智慧變電站的體系構架設計與設備配置原則

陳蘭蘭，張 楠

國網鎮江供電公司，江蘇 鎮江 212000

0 引言

智慧變電站項目即運用自動化控制及智能調控技術創新傳統變電站項目，并在先進通信技術的協助下，促進電力數據的實時共享，其涵蓋電力系統的發電、輸電、變電、配電等過程，真正實現了電力流、信息流、業務流之間的高度融合，協助電力企業明顯提升電力運營及檢修工作效率。新時期，智慧變電站是我國統一智能電網工程的重要基礎，更是電力行業必須建設的內容，文章圍繞其體系構架設計及設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保、安全、高效、高端的智能技術設備，其運轉過程以高速通信網絡為載體，可以對電網內電力設備進行智能化的實時保護、調節控制、參數測量等。以此為基礎，可以結合現實需求，使變電站具備動態的協同交互、在線決策分析、自動化調控等高級功能。智能變電站可以控制電力設備的運行參數，快速檢測及處置電力系統內的故障問題，進而確保變電站的正常運行。

智慧變電站的設計注重運行目標及各項使用功能的實現，從這個角度來分析，智慧變電站由邏輯集成與物理集成兩大部分構成。

1.2 特征

（1）先進環保。運用先進技術建設智慧變電站，可以減少其對傳統能源的依賴程度。和傳統變電站相比，智慧變電站在提供相同電量時，消耗的煤炭更少，能更好地落實低碳環保理念。

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

（3）互動集成。智慧變電站最大的特點是運用現代化科技集成電網與各種電力設備，實時共享電力數據，明顯增強電網與設備之間的互動性。設計變電站架構時，需要集成傳感器、互聯網及現代信息技術，使電力數據采集、分析及互動擁有更寬廣的平臺，提升變電站的整體運行效率。

2 智慧變電站的體系構架設計

在物理層面上，可以將智慧變電站分成智能化的一次設備與網絡化的二次設備；在邏輯上，變電站體系由四個層次構成，結合IEC 61850通信協議內的定義，這四個層次依次為過程層、間隔層、變電站層及站級總線，其功能與數字化變電站類似[1]。

（1）過程層。過程層通常由智能執行器、傳感器、輸出裝置等構成，負責執行的任務主要是動態化采集開關量、模擬量等信息，并參照實際狀況將相關指令信號發送到變電站層及間隔層。該層的最大特點是能快速、及時、精準地傳送各種控制指令，進而確保智慧變電站能高質、高效地監測、維護、調控、測量、傳送、配置電能狀態。

（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、監測及控制單元等構成，其內安置了大量的二次設備，包括主IED、控制監測裝置、繼電保護裝置等，在以上設備的協同配合下，變電站可以更好地執行遠程控制器、傳感器及I/O之間的通信任務。

（3）變電站層。該層一般由搜集和存儲數據的計算機、遠程通信裝置、操作工作臺等構成。根據變電站層的功能，可以將變電站層細分成接口和過程兩大部分。在智慧變電站內的數字化通信過程中，變電站層發揮著聯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用的通信層級為站級總線，即把抽象化的通信接口精準地映射至光纖網、網際協議/輸入管理協議上，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，這是由單點傳輸至多點的通信模式，業內也將其叫作并行通信。為了確保智慧變電站內各類運行信息能高效、快捷地交互，要確保站內所有電子設備、智能設備具備高度統一的協議。另外，要為整個智能變電站的數據源設定統一的標準，利用網絡方式促進信息數據的共享。

3 智慧變電站的設備配置原則

3.1 一次設備配置

（1）主變壓器。依照本地電壓級別及變電站項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），要在現場為其加裝免維護油色譜儀、電子避雷器及油溫遠傳表計；若處理對象是電壓等級高于500 kV，有相關重要斷面、用戶群體的電站項目，配置的設備主要包括聲學指紋監測儀、壓力監測儀等[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遠傳表計、局放監測裝置、隔離/接地開關雙確認微動開關等。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測設施。

（3）開關柜。對于開關柜，需要增設的輔助型設備較多，包括局放傳感器、雙確認裝備等。對于主變進線柜、分段隔離柜等開關柜，推薦為其統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，要增設主動式干預消弧裝置，也可以嘗試選配母線弧光保護。對于充氣柜，其設備配置操作較簡單，僅需加裝SF6遠傳表計。

3.2 二次設備配置

遵循“硬件標準化、軟件可控式、信息高共享、運檢智能化”的基本原則，結合實際狀況，持續優化二次設備配置的質量，進一步提升方案的科學性、可行性，重視新設備、新技術的應用，使二次系統的智能化、自動化發展進程有可靠支持。

3.3 一鍵順控設備配置

一鍵順控設備主要由站端監測主機、智能“五防”設備、公用測控儀表等構成，實際功能主要是接入一次設備雙確認信息。

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

（2）智能“五防”。遵照“五防”的基本運行原理，梳理傳統接線模式下的防誤邏輯規則程序，并對其進行歸一化處理，實時、動態收集接地線狀態信息，結合實際情況，按照同源或非同源運行原理自動校對監控主機遙控、順控動作狀況，整體提升操作的可靠度；提升系統操作界面的規范水平，在不影響使用功能發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劃，填補常規防誤方法運用過程中強制力度不足的缺陷，為就地操作過程的安全性提供保障。

（3）壓板狀態智能辨識。建立完善的壓板狀態規則庫，在各種監測方法的協助下進行智能巡檢，參照一、二次設備當前運轉狀況快捷尋覓對應的邏輯規則，實現對二次壓板狀態的智能化判定，如果檢測到壓板狀態異常，要自主傳送出預警信號[3]。

3.4 輔助監控設備配置

輔助監控設備主要包括監控主機、網關機、就地模塊等，集成了安全防范、消防監控、環境監測、照明控制、氣體監測、在線監測等子系統。

（1）安全防范系統。安防系統選擇就地模塊作為載體采集門禁、防控入侵信息，發揮過程監控、操作行為調控等基礎功能。

（2）消防監控系統。除了獨立固定滅火裝置，變電站運行階段形成的各類消防數據以消防專用傳送單元為媒介，被完整地接進監控主機、網關機，用于實時監控消防預警信號、滅火裝置動作發出及運作狀態信息。

（3）環境監測系統。環境監測系統的構成復雜，包括各種功能性傳感器、空調等，基于就地模塊連接監控主機，功能以監測變電站環境參數，以及智能調控水泵、空調等的運轉狀態等為主。

（4）照明控制系統。照明控制器、燈具是照明控制系統的基本構成，在成功接入監控主機后，能采集變電站燈具的運行狀態信息，實現人工及自動化控制功能。

（5）SF6氣體監測系統。智慧變電站設備室中裝配了AIS、GIS、HGIS等SF6充氣設施。SF6氣體的監測設施主要由監測主機、風機等組成，可以自主收集SF6、O2濃度，實現風機狀態調控、預警等功能[4]。

（6）一次設備在線監測系統。一次設備在線監測系統由各種在線監測裝置、就地模塊等組成，就地模塊能成功把在線監測信息接到設備監控子系統，具備收集、傳送、后臺處置、保存及轉發監測狀態信息等功能。

（7）二次設備在線監測系統。繼電保護子站、廠站端二次在線監測裝置等是系統的主要構成。其中，廠站端繼電保護的功能主要是多源整合繼電保護及安全自動裝備、錄波器、智能終端等的信息，并對其進行規約轉換，基于DL/T860通信協議接入監控主機，具備設備的遠程監測、智能巡檢、在線校對、運行狀態診斷及告警、安全手段預演練等功能。

3.5 智能巡檢設備配置

（1）巡檢機器人。由機器人本體、主機、交互機等構成，機器人接進主機后，可以運用DL/T 634.5104拓展規約、安全文件等傳輸協議。

（2）攝像頭布點。大部分工況下，利用全景攝像頭取拓寬現場監控范疇[5]。

3.6 系統組網與安全策略

（1）系統組網。對于設備監控子系統，組網規劃設計要落實如下要求。①調度數據網通道是子系統傳輸設備運行信息的基礎，其需要完整地接至集中監控主站，維持帶寬在8 M以上，將縱向加密設施對稱部署在道兩側；綜合數據通信網是視頻監測、巡檢機器人主機傳輸信息的通道，規范地把視頻監測、機器人巡檢信息依次接進對應的主機內，要求帶寬≥100 M，且其站端需布置防火墻。②Ⅱ區、Ⅳ區交換機分別是Ⅱ區輔助設備、Ⅳ區視頻設備實現獨立組網的基礎條件，運用的均是“單機單網”模式。③巡檢機器人以安全接入模塊為依托接到機器人主機內。④為巡檢子系統部署獨立式網段。⑤就地模塊對上統一運用光纖通信，為TCP/IP組網過程提供可靠支持。⑥輔助設備、監控主機及就地模塊統一采用時鐘同步系統的時鐘源SNTP執行對時任務。

（2）安全策略。①輔助監控設備、智能巡檢子系統分別布置在Ⅱ區、Ⅳ區。②Ⅰ區和Ⅱ區運用防火墻實現正常通信，完整地傳送主設備生成的聯動信息；Ⅱ區和Ⅳ區之間運用正向隔離裝置進行單向式通信，正向隔離裝置加裝在Ⅱ區和Ⅳ區之間，用于傳送主、輔設備的視頻聯動數據[6]。③將安全接入裝置加裝在巡檢機器人與巡檢機器人主機之間，運用安全加密形式執行通信任務。④嚴格遵循現行的標準通信規約，把變電站項目內各種感知終端接進設備監控子系統。在確認無線傳感器數據被規范接入匯聚節點后，使用安全接入網關接到信息內網。

4 結束語

在科學技術日新月異的背景下，電力設計行業要確立與時俱進的發展理念，自覺加大改革創新力度。智慧變電站是一個全新的工程理念，需要通過試運行、經驗摸索、成熟完善、普及推廣等復雜發展過程，才可能在電網行業內體現出更大的優勢與價值，從而創造更理想的效益，造福人類社會。