吳罡，李琳，李翔

（1.南京供電公司，江蘇南京210008；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院電網(wǎng)自動化研究室，江蘇南京210061）

智能變電站[1]是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，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(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)自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。本文搜集了現(xiàn)有成熟的智能化設(shè)備特點(diǎn)，通過與傳統(tǒng)變電站技術(shù)設(shè)備的比較，在相關(guān)智能變電站技術(shù)導(dǎo)則的指導(dǎo)下，提出了110kV智能變電站設(shè)計(jì)實(shí)施方案，為今后設(shè)計(jì)提供了一些參考。

1 智能變電站與傳統(tǒng)變電站的對比

智能化的一次設(shè)備（如光纖傳感器、智能化開關(guān)等）、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備、符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)和自動化的運(yùn)行管理系統(tǒng)，是智能變電站最主要的技術(shù)特征。如圖1所示，隨著智能化技術(shù)日新月異的發(fā)展，與傳統(tǒng)的變電站相比，智能變電站從以下幾個方面發(fā)生了較大的變化。

1.1 智能化的一次設(shè)備

智能化的一次設(shè)備主要包括數(shù)字互感器和智能斷路器。

1.1.1 電子式互感器[2，3]

電子式互感器分為有源與無源2種，其中全光纖電流互感器為無源型，它基于磁光法拉第效應(yīng)原理，采用光纖作為傳感介質(zhì)，不存在鐵磁共振和磁滯后飽和，同時(shí)具有頻帶寬、動態(tài)范圍大、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。有源型電子式電流/電壓互感器即對傳統(tǒng)的電流/電壓互感器所輸出的電流、電壓信號進(jìn)行就地?cái)?shù)字化后，通過光纖、合并單元、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等傳輸至保護(hù)、測控設(shè)備。傳統(tǒng)互感器和電子式互感器的比較見表1。

表1 傳統(tǒng)互感器和電子式互感器的比較

從表1中可以看出，電子式互感器較之傳統(tǒng)互感器在很多方面都有了很大的提高，其敏感元件和傳輸元件都是光纖，安裝維護(hù)相對于其他電子式互感器簡單。輸入輸出光路為統(tǒng)一路徑，提高了抗干擾能力，安全可靠性高。

1.1.2 智能斷路器

智能斷路器的發(fā)展趨勢是用微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng)，開發(fā)具有智能化操作功能的斷路器。其主要特點(diǎn)是由電力電子技術(shù)、智能控制裝置組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器。

1.1.3 智能組件

智能組件是靈活配置的物理設(shè)備，可包含測量單元、控制單元、保護(hù)單元、計(jì)量單元、狀態(tài)監(jiān)測單元中的一個或幾個。測控裝置、保護(hù)裝置、狀態(tài)監(jiān)測單元等均可作為獨(dú)立的智能組件。智能組件安裝方式是外置或內(nèi)嵌，也可以2種形式共存。

1.2 網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備

智能變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備架構(gòu)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：過程層、間隔層、站控層。

1.2.1 過程層（設(shè)備層）

過程層（設(shè)備層）包含由一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成的智能設(shè)備、合并單元和智能終端，是一次設(shè)備和二次設(shè)備的結(jié)合面，完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護(hù)、計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測等相關(guān)功能。智能設(shè)備操作宜支持順序控制。

1.2.2 間隔層

間隔層設(shè)備一般指繼電保護(hù)裝置、測控裝置等二次設(shè)備，實(shí)現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能，即與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、智能傳感器和控制器通信。

1.2.3 站控層

站控層包含自動化系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對時(shí)系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)面向全站或一個以上一次設(shè)備的測量和控制的功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA）、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等相關(guān)功能。站控層功能應(yīng)高度集成，可在一臺計(jì)算機(jī)或嵌入式裝置實(shí)現(xiàn)，也可分布在多臺計(jì)算機(jī)或嵌入式裝置中。智能變電站數(shù)據(jù)源應(yīng)統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。智能設(shè)備之間應(yīng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的互聯(lián)互通，支持采用系統(tǒng)級的運(yùn)行控制策略。智能變電站與傳統(tǒng)變電站相比，整個站控層網(wǎng)絡(luò)采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，其模型描述能力大大提高、裝置互操作性大大增強(qiáng)。

1.3 以IEC61850為標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)

實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、視頻圖象三網(wǎng)合一的綜合業(yè)務(wù)服務(wù)，需要無處不在的信息通信系統(tǒng)支持[4]。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是迄今為止最為完善的關(guān)于變電站自動化的通信標(biāo)準(zhǔn)，它吸收了面向?qū)ο蠼?、組件、軟件總線、網(wǎng)絡(luò)、分布式處理等領(lǐng)域的最新成果，形成了智能變電站應(yīng)用技術(shù)的重要支撐。

實(shí)施IEC61850標(biāo)準(zhǔn)可在規(guī)范、設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行維護(hù)等方面獲得益處，大大降低作業(yè)成本。

2 110kV智能變電站設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 智能化一次設(shè)備的選擇

（1）110kV、主變各側(cè)采用電子式互感器，以光通信信號輸出，其他一次設(shè)備仍選用傳統(tǒng)設(shè)備，同時(shí)采用智能終端作為一次設(shè)備的智能化接口，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的功能要求。

（2）10kV配電裝置采用中置式真空開關(guān)柜，考慮到10kV各出線的保護(hù)測控裝置均安裝在各自的開關(guān)柜上，因此除主變低壓側(cè)外配置一套智能終端，其余出線柜不配置智能終端。

2.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架方案

（1）采用高速以太網(wǎng)組成，傳輸速率不低于100 Mb/s。所有設(shè)備必須具有相應(yīng)的通信接口，且支持IEC61850規(guī)約。

（2）全站網(wǎng)絡(luò)在邏輯功能上由站控層、間隔層、過程層組成。

（3）站控層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎脝涡切徒Y(jié)構(gòu)。

（4）過程層網(wǎng)絡(luò)分SV（采樣數(shù)據(jù)網(wǎng)）網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)，SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)物理上相互獨(dú)立，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。保護(hù)雙重化時(shí)相應(yīng)的過程層網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該雙重化配置。滿足繼電保護(hù)點(diǎn)對點(diǎn)直采、直跳，繼電保護(hù)雙重化配置的兩個過程層網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立的原則。

（5）對于站控層網(wǎng)絡(luò)，采用常規(guī)工業(yè)級工作組網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，構(gòu)成站控層單以太網(wǎng)；對于10kV系統(tǒng)，采用常規(guī)工業(yè)級工作組網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，通過光纖接入站控層；對于110kV備自投網(wǎng)絡(luò)，采用常規(guī)工業(yè)級工作組網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備；對于GOOSE控制網(wǎng)，采用符合IEC61850的工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備構(gòu)成針對主變的控制網(wǎng)。對于構(gòu)成GOOSE控制網(wǎng)的工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，應(yīng)能支持GOOSE技術(shù)。

3 110kV智能變電站設(shè)計(jì)實(shí)施方案

110kV內(nèi)橋接線是一種常見的變電站主接線方式，其優(yōu)點(diǎn)是很好的提高了變電站的供電可靠性，下面以該主接線方式為基礎(chǔ)，詳細(xì)論述110kV智能變電站設(shè)計(jì)實(shí)施方案，如圖2為智能變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。

3.1 站控層

將全站信息進(jìn)行統(tǒng)一建模，建立信息統(tǒng)一的存取平臺，為全站全景信息建立統(tǒng)一的采集、存儲、處理、展示和上送的平臺，為各種高級應(yīng)用提供高效、可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

3.2 間隔層

間隔層設(shè)備有保護(hù)設(shè)備、測控設(shè)備、表計(jì)等。

（1）由于110kV電網(wǎng)常采用輻射式供電方式，110kV進(jìn)線側(cè)一般不設(shè)置保護(hù)，僅在內(nèi)橋或分段處配置一套內(nèi)橋保護(hù)測控裝置。

（2）主變保護(hù)測控配置方案。

變壓器配置雙套主后備保護(hù)測控一體化裝置，每套保護(hù)包含完整的主、后備保護(hù)功能。

每套主后備保護(hù)測控一體化裝置通過直接點(diǎn)對點(diǎn)采樣變壓器各側(cè)合并單元電壓、電流信息，以及本間隔智能終端斷路器、刀閘位置等狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)變壓器差動主保護(hù)和復(fù)壓過流后備保護(hù)，通過GOOSE點(diǎn)對點(diǎn)接口把跳閘命令快速發(fā)送到主變各側(cè)智能終端，通過智能終端完成對主變各側(cè)斷路器的跳合閘操作。并通過另一獨(dú)立的GOOSE接口，跳閘命令等信息發(fā)送到110kV GOOSE網(wǎng)，用于統(tǒng)一故障錄波。變壓器保護(hù)跳分段斷路器及閉鎖備自投等信號采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸。

變壓器非電量保護(hù)采用一套本體智能終端，就地直接電纜跳閘，信息上送過程層GOOSE網(wǎng)。

（3）10kV饋線/電容/分段/所用變，采用保護(hù)測控一體化裝置，按間隔單套配置。

（4）由于目前光電式電能表未通過國家計(jì)量局的認(rèn)證，計(jì)量方面依然采用常規(guī)的計(jì)量系統(tǒng)配置：110kV線路采用“電子式互感器后配置常規(guī)計(jì)量互感器+數(shù)字式電能表”，滿足0.2s精度要求，單表配置；10kV低壓側(cè)采用常規(guī)互感器+常規(guī)智能電能表進(jìn)行計(jì)量，滿足0.2s精度要求。

（5）自投裝置采用集中式智能備投裝置，將控制網(wǎng)、線路測控保護(hù)裝置、相關(guān)智能操作箱等相關(guān)設(shè)備及信息，組成備自投網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)備自投。

（6）設(shè)置集中式故障錄波裝置綜合處理單元對主變的高壓側(cè)、110kV進(jìn)線進(jìn)行集中錄波。

3.3 過程層

過程層設(shè)備與間隔層設(shè)備相連應(yīng)采用點(diǎn)對點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)式總線通信方式。傳輸介質(zhì)應(yīng)采用光纖傳輸。變壓器智能化由變壓器+本體智能終端+變壓器智能組件方式來實(shí)現(xiàn)變壓器設(shè)備智能化。開關(guān)設(shè)備智能化由GIS開關(guān)+智能終端+智能組件方式來實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備智能化，電子式電流電壓互感器（GIS互感器）采用站內(nèi)直流供電的光電電流電壓互感器來實(shí)現(xiàn)互感器設(shè)備的數(shù)字化。

3.3.1 智能終端

（1）主變智能終端配置方案。主變高、低兩側(cè)，配置雙套智能終端，并配置單套主變本體智能終端。

各智能終端配置獨(dú)立的GOOSE接口，點(diǎn)對點(diǎn)與對應(yīng)的主變保護(hù)裝置相連；各智能終端配置一個獨(dú)立的GOOSE接口分別接入過程層GOOSE網(wǎng)路（與第一套主變保護(hù)相連的智能終端接入GOOSE A網(wǎng)，與第二套主變保護(hù)相連的智能終端接入GOOSE B網(wǎng)），主變本體智能終端接入GOOSE A網(wǎng)，用于非電量信號的采集。主變本體智能終端與主變本體保護(hù)采用電纜直接連接。

（2）其他裝置智能終端配置方案。110kV側(cè)的智能終端安裝在GIS戶外智能柜中，10kV電壓等級的智能終端安裝在本間隔的開關(guān)柜中。

3.3.2 互感器

互感器的配置原則主要兼顧技術(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性。電子式互感器使用數(shù)字接口，將測量值通過光纖接口輸送給合并單元。測量用電流準(zhǔn)確度不低于0.2s，保護(hù)用電流準(zhǔn)確度不低于5 TPE。測量用電壓準(zhǔn)確度不低于0.2，保護(hù)用電壓準(zhǔn)確度不低于3 P。

（1）110kV電子式互感器配置方案。①主變高壓側(cè)按A、B、C相配置雙套全光纖電流型電子式互感器，橋上按A、B、C相配置雙套全光纖電流型電子式互感器；110kV母線配置一套全光纖電壓型電子式互感器；考慮到關(guān)口計(jì)量表接在110kV進(jìn)線側(cè)，在OCT、OPT后再各掛接一套計(jì)量用的常規(guī)電壓、電流互感器。

②主變中性點(diǎn)零序配置一套常規(guī)的電流互感器，雙套間隙零序電流互感器。

（2）10kV互感器配置方案。①主變低壓側(cè)配置一套三相電流電壓組合互感器；10kV出線、電容器、接地變配置一套三相常規(guī)的電流互感器。

②10kV母線配置三相常規(guī)電壓互感器。

3.3.3 合并單元

合并單元是聯(lián)系電子式互感器和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備之間的設(shè)備，用于對來自傳感模塊的各相電流電壓進(jìn)行時(shí)間相關(guān)性同步組合，并轉(zhuǎn)發(fā)給二次設(shè)備。傳感模塊到合并單元之間為光纖聯(lián)系，合并單元到各二次設(shè)備之間采用光纖以太網(wǎng)，傳輸規(guī)約采用IEC61850-9-2傳送。

變壓器各側(cè)合并單元按雙套配置，中性點(diǎn)電流并入高壓側(cè)合并單元，主變套管TA配置雙套合并單元；內(nèi)橋合并單元按雙套配置。各合并單元配置獨(dú)立的GOOSE接口，點(diǎn)對點(diǎn)輸出給對應(yīng)的主變保護(hù)裝置；各合并單元配置一個獨(dú)立的SV接口，分別接入過程層網(wǎng)路（與第一套主變保護(hù)相連的合并單元接入A網(wǎng)，與第二套主變保護(hù)相連的合并單元接入B網(wǎng)），用于故障錄波及計(jì)量等。

互感器和合并單元的具體配置，以及過程層和間隔層的通信方式如圖3，4所示。

3.4 其他二次系統(tǒng)

非61850子系統(tǒng)（如直流、消防、視頻等）配置一套智能接口機(jī)，接入信息一體化平臺。

3.5 110kV智能變電站設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）全站設(shè)計(jì)很好的滿足了Q/GDW383—2009《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》要求。

（2）變電站自動化網(wǎng)絡(luò)形成兩層網(wǎng)絡(luò)（站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)），三層設(shè)備結(jié)構(gòu)（站控層、間隔層、過程層設(shè)備），以及GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)、時(shí)鐘同步網(wǎng)三網(wǎng)合一的組網(wǎng)方式。

（3）全站均采用保護(hù)測控一體化裝置，110kV保護(hù)測控裝置集中組屏于主控制室內(nèi)，10kV保護(hù)測控裝置分散于10kV開關(guān)室內(nèi)。

（4）自投裝置采用集中式智能備投裝置，將控制網(wǎng)、線路測控保護(hù)裝置、相關(guān)智能操作箱等相關(guān)設(shè)備及信息，組成備自投網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)備自投功能。

5 結(jié)束語

智能變電站將是未來變電站發(fā)展的方向和必然趨勢。同時(shí)智能變電站又是一個全新的理論體系，對于傳統(tǒng)的變電站自動化系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)裝置以及一次設(shè)備具有挑戰(zhàn)性，其技術(shù)成熟度需要在兼容綜合自動化變電站技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用上的平穩(wěn)發(fā)展和重點(diǎn)技術(shù)突破，逐步達(dá)到完善。因此，智能變電站的設(shè)計(jì)建設(shè)必將是一個長期、分階段實(shí)施的過程。

[1] Q/GDW383—2009，智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].

[2] 陳文中.數(shù)字化變電站全光纖電流互感器準(zhǔn)確度校驗(yàn)[J].華東電力，2009，37(12)：22-28.

[3] 殷志良.數(shù)字化變電站中采樣值同步技術(shù)研究[J].華東電力，2008，36(7)：38-41.

[4] 苗新，張愷.支撐智能電網(wǎng)的信息通信體系[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(17)：8-13.