智能電網(wǎng)系統(tǒng)中智能變電站的架構(gòu)研究

王鑫（青州益能電力工程有限公司，山東濰坊，262500）

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智能電網(wǎng)系統(tǒng)中智能變電站的架構(gòu)研究

王鑫
（青州益能電力工程有限公司，山東濰坊，262500）

智能電網(wǎng)中最關(guān)鍵的一個(gè)組成部分就是智能變電站。本文基于智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，提出了一種以智能電力設(shè)備為依托的智能變電站架構(gòu)模式；針對(duì)變電站內(nèi)各種設(shè)備的智能化、集成化發(fā)展趨勢(shì)，提出了新的系統(tǒng)集成化架構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)思，并且詳細(xì)闡述了智能變電站的具體架構(gòu)及其組網(wǎng)途徑等。

智能電網(wǎng)；智能變電站；架構(gòu)研究

引言

未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是智能電網(wǎng)，具有高度集成性、安全性、協(xié)調(diào)性、高效性、交互性等功能，它也是自動(dòng)化管理、需求響應(yīng)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控與自協(xié)調(diào)等于一體的強(qiáng)大電網(wǎng)。而變電站作為電力網(wǎng)絡(luò)的“中繼”、“續(xù)航”的節(jié)點(diǎn)，能夠起到連接線路、補(bǔ)償損耗等作用，是獲得電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)信息的關(guān)鍵來源，是電網(wǎng)運(yùn)行管理的“中節(jié)點(diǎn)”；除此之外，它也是廣域傳輸、保護(hù)的支撐力量。所以說，推動(dòng)變電站的智能化建設(shè)是構(gòu)筑智能電網(wǎng)的關(guān)鍵內(nèi)容之一［1］。

1　智能電網(wǎng)中智能電力設(shè)備

要想更有效地達(dá)成智能變電站的自動(dòng)化、協(xié)調(diào)性及高效性，必須從信息交換的時(shí)效性、運(yùn)行操作的自動(dòng)化、數(shù)字控制的協(xié)調(diào)性等內(nèi)容出發(fā)［2］。在這當(dāng)中，設(shè)備的集成與智能化是最為重要的手段之一。

1.1智能電力變壓器

以前電力部門對(duì)于變壓器要進(jìn)行大規(guī)模的定期停電檢修，但僅僅是以時(shí)間周期為依據(jù)進(jìn)行檢修；目前已經(jīng)改變停電檢修工程，實(shí)施帶電維護(hù)，因?yàn)楣I(yè)運(yùn)行時(shí)，停電將帶來巨大影響。

電力部門想要在電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)中，獲取更加準(zhǔn)確、全面、及時(shí)的信息，搜集到更多有效信息，對(duì)線路中的變壓器就需要實(shí)時(shí)監(jiān)控、在線診斷以及遙控和遙感等技術(shù)的支持，這給變壓器的狀態(tài)檢修工作帶來了便利。然而，目前還存在很多問題，如參數(shù)不全、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、兼容性不高等［3］。

設(shè)計(jì)、制造電力變壓器的環(huán)節(jié)中，前期系統(tǒng)方案規(guī)劃非常關(guān)鍵。全系統(tǒng)要協(xié)調(diào)運(yùn)行，信息標(biāo)準(zhǔn)要統(tǒng)一，運(yùn)行狀態(tài)的定義要規(guī)范，給設(shè)備提供二次保護(hù)、網(wǎng)上監(jiān)測(cè)與診斷服務(wù)的傳感器件要明確指標(biāo)。除此之外，還需要為其配備統(tǒng)一化的光纖以太網(wǎng)接口，借助站內(nèi)光纖局域網(wǎng)和站控層實(shí)現(xiàn)通信功能，包括分接頭的控制、以負(fù)荷為基礎(chǔ)的冷卻控制系統(tǒng)、負(fù)載自適應(yīng)保護(hù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控等。目的是為了達(dá)到電網(wǎng)中的相關(guān)設(shè)備高度融合，并且擁有狀態(tài)檢測(cè)、診斷、管理等功能的目的。

1.2智能斷路器

智能斷路器定義是在現(xiàn)有斷路器的前提下引進(jìn)智能控制單元，其由信息收集、智能辨別以及調(diào)控裝置三個(gè)單元模塊組成，令斷路器設(shè)備可以在不借助站控層控制系統(tǒng)的前提下，獨(dú)立完成某些功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)斷路器的智能監(jiān)視功能。

現(xiàn)階段，世界各大開關(guān)制造商積極研發(fā)斷路器智能化的關(guān)鍵技術(shù)，目的是更好地實(shí)現(xiàn)斷路器的智能操作和實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)等功能。近期不斷推出有關(guān)智能斷路器的技術(shù)，如ABB高壓技術(shù)公司新推出的插接式開關(guān)系統(tǒng)PASS，日本三菱電機(jī)研發(fā)的550KV開關(guān)產(chǎn)品MITS，以及西門子的HIS等。

但是，在智能斷路器的研究開發(fā)環(huán)節(jié)中，二次保護(hù)設(shè)備以及智能監(jiān)測(cè)設(shè)備的開發(fā)通常為獨(dú)立于斷路器制造之外進(jìn)行的。例如，我國(guó)廣東地區(qū)500KV的MITS系統(tǒng)，它的二次保護(hù)配置是從南瑞繼保、北京四方廠家提供的。要想更好地滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，就必須提升智能斷路器的集成化程度，也就是說把斷路器和二次設(shè)備進(jìn)行重組，同時(shí)經(jīng)由統(tǒng)一的以太網(wǎng)接口和其余智能單元進(jìn)行通信。

1.3智能FACTS設(shè)備

盡管電力系統(tǒng)智能運(yùn)營(yíng)帶來了不少優(yōu)勢(shì)，但也出現(xiàn)了像潮流控制、穩(wěn)定性不強(qiáng)、電網(wǎng)協(xié)調(diào)性差等各種各樣的難題。引進(jìn)FACTS技術(shù)，即通過在電力系統(tǒng)中加裝電力電子裝置，增強(qiáng)電壓、電流和功率的可控性，增大電力傳輸能力的技術(shù)。根據(jù)相關(guān)研究顯示：FACTS技術(shù)是解決電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性不穩(wěn)定的關(guān)鍵性技術(shù)。在各個(gè)變電站里配備FACTS設(shè)備除了能夠優(yōu)化系統(tǒng)潮流問題外，還能夠在出現(xiàn)意外事故的時(shí)候保持電力系統(tǒng)的完整性，是廣域保護(hù)的關(guān)鍵構(gòu)成部分之一。

2　智能變電站的基本架構(gòu)分析

2.1以智能電力設(shè)備為基礎(chǔ)的變電站體系

面向智能化電力裝置的智能變電站依然采用分層分布式結(jié)構(gòu)，但是在一二次電力裝置高度集成的前提下，完成過程層和間隔層的融合，那么變電站可被分成智能設(shè)備層及站控層兩個(gè)方面。如圖1所示，裝置間和過程層同站控層間的通訊借助統(tǒng)一化的光纖以太網(wǎng)來完成：

圖1　基于智能單元的變電站體系結(jié)構(gòu)

圖2中顯示的為簡(jiǎn)單的變壓器間隔，能夠更為形象地反映出集成化智能變電站的結(jié)構(gòu)，特別IID與一次設(shè)備的高度集成組成了智能裝置單元。顯而易見的，選取集成化智能電力裝置令變電站的結(jié)構(gòu)體系更加明了清晰。變電站的一次結(jié)構(gòu)同二次系統(tǒng)的結(jié)合推動(dòng)了自動(dòng)化變電過程中間隔層和過程層的融合，把智能變電站分成了變電站層與智能設(shè)備層兩部分，有助于達(dá)到變電站的自動(dòng)化及功能自治，同時(shí)有助于電力設(shè)施的監(jiān)測(cè)和診斷；廣域通信變得更加迅速，穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性更加良好，這就在很大程度上提升了智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性和自治功能。

圖2　集成化智能變電站基本架構(gòu)

2.2智能變電站的組網(wǎng)模式分析

一些專家學(xué)者提出了以下兩種變電站的組網(wǎng)措施，即獨(dú)立的變電站總線與合并的變電站總線、過程總線。過程總線的主要優(yōu)勢(shì)在于間隔層內(nèi)的IED僅需一套以太網(wǎng)接口，基本架構(gòu)更加簡(jiǎn)便并且方便維護(hù)。該作筆者認(rèn)為智能電力裝置有助于實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備及二次設(shè)備的集成，同時(shí)配置統(tǒng)一化的光纖以太網(wǎng)接口，站內(nèi)借助構(gòu)筑局域網(wǎng)的方式來連接各個(gè)智能單元及站控層單元。這種組網(wǎng)方式和過程總線相像，此外因過程層及間隔層的融合，令在線架構(gòu)更加簡(jiǎn)單，有效地加快了新設(shè)備的入網(wǎng)效率，減少了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本。但是，這一形式的弊端就是很可能造成安全隱患或網(wǎng)絡(luò)資源的爭(zhēng)搶。

3　智能變電站平臺(tái)的搭建

在工業(yè)化與信息化深度融合進(jìn)程中，電網(wǎng)信息系統(tǒng)的基本情況以及出現(xiàn)的缺陷，一般表現(xiàn)為信息格式及通訊協(xié)議的不統(tǒng)一，即標(biāo)準(zhǔn)化工作滯后；信息具有不協(xié)調(diào)性和重復(fù)分散的特點(diǎn)，信息編碼不統(tǒng)一；信息傳送接口的定義不一致，導(dǎo)致互聯(lián)互通有困難等。智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化具有重要意義［4，5］。

3.1統(tǒng)一、規(guī)范的信息平臺(tái)

作為智能電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，智能變電站同時(shí)也是智能電網(wǎng)進(jìn)行電能傳導(dǎo)的重要樞紐，相關(guān)信息的獲得渠道。所以說，建立一體化、規(guī)范化、自動(dòng)化的智能變電站信息平臺(tái)是構(gòu)建智能變電站過程中不可替代的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其將會(huì)成為智能變電站甚至整個(gè)智能電網(wǎng)運(yùn)行、管理和分析的核心。但是，一切站內(nèi)以及電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定分析和穩(wěn)定控制策略均可作為以這種自動(dòng)化信息平臺(tái)為基礎(chǔ)的高級(jí)應(yīng)用。

智能變電站的一二次設(shè)備的高度集成化給電網(wǎng)信息平臺(tái)的搭建提供了十分便利的條件。上述內(nèi)容中提到的一切智能電力設(shè)備均配置了統(tǒng)一化的以太網(wǎng)接口，各種裝置的信息以及基本狀態(tài)信息都借助站內(nèi)高速光纖網(wǎng)傳輸?shù)秸究貙?，進(jìn)一步完成了信息傳送過程中通信接口標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化的目的。

3.2實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化控制

自動(dòng)化、信息化的發(fā)展進(jìn)程是一項(xiàng)工程。專家提出了建立規(guī)范化的信息平臺(tái)，電網(wǎng)當(dāng)中各類自動(dòng)化、控制、狀態(tài)編碼等信息都擁有統(tǒng)一時(shí)標(biāo)并完成存儲(chǔ)格式的標(biāo)準(zhǔn)化，才能保障所有信息在智能電網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中可以順暢流通，同時(shí)為各個(gè)功能系統(tǒng)無差別地辨別使用。這是智能變電站甚至整個(gè)智能電網(wǎng)發(fā)展的基本保證。如果考慮到變電站站內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換類型的多樣性（如預(yù)警通知、控制命令、保護(hù)閘消息、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等），便無法僅僅借助某一種形式來進(jìn)行規(guī)范。所以說，應(yīng)當(dāng)掌握目前的基本情況，對(duì)智能電力設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸?，同時(shí)借助相關(guān)技術(shù)的有力支持，設(shè)定科學(xué)、系統(tǒng)、完善的電力信息標(biāo)準(zhǔn)。

4　結(jié)束語

綜上所述，本文主要從智能電力設(shè)備的概述、智能變電站的基本架構(gòu)以及智能變電站的信息平臺(tái)搭建三個(gè)方面進(jìn)行了論述。我們可以得出如下結(jié)論：首先，一二次系統(tǒng)高度集成的智能電力設(shè)備實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的交互性，完成了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整升級(jí)；其次，基于智能化電力設(shè)備的智能變電站完成了過程層及間隔層的融合，使整個(gè)架構(gòu)體系更為明晰簡(jiǎn)易。另外，建立數(shù)字化的信息平臺(tái)是智能變電站建設(shè)過程中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

［1］張虹.基于一體化信息平臺(tái)的數(shù)字化變電站［J］.電工技術(shù)，2008，10:13-15.

［2］申屠剛.智能化變電站架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化信息平臺(tái)研究［D］.浙江:浙江大學(xué)電機(jī)系，2010.

［3］李孟超，允平，李獻(xiàn)偉等.智能變電站及技術(shù)特點(diǎn)分析［J］，電力系統(tǒng)保護(hù)與控，2010，38（18）:59-62.

［4］鐘金，鄭睿敏，楊衛(wèi)紅.建設(shè)信息時(shí)代的智能電網(wǎng)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009， 33（I3）:I2-18.

［5］胡學(xué)浩.智能電網(wǎng)一未來電網(wǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（14）:1-5.

王鑫（1987-），男，國(guó)家一級(jí)、二級(jí)建造師，助理工程師職稱，青島理工大學(xué)琴島學(xué)院大學(xué)?？啤Ｑ芯糠较颍褐悄茏冸娬竟こ添?xiàng)目建設(shè)及施工管理。

E-mail: 340632366@qq.com

Research on Architecture of Smart Substation Based on Intelligent Powernet

Xin Wang
（Qingzhou Electric Power Engineering Co.， Ltd.， WeiFang， Shandong， 262500， China）

At the present stage， smart substation is one of the most important parts of smart grid. Considering the need of smart grid construction， this paper puts forward a kind of intelligent substation architecture model based on intelligent power equipment. In addition， for all equipment in the transformer substation intelligent integration and its advantages proposed new system integrated architecture design concept， and elaborated on the Smart Substation specific architecture and networking approaches.

Intelligent Powernet； Smart Substation； Architecture Research

TM77

A

2095-8412 （2016） 03-380-04