智能变电站

文/汤乃传 上海输配电集团上海继电器有限公司 (200072)

一、引言

智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑，它处于整个智能电网的中心枢纽位置，对上接收着高压电网的电源输入和各种新能源的接入，对下要完成相连变电站和大用户的电源分配，并同时具备接受上级调度中心的信息传递、自动控制、智能调节和再线分析功能。因此智能变电站必将是今后变电站的发展方向。

1.变电站的主要设备

变电站的主要电气设备由电力变压器、高压开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、相关设备的保护装置、自动装置以及无功补偿装置等组成。电力变压器、高压开关、互感器等直接生产、转换电能的设备被称为一次设备，而对一次设备进行监测、测量、控制、继电保护、调节的辅助设备称为二次设备。

变电站综合自动化核心就是利用自动化控制技术、信息处理和传输技术，通过计算机软硬件系统或自动装置代替人工进行各种变电站运行操作，对变电站执行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。变电站综合自动化的范畴主要是二次设备，如控制、保护、测量、信号、自动装置和远动装置等。用计算机控制的二次设备代替和简化了非计算机设备，数字化的处理和逻辑运算代替了模拟运算和继电器逻辑。在架构体系上增加了变电站主计算机和系统通信控制管理系统，负责对整个系统的管理和控制，对断路器的跳合闸操作，数据的采集、处理、记录、统计等。

目前，全国有85%以上变电站采用变电站综合自动化系统。虽然变电站综合自动化系统在变电站的发展中起到十分积极作用，但是它还是存在不足，主要表现为:(1)信息难以共享；(2)设备之间不具备互操作性；(3)系统的可扩展性差；(4)系统可靠性受二次电缆影响。

2.数字化变电站

随着光电技术在传感器应用领域研究的突破，IEC61850标准的颁布实施，以太网通信技术的应用以及智能断路器技术的发展，使变电站自动化技术又向着数字化技术延伸，使数字化技术在变电站工程化应用中得到了进一步拓展，综合自动化系统的变电站迈向了数字化变电站。

数字化变电站的技术特征就是利用高速以太网构成变电站数据采集和传输系统和新型智能设备，实现全站信息数字化。利用IEC61850标准的统一信息建模,实现智能设备的互操作性和全站信息共享。

数字化变电站其他优点有:

(1) 数字化变电站的本质特点在于就地数字化和光缆传输，光缆是一、二次设备间信息传输最为合适的载体，具有带宽高、不受电磁干扰的显著优点。

(2) 在数字化变电站条件下，用光缆通信代替控制电缆硬连接，由于同一根光纤介质可以传输的信息种类不受限制，完全取决于报文的内容，用一根光纤可以传递很多根电缆表达的信息。所以，可以将二次回路大为简化。

(3) 通过光纤传输，使用通信校验和自检技术，可提高信号的可靠性。

(4) 电子式互感器杜绝了传统互感器的TA断线导致高压危险、TA饱和影响差动饱和、CVT暂态过程影响距离保护、铁磁谐振、绝缘油爆炸、SF6泄漏等问题；解决了传统电流互感器当电压等级越高，短路电流越大时，必然将增大体积，使设备变得更加笨重，安装运输不方便等问题。

3.智能变电站

智能变电站以数字化变电站作为技术基础，采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。

智能变电站是智能电网建设的重要节点之一，其主要作用就是为智能电网提供标准的、可靠的节点（包含一、二次设备和系统）支撑。智能变电站作为智能电网的重要基础和支撑，智能变电站设备具有信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、状态可视化等主要技术特征，智能变电站系统应建立站内全景数据的统一信息平台，供各子系统标准化、规范化存取访问以及和智能电网调度等其他系统进行标准化交互。

二、智能电网对智能变电站的要求

智能变电站与常规变电站相比能够完成范围更宽、层次更深、结构更复杂的信息采集和信息处理。变电站内、站与调度、站与站之间，站与大用户和分布式能源的互动能力更强，信息的交换和融合更方便快捷，控制手段更灵活可靠。图1所示为智能变电站示意。

图1 智能变电站概念

由于智能变电站在整个智能电网中占有重要地位，因此智能电网对智能变电站的要求如下:

1.坚强可靠的变电站

变电站应用于智能电网，可靠性无疑是最主要的要求，除了站内设备及变电站本身可靠性外，智能变电站更应该关注自身的自诊断和自治功能，做到设备故障提早预防、预警，并可以在故障发生时，自动将设备故障带来的供电损失降低到最小程度。

2.信息化的变电站

变电站是电网基础信息的主要提供者之一，变电站服务于智能电网的一个主要作用就是提高可靠、准确、充分、实时、安全的信息，提供的信息应不仅仅局限于传统“四遥”的电气量信息，还应包括设备信息，如变压器色谱分析结果、冷却散热系统情况等，断路器的动作次数、传动机构储能情况、开断电流的情况等，环境信息，图像信息等，最终达到信息描述数字化、信息采集集成化、信息传输网络化、信息处理智能化、信息展现可视化和生产决策科学化的目的。在信息安全方面，遵循国家及国际标准，以保证站内与站外的通信安全及站内信息存储及信息访问的安全，实现与上级调度中心通信的认证及加密，实现站内各系统之间的安全分区及安全隔离。

3.自动化的变电站

变电站自动化是实现电网自动化最直接的窗口，智能变电站应最大可能地实现自动化功能为智能电网提供服务。实现根据工程配置文件生成系统工程数据、二次设备在线、自动校验、变电站状态检修、变电站系统和设备系统模型的自动重构等功能，进一步提高变电站自动化水平。

4.互动化的变电站

友好互动是智能电网的主要运行特征，变电站服务于智能电网应充分体现互动化要求。一方面，它担负着各类电源与用户的接入与退出，电网实时数据的采集和命令的执行，变电站的继电保护设备还担负着电网“三道防线”中第一道防线的重任。另一方面，变电站统一信息平台改变了以往变电站信息孤岛系统，改变了电力系统横向系统多、纵向层次多的业务孤立格局，实现与控制中心之间、与相邻变电站之间以及与用户之间的双向交互式的信息沟通，优化了资源配置，大大提高真实性和有效性，减少重复浪费现象，满足对智能电网建设的需求。

三、智能变电站的技术特征与体系结构

1.智能变电站的技术特征

一次设备(如变压器、互感器、高压开关等) 智能化、信息交互标准化、运行控制智能化和功能应用互动化，是智能变电站最主要的技术特征。

（1）一次设备智能化

目前真正意义上的智能化一次设备还没有，工程上采用比较多地是数字输出的电子式互感器（如图2,图3）、智能开关(如图4)和一次设备+智能组件等智能一次设备。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样值、状态量、控制命令等信息。

①电子式互感器

传统电磁式互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在饱和及铁磁谐振等问题，难以实现大范围测量，同一互感器很难同时满足测量和继电保护的需要。电磁式电流互感器二次回路不能开路， 电压互感器二次回路不能短路，否则将危及人身及设备安全。电磁式互感器由于绝缘降低，运行中经常发生爆炸现象，危及电力系统安全运行。电磁式互感器钢材、变压器油、 SF6 气体等消耗量较大，不符合节能、环保要求。

针对传统电磁式互感器的缺陷，电子式互感器逐渐受到国内外的广泛关注。电子式互感器分为有源与无源两种，其中全光纤电流互感器为无源型，它基于磁光法拉第效应原理，采用光纤作为传感介质，不存在铁磁共振和磁滞后饱和，同时具有频带宽、动态范围大、体积小、重量轻等优点。电子式电流／电压互感器(ECT／EVT)与保护设备的接口实现途径，从系统可靠性和技术发展两个方面考虑，一般采用数字化。即:对ECT／EVT所输出的电流、电压信号进行就地数字化后，通过光纤、合并单元、网络设备等传输至保护、测控设备。采样值数字化传输是数字化变电站区别于当前变电站自动化系统的重要技术特征之一。

图2 电子式电流互感器

图3 电子式电压互感器

数字互感器的敏感元件和传输元件都是光纤，安装维护相对于其他电子式互感器简单。输入输出光路为统一路径，提高了抗干扰能力，安全可靠性高。以电流互感器为例，纯光纤式电流互感器主要由三相敏感环、电气单元和连接光缆组成。采用独特的闭环控制技术，动态范围大，精度高。

②智能开关

所谓智能开关是指断路器操作所需的各种信息由装在断路器设备内的智能控制装置直接处理，使断路器装置能独立地执行其当地功能，而不依赖于站控层的控制系统。

智能开关的发展趋势是用微电子、计算机技术和新型传感器建立新的断路器二次系统，开发具有智能化操作功能的断路器。其主要特点是由电力电子技术、智能控制装置组成执行单元，代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器。

智能断路器与常规断路器的区别在于断路器的跳闸方式发生了根本变化。从以往电缆传输跳合闸电流操作方式变为通讯报文操作方式，在技术和观念上的变化都是巨大的。鉴于IEC61850标准的快速报文传递跳合闸命令的可靠性、实时性需要时间来验证，断路器跳、合闸回路在变电站的二次系统内是非常重要的，所以智能断路器在研发和使用中都应给予高度重视。

图4 智能开关

（2）信息交互标准化

东营地区的非物质文化自古存在于广大民众的现实生活中，同时也随社会生活的进程而演进发展，并且黄河口地区独特的自然地理环境对民间文化的形成有着至关重要的影响。对“盐垛斗虎”的起源及历史，笔者走访了东营市东营区龙居文化站，通过跟当事人的细致访谈，梳理出其大致详尽的历史脉络。

智能变电站从过程层到控制中心均采用统一的IEC 61850规约进行信息交互，即变电站内采用IEC 61850规约，智能变电站到调度中心将采用IEC 61850代替104或DNP3.0规约。因此智能变电站的信息交换及管理将遵循IEC 61850的要求，变电站内各种设备的信息建模应在IEC 61850框架下统一进行，以统一标准方式实现变电站内、外的信息交互和信息共享，最终实现跨系统间的数据与信息的无缝交换。

（3）运行控制智能化

智能变电站应具备程序化操作功能，同时还可接收和执行监控中心、调度中心的操作指令，自动完成相关运行方式变化要求的设备操作。在变电站层和远端均可实现可视化的闭环控制，满足无人值班及区域监控中心站管理模式的要求。

（4）功能应用互动化

与调度系统互动，智能设备将其自诊断结果报送到调度系统，使其成为调度决策和制定设备事故预案的基础信息之一。与设备运行管理系统互动，包括智能组件自主从设备运行管理系统获取宿主设备其他状态信息以及将自诊断结果报送到设备运行管理系统两个方面。

2.智能变电站的体系结构

智能变电站的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可分为三个层次即过程层、间隔层和站控层。各层次内部及层次之间采用高速网络通信。智能变电站体系结构如图5所示。

（1）过程层

①电力运行的实时电气量检测

与传统的功能一样，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测 。其他电气量如有功、无功、电能量可通过间隔层的设备运算得出。与常规方式相比所不同的是传统的电磁式电流互感器、电压互感器被光电电流互感器、光电电压互感器取代；采集传统模拟量被直接采集数字量所取代，这样做的优点是抗干扰性能强，绝缘和抗饱和特性好，开关装置实现了小型化、紧凑化。

②运行设备的状态参数在线检测

变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。

③操作控制执行与驱动

图5 智能变电站体系结构

操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断路器、刀闸合分控制，直流电源充放电控制。过程层的控制执行与驱动大部分是被动的。即按上层控制指令而动作，比如接到间隔层保护装置的跳闸指令、电压无功控制的投切命令、对断路器的遥控开合命令等。在执行控制命令时具有智能性，能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器定相合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断。要求操作时间限制在规定的参数内，如对真空开关的同步操作要求能做到开关触头在零电压时关合，在零电流时分断等。

（2）间隔层

间隔层设备一般指继电保护装置、系统测控装置、监测功能组的主智能电子装置（Intelligent Electronic Device，IED）等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、传感器和控制器通信。间隔层的主要功能是:（a）汇总本间隔过程层实时数据信息；（b） 实施对一次设备保护控制功能；（c）实施本间隔操作闭锁功能；（d）实施操作同期及其他控制功能；（e）对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；（f）承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。必要时，上下网络接口具备双口全双工方式，以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。

（3） 站控层

站控层包括自动化站级监视控制系统、站域控制、通信系统、对时系统等，实现面向全站设备的监视、控制、报警及信息交互功能，完成数据采集和监视控制、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。

站控层功能高度集成，可在一台计算机或嵌入式装置实现，也可分布在多台计算机或嵌入式装置中实现。

站控层主要功能是:（a）通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；（b）按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心；（c）接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；（d）具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；（e）具有（或备有）站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至图像、声音等多媒体功能；（f）具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能；（g）具有（或备有）变电站故障自动分析和操作培训功能。

四、智能变电站的发展现状

为推进国内智能变电站的研究与建设，国家电网公司首批安排7个智能变电站试点工程，电压等级上涵盖了110 kV、220 kV、500 kV及750 kV变电站；建设方式上既有新建站，也有需进行技术改造的老站。如上海首座智能变电站——110 kV蒙自变电站于2009年年底正式投运，标志着上海建成首座智能变电站服务世博会、上海电网7项世博电力核心工程的基建任务圆满完成。蒙自变电站是世博浦西园区电力能源的“心脏”。蒙自地下变电站与国家电网公司企业馆一体化建设，全站采用可靠、低碳、环保的智能设备，并实现全部国产化，采用的通讯网络技术和新型自动控制系统，达到全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、功能应用互动化的要求。作为首座集成环保节能技术的智能变电站，该站国产化的主变压器具有较强的适应性和低损耗、低噪声、绝缘性能好、无毒、不燃、不爆等特点。同时，主变压器余热利用和冰蓄冷技术运用，有效降低了二氧化碳排放和功率损耗。该站首次采用地源热泵空调系统、吸附式余热回收系统和冰蓄冷系统作为变电站空调联动系统，可节能30% ～50% 。

智能变电站建设应遵循以下原则:注重智能变电站与智能电网功能需求结合，与标准化建设成果结合，与全寿命周期管理理念和方法应用结合；注重总结应用已有数字化变电站、无人值班变电站行之有效设计和建设成果；积极优化和创新，积极应用新技术、新设备、新材料，形成技术先进、安全可靠、创新优化、成果自主、经济适用的智能变电站建设方案。