提高变电站电力系统自动化技术途径研究

刘建文，颜勇，林桂柯，高鹏

（国网山东综合能源服务有限公司，山东 济南 250000）

提高变电站电力系统自动化水平是电网建设、发展的必然要求，通过自动化技术的健全、完善，不仅能够降低人工成本，还可以提升管理效率，增强系统对潜在故障风险的监控排查能力，保障变电站的稳定高效运行。近年来，我国新型电力系统建设步伐加快，变电站电力系统自动化水平也有所提高，但实际运营中存在的远程监控智能化程度较低、故障诊断困难、通信布局受限且可扩展性差等问题仍旧未能彻底解决，有必要进行提高优化。

1 变电站电力系统结构探析

探讨变电站电力系统自动化问题前，有必要对变电站结构进行简要的介绍，从功能角度看，变电站内部设备可以大致分为2 大部分。

1.1 一次系统

一次系统在变电站中占据着核心性地位，承担了主要的电力转换和配送职能，设备协调运作保证供电平稳性，关键设备主要包含以下几个部分：（1）变压器。变压器设备种类、规格多样，但基本形式是存在较大共性的，主要包含铁芯、绕组、油箱等子系统，可以起到变换电压、变换阻抗等作用。（2）开关设备。主要包括断路器、隔离开关等，断路器可以切断和接通负荷电路，又可以将故障设备及时切除出去，防止故障扩大蔓延，按灭弧介质分为真空断路器、六氟化硫断路器等；隔离开关通常与断路器配合使用，在分闸状态具有明显的断开点，在合闸状态能可靠地通过正常电流和短路电流。（3）互感器。分为电压互感器和电流互感器，可以将高电压、大电流转换成相对安全的低电压、小电流，从而实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。（4）电容器。防雷接地等装置，可以进行无功补偿、防雷避雷等。

1.2 二次系统

二次系统则扮演了监控、辅助等角色，主要包含以下几个部分：（1）计量系统。主要负责计量电费、经济结算，可以实时收集电能数据，为变电站运营管理、生产监控等提供依据支撑。（2）监控系统。主要负责监视和控制，监视一次设备的电压、电流等以及二次设备的状态、动作信息等，另外，可以将控制指令转化成可识别数据，进而实现对开关设备等的远程操控，在电力系统自动化中占据着关键性地位。（3）继电保护系统。当变电站设备运行出现异常、故障时，该系统可以快速响应，通过跳闸等方式切除目标设备，防止故障扩散蔓延的同时保证电力系统稳定性。（4）故障信息系统。可以对故障点进行精准识别，通过录波、测距等技术手段尽快找到故障区域，提升检修维护效率。（5）通信系统。主要由数据发出设备、接收设备和传输线路三部分组成。二次设备的连接方式较为复杂，其中既包含交流电压、电流回路，也包含控制回路、信号回路等，二次回路是否合理可靠，直接关系到整个变电站能否安全可靠运行。

2 变电站电力系统自动化发展现状及问题

2.1 远程监控方面

近年来，我国科技产业飞速发展，无人值守变电站逐渐普及运营，通过网络技术、信息工程等实现远程交互，现场运行数据能及时传递回监控中心，节约了人力资源成本，将员工从繁重的巡检值守工作中解放出来，又提高了运维管理效率，确保了变电站运行的经济性。但该种情况也带来了新的问题，比如，监控监测系统的智能化、自动化程度较低，仅靠电流、电压装置很难全面准确地掌握设备运行情况，部分设备的报警系统由于检测调试不当，甚至会出现频繁的故障误报等问题，运维人员不得不来回奔波检查设备运行状况，给变电站的平稳调度和运行带来了较大阻碍。

2.2 故障诊断方面

变电站担负着重要的电压转化、电能分配职能，伴随电网建设规模的扩张，变电站总负荷也在不断增大，部分线路、设备工作环境较为恶劣，尤其容易出现故障问题。常见的如母线故障、变压器故障、直流系统故障等，背后的诱因同样较为复杂，母线故障可能是由绝缘子污损导致的闪络引发，也可能是电流互感器故障引发，变压器故障则可能由变压器铁芯、外壳意外接触引发，还可能是运行维护不当引发。这些复杂的故障诱因均需要依靠自动化系统识别、判定，但现有的变电站自动化技术显然不足以满足该种需求，部分变电站配置的传感器监测装置种类较为单一，无法对设备进行针对性监测，部分变电站智能化水平不足，故障识别、判定困难，均制约了变电站的平稳运行。

2.3 通信技术方面

通信技术是变电站综合自动化系统运行、监控的重要依托，所有设备运行数据、电网负荷数据等均需要借助通信渠道完成传输，当前变电站多采用现场总线模式实现站内通信，采用有线信道布局搭配光纤技术，提高了传输容量，双绞线结构的融合进一步增强了抗干扰能力，整体的可靠性较高。但这种模式也带来了新的问题，比如，通信线路布局受制明显、节点可移动性相对较差等，后期扩建环节很容易遭到破坏。另外，伴随变电站智能化水平提升，设备数量和类型还会更加多样，既有通信线路的可扩展性很难适应该种趋势，必须通过新方法的应用来提高通信技术水平。

3 提高变电站电力系统自动化技术的策略途径

3.1 提高智能监控水平

近年来，我国城市化、工业化步伐加快，电网承接业务种类增多、规模扩大，变电站内部一次、二次设备数量均有所上升，传统的电流、电压传感器已经很难满足差异化的设备监控需求，提高优化阶段必须给予充分重视，立足变电站运行实际制定针对化的智能监控方案。在变压器接入回路中，可以增设油色谱在线监测装置，通过色谱比对观测变压器内部油液状态，看其故障气体含量是否超标；还可以设置绕组变形监测装置，以短路阻抗法为依托安装元件，实时收集绕组阻抗变化参数，辅助开展绕组变形评估；此外，还可以根据需求选用绝缘特性监测装置、断路器监测装置等，将电流传感器安装在特定部位，用于检测线路绝缘情况、断路器机械特性情况等。所有数据通过无线局域网络、现场总线网络等传输回监控系统，与提前设定的阈限值对比分析，从而实现动态化、智能化的跟踪监控。

需要注意的是，变电站自动化智能监控环节，对于时间精度的要求是极高的，提高技术水平时不仅要着意增加监测装置数量、种类，更要做好对时同步技术的创新优化。现阶段，以GPS 授时技术、北斗授时技术等为代表的卫星授时技术获得推广应用，授时精度可以达到10ns，给变电站远程监控提供了便利。变电站要结合实际情况选择适宜的时间同步方式，对于精度要求不高时，可以使用SNTP对时方式，传输系统对时间精度要求较高，可以使用IRIG-B 对时方案或者IEEE1588 对时方案，以提高变电站自动化水平。

3.2 提高故障诊断技术水平

变电站是我国智能电网体系中不可或缺的重要组成部分，在转换电压、分配电能等方面有着极为关键的地位作用，运行环节一旦发生设备绝缘失效、线路短路断路等故障，必将带来严重的经济财产损失，因此建设环节还应着重提高自动化故障诊断水平。既有系统中采用参数收集、人工判别的方式，所有数据通过远程通信设备传输到监控中心，监控中心初步分析相关数据后安排人员前往排查，这种方式在变电站设备数量较少、结构较为简单的时期是较为适用的，但现阶段，变电站规模扩张、负荷增加，监控中心对接多个无人值守变电站，模式适用性明显下降。基于此，提高变电站电力系统自动化水平时，还需要强化对人工智能技术的引入，神经网络技术（Artificial Neural Networks）就是其中的代表性类型，它以人脑神经结构为仿生对象，采用数学模型方式进行一阶特性描述，通过样本训练获取事务运行特征，生成对应的故障信息库，为后续的拟合、判别奠定基础。实践中可以根据实际需求搭建针对变压器、一次回路、二次回路等部分的ANN 故障诊断模型，通过台账获取设备、线路历史运行情况，并将相关参数输入模型中开展样本训练，以提升故障识别精确性。还可以融合专家系统技术，将电力学知识、故障历史信息、设备机械知识等集成到专家系统中，辅助进行故障排查和维修，保证故障诊断水平的提高。

3.3 提高通信技术水平

针对当前变电站系统中通信布局受限、扩展性较差的问题，革新环节还应当进行针对化的提高，用更加优质的技术在站内构建起无线通信格局，省去穿墙、埋沟等工程步骤的同时，提升通信架构灵活性。现阶段，可用的无线通信技术较多，比如，蓝牙技术、4G 技术等，前者采用全球通用组网模式，可以在2.4GHz 频段内实现信息传输，通信速率可以达到1Mbit/s，整体的建设成本低，且标准统一，允许知识产权共享；后者包含两种不同制式，分别为TD-LTE 以及FDD-LTE，每秒内传输量可以达到100Mbit，兼容性和保密性良好。在变电站电力系统自动化水平提高环节，完全可以对两种技术进行灵活组合，区域内设备采用蓝牙交互模式连接，远程部分则由LTE 网络负责传输。但考虑到现阶段LTE 网络与变电站系统融合不是很好，且存在网络租用和运营成本问题，未来可能需要较长的探索尝试时间，因此更推荐无线局域网技术，该种技术的通信距离可以达到80 ～120m，工作频段免费且传输速率极快，运用IEEE802.11g/n 标准时，每秒传输量可以达到54Mbit，能够满足设备巡检、电能监测等异构性数据的传送需要。此外，无线局域网的引入虽然较好地解决了变电站内部通信问题，但其运营中的安全风险仍旧是不容小觑的，建设时，要考虑到非法用户攻击、窃听风险，综合使用物理隔离、隐藏SSID 等方式提高安全防护等级。

3.4 提高数据集成分析水平

当前我国电网系统处于不断健全完善的发展阶段，变电站设备升级优化速度加快，类型功能十分多样，日常运行环节产生的大量异构性数据十分考验运维人员处理能力，传统的纸质运维表单数量多、数据繁杂，不仅容易出现错漏、丢失问题，后期的分析利用效率也不高。即便现在信息技术普及，很多变电站开始使用台账记录方式，但数据零散、关联性弱的情况仍旧客观存在，包含设备参数、出厂报告在内的固有数据，以及包含气象数据、负荷数据、电能质量数据等在内的动态数据整合不足，整体的利用率较低。革新环节务必要给予充分重视，借助大数据技术辅助处理分析，确保变电站数据集成分析水平的提高。可以依托大数据技术建立分布式信息存储平台，存储内容包含以下几个方面：（1）固有数据。即设备参数、出厂报告、说明书；（2）动态数据。即气象数据、负荷数据、电能质量数据、油色谱检测数据、断路器动作数据等；（3）随机数据。即故障维修记录、装置告警记录等。将数据集成到大数据平台中进行清洗预处理，借助特征选取算法、关联性挖掘算法等对系统运行情况进行预测，最后得出具体的状态评估报告，提高数据利用效率的同时增强运维工作的针对性，保障系统的平稳运作。

4 结语

综上所述，变电站电力系统是电网运营、电力输送环节极为关键的主体部分，能够为电力分配提供坚实保障，实践中务必要重视其地位价值。积极引入多样化监测装置，对设备进行针对性监测，提高智能监控水平；同时做好样本训练和专家库建设工作，借助神经网络技术、专家系统技术等提高故障诊断技术水平；在此基础上，引入无线局域网技术、大数据技术等先进技术，保障通信布局的灵活性和可扩展性，提高数据集成分析水平。通过上述一系列策略和举措，提高变电站电力系统的自动化水平，为变电站的安全稳定运行奠定坚实的基础。