智慧變電站的體系構(gòu)架設(shè)計(jì)與設(shè)備配置原則

陳蘭蘭，張 楠

國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000

0 引言

智慧變電站項(xiàng)目即運(yùn)用自動化控制及智能調(diào)控技術(shù)創(chuàng)新傳統(tǒng)變電站項(xiàng)目，并在先進(jìn)通信技術(shù)的協(xié)助下，促進(jìn)電力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，其涵蓋電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電等過程，真正實(shí)現(xiàn)了電力流、信息流、業(yè)務(wù)流之間的高度融合，協(xié)助電力企業(yè)明顯提升電力運(yùn)營及檢修工作效率。新時(shí)期，智慧變電站是我國統(tǒng)一智能電網(wǎng)工程的重要基礎(chǔ)，更是電力行業(yè)必須建設(shè)的內(nèi)容，文章圍繞其體系構(gòu)架設(shè)計(jì)及設(shè)備配置兩大問題展開分析。

1 智慧變電站的概念與特征

1.1 概念

智慧變電站集成了環(huán)保、安全、高效、高端的智能技術(shù)設(shè)備，其運(yùn)轉(zhuǎn)過程以高速通信網(wǎng)絡(luò)為載體，可以對電網(wǎng)內(nèi)電力設(shè)備進(jìn)行智能化的實(shí)時(shí)保護(hù)、調(diào)節(jié)控制、參數(shù)測量等。以此為基礎(chǔ)，可以結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，使變電站具備動態(tài)的協(xié)同交互、在線決策分析、自動化調(diào)控等高級功能。智能變電站可以控制電力設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，快速檢測及處置電力系統(tǒng)內(nèi)的故障問題，進(jìn)而確保變電站的正常運(yùn)行。

智慧變電站的設(shè)計(jì)注重運(yùn)行目標(biāo)及各項(xiàng)使用功能的實(shí)現(xiàn)，從這個(gè)角度來分析，智慧變電站由邏輯集成與物理集成兩大部分構(gòu)成。

1.2 特征

（1）先進(jìn)環(huán)保。運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)建設(shè)智慧變電站，可以減少其對傳統(tǒng)能源的依賴程度。和傳統(tǒng)變電站相比，智慧變電站在提供相同電量時(shí)，消耗的煤炭更少，能更好地落實(shí)低碳環(huán)保理念。

（2）安全可靠。智慧變電站采用高端科技及精密設(shè)備，可以及時(shí)檢測設(shè)備運(yùn)行中存在的問題，降低故障發(fā)生率，為變電站運(yùn)行的安全性、可靠性提供保障。

（3）互動集成。智慧變電站最大的特點(diǎn)是運(yùn)用現(xiàn)代化科技集成電網(wǎng)與各種電力設(shè)備，實(shí)時(shí)共享電力數(shù)據(jù)，明顯增強(qiáng)電網(wǎng)與設(shè)備之間的互動性。設(shè)計(jì)變電站架構(gòu)時(shí)，需要集成傳感器、互聯(lián)網(wǎng)及現(xiàn)代信息技術(shù)，使電力數(shù)據(jù)采集、分析及互動擁有更寬廣的平臺，提升變電站的整體運(yùn)行效率。

2 智慧變電站的體系構(gòu)架設(shè)計(jì)

在物理層面上，可以將智慧變電站分成智能化的一次設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備；在邏輯上，變電站體系由四個(gè)層次構(gòu)成，結(jié)合IEC 61850通信協(xié)議內(nèi)的定義，這四個(gè)層次依次為過程層、間隔層、變電站層及站級總線，其功能與數(shù)字化變電站類似[1]。

（1）過程層。過程層通常由智能執(zhí)行器、傳感器、輸出裝置等構(gòu)成，負(fù)責(zé)執(zhí)行的任務(wù)主要是動態(tài)化采集開關(guān)量、模擬量等信息，并參照實(shí)際狀況將相關(guān)指令信號發(fā)送到變電站層及間隔層。該層的最大特點(diǎn)是能快速、及時(shí)、精準(zhǔn)地傳送各種控制指令，進(jìn)而確保智慧變電站能高質(zhì)、高效地監(jiān)測、維護(hù)、調(diào)控、測量、傳送、配置電能狀態(tài)。

（2）間隔層。從宏觀角度分析，智慧變電站的間隔層由不同間隔的保護(hù)、監(jiān)測及控制單元等構(gòu)成，其內(nèi)安置了大量的二次設(shè)備，包括主IED、控制監(jiān)測裝置、繼電保護(hù)裝置等，在以上設(shè)備的協(xié)同配合下，變電站可以更好地執(zhí)行遠(yuǎn)程控制器、傳感器及I/O之間的通信任務(wù)。

（3）變電站層。該層一般由搜集和存儲數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程通信裝置、操作工作臺等構(gòu)成。根據(jù)變電站層的功能，可以將變電站層細(xì)分成接口和過程兩大部分。在智慧變電站內(nèi)的數(shù)字化通信過程中，變電站層發(fā)揮著聯(lián)系不同間隔層的重要作用。

（4）站級總線。間隔層和變電站層之間運(yùn)用的通信層級為站級總線，即把抽象化的通信接口精準(zhǔn)地映射至光纖網(wǎng)、網(wǎng)際協(xié)議/輸入管理協(xié)議上，可以看成是串行通信的一種；過程層與通信層基于過程總線完成通信，這是由單點(diǎn)傳輸至多點(diǎn)的通信模式，業(yè)內(nèi)也將其叫作并行通信。為了確保智慧變電站內(nèi)各類運(yùn)行信息能高效、快捷地交互，要確保站內(nèi)所有電子設(shè)備、智能設(shè)備具備高度統(tǒng)一的協(xié)議。另外，要為整個(gè)智能變電站的數(shù)據(jù)源設(shè)定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，利用網(wǎng)絡(luò)方式促進(jìn)信息數(shù)據(jù)的共享。

3 智慧變電站的設(shè)備配置原則

3.1 一次設(shè)備配置

（1）主變壓器。依照本地電壓級別及變電站項(xiàng)目重要程度選擇主變壓器感知終端。對于電壓等級高于110 kV的主變壓器（見圖1），要在現(xiàn)場為其加裝免維護(hù)油色譜儀、電子避雷器及油溫遠(yuǎn)傳表計(jì)；若處理對象是電壓等級高于500 kV，有相關(guān)重要斷面、用戶群體的電站項(xiàng)目，配置的設(shè)備主要包括聲學(xué)指紋監(jiān)測儀、壓力監(jiān)測儀等[2]。

圖1 110 kV級系列電力變壓器

（2）GIS組合電器和AIS配電裝置。為其增配SF6遠(yuǎn)傳表計(jì)、局放監(jiān)測裝置、隔離/接地開關(guān)雙確認(rèn)微動開關(guān)等。針對電壓等級在500 kV之上，有重要斷面、客戶群體的變電站，需要布置彈簧壓力監(jiān)測設(shè)施。

（3）開關(guān)柜。對于開關(guān)柜，需要增設(shè)的輔助型設(shè)備較多，包括局放傳感器、雙確認(rèn)裝備等。對于主變進(jìn)線柜、分段隔離柜等開關(guān)柜，推薦為其統(tǒng)一配置觸頭在線測溫儀。若變電站工程電纜出線繁多，且在供電可靠性方面提出較高要求，要增設(shè)主動式干預(yù)消弧裝置，也可以嘗試選配母線弧光保護(hù)。對于充氣柜，其設(shè)備配置操作較簡單，僅需加裝SF6遠(yuǎn)傳表計(jì)。

3.2 二次設(shè)備配置

遵循“硬件標(biāo)準(zhǔn)化、軟件可控式、信息高共享、運(yùn)檢智能化”的基本原則，結(jié)合實(shí)際狀況，持續(xù)優(yōu)化二次設(shè)備配置的質(zhì)量，進(jìn)一步提升方案的科學(xué)性、可行性，重視新設(shè)備、新技術(shù)的應(yīng)用，使二次系統(tǒng)的智能化、自動化發(fā)展進(jìn)程有可靠支持。

3.3 一鍵順控設(shè)備配置

一鍵順控設(shè)備主要由站端監(jiān)測主機(jī)、智能“五防”設(shè)備、公用測控儀表等構(gòu)成，實(shí)際功能主要是接入一次設(shè)備雙確認(rèn)信息。

（1）一次設(shè)備雙確認(rèn)。①“雙位置遙信+遙測量”模式輔助斷路器、隔離/接地開關(guān)實(shí)現(xiàn)雙確認(rèn)功能，后者也可以把圖像識別作為第二判斷依據(jù)，且兼容自動化巡視、檢查功能。②“雙位置遙信+微動開關(guān)”為空氣開關(guān)柜達(dá)到雙確認(rèn)的基礎(chǔ)，或者將視頻識別法作為第二依據(jù)。

（2）智能“五防”。遵照“五防”的基本運(yùn)行原理，梳理傳統(tǒng)接線模式下的防誤邏輯規(guī)則程序，并對其進(jìn)行歸一化處理，實(shí)時(shí)、動態(tài)收集接地線狀態(tài)信息，結(jié)合實(shí)際情況，按照同源或非同源運(yùn)行原理自動校對監(jiān)控主機(jī)遙控、順控動作狀況，整體提升操作的可靠度；提升系統(tǒng)操作界面的規(guī)范水平，在不影響使用功能發(fā)揮的前提下確保硬件配備的簡潔性，制訂適用度最高的安裝計(jì)劃，填補(bǔ)常規(guī)防誤方法運(yùn)用過程中強(qiáng)制力度不足的缺陷，為就地操作過程的安全性提供保障。

（3）壓板狀態(tài)智能辨識。建立完善的壓板狀態(tài)規(guī)則庫，在各種監(jiān)測方法的協(xié)助下進(jìn)行智能巡檢，參照一、二次設(shè)備當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀況快捷尋覓對應(yīng)的邏輯規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對二次壓板狀態(tài)的智能化判定，如果檢測到壓板狀態(tài)異常，要自主傳送出預(yù)警信號[3]。

3.4 輔助監(jiān)控設(shè)備配置

輔助監(jiān)控設(shè)備主要包括監(jiān)控主機(jī)、網(wǎng)關(guān)機(jī)、就地模塊等，集成了安全防范、消防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、照明控制、氣體監(jiān)測、在線監(jiān)測等子系統(tǒng)。

（1）安全防范系統(tǒng)。安防系統(tǒng)選擇就地模塊作為載體采集門禁、防控入侵信息，發(fā)揮過程監(jiān)控、操作行為調(diào)控等基礎(chǔ)功能。

（2）消防監(jiān)控系統(tǒng)。除了獨(dú)立固定滅火裝置，變電站運(yùn)行階段形成的各類消防數(shù)據(jù)以消防專用傳送單元為媒介，被完整地接進(jìn)監(jiān)控主機(jī)、網(wǎng)關(guān)機(jī)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控消防預(yù)警信號、滅火裝置動作發(fā)出及運(yùn)作狀態(tài)信息。

（3）環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，包括各種功能性傳感器、空調(diào)等，基于就地模塊連接監(jiān)控主機(jī)，功能以監(jiān)測變電站環(huán)境參數(shù)，以及智能調(diào)控水泵、空調(diào)等的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等為主。

（4）照明控制系統(tǒng)。照明控制器、燈具是照明控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，在成功接入監(jiān)控主機(jī)后，能采集變電站燈具的運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)人工及自動化控制功能。

（5）SF6氣體監(jiān)測系統(tǒng)。智慧變電站設(shè)備室中裝配了AIS、GIS、HGIS等SF6充氣設(shè)施。SF6氣體的監(jiān)測設(shè)施主要由監(jiān)測主機(jī)、風(fēng)機(jī)等組成，可以自主收集SF6、O2濃度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)狀態(tài)調(diào)控、預(yù)警等功能[4]。

（6）一次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)。一次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)由各種在線監(jiān)測裝置、就地模塊等組成，就地模塊能成功把在線監(jiān)測信息接到設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)，具備收集、傳送、后臺處置、保存及轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測狀態(tài)信息等功能。

（7）二次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)。繼電保護(hù)子站、廠站端二次在線監(jiān)測裝置等是系統(tǒng)的主要構(gòu)成。其中，廠站端繼電保護(hù)的功能主要是多源整合繼電保護(hù)及安全自動裝備、錄波器、智能終端等的信息，并對其進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，基于DL/T860通信協(xié)議接入監(jiān)控主機(jī)，具備設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測、智能巡檢、在線校對、運(yùn)行狀態(tài)診斷及告警、安全手段預(yù)演練等功能。

3.5 智能巡檢設(shè)備配置

（1）巡檢機(jī)器人。由機(jī)器人本體、主機(jī)、交互機(jī)等構(gòu)成，機(jī)器人接進(jìn)主機(jī)后，可以運(yùn)用DL/T 634.5104拓展規(guī)約、安全文件等傳輸協(xié)議。

（2）攝像頭布點(diǎn)。大部分工況下，利用全景攝像頭取拓寬現(xiàn)場監(jiān)控范疇[5]。

3.6 系統(tǒng)組網(wǎng)與安全策略

（1）系統(tǒng)組網(wǎng)。對于設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)，組網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)要落實(shí)如下要求。①調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通道是子系統(tǒng)傳輸設(shè)備運(yùn)行信息的基礎(chǔ)，其需要完整地接至集中監(jiān)控主站，維持帶寬在8 M以上，將縱向加密設(shè)施對稱部署在道兩側(cè)；綜合數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是視頻監(jiān)測、巡檢機(jī)器人主機(jī)傳輸信息的通道，規(guī)范地把視頻監(jiān)測、機(jī)器人巡檢信息依次接進(jìn)對應(yīng)的主機(jī)內(nèi)，要求帶寬≥100 M，且其站端需布置防火墻。②Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)交換機(jī)分別是Ⅱ區(qū)輔助設(shè)備、Ⅳ區(qū)視頻設(shè)備實(shí)現(xiàn)獨(dú)立組網(wǎng)的基礎(chǔ)條件，運(yùn)用的均是“單機(jī)單網(wǎng)”模式。③巡檢機(jī)器人以安全接入模塊為依托接到機(jī)器人主機(jī)內(nèi)。④為巡檢子系統(tǒng)部署獨(dú)立式網(wǎng)段。⑤就地模塊對上統(tǒng)一運(yùn)用光纖通信，為TCP/IP組網(wǎng)過程提供可靠支持。⑥輔助設(shè)備、監(jiān)控主機(jī)及就地模塊統(tǒng)一采用時(shí)鐘同步系統(tǒng)的時(shí)鐘源SNTP執(zhí)行對時(shí)任務(wù)。

（2）安全策略。①輔助監(jiān)控設(shè)備、智能巡檢子系統(tǒng)分別布置在Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)。②Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)運(yùn)用防火墻實(shí)現(xiàn)正常通信，完整地傳送主設(shè)備生成的聯(lián)動信息；Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)之間運(yùn)用正向隔離裝置進(jìn)行單向式通信，正向隔離裝置加裝在Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)之間，用于傳送主、輔設(shè)備的視頻聯(lián)動數(shù)據(jù)[6]。③將安全接入裝置加裝在巡檢機(jī)器人與巡檢機(jī)器人主機(jī)之間，運(yùn)用安全加密形式執(zhí)行通信任務(wù)。④嚴(yán)格遵循現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，把變電站項(xiàng)目內(nèi)各種感知終端接進(jìn)設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)。在確認(rèn)無線傳感器數(shù)據(jù)被規(guī)范接入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)后，使用安全接入網(wǎng)關(guān)接到信息內(nèi)網(wǎng)。

4 結(jié)束語

在科學(xué)技術(shù)日新月異的背景下，電力設(shè)計(jì)行業(yè)要確立與時(shí)俱進(jìn)的發(fā)展理念，自覺加大改革創(chuàng)新力度。智慧變電站是一個(gè)全新的工程理念，需要通過試運(yùn)行、經(jīng)驗(yàn)摸索、成熟完善、普及推廣等復(fù)雜發(fā)展過程，才可能在電網(wǎng)行業(yè)內(nèi)體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢與價(jià)值，從而創(chuàng)造更理想的效益，造福人類社會。