邵茜楠

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢　430074）

智能變電站的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景綜述

邵茜楠

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430074）

介紹了智能變電站產(chǎn)生的背景及意義，論述了智能變電站的內(nèi)涵及發(fā)展過程，明確了智能變電站的概念及主要技術(shù)問題。分析對比了中外智能電網(wǎng)及變電站的發(fā)展情況，提出了一些建議并對其前景進(jìn)行了展望，希望能為我國智能變電站的發(fā)展提供一定參考。

智能電網(wǎng)；智能變電站；IEC61850；前景展望

0　引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們社會生活智能化需求的不斷擴(kuò)大，新一代科技革命必將依托于智能化建設(shè)?，F(xiàn)代電網(wǎng)是現(xiàn)代生產(chǎn)、生活的重要資源，面對日益嚴(yán)重的資源和環(huán)境壓力，結(jié)合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，其智能化是必然方向。我國國家電網(wǎng)公司曾在“2009特高壓輸電技術(shù)國際會議”上提出“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”的概念，并制定了一系列規(guī)劃，這為整個電力系統(tǒng)的發(fā)展提供了思路，并且智能電網(wǎng)理念的提出，也代表了智能化電網(wǎng)時代的開啟［1］。智能變電站是智能電網(wǎng)的重要支撐節(jié)點和關(guān)鍵組成部分，其包含了變電站自動化技術(shù)、一體化地理信息管理技術(shù)（GIS）、復(fù)合傳感器技術(shù)等各類先進(jìn)的智能技術(shù)。本文對其發(fā)展歷程及相關(guān)概念進(jìn)行介紹，展望其前景并提出一些建議。

1　變電站的發(fā)展歷程

變電站的發(fā)展歷程主要根據(jù)繼電保護(hù)裝置和變電站綜合自動化系統(tǒng)的技術(shù)變革進(jìn)行劃分。20世紀(jì)50年代末，我國開始研究晶體管繼電保護(hù)；60年代中期到80年代中期晶體管繼電保護(hù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段；到80年代末90年代初，集成電路保護(hù)已逐漸取代了晶體管保護(hù)；國內(nèi)微機(jī)保護(hù)的研究開始于70年代末期，早期變電站的繼電保護(hù)裝置都是單獨運行的，繼電器相互之間沒有電力上的聯(lián)系和信息傳輸，而且沒有故障自診斷能力，在運行中若自身出現(xiàn)故障，不能提供告警信息。出現(xiàn)技術(shù)上的突破是在20世紀(jì)80年代中后期，此時有學(xué)者提出了一種遠(yuǎn)動終端裝置（RTU），該裝置由微型機(jī)構(gòu)成。至此，變電站自動化的理念應(yīng)運而生，許多學(xué)者也開始了相關(guān)研究［1］。

1.1RTU式常規(guī)變電站

該類變電站是在有人值班變電站的基礎(chǔ)上，在RTU中增加了遙控、遙調(diào)功能，站內(nèi)仍保留傳統(tǒng)的控制屏、指示儀表、光字牌等設(shè)備。所有信號由RTU集中收集并發(fā)出相應(yīng)信號，不能與線路保護(hù)進(jìn)行配合，該階段為自動化系統(tǒng)的雛形階段。

1.2綜合自動化變電站

20世紀(jì)90年代，變電站技術(shù)有了跨越式的發(fā)展，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和微機(jī)信息處理，同時可以進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。該階段變電站自動化水平提高，可以實現(xiàn)無人值守，為進(jìn)一步實現(xiàn)智能化奠定了基礎(chǔ)。

1.3數(shù)字化變電站

21世紀(jì)初，最大的突破是IEC61850通信規(guī)約的普及以及數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。數(shù)字化變電站具有可實現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及通信標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點。在這一時期，建設(shè)了很多基于IEC61850通信規(guī)約的變電站。

1.4智能變電站

2009年，我國國家電網(wǎng)公司提出了“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”的概念。該理念希望智能變電站既能實時監(jiān)控各類設(shè)備的運行情況，同時能將信息實時共享，起到調(diào)節(jié)電網(wǎng)的作用。

2　智能變電站的內(nèi)涵

2.1智能變電站的定義

根據(jù)定義，智能變電站是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全部信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)交互化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)要求，同時滿足各類信息的采集、測量、保護(hù)、監(jiān)控等多項功能，并可保證電網(wǎng)實時自動調(diào)節(jié)、在線分析并提供相應(yīng)動作等高級功能的變電站［2］。

2.2智能變電站主要結(jié)構(gòu)

智能變電站按物理結(jié)構(gòu)可分為一次設(shè)備智能化和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化；按邏輯結(jié)構(gòu)可分為過程層（主要包含各類一次設(shè)備，如變壓器、斷路器、電流/電壓互感器以及其配套的智能監(jiān)測裝置等）、間隔層（主要包含系統(tǒng)的各類二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測量與控制裝置、監(jiān)測功保護(hù)模塊等）、站控層（包括各類監(jiān)視、通信、實時信息交互裝置等）3個層次［3］，確保系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和自適應(yīng)調(diào)節(jié)性。

2.3智能變電站的特征

2.3.1一次設(shè)備智能化

保證一次設(shè)備實現(xiàn)智能化是確保變電站實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)。一次設(shè)備智能化的電氣設(shè)備主要包括電子式互感器、智能監(jiān)測組件、智能變壓器以及相關(guān)檢測設(shè)備。一次設(shè)備智能化的提出源于電子式互感器的大量使用。

2.3.2二次設(shè)備信息化

變電站內(nèi)的二次設(shè)備間采用網(wǎng)絡(luò)通信，確保信息可以相互傳遞，及時了解整個系統(tǒng)的動態(tài)，也能隨時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障并快速處理。

2.3.3通信規(guī)約統(tǒng)一化

智能變電站均采用IEC61850規(guī)約。IEC 61850規(guī)約規(guī)范了間隔層和站控層之間的通信，同時建立了統(tǒng)一的信息模型，也是智能變電站的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］。

3　智能變電站的主要技術(shù)

3.1IEC61850規(guī)約

IEC61850規(guī)約的模型采用面向?qū)ο蟮姆謱幽Ｐ?，按照分層對象名稱進(jìn)行訪問，IEC61850模型框架如圖1所示。同時，IEC61850有3類通信服務(wù)模型，分別為保護(hù)與監(jiān)控主機(jī)制造報文規(guī)范（MMS）服務(wù)，保護(hù)與智能終端通用面向?qū)ο笞冸娬臼录℅OOSE）服務(wù)，保護(hù)與合并單元采樣值傳輸（SV）服務(wù)。在收集各類數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)對象進(jìn)行分析，隨后讀取邏輯節(jié)點信息，接著是邏輯設(shè)備目錄的讀取，最后為服務(wù)器目錄的讀取。

圖1　IEC61850規(guī)約模型框架

3.2智能化設(shè)備

3.2.1數(shù)字化過程設(shè)備

傳統(tǒng)使用的電磁式互感器存在很多缺點，如絕緣問題、測量準(zhǔn)確問題、信號輸出問題和運行安全問題等。傳統(tǒng)電磁式互感器含鐵芯，易出現(xiàn)飽和情況，而電子式互感器/合并單元由于原理上的改變，可以提高測量精度和測量品質(zhì)。合并單元的主要作用是負(fù)責(zé)信息的采集、同步和共享。這是數(shù)字化的第1步。

3.2.2智能終端

智能終端的一個核心工作是作為一次設(shè)備的數(shù)字接口，用于接收各類對一次設(shè)備的操作命令，如繼電保護(hù)動作信息、控制信號等。同時，在保護(hù)動作時應(yīng)上傳相應(yīng)刀閘的信息。

4　國內(nèi)外智能變電站對比分析

4.1國內(nèi)外對智能變電站的不同理解

目前，國外對于智能變電站的定義還未明確，但相關(guān)學(xué)者普遍認(rèn)同采用IEC61850的變電站相比于傳統(tǒng)變電站有許多優(yōu)勢，因此，歐洲方面將采用IEC61850的變電站稱作“下一代變電站（nextgenerationsubstation）”。但不同的國家為了突出變電站的各類特點，又有許多其他的名稱，如“智能變電站（intelligentsubstation，smartsubstation）”和“未來變電站（substationoffuture）”。國外對于變電站名稱的定義多采用描述類語言，如更加可靠、更加智能、更加利于維護(hù)等。對于智能電網(wǎng)的概念［5-6］，由于各國家國情不同，電網(wǎng)屬性不同，其側(cè)重點也有一定的差異。相對而言，我國提出的智能變電站囊括了歐美國家所定義的所有智能變電站。我國提出的智能變電站之所以較為全面，是由于我國國家電網(wǎng)能夠?qū)θ珖娏ο到y(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的部署和安排，可以確保發(fā)輸電、配電、用電等所有環(huán)節(jié)協(xié)同合作，從而才能從電力系統(tǒng)角度考慮智能變電站的整體發(fā)展思路。正因為能夠“集中力量辦大事”，才使得我國的智能變電站建設(shè)處于世界前列。而歐美國家由于體制和電網(wǎng)性質(zhì)的差異，其電氣領(lǐng)域被劃分出多個方向，使得其在智能變電站方面不能進(jìn)行全面部署［7］。

4.2國內(nèi)外智能變電站的發(fā)展情況

從2009年開始，歐盟、美國、中國及其他眾多國家和組織都根據(jù)發(fā)展需求制定了智能電網(wǎng)的整體規(guī)劃方案。目前，許多歐美國家都還在進(jìn)行智能電網(wǎng)技術(shù)方面的理論研究，尚沒有運用到實際生產(chǎn)及電網(wǎng)中。我國國家電網(wǎng)公司在“2009年特高壓輸電技術(shù)國際會議”上提出建設(shè)“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”的概念之后也開展了大量的課題研究，有些技術(shù)已經(jīng)運用到實際電網(wǎng)中，而部分需要國家政策支持、尚缺乏適宜商業(yè)模式的技術(shù)，如電動汽車充放電技術(shù)、智能家居/樓宇/園區(qū)等，則依然停留在示范工程階段，技術(shù)推廣條件尚不成熟［8］。

現(xiàn)階段，由于我國處于經(jīng)濟(jì)快速增長期，電力需求巨大，提出建設(shè)智能變電站的理念主要是為加快整個電力系統(tǒng)的發(fā)展，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能性。而對于歐美國家而言，其智能變電站的發(fā)展需求主要側(cè)重于變電站的檢修、維護(hù)方面，所以，在實現(xiàn)技術(shù)的同時，更多地考慮了經(jīng)濟(jì)因素。研究發(fā)現(xiàn)，我國的研究是“廣而全”，歐美國家則是“專而精”。由于歐美國家體制決定其電力資源由各公司具體負(fù)責(zé)，所以，在研究中各公司更注重經(jīng)濟(jì)效益和智能化間的平衡；而我國則更注重“智能化概念的提出”，研究的方向也包括新興技術(shù)、新型材料等。

5　智能變電站的應(yīng)用前景及展望

5.1智能變電站發(fā)展中存在的問題

5.1.1一次設(shè)備智能化的實現(xiàn)

目前，所謂的一次設(shè)備智能化技術(shù)僅達(dá)到通過智能操作箱進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳送的階段，還沒有做到真正的一次設(shè)備智能化，還需進(jìn)一步研究，而研究的一個重要方向為一次設(shè)備監(jiān)控處理系統(tǒng)的智能化。

5.1.2通信網(wǎng)絡(luò)可靠性、安全性的需求

目前，網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性、安全性及網(wǎng)絡(luò)安全評估等相關(guān)工作開展的較少，有待于進(jìn)一步深入。當(dāng)將電力系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級改造之后，所有數(shù)據(jù)都會在云端交互，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全需要進(jìn)行實時維護(hù)。同時，在采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后，系統(tǒng)容易被惡意侵入或造成數(shù)據(jù)篡改，從而對系統(tǒng)造成不可預(yù)估的影響。

5.1.3檢測和評估體系的建立

智能變電站建立的初衷是希望建立“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提高自適應(yīng)能力，在發(fā)生故障或檢修狀態(tài)時可以迅速進(jìn)行相應(yīng)動作。而智能變電站的建設(shè)，需進(jìn)一步加強(qiáng)整個系統(tǒng)的檢測和評估體系，確保信息實時交互和在線監(jiān)測，保證電網(wǎng)及各類設(shè)備的可靠性［9］。

5.2智能變電站發(fā)展前景展望

在這些智能變電站一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、通信規(guī)約統(tǒng)一化等特色的基礎(chǔ)上，可以開展大量的研究，如新興技術(shù)、新型材料等，這些研究具有廣闊的發(fā)展前景。在各類技術(shù)運用于實際項目之前，還要進(jìn)行大量的評估認(rèn)證，包括系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性、智能性，同時還要考慮經(jīng)濟(jì)性因素。在技術(shù)進(jìn)行全面推廣前，還需要多建立工程實例，驗證其可靠性。對于研究方向和研究思路而言，可以進(jìn)行學(xué)科交叉，考慮更多樣的研究方法［10］。

目前，國內(nèi)數(shù)字化變電站發(fā)展在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)模型、過程層設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性、電能計量、一次設(shè)備智能化、檢測與評估體系、技術(shù)管理模式等方面還存在諸多問題與不足，在高度數(shù)字與信息化、信息交互標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)支撐、專業(yè)融合等方面還有待取得突破［11］。

智能變電站是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，如果該技術(shù)得以廣泛推廣，智能電網(wǎng)勢在必行。由于我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對電力需求是剛性的，所以可以進(jìn)行大量研究。智能化是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，雖然目前智能變電站的實現(xiàn)還有許多問題亟待解決，但智能化時代已經(jīng)開啟，智能電網(wǎng)終將實現(xiàn)。

6　結(jié)束語

本文對智能變電站的發(fā)展歷程、主要內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)特征、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行對比分析，并對智能變電站的前景進(jìn)行了展望。智能變電站的建設(shè)符合我國國情，也符合電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。通過利用變電站內(nèi)部一/二次側(cè)設(shè)備的信息溝通、斷路器實時監(jiān)控以及故障檢測及預(yù)警、向控制中心實時傳送數(shù)據(jù)及執(zhí)行各種調(diào)度命令等相關(guān)功能，實現(xiàn)變電站的智能化。智能變電站包含很多新設(shè)備，如電子式互感器、合并單元、智能終端、交換機(jī)等。智能變電站也包含許多新標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61850，IEEE1588等。新技術(shù)有通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，體系結(jié)構(gòu)包括繼電保護(hù)系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)。智能化變電站是整個電力系統(tǒng)運行及控制的核心技術(shù)，對于今后特高壓系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義。同時，智能變電站的發(fā)展也將大大推動我國電網(wǎng)的智能化建設(shè)。

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（本文責(zé)編：白銀雷）

TM63

B

1674-1951（2016）09-0041-03

2016-06-24；

2016-07-15

邵茜楠（1992—），女，吉林敦化人，在讀碩士研究生，從事特高壓直流線路繼電保護(hù)方面的研究工作（E-mail：shaoxinan_nancy@163.com）。