智能變電站技術(shù)在實際工程中的設(shè)計和應(yīng)用

【關(guān)鍵詞】智能變電站技術(shù)；實際工程；設(shè)計；應(yīng)用

引言

智能電網(wǎng)的發(fā)展對于目前全球能源需求、電網(wǎng)復雜度和安全性提升有著重要意義。國外電力企業(yè)和學者對未來電網(wǎng)發(fā)展模式進行研究，并將電網(wǎng)管理加入信息論中，使得發(fā)電、輸電、配電及終端用電在系統(tǒng)中無縫銜接，以此提升能源利用效率，確保能源安全。此外，智能電網(wǎng)創(chuàng)建包含在電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)中——發(fā)電、輸電、變電和配電等，能夠?qū)崿F(xiàn)從發(fā)電到用電的全過程智能化信息交流，以此優(yōu)化電力生產(chǎn)，提升電網(wǎng)的安全可靠性，減少運行成本[1]。我國能源供應(yīng)新形勢和用電服務(wù)需求，也在積極推進智能電網(wǎng)發(fā)展，并持續(xù)制定符合自身特征的發(fā)展戰(zhàn)略以及規(guī)劃。此外，還需要加大智能電網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用力度，促進電網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

一、智能變電站概況

智能變電站作為電力系統(tǒng)主要組成部分，一般情況下，采用有先進、可靠、低碳、環(huán)保等特點的智能設(shè)備，實現(xiàn)信息的采集、測量、控制和保護等。而智能變電站的主要核心特點為信息全面數(shù)字化，意味著智能變電站中的所有設(shè)備均會出現(xiàn)數(shù)字信號，并且被進行傳輸和處理。智能變電站還能通過通信平臺網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，使不同設(shè)備間實時交換信息，這種信息共享可以保證信息的正確性和一致性。此外，建設(shè)智能變電站可以實現(xiàn)設(shè)備信息、電力調(diào)度和運行維護等全面互動，對變電站的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測及分析，同時可以按照設(shè)備的實際狀態(tài)進行調(diào)整，以此提升設(shè)備的運行效率，延長使用壽命。

二、智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系

（一）站控層

站控層作為電力系統(tǒng)變電站的主要組成部分，負責處理全站的設(shè)備信息，并在處理完成后按照結(jié)果進行選擇，對各個設(shè)備下達具體指令。當智能變電站出現(xiàn)技術(shù)問題時，計算機與人機交互設(shè)備會迅速作出響應(yīng)，將智能變電站的異常信息記錄下來，采取針對性的處理措施，并將處理結(jié)果及時反饋給有關(guān)工作人員。由此，站控層可以讓上一級變電站及時獲取信息，并制定針對性的解決方案，從而保障電力系統(tǒng)的正常運作。

在實踐中，站控層主要組成部分包括：

1.監(jiān)控主機，負責實時監(jiān)控全站設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)，并且對收集得到的信息進行處理。

2.遠動裝置，將站控層處理后的信息、指令或警報等發(fā)送給遠方監(jiān)控，同時能夠接受其發(fā)出的控制信息。

3.高級應(yīng)用，可以按照具體需求定制及開發(fā)，包括數(shù)據(jù)分析、故障診斷和預測維護等。

4.網(wǎng)絡(luò)打印機，可將監(jiān)控主機或者其他設(shè)備生產(chǎn)的報告、日志、突變等進行打印，有助于運行人員查閱。

（二）間隔層

間隔層處于站控層和過程層間，在智能變電站系統(tǒng)中具有銜接角色，由保護、測控、計量、網(wǎng)絡(luò)記錄等功能組成，可同時進行組件和協(xié)作，推動實現(xiàn)變電站的高效運行和智能管理。間隔層可以選擇設(shè)備運行狀態(tài)、故障信息等實時數(shù)據(jù)上傳至站控層，為站控層提供正確的信息支持，并對站控層實施全面監(jiān)控。間隔層還能下達站控層對一次設(shè)備的具體指令，從而對設(shè)備進行遠程調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)了雙向信息傳遞和控制功能。在有條件的情況下，間隔層還可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)故障的初步檢測，這主要是因為測控單元會將進程中所產(chǎn)生的信息及時記錄下來，并傳達給站控層?？傊悄茏冸娬鞠到y(tǒng)間隔層作為連接站控層和過程層之間的橋梁，具有一定的穩(wěn)定性，如果間隔層產(chǎn)生故障，會對整個變電站的運行管理產(chǎn)生影響。為此，設(shè)計和建設(shè)智能變電站時，需要對間隔層的性能和可靠性進行充分考慮[2]。

（三）過程層

過程層由合并單元和智能終端裝置組成，在電力系統(tǒng)中具有一定的作用，可以實時采集電氣數(shù)據(jù)，并對設(shè)備狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測，以正確執(zhí)行控制命令。合并單元是指對不同傳感器電氣信息進行合并處理，從而產(chǎn)生統(tǒng)一的電氣數(shù)據(jù)，有助于后續(xù)分析以及處理。電氣數(shù)據(jù)可以充分呈現(xiàn)出電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及性能表現(xiàn)。智能終端則屬于智能處理能力設(shè)備，可以接收控制中心指令，按照指令進行正確的控制操作。過程層作為一次設(shè)備和二次設(shè)備的連接交接面，可以將一次設(shè)備中的電氣數(shù)據(jù)實時傳遞到二次設(shè)備中，交由控制中心實施分析以及處理，以此對設(shè)備進行精確控制。

（四）站控層網(wǎng)絡(luò)

站控層網(wǎng)絡(luò)一般為雙星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，連接站控層的各個設(shè)備，產(chǎn)生高效穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，還承擔著和間隔層通信的重要任務(wù)。站控層和間隔層的網(wǎng)絡(luò)通信一般采用多媒體信息服務(wù)（Multimedia Messaging Service，MMS）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的通信協(xié)議上，對設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換進行支持，包括控制命令、狀態(tài)信息和測量數(shù)據(jù)等，能夠獲取間隔層設(shè)備的狀態(tài)信息，對其實施遠程控制及監(jiān)控。

（五）過程層網(wǎng)絡(luò)

220 kV以上電壓等級電力系統(tǒng)的過程網(wǎng)絡(luò)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皩崟r性，一般選擇雙以太網(wǎng)形式創(chuàng)建過程層網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包含通用面向?qū)ο笞冸娬臼录℅eneric Object Oriented Substation Event，GOOSE）信號A、B網(wǎng)與采樣值（Sampled Values，SV）信號A、B網(wǎng)，具備高度容錯能力；在相互獨立的同時，還可以相互備份，當一套網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生故障時，另外一套網(wǎng)絡(luò)可以接管工作，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)可靠性。這種設(shè)計提升了過程層網(wǎng)絡(luò)的可靠性以及穩(wěn)定性。

三、變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）采用ICE 61850創(chuàng)建變電站內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某110 kV變電站全面選擇數(shù)字化變電站技術(shù)，以此提升智能化水平。全站通過統(tǒng)一標準平臺（IEC61850）進行數(shù)據(jù)建模和通信，保證了變電站一次設(shè)備和二次智能裝置間的互操作性。IEC61850標準依據(jù)變電站中的監(jiān)控和繼電保護功能，將智能設(shè)備劃分為站控層、間隔層和過程層，此種分層結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)變電站中各設(shè)備間的高效協(xié)作。數(shù)字化變電站中的過程層作為重要組成部分，包含智能傳感器以及執(zhí)行器，主要負責開關(guān)量和模擬量采集。過程層的提出主要強調(diào)了數(shù)字通信在變電站各個層次間的重要性[3]。在IEC61850標準中，過程層和間隔層通過交換式以太網(wǎng)進行通信，這種數(shù)字通信方式被稱為過程總線；間隔層和變電站層間的串行通信方式稱為戰(zhàn)級總線通信。IEC61850配置流程如圖1所示。

（二）變電站二次系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和傳統(tǒng)變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比具有一定的復雜性，這使得變電站中的數(shù)據(jù)傳輸和同步更具有正確性。站控層網(wǎng)絡(luò)采用百兆以太網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)高效傳輸，實現(xiàn)了全站智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）正確對時，可以保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。同步選擇網(wǎng)可以確保全站分布式采樣同步性，提升了采樣數(shù)據(jù)正確性；同時GOOSE網(wǎng)（雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)）負責全站主變相關(guān)IED和有關(guān)智能操作通信。因為站內(nèi)具有較多的網(wǎng)絡(luò)，并且原二次回路逐漸被網(wǎng)絡(luò)通信代替，導致傳統(tǒng)二次回路查找故障和故障分析方法并不適用，為此過程中配置了網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備，可以對站內(nèi)采樣值、GOOSE網(wǎng)、站控層網(wǎng)絡(luò)報文進行記錄[4]。與此同時，110 kV變電站的設(shè)計過程，考慮到設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)水平和變電站運行現(xiàn)狀，并未將110 kV和主變部分進行下放而配置傳統(tǒng)主變保護裝置，此種設(shè)計考慮了技術(shù)的可行性。此外，站內(nèi)其他系統(tǒng)因為未執(zhí)行IEC61850標準，經(jīng)過傳統(tǒng)485通信方式上傳到自動化系統(tǒng)后，協(xié)助轉(zhuǎn)換為61850標準，此種過渡性方法雖然存在一定的局限性，但屬于一種合理選擇。

（三）保護采樣和跳閘模式設(shè)計

智能變電站中的采樣和通信方式設(shè)計具有重要意義，能夠?qū)ψ冸娬镜倪\行效率和安全性產(chǎn)生影響。《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》及《智能變電站技術(shù)導則》中具有明確的規(guī)定，對于采樣方式，應(yīng)選擇SV點對點，也就是直采方式。這種方法意味著，數(shù)據(jù)從采樣單元傳輸?shù)奖Ｗo或測控設(shè)備，不通過交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以確保采樣數(shù)據(jù)的正確性和實時性，以獲取實時數(shù)據(jù)進行繼電保護。此外，對于測控、保護等設(shè)備與智能終端之間的通信，如果屬于單間隔內(nèi)通信，需要選擇GOOSE點對點直跳方法，以免由于網(wǎng)絡(luò)延遲或者故障出現(xiàn)錯誤拒動。此外，大部分多間隔保護的保護設(shè)計方式更加復雜，規(guī)范中要求考慮設(shè)備的保護動作，也就是在設(shè)計保護過程中，需要對相關(guān)因素進行綜合考慮，包括保護范圍、動作時間以及可靠性，確保在出現(xiàn)故障過程中可以正確處理故障。

四、變電站智能一次設(shè)備設(shè)計

某110 kV變電站在設(shè)計過程中選擇了智能變電站技術(shù)基礎(chǔ)中的數(shù)字化技術(shù)，并和開關(guān)智能操作箱設(shè)備、柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible AC Transmission Systems，F(xiàn)ACTS）裝置等進行結(jié)合，使其成為具有信息化和互動化特征的智能變電站。

（一）開關(guān)類設(shè)備智能化設(shè)計

該變電站的設(shè)計主要實現(xiàn)110 kV 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）和10 kV 緊湊型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Compact Gas Insulated Switchgear，C-GIS）一次設(shè)備的智能化，并以回路間隔為單位進行配置，提升變電站自動化水平以及運行效率。對于110 kV GIS部分，引入純光纖電流互感器和阻容分壓式電壓互感器，并選擇外置式結(jié)構(gòu)，滿足國家的有關(guān)標準要求。在互感器選型與配置過程中，純光纖電流互感器精度高，并且具有良好的抗電磁干擾能力，可以正確測量電流值并通過光纖傳輸信號，避免傳統(tǒng)互感器中電纜傳輸產(chǎn)生的電磁感染問題。而阻容分壓式電壓互感器通過阻容分壓原理測量電壓，其精度較高，并且具有良好的抗干擾能力——輸出的信號經(jīng)過光纖進行傳輸，確保信號的穩(wěn)定可靠性。對于互感器而言，采集器單元處于高壓部分，可以直接采集電流或電壓信號，然后將其轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)男盘栃问?。信號傳輸過程選擇光纖作為傳輸介質(zhì)，將采集器單元輸出信號傳輸?shù)降蛪翰糠值暮喜卧?，能夠?qū)⒏邏汉偷蛪翰糠诌M行隔離，以此提升系統(tǒng)安全性。合并單元處于低壓位置，負責接收并處理來自多個采集器單元的信號。

在110 kV GIS中，智能操作箱作為一個關(guān)鍵組件，對每個間隔進行配置，其中包含斷路器、隔離開關(guān)及接地開關(guān)，能夠有效處理和傳輸間隔內(nèi)的遙信/遙控信息。此外，智能操作箱會采集間隔內(nèi)的遙信信息。采集到的信息通過GOOSE通信網(wǎng)傳送給二次設(shè)備，當二次設(shè)備發(fā)出跳合閘命令時，會通過GOOSE通信網(wǎng)傳送給智能操作箱，最終完成出口跳合閘操作。

（二）主變壓器智能設(shè)計

某110 kV變電站的#1和#2主變選擇了SF6氣體絕緣變壓器，此種變壓器具有良好的絕緣性能，并采用了分體水冷冷卻方式，和主變余熱利用技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)能源高效利用。此外第三臺主變選擇蒸發(fā)冷卻變壓器，這種變壓器選擇一體式自冷方式，對冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行簡化，將運行成本降低。在主變室中設(shè)置主變智能測控箱，箱內(nèi)放置主變智能測控裝置，符合IEC 61850標準，可以采集和測量溫度、壓力釋放、超溫報警和氣泵故障、液位、有載檔位、中性點接地刀閘等非電量信號。與此同時，還可以接入主變本體保護的動作信號，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)方式將這些信息提供給保護裝置和自動化系統(tǒng)。#1和#2主變所采用的分體水冷冷卻系統(tǒng)配以氣—水熱交換器、氣泵、水泵和冷卻塔等設(shè)備，以對水冷系統(tǒng)運行效率進行優(yōu)化，配置自動控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)經(jīng)過實時監(jiān)測主變電流溫度，正確判斷主變負載率，按照負載率自動調(diào)整水冷系統(tǒng)各元器件情況，保證水冷系統(tǒng)在最優(yōu)狀態(tài)下運行，從而降低損耗。此系統(tǒng)還可以采集水冷系統(tǒng)各元器件的狀態(tài)信號，經(jīng)過通信方式將信息上傳至變電站自動化系統(tǒng)，有助于工作人員遠程監(jiān)控及管理，為電網(wǎng)的安全運行提供保證。

結(jié)語

智能變電站近年來的發(fā)展趨勢正向高壓設(shè)備高度集成化方向發(fā)展，有助于突破一次、二次設(shè)備間的物理界限，實現(xiàn)互聯(lián)互通，同時在統(tǒng)一通信規(guī)約基礎(chǔ)上集成智能逐漸，使得設(shè)備更加智能化，以此提升變電站運行效率和可靠性。此外，在軟件設(shè)備不斷提升的基礎(chǔ)上，變電站還需要優(yōu)化軟件系統(tǒng)，并且進行員工培訓，以保證新技術(shù)和新設(shè)備的有效應(yīng)用，使智能變電站得以順利運行。由此，伴隨技術(shù)的完善發(fā)展，變電運維工作效率也能有所提升，從而促進電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。