新一代智能變電站技術(shù)綜述

唐衛(wèi)華，楊俊武，歐陽帆

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007；2.華北電力大學(xué)，河北保定071003；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

新一代智能變電站技術(shù)綜述

唐衛(wèi)華1，楊俊武2，歐陽帆3

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007；2.華北電力大學(xué)，河北保定071003；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

本文圍繞新一代智能變電站技術(shù)展開綜述。首先描述智能變電站的現(xiàn)狀；介紹新一代智能變電站的定義，逐項(xiàng)分析新一代智能變電站的重要技術(shù)特征，包括一次電氣方面主接線優(yōu)化和新型隔離斷路器應(yīng)用、二次設(shè)備的層次化保護(hù)控制系統(tǒng)、模塊化二次設(shè)備、一二次設(shè)備集成等；最后對(duì)上述技術(shù)特征和其實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行小結(jié)，認(rèn)為新一代智能變電站技術(shù)是在原有智能變電站技術(shù)基礎(chǔ)上的提升，但其應(yīng)用技術(shù)的成熟還需要一段時(shí)間的磨練，對(duì)技術(shù)人員在吸收新技術(shù)方面提出了相應(yīng)要求。

新一代智能變電站；智能化隔離斷路器；層次化保護(hù)控制系統(tǒng)；模塊化二次設(shè)備；一二次設(shè)備集成

1 技術(shù)背景

1.1 智能變電站建設(shè)現(xiàn)狀

2009年，國(guó)家電網(wǎng)公司提出建設(shè)智能電網(wǎng)，之后實(shí)施力度不斷加大。從2009年起，國(guó)家電網(wǎng)公司先后實(shí)施了2批智能變電站試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)，并在總結(jié)成果經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，從2011年起開始全面推廣建設(shè)智能變電站，截止至2013年底，國(guó)家電網(wǎng)范圍內(nèi)已投運(yùn)新建智能變電站823座〔1〕。國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司穩(wěn)步推進(jìn)智能變電站建設(shè)，至2014年底共建成智能變電站49座，見表1。

表1 湖南電網(wǎng)智能變電站統(tǒng)計(jì)表 座

1.2 取得的成果

經(jīng)過近幾年的研究和實(shí)踐，目前推廣建設(shè)的智能變電站采用了 “常規(guī)互感器＋合并單元”的方式，實(shí)現(xiàn)了就地電流電壓模擬量的數(shù)字化上傳，便于采樣數(shù)據(jù)的全站共享；一次設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和智能組件配置實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口，智能化程度得到提升；IEC61850標(biāo)準(zhǔn)得到全面應(yīng)用，為應(yīng)用功能提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息和訪問接口；二次設(shè)備和系統(tǒng)功能逐步實(shí)現(xiàn)一體化，通過一體化監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全站全景數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。智能變電站初步實(shí)現(xiàn)了全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、高級(jí)功能應(yīng)用互動(dòng)化，提升了變電站運(yùn)行維護(hù)水平〔2－3〕。

1.3 存在的不足

智能變電站在技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備研制、標(biāo)準(zhǔn)制定、工程建設(shè)等領(lǐng)域取得了一系列階段性成果，但受現(xiàn)有專業(yè)分工、技術(shù)壁壘、運(yùn)維習(xí)慣等影響，目前的智能變電站整體水平還存在欠缺，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面〔4〕:

1.3.1 設(shè)備集成度、技術(shù)實(shí)用化水平有待提升

目前智能變電站的集成主要集中在二次設(shè)備和系統(tǒng)上，一次與二次設(shè)備之間沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的集成。一體化集成設(shè)計(jì)理念實(shí)施難到位，出廠聯(lián)調(diào)難到位，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試實(shí)施困難，工程施工效率低下。

盡管智能變電站實(shí)現(xiàn)了站端信息采集數(shù)字化，但二次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信息共享度低，加以目前采樣重復(fù)，交換機(jī)及光纜數(shù)量眾多，現(xiàn)場(chǎng)施工以及運(yùn)行維護(hù)的工作量并未減輕，反而增大。因此變電站的信息流及網(wǎng)絡(luò)組構(gòu)仍有改進(jìn)優(yōu)化需求。

設(shè)備在線監(jiān)測(cè)功能不夠成熟，一次內(nèi)置傳感器壽命短、更換難是困擾現(xiàn)場(chǎng)的難題；二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估功能尚屬起步，應(yīng)怎樣優(yōu)化和監(jiān)測(cè)還需研究；監(jiān)控高級(jí)應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)尚不完善，對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析尚未達(dá)到實(shí)用化程度。

1.3.2 產(chǎn)品質(zhì)量

目前電子式互感器的測(cè)量精度、穩(wěn)定性都不足，導(dǎo)致了在全面建設(shè)階段暫停使用電子式互感器，而采用相對(duì)穩(wěn)妥的 “常規(guī)互感器＋合并單元”方式。

戶外安裝的合并單元、智能終端等設(shè)備對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較高，其長(zhǎng)期運(yùn)行情況有待考察。這與湖南整體氣候溫差大、濕度高特點(diǎn)有關(guān)，戶外智能匯控柜選型顯得十分重要，目前戶外柜選型多種多樣，并不是所有型式都適應(yīng)湖南特點(diǎn)。其他省份同樣有各自特點(diǎn)導(dǎo)致的運(yùn)行穩(wěn)定性問題。

廠家產(chǎn)品良莠不齊。湖南的智能變電站問題統(tǒng)計(jì)中，產(chǎn)品質(zhì)量問題占比較大。原因也較多，既有廠家對(duì)智能變電站技術(shù)理解程度不同的原因，也有設(shè)備元件質(zhì)量不齊帶來的問題。國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)技術(shù)要求也經(jīng)歷從模糊到明確的發(fā)展過程。

1.3.3 整體設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步提升和優(yōu)化

各廠家二次設(shè)備間仍存在兼容性問題，通用性不足。雖然基于IEC61850體系的設(shè)備間模型、通信規(guī)約等互操作、一致性的工作已大部分實(shí)現(xiàn)(約完成85%左右)，但仍有小部分廠家設(shè)備信息未實(shí)現(xiàn)交互規(guī)范，尤其是合并單元、智能終端等過程層設(shè)備的ICD模型并未規(guī)范。各廠家對(duì)設(shè)備間信息交互的規(guī)范性考量不足，數(shù)字化、共享化帶來的海量信息如何取舍的問題上，仍存在矛盾〔5〕。

設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)手段不足。目前，大多數(shù)設(shè)計(jì)院僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛端子的設(shè)計(jì)，沒有接收和處理二次裝置廠家ICD文件和整合設(shè)計(jì)輸出SCD文件的能力，對(duì)后期的文件修改和更新也很難做到及時(shí)跟進(jìn)和把控。

1.3.4 檢修運(yùn)維能力仍需加強(qiáng)

由于檢修人員、運(yùn)維人員對(duì)智能變電站中網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)了解程度不一，也缺乏必要的檢測(cè)工具，目前的二次維護(hù)比以往更依賴廠家。

變電站大多實(shí)現(xiàn)了無人值守，當(dāng)設(shè)備故障告警時(shí)，遠(yuǎn)方監(jiān)控中心還不能做到清楚辨別問題原因，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員趕到現(xiàn)場(chǎng)后對(duì)問題的處置也還需規(guī)范化。

2 新一代智能變電站概念

2.1 新一代智能變電站的提出

由于目前智能變電站在建設(shè)和運(yùn)行中遇到的各方面困難，使得智能變電站技術(shù)的推進(jìn)和深化遭遇了 “瓶頸”。2012年，為了適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展方式和企業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了研究與建設(shè)新一代智能變電站，以解決電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)實(shí)的緊迫要求，破解當(dāng)前智能變電站發(fā)展的 “瓶頸”，支撐運(yùn)行、檢修核心業(yè)務(wù)集約化管理要求。

2013年，重慶大石等6座第一批試點(diǎn)工程建成并投運(yùn)。2014年，國(guó)家電網(wǎng)公司又啟動(dòng)了第二批擴(kuò)大示范工程共48座新一代智能變電站建設(shè)，其中湖南有2座，為株洲220 kV攸東變和株洲110 kV七區(qū)變。

2.2 新一代智能變電站的定義

按照國(guó)網(wǎng)公司的頂層設(shè)計(jì)理念，新一代智能變電站以 “運(yùn)行安全可靠、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)?！睘榭傮w建設(shè)目標(biāo)，是對(duì)現(xiàn)有智能變電站的繼承與突破。它繼承了現(xiàn)有智能變電站設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行等成果經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上深入梳理、整合并挖掘、提升智能變電站的功能需求，打破現(xiàn)有專業(yè)界限、運(yùn)維習(xí)慣，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)高度集成、功能融合的全新建設(shè)與管理模式。

新一代智能變電站是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)、開放的體系，將主動(dòng)融合先進(jìn)、前瞻技術(shù)，不斷自我完善、自我創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)智能變電站的持續(xù)科學(xué)發(fā)展。

3 新一代智能變電站關(guān)鍵技術(shù)

與現(xiàn)有智能變電站相比，新一代智能變電站集中體現(xiàn)了設(shè)計(jì)理念、設(shè)備技術(shù)和建設(shè)模式的新技術(shù)特征，其中設(shè)計(jì)理念是最主要的創(chuàng)新點(diǎn)。在此結(jié)合湖南2座推廣示范站的設(shè)計(jì)方案，從工程應(yīng)用角度，歸納出以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù):

3.1 電氣主接線優(yōu)化

電氣一次設(shè)計(jì)方面，采用了新式的智能化隔離斷路器，集成了隔離開關(guān)功能，使得電氣主接線得以優(yōu)化。

3.1.1 智能化隔離斷路器

隔離斷路器 (Disconnecting Circuit－Breakers，DCB)的定義是: “即具有隔離開關(guān)功能的斷路器，當(dāng)觸頭在分閘位置時(shí)，這種斷路器可以實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)的功能”〔6〕。這要求斷路器斷口的絕緣水平必須達(dá)到隔離斷口要求并具有滅弧功能，且閉鎖系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)可靠。在隔離斷路器的基礎(chǔ)上，集成接地開關(guān)、電子式電流互感器、智能組件等部件，就形成了 “智能化隔離斷路器”〔7－8〕。

從制造工藝上看，隔離斷路器實(shí)現(xiàn)了隔離開關(guān)、互感器、斷路器的一體化制造。斷路器的觸頭被保護(hù)在SF6滅弧室內(nèi)，兼具斷路器和隔離開關(guān)的雙重功能，可替代傳統(tǒng)斷路器與隔離開關(guān)的聯(lián)合應(yīng)用。由于該斷路器的觸頭被保護(hù)在SF6滅弧室內(nèi)，斷路器維護(hù)量非常小，采用隔離斷路器可大幅度提高供電可靠性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，目前隔離斷路器的工藝具有高可靠性，整體維護(hù)周期可達(dá)20年。

隔離斷路器的研制，是實(shí)現(xiàn)斷路器具備隔離功能的技術(shù)創(chuàng)新。隔離斷路器通過設(shè)備集成提升可靠性，也給智能變電站的主接線優(yōu)化提供了可能。

3.1.2 電氣主接線優(yōu)化

斷路器是變電站中的主要設(shè)備之一，長(zhǎng)期以來斷路器由于制造水平等問題，需要定期檢修維護(hù)。因此以往的變電站設(shè)計(jì)中，斷路器的兩側(cè)均配置有隔離開關(guān)，以便在斷路器檢修時(shí)隔離電源，這是因?yàn)閿嗦菲鞯墓收下蔬h(yuǎn)高于隔離開關(guān)。

而隨著斷路器技術(shù)的不斷提高，斷路器的故障率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隔離開關(guān)的故障率。現(xiàn)今斷路器可有15年以上的檢修周期；隔離開關(guān)的技術(shù)卻變化不大，檢修周期一般在5年左右〔9〕。湖南省新上變電設(shè)備運(yùn)行情況也印證了這一變化。斷路器和隔離開關(guān)設(shè)備壽命周期的歷史變化曲線見圖1。

由前述可知，由于隔離斷路器本身實(shí)現(xiàn)了隔離開關(guān)的功能，則原有的兩側(cè)加隔離開關(guān)設(shè)計(jì)在采用隔離斷路器情況下變得多余。因此，采用隔離斷路器并取消隔離開關(guān)，可以簡(jiǎn)化變電站接線、縮短電氣設(shè)備的安裝調(diào)試時(shí)間。圖2顯示了采用了傳統(tǒng)斷路器與采用了隔離斷路器的出線間隔接線的比較。

圖1 隔離開關(guān)與斷路器不可用率歷史變化曲線

圖2 間隔配電裝置間隔接線比較

圖2 a)所示為采用傳統(tǒng)斷路器的110 kV單母線接線配電裝置間隔接線。傳統(tǒng)斷路器的兩側(cè)均配置有隔離開關(guān)，用于斷路器檢修時(shí)隔離電源。該間隔有1個(gè)斷路器、3個(gè)隔離開關(guān)及3個(gè)接地開關(guān)，檢修周期按一般情況分別設(shè)為15年、5年及5年。在此接線方式下，間隔內(nèi)的任一元件故障或檢修均會(huì)導(dǎo)致該間隔退出運(yùn)行，間隔內(nèi)元件的數(shù)量和可靠性對(duì)整體運(yùn)行影響很大。

圖2b)為優(yōu)化后的采用隔離斷路器的間隔接線。由于隔離斷路器內(nèi)部集成了斷路器、接地開關(guān)、電流互感器等元件，斷路器的觸頭兼具斷路器和隔離開關(guān)的雙重功能，且?guī)Ь€路側(cè)接地開關(guān)，因此取消線路側(cè)隔離開關(guān)，同樣能滿足間隔檢修時(shí)的需要。該間隔實(shí)際上只有1個(gè)隔離斷路器元件，而隔離斷路器設(shè)計(jì)檢修周期為20年，設(shè)變電站設(shè)計(jì)壽命40年，則在變電站運(yùn)行期內(nèi)，每臺(tái)隔離斷路器僅需檢修1次，第2個(gè)周期就隨變電站退役。

110 kV單母線接線方式下隔離斷路器能與母線做到同時(shí)檢修，因此可取消母線側(cè)隔離開關(guān)；當(dāng)母線隔離開關(guān)故障或檢修時(shí)，該段母線所接出線及主變回路也均停電。由于優(yōu)化后取消了母線隔離開關(guān)，不存在故障或檢修狀態(tài)，因此運(yùn)行可靠性遠(yuǎn)大于優(yōu)化前〔10〕。

當(dāng)斷路器或出線隔離開關(guān)故障或檢修時(shí)，該間隔均停電，存在以下幾種情況:1)出線隔離開關(guān)檢修。由于優(yōu)化后取消了出線隔離開關(guān)，不存在故障或檢修狀態(tài)。2)斷路器檢修。優(yōu)化后采用了隔離斷路器，其檢修周期大于常規(guī)斷路器。3)電流互感器檢修。該間隔需停電，由于優(yōu)化后的電流互感器集成于隔離斷路器內(nèi)，其檢修周期同樣達(dá)20年，也遠(yuǎn)大于常規(guī)電流互感器的檢修周期。

220 kV電壓等級(jí)的間隔由于系統(tǒng)運(yùn)行需要，采用雙母線接線方式，保留母線側(cè)隔離開關(guān)和接地開關(guān)，也已有較大優(yōu)化。

因此，隨著制造工藝水平的進(jìn)步，采用隔離斷路器元件減少且可靠性增強(qiáng)，比采用傳統(tǒng)斷路器加隔離開關(guān)的變電站間隔設(shè)計(jì)更優(yōu)化、更可靠。

3.2 層次化保護(hù)控制系統(tǒng)

層次化保護(hù)控制系統(tǒng)是指:“綜合應(yīng)用電網(wǎng)全網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，通過分布、協(xié)同的功能配置，實(shí)現(xiàn)時(shí)間維、空間維和功能維的協(xié)調(diào)配合，提升電網(wǎng)繼電保護(hù)性能和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力的保護(hù)控制系統(tǒng)”〔11〕。層次化保護(hù)控制系統(tǒng)由就地保護(hù)、站域保護(hù)控制、廣域保護(hù)控制3個(gè)層面組成:

1)就地保護(hù):面向系統(tǒng)元件和線路，利用本地 (和對(duì)側(cè))信息獨(dú)立決策，實(shí)現(xiàn)快速、可靠的元件保護(hù)；

2)站域保護(hù):控制面向變電站內(nèi)所有元件及線路，利用本站各元件及線路電壓、電流信息及設(shè)備動(dòng)作、狀態(tài)等信息集中決策，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)元件冗余保護(hù)及相關(guān)控制功能；

3)廣域保護(hù)控制:面向區(qū)域內(nèi)所有元件和線路，利用區(qū)域電網(wǎng)全景信息，實(shí)現(xiàn)快速故障定位及保護(hù)、安穩(wěn)控制的協(xié)同。

在時(shí)間維度上，就地保護(hù)的各類主保護(hù)無延時(shí)動(dòng)作 (20～30 ms)，后備保護(hù)通過分段延時(shí)實(shí)現(xiàn)相互配合，滿足選擇性和可靠性 (0.8～1.2 s)。站域和廣域保護(hù)控制利用綜合信息加速就地后備保護(hù)(0.3～0.5 s)。各級(jí)保護(hù)、安穩(wěn)控制協(xié)調(diào)配合，提升繼電保護(hù)性能和安穩(wěn)控制水平。

在空間維度上，就地保護(hù)實(shí)現(xiàn)單個(gè)對(duì)象的保護(hù)；站域保護(hù)控制實(shí)現(xiàn)站內(nèi)綜合防護(hù)；廣域保護(hù)控制綜合利用站間區(qū)域信息，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)綜合防護(hù)。

在功能維度上，就地保護(hù)以快速、可靠隔離故障元件為目的，利用單個(gè)元件的信息獨(dú)立決策，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。站域保護(hù)控制以優(yōu)化保護(hù)控制配置，提升保護(hù)控制性能為目的，利用全站信息集中的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)靈活自適應(yīng)的后備保護(hù)功能以及備自投、低周低壓減載等控制功能。廣域保護(hù)控制以提高系統(tǒng)安穩(wěn)控制自動(dòng)化、智能化水平為目的，利用區(qū)域間變電站的全景數(shù)據(jù)信息實(shí)施廣域的后備保護(hù)、優(yōu)化調(diào)整策略等，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的保護(hù)控制協(xié)調(diào)配合。

3層之間的關(guān)系如圖3所示。廣域保護(hù)控制采集站域保護(hù)控制、測(cè)量信息，并經(jīng)站域保護(hù)控制系統(tǒng)下達(dá)指令；站域包括控制直接采集過程層信息，不經(jīng)就地保護(hù)直接下達(dá)控制命令；就地保護(hù)相對(duì)獨(dú)立，不受站域保護(hù)控制、廣域保護(hù)控制影響〔12-15〕。

圖3 層次化保護(hù)的三級(jí)體系結(jié)構(gòu)

3個(gè)層次中的繼電保護(hù)功能協(xié)調(diào)配合，提升繼電保護(hù)系統(tǒng)總體可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性；繼電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制功能協(xié)調(diào)配合，加強(qiáng)了電網(wǎng)第1道防線與第2，3道防線之間的協(xié)作，有利于構(gòu)建更嚴(yán)密的電網(wǎng)安全防護(hù)體系。

3.3 一體化高速以太網(wǎng)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 “三層兩網(wǎng)”的體系結(jié)構(gòu)。 “三層” 是指站控層、間隔層、過程層設(shè)備，“兩網(wǎng)”是指以三層設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò):站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)，這 “兩網(wǎng)”都是以IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以太網(wǎng)為基礎(chǔ)。站控層網(wǎng)絡(luò)主要傳輸MMS數(shù)據(jù)報(bào)文、少部分站內(nèi)跨間隔GOOSE信息報(bào)文，其中MMS報(bào)文的傳輸具有突發(fā)性和集中性的特點(diǎn)；過程層網(wǎng)絡(luò)主要傳輸采集量SV報(bào)文、狀態(tài)量GOOSE信息報(bào)文以及從間隔層下發(fā)的控制指令GOOSE報(bào)文等，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，占用流量較大 (主要為SV報(bào)文)〔16〕。因此必須建立起高效、可靠、開放的網(wǎng)絡(luò)才能滿足需求。

3.3.1 站內(nèi)信息流

站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信息是用來承載保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、PMU、故障錄波等功能業(yè)務(wù)的專用通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，包括GOOSE、SV、MMS和對(duì)時(shí)信息 (如1588對(duì)時(shí)報(bào)文)四類；在線監(jiān)測(cè)和智能輔助控制系統(tǒng)通過站內(nèi)單獨(dú)組網(wǎng)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式實(shí)現(xiàn)，SCADA等遠(yuǎn)傳類業(yè)務(wù)由調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)項(xiàng)相應(yīng)功能主站系統(tǒng)傳送。

智能變電站信息采集在功能上體現(xiàn)間隔功能自治的特征，在信息上體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化共享特征。站內(nèi)的二次功能裝置雖然種類較多，但由于信息的數(shù)字化，各裝置基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求是一致的，具備裝置硬件整合的條件。

3.3.2 站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

目前智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在2種常用方式:三層一網(wǎng)、三層兩網(wǎng)。三層一網(wǎng)的結(jié)構(gòu)符合智能變電站的發(fā)展方向；但出于對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性的考慮，目前國(guó)內(nèi)高電壓等級(jí)變電站多采用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。新一代智能變電站中的 “三層兩網(wǎng)”設(shè)計(jì)與目前的智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有太大變化，以保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。如，湖南電網(wǎng)的220 kV攸東智能變電站工程的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)從可靠性出發(fā)，采用了三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。過程層網(wǎng)絡(luò)按電壓等級(jí)分別組220 kV網(wǎng)及110 kV網(wǎng)，各網(wǎng)實(shí)現(xiàn)SV、GOOSE共網(wǎng)運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎秒p星型網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)然，隨著智能化設(shè)備的應(yīng)用，目前過程層網(wǎng)絡(luò)承載的采集、處理、判決、控制等信息通過智能設(shè)備的內(nèi)部總線連接實(shí)現(xiàn)，輔以高可靠性通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案和通信設(shè)備，新一代智能變電站必然向著三層一網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)展，其方案見圖4，甚至直接演化為 “兩層一網(wǎng)”，逐步向一體化高速通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)〔17－18〕。

圖4 “三層一網(wǎng)”結(jié)構(gòu)分層方案

需指出，一體化網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是以多功能二次裝置為前提的，只有二次裝置功能集成、端口整合的情況下，才能有效節(jié)省交換機(jī)端口占用數(shù)量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化〔19〕。

3.4 二次設(shè)備模塊化及集成技術(shù)

新一代智能變電站實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備、二次接線的模塊化，實(shí)現(xiàn)了最大化工廠預(yù)制、最小化現(xiàn)場(chǎng)安裝的目的。主要包括了即插即用技術(shù)、模塊化二次設(shè)備和預(yù)制艙式二次組合設(shè)備等等。

3.4.1 即插即用技術(shù)

采用預(yù)制電纜、預(yù)制光纜，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間標(biāo)準(zhǔn)化連接和一、二次設(shè)備連接的 “即插即用”。預(yù)制光纜實(shí)現(xiàn)了插拔式安裝，較熔接方式安裝方式減少了工程量，提高了安裝速度。插拔方式預(yù)制光纜及其接線盒見圖5，二次設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備、接線實(shí)現(xiàn)了工廠化預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)只需完成艙體對(duì)外接線，大幅縮短了二次設(shè)備室及屏柜的建設(shè)安裝周期。

圖5 插拔式預(yù)制光纜及其接線盒

采用預(yù)制電纜、預(yù)制光纜，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間標(biāo)準(zhǔn)化連接和一、二次設(shè)備連接的 “即插即用”。減少現(xiàn)場(chǎng)70%二次接線工作量。

3.4.2 模塊化二次設(shè)備

站控層的高級(jí)應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)軟件功能即插即用，提高功能的可擴(kuò)展性和靈活性〔20－21〕。

間隔層設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能高度集成。110 kV線路保護(hù)、10 kV線路保護(hù)、10 kV電容器保護(hù)、10 kV站變保護(hù)均集成測(cè)控、非關(guān)口計(jì)量功能，110 kV分段、10 kV分段保護(hù)均集成測(cè)控功能，每臺(tái)主變配置一臺(tái)多功能測(cè)控，完成各側(cè)測(cè)控和非關(guān)口計(jì)量。

單間隔保護(hù)就地下放。110 kV線路、分段保護(hù)裝置就地安裝于智能控制柜內(nèi)，與過程層設(shè)備在柜內(nèi)直接通過跳線對(duì)接通信，減少了二次設(shè)備艙內(nèi)的屏位數(shù)量，提高了通信可靠性。智能控制柜加裝空調(diào)系統(tǒng)，保證保護(hù)裝置的運(yùn)行環(huán)境。

3.4.3 預(yù)制艙式二次組合設(shè)備

新一代智能變電站設(shè)計(jì)取消了常規(guī)配電室及二次設(shè)備間等建筑，采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱組合，定位安裝后形成所需一次集裝箱和二次設(shè)備預(yù)制艙。通過采用工廠預(yù)制結(jié)構(gòu)的建、構(gòu)筑物，預(yù)制艙式二次組合設(shè)備，實(shí)現(xiàn)最大化工廠加工，最小化現(xiàn)場(chǎng)施工〔22〕。

預(yù)制艙式單體是變電站工程工業(yè)化的必然趨勢(shì)，隨著技術(shù)的不斷深入，標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站的應(yīng)用，傳統(tǒng)混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑勢(shì)必會(huì)被其他方式替代。

3.5 一二次設(shè)備集成技術(shù)

智能化高壓設(shè)備是區(qū)別于以往電網(wǎng)的主要標(biāo)志之一。智能化高壓設(shè)備是高壓設(shè)備與相關(guān)傳感器及智能電子裝置的有機(jī)結(jié)合體，從物理形態(tài)和邏輯功能上可理解為 “高壓設(shè)備本體＋智能組件”，即要求一二次設(shè)備融合和集成。如變壓器中嵌入傳感器和智能組件、隔離斷路器內(nèi)置智能組件等，這是未來電網(wǎng)設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)〔24〕。

將二次傳感器和智能組件融合到一次設(shè)備，這在技術(shù)上提出了更高的要求，涉及傳感技術(shù)、微機(jī)技術(shù)、抗干擾技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)等。這些技術(shù)需要逐步實(shí)施，有的還待進(jìn)一步完善，并不能一蹴而就。

一二次設(shè)備集成技術(shù)將以一次設(shè)備廠家為主體，智能組件廠家配合，實(shí)現(xiàn)一二次設(shè)備一體化設(shè)計(jì)制造，優(yōu)化一二次設(shè)備之間回路設(shè)計(jì)，優(yōu)化智能控制柜布置及尺寸，在工廠內(nèi)對(duì)一二次設(shè)備進(jìn)行全面的測(cè)試及調(diào)試。

4 小結(jié)

智能變電站技術(shù)在不斷發(fā)展過程中需要注意的是:1)嚴(yán)把設(shè)備入網(wǎng)關(guān)，控制入網(wǎng)設(shè)備種類數(shù)量，確保設(shè)備穩(wěn)定可靠；2)提高一次設(shè)備可靠性，要消除一次缺陷二次補(bǔ)的不良思路；3)先進(jìn)技術(shù)都有從不成熟到成熟的過程，應(yīng)更穩(wěn)妥可靠；4)及時(shí)出臺(tái)配套的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，使各項(xiàng)工作有據(jù)可依，如隨著隔離斷路器的應(yīng)用和隔離開關(guān)的取消，相應(yīng)的運(yùn)行規(guī)程、狀態(tài)檢修規(guī)程也應(yīng)做適應(yīng)性調(diào)整。

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Review of new generation smart substation technology

TANG Weihua1，YANG Junwu2，OUYANG Fan3
(1.China Energy Engineering Group Co.Ltd，Hunan Electric Power Design Institute，Changsha 410007，China；2.North China Electric Power University，Baoding 071003，China；3.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper focuses on the new generation smart substation technology.The present situation of the smart substation are summarized firstly.Then the definition of new generation smart substation is introduced and the important technical features are analyzed in details afterwards，including the optimization of main electrical wiring and the application of new disconnecting circuitbreakers，the hierarchical protection system for secondary equipment，the modular secondary equipment，the integration of primary and secondary equipment.At last，the paper makes a summary of the technical features and its practical application.It is believed that the new generation of smart substation technology is based on the original smart substation technology，but the mature application of the technology also need times，and it puts forward new requirements for the operator in technical level and operation ability.

new generation smart substation；intelligent disconnecting circuit-breakers；hierarchical protection system；modular secondary equipment；integration of primary and secondary equipment

TM773

A

1008-0198(2015)05-0001-06

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.001

唐衛(wèi)華 (1970)，女，湖南長(zhǎng)沙人，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及控制、自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。

2015-07-01