邱子平，李賽丹

（1.金華電業(yè)局修試工區(qū)，浙江 金華 321000；2.浙江省電力公司培訓(xùn)中心，杭州 310015）

近兩年來(lái)，隨著基于IEC 61850規(guī)約的數(shù)字化變電站技術(shù)的興起，一大批新建設(shè)投運(yùn)的變電站應(yīng)用了數(shù)字化的自動(dòng)化系統(tǒng)（MMS）、智能設(shè)備間的快速通信功能（GOOSE）以及數(shù)字化的采樣傳輸功能（SMV）。從近年來(lái)美國(guó)電科院公布的規(guī)劃中將IEC 61850作為智能電網(wǎng)啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)之一及國(guó)家電網(wǎng)公司頒布的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定智能變電站信息交換、管理將遵循IEC 61850

要求的情況來(lái)看，智能變電站各種設(shè)備的信息建模及信息交互需要在IEC 61850框架下統(tǒng)一進(jìn)行，IEC 61850必將成為未來(lái)智能電網(wǎng)領(lǐng)域的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。然而相對(duì)于大量的二次設(shè)備正在研發(fā)和投入使用，智能化的一次設(shè)備投入相對(duì)滯后。而智能變電站概念的提出，對(duì)一次設(shè)備的智能化提出了更高的要求。

1 變電站一次設(shè)備智能化擴(kuò)展

在數(shù)字化變電站中，大量的二次回路被網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)所取代；相對(duì)應(yīng)的，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文也取代了原有的電信號(hào)，成為設(shè)備之間信息交互的唯一方式。

而由于一次設(shè)備智能化的滯后，時(shí)至今日還無(wú)法實(shí)現(xiàn)過(guò)程層設(shè)備與間隔層設(shè)備的無(wú)縫通信，二次設(shè)備與一次設(shè)備之間的信息交互仍然得由電纜回路來(lái)完成。這顯然有違采用數(shù)字化技術(shù)的初衷——減少二次電纜回路。因此就地的智能終端及合并單元作為基于傳統(tǒng)一次設(shè)備數(shù)字化變電站的重要實(shí)現(xiàn)手段被采用。

圖1和圖2中分別展示了就地智能終端及合并單元的實(shí)際應(yīng)用情況，其中粗線(xiàn)部分表示二次電纜，細(xì)線(xiàn)部分表示GOOSE報(bào)文或SMV報(bào)文通信。可見(jiàn)二次電纜只存在于就地智能終端（或合并單元）與一次設(shè)備之間。開(kāi)關(guān)刀閘位置及開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)信號(hào)由戶(hù)外就地布置的智能終端采集后通過(guò)GOOSE報(bào)文上送，保護(hù)的跳合閘信號(hào)也都是通過(guò)GOOSE通信傳輸，由智能終端執(zhí)行GOOSE報(bào)文轉(zhuǎn)換為電信號(hào)出口；采樣值同樣由就地的合并單元轉(zhuǎn)換成SMV報(bào)文通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給各個(gè)保護(hù)、測(cè)控及計(jì)量裝置。

圖1 浙江金華500 kV芝堰變220 kV間隔二次回路聯(lián)系示意圖

圖2 某220 kV數(shù)字化變電站中220 kV間隔采樣回路聯(lián)系示意圖

就地智能終端與合并單元的使用，最大程度地減少了二次回路的復(fù)雜程度和二次電纜的使用量，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了過(guò)程層與間隔層設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)化通信，在不改變一次設(shè)備的條件下最大程度地實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)設(shè)備的數(shù)字化。

2 智能電網(wǎng)對(duì)變電站一次設(shè)備的要求

IBM電力專(zhuān)家提出的智能電網(wǎng)概念是利用傳感器對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，然后把獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行收集、整合，最后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、挖掘，達(dá)到對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化管理，如圖3所示。

圖3 智能電網(wǎng)的技術(shù)組成及關(guān)系圖

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集上，智能電網(wǎng)大大擴(kuò)展了監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）的數(shù)據(jù)采集范圍和數(shù)量，提高了電網(wǎng)的“可視化”。智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要包括三類(lèi)：電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和客戶(hù)計(jì)量數(shù)據(jù)[1]。

因此，若一次設(shè)備要實(shí)現(xiàn)智能化，首先要實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，也就是一次設(shè)備的完全可視。只有在一次設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化后才能通過(guò)對(duì)其所上送的各種數(shù)據(jù)分析來(lái)判斷運(yùn)行狀況，以決定何時(shí)檢修、檢修什么部件等，達(dá)到真正意義上的狀態(tài)檢修，從而最大程度地減少無(wú)謂檢修及故障檢修，保證電網(wǎng)更有效率地運(yùn)行。

從以上對(duì)智能電網(wǎng)的分析中不難看出，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備可觀測(cè)、可控制和自動(dòng)化是智能電網(wǎng)的核心和目標(biāo)。因此需要設(shè)置一次設(shè)備信息采集系統(tǒng)，其組成部分參見(jiàn)圖4，它由信號(hào)變送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及處理系統(tǒng)構(gòu)成。一次設(shè)備常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容可歸納為絕緣性能監(jiān)測(cè)、機(jī)械性能監(jiān)測(cè)和電氣性能監(jiān)測(cè)3部分。

圖4 設(shè)備信息采集圖

作為整個(gè)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)組成部分，傳統(tǒng)一次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能幾乎為零。要達(dá)到智能電網(wǎng)要求，一次設(shè)備內(nèi)部需要包含大量的傳感器，以達(dá)到測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化、信息互動(dòng)化的[2]。

3 變電站一次設(shè)備智能化實(shí)現(xiàn)方式

3.1 完全實(shí)現(xiàn)智能化的一次設(shè)備

以1臺(tái)油浸式有載調(diào)壓主變?yōu)槔ㄈ鐖D5），為了達(dá)到一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的完全可視與可控，需要在主變本體上加裝油溫監(jiān)視、局放監(jiān)測(cè)等大量的傳感器及冷卻器、有載調(diào)壓機(jī)構(gòu)等控制器，同時(shí)還需要配備1臺(tái)（或有冗余的多臺(tái)）智能組件，以承擔(dān)過(guò)程層和間隔層全部計(jì)量、檢測(cè)、測(cè)量、控制、保護(hù)等任務(wù)。這樣高壓設(shè)備智能化之后，除了傳感器、控制器、智能組件的電源線(xiàn)之外，只有智能設(shè)備與傳感器、控制器之間及其連接站域系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)。

圖5 油浸式電力變壓器智能化示意圖

3.2 傳統(tǒng)一次設(shè)備的智能化

對(duì)于目前大量存在的傳統(tǒng)一次設(shè)備，存在一個(gè)過(guò)渡階段，以下是以GIS設(shè)備為例進(jìn)行智能化改造的兩種較成熟方案。

方案1（見(jiàn)圖6）：智能單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。將在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)納入常規(guī)一次設(shè)備本體，由一次設(shè)備提供在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的傳感器元件和信號(hào)采集及處理單元，傳感器元件內(nèi)嵌于一次設(shè)備本體，信號(hào)采集及處理單元裝于一次設(shè)備匯控箱、端子箱等，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由在線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元收集并通過(guò)光纖傳輸至過(guò)程層設(shè)備。機(jī)構(gòu)執(zhí)行元件及其控制回路不變，按間隔設(shè)置智能單元，智能單元與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元安裝于各個(gè)間隔智能匯控柜中。

方案2（見(jiàn)圖7）：一次設(shè)備提供數(shù)據(jù)采集單元。將一次設(shè)備的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能分散至一次設(shè)備和二次設(shè)備，即由一次設(shè)備本體提供在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的傳感器元件，內(nèi)嵌于一次設(shè)備本體，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)信號(hào)的采集及處理功能由監(jiān)測(cè)裝置完成，并實(shí)現(xiàn)與間隔層或站控層設(shè)備的通信。斷路器機(jī)構(gòu)執(zhí)行元件不變，取消其控制回路，智能單元集成開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)控制回路，實(shí)現(xiàn)原開(kāi)關(guān)控制回路功能，直接驅(qū)動(dòng)斷路器的脫扣/合閘線(xiàn)圈、刀閘的電動(dòng)機(jī)、彈簧或液壓泵的電動(dòng)機(jī)等。該方案已在杭州220 kV云會(huì)變中得到應(yīng)用[3]。

圖6 GIS設(shè)備智能化方案一

圖7 GIS設(shè)備智能化方案二

智能組件出現(xiàn)帶來(lái)的最大變化就是保護(hù)、測(cè)控裝置的徹底融合，同時(shí)間隔層、過(guò)程層設(shè)備的界限也越來(lái)越模糊。相對(duì)于已經(jīng)熟知的數(shù)字化變電站3層——過(guò)程層，間隔層和站控層，智能變電站的層次劃分為2層：設(shè)備層與系統(tǒng)層[4，5]——設(shè)備層對(duì)應(yīng)于過(guò)程層和間隔層，系統(tǒng)層對(duì)應(yīng)于站控層，如圖8所示。

圖8 智能變電站層次結(jié)構(gòu)示意

短期來(lái)看，設(shè)備層的功能主要還是一次設(shè)備運(yùn)行參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及間隔內(nèi)的繼電保護(hù)功能，傳感器搜集的所有信息交由1套（或有冗余）具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能的專(zhuān)用裝置進(jìn)行輔助判斷及分級(jí)告警，該裝置會(huì)以檢測(cè)到的一、二次設(shè)備運(yùn)行工況來(lái)判斷設(shè)備是否需要檢修或更換。而今后的發(fā)展方向還是功能的就地化，即所有的信息采集、分析判斷、智能告警功能都應(yīng)集成在就地的智能組件當(dāng)中。

4 結(jié)論

以諸多數(shù)字化變電站運(yùn)行情況來(lái)看，符合智能電網(wǎng)要求的保護(hù)、測(cè)控設(shè)備運(yùn)行情況都非常良好，同時(shí)“GOOSE斷鏈告警”等具有數(shù)字化變電站特點(diǎn)的技術(shù)也保證了二次設(shè)備由定期檢修、故障檢修轉(zhuǎn)向狀態(tài)檢修。而隨著智能電網(wǎng)建設(shè)步伐的加快，在對(duì)現(xiàn)有一次設(shè)備進(jìn)行智能化改造之后，一系列的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同樣能為變電站內(nèi)一次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正意義上的狀態(tài)檢修提供技術(shù)上的支持。同時(shí)，隨著設(shè)備層概念取代了以往的過(guò)程層與間隔層，一、二次設(shè)備之間的界限也將逐步淡化，這也必將對(duì)日后基建、檢修人員的工作能力提出更高、更全面要求。

[1]IBM商業(yè)價(jià)值研究院.IBM智能電網(wǎng)白皮書(shū)[R].2009.

[2]國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)部.高壓設(shè)備智能化技術(shù)分析報(bào)告[R].2009.

[3]浙江省電力設(shè)計(jì)院.220 kV云會(huì)變電所工程智能變電站方案[R].2009.

[4]國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)部.智能變電站技術(shù)導(dǎo)則（報(bào)批稿）[R].2009.

[5]林宇鋒，鐘金，吳復(fù)立.智能電網(wǎng)技術(shù)體系探討[J].電網(wǎng)技術(shù).2009，（12）∶4-6.

[6]余貽鑫.智能電網(wǎng)的技術(shù)組成和實(shí)現(xiàn)順序[J]．南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，3（2）∶12－15.