智能變電站設備與設計框架分析與研究

摘 要：智能變電站是堅強智能電網(wǎng)的重要組成部分，變電站一、二次設備的智能化程度是智能變電站的重要標志。它可以實時準確地反映變電站各類設備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設備存在隱患及出現(xiàn)的故障，在降低設備投入成本的同時，優(yōu)化設備配置，提高設備效率。同時，還能夠預知設備故障，提高調(diào)控中心提供設備的預知能力。智能變電站設計，采取以構建變電站智能化網(wǎng)絡框架為前期基礎。全站網(wǎng)絡在邏輯功能上由站控層、間隔層、過程層組成。該框架是電網(wǎng)信息處理的基礎，直接和能量系統(tǒng)耦合。

關鍵詞：智能變電站；一次設備；二次設備；框架設計

1 概述

智能化一、二次設備作為智能化變電站重要基本元素主要采用統(tǒng)一的信息接口，實現(xiàn)設備運行狀態(tài)實時監(jiān)測、在線測量、控制、保護，以及信息通信數(shù)據(jù)交換技術一體的智能化設備，可以滿足智能電網(wǎng)一體化的整體需求。智能化設備可以通過自身集成的狀態(tài)監(jiān)測設備做出可靠的自我評價，判斷一次設備的運行狀態(tài)，識別、傳送故障的早期征兆，及時做出相應自制反應。在故障發(fā)生的同時對故障進行分析，對故障環(huán)節(jié)及損壞程度進行評估。并且滿足電源接入和撤出電網(wǎng)的靈活性要求。

2 智能化一次設備

智能變電站與常規(guī)變電站的主要區(qū)別因素就是智能變電站智能化一次設備的配置能力要明顯優(yōu)于常規(guī)變電站。其數(shù)字化、網(wǎng)絡化、可視化、狀態(tài)評價是主要特點，通過建立設備在線監(jiān)測模塊、配置合并單元和智能終端，并采取傳感器與設備的一體化安裝建立起來的智能化程度遠遠優(yōu)于常規(guī)變電站。此外，后臺的集成系統(tǒng)將設備運行數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總整理分析，在提高設備運行管理質(zhì)量的同時，為設備狀態(tài)檢修和遠程自動化提供了便利條件，設備壽命不但得以延長，其全壽命周期成本還有效降低。

智能化一次設備包括以下三個組成部分：

（1）設備的本體。

（2）設備傳感器，除某些帶有執(zhí)行器的一次設備（電動機）外，互感器基本都采取以下三種形式，一是在高壓設備的元器件中安裝，二是內(nèi)置于高壓設備本體，三是外置于高壓設備本體。

（3）智能化組件，它主要是由設備測量裝置、檢測裝置、計量裝置、控制裝置、保護裝置集合而成，一次設備、傳感器及智能化組建形成了一個有機整體，實現(xiàn)常規(guī)變電站與站內(nèi)一次主設備相關的測量、控制、計量、監(jiān)測、保護等全部或部分功能。智能組件與傳感器之間通常由模擬信號電纜連接，與執(zhí)行器之間通常由模擬信號電纜或光線網(wǎng)絡連接。

智能一次設備包含傳感器、執(zhí)行器及智能組件。傳感器采集模擬信號并傳輸?shù)街悄芙M件，經(jīng)過智能組件處理，傳送到執(zhí)行器就地動作，另一部分無法就地完成的，由智能組件轉化成數(shù)字信號傳送到上一層。

智能設備技術要求：變電站一次設備應具備以下要求，良好的動作可靠性、與環(huán)境的適應性，并具備就地的智能組件。為了節(jié)省變電站空間，一次設備往往采用組合型，例如GIS。智能組件應具備既拆卸方便簡潔又高度集成化、運行狀態(tài)可視化、測量分析數(shù)字化、控制操作網(wǎng)絡化的特點。智能組件一般由一個及以上的電子裝置完成與站控層的數(shù)據(jù)交互，相關的IED裝置也應具備時鐘信息的識別及防誤功能。同時還應具備守時、就地評估、事故預警等功能。所有保護及測控原件應具有標準物理接口，可以即插即用。在此基礎上，應進一步優(yōu)化網(wǎng)絡配置方案，確保其功能的準確實現(xiàn)。

3 智能化二次設備

智能變電站對于智能電網(wǎng)來說，是重要組成部分，而智能化變電站的重要特征則體現(xiàn)在數(shù)字化的設備信息，緊湊化的結構組成，集成化的智能功能等方面。通過二次設備系統(tǒng)集約統(tǒng)籌，將大大減少接線施工、運行維護的工作量；通過二次系統(tǒng)優(yōu)化整合，壓縮功能房間的使用面積，有效降低設備能耗和全壽命周期成本，不斷提高變電站運行管理水平，智能電網(wǎng)建設持續(xù)推進。

智能變電站應通過局域網(wǎng)絡機制實現(xiàn)二次設備網(wǎng)絡化信息交互，為智能化變電站二次系統(tǒng)網(wǎng)絡化各種應用功能的實現(xiàn)提供了重要的技術支撐。變電站智能化系統(tǒng)配置規(guī)約：通常主機工作站、通信裝置、分析系統(tǒng)、智能接口設備組成了變電站站控層。間隔層設備主要包括測控、保護、計量、處理等裝置，以及智能接口等設備。

4 智能變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡化構架

智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)采用高速以太網(wǎng)，且支持IEC61850規(guī)約，并滿足傳輸速率大于800Mb/s，所有連接到以太網(wǎng)的各類設備必須具有必要的通信接口。

全站網(wǎng)絡在邏輯功能上由站控層、間隔層、過程層組成。站控層網(wǎng)絡拓撲采用星型結構。過程層網(wǎng)絡分為SV（采樣數(shù)據(jù)網(wǎng)）網(wǎng)和 GOOSE網(wǎng)，SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)物理上相互獨立，同樣采用星型拓撲結構。保護采用雙重化保護定值，相應的過程層網(wǎng)絡也應該雙重化配置，以及兩個過程層網(wǎng)絡完全獨立，并滿足繼電保護點對點直采、直跳的原則。

站控層網(wǎng)絡，設計構成站控層以太網(wǎng)，采用智能工作組網(wǎng)絡交換設備；10kV網(wǎng)絡系統(tǒng)通常屬于站控層網(wǎng)絡，所以采用智能工作組網(wǎng)絡交換設備，通過光纖接入站控層；對于構成針對主變壓器GOOSE控制網(wǎng)，采用符合IEC61850的工業(yè)級網(wǎng)絡交換設備，且能支持GOOSE技術。

4.1 過程層

過程層（也稱設備層）是為完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護、計量、狀態(tài)監(jiān)測。由一次設備和二次設備構成，智能設備由一次設備和智能組件構成，此外還包括其配套的合并單元和智能終端。智能設備主要由順序控制操作為宜。

4.2 間隔層

間隔層設備實現(xiàn)一個間隔的數(shù)據(jù)，并作用于該間隔一次設備，并且能夠與各種遠方輸入/輸出、智能傳感器和控制器通信。由繼電保護裝置、測控裝置等二次設備組成。

4.3 站控層

站控層為信息統(tǒng)一的存取平臺，功能為將全站各類信息進行統(tǒng)一建模，并且建立全景信息統(tǒng)一采集、存儲、處理、展示和上送的功能，為各種高級應用提供可靠、穩(wěn)定和高效的數(shù)據(jù)。

5 結束語

智能化一、二次設備作為智能化變電站重要基本元素主要采用統(tǒng)一的信息接口，實現(xiàn)設備運行狀態(tài)實時監(jiān)測、在線測量、控制、保護，以及信息通信數(shù)據(jù)交換技術一體的智能化設備，可以滿足智能電網(wǎng)一體化的整體需求。變電站智能化框架設計是智能化變電站的核心，是變電站能否達到智能化要求的關鍵。通過對智能變電站網(wǎng)絡化框架的分析研究制定站控層、間隔層、過程層方案，從中優(yōu)化，選擇最終實施方案，使得變電站建設的經(jīng)濟性、適用性、穩(wěn)定性、環(huán)保性都得到進一步提高。

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作者簡介：鄧志輝（1987-），江西崇仁人，畢業(yè)于南昌大學電力電子與電力傳動專業(yè)，主要研究方向：電力系統(tǒng)設計與規(guī)劃。