關(guān)于智能變電站關(guān)鍵技術(shù)問題的研究

黃曉揚(yáng)

摘 要：隨著智能電網(wǎng)不斷的發(fā)展，智能化變電站已經(jīng)被廣泛推廣應(yīng)用。本文針對(duì)現(xiàn)有的智能變電站發(fā)展?fàn)顩r，介紹了智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相比于傳統(tǒng)變電站的技術(shù)特點(diǎn)，并通過各個(gè)方面詳細(xì)探究了智能變電站發(fā)展建設(shè)中需要重點(diǎn)關(guān)注的一些問題，在今后的發(fā)展過程中明確方向，使其得到更好的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能變電站；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；重點(diǎn)問題；光電式互感器

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

智能變電站，是通過數(shù)字化變電站演化而來，主要體現(xiàn)在一次設(shè)備簡單智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化、通訊規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化，使其更加自動(dòng)化、智能化，從而滿足電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的一種新型變電站模式。智能變電站的發(fā)展作為智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)，將有助于智能電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)工作的推進(jìn)。在當(dāng)前智能電網(wǎng)發(fā)展的大背景下，發(fā)展智能變電站已經(jīng)成為必然趨勢。通過近幾年的發(fā)展，智能化變電站技術(shù)水平日益提高，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模推廣應(yīng)用。但由于智能變電站在我國的發(fā)展時(shí)間較短，智能變電站各方面要求較高，在實(shí)際的應(yīng)用過程中還是需要重視一些關(guān)鍵問題，如果能處理好這些問題，將更有助于智能變電站的發(fā)展。

1智能變電站的技術(shù)特點(diǎn)

智能變電站的操作可以實(shí)現(xiàn)程序化、簡單化，減少了運(yùn)行人員的工作量，提高了設(shè)備的可靠性。光電式互感器的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)互感器飽和、過載、開路、鐵磁諧振等問題。通過智能控制裝置完成了對(duì)一次設(shè)備的就地?cái)?shù)字化。智能控制裝置通過光纖與保護(hù)控制裝置通信，上傳開入量并接收間隔層設(shè)備的控制命令，完全取消了設(shè)備層與間隔層之間的電纜。減少了電磁干擾，提高了保護(hù)、測量、計(jì)量系統(tǒng)的精度。提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?shù)字信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中的附加誤差極小，采用光纖傳輸，減少了二次接線。通信信道可多個(gè)通道傳輸信息，提高了信號(hào)傳輸?shù)男省Ｍㄟ^61850規(guī)范對(duì)各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一建模，把各自相對(duì)獨(dú)立發(fā)展的各項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)模塊集成在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，統(tǒng)一信息化保準(zhǔn)，對(duì)于不同廠家的多種智能電子設(shè)備（IED）之間的相互操作得以實(shí)現(xiàn)。

2智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，劃分更為具體，通過不同結(jié)構(gòu)的各自工作和相互配合，達(dá)到優(yōu)化工作效率的目的。智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般可以分為：站控層、間隔層和設(shè)備層三個(gè)分層。

2.1站控層

站控層是變電站的主要控制系統(tǒng)，包含監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和故障信息、安全保護(hù)等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)面向全站設(shè)備的控制、監(jiān)視、報(bào)警及信息交互功能，完成對(duì)數(shù)據(jù)采集和在線監(jiān)控、五防閉鎖以及保護(hù)信息管理、電氣量采集等相關(guān)功能。

2.2間隔層

主要連接站控層和設(shè)備層。設(shè)備一般包括繼電保護(hù)裝置、測控裝置、合并單元等設(shè)備，主要執(zhí)行數(shù)據(jù)的分析、信息的傳送反饋、故障處理等功能。同時(shí)也具備監(jiān)測功能和繼電保護(hù)功能，對(duì)設(shè)備層的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并通過光纖連接同設(shè)備層進(jìn)行通訊。

2.3設(shè)備層

設(shè)備層是智能變電站的主要工作區(qū)間，包含變電站的一次設(shè)備、合并單元和智能終端等，主要完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護(hù)、計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測等相關(guān)功能。

3智能變電站建設(shè)重點(diǎn)問題思考

雖然智能變電站在電力領(lǐng)域中的使用時(shí)間和發(fā)展時(shí)間比較短暫，但智能變電站的發(fā)展卻十分迅速，也取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)，并且在各個(gè)方面都取得了突破性的進(jìn)展。但由于智能變電站在我國的發(fā)展時(shí)間較短，發(fā)展水平有限，在實(shí)際應(yīng)用過程中還是會(huì)有一些問題，需要我們思考關(guān)注。以下是對(duì)智能變電站一些關(guān)鍵問題的具體歸納。

3.1技術(shù)、管理水平

對(duì)于智能變電站來講，是對(duì)傳統(tǒng)變電站的一種創(chuàng)新，從變電站的基建到變電站的運(yùn)行與維護(hù)等環(huán)節(jié)，都需要新的技術(shù)手段和設(shè)備工具。智能變電站的技術(shù)特點(diǎn)也決定了平時(shí)的維護(hù)工作高度融合了保護(hù)、通信、自動(dòng)化等專業(yè)知識(shí)。因此，智能變電站的運(yùn)行、建造和維護(hù)工作需要有相關(guān)專業(yè)技術(shù)的人才來開展實(shí)施，而目前智能變電站方面的人才有限，工作人員的專業(yè)水平也有待提高，如果過度依賴廠家技術(shù)服務(wù)，對(duì)智能變電站后的運(yùn)維工作極為不利。這方面還需要進(jìn)一步的落實(shí)和實(shí)施。

除了技術(shù)水平要求全面外，運(yùn)行管理方面也很重要，智能化系統(tǒng)增加了順序控制、協(xié)同互助、在線監(jiān)測等高級(jí)應(yīng)用功能。雖然提高了工作效率、縮短了工作時(shí)間，但同時(shí)也對(duì)運(yùn)行人員提出了更高的要求。加之在智能終端、合并單元、GOOSE交換機(jī)等新的設(shè)備出現(xiàn)之后，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場初步做出判斷，分析故障原因。所以，就需要運(yùn)維人員掌握各方面專業(yè)知識(shí)，不斷提高技術(shù)水平。

3.2改造實(shí)施方案

目前國內(nèi)存在傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化變電站來兩大模式。傳統(tǒng)變電站存在采集資源重復(fù)、系統(tǒng)多套、廠站設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜、互操性差、信息不標(biāo)準(zhǔn)、不規(guī)范等問題；數(shù)字化變電站存在缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、過程層設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性有待驗(yàn)證、缺乏相關(guān)評(píng)估體系和手段等問題。所以為了電網(wǎng)安全運(yùn)行水平的進(jìn)一步提高，迫切需要進(jìn)行智能化改造。目前的智能化變電站改造工作還處于不斷實(shí)踐的過程，還沒有比較理想的實(shí)施方案，影響了智能變電站的推廣和普及工作。智能變電站的建設(shè)一般采用新建或在原有的基礎(chǔ)上改造的形式來進(jìn)行，由于傳統(tǒng)變電站的工作原理和技術(shù)實(shí)施同智能變電站之間存在很大區(qū)別，也使得智能化變電站改造工作的開展十分困難。如何更有效、規(guī)范的進(jìn)行智能化改造是我們必須解決的問題。

3.3數(shù)據(jù)采集、共享

智能變電站中對(duì)于數(shù)據(jù)的采集有著較高的要求，測量精度要求高的的模擬量，宜采用高精度數(shù)據(jù)采集技術(shù)、對(duì)于絕對(duì)時(shí)標(biāo)和同步有著高精度要求的數(shù)據(jù)，需要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一斷面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同步采集。所以在智能變電站中對(duì)于數(shù)據(jù)同步采集工作存在著一定的技術(shù)困難。在傳統(tǒng)變電站中，各個(gè)單元內(nèi)部的采樣工作可以通過單元結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，無需同其他設(shè)備單元配合。在智能變電站中，合并單元作為間隔數(shù)據(jù)的集中采集源，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤會(huì)使大部分保護(hù)閉鎖，擴(kuò)大故障范圍。在互感器內(nèi)部，采集數(shù)據(jù)信息的回路較多，當(dāng)互感器內(nèi)部的任何回路出錯(cuò)時(shí)，極易造成信息失效，導(dǎo)致信息采集工作無法正常進(jìn)行。另外通過光纖傳輸采樣數(shù)字信號(hào)，存在著開路、斷線的可能，同樣存在采樣異常情況。在數(shù)據(jù)共享方面，目前的技術(shù)普遍只在站內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的共享，沒有被整個(gè)電網(wǎng)所共用。如果能夠?qū)?shù)據(jù)信息有效統(tǒng)計(jì)和快速獲取并完全實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享通，將有利于供電可靠性的提高，供電質(zhì)量的提高和電網(wǎng)運(yùn)行管理水平的提高。endprint

3.4保護(hù)性能

智能變電站中，電子式互感器信息的傳輸方式為先從互感器到合并單元，再從合并單元到交換機(jī)設(shè)備或保護(hù)測控裝置，由于中間傳輸環(huán)節(jié)較多，增加了傳輸延時(shí)。同時(shí)保護(hù)跳閘出口過程為從保護(hù)裝置到智能終端再到開關(guān)機(jī)構(gòu)。保護(hù)跳閘出口要經(jīng)過智能終端的處理之后再作用到一次設(shè)備機(jī)構(gòu)中，對(duì)保護(hù)快速性有一定影響。保護(hù)動(dòng)作的延時(shí)主要為合并單元、智能終端的處理和光纖傳輸，相比于傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)慢了5～7ms。另外，對(duì)采樣和跳閘點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的要求，必然會(huì)導(dǎo)致光纖的大量集中使用，大量的光接口元件同時(shí)作用于同一塊插件，會(huì)造成光接口設(shè)備功率增大導(dǎo)致發(fā)熱。應(yīng)考慮分散布置的方法，如將母線差動(dòng)保護(hù)、變壓器保護(hù)等按主單元和子單元分置，以減少光纖過多集中的影響。

3.5信息安全問題

信息安全問題是智能電網(wǎng)安全的核心問題之一，傳統(tǒng)的變電站設(shè)備之間是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，安全性較高。而智能變電站的信息傳輸和數(shù)據(jù)共享都是依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來完成和實(shí)現(xiàn)，所有智能設(shè)備的信息全部集中于局域網(wǎng)上，由于網(wǎng)絡(luò)的普遍性和復(fù)雜性，容易造成智能變電站的信息流失，就決定了不可避免地存在信息安全隱患。如果某智能設(shè)備（IED）受到惡意攻擊時(shí)，有可能對(duì)整個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的安全帶來極大的影響。由于變電站智能設(shè)備（IED）之間將不再有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的硬接線，傳統(tǒng)變電站內(nèi)裝置之間將不再有明顯的安全隔離點(diǎn)，裝置在任何情況下的隔離措施都將通過軟件來實(shí)現(xiàn)，控制、事件記錄等功能也全部通過軟件實(shí)現(xiàn)。這種對(duì)等方式信息交互的信息機(jī)制，將更多地體現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)的安全性問題。因此，智能電網(wǎng)的信息安全問題必須充分考慮。目前一些新的安全技術(shù)例如網(wǎng)絡(luò)防火墻技術(shù)、加密技術(shù)、權(quán)限管理等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的發(fā)展，可以給如何更好的進(jìn)行信息安全防護(hù)帶來了新發(fā)展的方向。

3.6同步對(duì)時(shí)

智能變電站的二次系統(tǒng)通常包含光電式互感器、合并單元、交換機(jī)、保護(hù)測控裝置等設(shè)備。傳統(tǒng)互感器、保護(hù)測控裝置以及一次設(shè)備之間通過光纖連接替代了以往的電纜連接，保護(hù)測控設(shè)備的電流電壓采樣值輸入也由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入，信息的共享程度和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性大幅度提高，這些變化對(duì)智能變電站的同步系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)變電站對(duì)時(shí)是通過判斷動(dòng)作順序?qū)崿F(xiàn)，不影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。智能變電站由于有協(xié)同互動(dòng)功能，必須有精確的絕對(duì)時(shí)標(biāo)。站內(nèi)需采用基于衛(wèi)星時(shí)鐘對(duì)時(shí)系統(tǒng)，延時(shí)精度也需要滿足分布式應(yīng)用功能的需要，另外從電網(wǎng)安全的方面考慮，在條件成熟的情況下宜優(yōu)先采用北斗星時(shí)鐘對(duì)時(shí)系統(tǒng)。

3.7光電式互感器的使用

光電式互感器的采用被認(rèn)為是智能變電站的標(biāo)志。光電互感技術(shù)的發(fā)展突破了傳統(tǒng)互感器的不足，大大提高了性能，正在被使用的電子式或光電式互感器，具有無傳導(dǎo)電磁干擾、無磁飽和和諧振、良好的暫態(tài)特性、絕緣性好、體積小、安全性高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際的應(yīng)用中，也確實(shí)存在一些問題需要被關(guān)注。

有源光電互感器（EVT/ECT）的線圈以羅柯夫斯基（Rogowski）線圈為主，工作原理是高壓側(cè)通過激光向電子模塊供電，輸出的電信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再經(jīng)過LED電路轉(zhuǎn)化為光信號(hào)最后再由光纖傳遞到低壓側(cè)。由于該類型光電互感器的傳感頭需要激光進(jìn)行供電，因此稱為有源型光電互感器。有緣式存在的問題有物理距離受限制、測量精度的溫度漂移問題、需要供電存在運(yùn)行可靠性問題、易受外界電磁干擾、長期大功率供能影響光器件使用壽命等。無源式電流互感器（OVT/OCT）主要利用法拉第（Faraday）磁光效應(yīng)，傳感器檢測到被測信號(hào)，并將信號(hào)通過光纖傳輸?shù)礁鳒y量設(shè)備。無源式電壓互感器是利用普克爾（Pockels）電光效應(yīng)。無源式光電互感器不需要激光對(duì)傳感頭進(jìn)行供電，因此高壓測的結(jié)構(gòu)簡單，但是制造困難成本高，高精度測量時(shí)很難實(shí)現(xiàn)。因此，無源式目前尚未得到廣泛應(yīng)用，需要進(jìn)一步進(jìn)行完善。無緣式存在的問題有晶體雙折射現(xiàn)象、發(fā)光源LED老化、光前的偏振效果、維爾德常數(shù)溫度效應(yīng)等。因此在智能變電站的建設(shè)推廣工作中，需要重點(diǎn)考慮互感器各種優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行合理配置。

3.8創(chuàng)新點(diǎn)的實(shí)踐

通過對(duì)智能變電站的發(fā)展建設(shè)，不斷地探索研究，如何有效利用其多方面創(chuàng)新的功能，也是一個(gè)很有意義的問題。例如變電站一次設(shè)備智能化，即狀態(tài)監(jiān)測、診斷、智能預(yù)警、狀態(tài)檢修及資產(chǎn)評(píng)估。通過智能變電站與大用戶、相關(guān)變電站及調(diào)度中心之間的互動(dòng)協(xié)作。支持電能質(zhì)量控制、變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及電壓有無功宏觀上的協(xié)調(diào)控制。在今后的發(fā)展過程中需著重考慮怎樣通過以上的多種應(yīng)用水平，提高智能變智能應(yīng)用水平。

3.9綠色環(huán)保

智能變電站的定義，首先是要采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備。隨著城市的快速發(fā)展，對(duì)電力的需求也越來越大，但由于變電站進(jìn)城難落地難的問題，大力發(fā)展占地更小，更加環(huán)保的集成式智能變電站已成為今后發(fā)展的大趨勢。面對(duì)全球能源的緊缺，環(huán)保低碳、可持續(xù)發(fā)展逐步成為各國能源政策的主旋律。為了符合當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展現(xiàn)狀，在加強(qiáng)變電站的建設(shè)時(shí)，要堅(jiān)持節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的原則。通過資源優(yōu)化、設(shè)備配置優(yōu)化等一系列方式，不斷研究創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)智能變電站真正的環(huán)保、低碳。

結(jié)語

智能變電站實(shí)現(xiàn)了信息的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、共享化等高級(jí)功能要求，提高了電網(wǎng)運(yùn)行水平，這對(duì)于我國電力事業(yè)的發(fā)展有著非常重大的意義。但在智能變電站的發(fā)展過程中，也存在著一些不足和關(guān)鍵問題，需要我們不斷的研究和完善，找到更合理的解決方案，使智能變電站的發(fā)展更加快速、穩(wěn)定。

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