220千伏智能變電站高級應(yīng)用功能研究

吳迪

【摘要】智能變電站的高級應(yīng)用對于建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)有著相當(dāng)重要的意義，能夠有效減少運(yùn)行維護(hù)成本，改善設(shè)備的可靠性，增加設(shè)備的使用壽命。為了能夠讓智能變電站高級應(yīng)用功能能夠發(fā)揮出良好作用，需要加強(qiáng)對智能變電站高級應(yīng)用功能的研究。在文中介紹了220kV智能變電站的概述、基本組成和高級應(yīng)用功能的研究。

【關(guān)鍵詞】智能變電站；高級應(yīng)用

1、智能變電站概述

智能變電站與常規(guī)變電站相比主要區(qū)別有：

1.1 一次設(shè)備智能化：采用數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開關(guān)（或配智能單元的傳統(tǒng)開關(guān)）等智能一次設(shè)備。一次設(shè)備和二次設(shè)備間用光纖傳輸數(shù)字編碼信息的方式交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等信息。

1.2 二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化：二次設(shè)備見用通信網(wǎng)絡(luò)交換模擬量、開關(guān)量和控制命令等信息，取消常規(guī)自動化系統(tǒng)一次設(shè)備和二次設(shè)備之間的控制電纜，采用光纖網(wǎng)絡(luò)直接通信。

1.3 管理運(yùn)維自動化：包括自動故障分析系統(tǒng)、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和程序化控制系統(tǒng)等自動化系統(tǒng)，提高自動化水平，減少運(yùn)行維護(hù)的難度和工作量。

高級應(yīng)用是運(yùn)行管理智能化的前提，是推行調(diào)控一體化和無人值班的保障。本文針對熊家嘴220kV變電站高級應(yīng)用功能進(jìn)行全面論述。根據(jù)目前智能變電站高級應(yīng)用的成果以及今后智能電網(wǎng)的發(fā)展研究，智能變電站高級應(yīng)用采用循序漸進(jìn)，逐步實(shí)施的原則，在智能變電站建設(shè)中逐漸全面實(shí)施。

2、智能化變電站基本組成

2.1 站控層：站控層包含自動化站級監(jiān)控控制系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA）、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等相關(guān)功能。其作用是完成對本站內(nèi)間隔層設(shè)備及一次設(shè)備的控制，并完成與遠(yuǎn)方控制中心、工程師站及人機(jī)界面的通信功能。

站控層功能高度集成，可在計(jì)算機(jī)或嵌入式裝置中實(shí)現(xiàn)，也可分布在多臺計(jì)算機(jī)或嵌入式裝置中實(shí)現(xiàn)。

2.2 間隔層：間隔層設(shè)備一般指繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測控裝置、監(jiān)測功能組的主智能電子裝置（IED）等二次設(shè)備，實(shí)現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能，即與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。主要任務(wù)是利用本間隔的數(shù)據(jù)完成對本間隔設(shè)備的監(jiān)測和保護(hù)判斷。

2.3 過程層：過程層設(shè)備是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合，主要包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組建以及獨(dú)立的智能電子裝置。

智能一次設(shè)備和電子式互感器是智能化變電站的顯著標(biāo)志之一，它由高壓設(shè)備本體和智能組件兩部分構(gòu)成，具有測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化等特征。智能組件由若干智能電子設(shè)備（IED）組成，承擔(dān)一次設(shè)備的測量、控制和在線監(jiān)測等功能，隨著技術(shù)的發(fā)展還可進(jìn)一步集成保護(hù)、計(jì)量等功能。

2.4 組網(wǎng)方式：智能化變電站站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與數(shù)字化變電站相同，全站統(tǒng)一設(shè)置站控層網(wǎng)絡(luò)（MMS網(wǎng)），采用雙星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雙網(wǎng)雙工熱備用方式運(yùn)行。全站的站控層設(shè)備以及間隔層設(shè)備，均通過100M雙網(wǎng)口接入站控層雙星形MMS網(wǎng)絡(luò)。

過程層采樣值傳輸可采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸或組建采樣值網(wǎng)絡(luò)（SV網(wǎng)）兩種方式。在傳輸規(guī)約方面，采用IEC61850-9-2采樣值傳輸標(biāo)準(zhǔn)。過程層GOOSE跳閘可采用點(diǎn)對點(diǎn)和組網(wǎng)兩種方式。GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)可分別組網(wǎng)也可共同組網(wǎng)。熊家嘴智能變電站采取的是GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)分別組網(wǎng)的方式，GOOSE跳閘采用的是點(diǎn)對點(diǎn)的直跳方式。

2.5 對時方式：目前主要的對時方式有SNTP、IRIG-B和IEEE1588等。SNTP對時采用以太網(wǎng)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)簡單，精度能達(dá)到毫秒級，站控層對時均采用該方式。IRIG-B對時是十分成熟的技術(shù)，在過程層網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，熊家嘴智能變電站采取的是該模式。IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對時技術(shù)的對時精度可達(dá)到亞微秒級，且可利用過程層網(wǎng)絡(luò)而不用鋪設(shè)專用的對時網(wǎng)絡(luò)，在國內(nèi)某些變電站已經(jīng)獲得了使用。

3、高級應(yīng)用功能的研究

3.1 智能控制：變電站智能控制是電力系統(tǒng)智能變電站的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)變電站智能控制是高級應(yīng)用的基礎(chǔ)，變電站最基本的智能控制包括順序操作，智能操作票、站域協(xié)同控制、圖像聯(lián)動等。

智能控制技術(shù)關(guān)鍵是統(tǒng)一命名規(guī)范、統(tǒng)一檢索機(jī)制、完全自描述實(shí)現(xiàn)模塊間或者系統(tǒng)間信息的無縫交互。基于智能調(diào)度等系統(tǒng)的特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)狀況，利用先進(jìn)的模型映射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息的無損轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及建模，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性，為高級智能應(yīng)用奠定必需的基礎(chǔ)。

變電站順序操作是指變電站內(nèi)智能設(shè)備依據(jù)變電站操作票的執(zhí)行順序和執(zhí)行結(jié)果校核要求，由站內(nèi)智能設(shè)備代替操作人員，自動完成操作票的執(zhí)行過程。實(shí)際操作時只需要變電站內(nèi)運(yùn)行人員或集控中心運(yùn)行人員根據(jù)操作要求選擇一條順控操作命令，操作票的執(zhí)行和操作過程的校驗(yàn)由變電站內(nèi)智能電子設(shè)備自動完成。

3.2 一體化五防與智能操作票

一體化五防：站控層具備全站防止電氣誤操作閉鎖功能。并能完成操作票模擬、預(yù)演與執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)和電腦鑰匙的通訊，在監(jiān)控后臺能完全實(shí)現(xiàn)五防和操作票的功能。

智能操作票：智能操作票是智能調(diào)度和智能化變電站的重要應(yīng)用之一，智能調(diào)度操作票用于調(diào)度自動化人員進(jìn)行調(diào)度操作的自動開票，而智能倒閘操作票用于變電站操作人員進(jìn)行變電站內(nèi)的各種倒閘操作。

智能操作票專家系統(tǒng)，通過獲取電力系統(tǒng)專家豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和知識來模擬電力系統(tǒng)專家智能開票系統(tǒng)。操作票專家系統(tǒng)主要利用存放電力系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)的操作規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)知識的知識庫，根據(jù)操作任務(wù)的要求，調(diào)用相關(guān)設(shè)備的規(guī)則類進(jìn)行匹配推理，生成最終的操作票。

3.3 站域控制及保護(hù)

站域保護(hù)：是對站內(nèi)信息的集中處理、判斷，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)安全自動控制裝置（如備自投、母線分合運(yùn)行）的協(xié)調(diào)工作，適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行方式的要求。宜具備與大用戶、電源等外部系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的功能，能轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)、出線運(yùn)行狀況等相關(guān)信息。

采集全站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，優(yōu)化后備保護(hù)功能。通過綜合利用變電站內(nèi)各側(cè)的電壓或電流關(guān)系對各側(cè)的故障進(jìn)行定位以實(shí)現(xiàn)全站的快速且有選擇性后備保護(hù)，提高保護(hù)自適應(yīng)能力，同時在原有后備保護(hù)的基礎(chǔ)上根據(jù)與之配合的主保護(hù)或者后備保護(hù)的動作情況來縮短該后備保護(hù)的延時。

站域控制：利用對站內(nèi)信息的集中處理、判斷，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)自動控制裝置（如備自投、母線分合運(yùn)行）的協(xié)調(diào)工作，適應(yīng)系統(tǒng)各種運(yùn)行方式的要求。

在通信和數(shù)據(jù)處理速度滿足要求的情況下，應(yīng)考慮基于全站數(shù)據(jù)信息的集中式處理架構(gòu)的應(yīng)用，系統(tǒng)級的運(yùn)行控制策略優(yōu)于面向單間隔的策略。

在熊家嘴智能變電站，站域控制及保護(hù)功能已集成安裝在系統(tǒng)中，但還未正式運(yùn)行。

3.4 智能告警與分析決策

智能變電站良好的網(wǎng)絡(luò)，為全站容量信息的上送提供了可能，面對大量的告警信息，根據(jù)運(yùn)行需求對信息進(jìn)行綜合分類管理，實(shí)現(xiàn)全站信息的分類告警功能。根據(jù)告警信息的級別實(shí)行優(yōu)先級管理，方便重要告警信息的及時處理，有助于智能變電站應(yīng)對各類突發(fā)事件。綜合推理和分析決策報(bào)告將準(zhǔn)確地提供必要的與事故和異常相關(guān)的信息，同時包含該事故和異常的一般性處理原則和推薦方法，協(xié)助運(yùn)行人員及時地分析和處理事故，削弱事故對電網(wǎng)的影響和異常的危害性。

根據(jù)變電站邏輯和推理模型，實(shí)現(xiàn)對告警信息的分類和信號過濾，對變電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時分析和推理，自動報(bào)告變電站異常并提出故障處理指導(dǎo)意見，為主站提供智能告警，也為主站分析決策提供事件信息。

智能告警與分析決策實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容：告警信息的分層、分類的多維度劃分；可定制的告警多窗口的實(shí)現(xiàn)；告警信息篩選、過濾與屏蔽；計(jì)時、計(jì)次等統(tǒng)計(jì)類型告警的應(yīng)用；在線實(shí)時分析和推理變電站運(yùn)行狀態(tài)；自動報(bào)告變電站異常并提出處理指導(dǎo)。

3.5 設(shè)備在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修

智能化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、各種智能電子裝置IED的故障和動作信息及信號回路狀態(tài)。智能化變電站中將幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，在設(shè)備狀態(tài)特征量的采集上沒有盲區(qū)。通過對設(shè)備進(jìn)行廣泛的在線監(jiān)測，設(shè)備檢修策略可以從常規(guī)變電站設(shè)備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，使得設(shè)備檢修更加科學(xué)可行，既能保證電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，又可獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

設(shè)備在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修系統(tǒng)是一個多層結(jié)構(gòu)的軟硬件結(jié)合的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。其中，智能化變電站包括兩層，一層是就地監(jiān)測層，負(fù)責(zé)變電站電網(wǎng)設(shè)備、智能電子裝置等設(shè)備各種狀態(tài)和信息的采集；另一層是站內(nèi)數(shù)據(jù)平臺，負(fù)責(zé)變電站內(nèi)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、顯示、分析。調(diào)度中心也包括兩層，一層是數(shù)據(jù)采集層，負(fù)責(zé)采集各變電站上送的各種設(shè)備檢測信息，形成設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺；另一層是應(yīng)用分析層，利用電力系統(tǒng)中成熟的電力設(shè)備故障診斷算法對設(shè)備故障進(jìn)行診斷，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評估分析，并結(jié)合電網(wǎng)的運(yùn)行方式和檢修計(jì)劃，合理進(jìn)行故障設(shè)備的檢修管理。

3.5.1 一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視

監(jiān)控一體化系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)視應(yīng)分為數(shù)據(jù)監(jiān)視和可視化展示兩個部分：

可視化展示應(yīng)采集主要一次設(shè)備（變壓器、斷路器等）狀態(tài)信息，進(jìn)行狀態(tài)可視化展示并發(fā)送到上級系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備運(yùn)行管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。運(yùn)行監(jiān)視信息應(yīng)直觀、生動、逼真，貼近真實(shí)物理對象，故障信息應(yīng)形象、直觀、逼真，與實(shí)際事故場景相一致；可視化化的展示應(yīng)有利于運(yùn)行人員遠(yuǎn)方快速、準(zhǔn)確地完成操作和事故判斷。

通過對一次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的狀態(tài)檢修，從而簡化檢驗(yàn)項(xiàng)目，甚至取消定期檢驗(yàn)。減少二次設(shè)備定期計(jì)劃檢修維護(hù)，降低檢修費(fèi)用，減少停電時間，進(jìn)一步降低變電站全壽命周期成本。在線監(jiān)測主要包括對變壓器油中溶解汽體、局放監(jiān)測、套管容性設(shè)備介損監(jiān)測、全站避雷器放電計(jì)數(shù)漏電流監(jiān)測等。

3.5.2 二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視

二次設(shè)備狀態(tài)可視化：包括二次設(shè)備或計(jì)算機(jī)的CPU負(fù)荷率、內(nèi)存使用率、硬盤使用率的實(shí)時監(jiān)視。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)全景可視化：基于SNMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)了運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)流量、交換機(jī)端口狀態(tài)等信息的實(shí)時監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可視化監(jiān)視與報(bào)警功能。

站控層和過程層網(wǎng)絡(luò)中，分別配置網(wǎng)絡(luò)記錄、分析設(shè)備，并將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息上傳至站級監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中可視化監(jiān)視并依據(jù)檢測數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行評估。

二次設(shè)備運(yùn)行可視化：二次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行、熱備、檢修、停運(yùn)等）的可視化。二次設(shè)備的重要壓板宜可視化。當(dāng)前的定值區(qū)的可視化，應(yīng)能直觀的顯示運(yùn)行定值、定值區(qū)的信息。應(yīng)能直觀反應(yīng)二次設(shè)備的指示燈狀態(tài)（運(yùn)行、故障、告警）。針對變電站數(shù)字化后產(chǎn)生的虛擬二次回路，依據(jù)其信息流，實(shí)現(xiàn)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。

四、結(jié)束語

智能電網(wǎng)代表著電力工業(yè)的發(fā)展方向和社會的進(jìn)步，智能化變電站是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。本文對智能化變電站的概況和基本組成進(jìn)行了總結(jié)，并探討了220千伏智能化變電站中高級應(yīng)用功能。智能化變電站高級應(yīng)用功能的完善需要較長時間，將隨著智能化變電站技術(shù)的發(fā)展和智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)而逐步走向成熟。

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