淺談智能變電站自動化系統(tǒng)的應(yīng)用與產(chǎn)品選型

陳怡錦

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：現(xiàn)如今，智能變電站發(fā)展已經(jīng)成為了電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的內(nèi)容，如何提高智能變電站的運行效率也成為電力系統(tǒng)發(fā)展的一個重要目標(biāo)，為了能夠更好地促進(jìn)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，本文則就智能變電站自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：智能變電站；自動化系統(tǒng)；一體化監(jiān)控

電能作為人們生產(chǎn)生活必不可少的主要能源，如何保障電能安全、經(jīng)濟(jì)與穩(wěn)定地運輸和使用可謂是十分的重要。 要想提升電力系統(tǒng)整體運行效率，為用戶提供安全的電能，需要對其中的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，不斷滿足日漸嚴(yán)峻的供電需求。變電站作為整個電力系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分，如何實現(xiàn)智能化發(fā)展是現(xiàn)如今較為重要的目標(biāo)任務(wù)之一。而本文也是基于這一目的來進(jìn)行了如下研究：

1智能變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展歷程與特點

1.1發(fā)展歷程

分析變電站監(jiān)控系統(tǒng)整個發(fā)展歷程，我們就能夠發(fā)現(xiàn) 其從*開始的集中式綜合自動化系統(tǒng)一直發(fā)展成為了現(xiàn)如今的智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)。集中式綜合自動化 系統(tǒng)在變電站內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)采集柜、控制柜，對全站數(shù)據(jù)進(jìn) 行集中采集、集中控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但單一模塊故障就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，可靠性不高。分散式綜合自動化系統(tǒng)在設(shè)計過程中，則使用了間隔層及站控層這兩層的架構(gòu)方式。間隔層包含保護(hù)、測控、計量等裝置，按間隔配置；站控層包含后臺系統(tǒng)、遠(yuǎn)動、GPS對時裝置等。間隔層的功能實現(xiàn)不受站控層設(shè)備的影響，自動化系統(tǒng)的可靠性顯著提高。伴隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善，數(shù)字化變電站迅速發(fā)展起來。其主要是借助于IEC61850來進(jìn)行二次設(shè)備互聯(lián)與操作，通過這一方式來促使裝置之間的水平通信得以有效實現(xiàn)，簡化了二次接線，系統(tǒng)可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。在數(shù)字化變電站基礎(chǔ)上，在社會不斷發(fā)展中電子式互感器、設(shè)備智能化發(fā)展進(jìn)程也在不斷推進(jìn)，在這種環(huán)境下，智能變電站開始使用具體包含過程層、間隔層、站控層的三層體系架構(gòu)，通過這一種架構(gòu)方式，能夠有效地在站內(nèi)實現(xiàn)全站信息共享與設(shè)備統(tǒng)一管理，所以相較于之前而言變電站自動化水平也有著明顯的提升。

1.2特點

智能變電站相較于傳統(tǒng)變電站有如下顯著特點：一是設(shè)備安裝方式的變化，如過程層合并單元、智能終端就地安裝，保護(hù)測控裝置就地安裝。這使得變電站內(nèi)電纜用量顯著減少、光纜用量增加，電氣系統(tǒng)的信號也真正實現(xiàn)了數(shù)字化傳輸，并且信號在使用過程中的抗電磁干擾能力也得到了增強(qiáng)。二是智能設(shè)備的使用，如智能變電站繼電保護(hù)裝置、 測控裝置、智能表計、在線監(jiān)測裝置、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。這些智能設(shè)備在變電站自動化系統(tǒng)之中的應(yīng)用，能夠真正將系統(tǒng)運行狀態(tài)變成可視化，設(shè)備也開始從之前的定期檢修發(fā)展成為了狀態(tài)檢修。三是系統(tǒng)整合度也有了明顯的提升，智能變電站將原有計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)信息子站、五防子站、電能計量、在線監(jiān)測等分散系統(tǒng)整合為一體化監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。四是智能變電站構(gòu)建全景數(shù)據(jù)平臺，這一平臺的存在直接實現(xiàn)了全站數(shù)據(jù)信息共享。

2智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備與架構(gòu)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

智能變電站自動化系統(tǒng)在設(shè)計過程中，可以使用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計，具體而言，其三層主要指的是站控層、間隔層、過程層等設(shè)備，而兩網(wǎng)則主要指的是MMS網(wǎng)、SV/GOOSE網(wǎng)。典型220kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。實際工程中可結(jié)合具體情況對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如將MMS網(wǎng)、SV網(wǎng).GOOSE網(wǎng)以及IEEE1588對時網(wǎng)四網(wǎng)合一，在確保整個通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行簡化處理。

圖1典型220kV智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2設(shè)備

智能變電站之中的監(jiān)控系統(tǒng)站控層包含的設(shè)備較多，像是監(jiān)控主機(jī)、操作員工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、綜合應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)，站控層交換機(jī)等都屬于這一層的設(shè)備；間隔層設(shè)備主要包括智能繼電保護(hù)、智能測控、PMU、智能電度表、間隔層交換機(jī)等；過程層設(shè)備則包括合并單元、智能終端以及過程層交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在對智能變電站自動化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的時候，可在不同電壓等級變電站設(shè)備配置原則的基礎(chǔ)上研究優(yōu)化方案，例如，可以使用合并單元智能終端一體化裝置、智能保護(hù)測控一體化裝置等，同時再將PMU功能與測控功能有效地結(jié)合在一起，這樣就能真正讓交換機(jī)數(shù)量變少，同時還能有效減少智能變電站光纜數(shù)量，降低智能變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)備投資。

3智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)功能與核心技術(shù)

3.1主要功能

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)若能得以實現(xiàn)，其主要功能就體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）全景數(shù)據(jù)采集功能。包括變電站穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)數(shù)據(jù)，一次、二次及輔助設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。（2）運行監(jiān)視功能。這一功能中主要包含了運行監(jiān)視、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視等。（3）控制與操作功能，包含操作控制安全性機(jī)制、順序控制、防誤閉鎖、智能操作票、無功優(yōu)化控制等。（4）信息綜合分析與智能警示功能，包含智能告警，故障綜 合分析等。（5）運行管理功能。這一項功能主要就表現(xiàn)在源端維護(hù)、權(quán)限管理、設(shè)備管理等方面。（6）輔助應(yīng)用功能，包含視頻監(jiān)控、安全防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)報警等，實現(xiàn)對重要設(shè)備操作前后的圖像確認(rèn)。

3.2核心技術(shù)

智能變電站的發(fā)展依賴于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能繼電保護(hù)采樣與數(shù)據(jù)同步技術(shù)、時間同步系統(tǒng)與對時技術(shù)、智能變電站調(diào)試技術(shù)等核心技術(shù)的不斷發(fā)展。智能變電站采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)全面替代傳統(tǒng)總線技術(shù)，基于交換機(jī)制的以太網(wǎng)交換機(jī)已從百兆、千兆發(fā)展至萬兆，以太網(wǎng)通信速率甚至已達(dá)到lOOGbps,這使得網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)能夠滿足其承載的保護(hù)業(yè)務(wù)對可靠、快速、準(zhǔn)確和安全性能的要求。智能變電站繼電保護(hù)相較于傳統(tǒng)保護(hù)來說被動接收合并單元發(fā)來的采樣數(shù)據(jù)，而從合并單元向保護(hù)發(fā)送數(shù)據(jù)的延時受通信通道工況的影響將導(dǎo)致CPU接收數(shù)據(jù)的時間間隔 變動較大，需要新的采樣傳送機(jī)制來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)；而對于線路光纖縱差保護(hù)裝置而言，由于存在一側(cè)為電子式互感器采樣、另一側(cè)為傳統(tǒng)互感器采樣的情形，常規(guī)采樣數(shù)據(jù)同步方法受到了挑戰(zhàn)，可采用改進(jìn)插值法、時鐘接力法等算法實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)同步。智能變電站在進(jìn)行對時系統(tǒng)設(shè)計方面，其方式也較多，像是IRIG-B碼對時、脈沖對時、網(wǎng)絡(luò)對時等都屬于其成熟方式；其中IEEE1588則是使用了主從結(jié)構(gòu)之中精度較高的網(wǎng)絡(luò)時鐘同步協(xié)議，借助于這一協(xié)議能夠真正實現(xiàn)亞微秒級同步精度，在其發(fā)展過程中加入了同等路徑延遲機(jī)制，并采用基于IEEE8O2.3的MAC地址多播方式，不需要增加額外網(wǎng)絡(luò)設(shè)備便可提供一種高效可行的時鐘對時方案。智能變電站由于大量的電纜硬連接被網(wǎng)絡(luò)通信報文代替、配置過程又基于電子化SCL模型文件，故其調(diào)試方法有很大變化，應(yīng)采用先功能后性能、先單裝置后系統(tǒng)的分層次調(diào)試流程。調(diào)試過程中如果出現(xiàn)裝置功能更改、對外信息變化等情況，裝置ICD文件會發(fā)生變化，應(yīng)根據(jù)變更情況進(jìn)行分析，及時確定與之相關(guān)的所有裝置，并相應(yīng)修改SCD與CID文件。

4智能變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計要點

4.1設(shè)備配置

假設(shè)智能變電站電壓等級是220kV及以上的話，其高壓各個間隔就可以使用雙套進(jìn)行保護(hù)，同時還可以使用單套來實現(xiàn)測控，而且相應(yīng)的過程層之中是配置雙套合并單元以及雙套智能終端；主變則可以為其配置雙套保護(hù)以及單套測控，相應(yīng)的高壓側(cè)可為其配置雙套智能終端以及合并單元，對于中壓110kV側(cè)與低壓側(cè)在進(jìn)行配置的時候，則可以為其配置雙套合并單元智能終端一體化裝置；電壓等級若是110kV,在配置過程中除了主變之外，*好是每 間隔使用單套保護(hù)測控集成裝置與單套合并單元智能終端一體化裝置；電壓等級若是35kV及以下的話，在配置過程中其間隔除主變之外的，則可以考慮使用單套保護(hù)測控計量三合一裝置，就地安裝在相應(yīng)開關(guān)柜內(nèi)。在這一配置過程中，過程層與站控層所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)均可以使用雙網(wǎng)冗余星形結(jié)構(gòu)。實際工程中變電站設(shè)備配置應(yīng)在充分滿足系統(tǒng)性能要求的基礎(chǔ)上盡量簡化，以降低設(shè)備投資與故障率。

4.2采樣跳閘方式選擇

基于智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及IEC61850信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)，智能變電站保護(hù)、測控、計量、故障錄波、PMU等業(yè)務(wù)可采用多種采樣控制方式。以*重要的繼電保護(hù)業(yè)務(wù)為例，智能變電站繼電保護(hù)采樣與跳閘方式分成以下幾種：(1)直采直跳。這一種系統(tǒng)模式在實際應(yīng)用過程中，繼電保護(hù)設(shè)備能夠直接通過光纖直連的方式來實現(xiàn)跳閘與采樣，優(yōu)點在于可靠性高，但光纜數(shù)量很大。(2)網(wǎng)采直跳。這一系統(tǒng)模式是指采樣值由SV網(wǎng)采集，跳閘采用光纖直連實現(xiàn)。其優(yōu)點在于跳閘可靠性高，對SV網(wǎng)性能要求高，要求網(wǎng)絡(luò)通信性能穩(wěn)定。(3 )直采網(wǎng)跳。這一系統(tǒng)模式是指采樣值通過光纜直連采集，再經(jīng)過GOOSE網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)跳閘。這種方式采樣可靠性高，跳閘要求GOOSE網(wǎng)性能穩(wěn)定。⑷網(wǎng)采網(wǎng)跳。這一模式直接打破了傳統(tǒng)的采樣與跳閘方式，通過SV網(wǎng)與GOOSE網(wǎng)來實現(xiàn)采樣與跳閘，大程度地發(fā)揮了智能變電站網(wǎng)絡(luò)化特點，但對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能要求很高。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與智能繼電保護(hù)采樣同步技術(shù)的發(fā)展，智能變電站繼電保護(hù)網(wǎng)采網(wǎng)跳方式將得到更廣泛的應(yīng)用。

Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設(shè)備組成，并用分層、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)連接。站控層設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)，提供站內(nèi)運行的人機(jī)聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層設(shè)備等功能，形成全站監(jiān)控，并與遠(yuǎn)方監(jiān)控、調(diào)度通信；間隔層由若干個二次子系統(tǒng)組成，在站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設(shè)備的就地監(jiān)控功能。

針對工程具體情況，設(shè)計方案具有高可靠性，易于擴(kuò)充和友好的人機(jī)界面，性能價格比優(yōu)越，監(jiān)控系統(tǒng)由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，站控層網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。站控層網(wǎng)絡(luò)采用單網(wǎng)雙機(jī)熱備配置。

5.2應(yīng)用場所：

適用于公共建筑、工業(yè)建筑、居住建筑等各行業(yè)35kV以下電壓等級的用戶端配、用電系統(tǒng)運行監(jiān)視和控制管理。

Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。

監(jiān)控系統(tǒng)具有事故報警功能。事故報警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護(hù)裝置動作信號；預(yù)告報警包括一般設(shè)備變位、狀態(tài)異常信息、模擬量或溫度量越限等。

1）事故報警。事故狀態(tài)方式時，事故報警立即發(fā)出音響報警（報警音量任意調(diào)節(jié)），操作員工作站的顯示畫面上用顏色改變并閃爍表示該設(shè)備變位，同時彈窗顯示紅色報警條文，報警分為實時報警和歷史報警，歷史報警條文具備選擇查詢并打印的功能。

事故報警通過手動，每次確認(rèn)一次報警。報警一旦確認(rèn)，聲音、閃光即停止。

次事故報警發(fā)生階段，允許下一個報警信號進(jìn)入，即次報警不覆蓋上一次的報警內(nèi)容。報警處理具備在主計算機(jī)上予以定義或退出的功能。

2）對每一測量值（包括計算量值），由用戶序列設(shè)置四種規(guī)定的運行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分別定義作為預(yù)告報警和事故報警。

3）開關(guān)事故跳閘到次數(shù)或開關(guān)拉閘到次數(shù)，推出報警信息，提示用戶檢修。

4）報警方式。

報警方式具有多種表現(xiàn)形式，包括彈窗、畫面閃爍、聲光報警器、語音、****、電話等但不限于以上幾種方式，用戶根據(jù)自己的需要添加或修改報警信息。

操作員對需要控制的電氣設(shè)備進(jìn)行控制操作。監(jiān)控系統(tǒng)具有操作監(jiān)護(hù)功能，允許監(jiān)護(hù)人員在操作員工作站上實施監(jiān)護(hù)，避免誤操作。

操作控制分為四級：

第控制，設(shè)備就地檢修控制。具有優(yōu)先級的控制權(quán)。當(dāng)操作人員將就地設(shè)備的遠(yuǎn)方/就地切換開關(guān)放在就地位置時，將閉鎖所有其他控制功能，只進(jìn)行現(xiàn)場操作。

級控制，間隔層后備控制。其與第三級控制的切換在間隔層完成。

第三級控制，站控層控制。該級控制在操作員工作站上完成，具有遠(yuǎn)方/站控層的切換。

第四級控制，遠(yuǎn)方控制，優(yōu)先級。

原則上間隔層控制和設(shè)備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執(zhí)行，并在站級層設(shè)置操作員、監(jiān)護(hù)員口令及線路代碼，以確保操作的性和正確性。對任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進(jìn)行下一步操作。同一時間只允許一種控制方式。

納入控制的設(shè)備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開關(guān)及帶電動機(jī)構(gòu)的接地開關(guān)；站用電380V斷路器；主變壓器分接頭；繼電保護(hù)裝置的遠(yuǎn)方復(fù)歸及遠(yuǎn)方投退連接片。

3）定時控制。操作員對需要控制的電氣設(shè)備進(jìn)行定時控制操作，設(shè)定啟動和關(guān)閉時間，完成定時控制。

4）監(jiān)控系統(tǒng)的控制輸出?？刂戚敵龅慕狱c為無源接點，接點的容量對直流為110V（220V）、5A，對交流為220V、5A。

系統(tǒng)設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作系統(tǒng)可以定義不同操作權(quán)限的權(quán)限組（如管理員、維護(hù)員、值班員組等），在每個權(quán)限組里添加用戶名和密碼，為系統(tǒng)運行、維護(hù)、管理提供可靠的保障。

6 系統(tǒng)硬件配置

綜上所述，智能變電站自動化系統(tǒng)具有全數(shù)字化、高智能化、高集成度、全景數(shù)據(jù)展示等顯著特點。伴隨智能變電站的技術(shù)發(fā)展，不斷深化其智能化特征，在發(fā)展過程中做到智能調(diào)節(jié)、自動化控制、在線分析決策以及協(xié)同互動等各種功效，這樣才能讓變電站運維管理水平和質(zhì)量得以提升。

[1]楊樹興.智能變電站自動化系統(tǒng)分析[J].數(shù)碼設(shè)計,2018,7 (01):205+207.

[2]王月強(qiáng).自動化系統(tǒng)在智能變電站中的應(yīng)用分析[J].自動化應(yīng)用,2016(12):110-112.

[3]王莉,韓海山.智能變電站自動化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017(04):214.

[4]吳華.簡析智能變電站自動化系統(tǒng)．

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版．

陳怡錦，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，手機(jī):13774413253（微信同號）