淺談智能變電站自動化系統的應用與產品選型

更新時間：2023-09-22

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安科瑞陳聰

摘要：現如今，智能變電站發展已經成為了電力系統發展過程中的內容，如何提高智能變電站的運行效率也成為電力系統發展的一個重要目標，為了能夠更好地促進電力系統安全穩定運行，本文則就智能變電站自動化系統的實現進行了分析。

關鍵詞：智能變電站；自動化系統；一體化監控

0引言

電能作為人們生產生活不可少的主要能源，如何保障電能安全、經濟與穩定地運輸和使用可謂是十分的重要。要想提升電力系統整體運行效率，為用戶提供安全的電能，需要對其中的設施設備進行技術創新，不斷滿足日漸嚴峻的供電需求。變電站作為整個電力系統中非常關鍵的部分，如何實現智能化發展是現如今較為重要的目標任務之一。而本文也是基于這一目的來進行了如下研究：

1智能變電站自動化系統的發展歷程與特點

1.1發展歷程

分析變電站監控系統整個發展歷程，我們就能夠發現其從*開始的集中式綜合自動化系統一直發展成為了現如今的智能變電站一體化監控系統。集中式綜合自動化系統在變電站內設置數據采集柜、控制柜，對全站數據進行集中采集、集中控制。系統結構簡單，但單一模塊故障就會導致數據丟失，可靠性不高。分散式綜合自動化系統在設計過程中，則使用了間隔層及站控層這兩層的架構方式。間隔層包含保護、測控、計量等裝置，按間隔配置；站控層包含后臺系統、遠動、GPS對時裝置等。間隔層的功能實現不受站控層設備的影響，自動化系統的可靠性顯著提高。伴隨著IEC61850標準的制定和完善，數字化變電站迅速發展起來。其主要是借助于IEC61850來進行二次設備互聯與操作，通過這一方式來促使裝置之間的水平通信得以有效實現，簡化了二次接線，系統可靠性進一步增強。在數字化變電站基礎上，在社會不斷發展中電子式互感器、設備智能化發展進程也在不斷推進，在這種環境下，智能變電站開始使用具體包含過程層、間隔層、站控層的三層體系架構，通過這一種架構方式，能夠有效地在站內實現全站信息共享與設備統一管理，所以相較于之前而言變電站自動化水平也有著明顯的提升。

1.2特點

智能變電站相較于傳統變電站有如下顯著特點：一是設備安裝方式的變化，如過程層合并單元、智能終端就地安裝，保護測控裝置就地安裝。這使得變電站內電纜用量顯著減少、光纜用量增加，電氣系統的信號也真正實現了數字化傳輸，并且信號在使用過程中的抗電磁干擾能力也得到了增強。二是智能設備的使用，如智能變電站繼電保護裝置、測控裝置、智能表計、在線監測裝置、網絡分析儀等。這些智能設備在變電站自動化系統之中的應用，能夠真正將系統運行狀態變成可視化，設備也開始從之前的定期檢修發展成為了狀態檢修。三是系統整合度也有了明顯的提升，智能變電站將原有計算機監控系統、保護信息子站、五防子站、電能計量、在線監測等分散系統整合為一體化監控系統，優化了系統結構。四是智能變電站構建全景數據平臺，這一平臺的存在直接實現了全站數據信息共享。

2智能變電站一體化監控系統的設備與架構

2.1系統架構

智能變電站自動化系統在設計過程中，可以使用三層兩網結構來進行設計，具體而言，其三層主要指的是站控層、間隔層、過程層等設備，而兩網則主要指的是MMS網、SV/GOOSE網。典型220kV變電站一體化監控系統結構圖如圖1所示。實際工程中可結合具體情況對監控系統進行優化設計，如將MMS網、SV網.GOOSE網以及IEEE1588對時網四網合一，在確保整個通信質量的基礎上，對網絡設備進行簡化處理。

圖1典型220kV智能變電站一體化監控系統結構圖

2.2設備

智能變電站之中的監控系統站控層包含的設備較多，像是監控主機、操作員工作站、數據服務器、綜合應用服務器、數據通信網關機，站控層交換機等都屬于這一層的設備；間隔層設備主要包括智能繼電保護、智能測控、PMU、智能電度表、間隔層交換機等；過程層設備則包括合并單元、智能終端以及過程層交換機等網絡設備。在對智能變電站自動化系統進行設計的時候，可在不同電壓等級變電站設備配置原則的基礎上研究優化方案，例如，可以使用合并單元智能終端一體化裝置、智能保護測控一體化裝置等，同時再將PMU功能與測控功能有效地結合在一起，這樣就能真正讓交換機數量變少，同時還能有效減少智能變電站光纜數量，降低智能變電站自動化系統的設備投資。

3智能變電站監控系統功能與核心技術

3.1主要功能

智能變電站一體化監控系統若能得以實現，其主要功能就體現在以下幾個方面：（1）全景數據采集功能。包括變電站穩態、暫態數據，一次、二次及輔助設備運行狀態數據。（2）運行監視功能。這一功能中主要包含了運行監視、設備狀態監視等。（3）控制與操作功能，包含操作控制安全性機制、順序控制、防誤閉鎖、智能操作票、無功優化控制等。（4）信息綜合分析與智能警示功能，包含智能告警，故障綜合分析等。（5）運行管理功能。這一項功能主要就表現在源端維護、權限管理、設備管理等方面。（6）輔助應用功能，包含視頻監控、安全防護、環境監測、火災報警等，實現對重要設備操作前后的圖像確認。

3.2核心技術

智能變電站的發展依賴于網絡通信技術、智能繼電保護采樣與數據同步技術、時間同步系統與對時技術、智能變電站調試技術等核心技術的不斷發展。智能變電站采用工業以太網技術全面替代傳統總線技術，基于交換機制的以太網交換機已從百兆、千兆發展至萬兆，以太網通信速率甚至已達到lOOGbps,這使得網絡通信系統能夠滿足其承載的保護業務對可靠、快速、準確和安全性能的要求。智能變電站繼電保護相較于傳統保護來說被動接收合并單元發來的采樣數據，而從合并單元向保護發送數據的延時受通信通道工況的影響將導致CPU接收數據的時間間隔變動較大，需要新的采樣傳送機制來應對這一挑戰；而對于線路光纖縱差保護裝置而言，由于存在一側為電子式互感器采樣、另一側為傳統互感器采樣的情形，常規采樣數據同步方法受到了挑戰，可采用改進插值法、時鐘接力法等算法實現采樣數據同步。智能變電站在進行對時系統設計方面，其方式也較多，像是IRIG-B碼對時、脈沖對時、網絡對時等都屬于其成熟方式；其中IEEE1588則是使用了主從結構之中精度較高的網絡時鐘同步協議，借助于這一協議能夠真正實現亞微秒級同步精度，在其發展過程中加入了同等路徑延遲機制，并采用基于IEEE8O2.3的MAC地址多播方式，不需要增加額外網絡設備便可提供一種高效可行的時鐘對時方案。智能變電站由于大量的電纜硬連接被網絡通信報文代替、配置過程又基于電子化SCL模型文件，故其調試方法有很大變化，應采用先功能后性能、先單裝置后系統的分層次調試流程。調試過程中如果出現裝置功能更改、對外信息變化等情況，裝置ICD文件會發生變化，應根據變更情況進行分析，及時確定與之相關的所有裝置，并相應修改SCD與CID文件。

4智能變電站自動化系統設計要點

4.1設備配置

假設智能變電站電壓等級是220kV及以上的話，其高壓各個間隔就可以使用雙套進行保護，同時還可以使用單套來實現測控，而且相應的過程層之中是配置雙套合并單元以及雙套智能終端；主變則可以為其配置雙套保護以及單套測控，相應的高壓側可為其配置雙套智能終端以及合并單元，對于中壓110kV側與低壓側在進行配置的時候，則可以為其配置雙套合并單元智能終端一體化裝置；電壓等級若是110kV,在配置過程中除了主變之外，*好是每間隔使用單套保護測控集成裝置與單套合并單元智能終端一體化裝置；電壓等級若是35kV及以下的話，在配置過程中其間隔除主變之外的，則可以考慮使用單套保護測控計量三合一裝置，就地安裝在相應開關柜內。在這一配置過程中，過程層與站控層所構建的網絡均可以使用雙網冗余星形結構。實際工程中變電站設備配置應在充分滿足系統性能要求的基礎上盡量簡化，以降低設備投資與故障率。

4.2采樣跳閘方式選擇

基于智能變電站網絡結構及IEC61850信息傳輸標準，智能變電站保護、測控、計量、故障錄波、PMU等業務可采用多種采樣控制方式。以*重要的繼電保護業務為例，智能變電站繼電保護采樣與跳閘方式分成以下幾種：(1)直采直跳。這一種系統模式在實際應用過程中，繼電保護設備能夠直接通過光纖直連的方式來實現跳閘與采樣，優點在于可靠性高，但光纜數量很大。(2)網采直跳。這一系統模式是指采樣值由SV網采集，跳閘采用光纖直連實現。其優點在于跳閘可靠性高，對SV網性能要求高，要求網絡通信性能穩定。(3 )直采網跳。這一系統模式是指采樣值通過光纜直連采集，再經過GOOSE網實現網絡跳閘。這種方式采樣可靠性高，跳閘要求GOOSE網性能穩定。⑷網采網跳。這一模式直接打破了傳統的采樣與跳閘方式，通過SV網與GOOSE網來實現采樣與跳閘，大程度地發揮了智能變電站網絡化特點，但對系統網絡性能要求很高。隨著網絡通信技術與智能繼電保護采樣同步技術的發展，智能變電站繼電保護網采網跳方式將得到更廣泛的應用。

5 安科瑞Acrel-1000變電站綜合自動化系統

5.1方案綜述

Acrel-1000變電站綜合自動化監控系統在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設備組成，并用分層、開放式網絡系統實現連接。站控層設備包括監控主機，提供站內運行的人機聯系界面，實現管理控制間隔層設備等功能，形成全站監控，并與遠方監控、調度通信；間隔層由若干個二次子系統組成，在站控層及站控層網絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監控功能。

針對工程具體情況，設計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，性能價格比*，監控系統由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網絡結構，站控層網絡采用TCP/IP協議的以太網。站控層網絡采用單網雙機熱備配置。

5.2應用場所：

適用于公共建筑、工業建筑、居住建筑等各行業35kV以下電壓等級的用戶端配、用電系統運行監視和控制管理。