智能變電站功能架構(gòu)及設(shè)計(jì)原則

張可佳

（四川省電力公司內(nèi)江電業(yè)局，四川 內(nèi)江 641003）

2009年，國家電網(wǎng)公司首次提出了建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的戰(zhàn)略目標(biāo)和發(fā)展思路。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)被認(rèn)為是21世紀(jì)電力系統(tǒng)變革和發(fā)展的必然趨勢，也是21世紀(jì)人類將現(xiàn)代高科技實(shí)用化的重大科技創(chuàng)新。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展，必將對傳統(tǒng)電網(wǎng)的功能、形態(tài)和作用做出重大甚至是本質(zhì)的改變，深刻改變世界能源生產(chǎn)和利用格局，深刻影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式和人們生活方式，在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮越來越重要的作用[1-3]。而在智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展中，作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，智能變電站的設(shè)計(jì)建設(shè)及投入使用至關(guān)重要。

智能變電站以現(xiàn)代先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、高效的信息化技術(shù)和快速的分析技術(shù)為基礎(chǔ)，高效高質(zhì)的完成對電力系統(tǒng)進(jìn)行測量、控制和保護(hù)等基本功能，能夠提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)對于保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和提高對用戶的供電質(zhì)量和可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。實(shí)現(xiàn)對各種資源的靈活高效的優(yōu)化配置[4-5]。

本文探討了智能變電站的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，總結(jié)了智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及智能變電站各個(gè)部分的功能。在此基礎(chǔ)上，研究了智能變電站的具有的功能要求。最后，歸納了智能變電站的設(shè)計(jì)原則和及實(shí)際建設(shè)過程中注意事項(xiàng)。

1 智能變電站

智能變電站通過先進(jìn)、高效可靠和環(huán)保的智能設(shè)備集合而成，采用高速的通信網(wǎng)絡(luò)為載體，能夠自動(dòng)的完成電力系統(tǒng)進(jìn)行測量、控制和保護(hù)等基本功能。并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級功能的變電站[3]。

智能變電站與數(shù)字化變電站更加強(qiáng)調(diào)目的，即更加強(qiáng)調(diào)變電站具有的功能和目標(biāo)，因此智能變電站概念中包含兩個(gè)方面的集成[6-10]：物理集成和邏輯集成，如圖1所示。

堅(jiān)強(qiáng)智能變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。而高可靠性設(shè)備的大量投入則可以保證是變電站的堅(jiān)強(qiáng)性。變電站的自動(dòng)化分析、綜合和協(xié)調(diào)控制、設(shè)備信息的數(shù)字化、各種基本功能的集成化是智能變電站的關(guān)鍵，也是智能變電站發(fā)展的必然趨勢。實(shí)現(xiàn)信息共享智能化和是最終目標(biāo)。智能化變電站相對與傳統(tǒng)變電站的創(chuàng)新點(diǎn)主要在以下四個(gè)方面。

圖1 智能變電站的物理集成和邏輯集成

1）一次設(shè)備智能化。即綜合具有狀態(tài)監(jiān)測、檢測與診斷、狀態(tài)檢修及資產(chǎn)評估等智能化功能。

2）互動(dòng)。實(shí)現(xiàn)與大用戶、其他變電站及調(diào)度中心的交流互動(dòng)。

3）協(xié)調(diào)控制。電能質(zhì)量監(jiān)測控制、變壓器電壓/無功廣域協(xié)調(diào)控制，保證全站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4）智能應(yīng)用。高速采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)存儲(chǔ)分析，并做出智能決策以提高變電站智能應(yīng)用水平。

2 智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能是控制和監(jiān)視，以及一次設(shè)備和電網(wǎng)的繼電保護(hù)和監(jiān)視[4]。根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，從功能邏輯上，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)分為3層：變電站層、間隔層和過程層。圖2給出了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖2 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

1）過程層

過程層包括遠(yuǎn)方的輸入輸出設(shè)備，智能化的傳感器和智能化的執(zhí)行器（如隔離開關(guān)，變壓器和斷路器）等新智能組件，具體負(fù)責(zé)模擬量和開關(guān)量的實(shí)時(shí)采集，并向間隔層和變電站層發(fā)送控制指令，可實(shí)現(xiàn)發(fā)送控制指令，可實(shí)現(xiàn)變電站電能分配、傳輸及其測量、控制、保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測等基本功能。

2）間隔層

間隔層由各間隔的控制、保護(hù)和監(jiān)視單元組成，一般指繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)監(jiān)測控制裝置、主IED等二次設(shè)備，完成與各種遠(yuǎn)方I/O、智能傳感器和控制器通信。

3）變電站層

變電站層由采集儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)、操作工作臺和遠(yuǎn)方通信等部分組成?；谧冸娬緦?，全站將被看成一個(gè)整體，主要分為有關(guān)過程和接口的兩類變電站層功能。

數(shù)字通信是變電站內(nèi)各層聯(lián)系的基礎(chǔ)。變電站層和間隔層采用的是站級總線（StationBus）通信，即采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)，屬于串行通信方式；在間隔層和過程層采用的是過程總線（ProcessBus）通信，即單點(diǎn)向多點(diǎn)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，屬于并行通信方式。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)全站信息快速高效交換，變電站內(nèi)的智能組件及相關(guān)電子設(shè)備（IED設(shè)備，測控單元和繼電保護(hù)裝置）均采用統(tǒng)一的協(xié)議。最后，全站數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化也是網(wǎng)絡(luò)信息共享的基本要求。

3 系統(tǒng)功能要求

智能變電站系統(tǒng)功能應(yīng)滿足集成化和多樣化的要求，同時(shí)應(yīng)保證數(shù)據(jù)源使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，方便網(wǎng)絡(luò)共享。同時(shí)，智能設(shè)備之間應(yīng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的互聯(lián)互通，支持采用系統(tǒng)級的運(yùn)行控制策略。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備間的交互性溝通功能，保證系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制及安全高效運(yùn)行也是智能變電站系統(tǒng)功能的基本要求[11-12]。從功能需求層次上來分，智能變電站系統(tǒng)功能要求可分為一般功能要求和高級功能要求兩類。

3.1 一般功能要求

主要有：①數(shù)據(jù)采集和處理功能；②實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫功能，采集并存儲(chǔ)通信體系中各層傳輸來的數(shù)據(jù)信息；③無人值班等相關(guān)功能要求；④防誤閉鎖的功能；⑤針對采集數(shù)據(jù)和各種通信接口獲取數(shù)據(jù)的報(bào)警處理功能；⑥在線計(jì)算及制表功能；⑦遠(yuǎn)動(dòng)通信功能；⑧系統(tǒng)自診斷和自恢復(fù)功能；⑨與其他智能設(shè)備的通信接口功能；⑩變電站內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)具有可視化功能；設(shè)備能夠根據(jù)需求，經(jīng)過簡單的改造之后能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的高級功能。

3.2 高級功能要求

除了上述一般功能要求外，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)維高效性，針對智能變電站的特點(diǎn),智能變電站還需滿足設(shè)備狀態(tài)可視化、智能告警及分析決策、故障信息綜合分析決策、集中式處理功能、站域保護(hù)、與外部系統(tǒng)信息交互等高級功能的要求。

1）設(shè)備狀態(tài)可視化

進(jìn)行變壓器斷路器隔離開關(guān)等主要一次設(shè)備狀態(tài)信息的采集，做相應(yīng)可視化處理后上傳到上級數(shù)據(jù)系統(tǒng)，達(dá)到優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行和各設(shè)備運(yùn)行管理的目的。

2）智能告警及分析決策

針對變電站內(nèi)故障信息，建立其物理模型，對報(bào)警信息做初步處理，過濾掉錯(cuò)誤信息后，全面分析變電站的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)報(bào)警變電站出現(xiàn)的故障并提出相應(yīng)處理策略。同時(shí)，為了提高效率，課更具實(shí)際需求，在主站建立分層分類的故障告警系統(tǒng)。

3）故障信息綜合分析決策

在記錄了故障時(shí)間順序、保護(hù)裝置、故障錄波和相量測量等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和處理，并將故障分析結(jié)果進(jìn)行人性化的可視化展示。

4）支撐電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與優(yōu)化控制

以站內(nèi)變壓器和無功補(bǔ)償設(shè)備為調(diào)節(jié)手段，配合堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)綜合調(diào)度體系，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和優(yōu)化控制。

5）站域控制

在集中處理判斷站內(nèi)信息的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)站內(nèi)多種自動(dòng)控制裝置（備用自投、母線分和運(yùn)行等），達(dá)到適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行方式的目的。

6）與外部系統(tǒng)交互信息

與其他變電站，上級調(diào)度中心及各類電源等的信息交換也是智能變電站需要滿足的高級功能之一。

4 設(shè)計(jì)原則及其注意事項(xiàng)

4.1 基本設(shè)計(jì)原則[2-7]

基本設(shè)計(jì)原則包括：

1）傳感器嵌入設(shè)備采集實(shí)時(shí)信息。

2）采用開放性體系架構(gòu)（SOA）。

3）統(tǒng)一建模（UML）。

4）遵循標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化原則。

5）保證可靠性、冗余性。

6）網(wǎng)絡(luò)管理（流量與均衡）。

7）數(shù)據(jù)管理（分層分布式）。

8）具有智能分析及協(xié)調(diào)功能。

9）變電站外的數(shù)據(jù)訪問。

10）網(wǎng)絡(luò)安全的保證。

4.2 具體設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

安全可靠是設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型需要滿足的首要原則；其次，盡可能采用結(jié)構(gòu)緊湊型設(shè)備已滿足智能變電站運(yùn)行維護(hù)高效化的要求；最后，優(yōu)化整合所有設(shè)備，以避免重復(fù)配置。

以下是智能變電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程時(shí)需要著重注意的幾個(gè)方面[2-7]。

1）變電站布置

合理布局變電站內(nèi)電氣主接線設(shè)計(jì)，兼顧電網(wǎng)結(jié)構(gòu)要求和變電站功能需求，協(xié)調(diào)電網(wǎng)架構(gòu)與主接線形式，優(yōu)化電氣總平面布置方案，采用集成化設(shè)備，節(jié)約占地面積與建筑面積[5]。

2）土建與建筑物

優(yōu)化站內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡量合并具有相同功能的房間；圍繞節(jié)約占地面積和建筑面積的要求，合理設(shè)計(jì)用來放置系統(tǒng)層設(shè)備的主控樓或機(jī)房等建筑；使用電纜替代光纖，并合理布置電纜溝位置。

3）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

靈活配置各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，充分考慮經(jīng)濟(jì)性要求，優(yōu)化交換機(jī)的數(shù)量，使網(wǎng)絡(luò)成本降到最低。其次，在搭建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，必須滿足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)易擴(kuò)展、以配置的要求；當(dāng)新設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)，如果站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)性能下降，應(yīng)首先保證變電站自動(dòng)化功能，并滿足相應(yīng)性能指標(biāo)要求；最后，在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)正常運(yùn)行維護(hù)期間，全系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)不受影響仍能正常工作。

5 結(jié)論

電力搶修能保障持續(xù)供電，最大限度的減少電力事故造成的社會(huì)與人民經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。本文介紹了三種配電網(wǎng)電力搶修模式的業(yè)務(wù)流程和特點(diǎn)，隨著電力企業(yè)內(nèi)部管理規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)的提高，傳統(tǒng)的電力搶修模式會(huì)逐漸向以3G無線視頻監(jiān)控指揮系統(tǒng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代化搶修模式轉(zhuǎn)變。本文為電力搶修人員提供一些理論參考。

在智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展中，作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，智能變電站的設(shè)計(jì)建設(shè)及投入使用至關(guān)重要。本文探討了智能變電站的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，總結(jié)了智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及智能變電站各個(gè)部分的功能。在此基礎(chǔ)上，研究了智能變電站的具有的功能要求。最后，歸納了智能變電站的設(shè)計(jì)原則和及實(shí)際建設(shè)過程中注意事項(xiàng)。本文為智能變電站建設(shè)和研究人員提供一些理論參考。

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