智能變電站技術研究

張覃毅 李智

（重慶市電力公司建設分公司，重慶 401121）

1 概述

智能電網是促進可再生能源發展、實現低碳經濟的核心。繼美國之后，我國有望成為第二個將智能電網上升為國家戰略的國家，智能變電站是伴隨著智能電網的概念而出現的，是建設智能電網的重要基礎和支撐。在現代輸電網中，大部分傳感器和執行機構等一次設備，以及保護、測量、控制等二次設備皆安裝于變電站中。作為銜接智能電網發電、輸電、變電、配電、用電和調度六大環節的關鍵，智能變電站是智能電網中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調整電壓的重要電力設施，是智能電網“電力流、信息流、業務流”三流匯集的焦點，對建設堅強智能電網具有極為重要的作用。

2 智能變電站技術內涵

2.1 數字化變電站與智能變電站

“數字化變電站”是指：變電站二次控制系統采用數字化電氣量測技術；二次側提供數字化的電流、電壓輸出信號；變電站信息實現基于IEC61850標準的統一信息建模；站內自動化系統實現分層、分布式布置；IED設備之間的信息交互以網絡方式實現；斷路器操作具有智能化判別特征。

“智能變電站”是指：由先進、可靠、節能、環保、集成的智能設備組合而成，以高速網絡通信平臺為信息傳輸基礎，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、協同互動等高級應用功能的變電站。

由上可見，智能變電站與數字化變電站既有密不可分的聯系，也存在重要差別。數字化變電站主要強調手段，而智能變電站更強調目的。與數字化變電站相比，智能變電站概念中更蘊含了兩個方面的集成——物理集成和邏輯集成：

（1）物理集成。在智能變電站中，將屬于相同一次設備的信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能集成到同一“智能組件”中；進一步，該“智能組件”可以內嵌到一次設備內部，構成“智能設備”。上述物理集成將逐漸弱化一次設備和二次設備的界限，強調一、二次設備的融合。站在系統的層面，這種物理集成真正體現了面向對象、功能自治的思想，有利于提高間隔功能的可靠性，降低運行和維護費用。

（2）邏輯集成。另一方面，電力系統本質是一個互聯的系統。僅依靠間隔、局部信息是難以在系統層面優化保護與控制功能的。為此，智能變電站同時強調邏輯集成，以構成面向系統的虛擬裝置，實現就地、區域和全局功能的協調，支持具有在線決策、協同互動特征的各種高級應用。

在IEC61850中，邏輯節點、邏輯設備、邏輯連接等概念支撐了IEC61850標準的一個重要制訂目標，即實現“功能可以自由分配”。在智能變電站中，物理集成和邏輯集成可以有機共存，正是對IEC61850標準的充分實踐。通過上述分析，可以得出數字化變電站與智能變電站的兩個主要區別：

（1）在設備層面，智能變電站更強調智能一次設備概念。數字化變電站已經具有了一定程度的設備集成和功能優化的概念，而智能變電站設備集成化程度更高，可以實現一、二次設備的一體化、智能化整合和集成。

（2）在系統層面，智能變電站更具備“全網”意識。數字化變電站主要從滿足變電站自身的需求出發，而智能變電站則更強調滿足電網的運行要求，比數字化變電站更加注重變電站之間、變電站與調度中心之間的統一與協調，以在全網范圍內提高系統的整體運行水平為目標。

2.2 智能變電站與智能電網

顯然，智能變電站的設計和建設，必須在智能電網的背景下進行。智能變電站應對我國智能電網信息化、數字化、自動化、互動化提供直接支撐。

2.2.1 在以數字化為基礎的智能變電站中，如下技術正在走向成熟：高精度、小型化的非常規互感器技術，符合IEEE1588標準的千兆以太網交換技術，高精度（us級）的全網高精度同步采樣技術，以及具有“無擾恢復”（bumpless）和自愈能力的高可靠通信網絡技術。這些技術的廣泛采用將確保基礎數據的準確性、完整性、及時性、一致性和可靠性，從而為智能電網提供數字化條件。

2.2.2 智能變電站系統是以 IEC61850作為主要的信息建模和信息交換標準。基于統一的標準，可以建立就地、區域以及廣域保護、測量、控制的統一信息模型，實現統一的，滿足實時信息交換要求的信息訂閱/發布機制，實現智能裝置的互操作、“即插即用”和實時信息交換，為智能電網準備信息化基礎條件。

2.2.3 智能變電站中將部署很多具有高度功能集成的一體化智能裝置，能夠對三態數據（穩態數據、暫態數據、動態數據）進行統一采集和處理，從而大大提高智能電網對全景信息的感知能力，提高高級應用的精度和魯棒性，實現自動化，互動化的目標。

2.2.4 由于非常規互感器的廣泛采用一級基于統一信息建模，可更為方便地實現設備狀態信息的采集、傳輸、分析和發掘，實施狀態維修，實現變電站設備狀態的監控、診斷信息與電網運行管理的雙向互動，為實現資產全壽命周期管理打下堅實基礎。

2.2.5 智能電網擁有更大量新型柔性交流輸電技術及裝備的應用，以及風力發電、太陽能發電等間歇式分布式清潔電源的接入。中低壓智能化變電站允許分布式電源的接入，需要滿足間歇性電源“即插即用”的技術要求。

3 智能變電站設計原則

20世紀90年代以來，變電站自動化系統的設計原則逐步從傳統變電站“面向功能”（保護、監控、錄波、計費、通信、遠動等）的設計，走向了“面向間隔”（主變、出線、母線、母聯、分段、開關等）的設計，實現了從“條條”到“塊塊”的轉變。按照間隔的設計原則遵循了電力系統變電站按照間隔建設、運行維護的特點。

智能變電站系統在繼承基于“間隔”的設計思想基礎上，必須能有效解決現有變電站自動化系統存在的問題，體現信息采集和應用的“唯一、同步、標準、全站”的特征。具體來講有如下設計原則：

（1）功能自治原則

（2）信息共享原則

（3）分層處理原則

（4）全景優化原則

上述設計原則將決定智能變電站自動化系統的基本框架。

4 智能變電站典型特征

4.1 信息采集就地化

鑒于電子式互感器工程應用所反映的穩定性問題尚未得到有效解決，智能變電站的應用特征并非以電子式互感器為應用標志已成為一種共識。《智能變電站技術導則》中提出了智能組件的概念，展示了智能化一次設備發展趨勢。因此，智能變電站技術發展過程中作為過程層的智能組件將起到關鍵作用，這里所談到的智能組件包含合并單元、智能終端的功能，實際上執行間隔的信息采集和執行功能。

隨著技術的進步與發展，過程層的智能組件將成為一次設備的組成部分，因此過程層智能組件在智能變電站初期將靠近一次設備安裝，過程層就地化體現為“縮短電纜，延長光纜”，目前主要以戶外柜的方式應用。智能變電站重要特征體現為一、二次技術的融合，智能組件的功能主要是信息采集與執行，與電力系統的外在特性無關。因此，完全可以作為智能一次設備的一個組成部分，就地化靠近一次設備安裝，最終形成智能一次設備的產業化。

4.2 信息共享網絡化

過程層就地化解決了間隔信息采集的唯一性問題。以往變電站自動化系統各個IED裝置分別采集模擬量及開關量信息的現象，將能得到有效解決。《智能變電站繼電保護技術規范》規定保護采取“直采直跳”的模式，在高壓系統負荷繼電保護對于“四性”的要求，即可靠性、快速性、選擇性、靈敏性。在整流型、晶體管、集成電路、微機保護的不同技術發展階段，隨著技術進步保護的“四性”不斷得到改善。在工業以太網技術和網絡同步技術尚未在實踐中得到充分驗證的情況下，保護“直采直跳”模式體現了電網第一道防線的簡約化原則，任何技術實現不能以降低保護的“四性”為代價。

除保護功能實現外，信息的應用模式是智能變電站有別于傳統變電站的重要特點，同時，IEC61850標準為信息共享提供了技術體系的支持，設備之間支持互操作，不同廠家的IED裝置可以自由交換信息。在此基礎上可以建立基于全站信息的數據中心和面向對象的故障錄波分析平臺，真正建立電力系統運行分析“黑匣子”，為事故分析的可追憶提供完整數據支撐。

4.3 信息應用智能化

智能變電站的站控層可以獲得“高質量”的數據，數據的“高質量”體現在“同步、全站、唯一、標準”。其中，“同步”指這些數據都是由經網絡對時同步后由各個合并單元送來，信息具有同步性特征；“全站”是指數據覆蓋了變電站的各個方面，對應用而言信息具有完備性特征；“唯一”是指一個電氣量只由一個設備采集，體現“一處采集，全網共享”的數據共享機制，徹底消除了數據的二義性；“標準”是指數據的表達、獲取等滿足IEC61850標準，通過工程工具可以輕松獲取數據，以專注于應用，從而避免大量的規約轉換和驅動工作，信息具有標準化特征。

5 智能變電站信息基礎設施

智能變電站的幾乎所有技術特征，都離不開一個完善可靠的信息基礎設施。需要圍繞智能變電站綜合信息平臺建設開展一系列基礎性研究工作。該基礎設施的基本任務之一是為各類變電站信息打上準確的時空標簽。其中，“空間標簽”是指信息的語義和全局唯一的識別符；“時間標簽”是指信息的高精度時標。

5.1 變電站信息基礎設施的標準化

對智能化變電站基礎信息進行標準化與統一建模研究，是為了給信息賦予表征其語義的“空間標簽”，實現廣域全景信息統一模型、統一語義，為實現智能電網能量流、信息流、業務流一體化奠定基礎。

5.2 基于IEEE 1588的時間同步系統

智能變電站更強調邏輯集成，故對時間同步的要求高于常規變電站和數字變電站。常規變電站時間同步主要用于SOE時標，用于判斷動作時序，但不影響電網本身的安全運行；數字化變電站強調同步采樣，但并不強調絕對時刻。智能變電站由于有協同互動功能，必須要有精確的絕對時標。

IEEE 1588-2008所定義的精確網絡同步協議實現了網絡中的高度同步，同步誤差可控制在1us，IEEE 1588-2008使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信。

5.3 高可用自動化網絡

在智能變電站中，“二次系統”的范圍已從保護、測控等擴大到通信網絡。根據IEC61850，諸如采樣值傳輸、母差保護等功能必須實現無擾恢復，即交換機、光纖等發生任意單點故障后，通信網絡皆可零延時恢復，從而使應用層感受不到擾動。

5.4 GARP組播注冊協議

GARP組播注冊協議（GMRP，GARP Multicast RegistrationProtocol）實現IED和交換機的互動，由裝置告訴交換機需要接受哪些組播地址的數據，避免了交換機的維護工作，自然也就不存在人工配置可能帶來的問題。

結語

智能變電站是建設智能電網的重要基礎和支撐。在設備層面，其智能化主要體現在智能一次設備以及設備狀態監視等；在系統層面，其智能化主要表現為采集“全站、唯一、標準、同步”的全景信息，獲得基于全景信息的優化控制結果并最終滿足智能電網的運行要求。

[1]趙瑩.智能變電站技術研究綜述[J].云南電力調度控制中心，2011（09）.

[2]司為國.智能變電站若干關鍵技術研究與工程應用[J].上海大學，2009（10）.