智能变电站功能架构及设计原则

张可佳

（四川省电力公司内江电业局，四川 内江 641003）

2009年，国家电网公司首次提出了建设“坚强智能电网”的战略目标和发展思路。坚强智能电网被认为是21世纪电力系统变革和发展的必然趋势，也是21世纪人类将现代高科技实用化的重大科技创新。坚强智能电网的发展，必将对传统电网的功能、形态和作用做出重大甚至是本质的改变，深刻改变世界能源生产和利用格局，深刻影响经济发展方式和人们生活方式，在现代社会中发挥越来越重要的作用[1-3]。而在智能电网的建设和发展中，作为智能电网的重要组成部分，智能变电站的设计建设及投入使用至关重要。

智能变电站以现代先进的自动化技术、高效的信息化技术和快速的分析技术为基础，高效高质的完成对电力系统进行测量、控制和保护等基本功能，能够提高电力系统的安全稳定运行，因此，坚强智能电网的建设对于保证电网稳定运行和提高对用户的供电质量和可靠性具有重要的现实意义和理论价值。实现对各种资源的灵活高效的优化配置[4-5]。

本文探讨了智能变电站的主要创新点，总结了智能变电站的系统结构设计以及智能变电站各个部分的功能。在此基础上，研究了智能变电站的具有的功能要求。最后，归纳了智能变电站的设计原则和及实际建设过程中注意事项。

1 智能变电站

智能变电站通过先进、高效可靠和环保的智能设备集合而成，采用高速的通信网络为载体，能够自动的完成电力系统进行测量、控制和保护等基本功能。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[3]。

智能变电站与数字化变电站更加强调目的，即更加强调变电站具有的功能和目标，因此智能变电站概念中包含两个方面的集成[6-10]：物理集成和逻辑集成，如图1所示。

坚强智能变电站是坚强智能电网的基础。而高可靠性设备的大量投入则可以保证是变电站的坚强性。变电站的自动化分析、综合和协调控制、设备信息的数字化、各种基本功能的集成化是智能变电站的关键，也是智能变电站发展的必然趋势。实现信息共享智能化和是最终目标。智能化变电站相对与传统变电站的创新点主要在以下四个方面。

图1 智能变电站的物理集成和逻辑集成

1）一次设备智能化。即综合具有状态监测、检测与诊断、状态检修及资产评估等智能化功能。

2）互动。实现与大用户、其他变电站及调度中心的交流互动。

3）协调控制。电能质量监测控制、变压器电压/无功广域协调控制，保证全站的经济运行。

4）智能应用。高速采集实时数据，完成相应存储分析，并做出智能决策以提高变电站智能应用水平。

2 智能变电站系统结构设计

变电站自动化系统的功能是控制和监视，以及一次设备和电网的继电保护和监视[4]。根据IEC61850标准，从功能逻辑上，变电站自动化系统分为3层：变电站层、间隔层和过程层。图2给出了变电站自动化系统逻辑结构图。

图2 变电站自动化系统逻辑结构图

1）过程层

过程层包括远方的输入输出设备，智能化的传感器和智能化的执行器（如隔离开关，变压器和断路器）等新智能组件，具体负责模拟量和开关量的实时采集，并向间隔层和变电站层发送控制指令，可实现发送控制指令，可实现变电站电能分配、传输及其测量、控制、保护、状态监测等基本功能。

2）间隔层

间隔层由各间隔的控制、保护和监视单元组成，一般指继电保护装置、系统监测控制装置、主IED等二次设备，完成与各种远方I/O、智能传感器和控制器通信。

3）变电站层

变电站层由采集储存数据的计算机、操作工作台和远方通信等部分组成。基于变电站层，全站将被看成一个整体，主要分为有关过程和接口的两类变电站层功能。

数字通信是变电站内各层联系的基础。变电站层和间隔层采用的是站级总线（StationBus）通信，即采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范、传输控制协议/网际协议以太网或光纤网，属于串行通信方式；在间隔层和过程层采用的是过程总线（ProcessBus）通信，即单点向多点传输的通信方式，属于并行通信方式。同时，为实现全站信息快速高效交换，变电站内的智能组件及相关电子设备（IED设备，测控单元和继电保护装置）均采用统一的协议。最后，全站数据源的统一标准化也是网络信息共享的基本要求。

3 系统功能要求

智能变电站系统功能应满足集成化和多样化的要求，同时应保证数据源使用统一标准化规范，方便网络共享。同时，智能设备之间应实现进一步的互联互通，支持采用系统级的运行控制策略。同时，实现智能设备间的交互性沟通功能，保证系统协调控制及安全高效运行也是智能变电站系统功能的基本要求[11-12]。从功能需求层次上来分，智能变电站系统功能要求可分为一般功能要求和高级功能要求两类。

3.1 一般功能要求

主要有：①数据采集和处理功能；②实时数据库功能，采集并存储通信体系中各层传输来的数据信息；③无人值班等相关功能要求；④防误闭锁的功能；⑤针对采集数据和各种通信接口获取数据的报警处理功能；⑥在线计算及制表功能；⑦远动通信功能；⑧系统自诊断和自恢复功能；⑨与其他智能设备的通信接口功能；⑩变电站内的设备状态具有可视化功能；设备能够根据需求，经过简单的改造之后能够实现相应的高级功能。

3.2 高级功能要求

除了上述一般功能要求外，为实现运维高效性，针对智能变电站的特点,智能变电站还需满足设备状态可视化、智能告警及分析决策、故障信息综合分析决策、集中式处理功能、站域保护、与外部系统信息交互等高级功能的要求。

1）设备状态可视化

进行变压器断路器隔离开关等主要一次设备状态信息的采集，做相应可视化处理后上传到上级数据系统，达到优化电网运行和各设备运行管理的目的。

2）智能告警及分析决策

针对变电站内故障信息，建立其物理模型，对报警信息做初步处理，过滤掉错误信息后，全面分析变电站的运行状态，实时报警变电站出现的故障并提出相应处理策略。同时，为了提高效率，课更具实际需求，在主站建立分层分类的故障告警系统。

3）故障信息综合分析决策

在记录了故障时间顺序、保护装置、故障录波和相量测量等数据的基础上，对相关数据进行综合分析和处理，并将故障分析结果进行人性化的可视化展示。

4）支撑电网经济运行与优化控制

以站内变压器和无功补偿设备为调节手段，配合坚强智能电网综合调度体系，实现全网的安全经济运行和优化控制。

5）站域控制

在集中处理判断站内信息的基础上，协调站内多种自动控制装置（备用自投、母线分和运行等），达到适应系统运行方式的目的。

6）与外部系统交互信息

与其他变电站，上级调度中心及各类电源等的信息交换也是智能变电站需要满足的高级功能之一。

4 设计原则及其注意事项

4.1 基本设计原则[2-7]

基本设计原则包括：

1）传感器嵌入设备采集实时信息。

2）采用开放性体系架构（SOA）。

3）统一建模（UML）。

4）遵循标准化、规范化原则。

5）保证可靠性、冗余性。

6）网络管理（流量与均衡）。

7）数据管理（分层分布式）。

8）具有智能分析及协调功能。

9）变电站外的数据访问。

10）网络安全的保证。

4.2 具体设计注意事项

安全可靠是设备与系统设计选型需要满足的首要原则；其次，尽可能采用结构紧凑型设备已满足智能变电站运行维护高效化的要求；最后，优化整合所有设备，以避免重复配置。

以下是智能变电站系统设计过程时需要着重注意的几个方面[2-7]。

1）变电站布置

合理布局变电站内电气主接线设计，兼顾电网结构要求和变电站功能需求，协调电网架构与主接线形式，优化电气总平面布置方案，采用集成化设备，节约占地面积与建筑面积[5]。

2）土建与建筑物

优化站内建筑结构设计，尽量合并具有相同功能的房间；围绕节约占地面积和建筑面积的要求，合理设计用来放置系统层设备的主控楼或机房等建筑；使用电缆替代光纤，并合理布置电缆沟位置。

3）网络架构

灵活配置各网络设备，充分考虑经济性要求，优化交换机的数量，使网络成本降到最低。其次，在搭建网络结构时，必须满足网络系统易扩展、以配置的要求；当新设备投入运行时，如果站内网络性能下降，应首先保证变电站自动化功能，并满足相应性能指标要求；最后，在网络通信系统正常运行维护期间，全系统运行应不受影响仍能正常工作。

5 结论

电力抢修能保障持续供电，最大限度的减少电力事故造成的社会与人民经济财产损失。本文介绍了三种配电网电力抢修模式的业务流程和特点，随着电力企业内部管理规范化标准的提高，传统的电力抢修模式会逐渐向以3G无线视频监控指挥系统为基础的现代化抢修模式转变。本文为电力抢修人员提供一些理论参考。

在智能电网的建设和发展中，作为智能电网的重要组成部分，智能变电站的设计建设及投入使用至关重要。本文探讨了智能变电站的主要创新点，总结了智能变电站的系统结构设计以及智能变电站各个部分的功能。在此基础上，研究了智能变电站的具有的功能要求。最后，归纳了智能变电站的设计原则和及实际建设过程中注意事项。本文为智能变电站建设和研究人员提供一些理论参考。

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