智能變電站的概念、構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化變電站集成化的另一個(gè)體現(xiàn)是間隔層的集成化：構(gòu)筑一個(gè)通用的硬件和軟件平臺(tái)即統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置(UMD)，將間隔內(nèi)的控制、保護(hù)、測(cè)量等功能集成在這個(gè)通用的平臺(tái)上，通過通用的硬件和軟件采集各功能需要的數(shù)據(jù)和狀態(tài)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。原來控制、保護(hù)等功能不再需要專用的硬件裝置和專用的輸入、輸出通道，而是由合理的軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

間隔統(tǒng)一多功能裝置集成了較多的功能，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按各功能響應(yīng)時(shí)間要求進(jìn)行分類，并確定優(yōu)先級(jí)別。顯然，繼電保護(hù)、緊急控制等與保護(hù)相關(guān)的功能，需要響應(yīng)速度快，處于最優(yōu)先級(jí)別，決不能被非保護(hù)功能所閉鎖。測(cè)量變量的計(jì)算、故障錄波、事件記錄，雖然與保護(hù)過程同時(shí)發(fā)生，但可以延時(shí)或閉鎖。監(jiān)視、自我診斷、控制功能在正常和出現(xiàn)故障時(shí)都不允許閉鎖保護(hù)功能。變電站層的集成是自動(dòng)化需要在站級(jí)處理的各個(gè)功能通過站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)組合在統(tǒng)一的系統(tǒng)中。變電站層和過程層的集成功能劃分原則是：凡是間隔層能夠執(zhí)行的功能不應(yīng)由變電站層完成。

數(shù)字化變電站在過程層、間隔層和變電站層三個(gè)層次應(yīng)用的集成化技術(shù)，減少了變電站內(nèi)組件的數(shù)量，提高了元件質(zhì)量，增強(qiáng)自動(dòng)化功能的協(xié)調(diào)水平，簡(jiǎn)化了站內(nèi)接線，提高了運(yùn)行與控制的可靠性。

2、智能化變電站綜合集成化智能裝置及其功能結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站在運(yùn)用集成技術(shù)之后，全站范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)交互通過光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。變電站層與間隔層之間現(xiàn)場(chǎng)距離長(zhǎng)，數(shù)據(jù)交換量大，實(shí)時(shí)性要求高，需要與外部電網(wǎng)互聯(lián)互通。而間隔層與過程層之間數(shù)據(jù)交換，不同間隔之間的數(shù)據(jù)交換，都是局限于變電站內(nèi)，數(shù)據(jù)交換多是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，瞬時(shí)性的。若所有的間隔層設(shè)備與過程層設(shè)備之間的聯(lián)系完全依賴于光纖網(wǎng)絡(luò)，一旦光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或受到干擾，間隔層與過程層之間的聯(lián)系將非常不可靠，全站的所有自動(dòng)化功能都可能因此受到影響而不能正常工作。

為了進(jìn)一步減少變電站內(nèi)元件(節(jié)點(diǎn))數(shù)量，降低間隔層自動(dòng)化功能對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)的依賴性，將間隔層與過程層之間的聯(lián)系從對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)的依賴中解放，同時(shí)也為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化變電站的結(jié)構(gòu)，本文提出了一種將變電站內(nèi)過程層與間隔層一二次設(shè)備進(jìn)行一體化、智能化綜合集成的構(gòu)想，并以此提出智能化變電站的架構(gòu)體系。通過分析，認(rèn)為該綜合集成構(gòu)想以及智能化變電站架構(gòu)體系的實(shí)現(xiàn)，具有先進(jìn)性，能夠滿足未來智能電網(wǎng)發(fā)展的要求。

變電站一、二次設(shè)備的一體化、智能化集成，指除了過程層的測(cè)量與控制執(zhí)行等功能外，將目前變電站結(jié)構(gòu)中間隔層的保護(hù)、控制、監(jiān)視等功能也綜合集成到過程高壓設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，由就地安裝的綜合集成化智能裝置 (CompositiveIntegratedIntelligentDevice，CIID)一方面直接作用于一次設(shè)備，另一方面通過標(biāo)準(zhǔn)化的接日并入全站唯一的光纖總線，進(jìn)行各CIID之間，及CIID與變電站層的功能之間的信息共享與優(yōu)化協(xié)作。

智能化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置(模塊)接受全網(wǎng)統(tǒng)一的同步時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的模擬量、開關(guān)量與狀態(tài)量的同步采集，按照全網(wǎng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)(如IEC61850)處理，為測(cè)得數(shù)據(jù)統(tǒng)一打上同步時(shí)間標(biāo)簽;也接受運(yùn)行控制模塊、繼電保護(hù)模塊等的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備操作的控制與執(zhí)行。繼電保護(hù)模塊在所有的模塊中享有最高優(yōu)先級(jí)，可以直接從智能化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置獲取所需信息，以最短的時(shí)間做出反應(yīng)，并且在任何情況下其保護(hù)功能都不被閉鎖，同時(shí)還可通過標(biāo)準(zhǔn)化接口與其它一次設(shè)備的CIID的保護(hù)功能交互、配合。統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是CIID的木地信息數(shù)據(jù)庫，測(cè)量得到的所有的標(biāo)準(zhǔn)化模擬量、開關(guān)量與狀態(tài)量信息都在此存儲(chǔ)，提供給其它功能模塊，并可按照時(shí)間軸、屬性軸等對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的歸類與管理。同時(shí)，也可以記錄并存儲(chǔ)各個(gè)層次、各個(gè)模塊所有的面向?qū)?yīng)一次設(shè)備進(jìn)行操控的命令，以備查詢。運(yùn)行控制模塊從統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊獲取木地設(shè)備的狀態(tài)信息，也可接受來自變電站層的指令或利用其它CIID的信息綜合判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的自動(dòng)控制、緊急控制，故障錄波與事件記錄，非正常狀態(tài)與故障狀態(tài)的恢復(fù)等功能。診斷監(jiān)視模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視和診斷。軟件管理模塊可以對(duì)所有的功能模塊軟件進(jìn)行管理、更改和升級(jí)。CIID的硬件配置要求滿足所有自動(dòng)化功能所需，并考慮冗余度。今后對(duì)CIID功能的增加或提升，只需通過軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)。

CIID 內(nèi)各個(gè)模塊之間通過總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交互。對(duì)外經(jīng)由通信模塊，通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口與變電站層和其它的CIID通訊交互。通信管理模塊在綜合集成化智能裝置中處于 “咽喉”的地位。裝置內(nèi)的各個(gè)功能模塊，需要與其它CIID的功能模塊進(jìn)行交互和協(xié)作，也需要向變電站層報(bào)告信息，并接受變電站層的指令。通信管理模塊需要對(duì)所有的功能模塊的所有信息進(jìn)行有效的組織和管理，以保證信息交互的可靠與高效。流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化接口的信息包括由變電站層向綜合集成化智能裝置的查詢命令、控制指令、調(diào)用指令等，包括由CIID向變電站層的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息(包括模擬量、狀態(tài)量、開關(guān)量等)、故障錄波、事件報(bào)告等，以及各CIID間的互鎖和調(diào)用信息。智能化測(cè)控裝置是變電站基礎(chǔ)信息的根本來源，通過綜合集成化智能裝置的標(biāo)準(zhǔn)化接口接入站內(nèi)光纖以太網(wǎng)，可以構(gòu)成全站乃至全網(wǎng)范圍的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)信息平臺(tái)。

需要說明的是，上述功能模塊不是將各自動(dòng)化系統(tǒng)裝置在安裝位置上進(jìn)行簡(jiǎn)單的捆綁和疊加，而是在將所有自動(dòng)化功能進(jìn)行全面綜合考慮后的升級(jí)優(yōu)化。優(yōu)化的目標(biāo)是：功能齊全、硬件冗余、實(shí)現(xiàn)功能的流程最簡(jiǎn)化和最有效化。

考慮到今后新的技術(shù)與裝備出現(xiàn)及應(yīng)用的可能性，CIID仍然保留標(biāo)準(zhǔn)化的功能擴(kuò)展接口和裝備配置空間。智能化測(cè)控裝置中包含本地人機(jī)界面，只對(duì)測(cè)量信息進(jìn)行顯示，其它的設(shè)備狀態(tài)信息等都通過網(wǎng)絡(luò)在變電站層集中顯示。為保證功能的獨(dú)立性，減少功能互相之間的影響，提高可靠性，這些模塊的功能都由各自的 CPU處理。

3、綜合集成的智能化變電站的架構(gòu)

綜合集成的智能化變電站的架構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)和功能總體上分為兩層，即智能設(shè)備層和變電站層。智能設(shè)備層主要由綜合集成化智能裝置(CIID)和高壓一次設(shè)備構(gòu)成，二者之間通過非常規(guī)電流互感器、非常規(guī)電壓互感器以及各類傳感器建立直接聯(lián)系。除了高壓開關(guān)設(shè)備之外，智能化變電站中的一次設(shè)備多了分布式電源接口和柔性交流輸電裝置(FACTS裝置)。由于CIID內(nèi)綜合集成了各個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能模塊，因此可以實(shí)現(xiàn)并完成IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提出的變電站分層結(jié)構(gòu)中的過程層和間隔層的功能?？梢哉J(rèn)為智能設(shè)備層是對(duì)過程層和間隔層的集成。智能化變電站的變電站層的功能主要包括各個(gè)CIID在站級(jí)的管理和協(xié)調(diào)應(yīng)用，站級(jí)的一體化數(shù)據(jù)管理以及與遠(yuǎn)方調(diào)度控制中心和其它智能化變電站的信息交互、協(xié)調(diào)控制的管理等。當(dāng)多個(gè)智能化變電站實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的互聯(lián)時(shí)，即可構(gòu)成支撐智能電網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)。

圖1 綜合集成的智能化變電站的架構(gòu)