李剛剛

（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741018）

1 概述

常規(guī)變電站的二次設備由：繼電保護、自動裝置、測量儀表、操作控制屏和中央信號屏以及遠動裝置。

變電站綜合自動化是將變電站的二次設備經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設計，利用先進的計算機技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)字信號處理（DSP）等技術(shù)，實現(xiàn)對變電站主要設備和輸、配電線路的自動監(jiān)視、測量、自動控制和微機保護以及與調(diào)度通信等綜合性自動化功能。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司《智能變電站技術(shù)導則》，智能化變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設備，以全站信息數(shù)字化，通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析、協(xié)同互動，達到提高變電站可靠性、優(yōu)化資產(chǎn)利用率、減少人工干預、支撐電網(wǎng)安全運行等目標的變電站。

2 變電站綜合自動化和智能化的功能特征

2.1 變電站綜合自動化

根據(jù)國際大電網(wǎng)會議WG34.03工作組在研究變電站的數(shù)據(jù)流時，分析了變電站綜合自動化需完成的功能大概有63種，結(jié)合我國實際情況可綜述為以下幾個方面：

（1）監(jiān)控功能：采集變電站的模擬量、開關(guān)量和電能量數(shù)據(jù)，記錄現(xiàn)場的事件順序，并在遠控室對相應的電氣設備進行調(diào)節(jié)控制。

（2）微機保護：具有通信、故障記錄、故障自診斷、自閉鎖、自恢復等獨立、完整的保護功能，其功能和可靠性，在很大程度上影響了整個系統(tǒng)的性能。

（3）電壓、無功綜合控制和低頻減負荷控制功能：電壓、頻率和波形是電能質(zhì)量的重要指標，因此需要對電壓和頻率進行綜合調(diào)控，以保證電力部門和用戶在內(nèi)的總體運行技術(shù)指標和經(jīng)濟指標達到最佳。

（4）備用電源自動投入控制：隨著用戶對供電質(zhì)量和供電可靠性要求日益提高，備用電源自動投入就成為變電站綜合自動化系統(tǒng)的基本功能之一。

2.2 變電站智能化

根據(jù)我國智能電網(wǎng)建設和發(fā)展的要求，體現(xiàn)我國智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化、自動化、互動化的特點，智能電網(wǎng)應具備以下功能特征：

（1）緊密連接全網(wǎng)：從變電站在智能電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的位置和作用看，智能電網(wǎng)的建設，要有利于加強全網(wǎng)范圍各個環(huán)節(jié)間聯(lián)系的緊密性，有利于體現(xiàn)智能電網(wǎng)的統(tǒng)一性，有利于互聯(lián)電網(wǎng)對運行事故進行預防和緊急控制，實現(xiàn)在不同層次上的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，形成統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)的關(guān)節(jié)和紐帶。

（2）支撐智能電網(wǎng)：從智能化變電站的自動化、智能化技術(shù)上看，智能化變電站的設計和運行水平，應與智能電網(wǎng)保持一致，滿足智能電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟、高效、清潔、環(huán)保、透明、開放等運行性能的要求。

（3）高電壓等級的智能化變電站應滿足特高壓輸電網(wǎng)架的要求：特高壓輸電線路將構(gòu)成我國智能電網(wǎng)的骨干輸電網(wǎng)架，變電站應能可靠的應對和解決大容量、高電壓帶來的設備絕緣、斷路器開關(guān)等方面的問題，支持特高壓輸電網(wǎng)架的形成和發(fā)揮有效作用。

（4）中低壓智能化變電站允許分布式電源的接入。未來智能電網(wǎng)的一個重要特征就是大量的風能、太陽能等間歇性分布式電源的接入。智能化變電站將作為分布式電源并網(wǎng)的入口，從技術(shù)到管理，從硬件到軟件都必須充分考慮并滿足分布式電源并網(wǎng)的需求。

（5）遠程可視化。智能化變電站的狀態(tài)監(jiān)測與操作運行均可利用多媒體技術(shù)實現(xiàn)遠程可視化與自動化，以實現(xiàn)變電站真正的無人值班，并提高變電站的安全運行水平。

（6）裝備與設施標準化設置、模塊化安裝：智能變電站的一二次設備進行高度整合與集成，所有的裝備具有統(tǒng)一的接口。減少了現(xiàn)場大規(guī)模調(diào)試的弊端，使得變電站的“可復制性”大大提高。

3 變電站綜合自動化智能化的架構(gòu)

3.1 變電站綜合自動化

變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展過程與集成電路技術(shù)、微計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)密切相關(guān)。隨著這些高科技的不斷發(fā)展，變電站綜合自動化的體系架構(gòu)也在不斷發(fā)生變化，其性能和功能以及可能性等也不斷提高。從國內(nèi)外變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展來看，其架構(gòu)形式可分為集中式、分布集中式、分散與集中相結(jié)合和全分散式等四種類型。下面主要通過變電站綜合自動化發(fā)展方向的代表——分散與集中相結(jié)合的架構(gòu)進行分析。

分散與集中相結(jié)合的架構(gòu)，既具備了分層分布式、模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，又具備了結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的優(yōu)點。其框圖如圖1所示。

圖1 分散與集中相結(jié)合的變電站綜合自動化系統(tǒng)框圖

分散式架構(gòu)是將每一個電網(wǎng)元件（例如：一條出線、一臺變壓器、一組電容器等）為對象，集測量、保護、控制為一體，設計在同一機箱中，并將這些一體化的測量、保護、控制單元分散安裝在各個開關(guān)柜中，然后由監(jiān)控主機通過光纜或電纜網(wǎng)絡，對這些單元進行管理和交換信息；集中式架構(gòu)是將高壓線路保護裝置和變壓器保護裝置，采用集中組屏安裝在控制室內(nèi)。

將以上兩種架構(gòu)結(jié)合，即將配電線路的保護和測控單元分散安裝在開關(guān)柜內(nèi)，而高壓線路保護和主變保護裝置等采用記住組屏的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，稱為分散與集中相結(jié)合的架構(gòu)。

分散與集中相結(jié)合的架構(gòu)通過現(xiàn)場總線與保護管理機交換信息，節(jié)約控制電纜，簡化了變電站二次設備之間的互連線，縮小了控制室的面積；抗干擾能力強，工作可靠性高，而且組態(tài)靈活，檢修方便，還能減少施工和設備安裝工程量，所以該種方式是變電站綜合自動化的發(fā)展方向。

3.2 變電站智能化

未來智能變電站的體系分為設備層和系統(tǒng)層：設備層由變壓器、斷路器、電子式互感器等多個設備加上智能組件組成，完成能量傳輸及測量、保護、控制、計量等功能；系統(tǒng)層包含網(wǎng)絡通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)、后臺監(jiān)控系統(tǒng)、站域保護、對外通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)。其框圖如圖2所示。

圖2 智能變電站系統(tǒng)框圖

智能變電站的重點是設備智能化和高級智能應用，是從數(shù)字化變電站的基礎上演變出來的。相比于遵循IEC 61580協(xié)議的數(shù)字化變電站的三層結(jié)構(gòu)（過程層、間隔層和站控層），智能變電站進行了結(jié)構(gòu)簡化，其設備層相當于數(shù)字化變電站的過程層和間隔層的集合，系統(tǒng)層相當于站控層。設備層通過智能組件、電子式互感器等智能設備將傳統(tǒng)的一次、二次系統(tǒng)進行融合，完成相關(guān)信息的提取、歸集。系統(tǒng)層則注重信息共享、設備狀態(tài)可視化、智能警告、分析決策等高級智能應用。

4 變電站綜合自動化智能化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

4.1 變電站綜合自動化

變電站綜合自動化是在計算機技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的。國外在20世紀80年代已經(jīng)投入使用第一套分散式變電站綜合自動化LSA678（SIEMENS），我國在20世紀90年代才開始涉及，初始階段主要研制和生產(chǎn)集中型號的系統(tǒng)，例如IES-60、DISA-1等型號的系統(tǒng)，90年代中期開始研制分散式變電站綜合自動化系統(tǒng)，如DISA-2、CSC-2000等，與國外相比大約有10年的差距。

根據(jù)現(xiàn)有專業(yè)分工和管理體制的影響可將變電站綜合自動化的實施過程中分為兩種方案：一種主張站內(nèi)監(jiān)控以遠動（RTU）為數(shù)據(jù)采集和控制的基礎，相應的設備也是以電網(wǎng)調(diào)度自動化為基礎，“保護”則相對獨立；另一種則主張站內(nèi)監(jiān)控以微機保護為數(shù)據(jù)采集和控制的基礎，將保護、控制和測量結(jié)合在一起（例如CSC-2000）。

根據(jù)我國目前的運行體制、人員配備和專業(yè)分工出發(fā)，第一種采取的控制和保護相互分開獨立，相比于后一種更能適合我國國情，但是從發(fā)展趨勢、技術(shù)合理性及減少設備重復配置、維護工作量方面考慮，后一種又有前一種無法比擬的優(yōu)越性。是我國自動化發(fā)展的方向。

隨著計算機和網(wǎng)絡通信技術(shù)的發(fā)展，變電站綜合自動化的運行模式將從無人值班、有人值守逐步向無人值守過度。站內(nèi)RTU／LTU或保護監(jiān)控單元也將直接上網(wǎng)，通過網(wǎng)絡與工作站和及它變電站通信，達到網(wǎng)絡同步，變電站之間信息共享。

4.2 變電站智能化

智能電網(wǎng)包含了電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和電力調(diào)度等6各環(huán)節(jié)。美國式研究智能電網(wǎng)最早的國家，1998年，美國電力科學研究院（EPRI）已經(jīng)開始了“復雜交互式網(wǎng)絡和系統(tǒng)”的研究，根據(jù)美國能源部輸配電辦公室發(fā)布的《2030電網(wǎng)》的遠景規(guī)劃，至2010年建成智能電網(wǎng)示范工程，至2030年要達到100%的電力通過智能電網(wǎng)輸送的目標。歐洲各國也在加快推動智能電網(wǎng)的應用和變革，意大利有關(guān)電網(wǎng)2001年已經(jīng)率先實現(xiàn)了智能化。

我國在智能電網(wǎng)的方面研究也比較早，在20世紀末，就提出了數(shù)字電力系統(tǒng)的概念，開展了分布電力技術(shù)和微電網(wǎng)技術(shù)的研究，國家電網(wǎng)在2007年制定了數(shù)字化電網(wǎng)、數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)的研究框架，華東電網(wǎng)和華北電網(wǎng)相繼啟動了智能互動電網(wǎng)相關(guān)研究，2009年初國家電網(wǎng)公司啟動了“堅強智能電網(wǎng)體系研究報告”等重要課題研究。并隨后提出了構(gòu)建智能電網(wǎng)為目標，技術(shù)主線與管理主線并進的發(fā)展戰(zhàn)略目標，設定了2008-2020年“三步走”的行動計劃。

智能電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分和重要環(huán)節(jié)，國網(wǎng)公司提出了“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃：提高電網(wǎng)運行管理控制水平的六個重點技術(shù)領(lǐng)域、電網(wǎng)自動化技術(shù)、數(shù)字化變電站技術(shù)，集中科研力量研制電子式互感器、變壓器智能組件、斷路器在線監(jiān)控裝置等智能設備；研究開發(fā)符合IEC 61580標準，并具備測量、保護、控制、分析、設備在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修、遠方監(jiān)視等功能的數(shù)字化分散式變電站自動化系統(tǒng)；為推進國內(nèi)智能變電站的研究與建設，國家電網(wǎng)公司首批安排7個智能變電站試點工程，電壓等級涵蓋了110kV、220kV、500kV、及750kV變電站，涉及陜西公司延安750kV變電站、東北公司長春南500kV變電站、山東公司青島午山220kV變電站、湖南公司張家園110kV變電站等站點。

智能電網(wǎng)的建設帶來了巨大的市場機遇，到2020年我國裝機容量預計到達或超過16億kW，相應的智能電網(wǎng)投資規(guī)模也將超過4萬億元；將使我國電力工業(yè)及其相關(guān)的電力裝備產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)創(chuàng)新和整體技術(shù)得到很到的提高。

5 結(jié)束語

隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平質(zhì)量不斷提高，提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量也顯得越來越重要；電力系統(tǒng)將向著具備測量、保護、控制、分析、設備在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修、遠方監(jiān)視等功能為一體的數(shù)字化分散式變電站自動化系統(tǒng)方向發(fā)展，實現(xiàn)無人值守，無人工干預的全新電力網(wǎng)絡。