張沛超 高 翔

（1.上海交通大學(xué)國家能源智能電網(wǎng)研發(fā)中心，上海 200240；2.上海思源弘瑞自動(dòng)化有限公司，上海 201108）

1 引言

智能電網(wǎng)[1-2]是促進(jìn)可再生能源發(fā)展、實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的核心。繼美國之后，我國有望成為第二個(gè)將智能電網(wǎng)上升為國家戰(zhàn)略的國家。智能變電站是伴隨著智能電網(wǎng)的概念而出現(xiàn)的，是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。在現(xiàn)代輸電網(wǎng)中，大部分傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等一次設(shè)備，以及保護(hù)、測量、控制等二次設(shè)備皆安裝于變電站中。作為銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，智能變電站是智能電網(wǎng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的重要電力設(shè)施，是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”三流匯集的焦點(diǎn)，對建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有極為重要的作用。

為有效推進(jìn)智能變電站建設(shè)的規(guī)范化，國家電網(wǎng)公司在總結(jié)前幾年近百個(gè)各種類型數(shù)字化變電站項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，組織一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的討論[3-6]，并由智能電網(wǎng)部牽頭編寫了《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》、《高壓設(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則》等；由基建部牽頭編寫了《智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》；由國調(diào)中心牽頭編寫了《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》；由國網(wǎng)公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院牽頭編寫了《智能電網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目評價(jià)指標(biāo)體系與評價(jià)方法研究》等。這些標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的出臺，為下階段智能變電站的項(xiàng)目實(shí)施試點(diǎn)提供了規(guī)范化的依據(jù)。

本文分析了智能變電站產(chǎn)生的技術(shù)背景，討論了智能變電站的設(shè)計(jì)原則，分析了智能變電站的典型技術(shù)特征和基礎(chǔ)支撐技術(shù)。最后，對現(xiàn)階段智能變電站工程實(shí)施中的若干問題進(jìn)行了討論。

2 智能變電站技術(shù)內(nèi)涵

2.1 數(shù)字化變電站與智能變電站

“數(shù)字化變電站”是指[7-8]：變電站二次控制系統(tǒng)采用數(shù)字化電氣量測技術(shù)；二次側(cè)提供數(shù)字化的電流、電壓輸出信號；變電站信息實(shí)現(xiàn)基于 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信息建模；站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分層、分布式布置；IED設(shè)備之間的信息交互以網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)；斷路器操作具有智能化判別特征。

“智能變電站”是指[4]：由先進(jìn)、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的智能設(shè)備組合而成，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺為信息傳輸基礎(chǔ)，自動(dòng)完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)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(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級應(yīng)用功能的變電站。

由上可見，智能變電站與數(shù)字化變電站既有密不可分的聯(lián)系，也存在重要差別。數(shù)字化變電站主要強(qiáng)調(diào)手段，而智能變電站更強(qiáng)調(diào)目的。與數(shù)字化變電站相比，智能變電站概念中更蘊(yùn)含了兩個(gè)方面的集成：物理集成和邏輯集成，如圖1所示。

圖1 物理集成和邏輯集成

（1）物理集成。在智能變電站中，將屬于相同一次設(shè)備的信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測等基本功能集成到同一“智能組件”中；進(jìn)一步，該“智能組件”可以內(nèi)嵌到一次設(shè)備內(nèi)部，構(gòu)成“智能設(shè)備”。上述物理集成將逐漸弱化一次設(shè)備和二次設(shè)備的界限，強(qiáng)調(diào)一、二次設(shè)備的融合。站在系統(tǒng)的層面，這種物理集成真正體現(xiàn)了面向?qū)ο?、功能自治的思想，有利于提高間隔功能的可靠性，降低運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。

（2）邏輯集成。另一方面，電力系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)互聯(lián)的系統(tǒng)。僅依靠單間隔、局部信息是難以在系統(tǒng)層面優(yōu)化保護(hù)與控制功能的。為此，智能變電站同時(shí)強(qiáng)調(diào)邏輯集成，以構(gòu)成面向系統(tǒng)的虛擬裝置，實(shí)現(xiàn)就地、區(qū)域和全局功能的協(xié)調(diào)，支持具有在線決策、協(xié)同互動(dòng)特征的各種高級應(yīng)用。

在IEC 61850中，邏輯節(jié)點(diǎn)、邏輯設(shè)備、邏輯連接等概念支撐了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要制訂目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)“功能可以自由分配”。在智能變電站中，物理集成和邏輯集成可以有機(jī)共存，正是對IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的充分實(shí)踐。通過上述分析，可以得出數(shù)字化變電站與智能變電站的兩個(gè)主要區(qū)別。

（1）在設(shè)備層面，智能變電站更強(qiáng)調(diào)智能一次設(shè)備概念。數(shù)字化變電站己經(jīng)具有了一定程度的設(shè)備集成和功能優(yōu)化的概念，而智能變電站設(shè)備集成化程度更高，可以實(shí)現(xiàn)一、二次設(shè)備的一體化、智能化整合和集成。

（2）在系統(tǒng)層面，智能變電站更具備“全網(wǎng)”意識[9]。數(shù)字化變電站主要從滿足變電站自身的需求出發(fā)，而智能變電站則更強(qiáng)調(diào)滿足電網(wǎng)的運(yùn)行要求，比數(shù)字化變電站更加注重變電站之間、變電站與調(diào)度中心之間的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)，以在全網(wǎng)范圍內(nèi)提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行水平為目標(biāo)。

2.2 智能變電站與智能電網(wǎng)

顯然，智能變電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)，必須在智能電網(wǎng)的背景下進(jìn)行。智能變電站應(yīng)對我國智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化提供直接支撐。

（1）在以數(shù)字化為基礎(chǔ)的智能變電站中，如下技術(shù)正在走向成熟：高精度、小型化的非常規(guī)互感器技術(shù)[10-14]，符合IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)交換技術(shù)，高精度（μs級）的全網(wǎng)高精度同步采樣技術(shù)[18,19]，以及具有“無擾恢復(fù)”（bumpless）和自愈能力的高可靠通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[20]。這些技術(shù)的廣泛采用將確?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性、及時(shí)性、一致性和可靠性，從而為智能電網(wǎng)提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)字化條件。

（2）智能變電站系統(tǒng)是以IEC 61850[15]作為主要的信息建模和信息交換標(biāo)準(zhǔn)。基于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可以建立就地、區(qū)域以及廣域保護(hù)、測量、控制的統(tǒng)一信息模型，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的、滿足實(shí)時(shí)信息交換要求的信息訂閱/發(fā)布機(jī)制，實(shí)現(xiàn)智能裝置的互操作、“即插即用”和實(shí)時(shí)信息交換，為智能電網(wǎng)準(zhǔn)備信息化基礎(chǔ)條件。

（3）智能變電站中將部署很多具有高度功能集成的一體化智能裝置，能夠?qū)θ龖B(tài)數(shù)據(jù)（穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、暫態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)）進(jìn)行統(tǒng)一采集和處理，從而大大提高智能電網(wǎng)對全景信息的感知能力，提高高級應(yīng)用的精度和魯棒性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、互動(dòng)化的目標(biāo)。

（4）由于非常規(guī)互感器的廣泛采用以及基于統(tǒng)一信息建模，可更為方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息的采集、傳輸、分析和挖掘，實(shí)施狀態(tài)維修，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控、診斷信息與電網(wǎng)運(yùn)行管理的雙向互動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)全壽命周期管理打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（5）智能電網(wǎng)擁有更大量新型柔性交流輸電技術(shù)及裝備的應(yīng)用，以及風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等間歇式分布式清潔電源的接入。中低壓智能化變電站允許分布式電源的接入，需要滿足間歇性電源“即插即用”的技術(shù)要求。

3 智能變電站設(shè)計(jì)原則

20世紀(jì) 90年代以來，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則逐步從傳統(tǒng)變電站“面向功能”（保護(hù)、監(jiān)控、錄波、計(jì)費(fèi)、通信、遠(yuǎn)動(dòng)等）的設(shè)計(jì)，走向了“面向間隔”（主變、出線、母線、母聯(lián)、分段開關(guān)等）的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從“條條”到“塊塊”的轉(zhuǎn)變。按照間隔的設(shè)計(jì)原則遵循了電力系統(tǒng)變電站按照間隔建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)的特點(diǎn)。

智能變電站系統(tǒng)在繼承基于“間隔”的設(shè)計(jì)思想基礎(chǔ)上，必須能有效解決現(xiàn)有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)存在的問題，體現(xiàn)信息采集和應(yīng)用的“唯一、同步、標(biāo)準(zhǔn)、全站”的特征。具體來講有如下設(shè)計(jì)原則：

（1）功能自治原則。間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流、電壓信息完整采集，本間隔保護(hù)跳閘基于“直采直跳”模式，不依賴于外部對時(shí)和網(wǎng)絡(luò)。變壓器可以視為特殊間隔，母線保護(hù)則比較特殊，屬于跨間隔保護(hù)，不同間隔的信息同步采用插值再采樣同步或基于IEEE1588的時(shí)標(biāo)同步。

（2）信息共享原則。本間隔信息的采集由過程層裝置完成，采用對等通信機(jī)制，支持網(wǎng)內(nèi)任何設(shè)備的自由通信和信息共享，實(shí)現(xiàn)“一處采集，全站共享”。發(fā)布和訂閱機(jī)制可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化信息共享機(jī)制下的“按需訂閱”，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的信息流量。

（3）分層處理原則。變電站信息按照分層處理原則，單一事件就地處理后提供明確的結(jié)果上送電網(wǎng)調(diào)度或集控站，如事故簡報(bào)信息、斷路器打壓信息等。統(tǒng)計(jì)類事件按照固定的周期選擇“打包”上送，如一次設(shè)備的溫度特性等。對于反映一次設(shè)備運(yùn)行劣化趨勢的信息需要通過一段時(shí)間內(nèi)的信息，基于統(tǒng)計(jì)分析模型得出相關(guān)結(jié)論。這樣，可以大大優(yōu)化變電站的信息流，避免電網(wǎng)調(diào)度中心處于“信息海洋”中。

（4）全景優(yōu)化原則。變電站站控層可以獲得“全站、唯一、標(biāo)準(zhǔn)、同步”的信息，因此，可以獲得基于全景信息的優(yōu)化控制結(jié)果，如智能防誤閉鎖，站域控制（低周、備自投等）。

上述設(shè)計(jì)原則將決定智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的基本框架。

4 智能變電站典型特征

4.1 信息采集就地化

鑒于電子式互感器工程應(yīng)用所反映的穩(wěn)定性問題尚未得到有效解決，智能變電站的應(yīng)用特征并非以電子式互感器為應(yīng)用標(biāo)志已成為一種共識?！吨悄茏冸娬炯夹g(shù)導(dǎo)則》中提出了智能組件的概念，展示了智能化一次設(shè)備發(fā)展趨勢。因此，智能變電站技術(shù)發(fā)展過程中作為過程層的智能組件將起到關(guān)鍵作用，這里所談到的智能組件包含合并單元/智能終端的功能，實(shí)際上執(zhí)行間隔的信息采集和執(zhí)行功能，見示意圖2。

圖2 常規(guī)IED功能分解圖

變電站發(fā)展不同階段過程層智能組件的發(fā)展趨勢見圖3。

圖3 變電站不同發(fā)展階段過程層的演變趨勢

由圖可見，隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，過程層的智能組件將成為一次設(shè)備的組成部分，因此，過程層智能組件在智能變電站初期將靠近一次設(shè)備安裝，過程層就地化體現(xiàn)為“縮短電纜，延長光纜”，目前主要以戶外柜的方式應(yīng)用。智能變電站的重要特征體現(xiàn)為一、二次技術(shù)的融合，智能組件的功能主要是信息采集與執(zhí)行，與電力系統(tǒng)的外在特性無關(guān)，因此，完全可以作為智能一次設(shè)備的一個(gè)組成部分，就地化靠近一次設(shè)備安裝，最終形成智能一次設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化。智能一次設(shè)備演變圖見圖4。

4.2 信息共享網(wǎng)絡(luò)化

圖4 智能一次設(shè)備演變圖

過程層就地化后解決了間隔信息采集的唯一性問題。以往變電站自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)IED裝置分別采集模擬量及開關(guān)量信息的現(xiàn)象將能得到有效解決?！吨悄茏冸娬纠^電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定保護(hù)采取“直采直跳”的模式，在高壓系統(tǒng)符合繼電保護(hù)對于“四性”的要求，即可靠性、快速性、選擇性、靈敏性。在整流型、晶體管、集成電路、微機(jī)保護(hù)的不同技術(shù)發(fā)展階段，隨著技術(shù)進(jìn)步保護(hù)的“四性”不斷得到改善。在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)尚未在實(shí)踐中得到充分驗(yàn)證的情況下，保護(hù)“直采直跳”模式體現(xiàn)了電網(wǎng)第一道防線的簡約化原則，任何技術(shù)實(shí)現(xiàn)不能以降低保護(hù)的“四性”為代價(jià)。

除保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)外，信息的應(yīng)用模式是智能變電站有別于傳統(tǒng)變電站的重要特點(diǎn)。同時(shí)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為信息共享提供了技術(shù)體系的支持，設(shè)備之間支持互操作，不同廠家的IED裝置可以自由交換信息。在此基礎(chǔ)上可以建立基于全站信息的數(shù)據(jù)中心和面向?qū)ο蟮墓收箱洸ǚ治銎脚_。真正建立電力系統(tǒng)運(yùn)行分析“黑匣子”，為事故分析的可追憶提供完整數(shù)據(jù)支撐。

4.3 信息應(yīng)用智能化

智能變電站的站控層可以獲得“高質(zhì)量”的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的“高質(zhì)量”體現(xiàn)在“同步、全站、唯一、標(biāo)準(zhǔn)”。其中，“同步”指這些數(shù)據(jù)都是由經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對時(shí)同步后由各個(gè)合并單元送來，信息具有同步性特征；“全站”是指數(shù)據(jù)覆蓋了變電站的各個(gè)方面，對應(yīng)用而言信息具有完備性特征；“唯一”是指一個(gè)電氣量只由一個(gè)設(shè)備采集，體現(xiàn)“一處采集，全網(wǎng)共享”的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，徹底消除了數(shù)據(jù)的二義性；“標(biāo)準(zhǔn)”是指數(shù)據(jù)的表達(dá)、獲取等滿足 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，通過工程工具可以輕松獲取數(shù)據(jù)，以專注于應(yīng)用，從而避免大量的規(guī)約轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)工作，信息具有標(biāo)準(zhǔn)化特征。

基于 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息具有“自我描述”功能，變電站的數(shù)據(jù)源非常有序、標(biāo)準(zhǔn)，因此，可以比較容易地突破常規(guī)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的“信息孤島”現(xiàn)象。通過對于數(shù)據(jù)的有效處理，提升應(yīng)用功能的智能化程度，如源端數(shù)據(jù)維護(hù)、基于規(guī)則的智能防誤、基于實(shí)時(shí)模擬量信息的智能操作票、順序控制、基于全站信息共享的站域控制等。

4.4 設(shè)備檢修狀態(tài)化

國家電網(wǎng)公司在2008年11月組織編制完成了《資產(chǎn)全壽命周期管理框架體系》，明確了公司資產(chǎn)全壽命周期管理總體目標(biāo)、工作流程和管理方法，建立了總體框架、實(shí)施體系和評估改進(jìn)體系，確定了評估指標(biāo)體系、評估流程和評估模型的構(gòu)建思路，并制訂了詳細(xì)的分步實(shí)施方案。因此，智能變電站的建設(shè)必須考慮變電站全生命周期管理，在滿足安全、效能的前提下追求資產(chǎn)全壽命周期成本最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。

實(shí)現(xiàn)變電站的全生命周期管理其關(guān)鍵在于設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)。電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視不是一個(gè)新問題，在國內(nèi)已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷史，但諸多因素的影響使電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)和產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用過程中的表現(xiàn)并不盡如人意。從體系架構(gòu)上，現(xiàn)有系統(tǒng)都是一種縱向結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是：①各狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)在縱向上呈現(xiàn)一種相對封閉的結(jié)構(gòu)體系，信息缺乏統(tǒng)一建模，通信規(guī)約多為私有。不同狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)之間的信息共享很難，存在很大的規(guī)約轉(zhuǎn)換鴻溝；②狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)與其他自動(dòng)化系統(tǒng)之間同樣缺乏信息共享機(jī)制。

由此帶來的問題有：①在信息采集方面，面向單一設(shè)備。難以在統(tǒng)一架構(gòu)下覆蓋全站所有需要監(jiān)測的電氣設(shè)備，無法實(shí)現(xiàn)從“設(shè)備”監(jiān)測到“系統(tǒng)”監(jiān)測的轉(zhuǎn)變；②在信息處理方面，狀態(tài)信息單一，難以綜合利用電氣量、非電氣量、環(huán)境變量等進(jìn)行多信息融合；③在信息存儲方面，信息獨(dú)立存儲，冗余度大，難以直接利用變電站自動(dòng)化系統(tǒng)已有存儲系統(tǒng)；④在信息應(yīng)用方面，由于和其他自動(dòng)化系統(tǒng)缺乏有效的信息共享機(jī)制，難以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，設(shè)備狀態(tài)信息難以參與運(yùn)行決策。

智能變電站提供了更好的條件以解決上述問題，并使得電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)可以融入統(tǒng)一的智能電網(wǎng)廣域監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。

智能變電站狀態(tài)檢修主要集中在兩個(gè)方面：

（1）高壓設(shè)備狀態(tài)技術(shù)。高壓設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測主要集中在變壓器、斷路器方面，需要逐步從外掛式互感器向內(nèi)嵌式互感技術(shù)發(fā)展。同時(shí)，由于智能變電站中過程層設(shè)備靠近一次設(shè)備安裝，通過光纜將一次設(shè)備的狀態(tài)信息傳輸出來，因此，有可能將反映一次設(shè)備狀態(tài)變化的微弱信息無衰減地傳送出來，提高一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息的完整性。

（2）二次系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視[17]。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)主要由IED設(shè)備、電纜、光纜及連接器件組成。IED本身具有完整的自檢功能，因此，二次系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的難點(diǎn)在于整個(gè)回路不能有監(jiān)測盲點(diǎn)，以往綜自系統(tǒng)存在的大量二次電纜是無法實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的有效監(jiān)視。80年代微機(jī)保護(hù)解決了保護(hù)裝置邏輯回路簡化問題，90年代綜合自動(dòng)化變電站解決了變電站間隔層和變電站層的信息傳輸、展示問題，因此，智能變電站系統(tǒng)需要解決：過程層裝置邏輯回路簡化、操作箱微機(jī)化，實(shí)現(xiàn)二次回路無盲點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)測，如基于故障匹配檢測機(jī)制的輸入回路正確性檢驗(yàn)；基于故障合閘預(yù)置的在線傳動(dòng)功能，監(jiān)測保護(hù)跳閘壓板未投等跳閘回路異常；基于過程層就地化的交流回路實(shí)時(shí)監(jiān)測等。

最終，智能變電站狀態(tài)監(jiān)視將實(shí)現(xiàn)從單一“設(shè)備”診斷向“系統(tǒng)”監(jiān)視的轉(zhuǎn)變。從傳統(tǒng)關(guān)注設(shè)備可靠性轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注電網(wǎng)的可靠性，并從電網(wǎng)的大視角實(shí)現(xiàn)全壽命周期的成本管理。通過與調(diào)度系統(tǒng)互動(dòng)，向其發(fā)送設(shè)備故障模式及幾率的預(yù)報(bào)信息，使設(shè)備狀態(tài)對調(diào)度系統(tǒng)是可觀測的。

5 智能變電站信息基礎(chǔ)設(shè)施

智能變電站的幾乎所有技術(shù)特征，都離不開一個(gè)完善可靠的信息基礎(chǔ)設(shè)施。需要圍繞智能變電站綜合信息平臺建設(shè)開展一系列基礎(chǔ)性研究工作。該基礎(chǔ)設(shè)施的基本任務(wù)之一是為各類變電站信息打上準(zhǔn)確的時(shí)空標(biāo)簽。其中，“空間標(biāo)簽”是指信息的語義和全局唯一的識別符；“時(shí)間標(biāo)簽”是指信息的高精度時(shí)標(biāo)。

5.1 變電站基礎(chǔ)信息的標(biāo)準(zhǔn)化

對智能化變電站基礎(chǔ)信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一建模研究，是為了給信息賦予表征其語義的“空間標(biāo)簽”，實(shí)現(xiàn)廣域全景信息統(tǒng)一模型、統(tǒng)一語義，為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)能量流、信息流、業(yè)務(wù)流一體化奠定基礎(chǔ)。在目前情況下，需針對智能變電站重點(diǎn)開展如下研究：

（1）智能設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，以規(guī)范智能化設(shè)備的研究開發(fā)。

（2）設(shè)備狀態(tài)信息統(tǒng)一建?！，F(xiàn)有主設(shè)備（變壓器、斷路器、GIS等）狀態(tài)信息皆采用私有規(guī)約，極大限制了狀態(tài)信息共享數(shù)據(jù)庫的建立，難以進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)挖掘，難以進(jìn)行多參量狀態(tài)檢測與診斷。必須建立符合IEC 61850的狀態(tài)信息建模規(guī)范和傳輸規(guī)范。

（3）電網(wǎng)故障信息統(tǒng)一建模。IEC 61850提供了良好的機(jī)制實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行數(shù)據(jù)的建模與傳輸，但對故障時(shí)數(shù)據(jù)的描述則相對不足。為了實(shí)現(xiàn)事故分析系統(tǒng)，需要解決故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)一建模問題，并重點(diǎn)從故障錄波數(shù)據(jù)、保護(hù)動(dòng)作事件、故障簡報(bào)、保護(hù)定值等幾個(gè)方面建立標(biāo)準(zhǔn)。

（4）在中低壓變電站中，重點(diǎn)研究與分布式電源接入、微網(wǎng)相關(guān)的信息標(biāo)準(zhǔn)。

（5）IEC 61850與IEC 61970-CIM兩大標(biāo)準(zhǔn)的融合。研究基于IEC 61850與IEC 61970-CIM的智能變電站信息集成方案，研究智能變電站全景信息集成到調(diào)度系統(tǒng)的方案。

5.2 基于IEEE 1588的時(shí)間同步系統(tǒng)

智能變電站更強(qiáng)調(diào)邏輯集成，故對時(shí)間同步的要求遠(yuǎn)高于常規(guī)變電站和數(shù)字化變電站。常規(guī)變電站時(shí)間同步主要用于SOE時(shí)標(biāo)，用于判斷動(dòng)作時(shí)序，但不影響電網(wǎng)本身的安全運(yùn)行；數(shù)字化變電站強(qiáng)調(diào)同步采樣，但并不強(qiáng)調(diào)絕對時(shí)刻。智能變電站由于有協(xié)同互動(dòng)功能，必須要有精確的絕對時(shí)標(biāo)。

IEEE 1588-2008所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，同步誤差可控制在 1us。IEEE 1588-2008使得在分配控制工作時(shí)無需再進(jìn)行專門的同步通信。圖5描述了智能變電站內(nèi)的各種同步方式。以GPS作為外部時(shí)鐘源對主時(shí)鐘（Grand Master Clock）進(jìn)行精確授時(shí)。站內(nèi)采用支持IEEE 1588-2008的交換機(jī)，該交換機(jī)承擔(dān)透明時(shí)鐘（Transparent Clock）的功能。合并單元?jiǎng)t為從屬時(shí)鐘，只要接入了支持IEEE 1588的交換機(jī)，都可自動(dòng)獲得同步。如有需要，保護(hù)、測控以及PMU等智能電子裝置也可成為從鐘。利用具有邊界時(shí)鐘（Boundary Clock）功能的路由裝置，還可通過廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)范圍的同步。

圖5 基于IEEE 1588實(shí)現(xiàn)同步

5.3 高可用自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)

在智能變電站中，“二次系統(tǒng)”的范圍已從保護(hù)、測控等擴(kuò)大到通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)IEC 61850，諸如采樣值傳輸、母差保護(hù)等功能必需實(shí)現(xiàn)無擾恢復(fù)，即交換機(jī)、光纖等發(fā)生任意單點(diǎn)故障后，通信網(wǎng)絡(luò)皆可零延時(shí)恢復(fù)，從而使應(yīng)用層感受不到擾動(dòng)。為此，IEC制訂了IEC 62439：“高可用自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)（Highly Available Automation Networks）”[20]。與 IEC 61850緊密相關(guān)是IEC 62439-3部分：并行冗余協(xié)議（Parallel Redundancy Protocol，PRP）和高可用無隙環(huán)（High Availability Seamless Ring，HSR)。在 IEC 61850-9-2 Ed 2.0中，將把采用基于PRP或HSR的網(wǎng)絡(luò)作為過程總線的技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)則。

5.4 GARP組播注冊協(xié)議

GARP組播注冊協(xié)議（GMRP，GARP Multicast Registration Protocol）實(shí)現(xiàn)IED和交換機(jī)的互動(dòng)[8]，由裝置告訴交換機(jī)需要接收哪些組播地址的數(shù)據(jù)，避免了交換機(jī)的維護(hù)工作，自然也就不存在人工配置所可能帶來的問題。

GMRP是一種基于以太網(wǎng)鏈路幀的自動(dòng)組播配置方案，不同于IGMP Snooping三層組播管理方法，可適用于組播報(bào)文直接映射到第2層的IEC 61850過程層通信。裝置可根據(jù)SCD文件中的GOOSE和采樣值配置，識別出所需要接收的以太網(wǎng)組播地址，采用GMRP報(bào)文格式告訴交換機(jī)在連接的端口上轉(zhuǎn)發(fā)哪些組播報(bào)文。GMRP在不會(huì)給繼電保護(hù)等關(guān)鍵應(yīng)用帶來額外的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榻粨Q機(jī)和設(shè)備間的組播配置異常帶來的結(jié)果無非兩種：轉(zhuǎn)發(fā)了不希望的組播報(bào)文或收不到希望的正常報(bào)文，而這兩種情況在人工劃分VLAN等方式下同樣可能發(fā)生，裝置應(yīng)會(huì)在應(yīng)用層對它識別并進(jìn)行相應(yīng)的告警處理。

6 現(xiàn)階段工程實(shí)施的關(guān)鍵問題

6.1 工程配置工具

變電站的智能化有著豐富的內(nèi)涵，涵蓋從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)行、維護(hù)等諸多方面。傳統(tǒng)變電站的工程實(shí)施過程相當(dāng)?shù)牟恢悄?。在智能變電站條件下，隨著數(shù)字化的推進(jìn)，硬件回路將逐漸減少以至于不復(fù)存在，以往大量的二次電纜連接模式演變成了虛端子、虛回路的配置。智能變電站信息傳輸以光纖替代電纜，端子連接以虛端子代替物理端子，以邏輯連接替代物理連接，見圖 6。這些導(dǎo)致傳統(tǒng)的基于設(shè)備和回路的一系列設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)等方面的做法和工具都不再適應(yīng)。事實(shí)上，按照 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中的思想，智能變電站的工程實(shí)施將變得更為標(biāo)準(zhǔn)、有序、高效和高質(zhì)量。

圖6 虛端子、虛回路示意圖

相比于傳統(tǒng)變電站圍繞著紙質(zhì)圖紙，智能變電站圍繞著SCD文件。從所能表達(dá)的內(nèi)涵上，圖紙和SCD文件是相同的。但其本質(zhì)區(qū)別在于，前者是人可讀（human-readable），而后者則是機(jī)器可讀（machine-readable）的。機(jī)器可讀的意義在于，可以最大程度摒棄設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員的非標(biāo)準(zhǔn)化和個(gè)人風(fēng)格化，最大程度利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)的設(shè)計(jì)、模型變換、校核和測試。所以，在未來的智能變電站建設(shè)中，必將具備用SCD文件代替?zhèn)鹘y(tǒng)二次圖紙的條件，設(shè)計(jì)工作和系統(tǒng)集成工作將逐漸融合，設(shè)計(jì)院可以逐漸承擔(dān)起系統(tǒng)集成商的角色，設(shè)計(jì)工作可以直接提交出包含全站模型信息的 SCD文件并提供給各設(shè)備廠商，供其直接導(dǎo)入，完全避免了原先對照圖紙、依靠人力進(jìn)行信息輸入和現(xiàn)場接線的弊端，從而在工程實(shí)施這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)體現(xiàn)智能變電站的魅力和價(jià)值。

6.2 老站改造模式

大量現(xiàn)存變電站的智能化改造模式是現(xiàn)階段智能變電站發(fā)展必須考慮的問題，一般來講一次設(shè)備的生命周期較長，因此，老站改造主要集中在二次系統(tǒng)方面。由于變電站需要在改造過程中部分承當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行的作用，因此，需要建立老站改造分步走方案。

以220kV及以上系統(tǒng)為例，首先可以優(yōu)先考慮信息處理機(jī)制問題，如通過智能組件就地化實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及全站故障錄波，保持繼電保護(hù)的“點(diǎn)對點(diǎn)”跳閘模式；其次通過網(wǎng)絡(luò)化測控實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的升級問題；最后逐套更換保護(hù)裝置完成全站的智能化升級。

6.3 模塊化建設(shè)方案

鑒于土地資源的有限及GIS價(jià)格的不斷下降，GIS的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，根據(jù)GIS構(gòu)架將智能組件直接安裝在GIS匯控柜上，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化連接，將涵蓋GIS及智能組件的分解為不同模塊，如內(nèi)橋布置的GIS可以分為7個(gè)模塊，見圖7，模塊之間采用標(biāo)準(zhǔn)的光纜連接，其中站控層系統(tǒng)可以作為一個(gè)獨(dú)立模塊。模塊內(nèi)部的連接和調(diào)試完全可以在工廠內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場只需要進(jìn)行模塊之間的光纜連接和配置，這將大大簡化現(xiàn)場工作量，實(shí)現(xiàn)變電站建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化。

圖7 內(nèi)橋式GIS示意圖

智能變電站技術(shù)將極大地改變變電站建設(shè)運(yùn)行模式，以往現(xiàn)場大量的接線、對點(diǎn)工作量將顯著改變，實(shí)現(xiàn)“最大化工廠工作量、最小化現(xiàn)場工作量”，符合國家電網(wǎng)公司“兩型兩化”的要求，使變電站建設(shè)更容易，運(yùn)行更簡單。

7 結(jié)論

智能變電站是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。在設(shè)備層面，其智能化主要體現(xiàn)在智能一次設(shè)備以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視等；在系統(tǒng)層面，其智能化主要表現(xiàn)為采集“全站、唯一、標(biāo)準(zhǔn)、同步”的全景信息、獲得基于全景信息的優(yōu)化控制結(jié)果并最終滿足智能電網(wǎng)的運(yùn)行要求。

智能變電站的智能化不僅僅體現(xiàn)在運(yùn)行、維護(hù)環(huán)節(jié)，還體現(xiàn)在工程實(shí)施環(huán)節(jié)，變電站建設(shè)模式也將獲得巨大改變。

完善的信息基礎(chǔ)設(shè)施是變電站智能化的重要保障。為此，需在變電站基礎(chǔ)信息的標(biāo)準(zhǔn)化、時(shí)間同步系統(tǒng)、高可用自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)等方面開展基礎(chǔ)性研究工作。

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