提高變電站電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)途徑研究

劉建文，顏勇，林桂柯，高鵬

（國網(wǎng)山東綜合能源服務(wù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

提高變電站電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平是電網(wǎng)建設(shè)、發(fā)展的必然要求，通過自動(dòng)化技術(shù)的健全、完善，不僅能夠降低人工成本，還可以提升管理效率，增強(qiáng)系統(tǒng)對潛在故障風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)控排查能力，保障變電站的穩(wěn)定高效運(yùn)行。近年來，我國新型電力系統(tǒng)建設(shè)步伐加快，變電站電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平也有所提高，但實(shí)際運(yùn)營中存在的遠(yuǎn)程監(jiān)控智能化程度較低、故障診斷困難、通信布局受限且可擴(kuò)展性差等問題仍舊未能徹底解決，有必要進(jìn)行提高優(yōu)化。

1 變電站電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)探析

探討變電站電力系統(tǒng)自動(dòng)化問題前，有必要對變電站結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要的介紹，從功能角度看，變電站內(nèi)部設(shè)備可以大致分為2 大部分。

1.1 一次系統(tǒng)

一次系統(tǒng)在變電站中占據(jù)著核心性地位，承擔(dān)了主要的電力轉(zhuǎn)換和配送職能，設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)作保證供電平穩(wěn)性，關(guān)鍵設(shè)備主要包含以下幾個(gè)部分：（1）變壓器。變壓器設(shè)備種類、規(guī)格多樣，但基本形式是存在較大共性的，主要包含鐵芯、繞組、油箱等子系統(tǒng)，可以起到變換電壓、變換阻抗等作用。（2）開關(guān)設(shè)備。主要包括斷路器、隔離開關(guān)等，斷路器可以切斷和接通負(fù)荷電路，又可以將故障設(shè)備及時(shí)切除出去，防止故障擴(kuò)大蔓延，按滅弧介質(zhì)分為真空斷路器、六氟化硫斷路器等；隔離開關(guān)通常與斷路器配合使用，在分閘狀態(tài)具有明顯的斷開點(diǎn)，在合閘狀態(tài)能可靠地通過正常電流和短路電流。（3）互感器。分為電壓互感器和電流互感器，可以將高電壓、大電流轉(zhuǎn)換成相對安全的低電壓、小電流，從而實(shí)現(xiàn)測量儀表、保護(hù)設(shè)備及自動(dòng)控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、小型化。（4）電容器。防雷接地等裝置，可以進(jìn)行無功補(bǔ)償、防雷避雷等。

1.2 二次系統(tǒng)

二次系統(tǒng)則扮演了監(jiān)控、輔助等角色，主要包含以下幾個(gè)部分：（1）計(jì)量系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)計(jì)量電費(fèi)、經(jīng)濟(jì)結(jié)算，可以實(shí)時(shí)收集電能數(shù)據(jù)，為變電站運(yùn)營管理、生產(chǎn)監(jiān)控等提供依據(jù)支撐。（2）監(jiān)控系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)監(jiān)視和控制，監(jiān)視一次設(shè)備的電壓、電流等以及二次設(shè)備的狀態(tài)、動(dòng)作信息等，另外，可以將控制指令轉(zhuǎn)化成可識(shí)別數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對開關(guān)設(shè)備等的遠(yuǎn)程操控，在電力系統(tǒng)自動(dòng)化中占據(jù)著關(guān)鍵性地位。（3）繼電保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)變電站設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常、故障時(shí)，該系統(tǒng)可以快速響應(yīng)，通過跳閘等方式切除目標(biāo)設(shè)備，防止故障擴(kuò)散蔓延的同時(shí)保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。（4）故障信息系統(tǒng)。可以對故障點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，通過錄波、測距等技術(shù)手段盡快找到故障區(qū)域，提升檢修維護(hù)效率。（5）通信系統(tǒng)。主要由數(shù)據(jù)發(fā)出設(shè)備、接收設(shè)備和傳輸線路三部分組成。二次設(shè)備的連接方式較為復(fù)雜，其中既包含交流電壓、電流回路，也包含控制回路、信號回路等，二次回路是否合理可靠，直接關(guān)系到整個(gè)變電站能否安全可靠運(yùn)行。

2 變電站電力系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀及問題

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控方面

近年來，我國科技產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，無人值守變電站逐漸普及運(yùn)營，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息工程等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互，現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)能及時(shí)傳遞回監(jiān)控中心，節(jié)約了人力資源成本，將員工從繁重的巡檢值守工作中解放出來，又提高了運(yùn)維管理效率，確保了變電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。但該種情況也帶來了新的問題，比如，監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化程度較低，僅靠電流、電壓裝置很難全面準(zhǔn)確地掌握設(shè)備運(yùn)行情況，部分設(shè)備的報(bào)警系統(tǒng)由于檢測調(diào)試不當(dāng)，甚至?xí)霈F(xiàn)頻繁的故障誤報(bào)等問題，運(yùn)維人員不得不來回奔波檢查設(shè)備運(yùn)行狀況，給變電站的平穩(wěn)調(diào)度和運(yùn)行帶來了較大阻礙。

2.2 故障診斷方面

變電站擔(dān)負(fù)著重要的電壓轉(zhuǎn)化、電能分配職能，伴隨電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)張，變電站總負(fù)荷也在不斷增大，部分線路、設(shè)備工作環(huán)境較為惡劣，尤其容易出現(xiàn)故障問題。常見的如母線故障、變壓器故障、直流系統(tǒng)故障等，背后的誘因同樣較為復(fù)雜，母線故障可能是由絕緣子污損導(dǎo)致的閃絡(luò)引發(fā)，也可能是電流互感器故障引發(fā)，變壓器故障則可能由變壓器鐵芯、外殼意外接觸引發(fā)，還可能是運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)引發(fā)。這些復(fù)雜的故障誘因均需要依靠自動(dòng)化系統(tǒng)識(shí)別、判定，但現(xiàn)有的變電站自動(dòng)化技術(shù)顯然不足以滿足該種需求，部分變電站配置的傳感器監(jiān)測裝置種類較為單一，無法對設(shè)備進(jìn)行針對性監(jiān)測，部分變電站智能化水平不足，故障識(shí)別、判定困難，均制約了變電站的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.3 通信技術(shù)方面

通信技術(shù)是變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行、監(jiān)控的重要依托，所有設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)等均需要借助通信渠道完成傳輸，當(dāng)前變電站多采用現(xiàn)場總線模式實(shí)現(xiàn)站內(nèi)通信，采用有線信道布局搭配光纖技術(shù)，提高了傳輸容量，雙絞線結(jié)構(gòu)的融合進(jìn)一步增強(qiáng)了抗干擾能力，整體的可靠性較高。但這種模式也帶來了新的問題，比如，通信線路布局受制明顯、節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)性相對較差等，后期擴(kuò)建環(huán)節(jié)很容易遭到破壞。另外，伴隨變電站智能化水平提升，設(shè)備數(shù)量和類型還會(huì)更加多樣，既有通信線路的可擴(kuò)展性很難適應(yīng)該種趨勢，必須通過新方法的應(yīng)用來提高通信技術(shù)水平。

3 提高變電站電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的策略途徑

3.1 提高智能監(jiān)控水平

近年來，我國城市化、工業(yè)化步伐加快，電網(wǎng)承接業(yè)務(wù)種類增多、規(guī)模擴(kuò)大，變電站內(nèi)部一次、二次設(shè)備數(shù)量均有所上升，傳統(tǒng)的電流、電壓傳感器已經(jīng)很難滿足差異化的設(shè)備監(jiān)控需求，提高優(yōu)化階段必須給予充分重視，立足變電站運(yùn)行實(shí)際制定針對化的智能監(jiān)控方案。在變壓器接入回路中，可以增設(shè)油色譜在線監(jiān)測裝置，通過色譜比對觀測變壓器內(nèi)部油液狀態(tài)，看其故障氣體含量是否超標(biāo)；還可以設(shè)置繞組變形監(jiān)測裝置，以短路阻抗法為依托安裝元件，實(shí)時(shí)收集繞組阻抗變化參數(shù)，輔助開展繞組變形評估；此外，還可以根據(jù)需求選用絕緣特性監(jiān)測裝置、斷路器監(jiān)測裝置等，將電流傳感器安裝在特定部位，用于檢測線路絕緣情況、斷路器機(jī)械特性情況等。所有數(shù)據(jù)通過無線局域網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)等傳輸回監(jiān)控系統(tǒng)，與提前設(shè)定的閾限值對比分析，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化、智能化的跟蹤監(jiān)控。

需要注意的是，變電站自動(dòng)化智能監(jiān)控環(huán)節(jié)，對于時(shí)間精度的要求是極高的，提高技術(shù)水平時(shí)不僅要著意增加監(jiān)測裝置數(shù)量、種類，更要做好對時(shí)同步技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化。現(xiàn)階段，以GPS 授時(shí)技術(shù)、北斗授時(shí)技術(shù)等為代表的衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)獲得推廣應(yīng)用，授時(shí)精度可以達(dá)到10ns，給變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了便利。變電站要結(jié)合實(shí)際情況選擇適宜的時(shí)間同步方式，對于精度要求不高時(shí)，可以使用SNTP對時(shí)方式，傳輸系統(tǒng)對時(shí)間精度要求較高，可以使用IRIG-B 對時(shí)方案或者IEEE1588 對時(shí)方案，以提高變電站自動(dòng)化水平。

3.2 提高故障診斷技術(shù)水平

變電站是我國智能電網(wǎng)體系中不可或缺的重要組成部分，在轉(zhuǎn)換電壓、分配電能等方面有著極為關(guān)鍵的地位作用，運(yùn)行環(huán)節(jié)一旦發(fā)生設(shè)備絕緣失效、線路短路斷路等故障，必將帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，因此建設(shè)環(huán)節(jié)還應(yīng)著重提高自動(dòng)化故障診斷水平。既有系統(tǒng)中采用參數(shù)收集、人工判別的方式，所有數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程通信設(shè)備傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心初步分析相關(guān)數(shù)據(jù)后安排人員前往排查，這種方式在變電站設(shè)備數(shù)量較少、結(jié)構(gòu)較為簡單的時(shí)期是較為適用的，但現(xiàn)階段，變電站規(guī)模擴(kuò)張、負(fù)荷增加，監(jiān)控中心對接多個(gè)無人值守變電站，模式適用性明顯下降。基于此，提高變電站電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平時(shí)，還需要強(qiáng)化對人工智能技術(shù)的引入，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Artificial Neural Networks）就是其中的代表性類型，它以人腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)為仿生對象，采用數(shù)學(xué)模型方式進(jìn)行一階特性描述，通過樣本訓(xùn)練獲取事務(wù)運(yùn)行特征，生成對應(yīng)的故障信息庫，為后續(xù)的擬合、判別奠定基礎(chǔ)。實(shí)踐中可以根據(jù)實(shí)際需求搭建針對變壓器、一次回路、二次回路等部分的ANN 故障診斷模型，通過臺(tái)賬獲取設(shè)備、線路歷史運(yùn)行情況，并將相關(guān)參數(shù)輸入模型中開展樣本訓(xùn)練，以提升故障識(shí)別精確性。還可以融合專家系統(tǒng)技術(shù)，將電力學(xué)知識(shí)、故障歷史信息、設(shè)備機(jī)械知識(shí)等集成到專家系統(tǒng)中，輔助進(jìn)行故障排查和維修，保證故障診斷水平的提高。

3.3 提高通信技術(shù)水平

針對當(dāng)前變電站系統(tǒng)中通信布局受限、擴(kuò)展性較差的問題，革新環(huán)節(jié)還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行針對化的提高，用更加優(yōu)質(zhì)的技術(shù)在站內(nèi)構(gòu)建起無線通信格局，省去穿墻、埋溝等工程步驟的同時(shí)，提升通信架構(gòu)靈活性。現(xiàn)階段，可用的無線通信技術(shù)較多，比如，藍(lán)牙技術(shù)、4G 技術(shù)等，前者采用全球通用組網(wǎng)模式，可以在2.4GHz 頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，通信速率可以達(dá)到1Mbit/s，整體的建設(shè)成本低，且標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，允許知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享；后者包含兩種不同制式，分別為TD-LTE 以及FDD-LTE，每秒內(nèi)傳輸量可以達(dá)到100Mbit，兼容性和保密性良好。在變電站電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平提高環(huán)節(jié)，完全可以對兩種技術(shù)進(jìn)行靈活組合，區(qū)域內(nèi)設(shè)備采用藍(lán)牙交互模式連接，遠(yuǎn)程部分則由LTE 網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳輸。但考慮到現(xiàn)階段LTE 網(wǎng)絡(luò)與變電站系統(tǒng)融合不是很好，且存在網(wǎng)絡(luò)租用和運(yùn)營成本問題，未來可能需要較長的探索嘗試時(shí)間，因此更推薦無線局域網(wǎng)技術(shù)，該種技術(shù)的通信距離可以達(dá)到80 ～120m，工作頻段免費(fèi)且傳輸速率極快，運(yùn)用IEEE802.11g/n 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，每秒傳輸量可以達(dá)到54Mbit，能夠滿足設(shè)備巡檢、電能監(jiān)測等異構(gòu)性數(shù)據(jù)的傳送需要。此外，無線局域網(wǎng)的引入雖然較好地解決了變電站內(nèi)部通信問題，但其運(yùn)營中的安全風(fēng)險(xiǎn)仍舊是不容小覷的，建設(shè)時(shí)，要考慮到非法用戶攻擊、竊聽風(fēng)險(xiǎn)，綜合使用物理隔離、隱藏SSID 等方式提高安全防護(hù)等級。

3.4 提高數(shù)據(jù)集成分析水平

當(dāng)前我國電網(wǎng)系統(tǒng)處于不斷健全完善的發(fā)展階段，變電站設(shè)備升級優(yōu)化速度加快，類型功能十分多樣，日常運(yùn)行環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大量異構(gòu)性數(shù)據(jù)十分考驗(yàn)運(yùn)維人員處理能力，傳統(tǒng)的紙質(zhì)運(yùn)維表單數(shù)量多、數(shù)據(jù)繁雜，不僅容易出現(xiàn)錯(cuò)漏、丟失問題，后期的分析利用效率也不高。即便現(xiàn)在信息技術(shù)普及，很多變電站開始使用臺(tái)賬記錄方式，但數(shù)據(jù)零散、關(guān)聯(lián)性弱的情況仍舊客觀存在，包含設(shè)備參數(shù)、出廠報(bào)告在內(nèi)的固有數(shù)據(jù)，以及包含氣象數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)等在內(nèi)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)整合不足，整體的利用率較低。革新環(huán)節(jié)務(wù)必要給予充分重視，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)輔助處理分析，確保變電站數(shù)據(jù)集成分析水平的提高。可以依托大數(shù)據(jù)技術(shù)建立分布式信息存儲(chǔ)平臺(tái)，存儲(chǔ)內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面：（1）固有數(shù)據(jù)。即設(shè)備參數(shù)、出廠報(bào)告、說明書；（2）動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。即氣象數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、油色譜檢測數(shù)據(jù)、斷路器動(dòng)作數(shù)據(jù)等；（3）隨機(jī)數(shù)據(jù)。即故障維修記錄、裝置告警記錄等。將數(shù)據(jù)集成到大數(shù)據(jù)平臺(tái)中進(jìn)行清洗預(yù)處理，借助特征選取算法、關(guān)聯(lián)性挖掘算法等對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測，最后得出具體的狀態(tài)評估報(bào)告，提高數(shù)據(jù)利用效率的同時(shí)增強(qiáng)運(yùn)維工作的針對性，保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)作。

4 結(jié)語

綜上所述，變電站電力系統(tǒng)是電網(wǎng)運(yùn)營、電力輸送環(huán)節(jié)極為關(guān)鍵的主體部分，能夠?yàn)殡娏Ψ峙涮峁﹫?jiān)實(shí)保障，實(shí)踐中務(wù)必要重視其地位價(jià)值。積極引入多樣化監(jiān)測裝置，對設(shè)備進(jìn)行針對性監(jiān)測，提高智能監(jiān)控水平；同時(shí)做好樣本訓(xùn)練和專家?guī)旖ㄔO(shè)工作，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)等提高故障診斷技術(shù)水平；在此基礎(chǔ)上，引入無線局域網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，保障通信布局的靈活性和可擴(kuò)展性，提高數(shù)據(jù)集成分析水平。通過上述一系列策略和舉措，提高變電站電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，為變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。