智能化變電站的概念及架構(gòu)

一、智能化變電站的概念

　　智能化變電站是數(shù)字化變電站的升級(jí)和發(fā)展，在數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能電網(wǎng)的需求，對(duì)變電站自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行充實(shí)以實(shí)現(xiàn)變電站智能化功能。從智能電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)(圖1)看，智能化變電站是智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制的關(guān)鍵。作為銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，智能化變電站是智能電網(wǎng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的重要電力設(shè)施，是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”三流匯集的焦點(diǎn)，對(duì)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有極為重要的作用。

　　除了變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、輸配電線路及其配套設(shè)備之外，智能化變電站在硬件上的兩個(gè)重要特征是大量新型柔性交流輸電技術(shù)及裝備的應(yīng)用，以及風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等間歇性分布式清潔電源的接入。這兩個(gè)變化，在提高變電站功能的同時(shí)也增加了其復(fù)雜程度。智能化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)增加對(duì)柔性交流輸電設(shè)備和分布式電源接口的智能化管理和控制功能。

　　根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》，智能化變電站是采用先進(jìn)的傳感器、信息、通信、控制、智能等技術(shù)，以一次設(shè)備參量數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化信息平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)變電站實(shí)時(shí)全景監(jiān)測(cè)、自動(dòng)運(yùn)行控制、與站外系統(tǒng)協(xié)同互動(dòng)等功能，達(dá)到提高變電可靠性、優(yōu)化資產(chǎn)利用率、減少人工干預(yù)、支撐電網(wǎng)安全運(yùn)行，可再生能源“即插即退”等目標(biāo)的變電站。其內(nèi)涵為可靠、經(jīng)濟(jì)、兼容、自主、互動(dòng)、協(xié)同，并具有一次設(shè)備智能化、信息交換標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)高度集成化、運(yùn)行控制自動(dòng)化、保護(hù)控制協(xié)同化、分析決策在線化等技術(shù)特征。

　　二、智能化變電站的功能特征

　　智能化變電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)，必須在智能電網(wǎng)的背景下進(jìn)行，要滿足我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的要求，體現(xiàn)我國(guó)智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的特征。智能化變電站應(yīng)當(dāng)具有以下功能特征:

　　1、緊密聯(lián)結(jié)全網(wǎng)。從智能化變電站在智能電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的位置和作用看，智能化變電站的建設(shè)，要有利于加強(qiáng)全網(wǎng)范圍各個(gè)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(duì)運(yùn)行事故進(jìn)行預(yù)防和緊急控制，實(shí)現(xiàn)在不同層次上的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，成為形成統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的關(guān)節(jié)和紐帶。智能化變電站的“全網(wǎng)”意識(shí)更強(qiáng)，作為電網(wǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)和部分，其在電網(wǎng)整體中的功能和作用更加明顯和突出。

　　2、支撐智能電網(wǎng)。從智能化變電站的自動(dòng)化、智能化技術(shù)上看，智能化變電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平，應(yīng)與智能電網(wǎng)保持一致，滿足智能電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效、清潔、環(huán)保、透明、開(kāi)放等運(yùn)行性能的要求。在硬件裝置上實(shí)現(xiàn)更高程度的集成和優(yōu)化，軟件功能實(shí)現(xiàn)更合理的區(qū)別和配合。應(yīng)用FACTS技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)電壓和無(wú)功功率，電流和潮流分布進(jìn)行有效控制。

　　3、高電壓等級(jí)的智能化變電站滿足特高壓輸電網(wǎng)架的要求。特高壓輸電線路將構(gòu)成我國(guó)智能電網(wǎng)的骨干輸電網(wǎng)架，必須面對(duì)大容量、高電壓帶來(lái)的一系列技術(shù)問(wèn)題。特高壓變電站應(yīng)能可靠地應(yīng)對(duì)和解決在設(shè)備絕緣、斷路開(kāi)關(guān)等方面的問(wèn)題，支持特高壓輸電網(wǎng)架的形成和有效發(fā)揮作用。

　　4、中低壓智能化變電站允許分布式電源的接入。在未來(lái)的智能電網(wǎng)中，一個(gè)重要的特征是大量的風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性分布式電源的接入。智能化變電站是分布式電源并網(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。大量分布式電源接入，形成微網(wǎng)與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式。這使得配電網(wǎng)從單一的由大型注入點(diǎn)單向供電的模式，向大量使用受端分布式發(fā)電設(shè)備的多源多向模塊化模式轉(zhuǎn)變。與常規(guī)變電站相比，智能化變電站從繼電保護(hù)到運(yùn)行管理都應(yīng)做出調(diào)整和改變，以滿足更高水平的安全穩(wěn)定運(yùn)行需要。

　　5、遠(yuǎn)程可視化。智能化變電站的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與操作運(yùn)行均可利用多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化與自動(dòng)化，以實(shí)現(xiàn)變電站真正的無(wú)人值班，并提高變電站的安全運(yùn)行水平。

　　6、裝備與設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，模塊化安裝。智能化變電站的一二次設(shè)備進(jìn)行高度的整合與集成，所有的裝備具有統(tǒng)一的接口。建造新的智能化變電站時(shí)，所有集成化裝備的一、二次功能，在出廠前完成模塊化調(diào)試，運(yùn)抵安裝現(xiàn)場(chǎng)后只需進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)、接線，無(wú)需大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。一二次設(shè)備集成后標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，模塊化安裝，對(duì)變電站的建造和設(shè)備的安裝環(huán)節(jié)而言是根本性的變革。可以保證設(shè)備的質(zhì)量和可靠性，大量節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)施工、調(diào)試工作量，使得任何一個(gè)同樣電壓等級(jí)的變電站的建造變成簡(jiǎn)單的模塊化的設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)、連接，因而可以實(shí)現(xiàn)變電站的“可復(fù)制性”，大大簡(jiǎn)化變電站建造的過(guò)程，而提高了變電站的標(biāo)準(zhǔn)化程度和可靠性。出于以上需求的考慮，智能化變電站必須從硬件到軟件，從結(jié)構(gòu)到功能上完成一個(gè)飛越。

　　三、智能化變電站與數(shù)字化變電站的區(qū)別

　　智能化變電站與數(shù)字化變電站有密不可分的聯(lián)系。數(shù)字化變電站是智能化變電站的前提和基礎(chǔ)，是智能化變電站的初級(jí)階段，智能化變電站是數(shù)字化變電站的發(fā)展和升級(jí)。智能化變電站擁有數(shù)字化變電站的所有自動(dòng)化功能和技術(shù)特征，二者的共同點(diǎn)無(wú)需討論。木文認(rèn)為智能化變電站與數(shù)字化變電站的差別主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

　　1、數(shù)字化變電站主要從滿足變電站自身的需求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)一、二次設(shè)備的數(shù)字化通信和控制，建立全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，側(cè)重于在統(tǒng)一通信平臺(tái)的基礎(chǔ)上提高變電站內(nèi)設(shè)備與系統(tǒng)間的互操作性。而智能化變電站則從滿足智能電網(wǎng)運(yùn)行要求出發(fā)，比數(shù)字化變電站更加注重變電站之間、變電站與調(diào)度中心之間的信息的統(tǒng)一與功能的層次化。需要建立全網(wǎng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化信息平臺(tái)，作為該平臺(tái)的重要節(jié)點(diǎn)，提高其硬件與軟件的標(biāo)準(zhǔn)化程度，以在全網(wǎng)范圍內(nèi)提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行水平為目標(biāo)。

　　2、數(shù)字化變電站己經(jīng)具有了一定程度的設(shè)備集成和功能優(yōu)化的概念，要求站內(nèi)應(yīng)用的所有智能電子裝置(IED)滿足統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，擁有統(tǒng)一的接口，以實(shí)現(xiàn)互操作性。IED分布安裝于站內(nèi)，其功能的整合以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)為紐帶，利用網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化變電站在以太網(wǎng)通信的基礎(chǔ)上，模糊了一、二次設(shè)備的界限，實(shí)現(xiàn)了一、二次設(shè)備的初步融合。而智能化變電站設(shè)備集成化程度更高，可以實(shí)現(xiàn)一、二次設(shè)備的一體化、智能化整合和集成。

　　3、智能電網(wǎng)擁有更大量新型柔性交流輸電技術(shù)及裝備的應(yīng)用，以及風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等間歇式分布式清潔電源的接入，需要滿足間歇性電源“即插即用”的技術(shù)要求。

　　四、智能化變電站架構(gòu)

　　1、數(shù)字化變電站的集成化

　　集成化總是變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢(shì)。從常規(guī)變電站，到數(shù)字化變電站，再到智能化變電站的發(fā)展過(guò)程，是變電站內(nèi)的設(shè)備和系統(tǒng)集成化程度越來(lái)越高的過(guò)程。

　　數(shù)字化變電站用微機(jī)處理和光纖數(shù)字通信優(yōu)化變電站層和間隔層的功能配置；控制、保護(hù)和運(yùn)行支持系統(tǒng)通過(guò)局域網(wǎng)彼此互相連接，共享數(shù)據(jù)信息；簡(jiǎn)化單個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持各個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立性。在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，數(shù)字化變電站內(nèi)的自動(dòng)化系統(tǒng)可以進(jìn)行集成，分為三個(gè)層次，過(guò)程層集成、間隔層集成和變電站層集成。

　　變電站中每個(gè)控制和監(jiān)視設(shè)備都需要從過(guò)程輸入數(shù)據(jù)，然后輸出控制命令到過(guò)程。過(guò)程接口將完成被監(jiān)視和控制的開(kāi)關(guān)場(chǎng)設(shè)備和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的連接。數(shù)字化變電站中，集成化的一個(gè)體現(xiàn)是過(guò)程接口被直接集成到了過(guò)程中，也就是開(kāi)關(guān)設(shè)備中。包括用于測(cè)量電流和電壓及氣體密度的電子傳感器、斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的位置指示器和傳動(dòng)裝置都安裝在一個(gè)屏蔽的小盒子里，集成到一次設(shè)備中，即所謂的智能化一次設(shè)備。

　　數(shù)字化變電站集成化的另一個(gè)體現(xiàn)是間隔層的集成化:構(gòu)筑一個(gè)通用的硬件和軟件平臺(tái)即統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置(UMD)，將間隔內(nèi)的控制、保護(hù)、測(cè)量等功能集成在這個(gè)通用的平臺(tái)上，通過(guò)通用的硬件和軟件采集各功能需要的數(shù)據(jù)和狀態(tài)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。原來(lái)控制、保護(hù)等功能不再需要專用的硬件裝置和專用的輸入、輸出通道，而是由合理的軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　間隔統(tǒng)一多功能裝置集成了較多的功能，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按各功能響應(yīng)時(shí)間要求進(jìn)行分類，并確定優(yōu)先級(jí)別。顯然，繼電保護(hù)、緊急控制等與