智能化變電站的概念及架構(gòu)

　　數(shù)字化變電站在過程層、間隔層和變電站層三個層次應(yīng)用的集成化技術(shù)，減少了變電站內(nèi)組件的數(shù)量，提高了元件質(zhì)量，增強(qiáng)自動化功能的協(xié)調(diào)水平，簡化了站內(nèi)接線，提高了運(yùn)行與控制的可靠性。

　　2、智能化變電站綜合集成化智能裝置及其功能結(jié)構(gòu)

　　數(shù)字化變電站在運(yùn)用集成技術(shù)之后，全站范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)交互通過光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。變電站層與間隔層之間現(xiàn)場距離長，數(shù)據(jù)交換量大，實(shí)時性要求高，需要與外部電網(wǎng)互聯(lián)互通。而間隔層與過程層之間數(shù)據(jù)交換，不同間隔之間的數(shù)據(jù)交換，都是局限于變電站內(nèi)，數(shù)據(jù)交換多是點(diǎn)對點(diǎn)，瞬時性的。若所有的間隔層設(shè)備與過程層設(shè)備之間的聯(lián)系完全依賴于光纖網(wǎng)絡(luò)，一旦光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或受到干擾，間隔層與過程層之間的聯(lián)系將非常不可靠，全站的所有自動化功能都可能因此受到影響而不能正常工作。

　　為了進(jìn)一步減少變電站內(nèi)元件(節(jié)點(diǎn))數(shù)量，降低間隔層自動化功能對光纖網(wǎng)絡(luò)的依賴性，將間隔層與過程層之間的聯(lián)系從對光纖網(wǎng)絡(luò)的依賴中解放，同時也為了進(jìn)一步簡化變電站的結(jié)構(gòu)，本文提出了一種將變電站內(nèi)過程層與間隔層一二次設(shè)備進(jìn)行一體化、智能化綜合集成的構(gòu)想，并以此提出智能化變電站的架構(gòu)體系。通過分析，認(rèn)為該綜合集成構(gòu)想以及智能化變電站架構(gòu)體系的實(shí)現(xiàn)，具有先進(jìn)性，能夠滿足未來智能電網(wǎng)發(fā)展的要求。

　　變電站一、二次設(shè)備的一體化、智能化集成，指除了過程層的測量與控制執(zhí)行等功能外，將目前變電站結(jié)構(gòu)中間隔層的保護(hù)、控制、監(jiān)視等功能也綜合集成到過程高壓設(shè)備現(xiàn)場，由就地安裝的綜合集成化智能裝置(Compositive Integrated Intelligent Device，CIID)一方面直接作用于一次設(shè)備，另一方面通過標(biāo)準(zhǔn)化的接日并入全站唯一的光纖總線，進(jìn)行各CIID之間，及CIID與變電站層的功能之間的信息共享與優(yōu)化協(xié)作。

　　智能化現(xiàn)場測控裝置(模塊)接受全網(wǎng)統(tǒng)一的同步時鐘信號，實(shí)現(xiàn)對一次設(shè)備的模擬量、開關(guān)量與狀態(tài)量的同步采集，按照全網(wǎng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)(如IEC61850)處理，為測得數(shù)據(jù)統(tǒng)一打上同步時間標(biāo)簽；也接受運(yùn)行控制模塊、繼電保護(hù)模塊等的控制命令，實(shí)現(xiàn)對一次設(shè)備操作的控制與執(zhí)行。繼電保護(hù)模塊在所有的模塊中享有最高優(yōu)先級，可以直接從智能化現(xiàn)場測控裝置獲取所需信息，以最短的時間做出反應(yīng)，并且在任何情況下其保護(hù)功能都不被閉鎖，同時還可通過標(biāo)準(zhǔn)化接口與其它一次設(shè)備的CIID的保護(hù)功能交互、配合。統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲模塊是CIID的木地信息數(shù)據(jù)庫，測量得到的所有的標(biāo)準(zhǔn)化模擬量、開關(guān)量與狀態(tài)量信息都在此存儲，提供給其它功能模塊，并可按照時間軸、屬性軸等對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的歸類與管理。同時，也可以記錄并存儲各個層次、各個模塊所有的面向?qū)?yīng)一次設(shè)備進(jìn)行操控的命令，以備查詢。運(yùn)行控制模塊從統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲模塊獲取木地設(shè)備的狀態(tài)信息，也可接受來自變電站層的指令或利用其它CIID的信息綜合判斷，實(shí)現(xiàn)對一次設(shè)備的自動控制、緊急控制，故障錄波與事件記錄，非正常狀態(tài)與故障狀態(tài)的恢復(fù)等功能。診斷監(jiān)視模塊實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視和診斷。軟件管理模塊可以對所有的功能模塊軟件進(jìn)行管理、更改和升級。CIID的硬件配置要求滿足所有自動化功能所需，并考慮冗余度。今后對CIID功能的增加或提升，只需通過軟件升級實(shí)現(xiàn)。

　　CIID內(nèi)各個模塊之間通過總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交互。對外經(jīng)由通信模塊，通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口與變電站層和其它的CIID通訊交互。通信管理模塊在綜合集成化智能裝置中處于“咽喉”的地位。裝置內(nèi)的各個功能模塊，需要與其它CIID的功能模塊進(jìn)行交互和協(xié)作，也需要向變電站層報(bào)告信息，并接受變電站層的指令。通信管理模塊需要對所有的功能模塊的所有信息進(jìn)行有效的組織和管理，以保證信息交互的可靠與高效。流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化接口的信息包括由變電站層向綜合集成化智能裝置的查詢命令、控制指令、調(diào)用指令等，包括由CIID向變電站層的實(shí)時運(yùn)行信息(包括模擬量、狀態(tài)量、開關(guān)量等)、故障錄波、事件報(bào)告等，以及各CIID間的互鎖和調(diào)用信息。智能化測控裝置是變電站基礎(chǔ)信息的根本來源，通過綜合集成化智能裝置的標(biāo)準(zhǔn)化接口接入站內(nèi)光纖以太網(wǎng)，可以構(gòu)成全站乃至全網(wǎng)范圍的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)信息平臺。

　　需要說明的是，上述功能模塊不是將各自動化系統(tǒng)裝置在安裝位置上進(jìn)行簡單的捆綁和疊加，而是在將所有自動化功能進(jìn)行全面綜合考慮后的升級優(yōu)化。優(yōu)化的目標(biāo)是:功能齊全、硬件冗余、實(shí)現(xiàn)功能的流程最簡化和最有效化。

　　考慮到今后新的技術(shù)與裝備出現(xiàn)及應(yīng)用的可能性，CIID仍然保留標(biāo)準(zhǔn)化的功能擴(kuò)展接口和裝備配置空間。智能化測控裝置中包含本地人機(jī)界面，只對測量信息進(jìn)行顯示，其它的設(shè)備狀態(tài)信息等都通過網(wǎng)絡(luò)在變電站層集中顯示。為保證功能的獨(dú)立性，減少功能互相之間的影響，提高可靠性，這些模塊的功能都由各自的CPU處理。

　　3、綜合集成的智能化變電站的架構(gòu)

　　綜合集成的智能化變電站的架構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)和功能總體上分為兩層，即智能設(shè)備層和變電站層。智能設(shè)備層主要由綜合集成化智能裝置(CIID)和高壓一次設(shè)備構(gòu)成，二者之間通過非常規(guī)電流互感器、非常規(guī)電壓互感器以及各類傳感器建立直接聯(lián)系。除了高壓開關(guān)設(shè)備之外，智能化變電站中的一次設(shè)備多了分布式電源接口和柔性交流輸電裝置(FACTS裝置)。由于CIID內(nèi)綜合集成了各個變電站自動化系統(tǒng)的功能模塊，因此可以實(shí)現(xiàn)并完成IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提出的變電站分層結(jié)構(gòu)中的過程層和間隔層的功能?？梢哉J(rèn)為智能設(shè)備層是對過程層和間隔層的集成。智能化變電站的變電站層的功能主要包括各個CIID在站級的管理和協(xié)調(diào)應(yīng)用，站級的一體化數(shù)據(jù)管理以及與遠(yuǎn)方調(diào)度控制中心和其它智能化變電站的信息交互、協(xié)調(diào)控制的管理等。當(dāng)多個智能化變電站實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的互聯(lián)時，即可構(gòu)成支撐智能電網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)。

圖1 綜合集成的智能化變電站的架構(gòu)

　　在該架構(gòu)中, 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。而CIID是核心, 它將控制、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。CIID 主要有以下幾個模塊:

　　1) 智能化現(xiàn)場測控模塊, 它接受全網(wǎng)統(tǒng)一的同步時鐘信號, 實(shí)現(xiàn)對一次設(shè)備的模擬量、開關(guān)量與狀態(tài)量的同步采集, 也接受運(yùn)行控制模塊、繼電保護(hù)模塊等的控制命令, 實(shí)現(xiàn)對一次設(shè)備操作的控制與執(zhí)行。

　　2) 繼電保護(hù)模塊, 它可以直接從智能化現(xiàn)場測控裝置獲取所需信息, 以最短的時間做出反應(yīng), 并且在任何情況下其保護(hù)功能都不被閉鎖,因此它是優(yōu)先級別最高的模塊。

　　3) 通信模塊, 通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口與變電站層和其它的CIID通訊交互。

　　五、智能化變電站的關(guān)鍵技術(shù)

　　智能化變電站通過全景廣域?qū)崟r信息統(tǒng)一同步采集，實(shí)現(xiàn)變電站自協(xié)調(diào)區(qū)域控制保護(hù)，支撐各級電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和各類高級應(yīng)用；智能化變電站設(shè)備信息和運(yùn)行維護(hù)策略與電力調(diào)度實(shí)現(xiàn)全面互動，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)監(jiān)測的設(shè)備全壽命周期綜合優(yōu)化管理；變電站主要設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化，為堅(jiān)強(qiáng)實(shí)體電網(wǎng)提供堅(jiān)實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)以上功能，本文認(rèn)為智能化變電站應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備融合、功能整合、結(jié)構(gòu)簡潔、信息共享、通訊可靠、控制靈活、接口規(guī)范、擴(kuò)展便捷、安裝模塊化、站網(wǎng)一體化等特點(diǎn)，應(yīng)包括以下技術(shù)內(nèi)容:

　　l、智能化變電站技術(shù)體系、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范研究。在對智能電網(wǎng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀、技術(shù)體系、實(shí)施進(jìn)程及發(fā)展趨勢進(jìn)行跟蹤、分析和*估的基礎(chǔ)上，依據(jù)《中國智能電網(wǎng)體系研究報(bào)告》，研究智能變電站與數(shù)字變電站的差異，給出智能變電站的內(nèi)涵、外延和應(yīng)用范圍；研究智能變電站內(nèi)各種設(shè)備和系統(tǒng)的物理特性、運(yùn)行邏輯及其輸入輸出的形式、介質(zhì)，抽象出物理和信息模型，并