標題：淺談智能變電站自動(dòng)化系統的應用與產(chǎn)品選型

產(chǎn)品概述

胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：現如今，智能變電站發(fā)展已經(jīng)成為了電力系統發(fā)展過(guò)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(fā)展的一個(gè)重要目標，為了能夠更好地促進(jìn)電力系統安全穩定運行，本文則就智能變電站自動(dòng)化系統的實(shí)現進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：智能變電站；自動(dòng)化系統；一體化監控

0引言

電能作為人們生產(chǎn)生活B不可少的主要能源，如何保障電能安全、經(jīng)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(hù)提供安全的電能，需要對其中的設施設備進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新，不斷滿(mǎn)足日漸嚴峻的供電需求。變電站作為整個(gè)電力系統中非常關(guān)鍵的部分，如何實(shí)現智能化發(fā)展是現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(lái)進(jìn)行了如下研究：

1智能變電站自動(dòng)化系統的發(fā)展歷程與特點(diǎn)

1.1發(fā)展歷程

分析變電站監控系統整個(gè)發(fā)展歷程，我們就能夠發(fā)現 其從*開(kāi)始的集中式綜合自動(dòng)化系統一直發(fā)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(dòng)化 系統在變電站內設置數據采集柜、控制柜，對全站數據進(jìn) 行集中采集、集中控制。系統結構簡(jiǎn)單，但單一模塊故障就會(huì )導致數據丟失，可靠性不高。分散式綜合自動(dòng)化系統在設計過(guò)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(dòng)、GPS對時(shí)裝置等。間隔層的功能實(shí)現不受站控層設備的影響，自動(dòng)化系統的可靠性顯著(zhù)提高。伴隨著(zhù)IEC61850標準的制定和完善，數字化變電站迅速發(fā)展起來(lái)。其主要是借助于IEC61850來(lái)進(jìn)行二次設備互聯(lián)與操作，通過(guò)這一方式來(lái)促使裝置之間的水平通信得以有效實(shí)現，簡(jiǎn)化了二次接線(xiàn)，系統可靠性進(jìn)一步增強。在數字化變電站基礎上，在社會(huì )不斷發(fā)展中電子式互感器、設備智能化發(fā)展進(jìn)程也在不斷推進(jìn)，在這種環(huán)境下，智能變電站開(kāi)始使用具體包含過(guò)程層、間隔層、站控層的三層體系架構，通過(guò)這一種架構方式，能夠有效地在站內實(shí)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(dòng)化水平也有著(zhù)明顯的提升。

1.2特點(diǎn)

智能變電站相較于傳統變電站有如下顯著(zhù)特點(diǎn)：一是設備安裝方式的變化，如過(guò)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(zhù)減少、光纜用量增加，電氣系統的信號也真正實(shí)現了數字化傳輸，并且信號在使用過(guò)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(xiàn)監測裝置、網(wǎng)絡(luò )分析儀等。這些智能設備在變電站自動(dòng)化系統之中的應用，能夠真正將系統運行狀態(tài)變成可視化，設備也開(kāi)始從之前的定期檢修發(fā)展成為了狀態(tài)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(xiàn)監測等分散系統整合為一體化監控系統，優(yōu)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(shí)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(dòng)化系統在設計過(guò)程中，可以使用三層兩網(wǎng)結構來(lái)進(jìn)行設計，具體而言，其三層主要指的是站控層、間隔層、過(guò)程層等設備，而兩網(wǎng)則主要指的是MMS網(wǎng)、SV/GOOSE網(wǎng)。典型220kV變電站一體化監控系統結構圖如圖1所示。實(shí)際工程中可結合具體情況對監控系統進(jìn)行優(yōu)化設計，如將MMS網(wǎng)、SV網(wǎng).GOOSE網(wǎng)以及IEEE1588對時(shí)網(wǎng)四網(wǎng)合一，在確保整個(gè)通信質(zhì)量的基礎上，對網(wǎng)絡(luò )設備進(jìn)行簡(jiǎn)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(wù)器、綜合應用服務(wù)器、數據通信網(wǎng)關(guān)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(guò)程層設備則包括合并單元、智能終端以及過(guò)程層交換機等網(wǎng)絡(luò )設備。在對智能變電站自動(dòng)化系統進(jìn)行設計的時(shí)候，可在不同電壓等級變電站設備配置原則的基礎上研究?jì)?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(shí)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(shí)還能有效減少智能變電站光纜數量，降低智能變電站自動(dòng)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(shù)

3.1主要功能

智能變電站一體化監控系統若能得以實(shí)現，其主要功能就體現在以下幾個(gè)方面：（1）全景數據采集功能。包括變電站穩態(tài)、暫態(tài)數據，一次、二次及輔助設備運行狀態(tài)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(tài)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(wú)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(huán)境監測、火災報警等，實(shí)現對重要設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(lài)于網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、智能繼電保護采樣與數據同步技術(shù)、時(shí)間同步系統與對時(shí)技術(shù)、智能變電站調試技術(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)全面替代傳統總線(xiàn)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(wàn)兆，以太網(wǎng)通信速率甚至已達到lOOGbps,這使得網(wǎng)絡(luò )通信系統能夠滿(mǎn)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保護來(lái)說(shuō)被動(dòng)接收合并單元發(fā)來(lái)的采樣數據，而從合并單元向保護發(fā)送數據的延時(shí)受通信通道工況的影響將導致CPU接收數據的時(shí)間間隔 變動(dòng)較大，需要新的采樣傳送機制來(lái)應對這一挑戰；而對于線(xiàn)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(jìn)插值法、時(shí)鐘接力法等算法實(shí)現采樣數據同步。智能變電站在進(jìn)行對時(shí)系統設計方面，其方式也較多，像是IRIG-B碼對時(shí)、脈沖對時(shí)、網(wǎng)絡(luò )對時(shí)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(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘同步協(xié)議，借助于這一協(xié)議能夠真正實(shí)現亞微秒級同步精度，在其發(fā)展過(guò)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 )設備便可提供一種高效可行的時(shí)鐘對時(shí)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(guò)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(guò)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(huì )發(fā)生變化，應根據變更情況進(jìn)行分析，及時(shí)確定與之相關(guān)的所有裝置，并相應修改SCD與CID文件。

4智能變電站自動(dòng)化系統設計要點(diǎn)

4.1設備配置

假設智能變電站電壓等級是220kV及以上的話(huà)，其高壓各個(gè)間隔就可以使用雙套進(jìn)行保護，同時(shí)還可以使用單套來(lái)實(shí)現測控，而且相應的過(guò)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(jìn)行配置的時(shí)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(guò)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(huà)，在配置過(guò)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(kāi)關(guān)柜內。在這一配置過(guò)程中，過(guò)程層與站控層所構建的網(wǎng)絡(luò )均可以使用雙網(wǎng)冗余星形結構。實(shí)際工程中變電站設備配置應在充分滿(mǎn)足系統性能要求的基礎上盡量簡(jiǎn)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(wǎng)絡(luò )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(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。這一種系統模式在實(shí)際應用過(guò)程中，繼電保護設備能夠直接通過(guò)光纖直連的方式來(lái)實(shí)現跳閘與采樣，優(yōu)點(diǎn)在于可靠性高，但光纜數量很大。(2)網(wǎng)采直跳。這一系統模式是指采樣值由SV網(wǎng)采集，跳閘采用光纖直連實(shí)現。其優(yōu)點(diǎn)在于跳閘可靠性高，對SV網(wǎng)性能要求高，要求網(wǎng)絡(luò )通信性能穩定。(3 )直采網(wǎng)跳。這一系統模式是指采樣值通過(guò)光纜直連采集，再經(jīng)過(guò)GOOSE網(wǎng)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )跳閘。這種方式采樣可靠性高，跳閘要求GOOSE網(wǎng)性能穩定。⑷網(wǎng)采網(wǎng)跳。這一模式直接打破了傳統的采樣與跳閘方式，通過(guò)SV網(wǎng)與GOOSE網(wǎng)來(lái)實(shí)現采樣與跳閘，大程度地發(fā)揮了智能變電站網(wǎng)絡(luò )化特點(diǎn)，但對系統網(wǎng)絡(luò )性能要求很高。隨著(zhù)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用。

5 安科瑞Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)化系統

5.1方案綜述

Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)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(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )系統實(shí)現連接。站控層設備包括監控主機，提供站內運行的人機聯(lián)系界面，實(shí)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(gè)二次子系統組成，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(jià)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(wǎng)絡(luò )結構，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應用場(chǎng)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(hù)端配、用電系統運行監視和控制管理。

5.3系統結構

5.4系統功能

5.4.1 實(shí)時(shí)監測

Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)化系統，以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)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

監控系統具有事故報警功能。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(dòng)作信號；預告報警包括一般設備變位、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(shí)，事故報警立即發(fā)出音響報警（報警音量任意調節），操作員工作站的顯示畫(huà)面上用顏色改變并閃爍表示該設備變位，同時(shí)彈窗顯示紅色報警條文，報警分為實(shí)時(shí)報警和歷史報警，歷史報警條文具備選擇查詢(xún)并打印的功能。

事故報警通過(guò)手動(dòng)，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(gè)報警信號進(jìn)入，即次報警不覆蓋上一次的報警內容。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(hù)序列設置四種規定的運行限值（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(kāi)關(guān)事故跳閘到次數或開(kāi)關(guān)拉閘到次數，推出報警信息，提示用戶(hù)檢修。

4）報警方式。

報警方式具有多種表現形式，包括彈窗、畫(huà)面閃爍、聲光報警器、語(yǔ)音、短信、電話(huà)等但不限于以上幾種方式，用戶(hù)根據自己的需要添加或修改報警信息。

5.4.3 調節與控制

操作員對需要控制的電氣設備進(jìn)行控制操作。監控系統具有操作監護功能，允許監護人員在操作員工作站上實(shí)施監護，避免誤操作。

操作控制分為四級：

第控制，設備就地檢修控制。具有優(yōu)先級的控制權。當操作人員將就地設備的遠方/就地切換開(kāi)關(guān)放在就地位置時(shí)，將閉鎖所有其他控制功能，只進(jìn)行現場(chǎng)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、執行，并在站級層設置操作員、監護員口令及線(xiàn)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(jìn)行下一步操作。同一時(shí)間只允許一種控制方式。

納入控制的設備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開(kāi)關(guān)及帶電動(dòng)機構的接地開(kāi)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(shí)控制。操作員對需要控制的電氣設備進(jìn)行定時(shí)控制操作，設定啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間，完成定時(shí)控制。

4）監控系統的控制輸出?？刂戚敵龅慕狱c(diǎn)為無(wú)源接點(diǎn)，接點(diǎn)的容量對直流為110V（220V）、5A，對交流為220V、5A。

5.4.4 用戶(hù)權限管理

系統設置了用戶(hù)權限管理功能，通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作系統可以定義不同操作權限的權限組（如管理員、維護員、值班員組等），在每個(gè)權限組里添加用戶(hù)名和密碼，為系統運行、維護、管理提供可靠的保障。

6 系統硬件配置

7 結語(yǔ)

綜上所述，智能變電站自動(dòng)化系統具有全數字化、高智能化、高集成度、全景數據展示等顯著(zhù)特點(diǎn)。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(guò)程中做到智能調節、自動(dòng)化控制、在線(xiàn)分析決策以及協(xié)同互動(dòng)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。

參考文獻

[1]楊樹(shù)興.智能變電站自動(dòng)化系統分析[J].數碼設計,2018,7 (01):205+207.

[2]王月強.自動(dòng)化系統在智能變電站中的應用分析[J].自動(dòng)化應用,2016(12):110-112.

[3]王莉,韓海山.智能變電站自動(dòng)化系統關(guān)鍵技術(shù)分析[J].科技創(chuàng )新與應用,2017(04):214.

[4]吳華.簡(jiǎn)析智能變電站自動(dòng)化系統．

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版．