智能变电站技术研究

张覃毅 李智

（重庆市电力公司建设分公司，重庆 401121）

1 概述

智能电网是促进可再生能源发展、实现低碳经济的核心。继美国之后，我国有望成为第二个将智能电网上升为国家战略的国家，智能变电站是伴随着智能电网的概念而出现的，是建设智能电网的重要基础和支撑。在现代输电网中，大部分传感器和执行机构等一次设备，以及保护、测量、控制等二次设备皆安装于变电站中。作为衔接智能电网发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节的关键，智能变电站是智能电网中变换电压、接受和分配电能、控制电力流向和调整电压的重要电力设施，是智能电网“电力流、信息流、业务流”三流汇集的焦点，对建设坚强智能电网具有极为重要的作用。

2 智能变电站技术内涵

2.1 数字化变电站与智能变电站

“数字化变电站”是指：变电站二次控制系统采用数字化电气量测技术；二次侧提供数字化的电流、电压输出信号；变电站信息实现基于IEC61850标准的统一信息建模；站内自动化系统实现分层、分布式布置；IED设备之间的信息交互以网络方式实现；断路器操作具有智能化判别特征。

“智能变电站”是指：由先进、可靠、节能、环保、集成的智能设备组合而成，以高速网络通信平台为信息传输基础，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级应用功能的变电站。

由上可见，智能变电站与数字化变电站既有密不可分的联系，也存在重要差别。数字化变电站主要强调手段，而智能变电站更强调目的。与数字化变电站相比，智能变电站概念中更蕴含了两个方面的集成——物理集成和逻辑集成：

（1）物理集成。在智能变电站中，将属于相同一次设备的信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能集成到同一“智能组件”中；进一步，该“智能组件”可以内嵌到一次设备内部，构成“智能设备”。上述物理集成将逐渐弱化一次设备和二次设备的界限，强调一、二次设备的融合。站在系统的层面，这种物理集成真正体现了面向对象、功能自治的思想，有利于提高间隔功能的可靠性，降低运行和维护费用。

（2）逻辑集成。另一方面，电力系统本质是一个互联的系统。仅依靠间隔、局部信息是难以在系统层面优化保护与控制功能的。为此，智能变电站同时强调逻辑集成，以构成面向系统的虚拟装置，实现就地、区域和全局功能的协调，支持具有在线决策、协同互动特征的各种高级应用。

在IEC61850中，逻辑节点、逻辑设备、逻辑连接等概念支撑了IEC61850标准的一个重要制订目标，即实现“功能可以自由分配”。在智能变电站中，物理集成和逻辑集成可以有机共存，正是对IEC61850标准的充分实践。通过上述分析，可以得出数字化变电站与智能变电站的两个主要区别：

（1）在设备层面，智能变电站更强调智能一次设备概念。数字化变电站已经具有了一定程度的设备集成和功能优化的概念，而智能变电站设备集成化程度更高，可以实现一、二次设备的一体化、智能化整合和集成。

（2）在系统层面，智能变电站更具备“全网”意识。数字化变电站主要从满足变电站自身的需求出发，而智能变电站则更强调满足电网的运行要求，比数字化变电站更加注重变电站之间、变电站与调度中心之间的统一与协调，以在全网范围内提高系统的整体运行水平为目标。

2.2 智能变电站与智能电网

显然，智能变电站的设计和建设，必须在智能电网的背景下进行。智能变电站应对我国智能电网信息化、数字化、自动化、互动化提供直接支撑。

2.2.1 在以数字化为基础的智能变电站中，如下技术正在走向成熟：高精度、小型化的非常规互感器技术，符合IEEE1588标准的千兆以太网交换技术，高精度（us级）的全网高精度同步采样技术，以及具有“无扰恢复”（bumpless）和自愈能力的高可靠通信网络技术。这些技术的广泛采用将确保基础数据的准确性、完整性、及时性、一致性和可靠性，从而为智能电网提供数字化条件。

2.2.2 智能变电站系统是以 IEC61850作为主要的信息建模和信息交换标准。基于统一的标准，可以建立就地、区域以及广域保护、测量、控制的统一信息模型，实现统一的，满足实时信息交换要求的信息订阅/发布机制，实现智能装置的互操作、“即插即用”和实时信息交换，为智能电网准备信息化基础条件。

2.2.3 智能变电站中将部署很多具有高度功能集成的一体化智能装置，能够对三态数据（稳态数据、暂态数据、动态数据）进行统一采集和处理，从而大大提高智能电网对全景信息的感知能力，提高高级应用的精度和鲁棒性，实现自动化，互动化的目标。

2.2.4 由于非常规互感器的广泛采用一级基于统一信息建模，可更为方便地实现设备状态信息的采集、传输、分析和发掘，实施状态维修，实现变电站设备状态的监控、诊断信息与电网运行管理的双向互动，为实现资产全寿命周期管理打下坚实基础。

2.2.5 智能电网拥有更大量新型柔性交流输电技术及装备的应用，以及风力发电、太阳能发电等间歇式分布式清洁电源的接入。中低压智能化变电站允许分布式电源的接入，需要满足间歇性电源“即插即用”的技术要求。

3 智能变电站设计原则

20世纪90年代以来，变电站自动化系统的设计原则逐步从传统变电站“面向功能”（保护、监控、录波、计费、通信、远动等）的设计，走向了“面向间隔”（主变、出线、母线、母联、分段、开关等）的设计，实现了从“条条”到“块块”的转变。按照间隔的设计原则遵循了电力系统变电站按照间隔建设、运行维护的特点。

智能变电站系统在继承基于“间隔”的设计思想基础上，必须能有效解决现有变电站自动化系统存在的问题，体现信息采集和应用的“唯一、同步、标准、全站”的特征。具体来讲有如下设计原则：

（1）功能自治原则

（2）信息共享原则

（3）分层处理原则

（4）全景优化原则

上述设计原则将决定智能变电站自动化系统的基本框架。

4 智能变电站典型特征

4.1 信息采集就地化

鉴于电子式互感器工程应用所反映的稳定性问题尚未得到有效解决，智能变电站的应用特征并非以电子式互感器为应用标志已成为一种共识。《智能变电站技术导则》中提出了智能组件的概念，展示了智能化一次设备发展趋势。因此，智能变电站技术发展过程中作为过程层的智能组件将起到关键作用，这里所谈到的智能组件包含合并单元、智能终端的功能，实际上执行间隔的信息采集和执行功能。

随着技术的进步与发展，过程层的智能组件将成为一次设备的组成部分，因此过程层智能组件在智能变电站初期将靠近一次设备安装，过程层就地化体现为“缩短电缆，延长光缆”，目前主要以户外柜的方式应用。智能变电站重要特征体现为一、二次技术的融合，智能组件的功能主要是信息采集与执行，与电力系统的外在特性无关。因此，完全可以作为智能一次设备的一个组成部分，就地化靠近一次设备安装，最终形成智能一次设备的产业化。

4.2 信息共享网络化

过程层就地化解决了间隔信息采集的唯一性问题。以往变电站自动化系统各个IED装置分别采集模拟量及开关量信息的现象，将能得到有效解决。《智能变电站继电保护技术规范》规定保护采取“直采直跳”的模式，在高压系统负荷继电保护对于“四性”的要求，即可靠性、快速性、选择性、灵敏性。在整流型、晶体管、集成电路、微机保护的不同技术发展阶段，随着技术进步保护的“四性”不断得到改善。在工业以太网技术和网络同步技术尚未在实践中得到充分验证的情况下，保护“直采直跳”模式体现了电网第一道防线的简约化原则，任何技术实现不能以降低保护的“四性”为代价。

除保护功能实现外，信息的应用模式是智能变电站有别于传统变电站的重要特点，同时，IEC61850标准为信息共享提供了技术体系的支持，设备之间支持互操作，不同厂家的IED装置可以自由交换信息。在此基础上可以建立基于全站信息的数据中心和面向对象的故障录波分析平台，真正建立电力系统运行分析“黑匣子”，为事故分析的可追忆提供完整数据支撑。

4.3 信息应用智能化

智能变电站的站控层可以获得“高质量”的数据，数据的“高质量”体现在“同步、全站、唯一、标准”。其中，“同步”指这些数据都是由经网络对时同步后由各个合并单元送来，信息具有同步性特征；“全站”是指数据覆盖了变电站的各个方面，对应用而言信息具有完备性特征；“唯一”是指一个电气量只由一个设备采集，体现“一处采集，全网共享”的数据共享机制，彻底消除了数据的二义性；“标准”是指数据的表达、获取等满足IEC61850标准，通过工程工具可以轻松获取数据，以专注于应用，从而避免大量的规约转换和驱动工作，信息具有标准化特征。

5 智能变电站信息基础设施

智能变电站的几乎所有技术特征，都离不开一个完善可靠的信息基础设施。需要围绕智能变电站综合信息平台建设开展一系列基础性研究工作。该基础设施的基本任务之一是为各类变电站信息打上准确的时空标签。其中，“空间标签”是指信息的语义和全局唯一的识别符；“时间标签”是指信息的高精度时标。

5.1 变电站信息基础设施的标准化

对智能化变电站基础信息进行标准化与统一建模研究，是为了给信息赋予表征其语义的“空间标签”，实现广域全景信息统一模型、统一语义，为实现智能电网能量流、信息流、业务流一体化奠定基础。

5.2 基于IEEE 1588的时间同步系统

智能变电站更强调逻辑集成，故对时间同步的要求高于常规变电站和数字变电站。常规变电站时间同步主要用于SOE时标，用于判断动作时序，但不影响电网本身的安全运行；数字化变电站强调同步采样，但并不强调绝对时刻。智能变电站由于有协同互动功能，必须要有精确的绝对时标。

IEEE 1588-2008所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，同步误差可控制在1us，IEEE 1588-2008使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信。

5.3 高可用自动化网络

在智能变电站中，“二次系统”的范围已从保护、测控等扩大到通信网络。根据IEC61850，诸如采样值传输、母差保护等功能必须实现无扰恢复，即交换机、光纤等发生任意单点故障后，通信网络皆可零延时恢复，从而使应用层感受不到扰动。

5.4 GARP组播注册协议

GARP组播注册协议（GMRP，GARP Multicast RegistrationProtocol）实现IED和交换机的互动，由装置告诉交换机需要接受哪些组播地址的数据，避免了交换机的维护工作，自然也就不存在人工配置可能带来的问题。

结语

智能变电站是建设智能电网的重要基础和支撑。在设备层面，其智能化主要体现在智能一次设备以及设备状态监视等；在系统层面，其智能化主要表现为采集“全站、唯一、标准、同步”的全景信息，获得基于全景信息的优化控制结果并最终满足智能电网的运行要求。

[1]赵莹.智能变电站技术研究综述[J].云南电力调度控制中心，2011（09）.

[2]司为国.智能变电站若干关键技术研究与工程应用[J].上海大学，2009（10）.