變電站電力系統的自動化智能控制技術探究

劉道興

（福建宏瑞建設工程有限公司，福建 福州 350003）

0 引 言

變電站是電能輸送過程中的重要一環。在當前人們生產生活對電能非常依賴的背景下，保證變電站高效、穩定以及自動化運行具有重要的現實意義[1]。變電站電力系統自動化功能的實現離不開自動化智能化技術的支撐，因此做好相關自動化智能控制技術的研究對提高變電站電力系統的控制水平意義重大。電力部門應提高認識，結合變電站電力系統控制實際，有計劃的部署自動化智能控制技術，促進變電站電力系統控制質量與水平的進一步提升，為我國電力事業的長遠穩步發展作出應有貢獻。

1 變電站電力系統自動化智能控制的必要性

變電站在電能輸送過程中占據重要地位，其涉及較多的電氣設備，對管理工作質量與精度要求較高[2]。在變電站電力系統中通過運用自動化智能控制技術非常有必要，主要體現在以下方面。

其一，保證電能供應質量。電能是人們生產生活中的重要能源，尤其我國正處在經濟發展的關鍵時期，如何保證電能的供應質量是電力部門工作的重中之重。變電站運行中可能會出現各種突發狀況，因突發狀況的不確定性大，所以大大增加了管理工作難度，而運用自動化智能控制技術可實現對變電站電力系統的實時監測，并能夠及時響應出現的各種不良問題，能夠對可能出現的故障進行評估和預測，為電能的穩定供應提供良好保障。其二，降低人工成本。以往變電站電力系統的管理主要以人工方式進行，需要變電站在人員招聘和培訓等上投入較大成本，而應用自動化智能控制技術一次性投入，便可從中長時間的受益，有效的降低人工成本[3]。其三，提高管理效率。在變電站電力系統中運用自動化智能控制技術不用考慮主觀因素的影響，而且能快速響應各類故障，管理質量有保障且效率高。

2 變電站電力系統自動化智能控制系統的構成

變電站一次系統主要包含輸送和分配電能的電氣設備，是整個電力系統的核心。二次系統負責監測與管理電力系統及一次設備的運行情況，是確保變電站電力穩定運行不可或缺的重要部分[4]。

2.1 一次系統

一次系統包括主接線、斷路器、互感器、電抗器、消弧線圈以及防雷接地裝置等[5]。其中主接線用于連接各電氣設備，確保電能按照預定的功率。接線方式分為無母線接線方式和有母線接線方式。斷路器的作用主要有兩種，一是根據供電需要退出或投入某些電器設備，二是響應故障，與繼電保護器配合從系統中切除故障設備，保證電力系統的穩定運行。互感器有電壓互感器與電流互感器之分，其作用主要有兩點，一是將一次系統中的高電壓與電流轉化成二次系統的低電壓與電流，以滿足繼電保護及測量工作需要，二是分開高電壓與低電壓的繼電保護裝置和測量儀器等，確保設備及相關人員安全。電抗器具有無功補償、穩定電壓以及限制短路電流等作用。消弧線圈的作用是在發生接地故障時補償接地電流，使接地電流大大減小，避免出現接地電弧，增強供電的穩定性和可靠性。防雷接地裝置有避雷器、避雷網以及避雷針等。

2.2 二次系統

二次系統主要由繼電保護系統、遠程控制系統、故障信息系統以及計量系統構成[6]。其中地面保護系統的作用在于能夠迅速跳閘，快速地響應電網故障，遠程控制系統用于測控信息傳輸情況，并進行遠程操作，故障信息系統負責故障錄波和故障測距等，計量系統用于計量電費與經濟結算等。

另外，二次回路可分為交流電壓回路、交流電流回路、控制回路以及信號回路等。用電流電壓回路能夠方便地獲取電力系統的無功功率、有功功率以及各運行電氣設備的電流、電壓值，有助于工作人員從整體上把握電力系統地運行情況，并根據分析的結果做出對電力系統的控制操作。控制回路主要用于控制斷路器和隔離開關等，通過采集信號裝置的信息實現對電力系統及電氣設備運行狀態的監控，并根據實際情況向工作人員發送事故信號、預告信號以及位置信號等，幫助工作人員迅速鎖定故障位置。此外，部分電站的二次回路使用直流電源供電，以達到保護相關設備的目的。

3 變電站電力系統自動化智能控制體系結構

變電站電力系統自動化智能控制體系如圖1所示，由站控層、間隔層以及過程層構成[7]。其中站控層由保信子站、遠動裝置、五防主機、操作員主機以及監控主機構成，間隔層由故障錄波器、測控裝置以及保護裝置等構成，過程層主要由智能終端和合并單元構成。

圖1 變電站電力系統自動化智能控制體系

4 變電站電力系統自動化智能控制關鍵技術

4.1 通信技術

變電站電力系統自動化智能控制功能的實現需要通信技術的支撐。根據通信方式可將通信網絡形式劃分為點對點通信、分支通信以及交換通信。為保證通信的正常進行，需要使用專門的設備將不同的信號形式及信號轉化成能夠被對方識別的信號類型，從交換形式上可分為報文交換和分組交換。另外，在通信網絡上還可進行信息的廣播，即在每一個通信站均設一臺專門與其他通信站共享同一傳輸媒體的收發信機，任意通信站以廣播形式發送信號時，均能被其他的通信站接收，這一功能的實現有助于實現對變電站的統一管理。

目前來看，變電站電力系統自動化智能控制通信功能的實現普遍使用以太網技術。該技術應用載波監聽多路訪問及沖突檢測技術，并且能夠在不同類型的電纜上以10 Mb/s的速率運行。在傳輸信息時以太網遵循先聽后發、邊聽邊發、沖突停發以及隨機延遲后重發的原則[8]。

4.2 電子式互感技術

電子式互感器是變電站電力系統自動化智能控制的重要電氣元件，分為電子式電流互感器（Electronic Current Transformer，ECT）和電子式電壓互感器（Electronic Voltage Transformer，EVT）。其中ECT包括有源電子式互感器、磁光玻璃式電子式電流互感器以及全光纖電子式電流互感器。有源電子式互感器中，空心線圈是其敏感元件，光纖僅用于信息的傳輸[9]。但因其使用開環控制技術因此精度及動態范圍具有一定的局限性，而且容易受到雜散磁場的干擾。磁光玻璃式電子式電流互感器中使用特殊的光學材料，傳輸元件由光纖充當。光學玻璃傳輸光信號時具有較大的損耗，而且容易受溫度的影響[10]。全光纖電子式電流互感器既充當傳輸元件，也充當敏感元件，因光路的輸入和輸出使用統一的路徑，所以抗干擾性和穩定性較強。另外，其應用閉環控制技術不僅精度高，而且動態范圍大。

EVT包括有源電子式電壓互感器和無源電子式電壓互感器。其中有源電子式電壓互感器原理簡單，技術成熟，但其對變壓器的穩定性和精度具有較高要求。該類互感器包括阻容分壓型、電容分壓型以及電阻分壓型等。無源電子式電壓互感器測量頻帶寬和絕緣性能好，能夠很好的適應數字化要求，但其研制難度難度大，對材料穩定性具有較高的要求。

4.3 對時同步技術

變電站電力系統的自動化智能控制運行中對時間精度要求較高，具有專門的時間同步系統。時間同步系統能夠保證電力系統數據采集的一致性，尤其在電網參數校驗、線路故障測距以及電網故障分析中發揮重要作用。

時間同步系統應用的授時技術主要有長短波授時技術、低頻時碼授時技術以及衛星授時技術。其中，衛星授時技術包括GPS授時技術、GALILEO授時技術以及北斗授時技術等。GPS時間以美國海軍天文臺的協調世界時為主要參考，是一個連續的時間尺度。GALILEO為歐盟授時系統，其由在2.4×104km軌道高度上的30顆衛星構成，授時誤差不超過1 m[11]。北斗衛星導航系統是我國獨立研發的全球衛星導航系統，2020年7月北斗三號全球衛星導航系統正式開通，可全天時全天候為用戶提供授時服務，授時精度達到10 ns。相信在不久的將來，我國越來越多變電站自動化智能控制時將使用北斗系統。

變電站系統自動化智能控制應用的時間同步方式有SNTP、IRIG-B以及IEEE1588共3種。不同的時間同步方式精度有所差異，如站控層對時間精度要求不高時可運用SNTP進行對時。間隔層和過程層信息的傳輸對時間精度的要求較高，此時可考慮使用IRIG-B對時。運用以太網同步時鐘時可使用IEEE1588。

4.4 在線監測技術

變電站電力系統的自動化智能控制還應用很多的在線監測技術，如變壓器監測技術、斷路器監測技術、容性設備及避雷器監測技術等，能夠實時掌握電氣設備的運行狀態，及時發現各類故障。

變壓器是變電站的重要電氣設備，其能否正常的工作直接影響著電能的供應質量。通過在合適的位置安裝相關的監測設備，能夠實現對變壓器油色譜在線監測、繞組變形情況監測、絕緣特性監測以及風冷控制監測等。其中油色譜在線監測主要基于氣相色譜原理，能夠監測變壓器油中溶解故障氣體的含量及變化情況，從而評估出現的故障，及時采取針對性措施加以排除[12]。運用短路阻抗法能夠對變壓器繞組阻抗變化值進行監測和計算，監測原理如圖2所示。

圖2 變壓器繞組阻抗變化的監測原理

絕緣特性監測時使用電流傳感器監測鐵芯接地電流和套管泄漏電流，并通過將監測信號處理、轉換與傳輸為IDE作進一步的處理。風冷控制監測主要通過溫度傳感器和電流互感器等實現對溫度與電流情況的監測。另外通過安裝局部放電傳感器，實現對變壓器局部放電情況的監測。

斷路器監測主要包括機械特性監測、SF6氣體監測以及開關柜溫度監測等。其中對機械特性的監測基于分合閘線圈電流的模擬量、三相電流及斷路器的行程等信息的處理，使用溫度傳感器和電子式壓力傳感器能夠直接監測出氣體的溫度值和壓力值等，進而整體把握電氣設備的運行情況。開關柜溫度監測時應用紅外線傳感器獲得開關柜的溫度數值，并經過現場處理單元的處理，將相關的數據傳輸給IDE進行處理。

監測容性設備時應用相關的監測終端。監測終端不僅能夠控制電氣設備的工作過程，而且測評電流信號及高速同步的同時能夠監測溫濕度數值，并將相關的監測數據上傳至容性監測設備IDE。避雷器監測功能的實現和容性設備的監測原理相近。

5 結 論

變電站電力系統自動化智能控制技術優點顯著，在當前人們生產生活對電能供應質量越來越高的背景下，做好變電站電力系統自動化智能控制技術，結合我國變電站發展實際，把握電力事業改革的良好契機，在變電站中積極推廣與應用電力系統自動化智能控制技術，結合變電站實際制定可行的方案，通過部署相關硬件設備，實現對各類電氣設備運行情況的實時在線監測，響應各類故障的同時能夠預測可能出現的故障，提前采取預防性措施，避免發生故障，為變電站的安全穩定運行提供良好保障。