淺析變電站綜合自動(dòng)化與智能化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

李剛剛

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741018）

1 概述

常規(guī)變電站的二次設(shè)備由：繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、測(cè)量?jī)x表、操作控制屏和中央信號(hào)屏以及遠(yuǎn)動(dòng)裝置。

變電站綜合自動(dòng)化是將變電站的二次設(shè)備經(jīng)過(guò)功能的組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站主要設(shè)備和輸、配電線路的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、自動(dòng)控制和微機(jī)保護(hù)以及與調(diào)度通信等綜合性自動(dòng)化功能。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》，智能化變電站是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化，通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析、協(xié)同互動(dòng)，達(dá)到提高變電站可靠性、優(yōu)化資產(chǎn)利用率、減少人工干預(yù)、支撐電網(wǎng)安全運(yùn)行等目標(biāo)的變電站。

2 變電站綜合自動(dòng)化和智能化的功能特征

2.1 變電站綜合自動(dòng)化

根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議WG34.03工作組在研究變電站的數(shù)據(jù)流時(shí)，分析了變電站綜合自動(dòng)化需完成的功能大概有63種，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況可綜述為以下幾個(gè)方面：

（1）監(jiān)控功能：采集變電站的模擬量、開關(guān)量和電能量數(shù)據(jù)，記錄現(xiàn)場(chǎng)的事件順序，并在遠(yuǎn)控室對(duì)相應(yīng)的電氣設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

（2）微機(jī)保護(hù)：具有通信、故障記錄、故障自診斷、自閉鎖、自恢復(fù)等獨(dú)立、完整的保護(hù)功能，其功能和可靠性，在很大程度上影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

（3）電壓、無(wú)功綜合控制和低頻減負(fù)荷控制功能：電壓、頻率和波形是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此需要對(duì)電壓和頻率進(jìn)行綜合調(diào)控，以保證電力部門和用戶在內(nèi)的總體運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到最佳。

（4）備用電源自動(dòng)投入控制：隨著用戶對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性要求日益提高，備用電源自動(dòng)投入就成為變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能之一。

2.2 變電站智能化

根據(jù)我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的要求，體現(xiàn)我國(guó)智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的特點(diǎn)，智能電網(wǎng)應(yīng)具備以下功能特征：

（1）緊密連接全網(wǎng)：從變電站在智能電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的位置和作用看，智能電網(wǎng)的建設(shè)，要有利于加強(qiáng)全網(wǎng)范圍各個(gè)環(huán)節(jié)間聯(lián)系的緊密性，有利于體現(xiàn)智能電網(wǎng)的統(tǒng)一性，有利于互聯(lián)電網(wǎng)對(duì)運(yùn)行事故進(jìn)行預(yù)防和緊急控制，實(shí)現(xiàn)在不同層次上的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，形成統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的關(guān)節(jié)和紐帶。

（2）支撐智能電網(wǎng)：從智能化變電站的自動(dòng)化、智能化技術(shù)上看，智能化變電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平，應(yīng)與智能電網(wǎng)保持一致，滿足智能電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效、清潔、環(huán)保、透明、開放等運(yùn)行性能的要求。

（3）高電壓等級(jí)的智能化變電站應(yīng)滿足特高壓輸電網(wǎng)架的要求：特高壓輸電線路將構(gòu)成我國(guó)智能電網(wǎng)的骨干輸電網(wǎng)架，變電站應(yīng)能可靠的應(yīng)對(duì)和解決大容量、高電壓帶來(lái)的設(shè)備絕緣、斷路器開關(guān)等方面的問(wèn)題，支持特高壓輸電網(wǎng)架的形成和發(fā)揮有效作用。

（4）中低壓智能化變電站允許分布式電源的接入。未來(lái)智能電網(wǎng)的一個(gè)重要特征就是大量的風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性分布式電源的接入。智能化變電站將作為分布式電源并網(wǎng)的入口，從技術(shù)到管理，從硬件到軟件都必須充分考慮并滿足分布式電源并網(wǎng)的需求。

（5）遠(yuǎn)程可視化。智能化變電站的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與操作運(yùn)行均可利用多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化與自動(dòng)化，以實(shí)現(xiàn)變電站真正的無(wú)人值班，并提高變電站的安全運(yùn)行水平。

（6）裝備與設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置、模塊化安裝：智能變電站的一二次設(shè)備進(jìn)行高度整合與集成，所有的裝備具有統(tǒng)一的接口。減少了現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模調(diào)試的弊端，使得變電站的“可復(fù)制性”大大提高。

3 變電站綜合自動(dòng)化智能化的架構(gòu)

3.1 變電站綜合自動(dòng)化

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程與集成電路技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)密切相關(guān)。隨著這些高科技的不斷發(fā)展，變電站綜合自動(dòng)化的體系架構(gòu)也在不斷發(fā)生變化，其性能和功能以及可能性等也不斷提高。從國(guó)內(nèi)外變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展來(lái)看，其架構(gòu)形式可分為集中式、分布集中式、分散與集中相結(jié)合和全分散式等四種類型。下面主要通過(guò)變電站綜合自動(dòng)化發(fā)展方向的代表——分散與集中相結(jié)合的架構(gòu)進(jìn)行分析。

分散與集中相結(jié)合的架構(gòu)，既具備了分層分布式、模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又具備了結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的優(yōu)點(diǎn)。其框圖如圖1所示。

圖1 分散與集中相結(jié)合的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)框圖

分散式架構(gòu)是將每一個(gè)電網(wǎng)元件（例如：一條出線、一臺(tái)變壓器、一組電容器等）為對(duì)象，集測(cè)量、保護(hù)、控制為一體，設(shè)計(jì)在同一機(jī)箱中，并將這些一體化的測(cè)量、保護(hù)、控制單元分散安裝在各個(gè)開關(guān)柜中，然后由監(jiān)控主機(jī)通過(guò)光纜或電纜網(wǎng)絡(luò)，對(duì)這些單元進(jìn)行管理和交換信息；集中式架構(gòu)是將高壓線路保護(hù)裝置和變壓器保護(hù)裝置，采用集中組屏安裝在控制室內(nèi)。

將以上兩種架構(gòu)結(jié)合，即將配電線路的保護(hù)和測(cè)控單元分散安裝在開關(guān)柜內(nèi)，而高壓線路保護(hù)和主變保護(hù)裝置等采用記住組屏的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，稱為分散與集中相結(jié)合的架構(gòu)。

分散與集中相結(jié)合的架構(gòu)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與保護(hù)管理機(jī)交換信息，節(jié)約控制電纜，簡(jiǎn)化了變電站二次設(shè)備之間的互連線，縮小了控制室的面積；抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠性高，而且組態(tài)靈活，檢修方便，還能減少施工和設(shè)備安裝工程量，所以該種方式是變電站綜合自動(dòng)化的發(fā)展方向。

3.2 變電站智能化

未來(lái)智能變電站的體系分為設(shè)備層和系統(tǒng)層：設(shè)備層由變壓器、斷路器、電子式互感器等多個(gè)設(shè)備加上智能組件組成，完成能量傳輸及測(cè)量、保護(hù)、控制、計(jì)量等功能；系統(tǒng)層包含網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、站域保護(hù)、對(duì)外通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)。其框圖如圖2所示。

圖2 智能變電站系統(tǒng)框圖

智能變電站的重點(diǎn)是設(shè)備智能化和高級(jí)智能應(yīng)用，是從數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)上演變出來(lái)的。相比于遵循IEC 61580協(xié)議的數(shù)字化變電站的三層結(jié)構(gòu)（過(guò)程層、間隔層和站控層），智能變電站進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，其設(shè)備層相當(dāng)于數(shù)字化變電站的過(guò)程層和間隔層的集合，系統(tǒng)層相當(dāng)于站控層。設(shè)備層通過(guò)智能組件、電子式互感器等智能設(shè)備將傳統(tǒng)的一次、二次系統(tǒng)進(jìn)行融合，完成相關(guān)信息的提取、歸集。系統(tǒng)層則注重信息共享、設(shè)備狀態(tài)可視化、智能警告、分析決策等高級(jí)智能應(yīng)用。

4 變電站綜合自動(dòng)化智能化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

4.1 變電站綜合自動(dòng)化

變電站綜合自動(dòng)化是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。國(guó)外在20世紀(jì)80年代已經(jīng)投入使用第一套分散式變電站綜合自動(dòng)化LSA678（SIEMENS），我國(guó)在20世紀(jì)90年代才開始涉及，初始階段主要研制和生產(chǎn)集中型號(hào)的系統(tǒng)，例如IES-60、DISA-1等型號(hào)的系統(tǒng)，90年代中期開始研制分散式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，如DISA-2、CSC-2000等，與國(guó)外相比大約有10年的差距。

根據(jù)現(xiàn)有專業(yè)分工和管理體制的影響可將變電站綜合自動(dòng)化的實(shí)施過(guò)程中分為兩種方案：一種主張站內(nèi)監(jiān)控以遠(yuǎn)動(dòng)（RTU）為數(shù)據(jù)采集和控制的基礎(chǔ)，相應(yīng)的設(shè)備也是以電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化為基礎(chǔ)，“保護(hù)”則相對(duì)獨(dú)立；另一種則主張站內(nèi)監(jiān)控以微機(jī)保護(hù)為數(shù)據(jù)采集和控制的基礎(chǔ)，將保護(hù)、控制和測(cè)量結(jié)合在一起（例如CSC-2000）。

根據(jù)我國(guó)目前的運(yùn)行體制、人員配備和專業(yè)分工出發(fā)，第一種采取的控制和保護(hù)相互分開獨(dú)立，相比于后一種更能適合我國(guó)國(guó)情，但是從發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)合理性及減少設(shè)備重復(fù)配置、維護(hù)工作量方面考慮，后一種又有前一種無(wú)法比擬的優(yōu)越性。是我國(guó)自動(dòng)化發(fā)展的方向。

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，變電站綜合自動(dòng)化的運(yùn)行模式將從無(wú)人值班、有人值守逐步向無(wú)人值守過(guò)度。站內(nèi)RTU／LTU或保護(hù)監(jiān)控單元也將直接上網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與工作站和及它變電站通信，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)同步，變電站之間信息共享。

4.2 變電站智能化

智能電網(wǎng)包含了電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和電力調(diào)度等6各環(huán)節(jié)。美國(guó)式研究智能電網(wǎng)最早的國(guó)家，1998年，美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）已經(jīng)開始了“復(fù)雜交互式網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)”的研究，根據(jù)美國(guó)能源部輸配電辦公室發(fā)布的《2030電網(wǎng)》的遠(yuǎn)景規(guī)劃，至2010年建成智能電網(wǎng)示范工程，至2030年要達(dá)到100%的電力通過(guò)智能電網(wǎng)輸送的目標(biāo)。歐洲各國(guó)也在加快推動(dòng)智能電網(wǎng)的應(yīng)用和變革，意大利有關(guān)電網(wǎng)2001年已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)了智能化。

我國(guó)在智能電網(wǎng)的方面研究也比較早，在20世紀(jì)末，就提出了數(shù)字電力系統(tǒng)的概念，開展了分布電力技術(shù)和微電網(wǎng)技術(shù)的研究，國(guó)家電網(wǎng)在2007年制定了數(shù)字化電網(wǎng)、數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)的研究框架，華東電網(wǎng)和華北電網(wǎng)相繼啟動(dòng)了智能互動(dòng)電網(wǎng)相關(guān)研究，2009年初國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)體系研究報(bào)告”等重要課題研究。并隨后提出了構(gòu)建智能電網(wǎng)為目標(biāo)，技術(shù)主線與管理主線并進(jìn)的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，設(shè)定了2008-2020年“三步走”的行動(dòng)計(jì)劃。

智能電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分和重要環(huán)節(jié)，國(guó)網(wǎng)公司提出了“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃：提高電網(wǎng)運(yùn)行管理控制水平的六個(gè)重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域、電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)字化變電站技術(shù)，集中科研力量研制電子式互感器、變壓器智能組件、斷路器在線監(jiān)控裝置等智能設(shè)備；研究開發(fā)符合IEC 61580標(biāo)準(zhǔn)，并具備測(cè)量、保護(hù)、控制、分析、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、狀態(tài)檢修、遠(yuǎn)方監(jiān)視等功能的數(shù)字化分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)；為推進(jìn)國(guó)內(nèi)智能變電站的研究與建設(shè)，國(guó)家電網(wǎng)公司首批安排7個(gè)智能變電站試點(diǎn)工程，電壓等級(jí)涵蓋了110kV、220kV、500kV、及750kV變電站，涉及陜西公司延安750kV變電站、東北公司長(zhǎng)春南500kV變電站、山東公司青島午山220kV變電站、湖南公司張家園110kV變電站等站點(diǎn)。

智能電網(wǎng)的建設(shè)帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)機(jī)遇，到2020年我國(guó)裝機(jī)容量預(yù)計(jì)到達(dá)或超過(guò)16億kW，相應(yīng)的智能電網(wǎng)投資規(guī)模也將超過(guò)4萬(wàn)億元；將使我國(guó)電力工業(yè)及其相關(guān)的電力裝備產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)創(chuàng)新和整體技術(shù)得到很到的提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平質(zhì)量不斷提高，提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量也顯得越來(lái)越重要；電力系統(tǒng)將向著具備測(cè)量、保護(hù)、控制、分析、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、狀態(tài)檢修、遠(yuǎn)方監(jiān)視等功能為一體的數(shù)字化分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，無(wú)人工干預(yù)的全新電力網(wǎng)絡(luò)。