任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：現(xiàn)如今，智能變電站發(fā)展已經(jīng)成為了電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的內(nèi)容，如何提高智能變電站的運行效率也成為電力系統(tǒng)發(fā)展的一個重要目標，為了能夠更好地促進電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，本文則就智能變電站自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了分析。

關(guān)鍵詞：智能變電站；自動化系統(tǒng)；一體化監(jiān)控

0引言

電能作為人們生產(chǎn)生活的主要能源，如何保障電能安全、經(jīng)濟與穩(wěn)定地運輸和使用可謂是十分的重要。 要想提升電力系統(tǒng)整體運行效率，為用戶提供安全的電能，需要對其中的設(shè)施設(shè)備進行技術(shù)創(chuàng)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(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分，如何實現(xiàn)智能化發(fā)展是現(xiàn)如今較為重要的目標任務(wù)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(tǒng)的發(fā)展歷程與特點

1.1發(fā)展歷程

分析變電站監(jiān)控系統(tǒng)整個發(fā)展歷程，我們就能夠發(fā)現(xiàn) 其從*開始的集中式綜合自動化系統(tǒng)一直發(fā)展成為了現(xiàn)如今的智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)。集中式綜合自動化 系統(tǒng)在變電站內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)采集柜、控制柜，對全站數(shù)據(jù)進 行集中采集、集中控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但單一模塊故障就會導致數(shù)據(jù)丟失，可靠性不高。分散式綜合自動化系統(tǒng)在設(shè)計過程中，則使用了間隔層及站控層這兩層的架構(gòu)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(tǒng)、遠動、GPS對時裝置等。間隔層的功能實現(xiàn)不受站控層設(shè)備的影響，自動化系統(tǒng)的可靠性顯著提高。伴隨著IEC61850標準的制定和完善，數(shù)字化變電站迅速發(fā)展起來。其主要是借助于IEC61850來進行二次設(shè)備互聯(lián)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(xiàn)，簡化了二次接線，系統(tǒng)可靠性進一步增強。在數(shù)字化變電站基礎(chǔ)上，在社會不斷發(fā)展中電子式互感器、設(shè)備智能化發(fā)展進程也在不斷推進，在這種環(huán)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(gòu)，通過這一種架構(gòu)方式，能夠有效地在站內(nèi)實現(xiàn)全站信息共享與設(shè)備統(tǒng)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(tǒng)變電站有如下顯著特點：一是設(shè)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(nèi)電纜用量顯著減少、光纜用量增加，電氣系統(tǒng)的信號也真正實現(xiàn)了數(shù)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(shè)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(jiān)測裝置、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。這些智能設(shè)備在變電站自動化系統(tǒng)之中的應(yīng)用，能夠真正將系統(tǒng)運行狀態(tài)變成可視化，設(shè)備也開始從之前的定期檢修發(fā)展成為了狀態(tài)檢修。三是系統(tǒng)整合度也有了明顯的提升，智能變電站將原有計算機監(jiān)控系統(tǒng)、保護信息子站、五防子站、電能計量、在線監(jiān)測等分散系統(tǒng)整合為一體化監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。四是智能變電站構(gòu)建全景數(shù)據(jù)平臺，這一平臺的存在直接實現(xiàn)了全站數(shù)據(jù)信息共享。

2智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備與架構(gòu)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

智能變電站自動化系統(tǒng)在設(shè)計過程中，可以使用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)來進行設(shè)計，具體而言，其三層主要指的是站控層、間隔層、過程層等設(shè)備，而兩網(wǎng)則主要指的是MMS網(wǎng)、SV/GOOSE網(wǎng)。典型220kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。實際工程中可結(jié)合具體情況對監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，如將MMS網(wǎng)、SV網(wǎng).GOOSE網(wǎng)以及IEEE1588對時網(wǎng)四網(wǎng)合一，在確保整個通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行簡化處理。

圖1典型220kV智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2設(shè)備

智能變電站之中的監(jiān)控系統(tǒng)站控層包含的設(shè)備較多，像是監(jiān)控主機、操作員工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、綜合應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機，站控層交換機等都屬于這一層的設(shè)備；間隔層設(shè)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(shè)備則包括合并單元、智能終端以及過程層交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在對智能變電站自動化系統(tǒng)進行設(shè)計的時候，可在不同電壓等級變電站設(shè)備配置原則的基礎(chǔ)上研究優(yōu)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(jié)合在一起，這樣就能真正讓交換機數(shù)量變少，同時還能有效減少智能變電站光纜數(shù)量，降低智能變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)備投資。

3智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)功能與核心技術(shù)

3.1主要功能

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)若能得以實現(xiàn)，其主要功能就體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）全景數(shù)據(jù)采集功能。包括變電站穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)數(shù)據(jù)，一次、二次及輔助設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。（2）運行監(jiān)視功能。這一功能中主要包含了運行監(jiān)視、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)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(yōu)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(xiàn)在源端維護、權(quán)限管理、設(shè)備管理等方面。（6）輔助應(yīng)用功能，包含視頻監(jiān)控、安全防護、環(huán)境監(jiān)測、火災報警等，實現(xiàn)對重要設(shè)備操作前后的圖像確認。

3.2核心技術(shù)

智能變電站的發(fā)展依賴于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能繼電保護采樣與數(shù)據(jù)同步技術(shù)、時間同步系統(tǒng)與對時技術(shù)、智能變電站調(diào)試技術(shù)等核心技術(shù)的不斷發(fā)展。智能變電站采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)全面替代傳統(tǒng)總線技術(shù)，基于交換機制的以太網(wǎng)交換機已從百兆、千兆發(fā)展至萬兆，以太網(wǎng)通信速率甚至已達到lOOGbps,這使得網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)能夠滿足其承載的保護業(yè)務(wù)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(tǒng)保護來說被動接收合并單元發(fā)來的采樣數(shù)據(jù)，而從合并單元向保護發(fā)送數(shù)據(jù)的延時受通信通道工況的影響將導致CPU接收數(shù)據(jù)的時間間隔 變動較大，需要新的采樣傳送機制來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)；而對于線路光纖縱差保護裝置而言，由于存在一側(cè)為電子式互感器采樣、另一側(cè)為傳統(tǒng)互感器采樣的情形，常規(guī)采樣數(shù)據(jù)同步方法受到了挑戰(zhàn)，可采用改進插值法、時鐘接力法等算法實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)同步。智能變電站在進行對時系統(tǒng)設(shè)計方面，其方式也較多，像是IRIG-B碼對時、脈沖對時、網(wǎng)絡(luò)對時等都屬于其成熟方式；其中IEEE1588則是使用了主從結(jié)構(gòu)之中精度較高的網(wǎng)絡(luò)時鐘同步協(xié)議，借助于這一協(xié)議能夠真正實現(xiàn)亞微秒級同步精度，在其發(fā)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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wǎng)絡(luò)通信報文代替、配置過程又基于電子化SCL模型文件，故其調(diào)試方法有很大變化，應(yīng)采用先功能后性能、先單裝置后系統(tǒng)的分層次調(diào)試流程。調(diào)試過程中如果出現(xiàn)裝置功能更改、對外信息變化等情況，裝置ICD文件會發(fā)生變化，應(yīng)根據(jù)變更情況進行分析，及時確定與之相關(guān)的所有裝置，并相應(yīng)修改SCD與CID文件。

4智能變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計要點

4.1設(shè)備配置

假設(shè)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(xiàn)測控，而且相應(yīng)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(yīng)的高壓側(cè)可為其配置雙套智能終端以及合并單元，對于中壓110kV側(cè)與低壓側(cè)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(yīng)開關(guān)柜內(nèi)。在這一配置過程中，過程層與站控層所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)均可以使用雙網(wǎng)冗余星形結(jié)構(gòu)。實際工程中變電站設(shè)備配置應(yīng)在充分滿足系統(tǒng)性能要求的基礎(chǔ)上盡量簡化，以降低設(shè)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(yè)務(wù)可采用多種采樣控制方式。以*重要的繼電保護業(yè)務(wù)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(tǒng)模式在實際應(yīng)用過程中，繼電保護設(shè)備能夠直接通過光纖直連的方式來實現(xiàn)跳閘與采樣，優(yōu)點在于可靠性高，但光纜數(shù)量很大。(2)網(wǎng)采直跳。這一系統(tǒng)模式是指采樣值由SV網(wǎng)采集，跳閘采用光纖直連實現(xiàn)。其優(yōu)點在于跳閘可靠性高，對SV網(wǎng)性能要求高，要求網(wǎng)絡(luò)通信性能穩(wěn)定。(3 )直采網(wǎng)跳。這一系統(tǒng)模式是指采樣值通過光纜直連采集，再經(jīng)過GOOSE網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)跳閘。這種方式采樣可靠性高，跳閘要求GOOSE網(wǎng)性能穩(wěn)定。⑷網(wǎng)采網(wǎng)跳。這一模式直接打破了傳統(tǒng)的采樣與跳閘方式，通過SV網(wǎng)與GOOSE網(wǎng)來實現(xiàn)采樣與跳閘，大程度地發(fā)揮了智能變電站網(wǎng)絡(luò)化特點，但對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能要求很高。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與智能繼電保護采樣同步技術(shù)的發(fā)展，智能變電站繼電保護網(wǎng)采網(wǎng)跳方式將得到更廣泛的應(yīng)用。

5 安科瑞Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)

5.1方案綜述

Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設(shè)備組成，并用分層、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)連接。站控層設(shè)備包括監(jiān)控主機，提供站內(nèi)運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層設(shè)備等功能，形成全站監(jiān)控，并與遠方監(jiān)控、調(diào)度通信；間隔層由若干個二次子系統(tǒng)組成，在站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設(shè)備的就地監(jiān)控功能。

針對工程具體情況，設(shè)計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，性能價格比優(yōu)*，監(jiān)控系統(tǒng)由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，站控層網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。站控層網(wǎng)絡(luò)采用單網(wǎng)雙機熱備配置。

5.2應(yīng)用場所：

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

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1 實時監(jiān)測

Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。

5.4.2 報警處理

監(jiān)控系統(tǒng)具有事故報警功能。事故報警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護裝置動作信號；預告報警包括一般設(shè)備變位、狀態(tài)異常信息、模擬量或溫度量越限等。

1）事故報警。事故狀態(tài)方式時，事故報警立即發(fā)出音響報警（報警音量任意調(diào)節(jié)），操作員工作站的顯示畫面上用顏色改變并閃爍表示該設(shè)備變位，同時彈窗顯示紅色報警條文，報警分為實時報警和歷史報警，歷史報警條文具備選擇查詢并打印的功能。

事故報警通過手動，每次確認一次報警。報警一旦確認，聲音、閃光即停止。

次事故報警發(fā)生階段，允許下一個報警信號進入，即次報警不覆蓋上一次的報警內(nèi)容。報警處理具備在主計算機上予以定義或退出的功能。

2）對每一測量值（包括計算量值），由用戶序列設(shè)置四種規(guī)定的運行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分別定義作為預告報警和事故報警。

3）開關(guān)事故跳閘到次數(shù)或開關(guān)拉閘到次數(shù)，推出報警信息，提示用戶檢修。

4）報警方式。

報警方式具有多種表現(xiàn)形式，包括彈窗、畫面閃爍、聲光報警器、語音、短信、電話等但不限于以上幾種方式，用戶根據(jù)自己的需要添加或修改報警信息。

5.4.3 調(diào)節(jié)與控制

操作員對需要控制的電氣設(shè)備進行控制操作。監(jiān)控系統(tǒng)具有操作監(jiān)護功能，允許監(jiān)護人員在操作員工作站上實施監(jiān)護，避免誤操作。

操作控制分為四級：

第控制，設(shè)備就地檢修控制。具有優(yōu)先級的控制權(quán)。當操作人員將就地設(shè)備的遠方/就地切換開關(guān)放在就地位置時，將閉鎖所有其他控制功能，只進行現(xiàn)場操作。

級控制，間隔層后備控制。其與第三級控制的切換在間隔層完成。

第三級控制，站控層控制。該級控制在操作員工作站上完成，具有遠方/站控層的切換。

第四級控制，遠方控制，優(yōu)先級。

原則上間隔層控制和設(shè)備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執(zhí)行，并在站級層設(shè)置操作員、監(jiān)護員口令及線路代碼，以確保操作的性和正確性。對任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進行下一步操作。同一時間只允許一種控制方式。

納入控制的設(shè)備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開關(guān)及帶電動機構(gòu)的接地開關(guān)；站用電380V斷路器；主變壓器分接頭；繼電保護裝置的遠方復歸及遠方投退連接片。

3）定時控制。操作員對需要控制的電氣設(shè)備進行定時控制操作，設(shè)定啟動和關(guān)閉時間，完成定時控制。

4）監(jiān)控系統(tǒng)的控制輸出。控制輸出的接點為無源接點，接點的容量對直流為110V（220V）、5A，對交流為220V、5A。

5.4.4 用戶權(quán)限管理

系統(tǒng)設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作系統(tǒng)可以定義不同操作權(quán)限的權(quán)限組（如管理員、維護員、值班員組等），在每個權(quán)限組里添加用戶名和密碼，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的保障。

6 系統(tǒng)硬件配置

7 結(jié)語

綜上所述，智能變電站自動化系統(tǒng)具有全數(shù)字化、高智能化、高集成度、全景數(shù)據(jù)展示等顯著特點。伴隨智能變電站的技術(shù)發(fā)展，不斷深化其智能化特征，在發(fā)展過程中做到智能調(diào)節(jié)、自動化控制、在線分析決策以及協(xié)同互動等各種功效，這樣才能讓變電站運維管理水平和質(zhì)量得以提升。

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作者介紹：

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。