智能變電站集成一體化方案的應用研究

陳 力 孫 嘉 牛 強 姜 帥

（1.重慶電力公司，重慶 400014；2. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

1 引言

智能變電站是堅強智能電網的重要基礎和支撐。按照“統一規劃、統一標準、統一建設”的原則，為指導智能變電站建設，國家電網公司組織編寫了《智能變電站技術導則》。導則積極創新變電站建設理念，著力推廣新技術，探索新型運維管理模式，并融合了調度、生產、基建、科研等方面的需求，充分展現智能變電站技術前瞻、經濟合理、環境友好、資源節約等先進性，引領智能變電站技術發展方向。

本文結合遼寧省馬山變電站的具體工程，分析變電站自動化系統網絡結構及各層設備配置；針對智能變電站導則的要求提出了一些新技術方案，包括集成一體化保護測控裝置、IEEE-1588對時技術的應用、智能一次設備、智能變電站高級應用等。

2 智能變電站系統構成

智能變電站技術導則[1]給出了智能變電站的如下定義：采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的變電站。

智能變電站系統可分為站控層、 間隔層和過程層，由站級總線和過程總線完成各層的信息交互，各層之間的聯系均可采用光纜，或過程層采用光纜，站級總線采用電纜。導則強調對智能變電站高級應用功能的研究，強調互動，雙網雙保護的智能變電站結構如圖1所示。

圖1 智能變電站分層結構圖

2.1 站控層

站控層包括自動化系統、站域系統、通信系統和對時系統等設備。站控層實現面向全站或一個以上的一次設備的測量和控制功能，完成數據采集和監視控制、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功能。

2.2 間隔層

間隔層設備一般指繼電保護裝置、測控裝置和故障錄波等二次設備，實現使用一個間隔的數據并且作用于該間隔一次設備的功能。間隔層通過光纖與過程層通信。

2.3 過程層

過程層包含由一次設備和智能組件構成的智能設備、合并單元和智能終端，完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護、計量、狀態監測等相關功能。光電技術的應用使得一次設備智能化，過程層的智能化使得間隔層與過程層之間采用光信號通信技術成為現實，其關鍵在于基于羅科夫斯基（Rogowski）線圈效應或光學原理的或法拉第（Faraday）磁光效應的電子式互感器[2]在電力系統中的應用。羅科夫斯基 CT是通過環形抗磁鐵心上的均勻線圈的感應磁場變化到高阻抗的A/D變換單元的方式來實現電流測量及輸出信號的數字化。法拉第磁光效應原理的互感器是在一次電流導體產生的磁場中，安裝閉環塊狀磁光玻璃作為傳感元件，通過光纖信號傳輸至二次處理系統得到一次電流量。由于采用光電技術，不再有常規 CT二次負載的擔憂，因此，也不像常規 CT那樣需要多個次級線圈。斷路器、隔離開關等設備仍采用具有豐富運行經驗的GIS。

馬山變按照站控層、間隔層、過程層三層結構設計。站控層與間隔層通信規約為IEC61850-8-1,間隔層與過程層采樣值通信規約為IEC61850-9-2，間隔層與過程層開關量通信規約為GOOSE。其中220kV間隔采樣值和跳閘信息均按照點對點模式通信。

3 集成一體化保護

3.1 整體構架

馬山變借鑒了早期集成一體化保護、測控裝置設計理念，遵循IEC 61850標準，基于過程總線和強大的軟硬件平臺，將目前變電站內多臺間隔層IED集中在一臺IED上完成，例如，采用2臺IED（其中 1臺作為冗余）來實現原來需要 10臺 IED實現的功能。原來每個IED在被抽象成為一個邏輯保護、測控單元，簡稱邏輯設備（LD），每個 LD保持功能上的相對獨立性并通過統一的通信接口與其他設備進行交互。系統構架如圖2所示。

圖2 新型集成一體化IED架構及應用

3.2 線路間隔結構

馬山變遵循智能變電站技術導則倡議的保護應直接采樣，為此提出過程層220kV線路及母聯間隔，采樣值和跳閘信息均采用點對點方案，其他開入量GOOSE信息等采用網絡模式傳輸。某線路間隔組網結構如圖3所示。

圖3 線路間隔組網結構圖

4 技術特點

智能變電站設備的基本原則是具有信息數字化、功能集成化、結構緊湊化、狀態可視化等主要技術特征，符合易擴展、易升級、易改造、易維護的工業化應用要求。

本方案提出一些新技術，包含集成一體化保護測控裝置、IEEE-1588對時技術的應用、智能一次設備、智能變電站高級應用等技術。

4.1 集成一體化保護測控裝置

遵循IEC61850標準，基于過程總線和強大的軟硬件平臺，將目前變電站內多臺間隔層IED集成在一臺一體式保護服務器上完成，例如，采用2臺一體式保護服務器來實現原來需要10臺甚至更多IED實現的功能，每個現有裝置被抽象成為一個邏輯保護、測控單元，簡稱邏輯設備[3]（LD），每個LD保持功能上的相對獨立性并通過統一的通信接口與其他備進行交互。它符合IEC 61850的思想。

馬山變220kV間隔，由一臺集成一體化保護測控裝置實現 7條線路的保護測控功能，其中每個CPU實現一個間隔的保護測控功能，各個間隔之間沒有數據通信，互相不影響。集成一體化保護如圖4所示。馬山變采用集成一體化保護測控裝置方案，可以大量節省裝置、屏體數量，并可節約占地面積。其中節省保護測控裝置54臺，節省屏體21面。

圖4 220kV線路集成一體化保護

4.2 IEEE-1588對時

站控層和過程層都采用 IEEE-1588[4]對時方案，對時服務器通過過程層網絡和站控層網絡實現全站對時，取消專用的對時網絡，其中合并單元對時精度達到1 μs，保護測控裝置對時精度達到1ms。

對時服務器具備主備切換功能，任何時候兩個時鐘源必須同步，輸出IEEE-1588對時規約到過程層和站控層網絡。每臺服務器配置 3個IEEE-1588對時接口，其中一個用于站控層對時，兩個用于過程層對時。

4.3 智能變電站高級應用

（1）設備狀態可視化

采集變電站主要設備狀態信息，一次設備包括變壓器、斷路器、電容器、避雷器等，二次設備包括各繼電保護設備及安全自動裝置、穩控裝置等，數字化、智能化變電站尤其應加強網絡交換機等設備的在線監視，將設備的自檢診斷信息、運行工況信息等通過標準協議，送達變電站監控系統進行可視化展示，并通過遠動裝置發送到上級調度/集控系統為電網實現基于狀態監測的設備全壽命周期綜合優化管理提供基礎數據的支撐。

（2）智能告警及分析決策

建立變電站故障信息[5]的邏輯和推理模型，實現對故障告警信息的分類和信號過濾，對變電站的運行狀態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意見。智能告警實現系統框圖如圖3所示。

圖5 智能告警系統框圖

統一事件信息模型：告警信息綜合分類，句法和語義定義等；任何一個事件源學習其對應的告警信息描述規范，并注冊該告警信息源；事件源使用公共處理流程的發送代理發送事件。

公共處理流程：告警信息傳遞和分發中介，單純的技術實現模塊。

知識庫系統：以變電設備運行原理和普遍經驗構建的知識庫系統，具備簡單的知識錄入工具；智能處理過程不僅可使用其知識條目，還能根據實際工程要求智能地添加知識條目。

智能體集合：把系統功能拆分為五個主要功能模塊，按照智能體的要求去設計，每個智能體具備足夠的獨立性，由告警信息作為觸發信號進行并行或串行處理。

智能告警系統的應用可以有效的提高運行維護人員的工作效率，并確保準確、快速地處理事故和異常。

（3）故障信息綜合分析決策。

將故障關聯數據分類、整理、形成一次完整的故障信息，為繼保專業人員提供故障時刻信息的綜合展示；變電站事故信息綜合分析輔助決策系系統設計了集中展示的功能，讓用戶可以在同一界面中查看某次故障的所有綜合信息。

綜合穩態數據、暫態數據和動態數據對故障過程進行全景事故反演。

變電站事故分析輔助決策專家系統是一個具有專門知識與經驗的程序系統,根據某個領域的專家提供的知識和經驗進行推理和判斷,模擬專家的決策過程,以解決那些需要專家決策的復雜問題。

4.4 智能一次設備

智能一次設備是由高壓設備本體、傳感器和控制器、智能組件組成的，具有測量數字化、控制網絡化、狀態可視化、功能一體化和信息互動化特征的高壓設備。

智能一次設備監測技術是智能設備的核心部分，包括以下內容：在線監測手段、監測信息的傳遞、處理和存儲、故障特征量的提取、故障機理分析、故障診斷的方法和理論分析。

5 經濟效益

（1）簡化網絡、降低成本并實現裝置冗余

本工程設計的 1臺裝置即可實現原來需要幾臺（甚至十幾臺）IED的功能，顯而易見，本工程大幅度的減少了網絡節點，從而減輕了網絡流量、簡化了網絡結構；冗余配置該設備可提高系統得可靠性。

在實現了軟、硬件冗余的情況下，硬件成本將有大幅度的降低。以前述方案為例，現有的10臺IED可由2臺本方案替代，雖然本方案單個CPU核心插件成本會有所提高，但因為設備數量由10個減少為2個，故單設備總成本仍將降低；此外，可以直接減少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等，顯然，硬件總成本可大幅度下降。

（2）減少了設備安裝占地面積

本方案可根據實際情況安裝于控制室，設備數量大幅度減少因此進一步減少了設備安裝占地面積，取消了保護小室，減少變電站壽命周期內的總體成本包括初期建設成本和運行維護成本。

合并單元就地安裝，本方案基于光纖以太網與合并單元、智能開關等連接，因此它仍然具備分散式下放的優點。這樣，可減少房屋建筑和安裝空間，縮短控制電纜，提高可靠性。

6 結論

智能變電站系統應用了現代計算機技術、現代通信技術和光電技術，使變電站自動化得到進一步提高，測控保護屏和控制電纜得到大幅度減少，安裝周期縮短，運行維護工作量減少，可靠性大大提高，是技術發展的趨勢。

220kV馬山變作為遼寧省智能變電站的試點，在國內的智能變電站工程中率先采用了集成一體化保護測控裝置，該工程的實施必將提高遼寧省智能變電站建設的水平，為遼寧省智能變電站的推廣奠定堅實的基礎。

[1]智能變電站技術導則[S].2009,12,25.

[2]趙玉富,陳卓亞,郭洪.電子式互感器[J].電測與儀表,2006, 43(6)∶28231.

[3]易永輝等.基于IEC 61850標準的新型集中式IED,電力系統自動化,2008,32(12)∶36-40.

[4]趙上林,胡敏強,竇曉波,杜炎森.基于 IEEE1588的數字化變電站時鐘同步技術研究[J].電網技術,2008(21).

[5]郝曉光,何磊,高志強.智能變電站應具有的功能及建設策略分析[J]. 河北電力技術,2009(21).