变电站电力系统的自动化智能控制技术探究

刘道兴

（福建宏瑞建设工程有限公司，福建 福州 350003）

0 引 言

变电站是电能输送过程中的重要一环。在当前人们生产生活对电能非常依赖的背景下，保证变电站高效、稳定以及自动化运行具有重要的现实意义[1]。变电站电力系统自动化功能的实现离不开自动化智能化技术的支撑，因此做好相关自动化智能控制技术的研究对提高变电站电力系统的控制水平意义重大。电力部门应提高认识，结合变电站电力系统控制实际，有计划的部署自动化智能控制技术，促进变电站电力系统控制质量与水平的进一步提升，为我国电力事业的长远稳步发展作出应有贡献。

1 变电站电力系统自动化智能控制的必要性

变电站在电能输送过程中占据重要地位，其涉及较多的电气设备，对管理工作质量与精度要求较高[2]。在变电站电力系统中通过运用自动化智能控制技术非常有必要，主要体现在以下方面。

其一，保证电能供应质量。电能是人们生产生活中的重要能源，尤其我国正处在经济发展的关键时期，如何保证电能的供应质量是电力部门工作的重中之重。变电站运行中可能会出现各种突发状况，因突发状况的不确定性大，所以大大增加了管理工作难度，而运用自动化智能控制技术可实现对变电站电力系统的实时监测，并能够及时响应出现的各种不良问题，能够对可能出现的故障进行评估和预测，为电能的稳定供应提供良好保障。其二，降低人工成本。以往变电站电力系统的管理主要以人工方式进行，需要变电站在人员招聘和培训等上投入较大成本，而应用自动化智能控制技术一次性投入，便可从中长时间的受益，有效的降低人工成本[3]。其三，提高管理效率。在变电站电力系统中运用自动化智能控制技术不用考虑主观因素的影响，而且能快速响应各类故障，管理质量有保障且效率高。

2 变电站电力系统自动化智能控制系统的构成

变电站一次系统主要包含输送和分配电能的电气设备，是整个电力系统的核心。二次系统负责监测与管理电力系统及一次设备的运行情况，是确保变电站电力稳定运行不可或缺的重要部分[4]。

2.1 一次系统

一次系统包括主接线、断路器、互感器、电抗器、消弧线圈以及防雷接地装置等[5]。其中主接线用于连接各电气设备，确保电能按照预定的功率。接线方式分为无母线接线方式和有母线接线方式。断路器的作用主要有两种，一是根据供电需要退出或投入某些电器设备，二是响应故障，与继电保护器配合从系统中切除故障设备，保证电力系统的稳定运行。互感器有电压互感器与电流互感器之分，其作用主要有两点，一是将一次系统中的高电压与电流转化成二次系统的低电压与电流，以满足继电保护及测量工作需要，二是分开高电压与低电压的继电保护装置和测量仪器等，确保设备及相关人员安全。电抗器具有无功补偿、稳定电压以及限制短路电流等作用。消弧线圈的作用是在发生接地故障时补偿接地电流，使接地电流大大减小，避免出现接地电弧，增强供电的稳定性和可靠性。防雷接地装置有避雷器、避雷网以及避雷针等。

2.2 二次系统

二次系统主要由继电保护系统、远程控制系统、故障信息系统以及计量系统构成[6]。其中地面保护系统的作用在于能够迅速跳闸，快速地响应电网故障，远程控制系统用于测控信息传输情况，并进行远程操作，故障信息系统负责故障录波和故障测距等，计量系统用于计量电费与经济结算等。

另外，二次回路可分为交流电压回路、交流电流回路、控制回路以及信号回路等。用电流电压回路能够方便地获取电力系统的无功功率、有功功率以及各运行电气设备的电流、电压值，有助于工作人员从整体上把握电力系统地运行情况，并根据分析的结果做出对电力系统的控制操作。控制回路主要用于控制断路器和隔离开关等，通过采集信号装置的信息实现对电力系统及电气设备运行状态的监控，并根据实际情况向工作人员发送事故信号、预告信号以及位置信号等，帮助工作人员迅速锁定故障位置。此外，部分电站的二次回路使用直流电源供电，以达到保护相关设备的目的。

3 变电站电力系统自动化智能控制体系结构

变电站电力系统自动化智能控制体系如图1所示，由站控层、间隔层以及过程层构成[7]。其中站控层由保信子站、远动装置、五防主机、操作员主机以及监控主机构成，间隔层由故障录波器、测控装置以及保护装置等构成，过程层主要由智能终端和合并单元构成。

图1 变电站电力系统自动化智能控制体系

4 变电站电力系统自动化智能控制关键技术

4.1 通信技术

变电站电力系统自动化智能控制功能的实现需要通信技术的支撑。根据通信方式可将通信网络形式划分为点对点通信、分支通信以及交换通信。为保证通信的正常进行，需要使用专门的设备将不同的信号形式及信号转化成能够被对方识别的信号类型，从交换形式上可分为报文交换和分组交换。另外，在通信网络上还可进行信息的广播，即在每一个通信站均设一台专门与其他通信站共享同一传输媒体的收发信机，任意通信站以广播形式发送信号时，均能被其他的通信站接收，这一功能的实现有助于实现对变电站的统一管理。

目前来看，变电站电力系统自动化智能控制通信功能的实现普遍使用以太网技术。该技术应用载波监听多路访问及冲突检测技术，并且能够在不同类型的电缆上以10 Mb/s的速率运行。在传输信息时以太网遵循先听后发、边听边发、冲突停发以及随机延迟后重发的原则[8]。

4.2 电子式互感技术

电子式互感器是变电站电力系统自动化智能控制的重要电气元件，分为电子式电流互感器（Electronic Current Transformer，ECT）和电子式电压互感器（Electronic Voltage Transformer，EVT）。其中ECT包括有源电子式互感器、磁光玻璃式电子式电流互感器以及全光纤电子式电流互感器。有源电子式互感器中，空心线圈是其敏感元件，光纤仅用于信息的传输[9]。但因其使用开环控制技术因此精度及动态范围具有一定的局限性，而且容易受到杂散磁场的干扰。磁光玻璃式电子式电流互感器中使用特殊的光学材料，传输元件由光纤充当。光学玻璃传输光信号时具有较大的损耗，而且容易受温度的影响[10]。全光纤电子式电流互感器既充当传输元件，也充当敏感元件，因光路的输入和输出使用统一的路径，所以抗干扰性和稳定性较强。另外，其应用闭环控制技术不仅精度高，而且动态范围大。

EVT包括有源电子式电压互感器和无源电子式电压互感器。其中有源电子式电压互感器原理简单，技术成熟，但其对变压器的稳定性和精度具有较高要求。该类互感器包括阻容分压型、电容分压型以及电阻分压型等。无源电子式电压互感器测量频带宽和绝缘性能好，能够很好的适应数字化要求，但其研制难度难度大，对材料稳定性具有较高的要求。

4.3 对时同步技术

变电站电力系统的自动化智能控制运行中对时间精度要求较高，具有专门的时间同步系统。时间同步系统能够保证电力系统数据采集的一致性，尤其在电网参数校验、线路故障测距以及电网故障分析中发挥重要作用。

时间同步系统应用的授时技术主要有长短波授时技术、低频时码授时技术以及卫星授时技术。其中，卫星授时技术包括GPS授时技术、GALILEO授时技术以及北斗授时技术等。GPS时间以美国海军天文台的协调世界时为主要参考，是一个连续的时间尺度。GALILEO为欧盟授时系统，其由在2.4×104km轨道高度上的30颗卫星构成，授时误差不超过1 m[11]。北斗卫星导航系统是我国独立研发的全球卫星导航系统，2020年7月北斗三号全球卫星导航系统正式开通，可全天时全天候为用户提供授时服务，授时精度达到10 ns。相信在不久的将来，我国越来越多变电站自动化智能控制时将使用北斗系统。

变电站系统自动化智能控制应用的时间同步方式有SNTP、IRIG-B以及IEEE1588共3种。不同的时间同步方式精度有所差异，如站控层对时间精度要求不高时可运用SNTP进行对时。间隔层和过程层信息的传输对时间精度的要求较高，此时可考虑使用IRIG-B对时。运用以太网同步时钟时可使用IEEE1588。

4.4 在线监测技术

变电站电力系统的自动化智能控制还应用很多的在线监测技术，如变压器监测技术、断路器监测技术、容性设备及避雷器监测技术等，能够实时掌握电气设备的运行状态，及时发现各类故障。

变压器是变电站的重要电气设备，其能否正常的工作直接影响着电能的供应质量。通过在合适的位置安装相关的监测设备，能够实现对变压器油色谱在线监测、绕组变形情况监测、绝缘特性监测以及风冷控制监测等。其中油色谱在线监测主要基于气相色谱原理，能够监测变压器油中溶解故障气体的含量及变化情况，从而评估出现的故障，及时采取针对性措施加以排除[12]。运用短路阻抗法能够对变压器绕组阻抗变化值进行监测和计算，监测原理如图2所示。

图2 变压器绕组阻抗变化的监测原理

绝缘特性监测时使用电流传感器监测铁芯接地电流和套管泄漏电流，并通过将监测信号处理、转换与传输为IDE作进一步的处理。风冷控制监测主要通过温度传感器和电流互感器等实现对温度与电流情况的监测。另外通过安装局部放电传感器，实现对变压器局部放电情况的监测。

断路器监测主要包括机械特性监测、SF6气体监测以及开关柜温度监测等。其中对机械特性的监测基于分合闸线圈电流的模拟量、三相电流及断路器的行程等信息的处理，使用温度传感器和电子式压力传感器能够直接监测出气体的温度值和压力值等，进而整体把握电气设备的运行情况。开关柜温度监测时应用红外线传感器获得开关柜的温度数值，并经过现场处理单元的处理，将相关的数据传输给IDE进行处理。

监测容性设备时应用相关的监测终端。监测终端不仅能够控制电气设备的工作过程，而且测评电流信号及高速同步的同时能够监测温湿度数值，并将相关的监测数据上传至容性监测设备IDE。避雷器监测功能的实现和容性设备的监测原理相近。

5 结 论

变电站电力系统自动化智能控制技术优点显著，在当前人们生产生活对电能供应质量越来越高的背景下，做好变电站电力系统自动化智能控制技术，结合我国变电站发展实际，把握电力事业改革的良好契机，在变电站中积极推广与应用电力系统自动化智能控制技术，结合变电站实际制定可行的方案，通过部署相关硬件设备，实现对各类电气设备运行情况的实时在线监测，响应各类故障的同时能够预测可能出现的故障，提前采取预防性措施，避免发生故障，为变电站的安全稳定运行提供良好保障。