智慧变电站的体系构架设计与设备配置原则

2022-07-29陈兰兰

光源与照明 2022年4期

陈兰兰，张楠

国网镇江供电公司，江苏镇江 212000

0 引言

智慧变电站项目即运用自动化控制及智能调控技术创新传统变电站项目，并在先进通信技术的协助下，促进电力数据的实时共享，其涵盖电力系统的发电、输电、变电、配电等过程，真正实现了电力流、信息流、业务流之间的高度融合，协助电力企业明显提升电力运营及检修工作效率。新时期，智慧变电站是我国统一智能电网工程的重要基础，更是电力行业必须建设的内容，文章围绕其体系构架设计及设备配置两大问题展开分析。

1 智慧变电站的概念与特征

1.1 概念

智慧变电站集成了环保、安全、高效、高端的智能技术设备，其运转过程以高速通信网络为载体，可以对电网内电力设备进行智能化的实时保护、调节控制、参数测量等。以此为基础，可以结合现实需求，使变电站具备动态的协同交互、在线决策分析、自动化调控等高级功能。智能变电站可以控制电力设备的运行参数，快速检测及处置电力系统内的故障问题，进而确保变电站的正常运行。

智慧变电站的设计注重运行目标及各项使用功能的实现，从这个角度来分析，智慧变电站由逻辑集成与物理集成两大部分构成。

1.2 特征

（1）先进环保。运用先进技术建设智慧变电站，可以减少其对传统能源的依赖程度。和传统变电站相比，智慧变电站在提供相同电量时，消耗的煤炭更少，能更好地落实低碳环保理念。

（2）安全可靠。智慧变电站采用高端科技及精密设备，可以及时检测设备运行中存在的问题，降低故障发生率，为变电站运行的安全性、可靠性提供保障。

（3）互动集成。智慧变电站最大的特点是运用现代化科技集成电网与各种电力设备，实时共享电力数据，明显增强电网与设备之间的互动性。设计变电站架构时，需要集成传感器、互联网及现代信息技术，使电力数据采集、分析及互动拥有更宽广的平台，提升变电站的整体运行效率。

2 智慧变电站的体系构架设计

在物理层面上，可以将智慧变电站分成智能化的一次设备与网络化的二次设备；在逻辑上，变电站体系由四个层次构成，结合IEC 61850通信协议内的定义，这四个层次依次为过程层、间隔层、变电站层及站级总线，其功能与数字化变电站类似[1]。

（1）过程层。过程层通常由智能执行器、传感器、输出装置等构成，负责执行的任务主要是动态化采集开关量、模拟量等信息，并参照实际状况将相关指令信号发送到变电站层及间隔层。该层的最大特点是能快速、及时、精准地传送各种控制指令，进而确保智慧变电站能高质、高效地监测、维护、调控、测量、传送、配置电能状态。

（2）间隔层。从宏观角度分析，智慧变电站的间隔层由不同间隔的保护、监测及控制单元等构成，其内安置了大量的二次设备，包括主IED、控制监测装置、继电保护装置等，在以上设备的协同配合下，变电站可以更好地执行远程控制器、传感器及I/O之间的通信任务。

（3）变电站层。该层一般由搜集和存储数据的计算机、远程通信装置、操作工作台等构成。根据变电站层的功能，可以将变电站层细分成接口和过程两大部分。在智慧变电站内的数字化通信过程中，变电站层发挥着联系不同间隔层的重要作用。

（4）站级总线。间隔层和变电站层之间运用的通信层级为站级总线，即把抽象化的通信接口精准地映射至光纤网、网际协议/输入管理协议上，可以看成是串行通信的一种；过程层与通信层基于过程总线完成通信，这是由单点传输至多点的通信模式，业内也将其叫作并行通信。为了确保智慧变电站内各类运行信息能高效、快捷地交互，要确保站内所有电子设备、智能设备具备高度统一的协议。另外，要为整个智能变电站的数据源设定统一的标准，利用网络方式促进信息数据的共享。

3 智慧变电站的设备配置原则

3.1 一次设备配置

（1）主变压器。依照本地电压级别及变电站项目重要程度选择主变压器感知终端。对于电压等级高于110 kV的主变压器（见图1），要在现场为其加装免维护油色谱仪、电子避雷器及油温远传表计；若处理对象是电压等级高于500 kV，有相关重要断面、用户群体的电站项目，配置的设备主要包括声学指纹监测仪、压力监测仪等[2]。

图1 110 kV级系列电力变压器

（2）GIS组合电器和AIS配电装置。为其增配SF6远传表计、局放监测装置、隔离/接地开关双确认微动开关等。针对电压等级在500 kV之上，有重要断面、客户群体的变电站，需要布置弹簧压力监测设施。

（3）开关柜。对于开关柜，需要增设的辅助型设备较多，包括局放传感器、双确认装备等。对于主变进线柜、分段隔离柜等开关柜，推荐为其统一配置触头在线测温仪。若变电站工程电缆出线繁多，且在供电可靠性方面提出较高要求，要增设主动式干预消弧装置，也可以尝试选配母线弧光保护。对于充气柜，其设备配置操作较简单，仅需加装SF6远传表计。

3.2 二次设备配置

遵循“硬件标准化、软件可控式、信息高共享、运检智能化”的基本原则，结合实际状况，持续优化二次设备配置的质量，进一步提升方案的科学性、可行性，重视新设备、新技术的应用，使二次系统的智能化、自动化发展进程有可靠支持。

3.3 一键顺控设备配置

一键顺控设备主要由站端监测主机、智能“五防”设备、公用测控仪表等构成，实际功能主要是接入一次设备双确认信息。

（1）一次设备双确认。①“双位置遥信+遥测量”模式辅助断路器、隔离/接地开关实现双确认功能，后者也可以把图像识别作为第二判断依据，且兼容自动化巡视、检查功能。②“双位置遥信+微动开关”为空气开关柜达到双确认的基础，或者将视频识别法作为第二依据。

（2）智能“五防”。遵照“五防”的基本运行原理，梳理传统接线模式下的防误逻辑规则程序，并对其进行归一化处理，实时、动态收集接地线状态信息，结合实际情况，按照同源或非同源运行原理自动校对监控主机遥控、顺控动作状况，整体提升操作的可靠度；提升系统操作界面的规范水平，在不影响使用功能发挥的前提下确保硬件配备的简洁性，制订适用度最高的安装计划，填补常规防误方法运用过程中强制力度不足的缺陷，为就地操作过程的安全性提供保障。

（3）压板状态智能辨识。建立完善的压板状态规则库，在各种监测方法的协助下进行智能巡检，参照一、二次设备当前运转状况快捷寻觅对应的逻辑规则，实现对二次压板状态的智能化判定，如果检测到压板状态异常，要自主传送出预警信号[3]。

3.4 辅助监控设备配置

辅助监控设备主要包括监控主机、网关机、就地模块等，集成了安全防范、消防监控、环境监测、照明控制、气体监测、在线监测等子系统。

（1）安全防范系统。安防系统选择就地模块作为载体采集门禁、防控入侵信息，发挥过程监控、操作行为调控等基础功能。

（2）消防监控系统。除了独立固定灭火装置，变电站运行阶段形成的各类消防数据以消防专用传送单元为媒介，被完整地接进监控主机、网关机，用于实时监控消防预警信号、灭火装置动作发出及运作状态信息。

（3）环境监测系统。环境监测系统的构成复杂，包括各种功能性传感器、空调等，基于就地模块连接监控主机，功能以监测变电站环境参数，以及智能调控水泵、空调等的运转状态等为主。

（4）照明控制系统。照明控制器、灯具是照明控制系统的基本构成，在成功接入监控主机后，能采集变电站灯具的运行状态信息，实现人工及自动化控制功能。

（5）SF6气体监测系统。智慧变电站设备室中装配了AIS、GIS、HGIS等SF6充气设施。SF6气体的监测设施主要由监测主机、风机等组成，可以自主收集SF6、O2浓度，实现风机状态调控、预警等功能[4]。

（6）一次设备在线监测系统。一次设备在线监测系统由各种在线监测装置、就地模块等组成，就地模块能成功把在线监测信息接到设备监控子系统，具备收集、传送、后台处置、保存及转发监测状态信息等功能。

（7）二次设备在线监测系统。继电保护子站、厂站端二次在线监测装置等是系统的主要构成。其中，厂站端继电保护的功能主要是多源整合继电保护及安全自动装备、录波器、智能终端等的信息，并对其进行规约转换，基于DL/T860通信协议接入监控主机，具备设备的远程监测、智能巡检、在线校对、运行状态诊断及告警、安全手段预演练等功能。

3.5 智能巡检设备配置

（1）巡检机器人。由机器人本体、主机、交互机等构成，机器人接进主机后，可以运用DL/T 634.5104拓展规约、安全文件等传输协议。

（2）摄像头布点。大部分工况下，利用全景摄像头取拓宽现场监控范畴[5]。

3.6 系统组网与安全策略

（1）系统组网。对于设备监控子系统，组网规划设计要落实如下要求。①调度数据网通道是子系统传输设备运行信息的基础，其需要完整地接至集中监控主站，维持带宽在8 M以上，将纵向加密设施对称部署在道两侧；综合数据通信网是视频监测、巡检机器人主机传输信息的通道，规范地把视频监测、机器人巡检信息依次接进对应的主机内，要求带宽≥100 M，且其站端需布置防火墙。②Ⅱ区、Ⅳ区交换机分别是Ⅱ区辅助设备、Ⅳ区视频设备实现独立组网的基础条件，运用的均是“单机单网”模式。③巡检机器人以安全接入模块为依托接到机器人主机内。④为巡检子系统部署独立式网段。⑤就地模块对上统一运用光纤通信，为TCP/IP组网过程提供可靠支持。⑥辅助设备、监控主机及就地模块统一采用时钟同步系统的时钟源SNTP执行对时任务。

（2）安全策略。①辅助监控设备、智能巡检子系统分别布置在Ⅱ区、Ⅳ区。②Ⅰ区和Ⅱ区运用防火墙实现正常通信，完整地传送主设备生成的联动信息；Ⅱ区和Ⅳ区之间运用正向隔离装置进行单向式通信，正向隔离装置加装在Ⅱ区和Ⅳ区之间，用于传送主、辅设备的视频联动数据[6]。③将安全接入装置加装在巡检机器人与巡检机器人主机之间，运用安全加密形式执行通信任务。④严格遵循现行的标准通信规约，把变电站项目内各种感知终端接进设备监控子系统。在确认无线传感器数据被规范接入汇聚节点后，使用安全接入网关接到信息内网。