智能變電站設計及研究

1、中文摘要變電站是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，它擔負著電能轉換和電能重新分配的 繁重任務，對電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行起著舉足輕重的作用。變電站作為輸配電系統(tǒng)的 信息源和執(zhí)行終端，要求提供的信息量和實現(xiàn)的集成控制越來越多。因此，目前的變 電站迫切需要一個簡約的、智能的系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享，以減少投資，提高運行、維 護效率。這些運行和管理的需求使智能變電站成為變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展新方向。 隨著計算機應用技術和現(xiàn)代電子技術的飛速發(fā)展，開展智能變電站的設計及研究具有 重要意義。本設計主要研究內容如下：首先，闡述智能變電站的研究背景、基本概念及技術特征、研究現(xiàn)狀，提出了智 能化變電站主要支撐技術；其次，進行

2、智能變電站技術特征及架構體系的研究，提出 了智能變電站的主要技術原則及技術特征，并對三層兩網(wǎng)結構的智能變電站的架構體 系進行了詳細的介紹，詳細分析了過程層網(wǎng)絡和站控層網(wǎng)絡的結構；作為智能變電站 的主要通訊手段，本文對智能變電站的IEC61850 通訊標準進行了詳細的介紹。在介紹智能變電站的主要支撐技術、技術原則、技術特征及通訊標準后，對智能 變電站的高壓設備技術特征、組成架構進行了介紹，并對智能變壓器、智能開關設備 進行了初步設計。最后，基于上述的工作，對智能變電站二次設備與監(jiān)控系統(tǒng)進行進一步的研究， 給出了智能變電站站控層設備集成優(yōu)化設計方案及完成了智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)多 層分布結構設計。

3、并以220kV、110kV電壓等級為例，給出了 220kV電壓等級智能變電 站通用設計三層兩網(wǎng)設計方案及 110kV 電壓等級智能變電站通用設計三層兩網(wǎng)設計方 案。關鍵詞智能變電站，架構體系，三層兩網(wǎng)，IEC61850,在線監(jiān)測系統(tǒng)AbstractSubstation is an important part of the power system, it is responsible for the heavy tasks of power conversion and power redistribution, and plays an important role in the safe

4、ty and economic operation of power grid. Substation, as the information source and executive terminal of power transmission and distribution system, requires more and more information and integrated control. Therefore, the current substation urgently needs a simple and intelligent system to realize

5、information sharing, so as to reduce investment and improve operation and maintenance efficiency. These requirements of operation and management make the Smart Substation become a new direction of substation automation system. With the rapid developme nt of computer applicati on tech no logy and mod

6、er n electr onic tech no logy, the desig n and research of in tellige nt substatio n is of great sig nifica nee.The main contents of this design are as follows:Firstly, the research background, basic concept, technical characteristics and research status of in tellige nt substati on are expo un ded,

7、 and the main support tech no logies of in tellige nt substati on are put forward. Secon dly, the tech ni cal characteristics and framework system of in tellige nt substatio n tech no logy are studied, and the main tech ni cal prin ciple and tech ni cal characteristics of in tellige nt substati on a

8、re put forward, and the architecture of the intelligent substation with three layers and two networks is introduced in detail. The structure of the process layer n etwork and the statio n con trol layer n etwork are an alyzed in detail. As the main com muni cati on means of in tellige nt substati on

9、, the IEC61850 com muni cati on sta ndard of in tellige nt substati on are in troduced in this paper.After in troduci ng the main support tech no logy, tech ni cal prin ciple, tech ni cal characteristics and com muni cati on sta ndard of Smart Substati on, the tech ni cal characteristics and structu

10、re of HV equipment in intelligent substation are introduced, and the intelligent tran sformer and in tellige nt switch device are prelimi nary desig ned.Fin ally, based on the above work, further research on sec on dary in stallati on and monitoring system of intelligent substation is carried out. T

11、he integrated optimization design scheme of substation control layer equipment in intelligent substation is given, and the multi-layer distribution structure design of intelligent substation on-line monitoring system is completed. Taking 220kV and 110kV voltage class as an example, 220kV voltage lev

12、el intelligent substation general design three layer two network design scheme and 110kV voltage level in tellige nt substati on gen eral desig n three layer two n etwork desig n scheme are give n.Key words :Intelligent Substation, Frame System, Three Layers and Two Network,IEC61850,O n-Li ne Mo nit

13、ori ng System目錄中文摘要 錯誤!未指定書簽。Abstract 錯誤!未指定書簽。1. 緒論 錯誤!未指定書簽。1.1智能變電站的研究背景及意義 錯誤!未指定書簽。1.2國內外研究現(xiàn)狀 錯誤!未指定書簽。1.2.1智能變電站研究現(xiàn)狀 錯誤！未指定書簽。1.2.2智能變電站主要技術支撐 錯誤！未指定書簽。1.3本文主要工作 錯誤!未指定書簽。2. 智能變電站技術特征及架構體系 錯誤!未指定書簽。2.1智能變電站的概念 錯誤!未指定書簽。2.2智能變電站的主要技術原則及技術特征 錯誤!未指定書簽。2.2.1智能變電站的主要技術原則 錯誤！未指定書簽。2.2.2智能變電站的主要技術特征

14、錯誤！未指定書簽。2.3智能變電站的架構體系 錯誤!未指定書簽。2.3.1三層兩網(wǎng) 錯誤!未指定書簽。2.3.2網(wǎng)絡拓撲結構錯誤!未指定書簽。2.3.3系統(tǒng)咼級應用 錯誤!未指定書簽。2.4基于智能變電站的IEC61850通訊標準 錯誤!未指定書簽。2.4.1基于IEC61850規(guī)約的智能變電站的特點 錯誤！未指定書簽。2.4.2利用IEC61850規(guī)約構建智能變電站錯誤!未指定書簽。2.5本章小結 錯誤!未指定書簽。3. 智能變電站的高壓設備技術特征及初步設計.錯誤!未指定書簽。3.1智能變電站高壓設備技術特征 錯誤!未指定書簽。3.2智能變電站初步設計 錯誤!未指定書簽。3.3智能開關設備

15、初步設計 錯誤!未指定書簽。3.4本章小結 錯誤!未指定書簽。4. 智能變電站二次設備與監(jiān)控系統(tǒng)的研究及設計錯誤!未指定書簽。4.1智能變電站二次設備研究 錯誤!未指定書簽。4.2智能變電站站控層設備集成優(yōu)化設計方案 錯誤!未指定書簽。4.2.1 一體化監(jiān)控系統(tǒng)構架及站控層功能研究 錯誤！未指定書簽。站控層設備整合及優(yōu)化設計 錯誤！未指定書簽。4.2.3五防系統(tǒng)的優(yōu)化設計 錯誤！未指定書簽。4.2.4智能變電站間隔層設備集成優(yōu)化設計方案 錯誤！未指定書簽。4.2.5測控裝置與計量裝置集成方案 錯誤！未指定書簽。4.2.6保護裝置與測控裝置集成設計方案 錯誤！未指定書簽。4.2.7智能變電站過程

16、層設備集成優(yōu)化設計方案 錯誤！未指定書簽。4.2.8智能終端與一次設備機構回路整合方案 錯誤！未指定書簽。4.2.9過程層網(wǎng)絡的優(yōu)化整合方案 錯誤！未指定書簽。4.3智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)研究及設計 錯誤！未指定書簽。4.3.1基于IEC61850通信標準的智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)研究.錯誤！未指定書簽。4.3.2智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的結構設計 錯誤！未指定書簽。4.4 “三層兩網(wǎng)”結構的智能變電站設計 錯誤！未指定書簽。4.5本章小結 錯誤！未指定書簽。5. 結論與展望 錯誤!未指定書簽。致謝 錯誤!未指定書簽。參考文獻 錯誤!未指定書簽。1. 緒論1.1 智能變電站的研究背景及意義變電站是

17、電力系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)， 它擔負著電能轉換和電能重新分 配的繁重任務， 對電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行起著舉足輕重的作用。 變電站作為輸配 電系統(tǒng)的信息源和執(zhí)行終端， 要求提供的信息量和實現(xiàn)的集成控制越來越多， 因 此，目前的變電站迫切需要一個簡約的、智能的系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享，以減少投 資，提高運行、維護效率。 這些運行和管理的需求使智能變電站成為變電站自動 化系統(tǒng)的發(fā)展新方向。 隨著計算機應用技術和現(xiàn)代電子技術的飛速發(fā)展， 智能變 電站離我們越來越近。變電站作為輸配電系統(tǒng)的重要組成部分，市場化改革對其也提出了新的要 求：從變電站外部看， 更加強調變電站自動化系統(tǒng)的整體信息化程度， 和與電力 系

18、統(tǒng)整體的協(xié)調操作能力； 從變電站內部看， 體現(xiàn)在集成應用的能力上， 也不同 于傳統(tǒng)的變電站自動化裝置的智能。 傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)存在的不足主要有以 下方面：（1）裝置功能獨立，且部分內容重復，缺乏高級應用。雖然獨立的裝置 實現(xiàn)了智能，但是卻沒有真正意義上的變電站系統(tǒng)智能， 由于功能獨立， 裝置間 缺乏整體協(xié)調、集成應用和功能優(yōu)化；高級應用功能，如狀態(tài)估計、故障分析、 決策支持等尚未完全實現(xiàn)；（2） 二次接線復雜、CT/VT負載過重由于測量數(shù)據(jù)和 控制機構不能共享， 自動化裝置之間缺乏通信等原因， 變電站內二次接線十分復 雜，且系統(tǒng)內使用的通訊規(guī)約不統(tǒng)一， 不同的廠家使用不同的通訊規(guī)約， 在系

19、統(tǒng) 聯(lián)調的時候需要進行不同程度的規(guī)約轉換， 加大了調試的復雜性， 也增加了運行、 維護的難度，給設計、調試和維護帶來了一定的困難，降低了系統(tǒng)的可靠性。同 時，存在大量硬接線，造成CT/VT負載過重。（3）裝置的智能化優(yōu)勢未得到充分 利用。由于站內各套獨立的自動化裝置間缺乏集成應用， 使得智能裝置的作用并 未完全發(fā)揮， 從而降低了自動化系統(tǒng)的使用效率和投資價值。（4）缺乏統(tǒng)一的信息模型。相互獨立的自動化裝置間缺乏互操作性， 一方面局限了其在站內的應用， 另一方面也給集控中心對信息的集成和維護帶來困難。智能變電站是基于 IEC61850 標準體系上，采用了非常規(guī)互感器、智能化的一次設備、網(wǎng)絡化的二

20、 次設備，能夠實現(xiàn)智能設備之間的互操作和信息的共享。因為IEC61850技術的先進性，它將推動我國電力系統(tǒng)自動化控制的變革， 為我國電力系統(tǒng)穩(wěn)健、 持續(xù) 的發(fā)展奠定堅實的基礎， 也將產(chǎn)生巨大的效益。 智能變電站是智能電網(wǎng)發(fā)展的主 要方向。智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設備，以全站信息 數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測 量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能， 并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、 智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站 1 。作為智能電網(wǎng)的主要電氣設備及關鍵環(huán)節(jié)，智能變電站的主要作用表現(xiàn)在1 ：（1）可靠性：可靠

21、性作為智能變電站設計及發(fā)展的先決條件，能夠達到對 故障的迅速準確判斷及處理， 降低因設備故障或者線路故障對整個電力網(wǎng)絡的損 失程度；（2）信息化：與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站通過增加智能組件、智能單 元、圖像等信息采集，實現(xiàn)智能變電站信息傳遞過程中的數(shù)據(jù)的安全性及可靠性， 從而為智能變電站的運行提供可靠、準確、充分、實時、安全的信息；（3）信息數(shù)據(jù)化：智能變電站內部組件含有數(shù)字化的獲取功能，能夠實現(xiàn) 智能變電站系統(tǒng)中各模塊數(shù)據(jù)的數(shù)字化提?。唬?）自動化：將智能變電站智能組件獲取的數(shù)據(jù)化信息通過通訊通道輸送 給二次設備，通過在線自動效驗、監(jiān)測等功能提升變電站的自動化水平；（5）互動化：智能變電站

22、能夠完成變電設備之間，變電設備和控制設備之 間，變電設備和消費者之間，變電設備與其他等設備的通信交流及相互作用；（6）資源整合：使各種標準統(tǒng)一，各種模塊統(tǒng)一，從而讓變電站里面和外 面的信息可以互動和更好的分享各自的信息。1.2 國內外研究現(xiàn)狀智能變電站是指與調控中心實現(xiàn)電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)、 設備運維策略與電力設備信 息互通互動， 自動完成變電站設備控制、 信息采集、 電能計量和設備監(jiān)測等基本 功能，實現(xiàn)電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的全面采集和實時共享，采用可靠、集成、先進、環(huán)保 的自動化智能設備， 根據(jù)需要完成與相鄰變電站、 調控中心主站等實現(xiàn)自由溝通 協(xié)同配合的變電站 2 。1.2.1 智能變電站研究現(xiàn)狀智能變電

23、站技術規(guī)范在全球范圍內仍然未形成一個統(tǒng)一的共識， 目前仍然處 于探索階段，但是其內涵會隨著科技的進步、 探索的推進、 工程實踐應用而變得 更加豐富。大力發(fā)展智能電網(wǎng)在世界各地區(qū)電力行業(yè)中已經(jīng)逐漸達成共識。 當前， 歐美等發(fā)達國家在變電站建設上逐漸向智能化發(fā)展， 但尚未形成統(tǒng)一的智能變電 站概念。各國設備制造企業(yè)對智能電網(wǎng)的理解也不同， 西門子公司認為智能變電 站應該具有較高的自愈能力， 認為若要減少設備維護成本和減少倒閘操作， 需要 提高自動化水平，從而可以提高電網(wǎng)盈利，減少停電； AB 公司則更加偏向于設 備運行監(jiān)測領域，認為完善電網(wǎng)設備運行狀態(tài)采集功能是其工作的重點。隨著IEC61850標

24、準的頒布，使得智能變電站相關技術的應用更加標準化。在國內，國網(wǎng)公司提出了建設堅強智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略構想， 大力促進了智能變 電站的發(fā)展，組織編寫了如智能變電站技術導則等一系列標準和規(guī)范，為智 能變電站設計、建設提供了執(zhí)行依據(jù) 3 。智能變電站是通過利用先進的電子通訊控制設備， 實現(xiàn)變電站的在線數(shù)據(jù)采 集、自動化保護調節(jié)、 決策操控分析以及協(xié)調運行等功能。 智能變電站具有一次 設備智能化、二次設備網(wǎng)絡化、自動化運行管理系統(tǒng)化等三個重要技術特征 4 。針對智能變電站的研究，國外研究大多側重于配網(wǎng)和用戶方面 5-6 ，而國內 電力科研工作者研究的較為全面。文獻 7 在敘述數(shù)字化變電站技術的基礎上， 從多

25、個方面體現(xiàn)了智能變電站的特點， 提出了智能變電站應遵循的設計原則和發(fā) 展思路。 文獻8 提出了未來變電站的實施方案， 以及對智能電網(wǎng)的物理技術和 架構等設想。文獻 9,10 對智能變電站的保護進行研究，從所有方面對智能變 電站的校準和保護功能，以及相關技術的深入研究。文獻 11 智能變電站信息 模型，從輔助設備、電氣模型的質量、穩(wěn)定性控制等方面進行了綜述，展望了智 能變電站的未來信息模式應用。文獻 12 提出了智能變電站建設的主要原則和 概念，針對施工過程中存在的問題，分析了解決方案。文獻 13 論述了智能變 電站的概念和特點， 從國內外變電站的發(fā)展現(xiàn)狀分析了智能變電站建設中存在的 一系列問題

26、。文獻 14 介紹了智能變電站的關鍵技術，分析了智能變電站的發(fā) 展現(xiàn)狀。文獻 15 針對傳統(tǒng)變電站應用系統(tǒng)、信息隔離等問題，利用綜合智能 變電站信息平臺控制，對綜合平臺進行了詳細的描述。文獻 16 智能高壓設備 是智能變電站的重要組成部分，500kV智能變電站改造工程實現(xiàn)智能變電站一次 設備在線監(jiān)測系統(tǒng)。文獻 17 實現(xiàn)常規(guī)變電站的智能化改造，通過智能設備的 集成，改造安裝，真正實現(xiàn)滿足綜合信息模型的要求。文獻 18 針對智能變電 站信息采集方式進行分配采樣，研究插值算法，實現(xiàn)對不同設備采樣值的處理， 滿足智能變電站需求中的應用。文獻 19-21 本文總結了智能變電站的系統(tǒng)結 構，完成智能變電

27、站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)。文獻 22-24 是與智能變電站 相關技術應用的規(guī)范。文獻25從IEC618-50技術方案著手的智能變電站相關應 用研究。 文獻26-28 國外與智能變電站相關的技術規(guī)范。 文獻29 主要介紹了 電子式電流互感器的研發(fā)現(xiàn)狀和應用前景， 從其定義、工作原理等方面進行了詳 細的闡述。文獻30對IEC61850通信協(xié)議系統(tǒng)的研究，主要從歷史背景、組成、 特點和變電站接口來說明。1.2.2 智能變電站主要技術支撐隨著科學技術的不斷進步， 新型微電子技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展推動了智能電 網(wǎng)的發(fā)展,其中新型電子互感器技術、國際通用IEC61850標準、網(wǎng)絡通信技術、 智能高壓設備和

28、智能斷路器技術等成為智能電網(wǎng)的核心支撐技術。1）電子互感器技術光電技術、微電子技術和計算機技術的進步， 促使電子式互感器更好的發(fā)展， 新型電子式互感器具有絕緣性能優(yōu)越、 抗磁干擾水平高、 檢量頻帶寬度高等優(yōu)點。新型的智能化光電子式儀用變壓器綜合了現(xiàn)代光電晶體的特性和與之相關的先 進技術，采用目前世界上最先進的數(shù)字信號處理技術， 實現(xiàn)動態(tài)性、 迅速性以及 方便做復雜計算的性能。在先進的光電技術、DSF技術、微電子技術的支撐下，電子式互感器在電力系統(tǒng)以及智能電網(wǎng)的發(fā)展中得到了很好的應用。（2）國際通用 IEC61850 標準IEC61850標準是適合分層方式的IED和自動化變電站的電力網(wǎng)絡通信協(xié)議

29、。 該標準是依據(jù)電力系統(tǒng)實際運行工作的特性， 制定了能實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交互、 傳輸 任務的基礎服務的規(guī)定； 應用模糊通信服務端口、 指定通信服務映射情況， 來跟 隨網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展。 通過使用面對對象建立模型技術， 面對設備建立模型與 自述，來實現(xiàn)功能的擴展，應用開放性和互操作的要求。除此之外，變電站通信 網(wǎng)絡和系統(tǒng)整體規(guī)范、同步性測試等也包含在通用標準中。IEC61850標準是國際智能變電站統(tǒng)一的標準，為開放性的智能電網(wǎng)以后快速發(fā)展奠定了基礎。（3）先進的網(wǎng)絡通信技術在系統(tǒng)中初級系統(tǒng)和次級系統(tǒng)是主輔關系， 次級系統(tǒng)由各類計量裝置、 測量 裝置、控制裝置，監(jiān)測和回饋裝置，機電保護，遠程傳動控制設

30、備等回路組成。 二次系統(tǒng)大致分為控制回路和保護回路兩部分， 傳統(tǒng)的二次回路是通過電纜將變 電站的一次設備的數(shù)據(jù)量進行傳輸。 在智能電網(wǎng)中先進的網(wǎng)絡通信技術已基本取 代了電纜傳送信息的功能。 光纖的通信傳輸技術憑借局域網(wǎng)技術， 把獲取到的各 種信息發(fā)送給次級設備， 與此同時采用分布式設計的自動化智能變電站， 可以有 效提升通信設備的動態(tài)性、穩(wěn)定性、安全性。（4）智能高壓設備高壓設備通過與保護、 控制、測量以及檢測等智能組件進行一體化組合可實 現(xiàn)高壓設備的智能化。 在高壓設備中， 智能組件的安裝即可以采用外置， 也可采 用內嵌，兩種安裝方式均不影響智能高壓設備的正常運行。 智能高壓設備應具有 以下

31、特征：（1）測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化；（2）控制過程的網(wǎng)絡化；（3）狀態(tài)結果的可 視化；（4）功能結構的一體化；（5）信息通訊的互動化。如圖 1 所示。圖 1 智能高壓設備特性（5）智能斷路器技術 智能變電站中電子式互感器以及通訊網(wǎng)路的使用能夠實現(xiàn)斷路器自身各變 量的測量。 通過分析采集測量得到的數(shù)據(jù)， 能夠為斷路器的云梯、 檢修以及維護 制定時間表， 以達到維護以及檢修的目的， 從而避免了傳統(tǒng)斷路器檢修帶來的弊 端。智能斷路器在斷開瞬間， 通過電子式互感器將斷開瞬間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈釉O 備，上層設備通過智能手段判斷斷路器的工作狀態(tài)， 并給出具體指令， 實現(xiàn)智能 斷路器的單一分閘特性。1.3 本文主要工

32、作智能變電站由智能變電站演變而來。 建設全站信息數(shù)字化、 通信平臺網(wǎng)絡化、 信息共享標準化、高級應用互動化特征的智能變電站已成為建設統(tǒng)一堅強智能電 網(wǎng)的重要組成部分。 論文重點基于智能化變電站的主要技術特征和支撐技術， 研 究智能變電站的特點、 架構體系、通訊標準、高級應用等。 論文的主要工作如下：（1）闡述智能變電站的研究背景、基本概念及技術特征、研究現(xiàn)狀，提出 了智能化變電站主要支撐技術：即非常規(guī)互感器技術、IEC61850標準、網(wǎng)絡通信技術、智能高壓設備、智能斷路器技術等；（2）揭示智能化變電站的主要技術原則及技術特征，研究智能變電站的架構體系，對智能變電站的三層兩網(wǎng)結構進行了介紹， 并

33、對過程層網(wǎng)絡和站控層網(wǎng) 絡的結構進行了詳細分析。研究智能變電站的IEC61850通訊標準；（3）分析智能變電站的高壓設備技術特征，組成架構，對智能變壓器、智 能開關設備進行初步設計；4）研究智能變電站二次設備與監(jiān)控系統(tǒng)， 進行監(jiān)控系統(tǒng)二次設備的設計2. 智能變電站技術特征及架構體系2.1 智能變電站的概念智能變電站是指與調控中心實現(xiàn)電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)、 設備運維策略與電力設備信 息互通互動，以全站信息數(shù)字化、 信息共享標準化、 通信平臺網(wǎng)絡化為基本特征， 實現(xiàn)基于狀態(tài)的全壽命周期綜合優(yōu)化管理， 自動完成變電站設備控制、 信息采集、 電能計量和設備監(jiān)測等基本功能， 在運行過程中采用先進的自動化智能設備

34、來完 成電網(wǎng)各種運行工況運行數(shù)據(jù)的全面采集和實時共享工作， 這些自動化智能設備 往往需要具有可靠性、集成性、先進性、環(huán)保性等特點，根據(jù)需要完成與相鄰變 電站、調控中心主站等實現(xiàn)自由溝通協(xié)同配合的變電站。2.2 智能變電站的主要技術原則及技術特征2.2.1 智能變電站的主要技術原則智能電網(wǎng)作為發(fā)展全球能源互聯(lián)網(wǎng)的核心， 為滿足智能電網(wǎng)和全球能源互聯(lián) 網(wǎng)的發(fā)展要求，智能變電站的規(guī)劃和設計應滿足的主要技術原則有以下幾個方 面：(1) 遵循以IEC61850標準的變電站通信規(guī)約，實現(xiàn)智能變電站分層系統(tǒng)結 構根據(jù)國際通用的以IEC61850為標準的變電站結構體系，智能變電站通常采 用 3 層結構的原則來

35、進行分層。 分層可具體分為站控層、 間隔層和過程層。 其中 過程層主要承擔一次設備數(shù)字化的重要功能， 它是智能變電站二次系統(tǒng)和一次系 統(tǒng)重要的結合層；間隔層主要用來完成數(shù)據(jù)的處理和控制等功能， 其主要由測控、 計量、保護等間隔層IED構成；站控層具備典型的SCADA和EMS功能，基本能 實現(xiàn)轉發(fā)電網(wǎng)實時運行工況數(shù)據(jù)到調度中心并按照調度中心特定調控命令完成 相應的調節(jié)和控制。(2) 采用新型的電子式互感器設備和智能自動化設備，完成一次設備運行 數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集電子式互感器能夠直接完成獲取數(shù)字化的測量量等數(shù)字化采集工作， 并且具 有無飽和、 無鐵磁諧振等優(yōu)點優(yōu)點， 因此在智能電網(wǎng)的規(guī)劃和設計過程中

36、得到了 廣泛應用。針對智能變電站的保護與電子式互感器等二次設備的接口， 以及更好 地發(fā)揮電子式互感器在智能電網(wǎng)保護中的作用，國際電工委員會專門制定了 IEC60044-7和IEC61850-9-標準。并且基于此定義了合并單元，它是這一接口的重 要組成部分。 合并單元的主要功能采集多路數(shù)字信號， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享， 這一功能 的具體實現(xiàn)程序是： 同步采集多路電子互感器輸出的數(shù)字信號； 將標準信號 按照標準規(guī)定的格式發(fā)送給保護、 測控設備； 在數(shù)據(jù)傳輸過程中用光纖代替?zhèn)?統(tǒng)的電纜，用總線方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的點對點接線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。（3）為實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸基于最新進的高速工業(yè)以太網(wǎng)技術實現(xiàn)過程總線 和站級

37、總線考慮到在實際運行過程中，智能變電站的各個 IED之間通過站級總線、過程 層總線傳輸數(shù)據(jù)信息并且需要交換大量數(shù)據(jù)。 各智能變電站站級總線、 過程層總 線在不同電壓等級、 不同規(guī)模的變電站其拓撲結構也存在區(qū)別。 目前站級總線常 采用10MB/00MB以太網(wǎng)，而過程層通常選用 100MB/1000MB以太網(wǎng)。（4）采用全站的統(tǒng)一授時系統(tǒng)智能變電站在運行過程中，其大量的信息交換完全依賴通信，因此所有 IED 都應該帶有時標信息。有了統(tǒng)一精確的時間，變電站運行中事故的原因及過程， 可以通過各斷路器動作、調整的先后順序及準確時間來分析確定。2.2.2 智能變電站的主要技術特征相比于常規(guī)變電站，智能變電

38、站具有鮮明的技術特征。具體體現(xiàn)在：（1）一次設備智能化智能變電站的基礎是一次設備智能化。 一次設備智能化是使一次設備具有實 時數(shù)據(jù)采集和處理的能力，其具有可與其他IED進行實時的數(shù)據(jù)交換、一次設備 數(shù)字化采集、系統(tǒng)結構緊湊化等功能。與常規(guī)自動化設備相比，智能設備（IED）使得一次設備自動化程度大大提高。 其中一次設備的信號、 狀態(tài)采集過程通過在 全站采用電子式互感器（電子式或光電互感器） 、智能終端完成，同時可以及時 與上級監(jiān)控設備、系統(tǒng)及相關設備、調度進行協(xié)同操作。（2）二次設備網(wǎng)絡化采用最先進的網(wǎng)絡通信技術， 使整個系統(tǒng)性能達到最優(yōu)從而實現(xiàn)二次裝置網(wǎng) 絡化性能。各個設備之間通過 GOOSE

39、 MMS、SMV等高速網(wǎng)絡進行層與層之間、 層內設備之間的信息交互。為了給控制中心提供決策依據(jù)，通過基于 IEC61850 標準的建模， 智能變電站可以實時監(jiān)測轄區(qū)電網(wǎng)的運行狀態(tài)， 自動辨識設備和網(wǎng) 絡模型。（3）符合IEC61850標準的變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)IEC61850標準核心技術包括面向對象的建模技術、 分層映射的通信技術、標 準化配置語言技術等主要的三個核心技術。智能變電站采用抽象通信接口技術、 對象建模技術、 設備自描述規(guī)范等來確保智能設備之間通信協(xié)議和通信接口的一致性。同時，為實現(xiàn)功能也需對一次設備和二次設備進行統(tǒng)一建模。與常規(guī)變電站相比， 智能變電站具有如下的技術優(yōu)勢： 智能變

40、電站采用了 電子互感器； 解決了傳統(tǒng)互感器存在磁飽和問題； 為降低成本、 便于施工采 用了光纖代替了電纜；智能變電站基于 IEC61850標準全站統(tǒng)一平臺，無需進 行協(xié)議轉換；可以采用雙機、雙網(wǎng)冗余，可靠性高；基于信息共享，能夠統(tǒng) 一配置全站功能，提高系統(tǒng)自動化水平。2.3 智能變電站的架構體系智能變電站自動化系統(tǒng)完成對全站設備的監(jiān)控，站內監(jiān)控及保護統(tǒng)一建模， 統(tǒng)一組網(wǎng)， 設備配置采用開放式分層分布式網(wǎng)絡結構， 與調度數(shù)據(jù)網(wǎng)的通信采用 統(tǒng)一的通信規(guī)約， 實現(xiàn)遠方 /就地操作等功能， 實現(xiàn)二次設備及系統(tǒng)信息的共享， 在功能上滿足無人值班要求，在邏輯上由“三層兩網(wǎng)”構成，便構成了智能變電 站自動化

41、系統(tǒng)的主體。智能變電站自動化系統(tǒng)在邏輯上由“三層”和“兩網(wǎng)”構成。 “三層”結構 即站控層、間隔層、過程層以及“兩網(wǎng)”即站控層網(wǎng)絡、過程層網(wǎng)絡構成。站控 層主要功能是提供站內運行的人機聯(lián)系界面， 形成全站監(jiān)控中心， 并實現(xiàn)與遠方 調度中心的通信，其主要設備包括主機、監(jiān)控系統(tǒng)、遠動裝置、繼電保護故障信 息系統(tǒng)及網(wǎng)絡打印機等。 站控層主要完成以下幾方面工作： 實時讀取設備數(shù)據(jù)并 將實時信息存入歷史數(shù)據(jù)庫中： 將實時信息傳送至調控中心主站； 接受調控中心 主站命令并執(zhí)行；具備基本辦公功能。間隔層由保護功能、測量系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、故障錄波等系統(tǒng)組成，為保證網(wǎng) 絡通信的可靠性， 提高信息通道的冗余度， 可

42、采用上下網(wǎng)絡接口全雙工模式。 間 隔層主要完成以下幾方面工作： 優(yōu)化統(tǒng)計運算、 數(shù)據(jù)采集及下發(fā)控制命令等功能 隊列；承擔本間隔實時數(shù)據(jù)匯總任務； 承擔過程層及站控層設備的網(wǎng)絡通信功能； 承擔本間隔一次設備保護、控制、閉鎖、同期等任務。過程層由電子式互感器、智能斷路器、智能終端、合并單元等裝置構成。過 程層主要完成以下幾方面工作： 承擔主要電氣量的采集工作， 包括電流、 電壓 的幅值、相位以及諧波分量等實時采集的任務；承擔包括變壓器、斷路器、隔 離開關、母線、電容器、電抗器等運行設備的溫度、壓力、密度狀態(tài)參數(shù)等在線 監(jiān)測任務； 完成包括有載調壓主變分接頭的調整， 投切無功補償裝置， 拉合斷 路器

43、、隔離開關，直流蓄電池的充放電等控制命令的執(zhí)行。站控層網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)站控層內主機、 監(jiān)控系統(tǒng)等不同類型的設備和間隔層內 測量、保護和控制系統(tǒng)等不同類型的設備之間的信息交互。 過程層網(wǎng)絡能夠實現(xiàn) 間隔層內相關設備以及過程層內電子式互感器、 智能斷路器等不同設備之間的信 息交互。智能變電站 “三層兩網(wǎng)” 基本結構示意圖如圖路器等不同設備之間的信 息交互。智能變電站“三層兩網(wǎng)”基本結構示意圖如圖 2 所示。圖 2 智能變電站“三層兩網(wǎng)”基本結構示意圖在智能變電站網(wǎng)絡拓撲結構設計中， 需要充分考慮智能變電站的擴建、 網(wǎng)絡 的發(fā)展等情況， 應具備一定的可擴展性： 需要考慮網(wǎng)絡風暴抑制功能， 應具備一 定的

44、可靠性；需要考慮支持變電站內設備的靈活投退， 相關信息配置的靈活切換， 應具備一定的實時性； 需要考慮優(yōu)化網(wǎng)絡結構， 減少網(wǎng)絡設備， 降低變電站的建 造和運行成本， 應具備一定的經(jīng)濟性和冗余度。 構或星型網(wǎng)絡結構等是常見的網(wǎng) 絡結構，具體拓撲結構如圖 3 所示。圖 3 智能變電站通常采用的網(wǎng)絡結構智能變電站以高速網(wǎng)絡通信平臺為信息傳輸基礎， 根據(jù)電網(wǎng)運行需要支持電 網(wǎng)運行自動控制、 站間協(xié)同互動、 順序控制等高級應用功能， 為智能變電站的運 行、檢修等工作提供了技術保障， 不僅提高了工作效率， 同時實現(xiàn)了智能化變電 站運行管理水平的全面提升。1、順序控制智能變電站實現(xiàn)順序控制要滿足以下 3 個

45、方面要求：（1）一次設備智能化。智能化的一次設備可以將自身詳細是狀態(tài)、設備信 息等數(shù)據(jù)通過報文的方式傳送到相關高級應用，從而可以快速獲取有效的信息， 實現(xiàn)快速的順序控制。（2）一次設備運行可靠。一次設備動作可靠、輔助接點能夠真實的反應一 次設備的真實情況，避免出現(xiàn)由于開關機構卡澀等原因造成操作失敗的情況發(fā) 生，是順序控制成功的關鍵。（3）二次設備運行可靠。完善網(wǎng)絡中斷告警機制，提高智能變電站二次設 備可用率和可靠率，能夠保證順序控制成功執(zhí)行。2、五防閉鎖五防閉鎖可以應用于變電站遠方遙控操作或者是就地操作， 閉鎖回路的設計 可以由硬接點來實現(xiàn)， 將本間隔的閉鎖回路串接到受控設備的操作回路中， 在

46、設備關鍵位置配套設置鎖具，通過邏輯閉鎖應用軟件實現(xiàn)全站防誤操作閉鎖功能3、遠動功能直采直送就是直接從測控裝置采集到遠動通信設備需要的數(shù)據(jù)， 通過站控層 網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h方調控中心， 以反映電網(wǎng)整體運行狀況， 這就要求遠動通信設備與 站內監(jiān)控設備無任何影響直采直送的關系。4、狀態(tài)檢修與設備在線監(jiān)測 設備在線監(jiān)測的廣泛應用促進了狀態(tài)檢修的發(fā)展， 是變電站檢修工作從以前 的定時檢修變成了根據(jù)監(jiān)測到的設備狀態(tài)數(shù)據(jù)開展有針對性的檢修， 從而可以節(jié) 省大量人力物力， 使檢修工作更加科學， 提高了設備供電時間和供電可靠性， 提 高了供電效益。通過一個多層結構的軟硬件綜合應用平臺， 將設備在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修結合

47、起來。在這個綜合應用平臺中，通過監(jiān)測、采集設備運行狀況、檢修歷史、試驗 狀態(tài)數(shù)據(jù)， 站內數(shù)據(jù)平臺分析設備運行趨勢， 對設備生命狀態(tài)加以診斷， 根據(jù)診 斷結果通知遠方調控中心或運維人員確定如何檢修、 檢修深度和檢修內容。 在具 體實用過程中， 狀態(tài)檢修需要一個能反映設備狀態(tài)的參數(shù)， 達到了參數(shù)規(guī)定的閾 值后進行報警， 以達到提醒檢修人員的目的。 通過設備在線監(jiān)測可以有效的將定 期檢修或預防性檢修向狀態(tài)檢修方向轉變，提高設備的供電可靠性和服役年限。5、智能告警 智能告警系統(tǒng)就是對設備和全站的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測， 通過監(jiān)測數(shù)據(jù)完 成復雜邏輯分析和推演， 將變電站異常自動報送到主站端并提出處理意見，

48、 同時 還要實現(xiàn)對告警信息的自動分類和無效信號排除， 以上工作都要通過一套完善的 變電站故障信息推理模型來完成。 告警信息通常都是在變電站端進行處理， 然后 將處理過的信息傳送到主站端， 以減少通信信道的壓力和主站端工作負荷。 智能 告警系統(tǒng)可在事故情況下完成順序時間記錄（SOE以及保護裝置數(shù)據(jù)判斷、對 故障錄波數(shù)據(jù)進行挖掘分析，將分析后的結果以簡潔明了的圖形界面進行展示。6、無功自動調節(jié) 無功自動調節(jié)的邏輯順序是根據(jù)變電站采集到的潮流數(shù)據(jù)， 安裝在主站系統(tǒng) 的無功電壓優(yōu)化軟件進行分析計算， 然后根據(jù)計算結果下達指令 （如有需要 ），變 電站自動化系統(tǒng)接收到指令后完成主變檔位調節(jié)和無功補償裝置

49、的投切， 實現(xiàn)區(qū) 域無功最優(yōu)調節(jié)，以上一切工作都是由智能變電站自動化系統(tǒng)和集控主站系統(tǒng)集成的AVC功能實現(xiàn)的。2.4 基于智能變電站的 IEC61850 通訊標準IEC61850標準是由國際電工委員會第57技術委員會（IECTC57負責制定的， 它是基于通用網(wǎng)絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標準， 該標準的全稱 是變電站系統(tǒng)與網(wǎng)絡（ Communication networksand systems in substations 。該標準在制定的過程中，對已有標準進行了消化、吸收了其中主要有：1、IEC60870-5-101標準，該標準具體名稱是遠動通信協(xié)議標準；2、IEC60870-5

50、-103標準，該標準具體名稱是繼電保護信息接口標準；3、UCA20（ Utility Communication Architecture2.0）（由美國電科院制定的變 電站和饋線設備通信協(xié)議體系） ；4、ISO/IEC9506制造商信息規(guī)范 MMS（ Manufacturing Message Specification） 0我國的標準化委員會對 61850系列標準， 進行了同步的跟蹤和翻譯工作。 國 內采用的標準名稱是 DL/T86000基于IEC61850規(guī)約構架的智能變電站有以下四個特點：1、定義了變電站的信息分層結構變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)協(xié)議IEC61850標準草案提出了變電站內信息分

51、層并 且將變電站的通信體系分為變電站層、 間隔層和過程層 3個層次， 在此過程中定 義了層和層之間的通信接口0 在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡采用抽象通信服務 接口映射到制造報文規(guī)范（MMS）、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP以太網(wǎng)或光 纖網(wǎng)；在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡采用單點向多點的單向傳輸以太網(wǎng)02、基于IEC61850標準的綜自站采用了面向對象的數(shù)據(jù)建模技術相較傳統(tǒng)綜自站內通訊使用的IEC60870-5-103規(guī)約版本，IEC61850引入了“面 向對象建?！钡母拍?。在規(guī)約里面，每臺IED作為一個服務器（Service進行分 層分級的建模，被細分為邏輯設備 （Logical Devic

52、e、） 邏輯節(jié)點（ Logical Node 和 數(shù)據(jù)對象（ Data Object 以及各對象的數(shù)據(jù)屬性（ Data Attribute 。邏輯設備包含 邏輯節(jié)點， 邏輯節(jié)點包含數(shù)據(jù)對象。 數(shù)據(jù)對象則是由數(shù)據(jù)屬性構成的公用數(shù)據(jù)類 的命名實例。任何一個客戶可通過抽象通信服務接口（ACSI和服務器通信可訪問數(shù)據(jù)對象。3、數(shù)據(jù)自描述功能標準采用面向對象的方法， 定義了對象之間的通信服務。 面向對象的數(shù)據(jù)自 描述具有在數(shù)據(jù)源就對數(shù)據(jù)本身進行自我描述的功能， 傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)都帶 有自我說明。 由于數(shù)據(jù)本身自帶說明， 所以傳輸時可以不受預先定義限制， 簡化 了對數(shù)據(jù)的管理和維護工作。4、網(wǎng)絡獨立性I

53、EC61850標準總結了智能變電站內信息的傳輸所必需的通信服務，設計了獨立于所采用網(wǎng)絡和應用層協(xié)議的抽象通信服務接口（ ASC）I ，如圖 2-2 所示。在 IEC61850-7-2中，建立了包括服務器模型、邏輯設備模型、邏輯節(jié)點模型、數(shù)據(jù) 模型和數(shù)據(jù)集模型等標準兼容服務器所必須提供的通信服務的模型?？蛻敉ㄟ^ ACSI將假信息通過專用通信服務映射 （SCSM映射到所采用的具體協(xié)議棧。IEC 61850標準使用ACS和 SCSM通信服務技術，解決了標準的穩(wěn)定性與未來網(wǎng)絡技 術發(fā)展之間的矛盾。從以下三個角度來看看智能變電站的構建情況：從變電站層次結構上來看智能變電站由三層結構構成， 分別為站控層、

54、 間隔 層、過程層組成。 主要設備的分類也按不同層次來分， 站控層設備主要由監(jiān)控 主機、工程師站等；間隔層設備主要有保護裝置、測控裝置等；過程層設備 主要有光CT/PT合并單元、智能開關等。從使用設備上來看，構建一個完整的智能變電站需要以下三個部分：1）智能化的一次設備一次設備智能化主要是由于一次設備從信號繼電器到控制回路， 全部采用微 處理器和光電技術設計。 同時在信息傳輸過程中將傳統(tǒng)的電纜導線連接用數(shù)字量 信號傳輸?shù)木W(wǎng)絡取代。2）網(wǎng)絡化的二次設備為實現(xiàn)繼電保護、防誤閉鎖、測量控制、故障錄波、電壓無功控制、同期操 作等功能， 變電站內常規(guī)的二次設備， 需要在各功能裝置之間建立起一一對應的 電

55、纜或是網(wǎng)線的連接。而在二次設備的設計完全符合國際電工組織 IEC6I850標準 的情況下，各個IED （智能電子設備）之間的連接全部采用高速工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng) 絡通信，這種網(wǎng)絡鏈路取代了傳統(tǒng)的電纜連接； 網(wǎng)絡鏈路與電纜回路的區(qū)別不僅 在于傳輸介質、傳輸形式的不同，而且在于智能變電站中的各 IED之間并無直接 的物理聯(lián)系，而是通過交換機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集和發(fā)送。即各IED發(fā)送的數(shù)據(jù)由其所連接的交換機傳輸?shù)秸麄€網(wǎng)絡上進行共享。 這樣所有二次電纜實際上都可 以取消。3）自動化的監(jiān)控管理系統(tǒng)在變電站全面實現(xiàn)數(shù)字化以后，為實現(xiàn)由“定期檢修”向“狀態(tài)檢修”的轉 變可以在監(jiān)控系統(tǒng)中加入智能分析軟件。 同時為“程

56、序化操作” 等實用技術在智 能變電站中提供更好的推廣空間。從使用服務上來看，一個完整的智能變電通常站由以下三部分的服務支撐：1）MMS。MMS: Manufacturing Message Specification（ ISO9506 制造報文 規(guī)范。MMS技術在智能變電站中主要被用在自動化網(wǎng)絡報文的傳輸上。2）GOOSE GOOSE Ge neric Object Orie nted Substation Eve nt通用面向變電 站事件對象。 該服務替代了智能變電站設備間的控制、 信號電纜的功能， 其作用 主要是應用于過程層與間隔層設備之間的通信傳輸。3）SMV0 SMV： Sampled

57、 Measured Value其名稱為，采樣測量值。在智能變 電站中，該服務主要應用于間隔層設備與過程層間的單向電流、 電壓采樣值的傳 輸02.5 本章小結本章主要介紹了智能變電站的基本概念， 主要技術原則、 技術特征、智能變 電站的架構體系和網(wǎng)絡拓撲，智能變電站的IEC61850通訊標準。并對基于智能變電站的IEC61850通訊標準等進行了詳細的介紹。為下文智能變電站的進一步 研究奠定基礎03. 智能變電站的高壓設備技術特征及初步設計3.1 智能變電站高壓設備技術特征高壓設備作為智能變電站的重要部件， 其主要技術特征可以分為以下幾個方 面：（1）測量參數(shù)的數(shù)字化； （2）控制過程的網(wǎng)絡化；

58、（3）狀態(tài)結果的可視化； （4）功能結構的一體化； （5）信息通訊的互動化。（1）測量參數(shù)的數(shù)字化作為智能變電站高壓設備的基本特征之一， 測量參數(shù)的數(shù)字化是指測量智能 變電站在運行、控制過程中的相關參數(shù)。 在進行測量參數(shù)的數(shù)字化的設計過程中， 可以通過設計測量（單一或者多個IED）功能模塊完成智能變電站相關參數(shù)的測 量。在完成參數(shù)的測量后， 可以將測量結果發(fā)送到站控層網(wǎng)絡或過程層網(wǎng)絡， 以 實現(xiàn)智能變電站實時測量信息的共享。而通過分析的智能變電站實時測量信息， 可以用于智能變電站實時運行狀態(tài)、 控制狀態(tài)的評估。 智能變電站參數(shù)數(shù)字化的 測量可以對智能變電站的油溫、分合閘位置、分接頭位置等信息進行測量。（2）控制過程的網(wǎng)絡化智能變電站的高壓設備、 內部部件及高壓設備的運行過程都可以通過網(wǎng)絡化 的控制實現(xiàn)。 控制模塊作為控