智能变电站在钢铁企业中的应用

2020-12-27李柳涛

冶金动力 2020年1期

李柳涛

（柳州钢铁股份有限公司机动工程部，广西柳州 545002）

引言

变电站是工业企业电力能源的心脏，为工厂的正常生产提供源源不断的电力能源，因此，对工业企业而言，其重要程度不言而喻。在智能变电站出现以前，传统变电站的发展以二次系统划分，主要经历了电磁式、数字式几个不同的阶段。电磁式是一次设备为独立执行元件，二次设备由电磁式继电器组成，只有简单的遥测、遥信功能。从微机式继电保护装置出现开始，变电站进入了数字化的时代，虽然互感器等设备仍然是传统的电磁式互感器，但二次保护装置已经变成了微机式继电保护装置，形成了综合自动化系统，虽然自动化水平有较大提升，具备了基本的数字化功能，但信息的集成不完备，较分散。智能变电站从一次设备到二次设备均实现了完全的数字化，可实现通讯协议统一、信息集中管理共享、高级应用等众多功能，实现高度的数字化、智能化。

1 智能变电站简介

智能变电站采用先进、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。

就目前技术发展现状而言，智能变电站是由电子式互感器（也可以是电磁式互感器）、智能化开关等智能化一次设备、网络化二次设备分层构建，建立在有线或无线通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和相互操作的现代化变电站。

钢铁企业工序复杂繁多，且多数为一级负荷，根据钢铁企业的用电特点，在电网架构上，一般采取建设1～2个总降变电站和一定数量的区域变电站，由于站点数量多且分散，传统的常规变电站由于设备、网络通讯的局限性，不能完全实现各站点之间的数据共享，给管理造成较大困难。采用智能变电站后，最大的好处在于实现了通讯的统一标准，各站信息可以完全实现共享。可以将分散在各区域变电站的数据通过统一的标准传送到后台系统中，通过后台高级应用软件实现系统数据的采集分析，分析控制电网潮流、集中操作等，大大提升电网的管理水平。

2 系统架构

智能变电站通过智能化设备和网络将系统分为三层两网，三层指站控层、间隔层、过程层，两网指站控层网络和过程层网络。

2.1 过程层

主要采用了传统电磁式互感器加智能终端的方式。由于一次智能化设备的可靠性相对传统一次设备仍有一定差距，因此仍然选择了传统的一次设备。智能终端既是开关量的采集设备，又是分、合闸信号的执行控制设备。它将一次设备的开关量信号采集后转换成光信号传输给间隔层设备，又接收来自间隔层设备的控制信号。

2.2 间隔层

间隔层设备即常规变电站中的综保装置、测控装置、稳控装置、录波装置、交换机等，间隔层设备均配置了支持IEC61850 的GOOSE 网口，用于与过程层设备进行数据通讯，同时也配置了以太网口，用于与站控层设备进行通讯。由于过程层采用了光传输，因此节省了大量的电缆。同时，间隔层设备通过站控层网络与站控层进行通讯。

2.3 站控层

站控层配置了数量不等的操作员站、工程师站、服务器、通讯网关机等设备，除了可以对本站进行监控运行外，也可通过网络将数据传送至中调、地调、ERP等各种信息化系统中。

2.4 过程层网络

由于过程层取消了合并单元，因此过程层网络由GOOSE网组成，用于过程层设备与间隔层设备的数据传输交互，主要是IED 设备与智能终端之间的数据交互。由于钢厂的设备对供电可靠性要求较高，为保证供电安全可靠，过程层网络采用了直采直跳的方式，过程层的数据通过电缆和GOOSE网直接送入间隔层IED 中，间隔层IED 发出的指令通过GOOSE 网直接送入对应的过程层设备智能终端，不会与过程层其他间隔的设备有联系。

电压电流等电信号的传输仍通过电缆直接接入IED 中，而GOOSE 网主要用于分合闸、非电量信号的传输。GOOSE 网采用A、B 双网，保证了数据传输的可靠性。

2.5 站控层网络

站控层网络是采用总线型结构，支持IEC61850，它是站控层设备与间隔层设备进行数据通讯交互的网络，为保证其可靠性，配置为双网。

3 高级应用

智能变电站相对于常规变电站最大的特点在于其可以实现强大的高级应用。高级应用是指变电站智能化的重要内容，基于一体化业务平台提供标准服务。

3.1 一体化业务平台

在常规变电站中，各子系统是相互独立的个体，各系统的数据需要单独采集调用，数据采集需要多系统密切配合，信息数据存在交叉、重复的情况，无法方便地使资源共享，各系统的数据处于“信息孤岛”的状态。

如图1，一体化业务平台通过通讯的统一，资源的整合，把原来孤立的保信系统、辅控系统、测量计量等不同系统统一进行整合，实现数据的采集、归纳整理，并使得各系统可以共享调用。智能变电站的各种高级应用也正是基于此平台上得以实现。

图1 一体化平台数据及信息流

3.2 高级应用功能

高级应用包括了分布式状态估计、智能告警、故障分析决策、顺序控制、源端维护、数据辨识等各种高级功能，通过各种功能的应用，实现了变电站一体化监控系统。

3.2.1 分布式状态估计

建立面向开关的三相量测模型，可利用PMU 数据实现变电站分布式状态估计，并将数据上传调度，实现变电站、调度中心的两级式状态估计。其做法是在变电站做状态估计并剔除不良数据，这样做的目的不但提高了模型可靠性，减小了通讯负担，还减少了维护负担。

3.2.2 智能告警

告警信息按设备组和设备进行分类过滤，根据变电站逻辑和推理模型，对变电站的运行状态进行在线实时分析和推理，自动报告变电站异常，并生成告警简报。

3.2.3 故障分析与决策

故障信息综合分析是系统通过预设定的条件对一次故障中采集到的多个装置的所有相关数据进行分门别类，最终将一次故障的所有相关数据筛选打包生成报告，并在此基础上进行综合故障信息综合分析。报告中可支持录波曲线显示、超链接，装置上送的HDR报告、动作报告和故障报告都采用了可定制的XSLT模板显示。

3.2.4 数据辨识

数据辨识以站内的实时数据为依据，实现对指定设备关联的量测量、状态量等进行数据合理性和不良性检测。同时，也是站端分布式状态估计的基础功能并为主站侧的状态估计提供数据参考。

通过数据辨识，可以检测电量非电量数据是否正常准确。

3.2.5 源端维护

对于钢厂而言，由于区域变电站较多且分散，维护存在很大困难，多数区域变电站的维护都只能在现场进行。而智能变电站的源端维护功能就很好地解决了这个问题。首先，将分布在各区域的变电站生成模型，变电站内模型的建立包括：SCD文件的生成、SCD 模型的导入、变电站内CIM 模型的生成、变电站内SCD 模型与CIM 模型的关联。其次，进行文件交换，变电站与调度技术支持系统的交换文件包括CIM/E 与CIM/G，同时包括变电站与调度主站通讯用的CID 模型文件。最后进行图模加载，调度中心根据变电站端提供的文件，实现图库的导入及通信信息的加载。完成以上步骤后，即可在远程对各站点进行远程配置和控制维护。从而实现了电力系统的一体化管理，极大地提高了管理水平。