智能變電站的結構及特點

宋宏雷

摘 要：本文闡述了智能變電站的功能特點，對比了智能變電站與常規變電站在功能上的差異化，以常規變電站的技術為前提，結合當前智能變電站試點工程的研究與建設情況，分析研究了智能變電站的系統架構，針對與電氣一次設備進行接口的智能組件、合并單元進行了技術與應用方面的研究，并詳細闡述了高級應用功能，對一體化防誤系統等高級應用功能的實現方式進行了分析研究，并結合國內智能變電站的建設情況提出了工程應用的方案。

一、智能變電站的結構

智能變電站的基本概念為變電站的信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數字化，基本特征為設備智能化、通信網絡化、模型和通信協議統一化、運行管理自動化等。智能變電站建設的關鍵是實現滿足上述要求的通信網絡和系統。IEC61850標準包括變電站通信網絡和系統的總體要求、功能建模、數據建模、通信協議、項目管理和一致性檢測等一系列標準。按照 IEC61850 標準建設通信網絡和系統的變電站，符合智能變電站的要求。

智能變電站的主要一次設備和二次設備按照要求應為智能設備，這是變電站實現數字化的基礎。這些智能設備具有設備之間交互參數、狀態和控制命令等信息的通信接口。設備間信息傳輸的方式主要為網絡通信方式，取代傳統的二次電纜等硬接線。如果使用傳統非智能一次設備，則應通過配置智能終端將其改造為智能設備。

智能變電站內的信息交互從邏輯上看分為三個層次及兩個網絡：過程層、間隔層、站控層及站控層網絡、過程層網絡，即所謂的“三層兩網”。目前利用現場總線技術實現過程層的通信己經得到了廣泛應用，隨著過程層設備信息量的不斷增加，間隔層及站控層對過程層數據要求不斷提高，如何合理構建通信網絡是智能變電站應用技術的重要內容。

二、智能變電站的特點

智能變電站是伴隨著智能電網的概念而出現的，作為電網中的節點，變電站智能化是建設智能電網的重要基礎和支撐。其定義是：由先進、可靠、節能、環保、集成的智能設備組合而成，以高速網絡通信平臺為信息傳輸基礎，自動完成信息、采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能一調節、在線分析決策、協同互動等高級應用功能的變電站。智能變電站具有全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化、高級應用互動化的特點。

在經歷了十幾年的發展、應用后，傳統的分層分布式變電站綜自系統已經非常成熟，應用非常廣泛；隨著 IEC61850 標準的推廣，MMS 制造報文規范以及 GOOSE 的應用使得變電站內不同廠商的設備之間具有了實現互操作的可能，繼電保護跳閘可以通過網絡方式來實現；近幾年電子互感器、光學互感器技術也在不斷的探索中發展，這使得交流采樣、跳閘以數字及網絡手段實現為主要特征的數字化變電站開始在國內出現；隨著變電站數字化技術的發展，站內快速采集的信息越來越多，測控裝置、保護裝置以及功角測量裝置（PMU）所采集到的信息是十分完整的，因此，變電站可以充分發揮本地信息的冗余性和本地決策的敏捷性優勢，提高變電站在電網安全運行、調度中的智能化程度；智能化變電站自動化系統是變電站發展的一個方向，它更強調了在當今計算機、光電技術十分發達的今天，變電站自動化系統的發展不應僅僅停留在采集手段發展的層次，而是要通過這方面的進步而達到一個新的高度，即在智能電網中發揮最小但一也是核心管理單元的作用，這也是智能變電站有別于其它幾種變電站的重要特征之一。

三、 智能變電站的主要優勢特征

智能變電站系統的主要優勢特征有：

1、系統分層分布化

根據 IEC61850 標準的描述，智能變電站的設備可以分為三層：站控層，間隔層，過程層。

過程層通常又稱為設備層，主要包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器等一次設備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置。如電子式感器、合并單元、智能終端等，完成與一次設備相關的功能，包括實時運行電氣量的采集、設備運行狀態的監測、控制命令的執行等。過程層是一次設備與二次設備的結合面，或者說過程層是指智能化電氣設備的智能化部分。

間隔層設備一般指繼電保護裝置、測控裝置、等其它 IED 設備，實現使用一個間隔的數據并且作用于該間隔一次設備的功能，即各種遠方輸入、輸出，與傳感器和控制器之間的通信。間隔層一般按斷路器間隔劃分，保護裝置負責該間隔線路、變壓器等設備的保護、故障記錄等，測控裝置負責該間隔的測量、監視、斷路器的操作控制和閉鎖，以及時間順序記錄等。因此，間隔層由各種不同間隔的裝置組成，這些裝置直接通過局域網或者串行總線與站控層聯系，也可設有數據管理機或保護管理機，分別管理各測量。監視元件和各保護元件，然后集中由數據管理機和保護管理機與站控層通信。在站控層及站控層網絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監控功能。

站控層由主機兼操作員站、遠動通信裝置和其它各種二次功能站構成，提供站內運行的人機聯系界面，實現管理控制間隔層、過程層設備等功能，形成全所監控、管理中心，并與遠方監控/調度中心通信。站控層包括自動化站級監視控制系統、站域控制、通信系統、對時系統等，實現面向全站設備的監視、控制、告警及信息交互功能，完成數據采集和監視控制、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護信息管理等相關功能。站控層功能宜高度集成，可在一臺計算機或嵌入式裝置實現，也可分布在多臺計算機或嵌入式裝置中。

基于 IEC61850 標準的智能變電站確立了電力系統的建模標準，采用面向對象建模技術、軟件復用技術、高速以太網技術、嵌入式系統技術和嵌入式實時操作系統技術、XML 技術等，體現了“軟件總線”的概念，實現軟件領域的即插即用。滿足了電力系統實時性、可靠性要求，有效地解決了異構系統間的信息互通、數據內容與顯示分離、自定義性和擴展性等問題，使得變電站分層分布式方案的實施具備了可靠的技術基礎。

2、信息交互網絡化

智能變電站采用低功率、數字化的電子互感器代替常規電磁型互感器，將高電壓、大電流直接變換為數字信號。變電站內各設備之間通過高速網絡進行信息交互，二次設備不再出現功能重復的 I/0 接口，常規的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，實現了數據及資源共享。具體包括：過程層與間隔層之間的信息交換，即過程層的各種智能傳感器和執行器可以自由地與間隔層的智能裝置交換信息；間隔層設備之間的信息交換；間隔層與變電站層的通信；變電站層不同設備之間的通信。

3、設備檢修狀態化

狀態檢修是建立在運行設備狀態有效監測基礎上，根據設備的監測和分析診斷結果安排檢修時間和項目，主要包含狀態監測、設備診斷、檢修決策三個環節。

狀態監測是設備診斷的根據和狀態檢修的基礎，檢修決策是結合在線監測與診斷情況，綜合設備和系統的技術應用要求確定具體的檢修計算和策略。電力系統長期以來實行的是以預防性計劃檢修為主的檢修體制，主要依據檢修規程來確定檢修項目，存在設備缺陷較多的檢修不足，設備狀態較好的又檢修過度的狀況，一定程度上導致檢修的盲目性。定期性的檢修模式實際上很難實現“應修必修，修必修好”的檢修目標。

在智能變電站中，可以有效地獲取電網運行狀態數據以及各種智能裝置的故障和動作信息，實現對操作及信號回路狀態的有效監視。智能變電站中幾乎不再存在未被監視的功能單元，設備狀態特征量的采集沒有盲區。設備檢修策略可以從常規變電站設備的定期檢修變成狀態檢修，從而大大提高系統的可用性。

智能變電站的基本概念為變電站的信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數字化，基本特征為設備智能化、通信網絡化、模型和通信協議統一化、運行管理自動化等。智能變電站建設的關鍵是實現滿足上述要求的通信網絡和系統。IEC61850 標準包括變電站通信網絡和系統的總體要求、功能建模、數據建模、通信協議、項目管理和一致性檢測等一系列標準。按照 IEC61850 標準建設通信網絡和系統的變電站，符合智能變電站的要求。