浅析变电站综合自动化与智能化的现状与发展趋势

2018-08-23李刚刚

电气传动自动化 2018年5期

李刚刚

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741018）

1 概述

常规变电站的二次设备由：继电保护、自动装置、测量仪表、操作控制屏和中央信号屏以及远动装置。

变电站综合自动化是将变电站的二次设备经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和数字信号处理（DSP）等技术，实现对变电站主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护以及与调度通信等综合性自动化功能。

根据国家电网公司《智能变电站技术导则》，智能化变电站是采用先进、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、协同互动，达到提高变电站可靠性、优化资产利用率、减少人工干预、支撑电网安全运行等目标的变电站。

2 变电站综合自动化和智能化的功能特征

2.1 变电站综合自动化

根据国际大电网会议WG34.03工作组在研究变电站的数据流时，分析了变电站综合自动化需完成的功能大概有63种，结合我国实际情况可综述为以下几个方面：

（1）监控功能：采集变电站的模拟量、开关量和电能量数据，记录现场的事件顺序，并在远控室对相应的电气设备进行调节控制。

（2）微机保护：具有通信、故障记录、故障自诊断、自闭锁、自恢复等独立、完整的保护功能，其功能和可靠性，在很大程度上影响了整个系统的性能。

（3）电压、无功综合控制和低频减负荷控制功能：电压、频率和波形是电能质量的重要指标，因此需要对电压和频率进行综合调控，以保证电力部门和用户在内的总体运行技术指标和经济指标达到最佳。

（4）备用电源自动投入控制：随着用户对供电质量和供电可靠性要求日益提高，备用电源自动投入就成为变电站综合自动化系统的基本功能之一。

2.2 变电站智能化

根据我国智能电网建设和发展的要求，体现我国智能电网信息化、数字化、自动化、互动化的特点，智能电网应具备以下功能特征：

（1）紧密连接全网：从变电站在智能电网体系结构中的位置和作用看，智能电网的建设，要有利于加强全网范围各个环节间联系的紧密性，有利于体现智能电网的统一性，有利于互联电网对运行事故进行预防和紧急控制，实现在不同层次上的统一协调控制，形成统一坚强智能电网的关节和纽带。

（2）支撑智能电网：从智能化变电站的自动化、智能化技术上看，智能化变电站的设计和运行水平，应与智能电网保持一致，满足智能电网安全、可靠、经济、高效、清洁、环保、透明、开放等运行性能的要求。

（3）高电压等级的智能化变电站应满足特高压输电网架的要求：特高压输电线路将构成我国智能电网的骨干输电网架，变电站应能可靠的应对和解决大容量、高电压带来的设备绝缘、断路器开关等方面的问题，支持特高压输电网架的形成和发挥有效作用。

（4）中低压智能化变电站允许分布式电源的接入。未来智能电网的一个重要特征就是大量的风能、太阳能等间歇性分布式电源的接入。智能化变电站将作为分布式电源并网的入口，从技术到管理，从硬件到软件都必须充分考虑并满足分布式电源并网的需求。

（5）远程可视化。智能化变电站的状态监测与操作运行均可利用多媒体技术实现远程可视化与自动化，以实现变电站真正的无人值班，并提高变电站的安全运行水平。

（6）装备与设施标准化设置、模块化安装：智能变电站的一二次设备进行高度整合与集成，所有的装备具有统一的接口。减少了现场大规模调试的弊端，使得变电站的“可复制性”大大提高。

3 变电站综合自动化智能化的架构

3.1 变电站综合自动化

变电站综合自动化系统的发展过程与集成电路技术、微计算机技术、通信技术和网络技术密切相关。随着这些高科技的不断发展，变电站综合自动化的体系架构也在不断发生变化，其性能和功能以及可能性等也不断提高。从国内外变电站综合自动化系统的发展来看，其架构形式可分为集中式、分布集中式、分散与集中相结合和全分散式等四种类型。下面主要通过变电站综合自动化发展方向的代表——分散与集中相结合的架构进行分析。

分散与集中相结合的架构，既具备了分层分布式、模块化结构的优点，又具备了结构紧凑、体积小的优点。其框图如图1所示。

图1 分散与集中相结合的变电站综合自动化系统框图

分散式架构是将每一个电网元件（例如：一条出线、一台变压器、一组电容器等）为对象，集测量、保护、控制为一体，设计在同一机箱中，并将这些一体化的测量、保护、控制单元分散安装在各个开关柜中，然后由监控主机通过光缆或电缆网络，对这些单元进行管理和交换信息；集中式架构是将高压线路保护装置和变压器保护装置，采用集中组屏安装在控制室内。

将以上两种架构结合，即将配电线路的保护和测控单元分散安装在开关柜内，而高压线路保护和主变保护装置等采用记住组屏的系统结构，称为分散与集中相结合的架构。

分散与集中相结合的架构通过现场总线与保护管理机交换信息，节约控制电缆，简化了变电站二次设备之间的互连线，缩小了控制室的面积；抗干扰能力强，工作可靠性高，而且组态灵活，检修方便，还能减少施工和设备安装工程量，所以该种方式是变电站综合自动化的发展方向。

3.2 变电站智能化

未来智能变电站的体系分为设备层和系统层：设备层由变压器、断路器、电子式互感器等多个设备加上智能组件组成，完成能量传输及测量、保护、控制、计量等功能；系统层包含网络通信系统、对时系统、后台监控系统、站域保护、对外通信系统等子系统。其框图如图2所示。

图2 智能变电站系统框图

智能变电站的重点是设备智能化和高级智能应用，是从数字化变电站的基础上演变出来的。相比于遵循IEC 61580协议的数字化变电站的三层结构（过程层、间隔层和站控层），智能变电站进行了结构简化，其设备层相当于数字化变电站的过程层和间隔层的集合，系统层相当于站控层。设备层通过智能组件、电子式互感器等智能设备将传统的一次、二次系统进行融合，完成相关信息的提取、归集。系统层则注重信息共享、设备状态可视化、智能警告、分析决策等高级智能应用。

4 变电站综合自动化智能化的现状与发展趋势

4.1 变电站综合自动化

变电站综合自动化是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来的。国外在20世纪80年代已经投入使用第一套分散式变电站综合自动化LSA678（SIEMENS），我国在20世纪90年代才开始涉及，初始阶段主要研制和生产集中型号的系统，例如IES-60、DISA-1等型号的系统，90年代中期开始研制分散式变电站综合自动化系统，如DISA-2、CSC-2000等，与国外相比大约有10年的差距。

根据现有专业分工和管理体制的影响可将变电站综合自动化的实施过程中分为两种方案：一种主张站内监控以远动（RTU）为数据采集和控制的基础，相应的设备也是以电网调度自动化为基础，“保护”则相对独立；另一种则主张站内监控以微机保护为数据采集和控制的基础，将保护、控制和测量结合在一起（例如CSC-2000）。

根据我国目前的运行体制、人员配备和专业分工出发，第一种采取的控制和保护相互分开独立，相比于后一种更能适合我国国情，但是从发展趋势、技术合理性及减少设备重复配置、维护工作量方面考虑，后一种又有前一种无法比拟的优越性。是我国自动化发展的方向。

随着计算机和网络通信技术的发展，变电站综合自动化的运行模式将从无人值班、有人值守逐步向无人值守过度。站内RTU／LTU或保护监控单元也将直接上网，通过网络与工作站和及它变电站通信，达到网络同步，变电站之间信息共享。

4.2 变电站智能化

智能电网包含了电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和电力调度等6各环节。美国式研究智能电网最早的国家，1998年，美国电力科学研究院（EPRI）已经开始了“复杂交互式网络和系统”的研究，根据美国能源部输配电办公室发布的《2030电网》的远景规划，至2010年建成智能电网示范工程，至2030年要达到100%的电力通过智能电网输送的目标。欧洲各国也在加快推动智能电网的应用和变革，意大利有关电网2001年已经率先实现了智能化。

我国在智能电网的方面研究也比较早，在20世纪末，就提出了数字电力系统的概念，开展了分布电力技术和微电网技术的研究，国家电网在2007年制定了数字化电网、数字化变电站关键技术的研究框架，华东电网和华北电网相继启动了智能互动电网相关研究，2009年初国家电网公司启动了“坚强智能电网体系研究报告”等重要课题研究。并随后提出了构建智能电网为目标，技术主线与管理主线并进的发展战略目标，设定了2008-2020年“三步走”的行动计划。

智能电站是智能电网的重要组成部分和重要环节，国网公司提出了“十一五”科技发展规划：提高电网运行管理控制水平的六个重点技术领域、电网自动化技术、数字化变电站技术，集中科研力量研制电子式互感器、变压器智能组件、断路器在线监控装置等智能设备；研究开发符合IEC 61580标准，并具备测量、保护、控制、分析、设备在线监测、状态检修、远方监视等功能的数字化分散式变电站自动化系统；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，电压等级涵盖了110kV、220kV、500kV、及750kV变电站，涉及陕西公司延安750kV变电站、东北公司长春南500kV变电站、山东公司青岛午山220kV变电站、湖南公司张家园110kV变电站等站点。

智能电网的建设带来了巨大的市场机遇，到2020年我国装机容量预计到达或超过16亿kW，相应的智能电网投资规模也将超过4万亿元；将使我国电力工业及其相关的电力装备产业的系统创新和整体技术得到很到的提高。