吳東憲 馬成龍

摘要：變電站作為電力系統(tǒng)中一個重要的環(huán)節(jié)，是連接發(fā)電站與電力用戶之間的一個關(guān)鍵所在。目前智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，國內(nèi)變電站自動化、數(shù)字化、智能化也得到了相應(yīng)的發(fā)展，由此產(chǎn)生了智能變電站。文章首先介紹我國智能變電站發(fā)展現(xiàn)狀，同時對智能變電站架構(gòu)體系進行分析，并著重闡述智能變電站組網(wǎng)優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：智能變電站；組網(wǎng)方案；電力系統(tǒng)；發(fā)電站；電力用戶 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM76 文章編號：1009-2374（2016）05-0117-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.059

常規(guī)變電站主要指的是變電站具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信平臺，變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備和二次電子設(shè)備間均實現(xiàn)數(shù)字化通信，并在此平臺基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能裝置間的相互操作。而智能變電站具有一次設(shè)備數(shù)字化、智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完備化、信息交換標(biāo)準(zhǔn)化、運行控制自動化、信息展示可視化、分析決策在線化、保護控制協(xié)同化、設(shè)備安裝就地化等特點。與常規(guī)變電站相比，智能變電站能實現(xiàn)很好的低碳環(huán)保效果，具有良好的交互性和可靠性等優(yōu)點。智能變電站的運行使用不但提高了電網(wǎng)體系運行質(zhì)量與效率，而且對于保證電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性具有顯著作用。

1 我國智能變電站發(fā)展現(xiàn)狀

我國智能變電站相對于國外發(fā)達國家研究與開發(fā)起步較晚，2009年我國的智能電網(wǎng)建設(shè)開始試點規(guī)劃，到2010年底我國就已建成110～750千伏智能變電站18座，在建56座，同時在23個城市核心區(qū)建設(shè)智能配電網(wǎng)。2011年我國智能電網(wǎng)建設(shè)在全國范圍內(nèi)全面起步，計劃在“十二五”期間建成智能變電站5000座。到2015年為止，我國的智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)初見成效，國家電網(wǎng)將能夠支撐9000萬千瓦風(fēng)電和800萬千瓦太陽能發(fā)電的接入和消納。同時對于大家關(guān)心的智能電網(wǎng)的安全性問題，國家電網(wǎng)建立了系統(tǒng)的特高壓與智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，發(fā)布企業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)267項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)39項、國家標(biāo)準(zhǔn)20項、國際標(biāo)準(zhǔn)7項。

另外，在目前技術(shù)設(shè)備信息化和智能化的大背景下，現(xiàn)在智能變電站的研究應(yīng)以智能化互感器設(shè)備、智能斷路器和具備過程層通信接口的二次設(shè)備等智能化電力一次設(shè)備為主要研發(fā)對象，同時攻克數(shù)字化建站中的技術(shù)難題。其中智能化互感器設(shè)備已完成多種樣機的研制，并投入運行使用；智能斷路器等其他一次設(shè)備在實現(xiàn)了自動監(jiān)控GIS裝置內(nèi)部電器元件及操作機構(gòu)部分的狀態(tài)以及有效采集與分析處理GIS裝置內(nèi)部多種狀態(tài)參數(shù)等方面作用突出；具備過程層通信接口的二次設(shè)備已基本完成研發(fā)，并投入實際應(yīng)用中；國內(nèi)已有多個智能變電站投入運行。

2 智能變電站架構(gòu)體系

智能變電站較常規(guī)變電站選用了非常規(guī)互感器，其網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以交換式以太網(wǎng)和光纖組成，并采用了基于微電子技術(shù)的IED設(shè)備功能、信息的冗余等，這使得智能變電站實現(xiàn)了小型化、緊湊化的設(shè)計與布置。

對于智能變電站基本結(jié)構(gòu)來說，其主要由過程層、間隔層和變電站層三部分組成。其中智能變電站的過程層主要具有運行設(shè)備狀態(tài)檢測、實時運行電氣量檢測和操作控制命令執(zhí)行等功能；智能變電站的間隔層的主要功能則表現(xiàn)為：實施對一次設(shè)備的保護控制功能、匯總本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息、執(zhí)行數(shù)據(jù)的承上啟下通信傳輸功能、實施本間隔操作的閉鎖功能以及對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別控制等；智能變電站的變電站層以接收或傳輸實時數(shù)據(jù)信息為主要任務(wù)，并且具有站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控與人機聯(lián)系功能、在線可編程的全站操作閉鎖控制功能以及對前面兩層進行在線修改參數(shù)、在線組態(tài)、在線維護等功能。

智能變電站組網(wǎng)方案以過程總線的組網(wǎng)方案與變電站總線的組網(wǎng)方案為主，具體為：

第一，對于過程總線組網(wǎng)方案來說，其根據(jù)數(shù)據(jù)流要求、可靠性要求以及現(xiàn)場情況等，分為面向間隔原則、單一總線原則、面向位置原則以及面向功能原則。其中面向間隔原則主要是指總線段各個間隔具有自身的分總線段，并且具有一定獨立性，該組網(wǎng)方案具有簡便性、可操作性以及易于維護等優(yōu)點，但成本費用較高；單一總線原則電網(wǎng)內(nèi)所有設(shè)備都連接在全站單一的通信總線中，該組網(wǎng)方案具有使用交換機數(shù)量少、成本費用低等優(yōu)點，但是其運行需要較高的總線速率，且運行可靠性較差；面向位置原則主要是指每個間隔總線段覆蓋了多個間隔，若IED裝置位于各個傳感器中心時，高壓端下來的光線距離最短，實現(xiàn)了母線電壓互感器互用，節(jié)約了成本費用；面向功能原則指的是按照保護區(qū)域?qū)偩€段進行設(shè)置。

第二，對于變電站總線的組網(wǎng)方案來說，其主要包括合并的變電站總線和過程總線、獨立的變電站總線兩種。其中采用合并的變電站總線和過程總線組網(wǎng)方案時，受到非控制性數(shù)據(jù)與控制性數(shù)據(jù)、非實時數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)共用同一網(wǎng)絡(luò)的影響，會產(chǎn)生一定的網(wǎng)絡(luò)爭用和安全性隱患。為解決此問題，通常選用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)或者利用交換技術(shù)以太網(wǎng)的優(yōu)先級排隊特性等。此外，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)自動化過程控制領(lǐng)域中，選用嵌入式以太網(wǎng)作為分組交換局域網(wǎng)，該組網(wǎng)方案局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)絡(luò)速度快、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、帶寬較寬等優(yōu)點。

3 智能變電站組網(wǎng)優(yōu)化方案

3.1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

筆者選用某智能變電站中智能化風(fēng)電場升壓站為研究對象，分析了智能化變電站站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀。

智能化風(fēng)電場升壓站主要采用“三層兩網(wǎng)”機構(gòu)，三層主要指的是過程層、間隔層和站控層，而兩網(wǎng)則指的是過程層網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)。其中，過程層主要面向設(shè)備/間隔單元配置，以采集各種實時信息和執(zhí)行控制命令為主要任務(wù)；間隔層設(shè)備可以就地下放或集中組屏，其主要具有檢測、測量、計量、控制、保護等功能；站控層主要由當(dāng)?shù)乇O(jiān)控、高級應(yīng)用、遠動通訊組成，具有站域控制功能；過程層網(wǎng)絡(luò)包括GOOSE網(wǎng)絡(luò)與SV采樣值網(wǎng)絡(luò)，分別具有實現(xiàn)開關(guān)量的上傳及分合閘控制量的下行與實現(xiàn)電流、電壓交流量的上傳功能；變電站站控層網(wǎng)絡(luò)主要以GOOSE網(wǎng)絡(luò)和MMS為主，擁有匯集全站信息的功能。而現(xiàn)行的升壓站網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案包括站控層組網(wǎng)方案和過程層組網(wǎng)方案兩部分。

3.2 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)流量優(yōu)化是智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的兩個主要方面，具體為：

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。在結(jié)合國家電網(wǎng)出臺的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》基礎(chǔ)上，制定的智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案為采樣值信息（GOOSE）+（SV）共網(wǎng)傳輸方案。該組網(wǎng)方案既可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)高時性的充分發(fā)揮，又可以確保智能變電站運行的安全性、高效性和可靠性。

但是，（GOOSE）+（SV）共網(wǎng)傳輸方案，由于采樣值數(shù)據(jù)流量較大，因此交換機之間的級聯(lián)端口可采用千兆連接。同時，其可能產(chǎn)生一定程度的信息干擾，應(yīng)采取網(wǎng)絡(luò)流量優(yōu)化等措施保證（GOOSE）+（SV）共網(wǎng)傳輸方案的順利實施。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)流量優(yōu)化。常規(guī)網(wǎng)絡(luò)流量優(yōu)化方案較多，例如流量工程（MPLS）、服務(wù)質(zhì)量（QOS）以及虛擬局域網(wǎng)（VLAN）等。一方面，通過虛擬局域網(wǎng)（VLAN）進行流量優(yōu)化；另一方面，通過端口速率限制防止SV業(yè)務(wù)擠占關(guān)鍵業(yè)務(wù)的帶寬。同時，對于業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)通信，通過業(yè)務(wù)模式減小網(wǎng)絡(luò)通信量，如采用GVRP動態(tài)組播一協(xié)議來降低網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量。此外，針對關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信，通過優(yōu)先級劃分保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送，如實施QOS機制，將關(guān)鍵業(yè)務(wù)設(shè)置為高優(yōu)先級，交換機將優(yōu)先處理高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，減少幀排隊延時，加快數(shù)據(jù)的

轉(zhuǎn)發(fā)。

4 展望

未來國家將會建設(shè)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一建設(shè)的以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、互動化、自動化特征的智能電網(wǎng)系統(tǒng)，同時力求智能電網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)和管理技術(shù)都達到國際先進水平。第一，逐步實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)中電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化和集成化發(fā)展，促進電氣設(shè)備數(shù)量的減少與電氣設(shè)備成本費用和后期維護保養(yǎng)費用的降低；第二，逐步推行電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)方案，建立健全世界范圍內(nèi)配置平臺，促進電網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)攤銷成本的降低；第三，不斷加強智能變電站總體成本資產(chǎn)分析與控制，實現(xiàn)智能電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化監(jiān)測與維護，實現(xiàn)電氣設(shè)備使用壽命最大化?？偠灾?，智能變電站的運行使用不但提高了電網(wǎng)體系運行質(zhì)量與效率，而且對于保證電網(wǎng)運行安全穩(wěn)定性具有顯著作用。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對國家電網(wǎng)運行的安全性、穩(wěn)定性提出了更高要求，因此加快智能變電站研究與開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義和指導(dǎo)作用。

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作者簡介：吳東憲（1986-），男，長春工業(yè)大學(xué)在職研究生，國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司助理工程師，研究方向：繼電保護；馬成龍（1985-），男，長春工業(yè)大學(xué)在職研究生，國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司助理工程師，研究方向：繼電保護。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）