嚴(yán)藝明

(廣東深圳供電局，廣東 深圳 518000)

1 引言

近年來，“智能電網(wǎng)”一詞已成為一個(gè)流行的專業(yè)術(shù)語，代表了當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動(dòng)向，被認(rèn)為是21世紀(jì)電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新和發(fā)展趨勢。智能電網(wǎng)作為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向，滲透到發(fā)電、輸電、變電、配電、用電各個(gè)環(huán)節(jié)。在上述這些環(huán)節(jié)中，智能變電站無疑是最核心的一環(huán)。作為智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，智能變電站為智能電網(wǎng)提供標(biāo)準(zhǔn)的、可靠的節(jié)點(diǎn)(包括一次、二次和系統(tǒng))支撐。

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，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，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(jí)功能的變電站。智能變電站的建設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備信息、運(yùn)行維護(hù)策略與電力調(diào)度全面互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的全壽命周期綜合優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的全面采集和實(shí)時(shí)共享，支撐電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制、智能調(diào)節(jié)和各類高級(jí)應(yīng)用，保障各級(jí)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文對(duì)智能變電站的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)、電子式互感器、智能開關(guān)、智能變壓器、在線監(jiān)測技術(shù)等主要技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹了，分析了其目前發(fā)展情況。

2 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

智能變電站信息共享的基礎(chǔ)首先在于信息的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)互操作。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為變電站通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的惟一國際標(biāo)準(zhǔn)和電力系統(tǒng)無縫通信體系(變電站內(nèi)、變電站與控制中心之間)的基礎(chǔ)，是變電站信息建模與信息交互的必然選擇。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)與以往的通信規(guī)約相比，有著本質(zhì)的不同。

以往規(guī)約主要用于傳輸電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和一些定值及配置信息，完全基于點(diǎn)表方式，缺乏對(duì)變電站系統(tǒng)模型和功能模型的描述，也沒有將系統(tǒng)應(yīng)用與通信技術(shù)進(jìn)行分層處理，同時(shí)還缺乏一致性測試，因此變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用受到通信技術(shù)的限制，傳輸?shù)男畔⒘科?，且互操作性差，擴(kuò)展性差。

IEC61850具有3項(xiàng)基本目標(biāo):①真正意義上的互操作;②功能自由分布;③良好的擴(kuò)展性以適應(yīng)SA和通信技術(shù)的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，與以往的變電站通信標(biāo)準(zhǔn)相比，IEC61850體現(xiàn)出如下技術(shù)特征:①功能分層的變電站;②面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ?③面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述;④變電站配置語言。

按IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將智能變電站系統(tǒng)從功能上劃分為變電站層、間隔層和過程層三部分組成，并通過分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接(如圖1所示)。

圖1 智能變電站分層示意圖

(1)過程層

該層直接和一次設(shè)備的傳感器信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)接口和執(zhí)行器相接，該層設(shè)備可以和一次設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)就地現(xiàn)場安裝，通過合并單元MU和智能單元實(shí)現(xiàn)電力一次設(shè)備工作狀態(tài)和設(shè)備屬性的數(shù)字化，過程層設(shè)備通過過程層總線和間隔層設(shè)備相連，并通過GPS授時(shí)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)同步時(shí)鐘信號(hào)。

(2)間隔層

間隔層設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)保護(hù)和監(jiān)控功能，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制閉鎖和間隔級(jí)信息的人機(jī)交互功能，間隔層設(shè)備可以通過間隔層總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備間相互對(duì)話機(jī)制，間隔層設(shè)備可以集中組屏或就地下放。

(3)變電站層

變電站層設(shè)備包括變電站就地操作后臺(tái)系統(tǒng)、外部數(shù)據(jù)交互接口(控制中心數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、保護(hù)信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口、設(shè)備管理系統(tǒng))和通用功能服務(wù)等。通用功能服務(wù)模塊通過間隔層設(shè)備傳送來的信息實(shí)現(xiàn)變電站級(jí)跨間隔的控制服務(wù)，如變電站防誤閉鎖功能、電壓無功控制，也可接收來自控制中心的命令實(shí)現(xiàn)區(qū)域系統(tǒng)防誤操作、區(qū)域安全穩(wěn)定控制和區(qū)域電壓無功優(yōu)化控制等功能。

3 電子式互感器

鑒于電子式互感器的快速發(fā)展，國際電工委員會(huì)(IEC)制定了《電子式電壓互感器標(biāo)準(zhǔn)IEC60044－7》和《電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn) IEC60044－8》。按照標(biāo)準(zhǔn)，電子式互感器是由一次傳感器、傳輸系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換器組成，用于傳輸正比于被測量的信號(hào)，供給測量儀器儀表、保護(hù)或控制裝置。

非傳統(tǒng)互感器的應(yīng)用是智能變電站技術(shù)體系中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。智能變電站內(nèi)新一代的二次裝置支持電壓電流值的小功率信號(hào)輸入及數(shù)字信號(hào)輸入，以及基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的過程總線通信技術(shù)的發(fā)展，使得電子式互感器在技術(shù)上有了應(yīng)用的可能性，在實(shí)際工程中也具有越來越多的應(yīng)用需求。

由于電子式互感器和間隔層的保護(hù)、測控等設(shè)備一般來自于多個(gè)生產(chǎn)廠商，為保證兼容性和互操作性，設(shè)備之間數(shù)字化接口通信的標(biāo)準(zhǔn)化十分重要，這是目前電子式互感器應(yīng)用于變電站中亟待解決的重要問題。國際電工委員會(huì)也發(fā)布了電子式電壓互感器(IEC60044－7)、電子式電流互感器(IEC60044－8)的標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)已經(jīng)將這兩部標(biāo)準(zhǔn)等同采用并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的國標(biāo):GB20840.7－2007(電子式電壓互感器)和GB20840.8－2007(電子式電流互感器)。電子式互感器分類如圖2所示。

圖2 電子式互感器分類

目前較為成熟并投入變電站運(yùn)行的主要是有源電子式互感器，應(yīng)用場合主要有高壓直流輸電、SF6氣體絕緣開關(guān)(GIS)及中低壓開關(guān)柜等。無源光電互感器因其一次側(cè)光學(xué)電流、電壓傳感器無需工作電源，具有較大的優(yōu)勢，但光學(xué)傳感器的制作工藝復(fù)雜，穩(wěn)定性及一致性不易控制，因此國內(nèi)在這方面較國外尚有一定差距。不過，近幾年，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展較快，已有較為成熟的商業(yè)化產(chǎn)品面市。

4 智能開關(guān)

與常規(guī)變電站開關(guān)設(shè)備相比，智能變電站在應(yīng)用方面進(jìn)一步加大了開關(guān)設(shè)備信息化。智能化的開關(guān)設(shè)備將監(jiān)測更多設(shè)備自身狀態(tài)信息，全面實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)設(shè)備的物理狀況、動(dòng)作情況、運(yùn)行工況等方面的信息化實(shí)現(xiàn);在自動(dòng)化功能方面，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化，在控制功能、狀態(tài)自檢測、狀態(tài)檢修等方面實(shí)現(xiàn)智能化控制操作;設(shè)備信息及智能功能，可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與上級(jí)系統(tǒng)及其它設(shè)備的運(yùn)行配合，自動(dòng)化程度更高，具有比常規(guī)自動(dòng)化設(shè)備更多、更復(fù)雜的自動(dòng)化功能;具備互動(dòng)化能力，與上級(jí)監(jiān)控設(shè)備、系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備、調(diào)度及用戶等及時(shí)交換信息，分布協(xié)同操作。

目前，智能開關(guān)設(shè)備是智能變電站技術(shù)體系中技術(shù)相對(duì)滯后的環(huán)節(jié)。開關(guān)設(shè)備僅限于通過智能終端(也稱智能操作箱，相當(dāng)于控制執(zhí)行、采集單元)與開關(guān)設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化操作和接入，與智能變電站信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化有較大的差距。

5 智能變壓器

智能變壓器是一個(gè)能夠在智能系統(tǒng)環(huán)境下，通過網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行交互的變壓器。其內(nèi)部嵌入的各類傳感器和執(zhí)行器在智能化單元的管理下，保證變壓器在安全、可靠、經(jīng)濟(jì)條件下運(yùn)行。出廠時(shí)將該產(chǎn)品的各種特性參數(shù)和結(jié)構(gòu)信息植入智能化單元，運(yùn)行過程中利用傳感器收集到實(shí)時(shí)信息，自動(dòng)分析目前的工作狀態(tài)，與其他系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互信息，同時(shí)接收其他系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)和指令，調(diào)整自身的運(yùn)行狀態(tài)。

智能變壓器主要包括:變壓器主體;檢測各種狀態(tài)的傳感器;執(zhí)行器;通訊網(wǎng)絡(luò);變壓器智能化單元(Transformerintelligentelectricdevice，可 簡 稱 為TIED)。

從智能組件結(jié)構(gòu)可以看出，監(jiān)測功能組一般包括油氣及微水監(jiān)測IED、局放監(jiān)測IED、套管小電流監(jiān)測IED等。監(jiān)測功能組設(shè)一個(gè)主IED，承擔(dān)全部監(jiān)測結(jié)果的綜合分析，并與相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行信息互動(dòng)。監(jiān)測功能組所屬各監(jiān)測IED采用IEC61850協(xié)議與主IED通信，各監(jiān)測IED的評(píng)價(jià)結(jié)果通過過程層網(wǎng)絡(luò)采用REPORT服務(wù)傳輸至主IED，監(jiān)測數(shù)據(jù)文件通過文件傳輸至主IED，主IED匯總并綜合分析，采用同樣服務(wù)接入站控層網(wǎng)絡(luò)，其中監(jiān)測數(shù)據(jù)文件僅在召喚時(shí)傳送。

由于變壓器是變電站中的主要設(shè)備，在其上安裝智能傳感器需考慮設(shè)備絕緣、可靠性、使用壽命等因素，因此全面實(shí)現(xiàn)智能變壓器尚需一定時(shí)間。

6 在線監(jiān)測技術(shù)

以往對(duì)于變壓器、斷路器等變電站一次設(shè)備的工作狀況多年來普遍采用對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢修預(yù)試制度，即定期停電后進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)(離線)來掌握其信息以決定能否繼續(xù)運(yùn)行，存在需要停電、試驗(yàn)真實(shí)性和實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。智能變電站常見的在線監(jiān)測項(xiàng)目如圖3所示。

圖3 智能變電站常見的在線監(jiān)測項(xiàng)目

隨著技術(shù)的進(jìn)步，逐漸發(fā)展了一些參數(shù)的在線監(jiān)測技術(shù)，以變壓器為例，如套管介損、鐵芯電流、油中氣體、局部放電、油中微水、熱點(diǎn)溫度、繞組變形等，部分解決了停電試驗(yàn)的一些缺點(diǎn)，近年來在此方面已取得一定經(jīng)驗(yàn)和成效，但仍存在諸如檢測的參數(shù)不全、自成系統(tǒng)、相互兼容性差、不能統(tǒng)籌考慮、有時(shí)需要改動(dòng)設(shè)備而實(shí)施困難等缺點(diǎn)，還不能保證全面、實(shí)時(shí)的反映設(shè)備的運(yùn)行狀況，缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，尚無法滿足智能電網(wǎng)建設(shè)對(duì)變電站在線監(jiān)測的要求。

7 結(jié)論

本文對(duì)智能變電站的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)、電子式互感器、智能開關(guān)、智能變壓器、在線監(jiān)測技術(shù)等主要技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹了，分析了其目前發(fā)展情況。盡管智能變電站具有很多優(yōu)點(diǎn)，但全面實(shí)現(xiàn)變電站智能化還需解決很多實(shí)際問題。

［1］ 高翔，數(shù)字化變電站若干關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

［2］ 桂洲，何甜，變電站自動(dòng)化及智能化發(fā)展方式展望［J］.湖北電力，2010，34(3):37 －39.

［3］ 陳冬，IEC61850規(guī)約的理解及使用［J］.湖北電力，2008，32(1):68.

［4］ 練思妤，數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2009.