论文部分内容阅读
摘 要：随着数字化时代的到来，信息技术运用到了各个领域。电力系统也向着智能化的方向发展。本文结合具体实例，以某智能化变电站工程为背景，详尽的论述了智能化变电站的概念及技术特点等问题，以期为同行提供有益的参考。
关键词：智能化变电站 设计方案 电子互感器
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
智能化变电站作为智能电网的重要组成部分，是输电网的重要节点与数据采集源头，是智能电网的底层支撑的关键点，是实现智能电网的基础和前提。智能变电站的智能化不仅仅体现在运行、维护环节，还体现在工程实施环节。本文在介绍国内智能变电站发展现状的基础上，分析了智能化变电站的系统构成和技术特点，并结合具体变电站工程，设计变电站自动化系统网络结构及各层设备配置。
1 智能化变电站的概念及架构
1.1 智能化变电站的概念
智能化变电站是数字化变电站的升级和发展，在数字化变电站的基础上，结合智能电网的需求，对变电站自动化技术进行充实以实现变电站智能化功能，是智能电网运行与控制的关键。其内涵为可靠、经济、兼容、自主、互动、协同，并具有一次设备智能化、信息交换标准化、系统高度集成化、运行控制自动化、保护控制协同化、分析决策在线化等技术特征。
1.2 智能化变电站的架构
智能化变电站按照 IEC61850 标准进行数据建模及通信，并在此平台的基础上实现相互之间的互操作性。根据 IEC61850 标准，智能化变电站的自动化系统在物理上可以分为智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可以分为：站控层、间隔层和过程层 3 层：（1）站控层。由变电站监控系统、远动系统、防误闭锁系统、保护信息管理系统、通讯监控系统、电量远传系统、安防监视系统及火灾报警系统等组成。实现面向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能，完成数据采集和监视控制（SCADA）、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。站控层功能宜高度集成，可在1 台计算机或嵌入式装置实现，也可分布在多台计算机或嵌入式装置中。（2）间隔层。包括测控、保护、计量装置以及与接入其他智能设备的规约转换设备。单间隔设备有线路保护、测控装置、计量装置，跨间隔设备包括母线保护、故障录波、变压器保护等。间隔层设备按间隔对象进行配置，与各种远方输入/输出、传感器和控制器接口，实现使用 1 个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能。（3）过程层。包括变压器、断路器、PT/CT等一次设备及其所属的智能组件（合并器MU +智能单元）以及独立的智能电子装置，主要完成开关量和模拟量的采集以及控制命令的发送等与一次设备相关的功能。
1.3 智能化的一次设备
智能一次设备是指由一次设备本体和智能组件组成，具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化特征的高压设備。
（1）电子式互感器。根据传感原理，电子式互感器又可分为光学材料的光电式 OCT 和非光学材料的线圈式 ECT 和 EVT 2类。在国内，电子式电流互感器主要有 2 种，一种是基于罗氏线圈原理；一种是基于法拉第磁光效应原理，这里面又分为磁光玻璃式和纯光纤式。罗氏线圈电子式电流互感器的敏感元件是空心线圈，光纤只作为传输元件，采用开环控制技术，动态范围和精度受局限。磁光玻璃电子式电流互感器的敏感元件是光学玻璃，采用光纤作为传输元件，磁光玻璃与光纤采用胶结方式连接，维护周期短。纯光纤式电流互感器的敏感元件和传输元件都是光纤，采用独特的闭环控制技术，动态范围大和精度高。从电子式互感器的发展来看，罗氏线圈电子互感器发展较早，技术比较成熟，在国内有大量的运行经验；磁光玻璃和全光纤电子互感器发展较晚，国内运行业绩不多，采用时要经过专题论证。
（2）合并单元。目前，由于技术、经济的原因，在智能化变电站的设计中，相当部分的变电站采用合并单元+ 常规互感器的方式代替电子互感器，因而合并单元就非常必要。常规互感器采集卡采集的数据通过光纤传输至合并单元，合并单元处理数据后传输至光纤以太网络，合并单元可接受同步信号以便多个合并单元同步。
（3）智能单元。智能化开关是指断路器操作所需的各种信息由装在断路器设备内的数字化控制装置直接处理，使断路器装置能独立地执行其当地功能，而不依赖于站控层的控制系统。其主要特点是由电力电子技术、数字化控制装置组成执行单元，代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器。智能断路器与常规断路器的根本区别在于其跳闸方式发生了根本性的变化，从以往电缆传输跳合闸电流操作方式变为通讯报文操作方式，技术和观念上的变化都是巨大的。
1.4 网络化的二次设备
网络化的二次设备具有数字化接口，能满足电子式互感器和智能开关的要求，以及IEC61850 的要求。通过 GOOSE 网络交换开关信号，二次设备不再出现功能装置重复的 I/O 现场接口，二次电缆也由大量控制电缆改为少量光缆，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。因为网络化二次设备的出现，也使得二次保护、监控控制等设备与一次设备可以实现就地安装。
2 某变电站的智能化设计方案
2.1 某变电站的总体情况
某变电站是一座全户内终端变电站。电压等级为110 kV，远景规划3台50 MVA变压器，本期建设1台；远景规划3回110 kV出线，内桥+线变组接线，本期出线1 回采用线变组接线，远景规划 36 回 10 kV 出线，单母分段，本期12回出线。全站仅设1幢生产综合楼，110 kV采用GIS组合电器，10 kV采用开关柜设备。
2.2 一次智能设备的选择
本方案在满足可靠性、可行性、先进性、经济性及智能变电站技术要求原则下，为一次设备配置相应的传感器、合并单元、智能终端等模块，实现了常规一次设备向智能化的转变：（1）110 kV进线侧、内桥侧推荐选用罗氏线圈电子式电流电压互感器，主变10 kV 进线间隔配置罗氏线圈电子式电流互感器。对于 10 kV 出线间隔，电子式互感器性价比较差，配置常规互感器。（2）主变压器的智能化是通过智能终端控制有载调压开关、主变中性点隔离开关等设备，监测主变压器电量、非电量及油中溶解气体特征量实现。（3）智能开关：110 kV 断路器通过对断路器各种状态信息的采样、分析、监测，完成对其有效控制。10 kV 采用保护、测控、计量多合一装置，安装在就地开关柜内。一次设备在线监测本站推荐采用全站统一的在线监测系统，传感器信号通过电缆接至间隔的智能单元，由智能单元实现在线监测特征量的采集，状态监测系统通过一体化信息平台与变电站自动化系统接口，并预留与远方状态监测主站端系统的通信接口。
2.3 二次系统结构设计优化
某站自动化系统采用开放式、分层分布式结构，在功能逻辑上由站控层、间隔层、过程层组成，如图 1 所示。
图 1 某变电站系统结构图
（1）站控层：网络采用单星型结构，按 MMS、GOOSE、SNTP合一构建。网络为常规电口以太网，三网合一构建，在满足功能要求的前提下减少了设备投资。配置 2 台 24 口站控层以太网交换机（20电口，4光口），可满足本期及远期要求。
（2）间隔层：
110 kV设备采用智能化设备，合并单元、智能终端一体化配置；分布式元件保护下放到智能化控制柜内，就地安装；优化后 110 kV 及主变间隔不设置单独的间隔层网络，其设备直接连接至站控层中心交换机上。10 kV间隔采用保护、测控、计量多合一装置，就地安装于开关柜内，10 kV 间隔层本期配置 1 台 16 口以太网交换机，远期再增加 2 台 16 口以太网交换机，可满足要求。10 kV 间隔设置单独的间隔层网络，采用单星型网络拓扑结构，以光纤级联于站控层网络。
过程层：间隔层和过程层设备就地一体化布置，取消过程层网络，采用就地柜内点对点传输，以简化网络，节约电缆及光缆。
3结论
本文以某110kv智能化变电站设计展开探讨，主要结合实际和施工经验进行说明。 由于设计工作本身就是一复杂工程，不足之处再所难免。 变电站是电力系统中间环节，作用重大，应引起足够重视，以便促进电力系统的大力发展。
参考文献：
［1］张文亮，刘壮志，王明俊，等.智能电网的研究进展及发展趋势［J］.电网技术，2009，33（13）
［2］李光颖，郑瑞忠.浅谈智能变电站系统［J］.电力自动化设备，2001，21（6）
关键词：智能化变电站 设计方案 电子互感器
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
智能化变电站作为智能电网的重要组成部分，是输电网的重要节点与数据采集源头，是智能电网的底层支撑的关键点，是实现智能电网的基础和前提。智能变电站的智能化不仅仅体现在运行、维护环节，还体现在工程实施环节。本文在介绍国内智能变电站发展现状的基础上，分析了智能化变电站的系统构成和技术特点，并结合具体变电站工程，设计变电站自动化系统网络结构及各层设备配置。
1 智能化变电站的概念及架构
1.1 智能化变电站的概念
智能化变电站是数字化变电站的升级和发展，在数字化变电站的基础上，结合智能电网的需求，对变电站自动化技术进行充实以实现变电站智能化功能，是智能电网运行与控制的关键。其内涵为可靠、经济、兼容、自主、互动、协同，并具有一次设备智能化、信息交换标准化、系统高度集成化、运行控制自动化、保护控制协同化、分析决策在线化等技术特征。
1.2 智能化变电站的架构
智能化变电站按照 IEC61850 标准进行数据建模及通信，并在此平台的基础上实现相互之间的互操作性。根据 IEC61850 标准，智能化变电站的自动化系统在物理上可以分为智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可以分为：站控层、间隔层和过程层 3 层：（1）站控层。由变电站监控系统、远动系统、防误闭锁系统、保护信息管理系统、通讯监控系统、电量远传系统、安防监视系统及火灾报警系统等组成。实现面向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能，完成数据采集和监视控制（SCADA）、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。站控层功能宜高度集成，可在1 台计算机或嵌入式装置实现，也可分布在多台计算机或嵌入式装置中。（2）间隔层。包括测控、保护、计量装置以及与接入其他智能设备的规约转换设备。单间隔设备有线路保护、测控装置、计量装置，跨间隔设备包括母线保护、故障录波、变压器保护等。间隔层设备按间隔对象进行配置，与各种远方输入/输出、传感器和控制器接口，实现使用 1 个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能。（3）过程层。包括变压器、断路器、PT/CT等一次设备及其所属的智能组件（合并器MU +智能单元）以及独立的智能电子装置，主要完成开关量和模拟量的采集以及控制命令的发送等与一次设备相关的功能。
1.3 智能化的一次设备
智能一次设备是指由一次设备本体和智能组件组成，具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化特征的高压设備。
（1）电子式互感器。根据传感原理，电子式互感器又可分为光学材料的光电式 OCT 和非光学材料的线圈式 ECT 和 EVT 2类。在国内，电子式电流互感器主要有 2 种，一种是基于罗氏线圈原理；一种是基于法拉第磁光效应原理，这里面又分为磁光玻璃式和纯光纤式。罗氏线圈电子式电流互感器的敏感元件是空心线圈，光纤只作为传输元件，采用开环控制技术，动态范围和精度受局限。磁光玻璃电子式电流互感器的敏感元件是光学玻璃，采用光纤作为传输元件，磁光玻璃与光纤采用胶结方式连接，维护周期短。纯光纤式电流互感器的敏感元件和传输元件都是光纤，采用独特的闭环控制技术，动态范围大和精度高。从电子式互感器的发展来看，罗氏线圈电子互感器发展较早，技术比较成熟，在国内有大量的运行经验；磁光玻璃和全光纤电子互感器发展较晚，国内运行业绩不多，采用时要经过专题论证。
（2）合并单元。目前，由于技术、经济的原因，在智能化变电站的设计中，相当部分的变电站采用合并单元+ 常规互感器的方式代替电子互感器，因而合并单元就非常必要。常规互感器采集卡采集的数据通过光纤传输至合并单元，合并单元处理数据后传输至光纤以太网络，合并单元可接受同步信号以便多个合并单元同步。
（3）智能单元。智能化开关是指断路器操作所需的各种信息由装在断路器设备内的数字化控制装置直接处理，使断路器装置能独立地执行其当地功能，而不依赖于站控层的控制系统。其主要特点是由电力电子技术、数字化控制装置组成执行单元，代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器。智能断路器与常规断路器的根本区别在于其跳闸方式发生了根本性的变化，从以往电缆传输跳合闸电流操作方式变为通讯报文操作方式，技术和观念上的变化都是巨大的。
1.4 网络化的二次设备
网络化的二次设备具有数字化接口，能满足电子式互感器和智能开关的要求，以及IEC61850 的要求。通过 GOOSE 网络交换开关信号，二次设备不再出现功能装置重复的 I/O 现场接口，二次电缆也由大量控制电缆改为少量光缆，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。因为网络化二次设备的出现，也使得二次保护、监控控制等设备与一次设备可以实现就地安装。
2 某变电站的智能化设计方案
2.1 某变电站的总体情况
某变电站是一座全户内终端变电站。电压等级为110 kV，远景规划3台50 MVA变压器，本期建设1台；远景规划3回110 kV出线，内桥+线变组接线，本期出线1 回采用线变组接线，远景规划 36 回 10 kV 出线，单母分段，本期12回出线。全站仅设1幢生产综合楼，110 kV采用GIS组合电器，10 kV采用开关柜设备。
2.2 一次智能设备的选择
本方案在满足可靠性、可行性、先进性、经济性及智能变电站技术要求原则下，为一次设备配置相应的传感器、合并单元、智能终端等模块，实现了常规一次设备向智能化的转变：（1）110 kV进线侧、内桥侧推荐选用罗氏线圈电子式电流电压互感器，主变10 kV 进线间隔配置罗氏线圈电子式电流互感器。对于 10 kV 出线间隔，电子式互感器性价比较差，配置常规互感器。（2）主变压器的智能化是通过智能终端控制有载调压开关、主变中性点隔离开关等设备，监测主变压器电量、非电量及油中溶解气体特征量实现。（3）智能开关：110 kV 断路器通过对断路器各种状态信息的采样、分析、监测，完成对其有效控制。10 kV 采用保护、测控、计量多合一装置，安装在就地开关柜内。一次设备在线监测本站推荐采用全站统一的在线监测系统，传感器信号通过电缆接至间隔的智能单元，由智能单元实现在线监测特征量的采集，状态监测系统通过一体化信息平台与变电站自动化系统接口，并预留与远方状态监测主站端系统的通信接口。
2.3 二次系统结构设计优化
某站自动化系统采用开放式、分层分布式结构，在功能逻辑上由站控层、间隔层、过程层组成，如图 1 所示。
图 1 某变电站系统结构图
（1）站控层：网络采用单星型结构，按 MMS、GOOSE、SNTP合一构建。网络为常规电口以太网，三网合一构建，在满足功能要求的前提下减少了设备投资。配置 2 台 24 口站控层以太网交换机（20电口，4光口），可满足本期及远期要求。
（2）间隔层：
110 kV设备采用智能化设备，合并单元、智能终端一体化配置；分布式元件保护下放到智能化控制柜内，就地安装；优化后 110 kV 及主变间隔不设置单独的间隔层网络，其设备直接连接至站控层中心交换机上。10 kV间隔采用保护、测控、计量多合一装置，就地安装于开关柜内，10 kV 间隔层本期配置 1 台 16 口以太网交换机，远期再增加 2 台 16 口以太网交换机，可满足要求。10 kV 间隔设置单独的间隔层网络，采用单星型网络拓扑结构，以光纤级联于站控层网络。
过程层：间隔层和过程层设备就地一体化布置，取消过程层网络，采用就地柜内点对点传输，以简化网络，节约电缆及光缆。
3结论
本文以某110kv智能化变电站设计展开探讨，主要结合实际和施工经验进行说明。 由于设计工作本身就是一复杂工程，不足之处再所难免。 变电站是电力系统中间环节，作用重大，应引起足够重视，以便促进电力系统的大力发展。
参考文献：
［1］张文亮，刘壮志，王明俊，等.智能电网的研究进展及发展趋势［J］.电网技术，2009，33（13）
［2］李光颖，郑瑞忠.浅谈智能变电站系统［J］.电力自动化设备，2001，21（6）