智能變電站的關鍵技術及應用實例

黃新波，賀霞，王霄寬，王紅亮

(1.西安工程大學，西安市 710048;2.西安金源電氣股份有限公司，西安市 710001)

0 引言

目前我國變電站自動化信息共享程度普遍較低，一次設備智能化技術水平低，設備檢修模式主要為定期檢修，不能滿足電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，需要加快由定期檢修向狀態(tài)檢修的過渡。國家電網公司在建設堅強統(tǒng)一智能電網的變電環(huán)節(jié)中，提出了建設智能變電站的目標。

數(shù)字化變電站技術是智能變電站的基礎，主要強調以數(shù)字方式交換信息，而智能化變電站在設備功能方面強調自檢和在線監(jiān)測，其重要特征為智能化［1］。

智能變電站的技術準備和建設是分階段實現(xiàn)的。目前，智能變電站以數(shù)字化變電站為基礎，融入在線監(jiān)測、高級應用以及輔助設施等功能，未來智能變電站將把過程層和間隔層合并為設備層，實現(xiàn)高度集成，以符合智能電網發(fā)展的要求。

1 智能變電站的體系結構

智能變電站的建設單位主要包括繼電保護和在線監(jiān)測2類，其對智能變電站結構的理解側重點不同。本文以建設單位的角度，提出智能變電站的體系結構如圖1所示。

智能變電站分為過程層、間隔層、站控層。

過程層包含合并單元、智能終端、現(xiàn)場監(jiān)測單元和智能一次設備等，完成變電站電能分配、變換、傳輸以及狀態(tài)監(jiān)測等功能，實現(xiàn)電氣量檢測、狀態(tài)監(jiān)測、操作控制與驅動。

間隔層包含測控、保護、計量、故障錄波、網絡記錄分析一體化、備自投、低頻低壓減負荷、狀態(tài)監(jiān)測智能電子設備(intelligent electronic device，IED)等裝置，實現(xiàn)對數(shù)據采集、統(tǒng)計運算及控制命令的優(yōu)先級控制;完成過程層實時數(shù)據信息匯總以及與站控層的網絡通信。

圖1 智能變電站體系結構Fig.1 Intelligent substation system structure

站控層目前包括站域控制、遠動通信、對時、在線監(jiān)測、輔助決策等子系統(tǒng)和一體化信息平臺。一體化信息平臺與各子系統(tǒng)之間通過IEC 61850協(xié)議進行數(shù)據和控制指令通信，將來上述子系統(tǒng)功能可以直接集成在信息一體化平臺中。將來，一體化信息平臺通過網絡匯集全站的實時數(shù)據信息，不斷刷新實時數(shù)據庫;按既定規(guī)約將有關信息送向調度、控制和在線監(jiān)測中心;接收調度、控制和在線監(jiān)測中心的命令并發(fā)送至間隔層和過程層執(zhí)行;具有在線可編程的全站操作閉鎖，對間隔層和過程層設備進行在線維護、在線修改參數(shù)及變電站故障自動分析等功能［2-3］。

2 智能變電站的關鍵技術應用

與常規(guī)智能變電站相比，智能變電站的過程層設備由電子式互感器、合并單元以及智能化一次設備取代了傳統(tǒng)的電磁式互感器以及一、二次設備的電纜連接;傳統(tǒng)意義上的間隔層設備全部下放到過程層，間隔層由各類IED組成;站控層由一體化平臺組成，全面采用IEC 61850標準，不同廠家的產品可以直接進行數(shù)據通信。由此可見，智能變電站的關鍵技術應用主要有:電子式互感器、合并單元、在線監(jiān)測、智能化一次設備、IED。

(1)電子式互感器與合并單元。合并單元作為過程層的重要設備，可以提供多個電子式互感器的輸入接口、串行輸出接口及以太網接口，通過輸出接口實現(xiàn)與間隔層設備的通信。智能合并單元是變電站智能化的重要體現(xiàn)，能實現(xiàn)多路電子式電流、電壓互感器的信號采集與處理，將各路信號匯總、同步，按照標準規(guī)定的格式將數(shù)據傳送給間隔層的保護和測控裝置。合并單元在物理形式上可以是互感器的1個組成部件，也可以是1個分立的單元，其結構如圖2所示。圖2中EVTa為電子式電壓互感器的a相;ECTa為電子式電流互感器的a相;SC為二次轉換器。合并單元的功能模塊主要包括數(shù)據同步接收功能模塊、數(shù)據處理功能模塊以及數(shù)據發(fā)送功能模塊［4-5］。

圖2 合并單元結構Fig.2 Combine unit structure

(2)智能一次設備。智能一次設備是根據我國智能電網建設需求提出的一種新設備型式，是實現(xiàn)變電站智能化的重要單元。在一次設備的基礎上集成了測控、保護和在線監(jiān)測等技術，能實現(xiàn)設備狀態(tài)的自我診斷、自我動作等功能，并通過光纖將數(shù)據傳輸至變電站一體化平臺。

智能一次設備將一、二次設備有機地結合在一起，由高壓設備本體、內置或外置的傳感器和控制器以及智能組件組成。智能組件由若干智能電子裝置集合組成，完成與宿主設備相關的測量、控制、保護以及計量等功能，可外置于設備本體之外，也可以內嵌在本體內［6］，如圖3 所示。

圖3 智能化一次設備Fig.3 Intelligent primary equipment

(3)在線監(jiān)測。智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括變壓器在線監(jiān)測，斷路器機械特性在線監(jiān)測，SF6氣體、微水、容性設備(含避雷器監(jiān)測)在線監(jiān)測等。通過現(xiàn)場安裝的微水、超高頻、數(shù)字溫度、壓力以及位移等傳感器實現(xiàn)設備運行狀態(tài)信息的獲取，并經現(xiàn)場處理單元數(shù)字化后傳輸給相應的IED。IED完成數(shù)據的初步分析后通過IEC 61850協(xié)議傳輸?shù)秸究貙拥脑诰€監(jiān)測中心。監(jiān)測中心的專家軟件利用修正理論模型、試驗結果和現(xiàn)場運行結果來判斷變電站設備的運行狀況，實現(xiàn)一次設備的實時狀態(tài)監(jiān)測。智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.4 On-line monitoring system

(4)IED是現(xiàn)代智能變電站間隔層的關鍵設備，與站控層服務器、一次設備的在線監(jiān)測裝置以及相應保護裝置進行協(xié)調工作和雙向的數(shù)據通信，在智能變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。根據IEC 61850協(xié)議對實際的IED設備進行建模，達到不同廠家IED設備之間信息交換的目的，解決以往不同廠家的變電站設備之間通信協(xié)議不兼容的問題。IED在智能變電站系統(tǒng)中主要實現(xiàn)以下功能。

1)協(xié)調功能:與站控層一體化信息平臺以及過程層一次設備智能終端進行協(xié)調工作，IED接收一體化平臺的控制命令，并及時進行處理，發(fā)送相關命令到一次設備智能終端，并且接收智能終端上傳的數(shù)據。在此過程中，IED能正確識別和執(zhí)行一體化信息平臺的控制命令，及時將過程層上傳的數(shù)據傳輸給一體化信息平臺進行處理。

2)傳輸功能:IED與智能變電站外部設備之間進行重要信息的傳輸，例如智能變電站通過IED將時鐘信息并傳輸給過程層設備實現(xiàn)時鐘同步，接收站控層的時鐘信息傳輸給相應的過程層，從而實現(xiàn)全站的時鐘同步。

3)數(shù)據處理功能:IED對設備采集的數(shù)據進行就地處理運算，并對設備故障信息進行存儲以及本地顯示。

4)嵌入IEC 61850協(xié)議:IED接收的數(shù)據可能來自不同廠家，數(shù)據的格式也各不相同，IED通過對接收數(shù)據進行IEC 61850協(xié)議封裝，統(tǒng)一不同的協(xié)議，實現(xiàn)變電站的信息共享以及設備的互操作性［7-8］。

(5)智能變電站通信網絡。智能變電站的網絡結構分為站控層和過程層。在目前智能變電站的設計中，一般把測控、保護和在線監(jiān)測網絡分成2部分設計，測控、保護的組網分為SV和GOOSE網絡。SV網主要實現(xiàn)電流、電壓交流量的上傳;GOOSE網主要實現(xiàn)開關量的上傳及分/合閘控制、防誤閉鎖等。

站控層網絡主要處理間隔層之間IED的通信，同時與一體化平臺、在線監(jiān)測系統(tǒng)進行信息交換，并通過遠動裝置與各級調度進行雙向信息交換。站控層也可以通過網絡設備直接接入電力數(shù)據網，其網絡平臺實現(xiàn)全站信息的匯總功能(包括防誤閉鎖)，可通過MMS/GOOSE雙重以太網實現(xiàn)。智能變電站的通信協(xié)議都統(tǒng)一為IEC 61850標準，未來智能變電站的通信網絡架構更接近雙網雙環(huán)的設計理念，使整個變電站的通信網絡數(shù)據通信更加通暢，通信網絡更加堅強。在智能變電站的站控層與間隔層通信網絡的結構設計中，基本的模式有星形和環(huán)形2種結構［9-10］，星形網與環(huán)網的結構如圖5、6所示。

3 220 kV虹橋變電站改造實例分析

圖5 星形網絡結構Fig.5 Star network structure

圖6 雙網雙環(huán)的網絡結構Fig.6 Network structure of double network with double loop

虹橋220 kV變電站位于河北省唐山市玉田縣境內，是唐山電網北部環(huán)網的重要樞紐變電站，通過220 kV線路與天津薊縣、唐山陡河電廠和唐山500 kV太平站相連。虹橋變電站目前有2臺180 MVA主變壓器，220 kV為雙母線接線方式，共有出線6回。110 kV為雙母線帶旁路接線方式，出線10回。10 kV為單母線分段接線方式，出線10回，電容器8組，接地變壓器2臺，分段開關柜1面。目前，220 kV虹橋變電站采用強電一對一控制屏的控制方式，為有人值守的非綜合自動化變電站，通過智能化改造，可以從時間、空間、業(yè)務等多個層面和維度實現(xiàn)變電站無人值守，降低變電站的運維成本、優(yōu)化資源配置、提升運行指標。

改造后的虹橋220 kV智能變電站建立了全景展示站內各類信息的一體化信息平臺。采用DL/T 860(IEC 61850)通信規(guī)約，實現(xiàn)了順序控制、智能告警、故障綜合分析、圖模一體化源端維護等高級應用;利用標準化、集成化的智能組件實現(xiàn)了高壓設備的狀態(tài)監(jiān)測功能;通過靈活的調度端和站端的互動功能，支持電網經濟運行與優(yōu)化控制;該站各項指標均滿足國家電網公司《變電站智能化改造技術規(guī)范》的要求。改造后的虹橋變電站結構如圖7所示。

虹橋變電站的改造包括:高壓設備、繼電保護設備、故障錄波器、監(jiān)控系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、一體化電源的智能化改造以及建設智能附屬設施管理系統(tǒng)。

站控層主要包括信息一體化平臺、智能高級應用、五防系統(tǒng)等，虹橋變電站站控層主要配置了服務器兼操作員工作站2臺，一體化應用服務器1臺，報表工作站1臺，智能接口機4臺，子站控制器4臺以及多個交換機及網絡設備。

圖7 改造后的虹橋變電站結構Fig.7 Hongqiao substation structure after transformation

(1)高壓設備智能化改造。在主變壓器、電流互感器、斷路器、母線避雷器等高壓設備上安裝狀態(tài)監(jiān)測裝置，配置智能組件并接入狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，采用IEC 61850通信規(guī)約將高壓設備運行狀態(tài)上送一體化信息平臺，實現(xiàn)設備狀態(tài)的可視化及自診斷。

(2)繼電保護設備智能化改造。具體措施包括:對硬件不支持IEC 61850通信規(guī)約的保護設備進行更換;對通信規(guī)約為103的保護裝置進行改造，將所有保護裝置接入監(jiān)控系統(tǒng)一體化信息平臺，實現(xiàn)保護軟壓板遠方投退和定值區(qū)切換以及保護主站系統(tǒng)和保護裝置之間的互操作。

(3)故障錄波器智能化改造。更換故障錄波器管理機和采集板，故障錄波主站系統(tǒng)和故障錄波器采用IEC 61850通信規(guī)約，通過以太網口和一體化信息平臺服務器連接，為故障信息綜合分析決策系統(tǒng)提供錄波數(shù)據。

(4)監(jiān)控系統(tǒng)智能化改造。主控制室增加1套采用IEC 61850通信協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)一、二次設備的數(shù)據采集與監(jiān)控。

(5)計量系統(tǒng)智能化改造。電壓、電流互感器與電能表是計量裝置的重要組成部分，采用高精度智能電能表，并集中組屏;采用終端通過IEC 61850通信規(guī)約與一體化信息平臺通信;通過調度數(shù)據專網及專用電話通道將數(shù)據傳輸至電量系統(tǒng)主站，實現(xiàn)Web發(fā)布。

(6)一體化電源改造。安裝1套一體化電源代替原有的直流屏、站用電屏、UPS屏，并對蓄電池進行增容改造，建立站用電源信息共享后臺。成功實現(xiàn)全站交流、直流、UPS電源統(tǒng)一管理以及遠方監(jiān)測、分析和控制。

(7)建設智能輔助設施管理系統(tǒng)。對站內視頻、照明、門禁、安防、溫控、消防等附屬設施及局部氣候條件實現(xiàn)全面、可視化的監(jiān)控和管理，為無人值班站建設提供軟硬件支撐，智能輔助改造見表1。

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4 結語

未來智能變電站基于設備智能化的發(fā)展和高級功能的實現(xiàn)，將整個變電站分為設備層和系統(tǒng)層。設備層包含一次設備和智能組件，將一次設備、二次設備、在線監(jiān)測和故障錄波設備等進行有機融合，具有電能輸送、電能分配、繼電保護、控制、測量、計量、狀態(tài)監(jiān)測、故障錄波、通信等功能，體現(xiàn)智能變電站智能化技術的發(fā)展方向。系統(tǒng)層面向全站，通過智能組件獲取并綜合處理變電站中關聯(lián)智能設備的相關信息，具備基本數(shù)據處理和高級應用等功能，包括網絡通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)、高級應用系統(tǒng)、一體化平臺等，突出信息共享、設備狀態(tài)可視化、智能告警、分析決策等高級功能。智能變電站的數(shù)據源應統(tǒng)一，實現(xiàn)網絡共享。

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