智能化變電站的研究

1前言

變電站是堅強電網的重要節點，是連接發電、輸電和配電等環節的紐帶，具有至關重要的作用。變電站涵蓋了大量的電力系統一次及二次設備，是形成電力系統堅強網架的基礎，因此，建設智能電網須要加強智能變電站的建設，智能變電站的建設應以先進的信息化、自動化技術為基礎，靈活、高效、可靠地滿足發電、輸電、配電對電網提出的各種變化要求，實現提高電網安全性、可靠性、靈活性和資源優化配置水平的目標。但由于智能變電站的發展剛剛起步，國家相關標準規范尚處于統一制定階段，要實現智能變電站的建設目標，全面提升變電站智能化水平、完善智能設備的自診斷能力，需要對其關鍵技術進行深入的研究。

2研究的原則和主要內容

2.1智能變電站研究應遵循的主要原則

a)安全性原則：充分評估各種新技術、新設備的應用風險，有計劃、有步驟、采取由低電壓等級到高電壓等級逐步試點推廣應用的風險控制措施，穩步推動變電站的智能化建設，以保障變電站安全穩定、經濟高效地運行。

b)先進性原則：跟蹤智能化技術的最新發展，依靠科技創新和技術進步，最終建成功能合理、技術先進，符合智能電網發展需求的智能化變電站。

c)實用性原則：充分注重系統的優化和整合，力求實現技術、經濟、需求三方面的平衡性與合理性。系統的建設和改造采用統一的標準和規范，利于實現資源共享，提高效率和信息資源的綜合開發利用。

2.2研究的主要內容

研究的主要內容有：智能化關鍵技術和設備應用、智能變電站系統優化與整合、智能變電站運維管理集約化。

3智能化關鍵技術和設備應用

3.1智能高壓設備工程應用項目

智能高壓設備是由高壓設備和智能組件共同構成的，高壓設備的智能化應用及改造方案實質上就是智能組件的配置和集成方案。智能組件是以測量數字化、控制網絡化、狀態可視化、功能一體化、信息互動化為特征，具備測量、控制、保護、計量、檢測中全部或部分功能的設備組件。智能組件是智能設備不可分割的一部分，理論上應由高壓設備廠家統一集成和供貨最為合適，但目前智能組件的核心技術還是掌握在二次設備廠家手中。國內高壓設備廠家這方面的研制工作，尚處在起步階段，故應首先在低電壓等級的變電站中使用，以檢驗其產品的可靠性與成熟性。目前國內已經具備工程應用條件的高壓設備智能組件有：

a)智能單元組件

該智能組件具備通信功能，通信接口采用光纖以太網口，通信規約遵循DL/T860標準。它具有對一次設備的基本控制功能和操作閉鎖功能，并負責采集一次設備的開關量狀態及報警信號。

b)電子式互感器采樣器+合并單元組件

該智能組件用于實現對一次設備電流、電壓信號的采集和測量。電子式互感器前置采樣器具有通信功能，通過光纖串行通信接口以曼切斯特編碼形式向合并單元發送電流/電壓采樣信息，通信規約遵循IEC60044-7/8。合并單元負責將A、B、C各相來自采樣器的電流/電壓數據進行同步合并處理，然后通過光纖以太網通信接口向間隔層設備傳送電流/電壓采樣值SMV報文信息，通信規約采用IEC61850-9-2LE。

c)選相分合閘控制單元組件

該智能組件用于實現斷路器的選相合閘智能化控制功能，其發展方向應是作為一個邏輯單元集成在智能單元內。具備該集成功能的產品已在研發當中，目前暫推薦采用獨立的選相合閘裝置與智能單元裝置相配合的方式來實現。選相控制器所需測量的電壓/電流量通過合并單元獲取，裝置的工作狀態及報警信號可由智能單元負責采集監視，也可自身具備通信功能將各種信息通過網絡上傳。

d)狀態傳感器+通訊控制單元組件

該智能組件用于實現高壓設備狀態的可視化，因此除了一些常規的基本狀態信息采集外，還需對一些絕緣老化、局部放電、機械特性等信息進行采集。

3.2電子式互感器工程應用項目

電子式互感器由于絕緣簡單，因此應用電壓等級越高，其性價比也越突出，推薦在新建變電站中110kV及以上電壓等級優先使用;66kV及以下電壓等級應用電子式互感器暫不具備經濟優勢，可考慮仍使用常規電磁式互感器。

基于電原理的電子式互感器目前應用業績相對較多，產品比較成熟，運行穩定性也有所保障，推薦工程應用中優先使用;但因為抗電磁干擾問題，它還不宜應用在500kV及以上電壓等級的GIS設備當中。

基于光原理的電子式互感器剛剛掛網試運行，工程應用業績很少，其運行穩定性和可靠性還有待實踐檢驗，宜首先應用在110kV電壓等級和主變中性點，或500kV及以上電壓等級的GIS設備當中。

由于電原理的電子式互感器在抗電磁干擾方面、測量非周期分量方面、維護更換方面均不如光原理的電子式互感器，故推薦在智能變電站遠期建設階段，如果光原理的電子式互感器的穩定性和可靠性得到有力驗證，應首先采用。

4智能變電站系統優化

4.1智能變電站網絡結構優化研究及應用項目

a)智能變電站體系結構。IEC61850標準中提出了智能變電站自動化系統的三層兩網結構。通過研究三層兩網的劃分和功能，確定不用階段工程建設采用的體系結構形式。

b)IEC61850通信模型。智能變電站以DL/T860(IEC61850)作為站內的通信及建模標準，為了保證通信實現技術能夠與時俱進，采用了“通信服務和通信實現分離”的設計思想，變電站的主要通信業務可以歸納為：采樣值服務(SMV)，通用快速事件服務(GOOSE)，對時服務，基礎服務(核心ACSI服務)。研究分析各項服務的網絡資源要求，從而確定變電站網絡整體需求。

c)變電站網絡通信速率選擇。IEC對站控層網絡的推薦方案為10/100/1000M以太網，對過程層網絡的推薦方案為0.1/1/10G以太網。對于同樣的通信量，通訊速率的提高意味著網絡負荷的減輕，沖突幾率的減少，時間確定性的提高。在當前的技術發展情況下，主要研究百兆網和千兆網之間的選擇。對傳輸數據量大，實時性要求高的過程層網絡而言，千兆網技術的應用是未來的發展方向和研究的重點。研究各階段智能變電站功能需求和技術發展，規劃網絡速率升級進度和方式。

d)變電站網絡網絡拓撲結構選擇。以太網常用的接線形式有兩種：星型接線和環形接線。研究兩種接線形式的特點和適用范圍，選擇適合變電站網絡傳輸需求的拓撲結構。

e)變電站網絡發展方向研究。智能化變電站技術導則中，以面向未來技術發展的思想，提出兩層一網的智能變電站體系。設備層由變壓器、斷路器、互感器等多個設備對象組成，完成能量傳輸功能及測量、控制、保護、計量等功能。系統層包含網絡通信系統、對時系統、后臺監控系統、站域保護、對外通信系統等子系統。研究兩層一網結構的發展方向，為制定遠期智能變電站體系和網絡建設提供依據。

4.2智能變電站交換機優化配置研究及應用項目

a)交換機選型要求。為保證智能變電站自動化系統的正常工作，選擇以太網交換機要著重考慮其抗電磁干擾性能，環境溫度適應性。同時為了滿足變電站自動化系統對實時性和可靠性的要求，應根據智能變電站的實際物理組網方案，研究交換機對IEEE802.3x、IEEE802.1P、IEEE802.1Q、IEEE802.1w和IGMPSnooping/MulticastFiltering(組播過濾技術)等網絡管理技術的功能需求。此外，還應分析在電源可靠性，自由鏡像功能，對網絡對時等功能的支持，在調試配置軟件上，變電站用以太網交換機的特殊要求。

b)交換機配置方案。IEC61850標準中對過程層通信網絡提供了面向間隔、位置、功能、單一總線四種方案。研究各種配置方案的優缺點和適用范圍，分析其工程應用的可靠性、可行性與具體實施方案。

C)工程建設中影響交換機優化配置的因素分析。交換機的優化配置和全站設備配備的各方面都是緊密相關的。交換機的優化核心是減少端口數量，即連接到交換機的過程層和站控層設備的功能整合和優化配置要求。主要包括網絡結構的選擇、合并單元和智能單元的配置、測控保護一體化裝置的應用、故障錄波、PMU、行波測距等功能的配置方案、光口和電口的配置選擇等。通過這些因素的分析，明確優化交換機配置的方法和途徑。

通過上述內容的分析，形成具體的網絡設備選型要求、技術標準;形成智能變電站設備配置與交換機優化措施的對應表;在此基礎上建立模塊化的交換機優化配置方案。

4.3IEEE1588網絡對時技術工程應用項目

首先，分析智能變電站體系結構中站控層設備、間隔層設備和過程層設備的不同對時需求。研究智能變電站各種對時方式的特點和不足，重點在網絡對時技術，主要包括SNTP和IEEE1588;研究IEEE1588PTP系統中普通時鐘、邊界時鐘和透明時鐘等幾個時鐘類型和應用方案;研究網絡對時系統的測試手段和設備。在深入研究的基礎上，把IEEE1588網絡對時技術應用到試點工程當中。其次，根據應用情況，研究振蕩器頻率誤差、時標測量誤差、通信棧延遲和網絡傳輸延遲等對智能變電站網絡對時精度的影響幅度，尋找合理的改進措施。結合IED裝置、交換機等硬件支撐設備的發展，全面在智能變電站建設中采用全站IEEE1588網絡對時。最后，在智能變電站網絡對時技術成熟并規模化應用后，擇機通過建立地面鏈路實現全網的時間統一和同步。

IEEE1588網絡對時系統的技術可行性，關鍵在時鐘源、交換機設備和誤差補償三個方面，目前三方面技術均已基本具備應用條件。

5二次系統整合設計研究和應用項目

5.1二次系統整合設計研究和應用項目

a)功能的整合。即對不同設備、不同體系實現同一功能的現象進行整理合并，保留技術性能最佳的系統配置方案。其中包括：

1)對時方案的優化。IEEE1588作為一種亞μs級精度的分布式網絡時鐘同步方案，為實現IEC61850T5級對時精度提供了很好的技術選擇。它簡化了整個系統的結構，節省了大量對時光纜/電纜，是今后智能變電站對時系統的發展方向;

2)計量功能的整合。計量功能一般由專用的計量表計或具備計量功能的測控裝置實現，即專用硬件實現或以內置插件通過軟件的形式實現。從理論上來說，只要具備了相同的原理，具有計量功能的測控裝置完全可以取代專用計量表計。取消具有相同計量功能的設備重復配置能夠有效節約成本，減少屏柜數量，為節約占地提供條件。

b)系統的整合。即通過對目前變電站存在的各系統的設置進行梳理，合并整理類似資源，簡化網絡結構，保證信息傳輸通道的暢通，實現系統之間無障礙互聯，減少運行維護工作量。主要包括：

1)站用交直流電源系統的整合。通過整合，站用交直流電源系統由分散的互不相關的若干個子系統形成一個有機的整體，實現了站用交直流電源系統的全景在線監測;

2)通信監控子站與變電站監控系統的整合。由變電站監控系統統一配置測控單元，對通信設備信息、環境信息和變電站其它保護測量信息進行采集，測控單元作為數字化網絡的一個智能電子設備(IED)接入系統，通信電源通過一體化電源監控裝置連接至站控層。信息在集控端打包，按各級調度所需分類上傳。通信監控子站與變電站監控系統的整合有利于提升設備整體質量、節約投資，簡化系統結構。

c)設備整合。即通過合并具有類似功能的硬件，實現減少設備數量，減小設備間面積的目標。包括：

1)全站打印機的整合。智能變電站中，所有保護設備均支持IEC61850規約，從而可以直接掛在站控層監控網絡上。所以可設置網絡打印機服務器柜一面，所有保護柜不再設置單獨的打印機，其打印數據通過站控層網絡送至網絡打印服務器，由該服務器負責統一管理整個網絡系統內的打印服務請求，并根據優先級排隊打印;

2)合并單元與智能單元的整合。采用合并單元/智能單元一體化裝置，實現過程層SMV/GOOSE共網共口，不但節約大量的硬件資源，也使網絡得以簡化。合并單元和智能單元下放在就地智能匯控柜內，采用一個裝置，以各自獨立的接口面向互感器和開關設備，以單一的對外接口通過過程層網上傳信息;

3)相量測量裝置和故障錄波裝置的整合。相量測量、故障錄波采用一體化裝置，通過統一的網絡接口接收來自過程層的保護故障信息、互感器信息和開關狀態信息。故障錄波組件和與相量測量組件單獨組網，通過各自的網口分別送至各自的站端主站系統。

5.2交直流一體化電源工程應用項目

變電站交直流系統智能一體化立足現有技術發展水平，通過對新設備的應用，構筑電源智能一體化硬件平臺;通過對新技術的應用，實現信息共享和互操作，建立電源智能一體化軟件平臺，使站用交直流電源成為一體化、開放式的智能系統。站用交直流系統一體化的應用規劃前提是整合各系統資源，減少設備重復配置。

a)站用直流系統整合

站用操作直流系統和通信直流系統整合，取消通信蓄電池組，通信直流系統采用雙套DC/DC變換裝置分別從兩段操作直流系統母線取電源。結合通信設備和保護控制系統的不同供電需求，合理選擇系統電壓，計算蓄電池容量。整合后需要維護的蓄電池數量減少，大大減少了運行維護工作量。

b)交直流電源一體化

智能一體化電源監控系統是對站用交直流電源的各子系統監控部分進行統一配置，統一軟件平臺，統一對外接口，通過變電站一體化電源監控裝置與站控層通信，實現基于網絡設備之間的互聯和對站用電源系統的遠程維護管理。

目前采用的智能一體化電源系統通常采用以下兩種結構。結構一：各子系統不需要配置單獨的對外接口，而是通過專用的一體化電源監控裝置的以太網口與監控系統通信;結構二：各子系統的監控單元均需具有基于IEC61850協議通信功能的裝置與系統互聯，設備成為監控系統間隔層的一部分，功能要求較高。兩個系統構成方式均可以實現站用電源系統與監控系統的通信，通過網絡各系統可進行信息共享和設備互聯。但結構一對每個子系統的子監控模塊要求簡單，插件形式實現，在現有基礎上不需做大的改動即可很好的與變電站數字化網絡通信。

6變電站狀態監測系統建設重點項目

6.1在線監測系統工程應用項目

由于電氣設備種類繁多、結構各異，其在線監測的項目各有不同，監測信號有電氣參量，也有溫度、壓力、振動、超聲等非電氣參量，所以必須利用電氣、物理、化學、機械等多種有效手段對電力設備絕緣狀況進行監測。因而在線監測是一個覆蓋范圍廣、技術含量高，涉及機、電、光、聲多個領域的綜合性研究課題。雖然經歷了半個多世紀的發展，但在線監測技術仍存在許多問題，需要進一步完善。因此在智能電網建設過程中，在線監測裝置的應用也宜分階段根據技術成熟度和經濟合理性分步實施，遵循由單一到綜合、由重點到廣泛的應用原則。

綜合我國目前的經濟發展水平和在線監測技術發展狀況，將在線監測系統在智能變電站中的作用定位于：初期實現高壓設備“基本狀態可視化+預防報警”，中、遠期實現高壓設備“詳細狀態可視化+遠方診斷”，最終實現高壓設備“狀態完全可視化+就地診斷”。然后，據此確定每一階段在線監測系統的應用原則、使用范圍和配置方案，力求實現技術、經濟、需求三方面的平衡性與合理性。

目前較為成熟的在線監測技術主要有：變壓器油溫及微水在線監測技術、變壓器油中溶解氣體燃料電池法在線監測技術、變壓器油中溶解氣體燃料電池法在線監測技術、SF6氣體密度的在線監測技術、SF6氣體微水含量在線監測技術、超高頻法局部放電在線監測技術和超聲波監測法局部放電在線監測技術。

6.2繼電保護遠程檢驗和二次系統狀態監測系統建設

繼電保護工作是一項技術性很強的工作，但目前各電網企業由于人員編制的限制，很多供電公司都存在繼電保護人員超負荷工作的現象，存在著很大的安全隱患。為了提高勞動生產率、節約人力成本，合理科學地安排檢修，提出了對繼電保護遠程檢驗及二次系統狀態檢測的研究。不過目前繼電保護遠程在線檢驗和二次系統狀態監測還只是隨著數字化變電站建設剛剛開始提出，其研究、成熟、推廣還要經歷一個較長得過程。

7智能變電站高級應用研究項目

7.1智能變電站高級應用研究項目

智能電網的主要特征是智能設備、標準信息交換、高度系統集成、自動運行控制、協同保護控制、在線分析決策等。因此智能變電站的高級應用發展應該與智能電網的需求相協調。高級應用應該重點對變電站運行的安全狀況進行在線實時評估,并對可能出現的故障狀況向調度人員提出預警;結合基于分析模型的實時鏡像仿真和動態安全域的在線分析和運行狀態的可視化技術，將系統的安全狀態實時而直觀地展示在調度人員面前，從事前預防、事中控制、事后補救和系統自愈等方面顯著提高變電站及整個電網系統應變能力，以實現電力企業經濟價值的最大化。在智能順序控制技術、智能操作票技術、智能告警及分析決策系統、事故信息綜合分析決策系統和狀態檢修技術、經濟運行與優化控制技術、全壽命周期綜合優化管理、站域保護、電網狀態估計技術、與大用戶互動、智能變電站標準接口服務等方面的應有研究和應用項目。

7.2智能變電站運維管理集約化項目

開展智能變電站運維模式研究，深化變電站運維集約化管理工作。從一個地市供電企業若干個集控中心+運維操作站的模式向建設一個集控中心+多個運維操作站過渡。集中監控中心統一納入地調管理，運維操作站由變電工區管理，實施調控一體化管理。逐步推進調控一體化，最終達到所有地市供電公司完成“調控中心+運維操作站”的標準化建設任務，500kV及以下變電站實現無人值班并接入調控中心，調控一體化管理完全實現。

加強狀態檢修關鍵技術研究，加大新檢測技術的研究應用力度，建立適合不同診斷需求的診斷路線圖;研究設備故障模式及反映該故障模式的特征參量分布規律，研究多特征參量反映同一故障模式時設備狀態的表征方法;建立主要電氣設備的典型故障模式和風險模型，研究基于風險控制的檢修優化策略;

研究各種檢修模式下所需的時間、費用和人力資源等分布特征，作為優化檢修策略的參考依據;針對不同電壓等級等進行細化研究，研究適宜的檢修優化策略，研究不同策略的組合應用方案。

完成由狀態檢修到基于風險控制檢修，再到基于企業績效檢修的逐步深入，最終建立面向智能電網和智能化設備的設備運行管理體系，基本實現基于企業績效管理的設備檢修模式。將運行維護模式的發展變革與建立智能變電站全壽命周期管理體系相結合，提升變電站資產管理和運營水平。

8智能變電站的社會經濟效益

變電環節智能化建設總體上提高電網可靠性和安全性，促進電網經濟運行，帶來直接的經濟和社會效益;個體上智能變電站的建設將極大提升裝備技術水平，實現“設備智能化、信息數字化、功能集成化、結構緊湊化、狀態可視化”。其建設和運維方式也體現了經濟效益和社會效益的提升。智能變電站在工程建設上采用集成設計和全壽命周期管理的理念，推動變電站的標準化、模塊化、小型化，減少工程施工量和施工周期，節省建設資金，提高資金利用率，降低融資費用。

常規變電站占地規模大，需采用大量二次電纜，安裝調試周期較長，工作量大，對以后的運行檢修帶來了很大不便。智能變電站二次系統高度整合，將原有保護/測控等屏柜數量減少到50%左右。設備數量的大幅減少，縮小了繼電器室建筑面積。同時，一次設備的緊湊化顯著減少了變電站設備安裝占地面積。過程層終端(合并單元、智能接口單元)就地布置，可進一步控制建筑面積和設備安裝空間。

二次裝置的硬件成本也將有大幅度的降低，可減少至少80%的電源插件、80%的人機界面插件、80%的機箱，減少80%的通信端口及電源接線端子、柜體等。設備傳輸過程光纖化，采用光纖進行連接節約了90%以上的電纜，節約稀有金屬資源。

采用數字化及光纖網絡通信技術，大量的模擬二次電纜被取消，消除了電磁干擾;采用新型光電互感器技術，消除了傳統互感器的電磁及噪聲干擾和漏油造成的環境污染。采用電子式互感器及光纖，基本上不消耗能量，站內損耗較傳統變電站大大減小，做到了節能降耗。

智能變電站和智能設備的推廣，將使目前變電站由周期檢修提升至狀態檢修的階段，可有效減少運行維護工作量、增加工作人員安全性和延長設備壽命、提高系統可靠性，減少維護檢修等費用。

根據智能電網關鍵技術進展情況和初步建設、電網設備可靠性水平大幅提升，故障率降低30%;設備檢修工作量下降50%左右，綜合檢修費用減少30～50%左右;主要設備平均使用壽命較目前延長60～100%，達到國際先進水平，給企業帶來的直接效益十分可觀。

同時，智能變電站的建設將為設備制造和信息產業提供跨越式發展的際遇，可以大大促進相關行業和企業的發展，樹立電力公司勇于承擔社會責任的國企形象，形成不可估量的社會效益。

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