淺析變電站綜合自動化與智能化的現狀與發展趨勢

李剛剛

（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741018）

1 概述

常規變電站的二次設備由：繼電保護、自動裝置、測量儀表、操作控制屏和中央信號屏以及遠動裝置。

變電站綜合自動化是將變電站的二次設備經過功能的組合和優化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和數字信號處理（DSP）等技術，實現對變電站主要設備和輸、配電線路的自動監視、測量、自動控制和微機保護以及與調度通信等綜合性自動化功能。

根據國家電網公司《智能變電站技術導則》，智能化變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，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、協同互動，達到提高變電站可靠性、優化資產利用率、減少人工干預、支撐電網安全運行等目標的變電站。

2 變電站綜合自動化和智能化的功能特征

2.1 變電站綜合自動化

根據國際大電網會議WG34.03工作組在研究變電站的數據流時，分析了變電站綜合自動化需完成的功能大概有63種，結合我國實際情況可綜述為以下幾個方面：

（1）監控功能：采集變電站的模擬量、開關量和電能量數據，記錄現場的事件順序，并在遠控室對相應的電氣設備進行調節控制。

（2）微機保護：具有通信、故障記錄、故障自診斷、自閉鎖、自恢復等獨立、完整的保護功能，其功能和可靠性，在很大程度上影響了整個系統的性能。

（3）電壓、無功綜合控制和低頻減負荷控制功能：電壓、頻率和波形是電能質量的重要指標，因此需要對電壓和頻率進行綜合調控，以保證電力部門和用戶在內的總體運行技術指標和經濟指標達到最佳。

（4）備用電源自動投入控制：隨著用戶對供電質量和供電可靠性要求日益提高，備用電源自動投入就成為變電站綜合自動化系統的基本功能之一。

2.2 變電站智能化

根據我國智能電網建設和發展的要求，體現我國智能電網信息化、數字化、自動化、互動化的特點，智能電網應具備以下功能特征：

（1）緊密連接全網：從變電站在智能電網體系結構中的位置和作用看，智能電網的建設，要有利于加強全網范圍各個環節間聯系的緊密性，有利于體現智能電網的統一性，有利于互聯電網對運行事故進行預防和緊急控制，實現在不同層次上的統一協調控制，形成統一堅強智能電網的關節和紐帶。

（2）支撐智能電網：從智能化變電站的自動化、智能化技術上看，智能化變電站的設計和運行水平，應與智能電網保持一致，滿足智能電網安全、可靠、經濟、高效、清潔、環保、透明、開放等運行性能的要求。

（3）高電壓等級的智能化變電站應滿足特高壓輸電網架的要求：特高壓輸電線路將構成我國智能電網的骨干輸電網架，變電站應能可靠的應對和解決大容量、高電壓帶來的設備絕緣、斷路器開關等方面的問題，支持特高壓輸電網架的形成和發揮有效作用。

（4）中低壓智能化變電站允許分布式電源的接入。未來智能電網的一個重要特征就是大量的風能、太陽能等間歇性分布式電源的接入。智能化變電站將作為分布式電源并網的入口，從技術到管理，從硬件到軟件都必須充分考慮并滿足分布式電源并網的需求。

（5）遠程可視化。智能化變電站的狀態監測與操作運行均可利用多媒體技術實現遠程可視化與自動化，以實現變電站真正的無人值班，并提高變電站的安全運行水平。

（6）裝備與設施標準化設置、模塊化安裝：智能變電站的一二次設備進行高度整合與集成，所有的裝備具有統一的接口。減少了現場大規模調試的弊端，使得變電站的“可復制性”大大提高。

3 變電站綜合自動化智能化的架構

3.1 變電站綜合自動化

變電站綜合自動化系統的發展過程與集成電路技術、微計算機技術、通信技術和網絡技術密切相關。隨著這些高科技的不斷發展，變電站綜合自動化的體系架構也在不斷發生變化，其性能和功能以及可能性等也不斷提高。從國內外變電站綜合自動化系統的發展來看，其架構形式可分為集中式、分布集中式、分散與集中相結合和全分散式等四種類型。下面主要通過變電站綜合自動化發展方向的代表——分散與集中相結合的架構進行分析。

分散與集中相結合的架構，既具備了分層分布式、模塊化結構的優點，又具備了結構緊湊、體積小的優點。其框圖如圖1所示。

圖1 分散與集中相結合的變電站綜合自動化系統框圖

分散式架構是將每一個電網元件（例如：一條出線、一臺變壓器、一組電容器等）為對象，集測量、保護、控制為一體，設計在同一機箱中，并將這些一體化的測量、保護、控制單元分散安裝在各個開關柜中，然后由監控主機通過光纜或電纜網絡，對這些單元進行管理和交換信息；集中式架構是將高壓線路保護裝置和變壓器保護裝置，采用集中組屏安裝在控制室內。

將以上兩種架構結合，即將配電線路的保護和測控單元分散安裝在開關柜內，而高壓線路保護和主變保護裝置等采用記住組屏的系統結構，稱為分散與集中相結合的架構。

分散與集中相結合的架構通過現場總線與保護管理機交換信息，節約控制電纜，簡化了變電站二次設備之間的互連線，縮小了控制室的面積；抗干擾能力強，工作可靠性高，而且組態靈活，檢修方便，還能減少施工和設備安裝工程量，所以該種方式是變電站綜合自動化的發展方向。

3.2 變電站智能化

未來智能變電站的體系分為設備層和系統層：設備層由變壓器、斷路器、電子式互感器等多個設備加上智能組件組成，完成能量傳輸及測量、保護、控制、計量等功能；系統層包含網絡通信系統、對時系統、后臺監控系統、站域保護、對外通信系統等子系統。其框圖如圖2所示。

圖2 智能變電站系統框圖

智能變電站的重點是設備智能化和高級智能應用，是從數字化變電站的基礎上演變出來的。相比于遵循IEC 61580協議的數字化變電站的三層結構（過程層、間隔層和站控層），智能變電站進行了結構簡化，其設備層相當于數字化變電站的過程層和間隔層的集合，系統層相當于站控層。設備層通過智能組件、電子式互感器等智能設備將傳統的一次、二次系統進行融合，完成相關信息的提取、歸集。系統層則注重信息共享、設備狀態可視化、智能警告、分析決策等高級智能應用。

4 變電站綜合自動化智能化的現狀與發展趨勢

4.1 變電站綜合自動化

變電站綜合自動化是在計算機技術和網絡通信技術的基礎上發展起來的。國外在20世紀80年代已經投入使用第一套分散式變電站綜合自動化LSA678（SIEMENS），我國在20世紀90年代才開始涉及，初始階段主要研制和生產集中型號的系統，例如IES-60、DISA-1等型號的系統，90年代中期開始研制分散式變電站綜合自動化系統，如DISA-2、CSC-2000等，與國外相比大約有10年的差距。

根據現有專業分工和管理體制的影響可將變電站綜合自動化的實施過程中分為兩種方案：一種主張站內監控以遠動（RTU）為數據采集和控制的基礎，相應的設備也是以電網調度自動化為基礎，“保護”則相對獨立；另一種則主張站內監控以微機保護為數據采集和控制的基礎，將保護、控制和測量結合在一起（例如CSC-2000）。

根據我國目前的運行體制、人員配備和專業分工出發，第一種采取的控制和保護相互分開獨立，相比于后一種更能適合我國國情，但是從發展趨勢、技術合理性及減少設備重復配置、維護工作量方面考慮，后一種又有前一種無法比擬的優越性。是我國自動化發展的方向。

隨著計算機和網絡通信技術的發展，變電站綜合自動化的運行模式將從無人值班、有人值守逐步向無人值守過度。站內RTU／LTU或保護監控單元也將直接上網，通過網絡與工作站和及它變電站通信，達到網絡同步，變電站之間信息共享。

4.2 變電站智能化

智能電網包含了電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和電力調度等6各環節。美國式研究智能電網最早的國家，1998年，美國電力科學研究院（EPRI）已經開始了“復雜交互式網絡和系統”的研究，根據美國能源部輸配電辦公室發布的《2030電網》的遠景規劃，至2010年建成智能電網示范工程，至2030年要達到100%的電力通過智能電網輸送的目標。歐洲各國也在加快推動智能電網的應用和變革，意大利有關電網2001年已經率先實現了智能化。

我國在智能電網的方面研究也比較早，在20世紀末，就提出了數字電力系統的概念，開展了分布電力技術和微電網技術的研究，國家電網在2007年制定了數字化電網、數字化變電站關鍵技術的研究框架，華東電網和華北電網相繼啟動了智能互動電網相關研究，2009年初國家電網公司啟動了“堅強智能電網體系研究報告”等重要課題研究。并隨后提出了構建智能電網為目標，技術主線與管理主線并進的發展戰略目標，設定了2008-2020年“三步走”的行動計劃。

智能電站是智能電網的重要組成部分和重要環節，國網公司提出了“十一五”科技發展規劃：提高電網運行管理控制水平的六個重點技術領域、電網自動化技術、數字化變電站技術，集中科研力量研制電子式互感器、變壓器智能組件、斷路器在線監控裝置等智能設備；研究開發符合IEC 61580標準，并具備測量、保護、控制、分析、設備在線監測、狀態檢修、遠方監視等功能的數字化分散式變電站自動化系統；為推進國內智能變電站的研究與建設，國家電網公司首批安排7個智能變電站試點工程，電壓等級涵蓋了110kV、220kV、500kV、及750kV變電站，涉及陜西公司延安750kV變電站、東北公司長春南500kV變電站、山東公司青島午山220kV變電站、湖南公司張家園110kV變電站等站點。

智能電網的建設帶來了巨大的市場機遇，到2020年我國裝機容量預計到達或超過16億kW，相應的智能電網投資規模也將超過4萬億元；將使我國電力工業及其相關的電力裝備產業的系統創新和整體技術得到很到的提高。

5 結束語

隨著微電子技術、計算機技術和通信技術的發展，人們的生活水平質量不斷提高，提供安全、可靠、優質的電能質量也顯得越來越重要；電力系統將向著具備測量、保護、控制、分析、設備在線監測、狀態檢修、遠方監視等功能為一體的數字化分散式變電站自動化系統方向發展，實現無人值守，無人工干預的全新電力網絡。