智能變電站技術(shù)應(yīng)用研究分析

張幼明，高忠繼，黃 旭

(1．遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006;2．云峰發(fā)電廠，吉林 集安 134200;3．東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

隨著國(guó)內(nèi)智能電網(wǎng)進(jìn)入全面建設(shè)階段，風(fēng)電、光伏等新能源電力陸續(xù)接入系統(tǒng)，電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性要求更高，2011年新一代智能變電站已陸續(xù)建成投產(chǎn)，從常規(guī)向智能化技術(shù)轉(zhuǎn)變攻克了理論研究到工程應(yīng)用的難關(guān)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)備研發(fā)、工程應(yīng)用等領(lǐng)域的重大突破，對(duì)于智能電網(wǎng)全面建設(shè)具有重要意義。

1 智能化技術(shù)應(yīng)用分析

變電站智能化技術(shù)全方位覆蓋了一次設(shè)備、二次設(shè)備、電源、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及輔助功能系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了變電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、可視化、數(shù)字化等智能化特點(diǎn)。

1.1 一次設(shè)備智能化

變壓器智能化主要包括變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量及變壓器智能組件兩方面。智能變電站的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量實(shí)現(xiàn)了對(duì)油色譜、油溫、頂層油溫、鐵心接地電流等參量的檢測(cè)。智能組件普遍采取就地安裝模式，通過(guò)集成設(shè)計(jì)，具備測(cè)量、控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和非電量保護(hù)等功能，相關(guān)信息通過(guò)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)接入信息一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的數(shù)字測(cè)量、智能控制、信息互動(dòng)及狀態(tài)可視化展示。從運(yùn)行實(shí)際情況來(lái)看，變壓器智能組件的應(yīng)用情況基本滿足要求。

斷路器智能化主要包括斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、斷路器智能組件應(yīng)用及避雷器智能化。不同智能化變電站在斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面實(shí)現(xiàn)了各自設(shè)計(jì)功能，狀態(tài)監(jiān)測(cè)量包括SF6氣體密度、微水、斷路器動(dòng)作特性等，其實(shí)現(xiàn)方式各有特色。斷路器智能組件通過(guò)功能集成和就地安裝，將控制、測(cè)量和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等信息以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)接入信息一體化平臺(tái)，進(jìn)行狀態(tài)參量的可視化展示與信息上傳，初步實(shí)現(xiàn)了斷路器測(cè)量數(shù)字化、狀態(tài)可視化、功能一體化等。

1.2 二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能變電站采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)二次裝置信息交互，利用光纖實(shí)現(xiàn)二次裝置互聯(lián)互通，但在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上存在一些差異。有的變電站采用直接采樣、直接跳閘的模式，有的變電站通過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)跳閘，個(gè)別變電站進(jìn)行了 SMV、GOOSE、IEC1588“三網(wǎng)合一”的組網(wǎng)模式嘗試。按照目前的標(biāo)準(zhǔn)，110(66)kV以上電壓等級(jí)的智能變電站應(yīng)采用“直采直跳”模式，而其它組網(wǎng)模式在技術(shù)上也進(jìn)行了嘗試，合并單元 (MU)、交換機(jī)、保護(hù)裝置等可以滿足三網(wǎng)合一運(yùn)行要求，由于設(shè)計(jì)因素、工作環(huán)境的影響，工程實(shí)踐需要進(jìn)一步檢驗(yàn)。間隔層、過(guò)程層與繼電保護(hù)有關(guān)的設(shè)備采用“直采直跳”的方式，提高了對(duì)變電站二次設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也變得比較復(fù)雜。

智能變電站配置了獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全站網(wǎng)絡(luò)記錄分析、在線報(bào)警及信息上傳功能。針對(duì)變電站每個(gè)二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可視化監(jiān)控，在部分功能上實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)故障錄波器的作用，方便網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的故障處理。

1.3 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用

在智能變電站中，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)得到了進(jìn)一步的深化應(yīng)用和拓展，站內(nèi)二次設(shè)備全部采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)通信，部分一次設(shè)備及輔助控制系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的站內(nèi)通信，GOOSE功能不僅用于網(wǎng)絡(luò)跳閘，還用于間隔聯(lián)閉鎖、軟壓板投退、定值切換等［1］。

1.4 通信與信息安全防護(hù)體系

智能變電站中通信報(bào)文直接參與到變電站的生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié)，因此在通信與信息安全防護(hù)方面均參照《電力二次系統(tǒng)安全總體防護(hù)方案》和《變電站二次系統(tǒng)安全防護(hù)方案》進(jìn)行體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了安全分區(qū)、橫向隔離、縱向認(rèn)證。同時(shí)，對(duì)處于生產(chǎn)控制一區(qū)不同的報(bào)文類(lèi)型 GOOSE、SMV、MMS采取了優(yōu)先級(jí)控制措施。

1.5 一體化電源

一體化電源是指變電站的直流、交流、逆變、通信等電源采用一體化設(shè)計(jì)、配制和監(jiān)控。通過(guò)一體化監(jiān)控模塊將站用電源各子系統(tǒng)通信信息網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)站用電源信息共享，提高其整體運(yùn)行管理水平。智能變電站均采用一體化電源，設(shè)計(jì)方面具有多樣性，部分變電站采用了光伏電源作為一體化電源的補(bǔ)充。

1.6 高級(jí)功能應(yīng)用

順序控制指由自動(dòng)化系統(tǒng)按照操作票規(guī)定的順序執(zhí)行相關(guān)操作任務(wù)，一次性自動(dòng)完成多個(gè)控制操作步驟。智能變電站在順序控制方面得到了廣泛應(yīng)用和進(jìn)一步的創(chuàng)新完善，例如采用順序控制與視頻系統(tǒng)相結(jié)合的方式，自動(dòng)控制視頻系統(tǒng)獲取設(shè)備圖像，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)判斷被操作設(shè)備的狀態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確地順序控制［2］。

源端維護(hù)指變電站和調(diào)度主站數(shù)據(jù)模型的一致性，使變電站信息一體化平臺(tái)中的圖、模、庫(kù)在調(diào)度主站端可視，從而方便地實(shí)現(xiàn)在調(diào)度主站端對(duì)變電站數(shù)據(jù)的在線遠(yuǎn)端維護(hù)。這一功能在智能站得到應(yīng)用，減少了主站維護(hù)的工作量，提高了工作效率，避免了調(diào)度主站端圖、模、庫(kù)與變電站端不一致的問(wèn)題。

智能變電站的智能告警功能比傳統(tǒng)變電站有了進(jìn)一步的完善，智能告警針對(duì)全站設(shè)備對(duì)象信息統(tǒng)一建模，通過(guò)告警信息的篩選過(guò)濾，并通過(guò)告警信息之間的邏輯關(guān)系，運(yùn)用推理技術(shù)并確定最終告警，實(shí)現(xiàn)變電站正常及事故情況下告警信息分類(lèi)，并建立信息上送的優(yōu)先級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在異常事故情況下實(shí)現(xiàn)信息分級(jí)上送。便于運(yùn)行人員快速調(diào)用，提高了運(yùn)行值班的異常事故處理效率。

設(shè)備狀態(tài)可視化、站內(nèi)狀態(tài)估計(jì)、站域控制等方面在部分變電站得到應(yīng)用。在智能變電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面主要實(shí)現(xiàn)無(wú)功電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在站端通過(guò)一體化平臺(tái)輸出調(diào)節(jié)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、功率因數(shù)的自動(dòng)控制。

1.7 輔助功能應(yīng)用

智能變電站對(duì)輔助設(shè)施和環(huán)境進(jìn)行了運(yùn)行監(jiān)控，智能輔助設(shè)施是對(duì)變電站智能化的有效補(bǔ)充，具體涉及到變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、站用電源系統(tǒng)、智能巡檢等，能夠有效提高變電站運(yùn)行安全性，滿足變電站無(wú)人值班、集控運(yùn)行的要求［3］。智能變電站普遍采用高效廣元節(jié)能燈具，實(shí)現(xiàn)綠色照明，部分變電站采用太陽(yáng)能和屋頂光伏發(fā)電，作為全站照明系統(tǒng)的另一電源，使用光伏發(fā)電進(jìn)行變電站蓄電池充電，充電控制系統(tǒng)進(jìn)行光伏充電功率和站用電充電功率控制，提高站內(nèi)照明系統(tǒng)乃至整個(gè)站級(jí)輔助系統(tǒng)電源的供電可靠性、可用性。

2 效益分析

2.1 經(jīng)濟(jì)效益

相對(duì)常規(guī)變電站，智能變電站總投資增加5.9%～10.1%，其中影響最大的是設(shè)備購(gòu)置費(fèi)。變電站的智能化投資中，一次設(shè)備、二次系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等所占比重較大。其中，一次設(shè)備投資約占智能化投資的48%～77%;二次系統(tǒng)投資約占智能化投資的10.6%～19.4%;智能輔助控制系統(tǒng)投資約占智能化投資的3.2%～13.9%;高級(jí)功能、一體化電源、光纜等投資較少，一般不超過(guò)智能化投資的5%。在建筑、安裝工程費(fèi)方面，智能變電站與傳統(tǒng)變電站相比，無(wú)論是從節(jié)約資源，還是從建筑工程費(fèi)用、安裝工程費(fèi)用，都有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。在充分考慮設(shè)備降價(jià)、設(shè)備延壽及減少運(yùn)行成本等因素后，智能變電站在全壽命周期內(nèi)的造價(jià)水平可以降至常規(guī)變電站水平，實(shí)現(xiàn)“功能增加，造價(jià)不增加”的目標(biāo)。

2.2 社會(huì)效益

智能變電站的社會(huì)效益主要體現(xiàn)在節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材和增加設(shè)備可用系數(shù)、提高電網(wǎng)可靠性、提升電網(wǎng)安全防御水平等方面［4］。智能變電站由于集成度高、智能組件就地安裝，節(jié)約了變電站的占地面積;通過(guò)優(yōu)化屏柜、整合相近功能裝置，減少了建筑工程量;基于在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用，減少了主設(shè)備停電檢修次數(shù)和時(shí)間;此外，通過(guò)順序控制、遠(yuǎn)方調(diào)控等手段，進(jìn)一步縮短了設(shè)備操作時(shí)間，提高了電網(wǎng)可靠性;利用源端維護(hù)、設(shè)備狀態(tài)可視化、智能告警及分析決策、故障信息高級(jí)分析決策等高級(jí)應(yīng)用功能，有力支撐了包含動(dòng)態(tài)安全評(píng)估、預(yù)警、輔助決策的電網(wǎng)安全防御體系，使得電網(wǎng)安全水平得到提升?？傮w分析，智能變電站的社會(huì)效益得到了充分、良好的體現(xiàn)。

3 典型問(wèn)題及發(fā)展方向

a． 電子式互感器在不同環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性需要提高，互感器不應(yīng)成為影響智能變電站安全運(yùn)行的隱患，其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和調(diào)試環(huán)節(jié)也需進(jìn)一步完善。

b． 各廠家對(duì)于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的理解存在一定差異，存在模型不統(tǒng)一的問(wèn)題，影響智能變電站的調(diào)試和投運(yùn)。

c． 與常規(guī)變電站相比，智能變電站投資偏高，其中一次設(shè)備投資比重最大，其次為二次系統(tǒng)和智能輔助控制系統(tǒng)。從設(shè)備種類(lèi)來(lái)看，電子式互感器和狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備占智能化投資的主要部分，是降低智能變電站造價(jià)的主要方向。

d． 源端維護(hù)、設(shè)備綜合評(píng)估技術(shù)、狀態(tài)估計(jì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制等高級(jí)功能應(yīng)用深度不夠，目前大多數(shù)變電站運(yùn)行、檢修工作仍依靠人工決策，智能化的特征體現(xiàn)不明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能變電站是智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)，隨著各項(xiàng)智能化技術(shù)在變電站中的廣泛應(yīng)用，需要總結(jié)和改進(jìn)的問(wèn)題也逐漸清晰，智能變電站的建設(shè)應(yīng)從生產(chǎn)實(shí)際需要出發(fā)，充分考慮技術(shù)和管理上的變革，積極探索，穩(wěn)妥推進(jìn)，更好地為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、可再生能源應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)［5］。

［1］ IEC 61850，變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［2］ 王明?。悄茈娋W(wǎng)熱點(diǎn)問(wèn)題探討 ［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(18):9－16．

［3］ Q/GDW383，智能變電站技術(shù)導(dǎo)則［S］．

［4］ Q/GDW393，110(66) ～220 kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［5］ 陳樹(shù)勇，宋書(shū)芳，李蘭欣，等．智能電網(wǎng)技術(shù)綜述 ［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(8):1－7．