智能變電站自動化系統體系結構探索

摘 要：智能變電站一體化監控系統是按照全站信息數值化、通信平臺網絡化、信息共享標準化的基礎要求，通過系統集成優化，實現全站信息的統一接入、統一存儲和統一展示，實現運行監視、操作與控制、綜合信息分析與智能告警、運行管理和輔助應用等高級應用功能。是大運行體系建設的基礎，是備用調度體系建設的基礎。本文通過全面解析智能變電站一體化監控系統，為日后的運行管理提供借鑒。

關鍵詞：智能電網；變電站；一體化系統；體系結構

中圖分類號：TM63；TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 06-0000-02

智能電網是當今世界電力乃至能源產業發展變革的最新動向，代表著未來發展的方向和社會的進步。智能變電站是智能電網的重要環節，隨著變電站自動化系統技術的發展和硬件水平的不斷提高，變電站自動化系統，一直朝設備集成度越來越多，模擬電纜越來越少的過程。智能變電站自動化系統是變電站的核心部分，它由一體化監控系統和輸變電設備狀態監測、輔助設備、時鐘同步、計算等共同構成，它是運行、保護和監視變電站一次設備系統，完成變電站的設備及其反饋線監視、控制、保護等功能。一體化監控系統是智能電網調度控制和生產管理的基礎。

一、智能變電站自動化系統結構

（一）網絡總體結構

變電站自動化系統是運行、保護和監視變電站一次設備的系統，完成變電站的設備及其饋線監視、控制、保護等功能。變電站自動化系統采用開放式分層分布結構，由“三層二網”構成。

（二）站控層

站控層德主要功能是為變電站提供運行、管理、工程配置的界面，并記錄變電站內的所有相關信息，具體如下：（1）匯總全站的實時數據信息，不斷刷新實時數據庫，按時登陸、填寫歷史數據庫。（2）按既定規約將有關數據信息送向調度或控制中心，接受調度或控制中心有關控制命令并轉間隔層、過程層執行。（3）監控系統和遠動通信服務器采用一體化數據庫配置方式，生成監控數據庫的同時即可完成遠動通信服務器的數據庫、功能及邏輯的配置，提高變電站的維護效率。（4）具體在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；站控層、間隔層共用一套防誤規則庫，防誤規則庫可由后臺監控生成并通過網絡下載到測控裝置，并可在后臺監控上模擬、預演、校驗測控裝置的防誤邏輯，有效的提高了系統的可靠性與維護效率。（5）具體站內當地監控，人機聯系功能，如顯示、操作、打印、報警，甚至圖像、聲音等多媒體功能。（6）具體對間隔層，過程層各設備的在線維護、在線組態、在線修改參數等功能。（7）具體變電站電壓無功控制小電流接地選線、故障自動分析和操作培訓等功能。

（三）間隔層

間隔層由保護、測控、計量、錄波、網絡記錄分析、向量測量等若干個二次子系統組成，在站控層及網絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監控功能，包括：（1）實施對一次設備保護控制功能；（2）匯總本間隔操作過程層實時數據信息；（3）實施本間隔操作閉鎖功能；（4）實施操作同期及其他控制功能；（5）對數據采集、統計運算及控制命令的發出具有優先級別的控制

（四）過程層

過程層由合并單元、智能終端等構成，完成一次設備相關的功能，包括實時運行電氣量德采集及檢測，設備運行狀態的檢測，控制命令的執行等。（1）實時運行電氣量采集及檢測。與常規變電站中數據采集功能一樣主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的采集及檢測，其他電氣量如有功、無功、電能量等可通過間隔側的設備預算得到。與常規變電站相比不同的是電流、電壓采集實現數字化，動態性能好，抗干擾性能強，絕緣和抗飽和特性好。（2）運行設備狀態檢測。變電站需要進行狀態參數監測的設備主要有變壓器、斷路器、隔離開關、母線等。在線監測的內容主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態的數據。（3）操作控制命令執行。操作控制命令的執行包括變壓器分接頭調節控制、電容器投切控制、隔離開關、接地開關、斷路器合分控制等。過程層的控制命令執行大部分是被動的，即按上層控制指令二動作。

（五）網絡結構形式的選擇

1.站控層網絡

站控層網絡實時性要求不高，在某一鏈路中斷時可以基于RSTP協議實現自愈，可采用雙星型或單環形結構。考慮雙星型結構清晰、擴展性好、檢修方便。在規模較大系統上優勢明顯，本站站控層考慮采用雙星型以太結構，冗余網絡采用爽網雙工方式運行，并實現網絡無縫切換。

站控層網絡傳輸MMS報文和GOOSE報文，采用MMS/GOOOSE和SNTP三網合一方式設計，邏輯功能上覆蓋站控層之間數據交換接口。站控層與間隔層之間數據交換接口。

2.間隔層網絡

間隔層由若干個二次子系統組成，在站控層及網絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監控功能，同站控層網絡選擇原則一致，本站間隔側考慮采用雙星型以太網結構，冗余網絡采用雙網雙工方式運行，并實現網絡無縫切換，間隔層網絡可傳輸MMS報文和GOOOSE報文。邏輯功能上覆蓋間隔層內數據交換、間隔層站控層數據交換、間隔層之間根據需要數據交換接口

3.過程層網絡

過程層網絡傳輸采樣值（SV）＼GOOSE/時鐘同步信號，其特點是實時性要求高、數據流量大，防范網絡風暴的成本高，且交換及工程配置復雜，宜采用無網絡風暴風險的星型網。本站采用雙星形網絡結構提高冗余度，確保可靠性。過程層網絡邏輯功能上，覆蓋間隔層與過程層數據交換接口。本變站內自動化系統一體化監控系統配置，采用開放式分層分布式網絡結構，邏輯上由站控層、間隔層。過程層以及網絡結構層。站內監控保護統一建模，統一組網，信息共享，通過規約統一采用DL/T860停下標準，建立信息一體化平臺，實現站控層，間隔層、過程層二次設備互操作。保護故障信息、遠動信息、微機防誤系統不重復采集。站控層設備按變電站遠景規模配置，間隔層、過程層設備按工程實際規模配置。

二、一體化監控系統

（一）一體化監控系統的基本技術原則

（1）遵循DL/T860，實現全站信息統一建模；（2）建立變電站全景數據，滿足基本數據的完整性、準確性和一致性的要求；（3）實現變電站信息統一存儲，提供統一規范的數據訪問服務；（4）繼電保護配置及相關技術要求遵循Q/GDW441《智能變電站繼電保護技術規范》；（5）與調度主站通信的文件描述和配置遵循Q/GDW622《電力系統簡單服務接口技術》Q/GDW623《電力系統動態消息編碼規范Q/GDW624《電力系統圖形描述規范》；（6）變電站信息通信遵循國家電力監管委員會電監安全[2006]34號文中《電力二次系統安全防護總體文方案》和《變電站二次系統安全防護方案》的要求。

（二）一體化監控系統體系架構

智能變電站一體化監控系統分為安全I區和安全II區。

（1）在安全I區中，監控主機采用集電網運行和設備工況等實時數據，經過分析和處理后進行統一展開，并將數據存入數據服務器，I區數據通信網關機通過直采直送的方式實現與調控中心的實時數據傳輸，并提供運行數據瀏覽服務。（2）在安全II區中，綜合應用服務器與輸變電設備狀態監測和輔助設備進行通信，采集電源、計量、消防、安防、環境監測等信息，經過分析和處理后進行可視化展示，并將數據存入數據服務器，II區數據通信網關通過防火墻從數據服務器獲取II區數據和模型等信息，與調控中心進行信息交換，提供信息查詢和遠程瀏覽服務。（3）綜合應用服務器通過正反向隔離向III/IV區數據通信網關機發布信息，并由III/IV區數據通信網關傳輸給其他主站系統。（4）數據服務器存儲變電站模型、圖形和操作記錄、告警信息、在線監測、故障波形的歷史數據，為各類應用提供數據查詢和訪問服務；（5）計劃管理終端實現調度計劃、檢修工作票、保護定值單的管理等功能。視屏可通過綜合數據網通道向視頻主站傳送圖像信息。

（三）一體化監控系統的應用功能

1.運行監視類應用

通過可視化技術，實現對電網運行信息、保護信息和一、二次設備運行狀態等信息的運行監視和綜合展示。該應用提供統一的信息展示界面，綜合展示電網運行狀態、設備監測狀態、輔助應用信息、事件信息和故障信息，實現裝置壓板的實時監視、當前定值區的定值及參數的召喚和顯示；實現一次設備運行狀態的在線監視

二次設備的在線監視，并通過可視化手段實現二次設備運行工況、站內網絡狀態和虛端子連接狀態監視。同時還為調控中心提供遠方查看智能變電站一體化監控系統的運行數據，包括電網潮流、設備狀態、歷史記錄、操作記錄、故障綜合分析結果等各種原始信息以及分析處理信息。

2.操作與控制類應用

實現智能變電站內設備就地和遠方的操作控制。就地操作控制包括順序控制、無功優化控制、正常或緊急狀態下的開關/刀閘操作、防誤閉鎖操作及智能操作票等功能。遠方操作控制是通過數據通信網關機向遠方調度部門提供站內各種數據，供調度端進行分析決策，并接收調度控制指令，遠程瀏覽、經濟運行與優化控制等功能。

3.信息綜合分析與智能告警類應用

通過收集智能變電站各類運行數據：站內實時/非實時運行數據、輔助應用信息、各種報警及事故信號等，并對各種信息進行綜合分析，根據分析結果，通過人機界面或語言的方式給出操作處理建議，同時向調控中心提供分類告警、故障簡報及故障分析報告等結果信息。

4.運行管理類應用

通過人工錄入或系統交互等手段，建立完備的智能變電站設備基礎信息，實現一、二次設備運行、操作、檢修、維護工作的規范化，包括源端維護、權限管理、設備管理、定值管理和檢修管理等內容。

5.輔助類應用

輔助應用具體包含變電站視頻監視、安防、照明、站用電源、環境監測、消防等子系統。通過標準化接口和信息交互，實現輔助系統設備的監視與聯動控制，并向一體化監控系統提供其自身工作狀態信息和設備信息。

（四）應用功能數據流向

智能變電站五類應用功能數據流向包括內部數據流和外部數據流。內部數據流是指五類應用之間通過標準數據總線與接口進行信息交互，并將處理結果寫入數據服務器。外部數據是指五類應用通過數據通信網關機與調控中心及其他主站系統進行信息交互。

（五）二次系統安全分區

一體化監控系統在遵循《變電站二次系統安全防護方案》原則的前提下，保證變電站信息一體化平臺及各個不同的應用系統按安全分區布置，構建變電站信息化安全防護體系，保障電力系統的安全穩定運行。現有的二次信息安全分區主要是根據《電力二次系統安全防護總體方案》的原則進行劃定的，按照一般習慣實時監控信息劃分為安全一區（控制區），繼電保護、電能量信息劃為安全二區（非控制區），狀態監測信息劃為安全三區，視頻監控等輔助系統信息劃為安全四區。電力系統二次安全防護的總體原則是“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”。對于站內信息的交互，安全一區與安全二區（或安全三區與安全四區）之間需加裝防火墻進行隔離，安全二區與安全二區之間需加裝正、反向隔離裝置進行隔離。對于以往的常規綜自站，由于變電站自動化系統、狀態監測系統、輔助系統之間往往獨立運行，因此僅需要考慮安全一、二區之間及各系統站內與主站間的防護。對于智能變電站，從國網公司試點站工程中可以看出，雖然實現了信息一體化平臺的建立，信息一體化平臺實現了同時接入變電站自動化系統、狀態監測系統、智能輔助系統相關數據的功能，但在各子系統接入信息一體化平臺的二次安全防護措施與位于安全三區，四區的狀態監測。智能輔助系統的數據之間采用正、反向隔離措施等。考慮到二次安全分區的制約，在試點站中變電站自動化系統、狀態監測系統和智能輔助系統仍分別獨立運行，系統之間并沒有形成數據有效交互與聯動。如果按照《智能變電站一體化監控系統建設技術規范》的要求，信息一體化平臺需同時接入安全一區、二區、三區和四區的信息，如果仍然按照原有分區辦法。需同時配置若干防火墻與隔離裝置，二次安防裝置的配置將會非常復雜和昂貴。同時，現有各系統之間普遍采用IEC61850標準通信，對于IEC61850這種雙向通信機制的處理，單向隔離裝置很難實現。迄今為止也沒有廠家能夠開發出采用IEC61850標準通信的單向隔離裝置，因此，按照原由分區，安全二、三區之間的隔離措施將無法完善實現。

三、結束語

智能變電站信息一體化平臺是按照全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化的基本要求，在“告警直傳，遠程瀏覽，數據優化，認證安全”原則上，通過系統集成優化，實現全站信息的統一接入、統一存儲和統一展示，實現運行監視、操作與控制、綜合信息分析與智能告警、運行管理和輔助應用等高級應用功能。智能變電站高級功能以站內一體化信息平臺為支撐，直接面向用戶需求，面向變電站的運行、檢修、調試、管理等多方面，提高智能變電站的運行管理水平，提高變電站維護的自動化程度，實現變電站運行的實時自動控制、智能調節，在線分析決策，實現變電站與電網的協同互動，為各級電網的安全、穩定、高效運行及電力設備全壽命周期綜合優化管理奠定了基礎。是對“調控一體，運維一體”的有力支撐。同時對于建設堅強智能電網具有重要意義。

[作者簡介]寧兵（1959-），男，甘肅武威人，大專，研究方向：項目管理。