并單元完成此功能。

5.4 一體化電源系統(tǒng)

一體化電源系統(tǒng)整合了普通交、直流電源系統(tǒng)，對(duì)交流系統(tǒng)模塊、直流系統(tǒng)模塊、不間斷電源系統(tǒng)等進(jìn)行整合配置，形成一體化裝置，通過交、直流電源總監(jiān)控模塊將站用電源各子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)站用電源的信息共享，建立數(shù)字化電源信息共享平臺(tái)；將信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合DL/T860標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)。

5.5 智能輔助控制系統(tǒng)

智能變電站可采用智能輔助控制系統(tǒng)，能對(duì)視頻監(jiān)控、技防布控、消防報(bào)警、主變水噴霧、門禁控制、廠房照明控制、電伴熱、通風(fēng)、SF6及含氧量的實(shí)時(shí)監(jiān)控等系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控各類數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)及視頻信號(hào)，分類存儲(chǔ)各類信息并進(jìn)行匯總、分析、統(tǒng)計(jì)等處理。智能輔助系統(tǒng)通過DL/T860接口將重要信息上傳至站內(nèi)變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)。

5.6 繼電保護(hù)故障信息管理功能

在智能變電站設(shè)計(jì)時(shí)，可以統(tǒng)一對(duì)繼電保護(hù)故障信息管理功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)與各繼電保護(hù)自動(dòng)化裝置和故障錄波裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和交流，記錄各繼電保護(hù)裝置及故障錄波裝置的開關(guān)動(dòng)作信號(hào)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，利用內(nèi)置的分析軟件在站內(nèi)對(duì)事故進(jìn)行初步分析。

5.7 測(cè)控裝置

測(cè)控裝置有自檢及自診斷功能，裝置異常及交、直流消失等有報(bào)警信號(hào)，裝置本身應(yīng)有LED狀態(tài)信號(hào)。測(cè)控裝置通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的控制和防誤閉鎖。

110kV及以下保護(hù)測(cè)控裝置宜一體化配置，220kV及以上保護(hù)、測(cè)控裝置宜分別配置。測(cè)控裝置按間隔獨(dú)立配置，主變間隔按各側(cè)電壓等級(jí)單獨(dú)配置，母線間隔按每段母線單獨(dú)配置，根據(jù)公用信息量接入需求配置1-2套公用測(cè)控裝置。測(cè)控實(shí)現(xiàn)的功能有向智能終端發(fā)送斷路器、刀閘遙控分合指令，接收智能終端斷路器、刀閘位置、控制回路斷線、機(jī)構(gòu)本體信號(hào)、智能終端告警及閉鎖等信息，接收合并單元測(cè)量電流、電壓及同期電壓SV采樣等。

6 智能變電站的繼電保護(hù)

6.1 繼電保護(hù)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)巡視項(xiàng)目和要求

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員應(yīng)定期對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的各設(shè)備、回路進(jìn)行巡視，并做好記錄，其中包括運(yùn)行環(huán)境、外觀、壓板及把手狀態(tài)、時(shí)鐘、裝置面板指示燈狀態(tài)、差流、定值區(qū)、裝置通信狀況、打印機(jī)工況以及戶外繼電器和端子箱（含匯控柜、智能組件柜等）的防雨、防潮、防凍、防塵等措施。

6.2 繼電保護(hù)裝置的技術(shù)要求

（1）保護(hù)裝置應(yīng)利用自身的對(duì)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的準(zhǔn)確性和速動(dòng)性。

（2）保護(hù)裝置采用單網(wǎng)傳輸、直采直跳方式，并實(shí)現(xiàn)同步功能。

（3）繼電保護(hù)裝置利用直采直跳方式與本間隔智能終端進(jìn)行通信；繼電保護(hù)裝置之間的聯(lián)鎖、失靈啟動(dòng)等信息宜采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

（4）保護(hù)裝置應(yīng)采取防止輸入的雙A/D數(shù)據(jù)異常時(shí)誤動(dòng)作措施。

（5）智能變電站應(yīng)該采取防止繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作的措施。

（6）保護(hù)裝置應(yīng)具備檢查通信中斷、異常等狀態(tài)和報(bào)警功能。

（7）保護(hù)裝置應(yīng)具備MMs接口。保護(hù)裝置傳輸給顯示系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為一次值供工作人員參考。

（8）為了滿足遠(yuǎn)方控制的要求，繼電保護(hù)裝置除了檢修硬壓板為硬壓板外，其余功能壓板應(yīng)當(dāng)采用軟壓板。

（9）當(dāng)檢修硬壓板投入時(shí)，監(jiān)控后臺(tái)應(yīng)該接收到檢修信號(hào)。

（10）保護(hù)裝置應(yīng)分析、處理合并單元上送的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并在異常恢復(fù)之前解除被閉鎖的保護(hù)功能，不閉鎖與該異常數(shù)據(jù)無關(guān)的保護(hù)功能。

（11）繼電保護(hù)設(shè)備應(yīng)支持遠(yuǎn)方召喚至少最近八次錄波報(bào)告的功能。

（12）繼電保護(hù)裝置應(yīng)當(dāng)自動(dòng)傳輸斷路器的狀態(tài)變化、異常信息、保護(hù)動(dòng)作信息。

（13）配置網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，通過站控層網(wǎng)絡(luò)打印全站保護(hù)裝置的定值、告警、動(dòng)作報(bào)告。

7 結(jié)論

本文主要介紹了智能變電站在智能電網(wǎng)中的重要作用，闡述了智能變電站三層兩網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置。通過對(duì)比，提出了智能變電站的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展方向，作為智能電網(wǎng)的發(fā)展重點(diǎn)，其發(fā)展空間非常大，但是對(duì)運(yùn)行和維護(hù)人員提出了更高的要求和更新的挑戰(zhàn)。