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，對變電站自動化技術(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、太陽能發(fā)電等間歇性分布式清潔電源的接入。這兩個變化，在提高變電站功能的同時也增加了其復(fù)雜程度。智能化變電站自動化系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)增加對柔性交流輸電設(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)范化信息平臺為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)變電站實(shí)時全景監(jiān)測、自動運(yùn)行控制、與站外系統(tǒng)協(xié)同互動等功能，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、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，要滿足我國智能電網(wǎng)建設(shè)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(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)”意識更強(qiáng)，作為電網(wǎng)的一個重要環(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)，對系統(tǒng)電壓和無功功率，電流和潮流分布進(jìn)行有效控制。

　　3、高電壓等級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)成我國智能電網(wǎng)的骨干輸電網(wǎng)架，必須面對大容量、高電壓帶來的一系列技術(shù)問題。特高壓變電站應(yīng)能可靠地應(yīng)對和解決在設(shè)備絕緣、斷路開關(guān)等方面的問題，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。在未來的智能電網(wǎng)中，一個重要的特征是大量的風(fēng)能、太陽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)程可視化與自動化，以實(shí)現(xiàn)變電站真正的無人值班，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，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)場后只需進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)、接線，無需大規(guī)?，F(xiàn)場調(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?？梢员ＷC設(shè)備的質(zhì)量和可靠性，大量節(jié)省現(xiàn)場施工、調(diào)試工作量，使得任何一個同樣電壓等級的變電站的建造變成簡單的模塊化的設(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”，大大簡化變電站建造的過程，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階段，智能化變電站是數(shù)字化變電站的發(fā)展和升級。智能化變電站擁有數(shù)字化變電站的所有自動化功能和技術(shù)特征，二者的共同點(diǎn)無需討論。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，側(cè)重于在統(tǒng)一通信平臺的基礎(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，作為該平臺的重要節(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化技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢。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)展過程，是變電站內(nèi)的設(shè)備和系統(tǒng)集成化程度越來越高的過程。

　　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)通過局域網(wǎng)彼此互相連接，共享數(shù)據(jù)信息；簡化單個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時保持各個系統(tǒng)的相對獨(dú)立性。在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，數(shù)字化變電站內(nèi)的自動化系統(tǒng)可以進(jìn)行集成，分為三個層次，過程層集成、間隔層集成和變電站層集成。

　　變電站中每個控制和監(jiān)視設(shè)備都需要從過程輸入數(shù)據(jù)，然后輸出控制命令到過程。過程接口將完成被監(jiān)視和控制的開關(guān)場設(shè)備和變電站自動化系統(tǒng)的連接。數(shù)字化變電站中，集成化的一個體現(xiàn)是過程接口被直接集成到了過程中，也就是開關(guān)設(shè)備中。包括用于測量電流和電壓及氣體密度的電子傳感器、斷路器和隔離開關(guān)的位置指示器和傳動裝置都安裝在一個屏蔽的小盒子里，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體現(xiàn)是間隔層的集成化:構(gòu)筑一個通用的硬件和軟件平臺即統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置(UMD)，將間隔內(nèi)的控制、保護(hù)、測量等功能集成在這個通用的平臺上，通過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)時應(yīng)按各功能響應(yīng)時間要求進(jìn)行分類，并確定優(yōu)先級別。顯然，繼電保護(hù)、緊急控制等與