探究智能變電站的結(jié)構(gòu)

探究智能變電站的結(jié)構(gòu)摘要：智能變電站是我國智能電網(wǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，國內(nèi)已有多個智能變電站建成投產(chǎn)，根據(jù)其過程層設(shè)備和間隔層設(shè)備之間的通信方式不同，其典型結(jié)構(gòu)形式主要有三種。簡要介紹了智能變電站的概念與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并分析闡述了三種不同結(jié)構(gòu)形式之間的差別和優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞:智能電網(wǎng);變電站;結(jié)構(gòu)中圖分類號：u665.12文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a文章編號：一、智能變電站的概念根據(jù)《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》的定義，智能變電站是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的設(shè)備組合而成，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級應(yīng)用功能的變電站。二、智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前，智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從邏輯結(jié)構(gòu)層面分析，主要包括過程層、間隔層和站控層三個層次。過程層過程層由獨(dú)立的智能電子裝置和一次設(shè)備及其所屬的智能組件構(gòu)成，其中，一次設(shè)備主要包括隔離開關(guān)、斷路器、電流/電壓互感器、變壓器等。歸納起來，過程層的主要功能有：系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)時檢測各種電氣量，主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測；運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測，如斷路器、隔離開關(guān)的位置信息等；設(shè)備操作的控制執(zhí)行與驅(qū)動，如分、合斷路器，隔離開關(guān)等。間隔層間隔層設(shè)備主要由二次設(shè)備組成。這些二次設(shè)備主要有系統(tǒng)測控裝置、繼電保護(hù)裝置、計量裝置和故障錄波裝置等。間隔層只采用一個間隔的數(shù)據(jù)作用于該間隔一次設(shè)備的功能，也就是和控制器、傳感器以及遠(yuǎn)方的輸入、輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。歸納起來，間隔層的主要功能有：優(yōu)先控制統(tǒng)計運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集等控制指令的發(fā)出；實(shí)時匯總本間隔過程層的數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)本間隔操作的閉鎖功能；實(shí)現(xiàn)上下結(jié)構(gòu)的通信功能；保護(hù)并控制一次設(shè)備的運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)操作同期和其他控制功能。站控層站控層位于變電站自動化系統(tǒng)的最上層，包括自動化站級通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)、站域控制、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器等，對整個變電站的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、報警以及信息的傳遞，主要用于數(shù)據(jù)、同步相量和電能量的采集，負(fù)責(zé)管理保護(hù)信息，具有監(jiān)控、操作閉鎖等功能。歸納起來，站控層的主要功能有：利用兩級高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全站數(shù)據(jù)信息的實(shí)時匯總，刷新實(shí)時數(shù)據(jù)庫，在設(shè)定的時間點(diǎn)登錄歷史數(shù)據(jù)庫；接收控制中心或調(diào)度中心的控制指令，同時將其傳輸至過程層和間隔層；在線維護(hù)過程層和間隔層的設(shè)備運(yùn)行，對參數(shù)實(shí)施在線修改；具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；自動分析變電站故障，可進(jìn)行操作培訓(xùn)；根據(jù)規(guī)定將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至控制中心或調(diào)度中心；可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控和人機(jī)聯(lián)系；實(shí)現(xiàn)各種智能變電站高級應(yīng)用。三、智能變電站的不同結(jié)構(gòu)形式智能變電站從最初的試點(diǎn)工程階段到大規(guī)模建設(shè)階段，由于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展水平和應(yīng)用需求的不同，在智能變電站技術(shù)發(fā)展的不同階段出現(xiàn)了不同的結(jié)構(gòu)形式，主要差別在于過程層設(shè)備和間隔層設(shè)備之間的通信方式。1“.點(diǎn)對點(diǎn)”結(jié)構(gòu)的智能變電站常規(guī)變電站在結(jié)構(gòu)上就是按照間隔劃分的“點(diǎn)對點(diǎn)”結(jié)構(gòu)，每個間隔的底層設(shè)備信息，如電流、電壓、位置信息等，通過電纜硬接線直接接入到本間隔的二次設(shè)備上，因此“點(diǎn)對點(diǎn)”結(jié)構(gòu)的智能變電站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來最為簡單。所謂“點(diǎn)對點(diǎn)”結(jié)構(gòu)，就是指測量數(shù)據(jù)由合并單元通過光纖直接連接到需要數(shù)據(jù)的保護(hù)、測控、計量、錄波等裝置；設(shè)備的控制信號也是由保護(hù)、測控等裝置直接通過光纖連接到被控制設(shè)備的智能終端。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。與常規(guī)變電站比較，“點(diǎn)對點(diǎn)”結(jié)構(gòu)的智能變電站只是用光纖代替了電纜，并不能實(shí)現(xiàn)過程層信息的共享，沒能完全發(fā)揮出智能變電站應(yīng)有的優(yōu)勢。在實(shí)現(xiàn)母差等復(fù)雜保護(hù)功能時，仍然需要把每個間隔的信息通過光纖直接連接到母差保護(hù)裝置上，光纖接線仍較復(fù)雜和繁多。同時，全站故障錄波等自動化功能也未能得到很好的解決。因此，隨著智能變電站技術(shù)的發(fā)展，“點(diǎn)對點(diǎn)”模式必將被全站信息共享的模式所取代。2.基于網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的分布式智能變電站電子式互感器、智能一次設(shè)備和智能組件等技術(shù)的不斷成熟，以及計算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷成熟，為智能變電站系統(tǒng)以及基于全站信息共享的保護(hù)和自動化技術(shù)的研究提供了良好的機(jī)會。采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為過程總線，取代“點(diǎn)對點(diǎn)”光纖直連的方式，可以實(shí)現(xiàn)過程層信息的網(wǎng)絡(luò)交換和共享。其方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。此種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)：采用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，簡化了大量的光纖直連接線，為過程層數(shù)據(jù)的交換和共享打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)等復(fù)雜保護(hù)功能將非常容易。這種結(jié)構(gòu)更好地發(fā)揮了智能變電站在信息交換方面的優(yōu)勢。過程層分布采集、間隔層集中控制的智能變電站過程層采用分布式結(jié)構(gòu)，用合并單元和智能終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；間隔層集中處理，采用系統(tǒng)控制器實(shí)現(xiàn)全站保護(hù)和自動化功能；通信網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的交換和共享。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。過程層分布采集、間隔層集中控制的智能變電站系統(tǒng)包含兩類關(guān)鍵技術(shù)：（1）保護(hù)、自動化功能整合技術(shù)。常規(guī)變電站的二次裝置主要有繼電保護(hù)、測控單元、故障錄波器、同步相量測量單元等裝置，這些裝置之間相互獨(dú)立，無法形成一體化的站控層應(yīng)用系統(tǒng)。iec61850標(biāo)準(zhǔn)為一體化平臺的實(shí)現(xiàn)提供了有力支持，可將測控、保護(hù)、錄波、同步向量測量等裝置整合成一體化的智能裝置，在站控層也提供集成應(yīng)用后臺系統(tǒng)，為運(yùn)行人員提供一體化功能環(huán)境。（2）全站統(tǒng)一配置的集中式保護(hù)技術(shù)。集中式保護(hù)匯總了變電站每個設(shè)備的信息，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)等較復(fù)雜的保護(hù)功能。集中式保護(hù)技術(shù)不但可以利用變電站每個設(shè)備的信息，而且可以利用同一設(shè)備在不同時刻的信息，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)的快速性、選擇性、可靠性和靈敏性。并能實(shí)現(xiàn)一些變電站的站級控制功能，如無功補(bǔ)償、自動電壓控制等功能。四、智能變電站不同結(jié)構(gòu)形式方案比較1“.點(diǎn)對點(diǎn)”結(jié)構(gòu)的智能變電站方案“點(diǎn)對點(diǎn)”結(jié)構(gòu)形式的智能變電站，過程層設(shè)備和間隔層設(shè)備通過“點(diǎn)對點(diǎn)”的光纖直接連接，同一間隔內(nèi)的過程層設(shè)備和間隔層設(shè)備存在對應(yīng)關(guān)系?！包c(diǎn)對點(diǎn)”結(jié)構(gòu)模式的通信通道是相互獨(dú)立的，不會因網(wǎng)絡(luò)問題造成信息阻塞；“點(diǎn)對點(diǎn)”模式與常規(guī)變電站架構(gòu)相似，可以遵循以往常規(guī)變電站的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配置，最為簡單，在通信方面出現(xiàn)問題的概率最小?！包c(diǎn)對點(diǎn)”模式的智能變電站的主要缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，且光纖接線復(fù)雜、繁多。由于“點(diǎn)對點(diǎn)”結(jié)構(gòu)的智能變電站不僅技術(shù)上簡單可靠，而且比較實(shí)現(xiàn)容易，所以，這種方案在很多的智能變電示范工程中得到應(yīng)用。2.基于網(wǎng)絡(luò)共享的全分布式智能變電站方案此方案采用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)全站信息的共享，過程層采用合并單元和智能終端實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化，間隔層按間隔和功能配置了保護(hù)和自動化裝置，這種方案的最主要優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了全站信息的共享，同時能夠降低單一間隔設(shè)備故障時產(chǎn)生的影響。基于網(wǎng)絡(luò)共享的分布式方案還不能基于共享信息配置全站的保護(hù)和自動化功能，難以全面發(fā)揮智能變電站信息共享的主要優(yōu)勢；同時，由于存在著大量的間隔層二次設(shè)備，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也增加了智能變電站二次系統(tǒng)的造價。此方案適合用在對變電站可靠性要求很高的高電壓等級樞紐變電站，可通過分布式間隔層設(shè)備承擔(dān)不同間隔的功能，以提高系統(tǒng)的可靠性。3.基于網(wǎng)絡(luò)共享的集中式智能變電站方案基于網(wǎng)絡(luò)共享的集中式智能變電站方案，完全采用以太網(wǎng)交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)全站信息的共享，過程層同樣采用合并單元和智能終端實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和信息化，與全分布式智能變電站方案不同的是，間隔層采用集中控制裝置實(shí)現(xiàn)全站的保護(hù)和自動化功能。該方案優(yōu)點(diǎn)是基于共享信息配置全站的保護(hù)和自動化功能，提高了智能變電站的自動化水平；同時簡化了間隔層二次設(shè)備，大大降低了工程造價。利用集中控制裝置的同時，也產(chǎn)生了相關(guān)的可靠性風(fēng)險，集中控制裝置如果出現(xiàn)故障，對智能變電站的安全運(yùn)行將會造成非常大的影響，因此通常需要配置冗余系統(tǒng)。集中式的結(jié)構(gòu)也給按間隔停電檢修帶來問題，適用于低電壓等級的智能化變電站