智能變電站技術(shù)在實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

【關(guān)鍵詞】智能變電站技術(shù)；實(shí)際工程；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

引言

智能電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)于目前全球能源需求、電網(wǎng)復(fù)雜度和安全性提升有著重要意義。國(guó)外電力企業(yè)和學(xué)者對(duì)未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展模式進(jìn)行研究，并將電網(wǎng)管理加入信息論中，使得發(fā)電、輸電、配電及終端用電在系統(tǒng)中無(wú)縫銜接，以此提升能源利用效率，確保能源安全。此外，智能電網(wǎng)創(chuàng)建包含在電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)中——發(fā)電、輸電、變電和配電等，能夠?qū)崿F(xiàn)從發(fā)電到用電的全過(guò)程智能化信息交流，以此優(yōu)化電力生產(chǎn)，提升電網(wǎng)的安全可靠性，減少運(yùn)行成本[1]。我國(guó)能源供應(yīng)新形勢(shì)和用電服務(wù)需求，也在積極推進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展，并持續(xù)制定符合自身特征的發(fā)展戰(zhàn)略以及規(guī)劃。此外，還需要加大智能電網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用力度，促進(jìn)電網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

一、智能變電站概況

智能變電站作為電力系統(tǒng)主要組成部分，一般情況下，采用有先進(jìn)、可靠、低碳、環(huán)保等特點(diǎn)的智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息的采集、測(cè)量、控制和保護(hù)等。而智能變電站的主要核心特點(diǎn)為信息全面數(shù)字化，意味著智能變電站中的所有設(shè)備均會(huì)出現(xiàn)數(shù)字信號(hào)，并且被進(jìn)行傳輸和處理。智能變電站還能通過(guò)通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，使不同設(shè)備間實(shí)時(shí)交換信息，這種信息共享可以保證信息的正確性和一致性。此外，建設(shè)智能變電站可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息、電力調(diào)度和運(yùn)行維護(hù)等全面互動(dòng)，對(duì)變電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分析，同時(shí)可以按照設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以此提升設(shè)備的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)使用壽命。

二、智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系

（一）站控層

站控層作為電力系統(tǒng)變電站的主要組成部分，負(fù)責(zé)處理全站的設(shè)備信息，并在處理完成后按照結(jié)果進(jìn)行選擇，對(duì)各個(gè)設(shè)備下達(dá)具體指令。當(dāng)智能變電站出現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題時(shí)，計(jì)算機(jī)與人機(jī)交互設(shè)備會(huì)迅速作出響應(yīng)，將智能變電站的異常信息記錄下來(lái)，采取針對(duì)性的處理措施，并將處理結(jié)果及時(shí)反饋給有關(guān)工作人員。由此，站控層可以讓上一級(jí)變電站及時(shí)獲取信息，并制定針對(duì)性的解決方案，從而保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

在實(shí)踐中，站控層主要組成部分包括：

1.監(jiān)控主機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控全站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，并且對(duì)收集得到的信息進(jìn)行處理。

2.遠(yuǎn)動(dòng)裝置，將站控層處理后的信息、指令或警報(bào)等發(fā)送給遠(yuǎn)方監(jiān)控，同時(shí)能夠接受其發(fā)出的控制信息。

3.高級(jí)應(yīng)用，可以按照具體需求定制及開發(fā)，包括數(shù)據(jù)分析、故障診斷和預(yù)測(cè)維護(hù)等。

4.網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，可將監(jiān)控主機(jī)或者其他設(shè)備生產(chǎn)的報(bào)告、日志、突變等進(jìn)行打印，有助于運(yùn)行人員查閱。

（二）間隔層

間隔層處于站控層和過(guò)程層間，在智能變電站系統(tǒng)中具有銜接角色，由保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、網(wǎng)絡(luò)記錄等功能組成，可同時(shí)進(jìn)行組件和協(xié)作，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)變電站的高效運(yùn)行和智能管理。間隔層可以選擇設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至站控層，為站控層提供正確的信息支持，并對(duì)站控層實(shí)施全面監(jiān)控。間隔層還能下達(dá)站控層對(duì)一次設(shè)備的具體指令，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)了雙向信息傳遞和控制功能。在有條件的情況下，間隔層還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)故障的初步檢測(cè)，這主要是因?yàn)闇y(cè)控單元會(huì)將進(jìn)程中所產(chǎn)生的信息及時(shí)記錄下來(lái)，并傳達(dá)給站控層?？傊悄茏冸娬鞠到y(tǒng)間隔層作為連接站控層和過(guò)程層之間的橋梁，具有一定的穩(wěn)定性，如果間隔層產(chǎn)生故障，會(huì)對(duì)整個(gè)變電站的運(yùn)行管理產(chǎn)生影響。為此，設(shè)計(jì)和建設(shè)智能變電站時(shí)，需要對(duì)間隔層的性能和可靠性進(jìn)行充分考慮[2]。

（三）過(guò)程層

過(guò)程層由合并單元和智能終端裝置組成，在電力系統(tǒng)中具有一定的作用，可以實(shí)時(shí)采集電氣數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以正確執(zhí)行控制命令。合并單元是指對(duì)不同傳感器電氣信息進(jìn)行合并處理，從而產(chǎn)生統(tǒng)一的電氣數(shù)據(jù)，有助于后續(xù)分析以及處理。電氣數(shù)據(jù)可以充分呈現(xiàn)出電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及性能表現(xiàn)。智能終端則屬于智能處理能力設(shè)備，可以接收控制中心指令，按照指令進(jìn)行正確的控制操作。過(guò)程層作為一次設(shè)備和二次設(shè)備的連接交接面，可以將一次設(shè)備中的電氣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到二次設(shè)備中，交由控制中心實(shí)施分析以及處理，以此對(duì)設(shè)備進(jìn)行精確控制。

（四）站控層網(wǎng)絡(luò)

站控層網(wǎng)絡(luò)一般為雙星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，連接站控層的各個(gè)設(shè)備，產(chǎn)生高效穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，還承擔(dān)著和間隔層通信的重要任務(wù)。站控層和間隔層的網(wǎng)絡(luò)通信一般采用多媒體信息服務(wù)（Multimedia Messaging Service，MMS）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的通信協(xié)議上，對(duì)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換進(jìn)行支持，包括控制命令、狀態(tài)信息和測(cè)量數(shù)據(jù)等，能夠獲取間隔層設(shè)備的狀態(tài)信息，對(duì)其實(shí)施遠(yuǎn)程控制及監(jiān)控。

（五）過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)

220 kV以上電壓等級(jí)電力系統(tǒng)的過(guò)程網(wǎng)絡(luò)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皩?shí)時(shí)性，一般選擇雙以太網(wǎng)形式創(chuàng)建過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包含通用面向?qū)ο笞冸娬臼录℅eneric Object Oriented Substation Event，GOOSE）信號(hào)A、B網(wǎng)與采樣值（Sampled Values，SV）信號(hào)A、B網(wǎng)，具備高度容錯(cuò)能力；在相互獨(dú)立的同時(shí)，還可以相互備份，當(dāng)一套網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生故障時(shí)，另外一套網(wǎng)絡(luò)可以接管工作，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)可靠性。這種設(shè)計(jì)提升了過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的可靠性以及穩(wěn)定性。

三、變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）采用ICE 61850創(chuàng)建變電站內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某110 kV變電站全面選擇數(shù)字化變電站技術(shù)，以此提升智能化水平。全站通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)（IEC61850）進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和通信，保證了變電站一次設(shè)備和二次智能裝置間的互操作性。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)變電站中的監(jiān)控和繼電保護(hù)功能，將智能設(shè)備劃分為站控層、間隔層和過(guò)程層，此種分層結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)變電站中各設(shè)備間的高效協(xié)作。數(shù)字化變電站中的過(guò)程層作為重要組成部分，包含智能傳感器以及執(zhí)行器，主要負(fù)責(zé)開關(guān)量和模擬量采集。過(guò)程層的提出主要強(qiáng)調(diào)了數(shù)字通信在變電站各個(gè)層次間的重要性[3]。在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中，過(guò)程層和間隔層通過(guò)交換式以太網(wǎng)進(jìn)行通信，這種數(shù)字通信方式被稱為過(guò)程總線；間隔層和變電站層間的串行通信方式稱為戰(zhàn)級(jí)總線通信。IEC61850配置流程如圖1所示。

（二）變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和傳統(tǒng)變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比具有一定的復(fù)雜性，這使得變電站中的數(shù)據(jù)傳輸和同步更具有正確性。站控層網(wǎng)絡(luò)采用百兆以太網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)高效傳輸，實(shí)現(xiàn)了全站智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）正確對(duì)時(shí)，可以保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同步選擇網(wǎng)可以確保全站分布式采樣同步性，提升了采樣數(shù)據(jù)正確性；同時(shí)GOOSE網(wǎng)（雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)）負(fù)責(zé)全站主變相關(guān)IED和有關(guān)智能操作通信。因?yàn)檎緝?nèi)具有較多的網(wǎng)絡(luò)，并且原二次回路逐漸被網(wǎng)絡(luò)通信代替，導(dǎo)致傳統(tǒng)二次回路查找故障和故障分析方法并不適用，為此過(guò)程中配置了網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備，可以對(duì)站內(nèi)采樣值、GOOSE網(wǎng)、站控層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行記錄[4]。與此同時(shí)，110 kV變電站的設(shè)計(jì)過(guò)程，考慮到設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)水平和變電站運(yùn)行現(xiàn)狀，并未將110 kV和主變部分進(jìn)行下放而配置傳統(tǒng)主變保護(hù)裝置，此種設(shè)計(jì)考慮了技術(shù)的可行性。此外，站內(nèi)其他系統(tǒng)因?yàn)槲磮?zhí)行IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)485通信方式上傳到自動(dòng)化系統(tǒng)后，協(xié)助轉(zhuǎn)換為61850標(biāo)準(zhǔn)，此種過(guò)渡性方法雖然存在一定的局限性，但屬于一種合理選擇。

（三）保護(hù)采樣和跳閘模式設(shè)計(jì)

智能變電站中的采樣和通信方式設(shè)計(jì)具有重要意義，能夠?qū)ψ冸娬镜倪\(yùn)行效率和安全性產(chǎn)生影響?！吨悄茏冸娬纠^電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》及《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》中具有明確的規(guī)定，對(duì)于采樣方式，應(yīng)選擇SV點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，也就是直采方式。這種方法意味著，數(shù)據(jù)從采樣單元傳輸?shù)奖Ｗo(hù)或測(cè)控設(shè)備，不通過(guò)交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以確保采樣數(shù)據(jù)的正確性和實(shí)時(shí)性，以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行繼電保護(hù)。此外，對(duì)于測(cè)控、保護(hù)等設(shè)備與智能終端之間的通信，如果屬于單間隔內(nèi)通信，需要選擇GOOSE點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直跳方法，以免由于網(wǎng)絡(luò)延遲或者故障出現(xiàn)錯(cuò)誤拒動(dòng)。此外，大部分多間隔保護(hù)的保護(hù)設(shè)計(jì)方式更加復(fù)雜，規(guī)范中要求考慮設(shè)備的保護(hù)動(dòng)作，也就是在設(shè)計(jì)保護(hù)過(guò)程中，需要對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行綜合考慮，包括保護(hù)范圍、動(dòng)作時(shí)間以及可靠性，確保在出現(xiàn)故障過(guò)程中可以正確處理故障。

四、變電站智能一次設(shè)備設(shè)計(jì)

某110 kV變電站在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了智能變電站技術(shù)基礎(chǔ)中的數(shù)字化技術(shù)，并和開關(guān)智能操作箱設(shè)備、柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible AC Transmission Systems，F(xiàn)ACTS）裝置等進(jìn)行結(jié)合，使其成為具有信息化和互動(dòng)化特征的智能變電站。

（一）開關(guān)類設(shè)備智能化設(shè)計(jì)

該變電站的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)110 kV 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）和10 kV 緊湊型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Compact Gas Insulated Switchgear，C-GIS）一次設(shè)備的智能化，并以回路間隔為單位進(jìn)行配置，提升變電站自動(dòng)化水平以及運(yùn)行效率。對(duì)于110 kV GIS部分，引入純光纖電流互感器和阻容分壓式電壓互感器，并選擇外置式結(jié)構(gòu)，滿足國(guó)家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。在互感器選型與配置過(guò)程中，純光纖電流互感器精度高，并且具有良好的抗電磁干擾能力，可以正確測(cè)量電流值并通過(guò)光纖傳輸信號(hào)，避免傳統(tǒng)互感器中電纜傳輸產(chǎn)生的電磁感染問(wèn)題。而阻容分壓式電壓互感器通過(guò)阻容分壓原理測(cè)量電壓，其精度較高，并且具有良好的抗干擾能力——輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，確保信號(hào)的穩(wěn)定可靠性。對(duì)于互感器而言，采集器單元處于高壓部分，可以直接采集電流或電壓信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)男盘?hào)形式。信號(hào)傳輸過(guò)程選擇光纖作為傳輸介質(zhì)，將采集器單元輸出信號(hào)傳輸?shù)降蛪翰糠值暮喜卧軌驅(qū)⒏邏汉偷蛪翰糠诌M(jìn)行隔離，以此提升系統(tǒng)安全性。合并單元處于低壓位置，負(fù)責(zé)接收并處理來(lái)自多個(gè)采集器單元的信號(hào)。

在110 kV GIS中，智能操作箱作為一個(gè)關(guān)鍵組件，對(duì)每個(gè)間隔進(jìn)行配置，其中包含斷路器、隔離開關(guān)及接地開關(guān)，能夠有效處理和傳輸間隔內(nèi)的遙信/遙控信息。此外，智能操作箱會(huì)采集間隔內(nèi)的遙信信息。采集到的信息通過(guò)GOOSE通信網(wǎng)傳送給二次設(shè)備，當(dāng)二次設(shè)備發(fā)出跳合閘命令時(shí)，會(huì)通過(guò)GOOSE通信網(wǎng)傳送給智能操作箱，最終完成出口跳合閘操作。

（二）主變壓器智能設(shè)計(jì)

某110 kV變電站的#1和#2主變選擇了SF6氣體絕緣變壓器，此種變壓器具有良好的絕緣性能，并采用了分體水冷冷卻方式，和主變余熱利用技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能源高效利用。此外第三臺(tái)主變選擇蒸發(fā)冷卻變壓器，這種變壓器選擇一體式自冷方式，對(duì)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將運(yùn)行成本降低。在主變室中設(shè)置主變智能測(cè)控箱，箱內(nèi)放置主變智能測(cè)控裝置，符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，可以采集和測(cè)量溫度、壓力釋放、超溫報(bào)警和氣泵故障、液位、有載檔位、中性點(diǎn)接地刀閘等非電量信號(hào)。與此同時(shí)，還可以接入主變本體保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式將這些信息提供給保護(hù)裝置和自動(dòng)化系統(tǒng)。#1和#2主變所采用的分體水冷冷卻系統(tǒng)配以氣—水熱交換器、氣泵、水泵和冷卻塔等設(shè)備，以對(duì)水冷系統(tǒng)運(yùn)行效率進(jìn)行優(yōu)化，配置自動(dòng)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主變電流溫度，正確判斷主變負(fù)載率，按照負(fù)載率自動(dòng)調(diào)整水冷系統(tǒng)各元器件情況，保證水冷系統(tǒng)在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行，從而降低損耗。此系統(tǒng)還可以采集水冷系統(tǒng)各元器件的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)過(guò)通信方式將信息上傳至變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，有助于工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供保證。

結(jié)語(yǔ)

智能變電站近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)正向高壓設(shè)備高度集成化方向發(fā)展，有助于突破一次、二次設(shè)備間的物理界限，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，同時(shí)在統(tǒng)一通信規(guī)約基礎(chǔ)上集成智能逐漸，使得設(shè)備更加智能化，以此提升變電站運(yùn)行效率和可靠性。此外，在軟件設(shè)備不斷提升的基礎(chǔ)上，變電站還需要優(yōu)化軟件系統(tǒng)，并且進(jìn)行員工培訓(xùn)，以保證新技術(shù)和新設(shè)備的有效應(yīng)用，使智能變電站得以順利運(yùn)行。由此，伴隨技術(shù)的完善發(fā)展，變電運(yùn)維工作效率也能有所提升，從而促進(jìn)電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。