智能變電站技術(shù)研究

張覃毅 李智

（重慶市電力公司建設(shè)分公司，重慶 401121）

1 概述

智能電網(wǎng)是促進可再生能源發(fā)展、實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的核心。繼美國之后，我國有望成為第二個將智能電網(wǎng)上升為國家戰(zhàn)略的國家，智能變電站是伴隨著智能電網(wǎng)的概念而出現(xiàn)的，是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。在現(xiàn)代輸電網(wǎng)中，大部分傳感器和執(zhí)行機構(gòu)等一次設(shè)備，以及保護、測量、控制等二次設(shè)備皆安裝于變電站中。作為銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，智能變電站是智能電網(wǎng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的重要電力設(shè)施，是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”三流匯集的焦點，對建設(shè)堅強智能電網(wǎng)具有極為重要的作用。

2 智能變電站技術(shù)內(nèi)涵

2.1 數(shù)字化變電站與智能變電站

“數(shù)字化變電站”是指：變電站二次控制系統(tǒng)采用數(shù)字化電氣量測技術(shù)；二次側(cè)提供數(shù)字化的電流、電壓輸出信號；變電站信息實現(xiàn)基于IEC61850標準的統(tǒng)一信息建模；站內(nèi)自動化系統(tǒng)實現(xiàn)分層、分布式布置；IED設(shè)備之間的信息交互以網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)；斷路器操作具有智能化判別特征。

“智能變電站”是指：由先進、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的智能設(shè)備組合而成，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺為信息傳輸基礎(chǔ)，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級應(yīng)用功能的變電站。

由上可見，智能變電站與數(shù)字化變電站既有密不可分的聯(lián)系，也存在重要差別。數(shù)字化變電站主要強調(diào)手段，而智能變電站更強調(diào)目的。與數(shù)字化變電站相比，智能變電站概念中更蘊含了兩個方面的集成——物理集成和邏輯集成：

（1）物理集成。在智能變電站中，將屬于相同一次設(shè)備的信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能集成到同一“智能組件”中；進一步，該“智能組件”可以內(nèi)嵌到一次設(shè)備內(nèi)部，構(gòu)成“智能設(shè)備”。上述物理集成將逐漸弱化一次設(shè)備和二次設(shè)備的界限，強調(diào)一、二次設(shè)備的融合。站在系統(tǒng)的層面，這種物理集成真正體現(xiàn)了面向?qū)ο?、功能自治的思想，有利于提高間隔功能的可靠性，降低運行和維護費用。

（2）邏輯集成。另一方面，電力系統(tǒng)本質(zhì)是一個互聯(lián)的系統(tǒng)。僅依靠間隔、局部信息是難以在系統(tǒng)層面優(yōu)化保護與控制功能的。為此，智能變電站同時強調(diào)邏輯集成，以構(gòu)成面向系統(tǒng)的虛擬裝置，實現(xiàn)就地、區(qū)域和全局功能的協(xié)調(diào)，支持具有在線決策、協(xié)同互動特征的各種高級應(yīng)用。

在IEC61850中，邏輯節(jié)點、邏輯設(shè)備、邏輯連接等概念支撐了IEC61850標準的一個重要制訂目標，即實現(xiàn)“功能可以自由分配”。在智能變電站中，物理集成和邏輯集成可以有機共存，正是對IEC61850標準的充分實踐。通過上述分析，可以得出數(shù)字化變電站與智能變電站的兩個主要區(qū)別：

（1）在設(shè)備層面，智能變電站更強調(diào)智能一次設(shè)備概念。數(shù)字化變電站已經(jīng)具有了一定程度的設(shè)備集成和功能優(yōu)化的概念，而智能變電站設(shè)備集成化程度更高，可以實現(xiàn)一、二次設(shè)備的一體化、智能化整合和集成。

（2）在系統(tǒng)層面，智能變電站更具備“全網(wǎng)”意識。數(shù)字化變電站主要從滿足變電站自身的需求出發(fā)，而智能變電站則更強調(diào)滿足電網(wǎng)的運行要求，比數(shù)字化變電站更加注重變電站之間、變電站與調(diào)度中心之間的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)，以在全網(wǎng)范圍內(nèi)提高系統(tǒng)的整體運行水平為目標。

2.2 智能變電站與智能電網(wǎng)

顯然，智能變電站的設(shè)計和建設(shè)，必須在智能電網(wǎng)的背景下進行。智能變電站應(yīng)對我國智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化、自動化、互動化提供直接支撐。

2.2.1 在以數(shù)字化為基礎(chǔ)的智能變電站中，如下技術(shù)正在走向成熟：高精度、小型化的非常規(guī)互感器技術(shù)，符合IEEE1588標準的千兆以太網(wǎng)交換技術(shù)，高精度（us級）的全網(wǎng)高精度同步采樣技術(shù)，以及具有“無擾恢復”（bumpless）和自愈能力的高可靠通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這些技術(shù)的廣泛采用將確?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的準確性、完整性、及時性、一致性和可靠性，從而為智能電網(wǎng)提供數(shù)字化條件。

2.2.2 智能變電站系統(tǒng)是以 IEC61850作為主要的信息建模和信息交換標準?；诮y(tǒng)一的標準，可以建立就地、區(qū)域以及廣域保護、測量、控制的統(tǒng)一信息模型，實現(xiàn)統(tǒng)一的，滿足實時信息交換要求的信息訂閱/發(fā)布機制，實現(xiàn)智能裝置的互操作、“即插即用”和實時信息交換，為智能電網(wǎng)準備信息化基礎(chǔ)條件。

2.2.3 智能變電站中將部署很多具有高度功能集成的一體化智能裝置，能夠?qū)θ龖B(tài)數(shù)據(jù)（穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、暫態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)）進行統(tǒng)一采集和處理，從而大大提高智能電網(wǎng)對全景信息的感知能力，提高高級應(yīng)用的精度和魯棒性，實現(xiàn)自動化，互動化的目標。

2.2.4 由于非常規(guī)互感器的廣泛采用一級基于統(tǒng)一信息建模，可更為方便地實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息的采集、傳輸、分析和發(fā)掘，實施狀態(tài)維修，實現(xiàn)變電站設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控、診斷信息與電網(wǎng)運行管理的雙向互動，為實現(xiàn)資產(chǎn)全壽命周期管理打下堅實基礎(chǔ)。

2.2.5 智能電網(wǎng)擁有更大量新型柔性交流輸電技術(shù)及裝備的應(yīng)用，以及風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等間歇式分布式清潔電源的接入。中低壓智能化變電站允許分布式電源的接入，需要滿足間歇性電源“即插即用”的技術(shù)要求。

3 智能變電站設(shè)計原則

20世紀90年代以來，變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計原則逐步從傳統(tǒng)變電站“面向功能”（保護、監(jiān)控、錄波、計費、通信、遠動等）的設(shè)計，走向了“面向間隔”（主變、出線、母線、母聯(lián)、分段、開關(guān)等）的設(shè)計，實現(xiàn)了從“條條”到“塊塊”的轉(zhuǎn)變。按照間隔的設(shè)計原則遵循了電力系統(tǒng)變電站按照間隔建設(shè)、運行維護的特點。

智能變電站系統(tǒng)在繼承基于“間隔”的設(shè)計思想基礎(chǔ)上，必須能有效解決現(xiàn)有變電站自動化系統(tǒng)存在的問題，體現(xiàn)信息采集和應(yīng)用的“唯一、同步、標準、全站”的特征。具體來講有如下設(shè)計原則：

（1）功能自治原則

（2）信息共享原則

（3）分層處理原則

（4）全景優(yōu)化原則

上述設(shè)計原則將決定智能變電站自動化系統(tǒng)的基本框架。

4 智能變電站典型特征

4.1 信息采集就地化

鑒于電子式互感器工程應(yīng)用所反映的穩(wěn)定性問題尚未得到有效解決，智能變電站的應(yīng)用特征并非以電子式互感器為應(yīng)用標志已成為一種共識?！吨悄茏冸娬炯夹g(shù)導則》中提出了智能組件的概念，展示了智能化一次設(shè)備發(fā)展趨勢。因此，智能變電站技術(shù)發(fā)展過程中作為過程層的智能組件將起到關(guān)鍵作用，這里所談到的智能組件包含合并單元、智能終端的功能，實際上執(zhí)行間隔的信息采集和執(zhí)行功能。

隨著技術(shù)的進步與發(fā)展，過程層的智能組件將成為一次設(shè)備的組成部分，因此過程層智能組件在智能變電站初期將靠近一次設(shè)備安裝，過程層就地化體現(xiàn)為“縮短電纜，延長光纜”，目前主要以戶外柜的方式應(yīng)用。智能變電站重要特征體現(xiàn)為一、二次技術(shù)的融合，智能組件的功能主要是信息采集與執(zhí)行，與電力系統(tǒng)的外在特性無關(guān)。因此，完全可以作為智能一次設(shè)備的一個組成部分，就地化靠近一次設(shè)備安裝，最終形成智能一次設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化。

4.2 信息共享網(wǎng)絡(luò)化

過程層就地化解決了間隔信息采集的唯一性問題。以往變電站自動化系統(tǒng)各個IED裝置分別采集模擬量及開關(guān)量信息的現(xiàn)象，將能得到有效解決。《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》規(guī)定保護采取“直采直跳”的模式，在高壓系統(tǒng)負荷繼電保護對于“四性”的要求，即可靠性、快速性、選擇性、靈敏性。在整流型、晶體管、集成電路、微機保護的不同技術(shù)發(fā)展階段，隨著技術(shù)進步保護的“四性”不斷得到改善。在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)尚未在實踐中得到充分驗證的情況下，保護“直采直跳”模式體現(xiàn)了電網(wǎng)第一道防線的簡約化原則，任何技術(shù)實現(xiàn)不能以降低保護的“四性”為代價。

除保護功能實現(xiàn)外，信息的應(yīng)用模式是智能變電站有別于傳統(tǒng)變電站的重要特點，同時，IEC61850標準為信息共享提供了技術(shù)體系的支持，設(shè)備之間支持互操作，不同廠家的IED裝置可以自由交換信息。在此基礎(chǔ)上可以建立基于全站信息的數(shù)據(jù)中心和面向?qū)ο蟮墓收箱洸ǚ治銎脚_，真正建立電力系統(tǒng)運行分析“黑匣子”，為事故分析的可追憶提供完整數(shù)據(jù)支撐。

4.3 信息應(yīng)用智能化

智能變電站的站控層可以獲得“高質(zhì)量”的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的“高質(zhì)量”體現(xiàn)在“同步、全站、唯一、標準”。其中，“同步”指這些數(shù)據(jù)都是由經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對時同步后由各個合并單元送來，信息具有同步性特征；“全站”是指數(shù)據(jù)覆蓋了變電站的各個方面，對應(yīng)用而言信息具有完備性特征；“唯一”是指一個電氣量只由一個設(shè)備采集，體現(xiàn)“一處采集，全網(wǎng)共享”的數(shù)據(jù)共享機制，徹底消除了數(shù)據(jù)的二義性；“標準”是指數(shù)據(jù)的表達、獲取等滿足IEC61850標準，通過工程工具可以輕松獲取數(shù)據(jù)，以專注于應(yīng)用，從而避免大量的規(guī)約轉(zhuǎn)換和驅(qū)動工作，信息具有標準化特征。

5 智能變電站信息基礎(chǔ)設(shè)施

智能變電站的幾乎所有技術(shù)特征，都離不開一個完善可靠的信息基礎(chǔ)設(shè)施。需要圍繞智能變電站綜合信息平臺建設(shè)開展一系列基礎(chǔ)性研究工作。該基礎(chǔ)設(shè)施的基本任務(wù)之一是為各類變電站信息打上準確的時空標簽。其中，“空間標簽”是指信息的語義和全局唯一的識別符；“時間標簽”是指信息的高精度時標。

5.1 變電站信息基礎(chǔ)設(shè)施的標準化

對智能化變電站基礎(chǔ)信息進行標準化與統(tǒng)一建模研究，是為了給信息賦予表征其語義的“空間標簽”，實現(xiàn)廣域全景信息統(tǒng)一模型、統(tǒng)一語義，為實現(xiàn)智能電網(wǎng)能量流、信息流、業(yè)務(wù)流一體化奠定基礎(chǔ)。

5.2 基于IEEE 1588的時間同步系統(tǒng)

智能變電站更強調(diào)邏輯集成，故對時間同步的要求高于常規(guī)變電站和數(shù)字變電站。常規(guī)變電站時間同步主要用于SOE時標，用于判斷動作時序，但不影響電網(wǎng)本身的安全運行；數(shù)字化變電站強調(diào)同步采樣，但并不強調(diào)絕對時刻。智能變電站由于有協(xié)同互動功能，必須要有精確的絕對時標。

IEEE 1588-2008所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，同步誤差可控制在1us，IEEE 1588-2008使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信。

5.3 高可用自動化網(wǎng)絡(luò)

在智能變電站中，“二次系統(tǒng)”的范圍已從保護、測控等擴大到通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)IEC61850，諸如采樣值傳輸、母差保護等功能必須實現(xiàn)無擾恢復，即交換機、光纖等發(fā)生任意單點故障后，通信網(wǎng)絡(luò)皆可零延時恢復，從而使應(yīng)用層感受不到擾動。

5.4 GARP組播注冊協(xié)議

GARP組播注冊協(xié)議（GMRP，GARP Multicast RegistrationProtocol）實現(xiàn)IED和交換機的互動，由裝置告訴交換機需要接受哪些組播地址的數(shù)據(jù)，避免了交換機的維護工作，自然也就不存在人工配置可能帶來的問題。

結(jié)語

智能變電站是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。在設(shè)備層面，其智能化主要體現(xiàn)在智能一次設(shè)備以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視等；在系統(tǒng)層面，其智能化主要表現(xiàn)為采集“全站、唯一、標準、同步”的全景信息，獲得基于全景信息的優(yōu)化控制結(jié)果并最終滿足智能電網(wǎng)的運行要求。

[1]趙瑩.智能變電站技術(shù)研究綜述[J].云南電力調(diào)度控制中心，2011（09）.

[2]司為國.智能變電站若干關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用[J].上海大學，2009（10）.