淺談智能電網(wǎng)和智能變電站的技術(shù)

摘要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，電力需求日益增長(zhǎng)，中國(guó)電力工業(yè)建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，在中國(guó)能源資源分布、經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，大跨距、大容量輸電的背景下，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，其承載著降低能耗、科學(xué)發(fā)展和有效利用能源、推動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的使命。文章簡(jiǎn)要分析了智能電網(wǎng)的概念、特性，重點(diǎn)研究了智能數(shù)字變電站相關(guān)技術(shù)。其中數(shù)字變電站部分首先分析研究了數(shù)字變電與傳統(tǒng)變電站的區(qū)別，重點(diǎn)分析了數(shù)字變電站的主要技術(shù)特征與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后對(duì)智能電網(wǎng)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；數(shù)字化變電站；IEC61850

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—8937（2012）23—0135—02

1 智能電網(wǎng)的定義與特點(diǎn)

根據(jù)中國(guó)電力科學(xué)研究院胡學(xué)浩副總工程師在2009年舉辦的清潔能源國(guó)際峰會(huì)中的發(fā)言所提到智能電網(wǎng)概念，可以定義成：首先要有測(cè)量傳感系統(tǒng)，通過(guò)通訊、信息系統(tǒng)，把這個(gè)信息傳遞到調(diào)度控制部門，然后再有一些先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)，對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行控制，所以它是有先進(jìn)技術(shù)和物流電網(wǎng)最好的集成，說(shuō)得通俗一點(diǎn)，智能電網(wǎng)就是智能加電網(wǎng)，智能比較偏重于二次系統(tǒng)，電網(wǎng)偏重于物理系統(tǒng)。

智能電網(wǎng)（smart power grids），就是電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)2.0”，它是建立在集成、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)，其主要特征包括自愈，激勵(lì)和包括用戶，抵御攻擊，提供滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量，容許各種不同發(fā)電形式的接入，啟動(dòng)電力市場(chǎng)以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運(yùn)行。

1.1 數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站的區(qū)別

傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站的物理結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有差別，兩者的功能和接口結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)運(yùn)行則具有完全不同的特性。傳統(tǒng)變電站功能完成和信息傳遞同連接和設(shè)備物理結(jié)構(gòu)限定，而數(shù)字化變電站則完全通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)分配和交換信息，兩者存在巨大差異。因此在建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)和管理等方面，數(shù)字化變電站有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站兩者存在主要差別在于：

①智能終端就地化，減少二次電纜使用量，取而代之為光纜。

②跳閘方式發(fā)生了變化，保護(hù)裝置出口采用軟壓板方式進(jìn)行投退。

③程序化操作，IEC61850的應(yīng)用使保護(hù)等二次設(shè)備具備遠(yuǎn)方操作的技術(shù)條件。

④二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，安全措施發(fā)生變化。

⑤自動(dòng)化、保護(hù)專業(yè)逐漸向二次系統(tǒng)專業(yè)融合，運(yùn)行、檢修規(guī)范發(fā)生變化。

⑥調(diào)試方法發(fā)生變化，需要網(wǎng)絡(luò)聯(lián)調(diào)，使用的試驗(yàn)儀器設(shè)備發(fā)生變化。

1.2 數(shù)字化變電站的主要技術(shù)特征

1.2.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)字化

數(shù)字化變電站采集和傳輸數(shù)字化電壓、電流等電氣量，不僅實(shí)現(xiàn)了一、二次有效的電氣隔離，而且擴(kuò)展了測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍與精度，使變電站的信息共享和集成應(yīng)用成為可能。

1.2.2 系統(tǒng)分層分布化

數(shù)字化變電站采用了IEC61850提出的變電站過(guò)程屋、間隔層、站控層的三層功能分層結(jié)構(gòu)。

1.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化

緊湊型組合電器、智能化斷路器等智能化一次設(shè)備集成了的更多的部件和功能，體積更小，這使得變電站的占地面積大幅減小，設(shè)備布置更加緊湊。

1.2.4 系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)字化變電站采用了IEC61850對(duì)一、二次設(shè)備統(tǒng)一建模，定義了統(tǒng)一的建模語(yǔ)言、設(shè)備模型、信息模型和信息交換模型，采用全局統(tǒng)一規(guī)則命名資源，使變電站內(nèi)及變電站與控制中心之間實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫通信與信息共享。

1.2.5 信息交互網(wǎng)絡(luò)化

數(shù)字化變電站各層、各設(shè)備間信息交換都依賴高速網(wǎng)絡(luò)通信完成，網(wǎng)絡(luò)成為系統(tǒng)內(nèi)各種智能電子裝置以及其它系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)信息交換的載體。

1.2.6 信息應(yīng)集成化

數(shù)字化變電站對(duì)常規(guī)變電站監(jiān)視、控制、保護(hù)、故障錄波等分散的二次系統(tǒng)裝置進(jìn)行了信息集成及功能優(yōu)化。

1.2.7 設(shè)備檢修狀態(tài)化

在數(shù)字化變電站中，電壓和電流的采集、二次系統(tǒng)設(shè)備狀況、操作命令的下達(dá)和執(zhí)行完全可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的有效監(jiān)測(cè)，可有效地獲得電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以各種IED的故障和動(dòng)作信息，監(jiān)測(cè)操作及信號(hào)回路狀態(tài)，設(shè)備狀態(tài)特征量的采集沒(méi)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，從而大大提高了系統(tǒng)的可用性。

1.2.8 設(shè)備操作智能化

智能一次設(shè)備不僅可以獲取整個(gè)系統(tǒng)及關(guān)聯(lián)設(shè)備狀態(tài)，而且可監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部電、磁、溫度、機(jī)械動(dòng)作狀態(tài)，隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，采用新型傳感器、電子控制、新控制方法構(gòu)建參數(shù)，動(dòng)作可靠迅速，狀態(tài)可控可測(cè)可調(diào)的智能操作回路成為可能。

1.3 數(shù)字化變電站的組成

在傳統(tǒng)變電站中，測(cè)量、控制、檢測(cè)、計(jì)量、保護(hù)等功能的二次設(shè)備是分散布致且是孤立運(yùn)行的，一次設(shè)備和二次設(shè)備之間通過(guò)電纜實(shí)現(xiàn)連接。智能變電站的發(fā)展需要將間隔層的二次設(shè)備高度集成，形成一體化的智能組件，并通過(guò)光纖和一次設(shè)備以及站控層設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。

隨著技術(shù)進(jìn)步，未來(lái)智能變電站將不存在一次設(shè)備和二次設(shè)備的區(qū)別，具備測(cè)量、控制、檢測(cè)、計(jì)量、保護(hù)等功能的二次設(shè)備將全部集成到一次設(shè)備內(nèi)部，組成智能設(shè)備，以滿足智能變電站對(duì)自動(dòng)化和智能化的要求。

1.3.1 IEC61850

當(dāng)前電力系統(tǒng)中，對(duì)變電站自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，為方便變電站中各種IED的管理以及設(shè)備間的互聯(lián)，就需要一種通用的通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。IEC61850提出了一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)設(shè)備的一系列規(guī)范化，使其形成一個(gè)規(guī)范的輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)縫連接?？梢院?jiǎn)單認(rèn)為它就是一種通信協(xié)議，這個(gè)協(xié)議是各生產(chǎn)廠家必須認(rèn)可和接受的。

1.3.2 智能化電器設(shè)備

一次設(shè)備：智能變電站采用低功率、緊湊型的新型電流、電壓互感器代替常規(guī)CT和PT，利用高速光纖以太網(wǎng)構(gòu)成變電站數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)、測(cè)控保護(hù)、信息通信等技術(shù)，可滿足整個(gè)智能電網(wǎng)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流一體化的需求。智能化一次設(shè)備包括電子式互感器和智能開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)柜等。與常規(guī)互感器比較，電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①高低壓完全隔離，安全性高，具有優(yōu)良的絕緣性能，不含鐵芯，消除了磁飽和和及鐵磁諧振問(wèn)題。

②抗電磁電網(wǎng)性能好，低壓測(cè)無(wú)開(kāi)路高壓危險(xiǎn)。

③動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)量精度高，頻率響應(yīng)范圍寬。

④數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強(qiáng)。

⑤沒(méi)有因充油而潛在易燃易爆炸等危險(xiǎn)信非常規(guī)互感器的絕緣結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般不采用油作為絕緣介質(zhì)，不會(huì)引起火災(zāi)和爆炸等危險(xiǎn)。

⑥體積小、質(zhì)量輕。

二次設(shè)備：主要由保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、錄波裝置、計(jì)量裝置、合并單元、智能終端等組成。二次設(shè)備通過(guò)電壓互感器或電流互感器與一次設(shè)備相連，對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)和測(cè)控。與傳統(tǒng)變電站相比，它的二次設(shè)備更加集中，布局更加合理，占地面積更加節(jié)??；原來(lái)的電纜布線用質(zhì)量輕、價(jià)格低的光纖替代，節(jié)省了有色金屬使用量，更加有利于環(huán)保和節(jié)能。數(shù)字化變電站采用功能高度集成的一體化智能裝置，集成保護(hù)、測(cè)控、智能終端、合并單元等功能，按間隔分散布置于智能組件柜中，并將全站直流、交流、UPS、通信電源一體化設(shè)計(jì)配置，克服了常規(guī)變電站各個(gè)子系統(tǒng)間相互孤立、信息無(wú)法共享的弊端。

1.4 數(shù)字化變電站的體系結(jié)構(gòu)

從邏輯上看：可以分為三層，即過(guò)程層、間隔層和站控層。

過(guò)程層設(shè)備包括變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及所屬智能組件以及獨(dú)立的智能電子裝置。

間隔層設(shè)備一般括繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測(cè)控裝置、監(jiān)測(cè)功能組IED設(shè)備，實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)間隔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。

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。

2 結(jié) 語(yǔ)

智能化變電站不斷的更新，進(jìn)一步擴(kuò)大了電網(wǎng)的功能，使其逐漸增加了能源資源優(yōu)化配置、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提供多元開(kāi)放電力服務(wù)、推動(dòng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展等多項(xiàng)功能。作為我國(guó)重要的能源輸送和配置平臺(tái)，智能電網(wǎng)從投資建設(shè)到生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程都將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、能源生產(chǎn)和利用方式、生態(tài)環(huán)境等帶來(lái)巨大效益。智能電網(wǎng)建設(shè)力度目前正在不斷加強(qiáng)，不斷提升供電可靠性和電壓合格率，為能源的可靠供應(yīng)以及地方的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供助力，可以說(shuō)，智能電網(wǎng)將會(huì)是實(shí)現(xiàn)全社會(huì)低碳發(fā)展的關(guān)鍵。

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