智能變電站設備與設計框架分析與研究

摘 要：智能變電站是堅強智能電網的重要組成部分，變電站一、二次設備的智能化程度是智能變電站的重要標志。它可以實時準確地反映變電站各類設備的運行狀態，及時發現設備存在隱患及出現的故障，在降低設備投入成本的同時，優化設備配置，提高設備效率。同時，還能夠預知設備故障，提高調控中心提供設備的預知能力。智能變電站設計，采取以構建變電站智能化網絡框架為前期基礎。全站網絡在邏輯功能上由站控層、間隔層、過程層組成。該框架是電網信息處理的基礎，直接和能量系統耦合。

關鍵詞：智能變電站；一次設備；二次設備；框架設計

1 概述

智能化一、二次設備作為智能化變電站重要基本元素主要采用統一的信息接口，實現設備運行狀態實時監測、在線測量、控制、保護，以及信息通信數據交換技術一體的智能化設備，可以滿足智能電網一體化的整體需求。智能化設備可以通過自身集成的狀態監測設備做出可靠的自我評價，判斷一次設備的運行狀態，識別、傳送故障的早期征兆，及時做出相應自制反應。在故障發生的同時對故障進行分析，對故障環節及損壞程度進行評估。并且滿足電源接入和撤出電網的靈活性要求。

2 智能化一次設備

智能變電站與常規變電站的主要區別因素就是智能變電站智能化一次設備的配置能力要明顯優于常規變電站。其數字化、網絡化、可視化、狀態評價是主要特點，通過建立設備在線監測模塊、配置合并單元和智能終端，并采取傳感器與設備的一體化安裝建立起來的智能化程度遠遠優于常規變電站。此外，后臺的集成系統將設備運行數據統一匯總整理分析，在提高設備運行管理質量的同時，為設備狀態檢修和遠程自動化提供了便利條件，設備壽命不但得以延長，其全壽命周期成本還有效降低。

智能化一次設備包括以下三個組成部分：

（1）設備的本體。

（2）設備傳感器，除某些帶有執行器的一次設備（電動機）外，互感器基本都采取以下三種形式，一是在高壓設備的元器件中安裝，二是內置于高壓設備本體，三是外置于高壓設備本體。

（3）智能化組件，它主要是由設備測量裝置、檢測裝置、計量裝置、控制裝置、保護裝置集合而成，一次設備、傳感器及智能化組建形成了一個有機整體，實現常規變電站與站內一次主設備相關的測量、控制、計量、監測、保護等全部或部分功能。智能組件與傳感器之間通常由模擬信號電纜連接，與執行器之間通常由模擬信號電纜或光線網絡連接。

智能一次設備包含傳感器、執行器及智能組件。傳感器采集模擬信號并傳輸到智能組件，經過智能組件處理，傳送到執行器就地動作，另一部分無法就地完成的，由智能組件轉化成數字信號傳送到上一層。

智能設備技術要求：變電站一次設備應具備以下要求，良好的動作可靠性、與環境的適應性，并具備就地的智能組件。為了節省變電站空間，一次設備往往采用組合型，例如GIS。智能組件應具備既拆卸方便簡潔又高度集成化、運行狀態可視化、測量分析數字化、控制操作網絡化的特點。智能組件一般由一個及以上的電子裝置完成與站控層的數據交互，相關的IED裝置也應具備時鐘信息的識別及防誤功能。同時還應具備守時、就地評估、事故預警等功能。所有保護及測控原件應具有標準物理接口，可以即插即用。在此基礎上，應進一步優化網絡配置方案，確保其功能的準確實現。

3 智能化二次設備

智能變電站對于智能電網來說，是重要組成部分，而智能化變電站的重要特征則體現在數字化的設備信息，緊湊化的結構組成，集成化的智能功能等方面。通過二次設備系統集約統籌，將大大減少接線施工、運行維護的工作量；通過二次系統優化整合，壓縮功能房間的使用面積，有效降低設備能耗和全壽命周期成本，不斷提高變電站運行管理水平，智能電網建設持續推進。

智能變電站應通過局域網絡機制實現二次設備網絡化信息交互，為智能化變電站二次系統網絡化各種應用功能的實現提供了重要的技術支撐。變電站智能化系統配置規約：通常主機工作站、通信裝置、分析系統、智能接口設備組成了變電站站控層。間隔層設備主要包括測控、保護、計量、處理等裝置，以及智能接口等設備。

4 智能變電站系統網絡化構架

智能變電站網絡系統采用高速以太網，且支持IEC61850規約，并滿足傳輸速率大于800Mb/s，所有連接到以太網的各類設備必須具有必要的通信接口。

全站網絡在邏輯功能上由站控層、間隔層、過程層組成。站控層網絡拓撲采用星型結構。過程層網絡分為SV（采樣數據網）網和 GOOSE網，SV網和GOOSE網物理上相互獨立，同樣采用星型拓撲結構。保護采用雙重化保護定值，相應的過程層網絡也應該雙重化配置，以及兩個過程層網絡完全獨立，并滿足繼電保護點對點直采、直跳的原則。

站控層網絡，設計構成站控層以太網，采用智能工作組網絡交換設備；10kV網絡系統通常屬于站控層網絡，所以采用智能工作組網絡交換設備，通過光纖接入站控層；對于構成針對主變壓器GOOSE控制網，采用符合IEC61850的工業級網絡交換設備，且能支持GOOSE技術。

4.1 過程層

過程層（也稱設備層）是為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。由一次設備和二次設備構成，智能設備由一次設備和智能組件構成，此外還包括其配套的合并單元和智能終端。智能設備主要由順序控制操作為宜。

4.2 間隔層

間隔層設備實現一個間隔的數據，并作用于該間隔一次設備，并且能夠與各種遠方輸入/輸出、智能傳感器和控制器通信。由繼電保護裝置、測控裝置等二次設備組成。

4.3 站控層

站控層為信息統一的存取平臺，功能為將全站各類信息進行統一建模，并且建立全景信息統一采集、存儲、處理、展示和上送的功能，為各種高級應用提供可靠、穩定和高效的數據。

5 結束語

智能化一、二次設備作為智能化變電站重要基本元素主要采用統一的信息接口，實現設備運行狀態實時監測、在線測量、控制、保護，以及信息通信數據交換技術一體的智能化設備，可以滿足智能電網一體化的整體需求。變電站智能化框架設計是智能化變電站的核心，是變電站能否達到智能化要求的關鍵。通過對智能變電站網絡化框架的分析研究制定站控層、間隔層、過程層方案，從中優化，選擇最終實施方案，使得變電站建設的經濟性、適用性、穩定性、環保性都得到進一步提高。

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作者簡介：鄧志輝（1987-），江西崇仁人，畢業于南昌大學電力電子與電力傳動專業，主要研究方向：電力系統設計與規劃。