淺析數(shù)字化變電站中的一次設備智能化的實現(xiàn)方式

吳建明

(多能電力建設有限責任公司，四川 眉山 620010)

前言

近年來，隨著數(shù)字化變電站技術的興起，大批新建設投運的變電站都采用了數(shù)字化的自動化系統(tǒng)（MMS）、智能設備間的快速通信功能（GOOSE）以及數(shù)字化的采樣傳輸功能（SMV）。從近年來美國電科院公布的規(guī)劃中將IEC 61850作為智能電網啟動標準之一及國家電網公司頒布的《智能變電站技術導則》中規(guī)定智能變電站信息交換、管理將遵循IEC 61850要求的情況來看，智能變電站各種設備的信息建模及信息交互需要在IEC61850框架下統(tǒng)一進行，IEC 61850必將成為未來智能電網領域的主要標準之一。然而相對于大量的二次設備正在研發(fā)和投入使用，智能化的一次設備投入相對滯后。而智能變電站概念的提出，對一次設備的智能化提出了更高的要求。

1.變電站一次設備智能化擴展

在數(shù)字化變電站中，大量的二次回路被網絡介質所取代；相對應的，網絡報文也取代了原有的電信號，成為設備之間信息交互的唯一方式。

而由于一次設備智能化的滯后，時至今日還無法實現(xiàn)過程層設備與間隔層設備的無縫通信，二次設備與一次設備之間的信息交互仍然得由電纜回路來完成。這顯然有違采用數(shù)字化技術的初衷-減少二次電纜回路。因此就地的智能終端及合并單元作為基于傳統(tǒng)一次設備數(shù)字化變電站的重要實現(xiàn)手段被采用。

就地智能終端與合并單元的使用，最大程度地減少了二次回路的復雜程度和二次電纜的使用量，同時也實現(xiàn)了過程層與間隔層設備之間的網絡化通信，在不改變一次設備的條件下最大程度地實現(xiàn)了站內設備的數(shù)字化。

2.智能電網對變電站一次設備的要求

IBM電力專家提出的智能電網概念是利用傳感器對關鍵設備的運行狀況進行實時監(jiān)控，然后把獲得的數(shù)據通過網絡系統(tǒng)進行收集、整合，最后通過對數(shù)據的分析、挖掘，達到對整個電力系統(tǒng)運行的優(yōu)化管理。

在實時數(shù)據采集上，智能電網大大擴展了監(jiān)視控制與數(shù)據采集系統(tǒng)（Supervisory Control AndData Acquisition，SCADA）的數(shù)據采集范圍和數(shù)量，提高了電網的"可視化"。智能電網的實時數(shù)據主要包括三類：電網運行數(shù)據、設備狀態(tài)數(shù)據和客戶計量數(shù)據[1]。

因此，若一次設備要實現(xiàn)智能化，首先要實現(xiàn)設備狀態(tài)的實時監(jiān)測分析，也就是一次設備的完全可視。只有在一次設備實現(xiàn)智能化后才能通過對其所上送的各種數(shù)據分析來判斷運行狀況，以決定何時檢修、檢修什么部件等，達到真正意義上的狀態(tài)檢修，從而最大程度地減少無謂檢修及故障檢修，保證電網更有效率地運行。

從以上對智能電網的分析中不難看出，對關鍵設備的運行狀況進行實時監(jiān)控、進而實現(xiàn)電網設備可觀測、可控制和自動化是智能電網的核心和目標。因此需要設置一次設備信息采集系統(tǒng)，其組成部分參見（圖1），它由信號變送系統(tǒng)、數(shù)據采集系統(tǒng)以及處理系統(tǒng)構成。一次設備常見的監(jiān)測內容可歸納為絕緣性能監(jiān)測、機械性能監(jiān)測和電氣性能監(jiān)測3部分。

圖1 設備信息采集圖

作為整個環(huán)節(jié)的基礎組成部分，傳統(tǒng)一次設備的數(shù)據采集功能幾乎為零。要達到智能電網要求，一次設備內部需要包含大量的傳感器，以達到測量數(shù)字化、控制網絡化、狀態(tài)可視化、功能一體化、信息互動化的[2]。

3.變電站一次設備智能化實現(xiàn)方式

3.1.完全實現(xiàn)智能化的一次設備

以1臺油浸式有載調壓主變?yōu)槔ㄈ鐖D2），為了達到一次設備運行狀態(tài)的完全可視與可控，需要在主變本體上加裝油溫監(jiān)視、局放監(jiān)測等大量的傳感器及冷卻器、有載調壓機構等控制器，同時還需要配備1臺（或有冗余的多臺）智能組件，以承擔過程層和間隔層全部計量、檢測、測量、控制、保護等任務。這樣高壓設備智能化之后，除了傳感器、控制器、智能組件的電源線之外，只有智能設備與傳感器、控制器之間及其連接站域系統(tǒng)的網絡線。

圖2 油浸式電力變壓器智能化示意圖

3.2.傳統(tǒng)一次設備的智能化

對于目前大量存在的傳統(tǒng)一次設備，存在一個過渡階段，以下是以GIS設備為例進行智能化改造的兩種較成熟方案。

方案1（見圖3）：智能單元負責數(shù)據采集。將在線監(jiān)測系統(tǒng)納入常規(guī)一次設備本體，由一次設備提供在線監(jiān)測的傳感器元件和信號采集及處理單元，傳感器元件內嵌于一次設備本體，信號采集及處理單元裝于一次設備匯控箱、端子箱等，在線監(jiān)測數(shù)據由在線監(jiān)測單元收集并通過光纖傳輸至過程層設備。機構執(zhí)行元件及其控制回路不變，按間隔設置智能單元，智能單元與在線監(jiān)測單元安裝

圖3 GIS設備智能化方案1

方案2（見圖4）：一次設備提供數(shù)據采集單元。將一次設備的在線監(jiān)測功能分散至一次設備和二次設備，即由一次設備本體提供在線監(jiān)測的傳感器元件，內嵌于一次設備本體，在線監(jiān)測信號的采集及處理功能由監(jiān)測裝置完成，并實現(xiàn)與間隔層或站控層設備的通信。斷路器機構執(zhí)行元件不變，取消其控制回路，智能單元集成開關機構控制回路，實現(xiàn)原開關控制回路功能，直接驅動斷路器的脫扣/合閘線圈、刀閘的電動機、彈簧或液壓泵

圖4 GIS設備智能化方案二

智能組件出現(xiàn)帶來的最大變化就是保護、測控裝置的徹底融合，同時間隔層、過程層設備的界限也越來越模糊。相對于已經熟知的數(shù)字化變電站3層-過程層，間隔層和站控層，智能變電站的層次劃分為2層：設備層與系統(tǒng)層[3，4]-設備層對應于過程層和間隔層，

圖5 智能變電站層次結構示意

短期來看，設備層的功能主要還是一次設備運行參數(shù)在線監(jiān)測及間隔內的繼電保護功能，傳感器搜集的所有信息交由1套（或有冗余）具有實時監(jiān)測功能的專用裝置進行輔助判斷及分級告警，該裝置會以檢測到的一、二次設備運行工況來判斷設備是否需要檢修或更換。而今后的發(fā)展方向還是功能的就地化，即所有的信息采集、分析判斷、智能告警功能都應集成在就地的智能組件當中。

4.結論

以諸多數(shù)字化變電站運行情況來看，符合智能電網要求的保護、測控設備運行情況都非常良好，同時"GOOSE斷鏈告警"等具有數(shù)字化變電站特點的技術也保證了二次設備由定期檢修、故障檢修轉向狀態(tài)檢修。而隨著智能電網建設步伐的加快，在對現(xiàn)有一次設備進行智能化改造之后，一系列的在線監(jiān)測數(shù)據同樣能為變電站內一次系統(tǒng)實現(xiàn)真正意義上的狀態(tài)檢修提供技術上的支持。同時，隨著設備層概念取代了以往的過程層與間隔層，一、二次設備之間的界限也將逐步淡化，這也必將對日后基建、檢修人員的工作能力提出更高、更全面要求。

[1]IBM商業(yè)價值研究院.IBM智能電網白皮書[R].2009.

[2]國家電網公司智能電網部.高壓設備智能化技術分析報告[R].2009.

[3]國家電網公司智能電網部.智能變電站技術導則（報批稿）[R].2009.

[4]林宇鋒，鐘金，吳復立.智能電網技術體系探討[J].電網技術.2009.

[5]余貽鑫.智能電網的技術組成和實現(xiàn)順序[J].南方電網技術，2009.