蔣金娥,黃 靜,畢智偉
(湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004)
智能變電站是利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的新一代數(shù)字化變電站,將先進(jìn)的電力電子器件、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)等有機(jī)結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)變電和輸電設(shè)備信息的自動(dòng)采集、智能處理以及共享,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制。智能變電站是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分,具有承上啟下的作用,既是智能電網(wǎng)順利運(yùn)行的基礎(chǔ),也是電網(wǎng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)的根本[1,2]。
智能變電站是指采用先進(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(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量以及監(jiān)測(cè)等基本功能,同時(shí)具備支持電網(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[3,4]。
我國(guó)國(guó)內(nèi)智能變電站的發(fā)展從2001年開始,根據(jù)國(guó)情和電力系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)展情況,依據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)制定了符合我國(guó)國(guó)情的DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)。在此標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,為能夠更好地匹配國(guó)內(nèi)設(shè)備要求和操作習(xí)慣,國(guó)家電網(wǎng)公司和各省分公司制定了各自的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)一智能變電站的建設(shè)要求[5]。智能變電站的發(fā)展取決于站內(nèi)設(shè)備的智能化程度,國(guó)內(nèi)智能設(shè)備的缺乏和技術(shù)的落后也是導(dǎo)致智能變電站起步較晚的原因。從2009年國(guó)家電網(wǎng)公司制定了發(fā)展堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略目標(biāo)開始,國(guó)內(nèi)正式進(jìn)入智能電網(wǎng)的快速發(fā)展期,各省分公司逐步試點(diǎn)智能變電站的建設(shè)。此后,國(guó)家電網(wǎng)公司先后開展了兩批智能變電站的試點(diǎn)建設(shè)工程,盡管經(jīng)驗(yàn)不足,在建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中不斷有問(wèn)題出現(xiàn),但這次探索也為國(guó)內(nèi)智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。
“十一五”規(guī)劃期內(nèi),國(guó)內(nèi)建成了多個(gè)智能變電站試點(diǎn)工程,給電網(wǎng)發(fā)展帶來(lái)了巨大活力,因此在“十二五”規(guī)劃期內(nèi),國(guó)家電網(wǎng)公司加大智能變電站建設(shè)的推廣,制定全面建設(shè)智能電網(wǎng)的目標(biāo)。在“十三五”規(guī)劃的5年,國(guó)內(nèi)智能變電站的發(fā)展和建設(shè)取得了巨大成就,各地均有智能變電站項(xiàng)目的建成和投運(yùn),截至2020年底,國(guó)家電網(wǎng)公司已建成投運(yùn)8 600多座智能變電站,為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供安全、可靠且穩(wěn)定的電力支撐。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司電子商務(wù)平臺(tái)近年來(lái)的招標(biāo)趨勢(shì),預(yù)計(jì)在“十四五”時(shí)期,我國(guó)智能變電站的市場(chǎng)需求容量約為1581.12億元。其中,750 kV智能變電站的市場(chǎng)需求將達(dá)到453.69億元,占比為28.69%;500 kV智能變電站的市場(chǎng)需求將達(dá)到382.74億元,占比為24.21%。
智能變電站主要由站控層、站控層網(wǎng)絡(luò)、間隔層、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)以及過(guò)程層構(gòu)成,簡(jiǎn)稱為“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu),具體如圖1所示[6,7]。
圖1 智能變電站“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)
過(guò)程層設(shè)備選用數(shù)字接口連接斷路器和變壓器等一次裝置。間隔層設(shè)備由一系列計(jì)量裝置、保護(hù)裝置以及測(cè)控裝置等組成,利用采樣值(Sampled Value,SV)或面向通用對(duì)象的變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE)報(bào)文傳送采集到的電壓、電流信號(hào)、開關(guān)命令、開關(guān)狀態(tài)等信號(hào)。站控層設(shè)備主要由監(jiān)控系統(tǒng)、工程師站、故障信息系統(tǒng)等組成,主要起總體的控制與故障處理,用到了抽象通信服務(wù)映射(Abstract Communication Service Interface,ACSI)技術(shù),信息傳輸采用制造報(bào)文規(guī)范(Manufaeturing Message Specification,MMS)、GOOSE完成,大部分用來(lái)傳遞包含測(cè)控信息的MMS報(bào)文,如測(cè)量裝置定期將裝置狀態(tài)報(bào)文上傳到站控層服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)全盤變電站的信息整理和一些高級(jí)應(yīng)用功能[8-10]。
智能變電站全站設(shè)備采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn),主要分為過(guò)程層、間隔層以及站控層(見圖2),采用雙重化配置進(jìn)行保護(hù)采集、保護(hù)裝置邏輯運(yùn)算和執(zhí)行、保護(hù)跳閘的雙重化[11]。
圖2 智能變電站“三網(wǎng)合一”結(jié)構(gòu)
通過(guò)GOOSE報(bào)文對(duì)開關(guān)量進(jìn)行輸入、測(cè)控以及控制輸出等功能實(shí)現(xiàn)GOOSE通信任務(wù)。IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)中的精確時(shí)間協(xié)議(Precision Time Protocol,PTP)可用于分布式測(cè)量和控制系統(tǒng),精度高、同步快,可在以太網(wǎng)中傳輸,具有納秒級(jí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)精度。GOOSE、SV、IEEE 1588“三網(wǎng)合一”的組網(wǎng)方案可最大限度地實(shí)現(xiàn)信息共享,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰,網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率低,減少光纖投資,便于設(shè)計(jì)、維護(hù)。IEC 61850應(yīng)用難點(diǎn)在于MMS通信,對(duì)中央處理器(Central Processing Unit,CPU)速度和內(nèi)存要求更高,設(shè)備制造商需對(duì)硬件方面進(jìn)行升級(jí),且MMS網(wǎng)主要用于監(jiān)視間隔層設(shè)備及控制信息,對(duì)可靠性要求不高,數(shù)據(jù)量大,因此不建議合入三網(wǎng)。
隨著社會(huì)進(jìn)入信息化時(shí)代,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了全面普及與應(yīng)用,特別是在一些重要領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)成為十分重要的技術(shù)基礎(chǔ),受到國(guó)家科技部和工業(yè)部門的關(guān)注。對(duì)于電力網(wǎng)絡(luò),在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中也需要格外重視對(duì)物聯(lián)網(wǎng)及三維可視化技術(shù)的引入和應(yīng)用,以為自身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以將全部信息整合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,并結(jié)合云計(jì)算、模糊識(shí)別及數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)的使用,有效實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信息的融合處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用滿足了對(duì)各種物品的智能化識(shí)別及信息處理需求,作為一種新時(shí)代的信息技術(shù),其已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了良好運(yùn)用。
應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時(shí),需要基于智能變電站的整體框架,嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[12]。當(dāng)前,物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感設(shè)備逐漸向小型化、無(wú)線化方向發(fā)展,設(shè)備的整體運(yùn)行效率進(jìn)一步提升。在未來(lái)的發(fā)展中,要進(jìn)一步豐富傳感設(shè)備類型,研究適用于智能變電站的專用傳感器。隨著各種傳感系統(tǒng)的發(fā)展,有必要對(duì)無(wú)線通信的空中通信接口、通信協(xié)議、安全標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行升級(jí)與規(guī)范,實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信資源的安全共享及傳輸。
三維可視化技術(shù)在智能變電站中的應(yīng)用主要包括設(shè)備的三維實(shí)體展示、三維虛擬仿真、數(shù)據(jù)三維可視化呈現(xiàn)等諸多技術(shù)內(nèi)容,可以作用于智能變電站建設(shè)及運(yùn)維的每一個(gè)階段[13,14]。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,應(yīng)對(duì)變電站設(shè)計(jì)方案及周圍環(huán)境進(jìn)行調(diào)整及評(píng)估,保證相關(guān)人員充分掌握變電站的建設(shè)情況。在建設(shè)過(guò)程中,通過(guò)三維模型的靈活運(yùn)用可為管理者提供較為直觀且具體的進(jìn)度跟蹤及質(zhì)量管理流程。在運(yùn)維階段,三維可視化技術(shù)可以為工作人員呈現(xiàn)變電站的實(shí)時(shí)場(chǎng)景及相關(guān)設(shè)備的具體信息數(shù)據(jù),進(jìn)一步提升運(yùn)維工作的針對(duì)性和設(shè)備的運(yùn)行效率。在調(diào)度過(guò)程中,可以基于智能化系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的三維場(chǎng)景預(yù)演,或者對(duì)信息進(jìn)行有針對(duì)性的展示,為調(diào)度指令的下達(dá)提供參考。在應(yīng)急事件的處理過(guò)程中,可以針對(duì)一些常見事件編制應(yīng)急預(yù)案。同時(shí),可以經(jīng)常進(jìn)行模擬演練,為應(yīng)急事件的綜合處理提供更為直觀、快捷的信息承載平臺(tái)。
基于現(xiàn)代信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展,具有高信息共享度和強(qiáng)大協(xié)同能力的智能變電站是未來(lái)變電站的最終形態(tài)。在智能變電站的建設(shè)中,“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)、“三網(wǎng)合一”結(jié)構(gòu)逐漸完善,下一步還需積極引入物聯(lián)網(wǎng)或三維可視化技術(shù),建設(shè)更加信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的智能電網(wǎng),推動(dòng)我國(guó)電力系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展。