220千伏智能變電站高級應(yīng)用功能研究

吳迪

【摘要】智能變電站的高級應(yīng)用對于建設(shè)堅強智能電網(wǎng)有著相當重要的意義，能夠有效減少運行維護成本，改善設(shè)備的可靠性，增加設(shè)備的使用壽命。為了能夠讓智能變電站高級應(yīng)用功能能夠發(fā)揮出良好作用，需要加強對智能變電站高級應(yīng)用功能的研究。在文中介紹了220kV智能變電站的概述、基本組成和高級應(yīng)用功能的研究。

【關(guān)鍵詞】智能變電站；高級應(yīng)用

1、智能變電站概述

智能變電站與常規(guī)變電站相比主要區(qū)別有：

1.1 一次設(shè)備智能化：采用數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開關(guān)（或配智能單元的傳統(tǒng)開關(guān)）等智能一次設(shè)備。一次設(shè)備和二次設(shè)備間用光纖傳輸數(shù)字編碼信息的方式交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等信息。

1.2 二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化：二次設(shè)備見用通信網(wǎng)絡(luò)交換模擬量、開關(guān)量和控制命令等信息，取消常規(guī)自動化系統(tǒng)一次設(shè)備和二次設(shè)備之間的控制電纜，采用光纖網(wǎng)絡(luò)直接通信。

1.3 管理運維自動化：包括自動故障分析系統(tǒng)、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和程序化控制系統(tǒng)等自動化系統(tǒng)，提高自動化水平，減少運行維護的難度和工作量。

高級應(yīng)用是運行管理智能化的前提，是推行調(diào)控一體化和無人值班的保障。本文針對熊家嘴220kV變電站高級應(yīng)用功能進行全面論述。根據(jù)目前智能變電站高級應(yīng)用的成果以及今后智能電網(wǎng)的發(fā)展研究，智能變電站高級應(yīng)用采用循序漸進，逐步實施的原則，在智能變電站建設(shè)中逐漸全面實施。

2、智能化變電站基本組成

2.1 站控層：站控層包含自動化站級監(jiān)控控制系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA）、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護信息管理等相關(guān)功能。其作用是完成對本站內(nèi)間隔層設(shè)備及一次設(shè)備的控制，并完成與遠方控制中心、工程師站及人機界面的通信功能。

站控層功能高度集成，可在計算機或嵌入式裝置中實現(xiàn)，也可分布在多臺計算機或嵌入式裝置中實現(xiàn)。

2.2 間隔層：間隔層設(shè)備一般指繼電保護裝置、系統(tǒng)測控裝置、監(jiān)測功能組的主智能電子裝置（IED）等二次設(shè)備，實現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能，即與各種遠方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。主要任務(wù)是利用本間隔的數(shù)據(jù)完成對本間隔設(shè)備的監(jiān)測和保護判斷。

2.3 過程層：過程層設(shè)備是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合，主要包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組建以及獨立的智能電子裝置。

智能一次設(shè)備和電子式互感器是智能化變電站的顯著標志之一，它由高壓設(shè)備本體和智能組件兩部分構(gòu)成，具有測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化等特征。智能組件由若干智能電子設(shè)備（IED）組成，承擔(dān)一次設(shè)備的測量、控制和在線監(jiān)測等功能，隨著技術(shù)的發(fā)展還可進一步集成保護、計量等功能。

2.4 組網(wǎng)方式：智能化變電站站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與數(shù)字化變電站相同，全站統(tǒng)一設(shè)置站控層網(wǎng)絡(luò)（MMS網(wǎng)），采用雙星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雙網(wǎng)雙工熱備用方式運行。全站的站控層設(shè)備以及間隔層設(shè)備，均通過100M雙網(wǎng)口接入站控層雙星形MMS網(wǎng)絡(luò)。

過程層采樣值傳輸可采用點對點傳輸或組建采樣值網(wǎng)絡(luò)（SV網(wǎng)）兩種方式。在傳輸規(guī)約方面，采用IEC61850-9-2采樣值傳輸標準。過程層GOOSE跳閘可采用點對點和組網(wǎng)兩種方式。GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)可分別組網(wǎng)也可共同組網(wǎng)。熊家嘴智能變電站采取的是GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)分別組網(wǎng)的方式，GOOSE跳閘采用的是點對點的直跳方式。

2.5 對時方式：目前主要的對時方式有SNTP、IRIG-B和IEEE1588等。SNTP對時采用以太網(wǎng)傳輸方式，實現(xiàn)簡單，精度能達到毫秒級，站控層對時均采用該方式。IRIG-B對時是十分成熟的技術(shù)，在過程層網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，熊家嘴智能變電站采取的是該模式。IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對時技術(shù)的對時精度可達到亞微秒級，且可利用過程層網(wǎng)絡(luò)而不用鋪設(shè)專用的對時網(wǎng)絡(luò)，在國內(nèi)某些變電站已經(jīng)獲得了使用。

3、高級應(yīng)用功能的研究

3.1 智能控制：變電站智能控制是電力系統(tǒng)智能變電站的基礎(chǔ)。實現(xiàn)變電站智能控制是高級應(yīng)用的基礎(chǔ)，變電站最基本的智能控制包括順序操作，智能操作票、站域協(xié)同控制、圖像聯(lián)動等。

智能控制技術(shù)關(guān)鍵是統(tǒng)一命名規(guī)范、統(tǒng)一檢索機制、完全自描述實現(xiàn)模塊間或者系統(tǒng)間信息的無縫交互?；谥悄苷{(diào)度等系統(tǒng)的特點和現(xiàn)實狀況，利用先進的模型映射技術(shù)，實現(xiàn)信息的無損轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及建模，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性，為高級智能應(yīng)用奠定必需的基礎(chǔ)。

變電站順序操作是指變電站內(nèi)智能設(shè)備依據(jù)變電站操作票的執(zhí)行順序和執(zhí)行結(jié)果校核要求，由站內(nèi)智能設(shè)備代替操作人員，自動完成操作票的執(zhí)行過程。實際操作時只需要變電站內(nèi)運行人員或集控中心運行人員根據(jù)操作要求選擇一條順控操作命令，操作票的執(zhí)行和操作過程的校驗由變電站內(nèi)智能電子設(shè)備自動完成。

3.2 一體化五防與智能操作票

一體化五防：站控層具備全站防止電氣誤操作閉鎖功能。并能完成操作票模擬、預(yù)演與執(zhí)行，實現(xiàn)和電腦鑰匙的通訊，在監(jiān)控后臺能完全實現(xiàn)五防和操作票的功能。

智能操作票：智能操作票是智能調(diào)度和智能化變電站的重要應(yīng)用之一，智能調(diào)度操作票用于調(diào)度自動化人員進行調(diào)度操作的自動開票，而智能倒閘操作票用于變電站操作人員進行變電站內(nèi)的各種倒閘操作。

智能操作票專家系統(tǒng)，通過獲取電力系統(tǒng)專家豐富的運行經(jīng)驗和知識來模擬電力系統(tǒng)專家智能開票系統(tǒng)。操作票專家系統(tǒng)主要利用存放電力系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)的操作規(guī)則和經(jīng)驗知識的知識庫，根據(jù)操作任務(wù)的要求，調(diào)用相關(guān)設(shè)備的規(guī)則類進行匹配推理，生成最終的操作票。

3.3 站域控制及保護

站域保護：是對站內(nèi)信息的集中處理、判斷，實現(xiàn)站內(nèi)安全自動控制裝置（如備自投、母線分合運行）的協(xié)調(diào)工作，適應(yīng)系統(tǒng)運行方式的要求。宜具備與大用戶、電源等外部系統(tǒng)進行信息交換的功能，能轉(zhuǎn)發(fā)進、出線運行狀況等相關(guān)信息。

采集全站運行數(shù)據(jù)進行分析計算，優(yōu)化后備保護功能。通過綜合利用變電站內(nèi)各側(cè)的電壓或電流關(guān)系對各側(cè)的故障進行定位以實現(xiàn)全站的快速且有選擇性后備保護，提高保護自適應(yīng)能力，同時在原有后備保護的基礎(chǔ)上根據(jù)與之配合的主保護或者后備保護的動作情況來縮短該后備保護的延時。

站域控制：利用對站內(nèi)信息的集中處理、判斷，實現(xiàn)站內(nèi)自動控制裝置（如備自投、母線分合運行）的協(xié)調(diào)工作，適應(yīng)系統(tǒng)各種運行方式的要求。

在通信和數(shù)據(jù)處理速度滿足要求的情況下，應(yīng)考慮基于全站數(shù)據(jù)信息的集中式處理架構(gòu)的應(yīng)用，系統(tǒng)級的運行控制策略優(yōu)于面向單間隔的策略。

在熊家嘴智能變電站，站域控制及保護功能已集成安裝在系統(tǒng)中，但還未正式運行。

3.4 智能告警與分析決策

智能變電站良好的網(wǎng)絡(luò)，為全站容量信息的上送提供了可能，面對大量的告警信息，根據(jù)運行需求對信息進行綜合分類管理，實現(xiàn)全站信息的分類告警功能。根據(jù)告警信息的級別實行優(yōu)先級管理，方便重要告警信息的及時處理，有助于智能變電站應(yīng)對各類突發(fā)事件。綜合推理和分析決策報告將準確地提供必要的與事故和異常相關(guān)的信息，同時包含該事故和異常的一般性處理原則和推薦方法，協(xié)助運行人員及時地分析和處理事故，削弱事故對電網(wǎng)的影響和異常的危害性。

根據(jù)變電站邏輯和推理模型，實現(xiàn)對告警信息的分類和信號過濾，對變電站的運行狀態(tài)進行在線實時分析和推理，自動報告變電站異常并提出故障處理指導(dǎo)意見，為主站提供智能告警，也為主站分析決策提供事件信息。

智能告警與分析決策實現(xiàn)的內(nèi)容：告警信息的分層、分類的多維度劃分；可定制的告警多窗口的實現(xiàn)；告警信息篩選、過濾與屏蔽；計時、計次等統(tǒng)計類型告警的應(yīng)用；在線實時分析和推理變電站運行狀態(tài)；自動報告變電站異常并提出處理指導(dǎo)。

3.5 設(shè)備在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修

智能化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、各種智能電子裝置IED的故障和動作信息及信號回路狀態(tài)。智能化變電站中將幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，在設(shè)備狀態(tài)特征量的采集上沒有盲區(qū)。通過對設(shè)備進行廣泛的在線監(jiān)測，設(shè)備檢修策略可以從常規(guī)變電站設(shè)備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，使得設(shè)備檢修更加科學(xué)可行，既能保證電氣設(shè)備的安全可靠運行，又可獲得最大的經(jīng)濟效益和社會效益。

設(shè)備在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修系統(tǒng)是一個多層結(jié)構(gòu)的軟硬件結(jié)合的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。其中，智能化變電站包括兩層，一層是就地監(jiān)測層，負責(zé)變電站電網(wǎng)設(shè)備、智能電子裝置等設(shè)備各種狀態(tài)和信息的采集；另一層是站內(nèi)數(shù)據(jù)平臺，負責(zé)變電站內(nèi)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、顯示、分析。調(diào)度中心也包括兩層，一層是數(shù)據(jù)采集層，負責(zé)采集各變電站上送的各種設(shè)備檢測信息，形成設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺；另一層是應(yīng)用分析層，利用電力系統(tǒng)中成熟的電力設(shè)備故障診斷算法對設(shè)備故障進行診斷，對設(shè)備狀態(tài)進行評估分析，并結(jié)合電網(wǎng)的運行方式和檢修計劃，合理進行故障設(shè)備的檢修管理。

3.5.1 一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視

監(jiān)控一體化系統(tǒng)的運行監(jiān)視應(yīng)分為數(shù)據(jù)監(jiān)視和可視化展示兩個部分：

可視化展示應(yīng)采集主要一次設(shè)備（變壓器、斷路器等）狀態(tài)信息，進行狀態(tài)可視化展示并發(fā)送到上級系統(tǒng)，為實現(xiàn)優(yōu)化電網(wǎng)運行和設(shè)備運行管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。運行監(jiān)視信息應(yīng)直觀、生動、逼真，貼近真實物理對象，故障信息應(yīng)形象、直觀、逼真，與實際事故場景相一致；可視化化的展示應(yīng)有利于運行人員遠方快速、準確地完成操作和事故判斷。

通過對一次設(shè)備的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測，可以實現(xiàn)一次設(shè)備的狀態(tài)檢修，從而簡化檢驗項目，甚至取消定期檢驗。減少二次設(shè)備定期計劃檢修維護，降低檢修費用，減少停電時間，進一步降低變電站全壽命周期成本。在線監(jiān)測主要包括對變壓器油中溶解汽體、局放監(jiān)測、套管容性設(shè)備介損監(jiān)測、全站避雷器放電計數(shù)漏電流監(jiān)測等。

3.5.2 二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視

二次設(shè)備狀態(tài)可視化：包括二次設(shè)備或計算機的CPU負荷率、內(nèi)存使用率、硬盤使用率的實時監(jiān)視。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)全景可視化：基于SNMP協(xié)議實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)了運行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)流量、交換機端口狀態(tài)等信息的實時監(jiān)測和統(tǒng)計，實現(xiàn)基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可視化監(jiān)視與報警功能。

站控層和過程層網(wǎng)絡(luò)中，分別配置網(wǎng)絡(luò)記錄、分析設(shè)備，并將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息上傳至站級監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)集中可視化監(jiān)視并依據(jù)檢測數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)狀況進行評估。

二次設(shè)備運行可視化：二次設(shè)備的運行狀態(tài)（運行、熱備、檢修、停運等）的可視化。二次設(shè)備的重要壓板宜可視化。當前的定值區(qū)的可視化，應(yīng)能直觀的顯示運行定值、定值區(qū)的信息。應(yīng)能直觀反應(yīng)二次設(shè)備的指示燈狀態(tài)（運行、故障、告警）。針對變電站數(shù)字化后產(chǎn)生的虛擬二次回路，依據(jù)其信息流，實現(xiàn)實時運行狀態(tài)監(jiān)視。

四、結(jié)束語

智能電網(wǎng)代表著電力工業(yè)的發(fā)展方向和社會的進步，智能化變電站是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。本文對智能化變電站的概況和基本組成進行了總結(jié)，并探討了220千伏智能化變電站中高級應(yīng)用功能。智能化變電站高級應(yīng)用功能的完善需要較長時間，將隨著智能化變電站技術(shù)的發(fā)展和智能電網(wǎng)建設(shè)的推進而逐步走向成熟。

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