智能变电站的结构及特点

宋宏雷

摘 要：本文阐述了智能变电站的功能特点，对比了智能变电站与常规变电站在功能上的差异化，以常规变电站的技术为前提，结合当前智能变电站试点工程的研究与建设情况，分析研究了智能变电站的系统架构，针对与电气一次设备进行接口的智能组件、合并单元进行了技术与应用方面的研究，并详细阐述了高级应用功能，对一体化防误系统等高级应用功能的实现方式进行了分析研究，并结合国内智能变电站的建设情况提出了工程应用的方案。

一、智能变电站的结构

智能变电站的基本概念为变电站的信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化，基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等。智能变电站建设的关键是实现满足上述要求的通信网络和系统。IEC61850标准包括变电站通信网络和系统的总体要求、功能建模、数据建模、通信协议、项目管理和一致性检测等一系列标准。按照 IEC61850 标准建设通信网络和系统的变电站，符合智能变电站的要求。

智能变电站的主要一次设备和二次设备按照要求应为智能设备，这是变电站实现数字化的基础。这些智能设备具有设备之间交互参数、状态和控制命令等信息的通信接口。设备间信息传输的方式主要为网络通信方式，取代传统的二次电缆等硬接线。如果使用传统非智能一次设备，则应通过配置智能终端将其改造为智能设备。

智能变电站内的信息交互从逻辑上看分为三个层次及两个网络：过程层、间隔层、站控层及站控层网络、过程层网络，即所谓的“三层两网”。目前利用现场总线技术实现过程层的通信己经得到了广泛应用，随着过程层设备信息量的不断增加，间隔层及站控层对过程层数据要求不断提高，如何合理构建通信网络是智能变电站应用技术的重要内容。

二、智能变电站的特点

智能变电站是伴随着智能电网的概念而出现的，作为电网中的节点，变电站智能化是建设智能电网的重要基础和支撑。其定义是：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、智能一调节、在线分析决策、协同互动等高级应用功能的变电站。智能变电站具有全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化的特点。

在经历了十几年的发展、应用后，传统的分层分布式变电站综自系统已经非常成熟，应用非常广泛；随着 IEC61850 标准的推广，MMS 制造报文规范以及 GOOSE 的应用使得变电站内不同厂商的设备之间具有了实现互操作的可能，继电保护跳闸可以通过网络方式来实现；近几年电子互感器、光学互感器技术也在不断的探索中发展，这使得交流采样、跳闸以数字及网络手段实现为主要特征的数字化变电站开始在国内出现；随着变电站数字化技术的发展，站内快速采集的信息越来越多，测控装置、保护装置以及功角测量装置（PMU）所采集到的信息是十分完整的，因此，变电站可以充分发挥本地信息的冗余性和本地决策的敏捷性优势，提高变电站在电网安全运行、调度中的智能化程度；智能化变电站自动化系统是变电站发展的一个方向，它更强调了在当今计算机、光电技术十分发达的今天，变电站自动化系统的发展不应仅仅停留在采集手段发展的层次，而是要通过这方面的进步而达到一个新的高度，即在智能电网中发挥最小但一也是核心管理单元的作用，这也是智能变电站有别于其它几种变电站的重要特征之一。

三、 智能变电站的主要优势特征

智能变电站系统的主要优势特征有：

1、系统分层分布化

根据 IEC61850 标准的描述，智能变电站的设备可以分为三层：站控层，间隔层，过程层。

过程层通常又称为设备层，主要包括变压器、断路器、隔离开关、电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置。如电子式感器、合并单元、智能终端等，完成与一次设备相关的功能，包括实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等。过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。

间隔层设备一般指继电保护装置、测控装置、等其它 IED 设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即各种远方输入、输出，与传感器和控制器之间的通信。间隔层一般按断路器间隔划分，保护装置负责该间隔线路、变压器等设备的保护、故障记录等，测控装置负责该间隔的测量、监视、断路器的操作控制和闭锁，以及时间顺序记录等。因此，间隔层由各种不同间隔的装置组成，这些装置直接通过局域网或者串行总线与站控层联系，也可设有数据管理机或保护管理机，分别管理各测量。监视元件和各保护元件，然后集中由数据管理机和保护管理机与站控层通信。在站控层及站控层网络失效的情况下，仍能独立完成间隔层设备的就地监控功能。

站控层由主机兼操作员站、远动通信装置和其它各种二次功能站构成，提供站内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层、过程层设备等功能，形成全所监控、管理中心，并与远方监控/调度中心通信。站控层包括自动化站级监视控制系统、站域控制、通信系统、对时系统等，实现面向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能，完成数据采集和监视控制、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。站控层功能宜高度集成，可在一台计算机或嵌入式装置实现，也可分布在多台计算机或嵌入式装置中。

基于 IEC61850 标准的智能变电站确立了电力系统的建模标准，采用面向对象建模技术、软件复用技术、高速以太网技术、嵌入式系统技术和嵌入式实时操作系统技术、XML 技术等，体现了“软件总线”的概念，实现软件领域的即插即用。满足了电力系统实时性、可靠性要求，有效地解决了异构系统间的信息互通、数据内容与显示分离、自定义性和扩展性等问题，使得变电站分层分布式方案的实施具备了可靠的技术基础。

2、信息交互网络化

智能变电站采用低功率、数字化的电子互感器代替常規电磁型互感器，将高电压、大电流直接变换为数字信号。变电站内各设备之间通过高速网络进行信息交互，二次设备不再出现功能重复的 I/0 接口，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块，实现了数据及资源共享。具体包括：过程层与间隔层之间的信息交换，即过程层的各种智能传感器和执行器可以自由地与间隔层的智能装置交换信息；间隔层设备之间的信息交换；间隔层与变电站层的通信；变电站层不同设备之间的通信。

3、设备检修状态化

状态检修是建立在运行设备状态有效监测基础上，根据设备的监测和分析诊断结果安排检修时间和项目，主要包含状态监测、设备诊断、检修决策三个环节。

状态监测是设备诊断的根据和状态检修的基础，检修决策是结合在线监测与诊断情况，综合设备和系统的技术应用要求确定具体的检修计算和策略。电力系统长期以来实行的是以预防性计划检修为主的检修体制，主要依据检修规程来确定检修项目，存在设备缺陷较多的检修不足，设备状态较好的又检修过度的状况，一定程度上导致检修的盲目性。定期性的检修模式实际上很难实现“应修必修，修必修好”的检修目标。

在智能变电站中，可以有效地获取电网运行状态数据以及各种智能装置的故障和动作信息，实现对操作及信号回路状态的有效监视。智能变电站中几乎不再存在未被监视的功能单元，设备状态特征量的采集没有盲区。设备检修策略可以从常规变电站设备的定期检修变成状态检修，从而大大提高系统的可用性。

智能变电站的基本概念为变电站的信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化，基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等。智能变电站建设的关键是实现满足上述要求的通信网络和系统。IEC61850 标准包括变电站通信网络和系统的总体要求、功能建模、数据建模、通信协议、项目管理和一致性检测等一系列标准。按照 IEC61850 标准建设通信网络和系统的变电站，符合智能变电站的要求。