智能变电站自动化系统及工程应用

李俊堂，李 龙，李 琼，2，杜晓华

（1.湖南省超高压管理局，湖南 长沙 410004；2.长沙理工大学，湖南 长沙 410076；3.长沙电力职业技术学院，湖南 长沙 410004）

智能电网是促进可再生能源发展、实现低碳经济的核心。继美国之后，我国有望成为第二个将智能电网上升为国家战略的国家。智能变电站是伴随着智能电网的概念而出现的，是建设智能电网的重要基础和支撑。在现代输电网中，大部分传感器和执行机构等一次设备，以及保护、测量、控制等二次设备皆安装于变电站中。作为衔接智能电网发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节的关键，智能变电站是智能电网中变换电压、接受和分配电能、控制电力流向和调整电压的重要电力设施，是智能电网“电力流、信息流、业务流”三流汇集的焦点，对建设坚强智能电网具有极为重要的作用。

为有效推进智能变电站建设的规范化，国家电网公司在总结前几年近百个各种类型数字化变电站项目实施经验上，组织了一系列标准和规范的讨论[1-3]。这些标准和技术规范的出台，为下阶段智能变电站的项目实施试点提供了规范化的依据。

1 智能化变电站特点

1.1 智能化的一次设备

一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计[5]，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换而言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。

1.2 网络化的二次设备

变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接采用高速网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。

1.3 自动化的运行管理系统

变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见，系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。

2 智能化变电站自动化系统结构

在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式互感器机电一体化设备的出现，变电站自动化技术进入了新阶段。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元，如A/D变换、光隔离器件、控制操作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分。另一方面，智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的I/O部分[6]；而中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计[8-9]。

智能化变电站自动化系统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，根据IEC61850通信协议草案定义，这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”，网络架构如图1所示[11]。

（1）过程层：是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要功能分三类：电力运行实时的电气量检测；运行设备的状态参数检测；操作控制执行与驱动。

（2）间隔层：其设备的主要功能是汇总本间隔过程层实时数据信息；实施对一次设备保护控制功能；实施本间隔操作闭锁功能；实施操作同期及其他控制功能；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；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。

图1 智能化变电站网络架构

（3）站控层：其主要任务是通过2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；按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心；接收调度或集控中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；具有(或备有)站内当地监控，人机联系功能；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；具有(或备有)变电站故障自动分析和操作培训功能。

3 智能变电站自动化系统工程实施优势及施工案例

3.1 工程实施优势

变电站的智能化有着丰富的内涵，涵盖从设计、施工到运行、维护等诸多方面。传统变电站的工程实施过程大量的二次接线繁琐复杂，在智能变电站条件下，随着数字化的推进，硬件回路将逐渐减少，以往大量的二次电缆连接模式演变成了虚端子、虚回路的配置。智能变电站信息传输以光纤替代电缆，端子连接以虚端子代替物理端子，以逻辑连接替代物理连接，如图2所示。这些导致传统的基于设备和回路的一系列设计、施工、运行、维护等方面的做法和工具都不再适应。事实上，按照IEC61850标准中的思想，智能变电站的工程实施将变得更为标准、有序、高效和高质量。

相比于传统变电站围绕着纸质图纸，智能变电站围绕着SCD文件。从所能表达的内涵上，图纸和SCD文件是相同的。但其本质区别在于，前者是人可读（human-readable），而后者则是机器可读（machine-readable）的。机器可读的意义在于，可以最大程度摒弃设计过程中设计人员的非标准化和个人风格化，最大程度利用计算机进行自动的设计、模型变换、校核和测试。所以，在未来的智能变电站建设中，必将具备用SCD文件代替传统二次图纸的条件，设计工作和系统集成工作将逐渐融合，设计院可以逐渐承担起系统集成商的角色，设计工作可以直接提交出包含全站模型信息的SCD文件并提供给各设备厂商，供其直接导入，完全避免了原先对照图纸、依靠人力进行信息输入和现场接线的弊端，从而在工程实施这个关键环节体现智能变电站的魅力和价值。

3.2 智能变电站工程施工案例

大量现存变电站的智能化改造模式是现阶段智能变电站发展必须考虑的问题，一般来讲一次设备的生命周期较长，老站改造主要集中在二次系统方面。另一方面，变电站需要在改造过程中部分承当电网运行的作用，因此，需要建立老站改造分步走方案。

图2 虚端子、虚回路示意图

以湖南岗市500k V变电站智能化改造工程为例，该站智能化改造是华中电网第一个500kV智能化变电站改造试点工程[4]，于2011年4月开工，其建设严格按照国家电网公司智能化改造技术规范的要求进行管理，改造范围主要包含以下2个方面的内容：

（1）对变电站进行第二阶段智能化整体改造，包括：a、一次设备智能化改造：500kV主变压器、500kV高压电抗器、35kV低压电抗器、第四串3台500kV断路器与220kV 3台断路器及500kV部分避雷器等关键一次设备增设状态监测功能单元；部分220kV和35kV隔离开关电操机构改造。b、二次系统智能化改造：更换站内现有监控系统，更换或改造升级站内现有保护、计量等二次设备装置，取消协议转换，全站实现DL/T860标准协议通信。改造升级监控系统站控层应用功能，根据需求增加智能高级应用，构建站内信息一体化平台。c、辅助系统智能化改造：对站内视频监控系统、安防系统、照明系统、站用电源、环境监测等辅助系统进行智能化改造。

（2）对变电站第四串进行数字化采样、多IED智能组件试点应用设计，包括：a、第四串保留常规电流互感器和电压互感器的基础上，串联增加3组电子式电流互感器、并联增加2组电子式电压互感器。b、第四串增设数字化采样的断路器保护，线路保护，500V母线增设数字化采样母线保护。

工程分为两个阶段实施，其中500kV第四串及220kV部分改造为第一阶段，在2011年前完成，其余改造部分为第二阶段，在2013年前完成。总体来看，工程优先考虑了信息处理机制问题，如通过智能组件就地化实现二次系统状态监测及全站故障录波，保持继电保护的“点对点”跳闸模式；其次通过网络化测控实现监控系统的升级问题；最后逐套更换保护装置完成全站的智能化升级。

智能变电站技术极大地改变变电站建设运行模式，以往现场大量的接线、对点工作量将显著改变，实现“最大化工厂工作量、最小化现场工作量”，符合国家电网公司“两型两化”的要求，使变电站建设更容易，运行更简单。

4 结语

智能变电站是建设智能电网的重要基础和支撑。在设备层面，其智能化主要体现在智能一次设备以及设备状态监视；在系统层面，其智能化主要表现为采集“全站、唯一、标准、同步”的全景信息，获得基于全景信息的优化控制结果并最终满足智能电网的运行要求；其建设模式也发生了巨大改变。岗市500kV智能化改造技术特点、设计、施工及调试等方面与常规500kV综自变电站有很多不同之处，站内信息以光信号的方式传输，为防止信号误传，施工过程需特别注意虚端子的核对。今后智能变电站作为电网建设的趋势，其技术水平、建设管理水平还会有进一步提高。

[1]Q/GDW 383 智能变电站技术导则[S]. 国家电网公司,2009.

[2]Q/GDW 394 智能变电站设计规范[S]. 国家电网公司,2009.

[3]常康, 薛峰, 杨卫东. 中国智能电网基本特征及其技术进展评述[J]. 电力系统自动 化, 2009, 33(17): 10-15.

[4]华中电网岗市500kV变电站智能化改造补充技术方案评审意见[R]. 国网智能电网部及生产技术部, 2010.

[5]智能变电站技术方案[S]. 国网电力科学研究院. 2011.

[6]许伟国. 110kV智能变电站自动化系统关键技术应用研究[J]. 供用电, 2011.5: 40-45

[7]郑峰. 基于IEC61850的智能变电站自动化系统时间同步方案研究[J]. 科技信息, 2011(26): 105-107.

[8]许根养. 220kV池州变电所综合自动化改造的实践和特点[J]. 安徽电力, 2005, 12(22-04): 65-69.

[9]赵永生, 桑仲庆, 刘海峰, 等. 金南智能变电站自动化系统关键技术和问题分析[J]. 湖南电力, 2011.10(31-5): 4-7.

[10]高翔, 张沛超. 数字化变电站的主要特征和关键技术[J].电网技术, 2006(30-23): 67-87.

[11]常康, 薛峰, 杨卫东. 中国智能电网基本特征及其技术进展评述[J]. 电力系统自动化, 2009(17): 10-15.

[12]朱全胜, 孙怡, 李卫东. 智能电网控制中心显示平台的展望[J]. 电力科学与技术学报, 2010(4): 7-12.

[13]申涛, 包旻, 赵玉成, 等. 数字化变电站的关键技术与工程实现[J]. 电测与仪表, 2010(S2): 40-43.