智能變電站的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

宋宏雷

摘 要：本文闡述了智能變電站的功能特點(diǎn)，對(duì)比了智能變電站與常規(guī)變電站在功能上的差異化，以常規(guī)變電站的技術(shù)為前提，結(jié)合當(dāng)前智能變電站試點(diǎn)工程的研究與建設(shè)情況，分析研究了智能變電站的系統(tǒng)架構(gòu)，針對(duì)與電氣一次設(shè)備進(jìn)行接口的智能組件、合并單元進(jìn)行了技術(shù)與應(yīng)用方面的研究，并詳細(xì)闡述了高級(jí)應(yīng)用功能，對(duì)一體化防誤系統(tǒng)等高級(jí)應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合國(guó)內(nèi)智能變電站的建設(shè)情況提出了工程應(yīng)用的方案。

一、智能變電站的結(jié)構(gòu)

智能變電站的基本概念為變電站的信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數(shù)字化，基本特征為設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運(yùn)行管理自動(dòng)化等。智能變電站建設(shè)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)滿足上述要求的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)包括變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的總體要求、功能建模、數(shù)據(jù)建模、通信協(xié)議、項(xiàng)目管理和一致性檢測(cè)等一系列標(biāo)準(zhǔn)。按照 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的變電站，符合智能變電站的要求。

智能變電站的主要一次設(shè)備和二次設(shè)備按照要求應(yīng)為智能設(shè)備，這是變電站實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)。這些智能設(shè)備具有設(shè)備之間交互參數(shù)、狀態(tài)和控制命令等信息的通信接口。設(shè)備間信息傳輸?shù)姆绞街饕獮榫W(wǎng)絡(luò)通信方式，取代傳統(tǒng)的二次電纜等硬接線。如果使用傳統(tǒng)非智能一次設(shè)備，則應(yīng)通過配置智能終端將其改造為智能設(shè)備。

智能變電站內(nèi)的信息交互從邏輯上看分為三個(gè)層次及兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)：過程層、間隔層、站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)，即所謂的“三層兩網(wǎng)”。目前利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程層的通信己經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，隨著過程層設(shè)備信息量的不斷增加，間隔層及站控層對(duì)過程層數(shù)據(jù)要求不斷提高，如何合理構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)是智能變電站應(yīng)用技術(shù)的重要內(nèi)容。

二、智能變電站的特點(diǎn)

智能變電站是伴隨著智能電網(wǎng)的概念而出現(xiàn)的，作為電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，變電站智能化是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。其定義是：由先進(jìn)、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的智能設(shè)備組合而成，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為信息傳輸基礎(chǔ)，自動(dòng)完成信息、采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能一調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)應(yīng)用功能的變電站。智能變電站具有全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、高級(jí)應(yīng)用互動(dòng)化的特點(diǎn)。

在經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展、應(yīng)用后，傳統(tǒng)的分層分布式變電站綜自系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用非常廣泛；隨著 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的推廣，MMS 制造報(bào)文規(guī)范以及 GOOSE 的應(yīng)用使得變電站內(nèi)不同廠商的設(shè)備之間具有了實(shí)現(xiàn)互操作的可能，繼電保護(hù)跳閘可以通過網(wǎng)絡(luò)方式來實(shí)現(xiàn)；近幾年電子互感器、光學(xué)互感器技術(shù)也在不斷的探索中發(fā)展，這使得交流采樣、跳閘以數(shù)字及網(wǎng)絡(luò)手段實(shí)現(xiàn)為主要特征的數(shù)字化變電站開始在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)；隨著變電站數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，站內(nèi)快速采集的信息越來越多，測(cè)控裝置、保護(hù)裝置以及功角測(cè)量裝置（PMU）所采集到的信息是十分完整的，因此，變電站可以充分發(fā)揮本地信息的冗余性和本地決策的敏捷性優(yōu)勢(shì)，提高變電站在電網(wǎng)安全運(yùn)行、調(diào)度中的智能化程度；智能化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是變電站發(fā)展的一個(gè)方向，它更強(qiáng)調(diào)了在當(dāng)今計(jì)算機(jī)、光電技術(shù)十分發(fā)達(dá)的今天，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展不應(yīng)僅僅停留在采集手段發(fā)展的層次，而是要通過這方面的進(jìn)步而達(dá)到一個(gè)新的高度，即在智能電網(wǎng)中發(fā)揮最小但一也是核心管理單元的作用，這也是智能變電站有別于其它幾種變電站的重要特征之一。

三、 智能變電站的主要優(yōu)勢(shì)特征

智能變電站系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)特征有：

1、系統(tǒng)分層分布化

根據(jù) IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的描述，智能變電站的設(shè)備可以分為三層：站控層，間隔層，過程層。

過程層通常又稱為設(shè)備層，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件以及獨(dú)立的智能電子裝置。如電子式感器、合并單元、智能終端等，完成與一次設(shè)備相關(guān)的功能，包括實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量的采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、控制命令的執(zhí)行等。過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說過程層是指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。

間隔層設(shè)備一般指繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、等其它 IED 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能，即各種遠(yuǎn)方輸入、輸出，與傳感器和控制器之間的通信。間隔層一般按斷路器間隔劃分，保護(hù)裝置負(fù)責(zé)該間隔線路、變壓器等設(shè)備的保護(hù)、故障記錄等，測(cè)控裝置負(fù)責(zé)該間隔的測(cè)量、監(jiān)視、斷路器的操作控制和閉鎖，以及時(shí)間順序記錄等。因此，間隔層由各種不同間隔的裝置組成，這些裝置直接通過局域網(wǎng)或者串行總線與站控層聯(lián)系，也可設(shè)有數(shù)據(jù)管理機(jī)或保護(hù)管理機(jī)，分別管理各測(cè)量。監(jiān)視元件和各保護(hù)元件，然后集中由數(shù)據(jù)管理機(jī)和保護(hù)管理機(jī)與站控層通信。在站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，仍能獨(dú)立完成間隔層設(shè)備的就地監(jiān)控功能。

站控層由主機(jī)兼操作員站、遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置和其它各種二次功能站構(gòu)成，提供站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)聯(lián)系界面，實(shí)現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設(shè)備等功能，形成全所監(jiān)控、管理中心，并與遠(yuǎn)方監(jiān)控/調(diào)度中心通信。站控層包括自動(dòng)化站級(jí)監(jiān)視控制系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)等，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、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。站控層功能宜高度集成，可在一臺(tái)計(jì)算機(jī)或嵌入式裝置實(shí)現(xiàn)，也可分布在多臺(tái)計(jì)算機(jī)或嵌入式裝置中。

基于 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站確立了電力系統(tǒng)的建模標(biāo)準(zhǔn)，采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、軟件復(fù)用技術(shù)、高速以太網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)技術(shù)、XML 技術(shù)等，體現(xiàn)了“軟件總線”的概念，實(shí)現(xiàn)軟件領(lǐng)域的即插即用。滿足了電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性要求，有效地解決了異構(gòu)系統(tǒng)間的信息互通、數(shù)據(jù)內(nèi)容與顯示分離、自定義性和擴(kuò)展性等問題，使得變電站分層分布式方案的實(shí)施具備了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

2、信息交互網(wǎng)絡(luò)化

智能變電站采用低功率、數(shù)字化的電子互感器代替常規(guī)電磁型互感器，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號(hào)。變電站內(nèi)各設(shè)備之間通過高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，二次設(shè)備不再出現(xiàn)功能重復(fù)的 I/0 接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)及資源共享。具體包括：過程層與間隔層之間的信息交換，即過程層的各種智能傳感器和執(zhí)行器可以自由地與間隔層的智能裝置交換信息；間隔層設(shè)備之間的信息交換；間隔層與變電站層的通信；變電站層不同設(shè)備之間的通信。

3、設(shè)備檢修狀態(tài)化

狀態(tài)檢修是建立在運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)有效監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和分析診斷結(jié)果安排檢修時(shí)間和項(xiàng)目，主要包含狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備診斷、檢修決策三個(gè)環(huán)節(jié)。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)是設(shè)備診斷的根據(jù)和狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)，檢修決策是結(jié)合在線監(jiān)測(cè)與診斷情況，綜合設(shè)備和系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用要求確定具體的檢修計(jì)算和策略。電力系統(tǒng)長(zhǎng)期以來實(shí)行的是以預(yù)防性計(jì)劃?rùn)z修為主的檢修體制，主要依據(jù)檢修規(guī)程來確定檢修項(xiàng)目，存在設(shè)備缺陷較多的檢修不足，設(shè)備狀態(tài)較好的又檢修過度的狀況，一定程度上導(dǎo)致檢修的盲目性。定期性的檢修模式實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“應(yīng)修必修，修必修好”的檢修目標(biāo)。

在智能變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及各種智能裝置的故障和動(dòng)作信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作及信號(hào)回路狀態(tài)的有效監(jiān)視。智能變電站中幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設(shè)備狀態(tài)特征量的采集沒有盲區(qū)。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，從而大大提高系統(tǒng)的可用性。

智能變電站的基本概念為變電站的信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數(shù)字化，基本特征為設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運(yùn)行管理自動(dòng)化等。智能變電站建設(shè)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)滿足上述要求的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)包括變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的總體要求、功能建模、數(shù)據(jù)建模、通信協(xié)議、項(xiàng)目管理和一致性檢測(cè)等一系列標(biāo)準(zhǔn)。按照 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的變電站，符合智能變電站的要求。