智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及工程應(yīng)用

李俊堂，李 龍，李 瓊，2，杜曉華

（1.湖南省超高壓管理局，湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410076；3.長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

智能電網(wǎng)是促進(jìn)可再生能源發(fā)展、實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的核心。繼美國之后，我國有望成為第二個(gè)將智能電網(wǎng)上升為國家戰(zhàn)略的國家。智能變電站是伴隨著智能電網(wǎng)的概念而出現(xiàn)的，是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。在現(xiàn)代輸電網(wǎng)中，大部分傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等一次設(shè)備，以及保護(hù)、測量、控制等二次設(shè)備皆安裝于變電站中。作為銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，智能變電站是智能電網(wǎng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的重要電力設(shè)施，是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”三流匯集的焦點(diǎn)，對建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有極為重要的作用。

為有效推進(jìn)智能變電站建設(shè)的規(guī)范化，國家電網(wǎng)公司在總結(jié)前幾年近百個(gè)各種類型數(shù)字化變電站項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)上，組織了一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的討論[1-3]。這些標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的出臺(tái)，為下階段智能變電站的項(xiàng)目實(shí)施試點(diǎn)提供了規(guī)范化的依據(jù)。

1 智能化變電站特點(diǎn)

1.1 智能化的一次設(shè)備

一次設(shè)備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)[5]，簡化了常規(guī)機(jī)電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接。換而言之，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規(guī)強(qiáng)電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。

1.2 網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備

變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機(jī)設(shè)計(jì)制造，設(shè)備之間的連接采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享，常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

1.3 自動(dòng)化的運(yùn)行管理系統(tǒng)

變電站運(yùn)行管理自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)包括電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計(jì)無紙化；數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動(dòng)化；變電站運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)能即時(shí)提供故障分析報(bào)告，指出故障原因，提出故障處理意見，系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出變電站設(shè)備檢修報(bào)告，即常規(guī)的變電站設(shè)備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。

2 智能化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域中，智能化電氣的發(fā)展，特別是智能開關(guān)、光電式互感器機(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)，變電站自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了新階段。在高壓和超高壓變電站中，保護(hù)裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動(dòng)裝置的I/O單元，如A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等將割列出來作為智能化一次設(shè)備的一部分。另一方面，智能化一次設(shè)備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路代替了常規(guī)繼電保護(hù)裝置、測控等裝置的I/O部分[6]；而中低壓變電站則將保護(hù)、監(jiān)控裝置小型化、緊湊化，完整地安裝在開關(guān)柜上，實(shí)現(xiàn)了變電站機(jī)電一體化設(shè)計(jì)[8-9]。

智能化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為兩類，即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備；在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為三個(gè)層次，根據(jù)IEC61850通信協(xié)議草案定義，這三個(gè)層次分別稱為“過程層”、“間隔層”、“站控層”，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示[11]。

（1）過程層：是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說過程層是指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過程層的主要功能分三類：電力運(yùn)行實(shí)時(shí)的電氣量檢測；運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測；操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。

（2）間隔層：其設(shè)備的主要功能是匯總本間隔過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；實(shí)施對一次設(shè)備保護(hù)控制功能；實(shí)施本間隔操作閉鎖功能；實(shí)施操作同期及其他控制功能；對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制；承上啟下的通信功能，即同時(shí)高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。必要時(shí)，上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工方式，以提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

圖1 智能化變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（3）站控層：其主要任務(wù)是通過2級高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，按時(shí)登錄歷史數(shù)據(jù)庫；按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心；接收調(diào)度或集控中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行；具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；具有(或備有)站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，人機(jī)聯(lián)系功能；具有對間隔層、過程層諸設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)的功能；具有(或備有)變電站故障自動(dòng)分析和操作培訓(xùn)功能。

3 智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)工程實(shí)施優(yōu)勢及施工案例

3.1 工程實(shí)施優(yōu)勢

變電站的智能化有著豐富的內(nèi)涵，涵蓋從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)行、維護(hù)等諸多方面。傳統(tǒng)變電站的工程實(shí)施過程大量的二次接線繁瑣復(fù)雜，在智能變電站條件下，隨著數(shù)字化的推進(jìn)，硬件回路將逐漸減少，以往大量的二次電纜連接模式演變成了虛端子、虛回路的配置。智能變電站信息傳輸以光纖替代電纜，端子連接以虛端子代替物理端子，以邏輯連接替代物理連接，如圖2所示。這些導(dǎo)致傳統(tǒng)的基于設(shè)備和回路的一系列設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)等方面的做法和工具都不再適應(yīng)。事實(shí)上，按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的思想，智能變電站的工程實(shí)施將變得更為標(biāo)準(zhǔn)、有序、高效和高質(zhì)量。

相比于傳統(tǒng)變電站圍繞著紙質(zhì)圖紙，智能變電站圍繞著SCD文件。從所能表達(dá)的內(nèi)涵上，圖紙和SCD文件是相同的。但其本質(zhì)區(qū)別在于，前者是人可讀（human-readable），而后者則是機(jī)器可讀（machine-readable）的。機(jī)器可讀的意義在于，可以最大程度摒棄設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員的非標(biāo)準(zhǔn)化和個(gè)人風(fēng)格化，最大程度利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)的設(shè)計(jì)、模型變換、校核和測試。所以，在未來的智能變電站建設(shè)中，必將具備用SCD文件代替?zhèn)鹘y(tǒng)二次圖紙的條件，設(shè)計(jì)工作和系統(tǒng)集成工作將逐漸融合，設(shè)計(jì)院可以逐漸承擔(dān)起系統(tǒng)集成商的角色，設(shè)計(jì)工作可以直接提交出包含全站模型信息的SCD文件并提供給各設(shè)備廠商，供其直接導(dǎo)入，完全避免了原先對照圖紙、依靠人力進(jìn)行信息輸入和現(xiàn)場接線的弊端，從而在工程實(shí)施這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)體現(xiàn)智能變電站的魅力和價(jià)值。

3.2 智能變電站工程施工案例

大量現(xiàn)存變電站的智能化改造模式是現(xiàn)階段智能變電站發(fā)展必須考慮的問題，一般來講一次設(shè)備的生命周期較長，老站改造主要集中在二次系統(tǒng)方面。另一方面，變電站需要在改造過程中部分承當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行的作用，因此，需要建立老站改造分步走方案。

圖2 虛端子、虛回路示意圖

以湖南崗市500k V變電站智能化改造工程為例，該站智能化改造是華中電網(wǎng)第一個(gè)500kV智能化變電站改造試點(diǎn)工程[4]，于2011年4月開工，其建設(shè)嚴(yán)格按照國家電網(wǎng)公司智能化改造技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行管理，改造范圍主要包含以下2個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）對變電站進(jìn)行第二階段智能化整體改造，包括：a、一次設(shè)備智能化改造：500kV主變壓器、500kV高壓電抗器、35kV低壓電抗器、第四串3臺(tái)500kV斷路器與220kV 3臺(tái)斷路器及500kV部分避雷器等關(guān)鍵一次設(shè)備增設(shè)狀態(tài)監(jiān)測功能單元；部分220kV和35kV隔離開關(guān)電操機(jī)構(gòu)改造。b、二次系統(tǒng)智能化改造：更換站內(nèi)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)，更換或改造升級站內(nèi)現(xiàn)有保護(hù)、計(jì)量等二次設(shè)備裝置，取消協(xié)議轉(zhuǎn)換，全站實(shí)現(xiàn)DL/T860標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通信。改造升級監(jiān)控系統(tǒng)站控層應(yīng)用功能，根據(jù)需求增加智能高級應(yīng)用，構(gòu)建站內(nèi)信息一體化平臺(tái)。c、輔助系統(tǒng)智能化改造：對站內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、站用電源、環(huán)境監(jiān)測等輔助系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造。

（2）對變電站第四串進(jìn)行數(shù)字化采樣、多IED智能組件試點(diǎn)應(yīng)用設(shè)計(jì)，包括：a、第四串保留常規(guī)電流互感器和電壓互感器的基礎(chǔ)上，串聯(lián)增加3組電子式電流互感器、并聯(lián)增加2組電子式電壓互感器。b、第四串增設(shè)數(shù)字化采樣的斷路器保護(hù)，線路保護(hù)，500V母線增設(shè)數(shù)字化采樣母線保護(hù)。

工程分為兩個(gè)階段實(shí)施，其中500kV第四串及220kV部分改造為第一階段，在2011年前完成，其余改造部分為第二階段，在2013年前完成?？傮w來看，工程優(yōu)先考慮了信息處理機(jī)制問題，如通過智能組件就地化實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及全站故障錄波，保持繼電保護(hù)的“點(diǎn)對點(diǎn)”跳閘模式；其次通過網(wǎng)絡(luò)化測控實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的升級問題；最后逐套更換保護(hù)裝置完成全站的智能化升級。

智能變電站技術(shù)極大地改變變電站建設(shè)運(yùn)行模式，以往現(xiàn)場大量的接線、對點(diǎn)工作量將顯著改變，實(shí)現(xiàn)“最大化工廠工作量、最小化現(xiàn)場工作量”，符合國家電網(wǎng)公司“兩型兩化”的要求，使變電站建設(shè)更容易，運(yùn)行更簡單。

4 結(jié)語

智能變電站是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。在設(shè)備層面，其智能化主要體現(xiàn)在智能一次設(shè)備以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視；在系統(tǒng)層面，其智能化主要表現(xiàn)為采集“全站、唯一、標(biāo)準(zhǔn)、同步”的全景信息，獲得基于全景信息的優(yōu)化控制結(jié)果并最終滿足智能電網(wǎng)的運(yùn)行要求；其建設(shè)模式也發(fā)生了巨大改變。崗市500kV智能化改造技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)、施工及調(diào)試等方面與常規(guī)500kV綜自變電站有很多不同之處，站內(nèi)信息以光信號的方式傳輸，為防止信號誤傳，施工過程需特別注意虛端子的核對。今后智能變電站作為電網(wǎng)建設(shè)的趨勢，其技術(shù)水平、建設(shè)管理水平還會(huì)有進(jìn)一步提高。

[1]Q/GDW 383 智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S]. 國家電網(wǎng)公司,2009.

[2]Q/GDW 394 智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 國家電網(wǎng)公司,2009.

[3]?？? 薛峰, 楊衛(wèi)東. 中國智能電網(wǎng)基本特征及其技術(shù)進(jìn)展評述[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng) 化, 2009, 33(17): 10-15.

[4]華中電網(wǎng)崗市500kV變電站智能化改造補(bǔ)充技術(shù)方案評審意見[R]. 國網(wǎng)智能電網(wǎng)部及生產(chǎn)技術(shù)部, 2010.

[5]智能變電站技術(shù)方案[S]. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院. 2011.

[6]許偉國. 110kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 供用電, 2011.5: 40-45

[7]鄭峰. 基于IEC61850的智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)間同步方案研究[J]. 科技信息, 2011(26): 105-107.

[8]許根養(yǎng). 220kV池州變電所綜合自動(dòng)化改造的實(shí)踐和特點(diǎn)[J]. 安徽電力, 2005, 12(22-04): 65-69.

[9]趙永生, 桑仲慶, 劉海峰, 等. 金南智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和問題分析[J]. 湖南電力, 2011.10(31-5): 4-7.

[10]高翔, 張沛超. 數(shù)字化變電站的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù), 2006(30-23): 67-87.

[11]?？? 薛峰, 楊衛(wèi)東. 中國智能電網(wǎng)基本特征及其技術(shù)進(jìn)展評述[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009(17): 10-15.

[12]朱全勝, 孫怡, 李衛(wèi)東. 智能電網(wǎng)控制中心顯示平臺(tái)的展望[J]. 電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào), 2010(4): 7-12.

[13]申濤, 包旻, 趙玉成, 等. 數(shù)字化變電站的關(guān)鍵技術(shù)與工程實(shí)現(xiàn)[J]. 電測與儀表, 2010(S2): 40-43.