淺談智能變電站組網方案

吳東憲 馬成龍

摘要：變電站作為電力系統中一個重要的環節，是連接發電站與電力用戶之間的一個關鍵所在。目前智能電網技術的發展已經日趨成熟，國內變電站自動化、數字化、智能化也得到了相應的發展，由此產生了智能變電站。文章首先介紹我國智能變電站發展現狀，同時對智能變電站架構體系進行分析，并著重闡述智能變電站組網優化方案。

關鍵詞：智能變電站；組網方案；電力系統；發電站；電力用戶 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM76 文章編號：1009-2374（2016）05-0117-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.059

常規變電站主要指的是變電站具有全站統一的數據模型和通信平臺，變電站內一次電氣設備和二次電子設備間均實現數字化通信，并在此平臺基礎上實現智能裝置間的相互操作。而智能變電站具有一次設備數字化、智能設備網絡化、基礎數據完備化、信息交換標準化、運行控制自動化、信息展示可視化、分析決策在線化、保護控制協同化、設備安裝就地化等特點。與常規變電站相比，智能變電站能實現很好的低碳環保效果，具有良好的交互性和可靠性等優點。智能變電站的運行使用不但提高了電網體系運行質量與效率，而且對于保證電網運行的安全穩定性具有顯著作用。

1 我國智能變電站發展現狀

我國智能變電站相對于國外發達國家研究與開發起步較晚，2009年我國的智能電網建設開始試點規劃，到2010年底我國就已建成110～750千伏智能變電站18座，在建56座，同時在23個城市核心區建設智能配電網。2011年我國智能電網建設在全國范圍內全面起步，計劃在“十二五”期間建成智能變電站5000座。到2015年為止，我國的智能電網建設已經初見成效，國家電網將能夠支撐9000萬千瓦風電和800萬千瓦太陽能發電的接入和消納。同時對于大家關心的智能電網的安全性問題，國家電網建立了系統的特高壓與智能電網技術標準體系，發布企業級標準267項、行業標準39項、國家標準20項、國際標準7項。

另外，在目前技術設備信息化和智能化的大背景下，現在智能變電站的研究應以智能化互感器設備、智能斷路器和具備過程層通信接口的二次設備等智能化電力一次設備為主要研發對象，同時攻克數字化建站中的技術難題。其中智能化互感器設備已完成多種樣機的研制，并投入運行使用；智能斷路器等其他一次設備在實現了自動監控GIS裝置內部電器元件及操作機構部分的狀態以及有效采集與分析處理GIS裝置內部多種狀態參數等方面作用突出；具備過程層通信接口的二次設備已基本完成研發，并投入實際應用中；國內已有多個智能變電站投入運行。

2 智能變電站架構體系

智能變電站較常規變電站選用了非常規互感器，其網絡通信系統以交換式以太網和光纖組成，并采用了基于微電子技術的IED設備功能、信息的冗余等，這使得智能變電站實現了小型化、緊湊化的設計與布置。

對于智能變電站基本結構來說，其主要由過程層、間隔層和變電站層三部分組成。其中智能變電站的過程層主要具有運行設備狀態檢測、實時運行電氣量檢測和操作控制命令執行等功能；智能變電站的間隔層的主要功能則表現為：實施對一次設備的保護控制功能、匯總本間隔過程層實時數據信息、執行數據的承上啟下通信傳輸功能、實施本間隔操作的閉鎖功能以及對數據采集、統計運算及控制命令的發出具有優先級別控制等；智能變電站的變電站層以接收或傳輸實時數據信息為主要任務，并且具有站內當地監控與人機聯系功能、在線可編程的全站操作閉鎖控制功能以及對前面兩層進行在線修改參數、在線組態、在線維護等功能。

智能變電站組網方案以過程總線的組網方案與變電站總線的組網方案為主，具體為：

第一，對于過程總線組網方案來說，其根據數據流要求、可靠性要求以及現場情況等，分為面向間隔原則、單一總線原則、面向位置原則以及面向功能原則。其中面向間隔原則主要是指總線段各個間隔具有自身的分總線段，并且具有一定獨立性，該組網方案具有簡便性、可操作性以及易于維護等優點，但成本費用較高；單一總線原則電網內所有設備都連接在全站單一的通信總線中，該組網方案具有使用交換機數量少、成本費用低等優點，但是其運行需要較高的總線速率，且運行可靠性較差；面向位置原則主要是指每個間隔總線段覆蓋了多個間隔，若IED裝置位于各個傳感器中心時，高壓端下來的光線距離最短，實現了母線電壓互感器互用，節約了成本費用；面向功能原則指的是按照保護區域對總線段進行設置。

第二，對于變電站總線的組網方案來說，其主要包括合并的變電站總線和過程總線、獨立的變電站總線兩種。其中采用合并的變電站總線和過程總線組網方案時，受到非控制性數據與控制性數據、非實時數據與實時數據共用同一網絡的影響，會產生一定的網絡爭用和安全性隱患。為解決此問題，通常選用虛擬局域網技術或者利用交換技術以太網的優先級排隊特性等。此外，隨著科學技術的快速發展，在工業自動化過程控制領域中，選用嵌入式以太網作為分組交換局域網，該組網方案局域網絡結構簡單、網絡速度快、網絡設備標準統一、帶寬較寬等優點。

3 智能變電站組網優化方案

3.1 智能變電站網絡結構現狀分析

筆者選用某智能變電站中智能化風電場升壓站為研究對象，分析了智能化變電站站網絡結構的現狀。

智能化風電場升壓站主要采用“三層兩網”機構，三層主要指的是過程層、間隔層和站控層，而兩網則指的是過程層網絡、站控層網絡。其中，過程層主要面向設備/間隔單元配置，以采集各種實時信息和執行控制命令為主要任務；間隔層設備可以就地下放或集中組屏，其主要具有檢測、測量、計量、控制、保護等功能；站控層主要由當地監控、高級應用、遠動通訊組成，具有站域控制功能；過程層網絡包括GOOSE網絡與SV采樣值網絡，分別具有實現開關量的上傳及分合閘控制量的下行與實現電流、電壓交流量的上傳功能；變電站站控層網絡主要以GOOSE網絡和MMS為主，擁有匯集全站信息的功能。而現行的升壓站網絡組網方案包括站控層組網方案和過程層組網方案兩部分。

3.2 智能變電站網絡結構優化

網絡結構優化和網絡流量優化是智能變電站網絡結構優化的兩個主要方面，具體為：

3.2.1 網絡結構優化方案。在結合國家電網出臺的《智能變電站技術導則》基礎上，制定的智能變電站網絡結構優化設計方案為采樣值信息（GOOSE）+（SV）共網傳輸方案。該組網方案既可以實現對網絡高時性的充分發揮，又可以確保智能變電站運行的安全性、高效性和可靠性。

但是，（GOOSE）+（SV）共網傳輸方案，由于采樣值數據流量較大，因此交換機之間的級聯端口可采用千兆連接。同時，其可能產生一定程度的信息干擾，應采取網絡流量優化等措施保證（GOOSE）+（SV）共網傳輸方案的順利實施。

3.2.2 網絡流量優化。常規網絡流量優化方案較多，例如流量工程（MPLS）、服務質量（QOS）以及虛擬局域網（VLAN）等。一方面，通過虛擬局域網（VLAN）進行流量優化；另一方面，通過端口速率限制防止SV業務擠占關鍵業務的帶寬。同時，對于業務的數據通信，通過業務模式減小網絡通信量，如采用GVRP動態組播一協議來降低網絡中的數據流量。此外，針對關鍵業務通信，通過優先級劃分保證關鍵數據優先傳送，如實施QOS機制，將關鍵業務設置為高優先級，交換機將優先處理高優先級的數據包，減少幀排隊延時，加快數據的

轉發。

4 展望

未來國家將會建設統一規劃、統一標準、統一建設的以特高壓電網為骨干網架，各級電網協調發展，具有信息化、互動化、自動化特征的智能電網系統，同時力求智能電網應用技術和管理技術都達到國際先進水平。第一，逐步實現電網系統中電氣設備的數據網絡化和集成化發展，促進電氣設備數量的減少與電氣設備成本費用和后期維護保養費用的降低；第二，逐步推行電網標準方案，建立健全世界范圍內配置平臺，促進電網系統開發攤銷成本的降低；第三，不斷加強智能變電站總體成本資產分析與控制，實現智能電網系統的智能化監測與維護，實現電氣設備使用壽命最大化。總而言之，智能變電站的運行使用不但提高了電網體系運行質量與效率，而且對于保證電網運行安全穩定性具有顯著作用。隨著我國社會經濟的快速發展，對國家電網運行的安全性、穩定性提出了更高要求，因此加快智能變電站研究與開發具有重要的現實意義和指導作用。

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作者簡介：吳東憲（1986-），男，長春工業大學在職研究生，國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司助理工程師，研究方向：繼電保護；馬成龍（1985-），男，長春工業大學在職研究生，國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司助理工程師，研究方向：繼電保護。

（責任編輯：秦遜玉）