智能变电站设备与设计框架分析与研究

摘 要：智能变电站是坚强智能电网的重要组成部分，变电站一、二次设备的智能化程度是智能变电站的重要标志。它可以实时准确地反映变电站各类设备的运行状态，及时发现设备存在隐患及出现的故障，在降低设备投入成本的同时，优化设备配置，提高设备效率。同时，还能够预知设备故障，提高调控中心提供设备的预知能力。智能变电站设计，采取以构建变电站智能化网络框架为前期基础。全站网络在逻辑功能上由站控层、间隔层、过程层组成。该框架是电网信息处理的基础，直接和能量系统耦合。

关键词：智能变电站；一次设备；二次设备；框架设计

1 概述

智能化一、二次设备作为智能化变电站重要基本元素主要采用统一的信息接口，实现设备运行状态实时监测、在线测量、控制、保护，以及信息通信数据交换技术一体的智能化设备，可以满足智能电网一体化的整体需求。智能化设备可以通过自身集成的状态监测设备做出可靠的自我评价，判断一次设备的运行状态，识别、传送故障的早期征兆，及时做出相应自制反应。在故障发生的同时对故障进行分析，对故障环节及损坏程度进行评估。并且满足电源接入和撤出电网的灵活性要求。

2 智能化一次设备

智能变电站与常规变电站的主要区别因素就是智能变电站智能化一次设备的配置能力要明显优于常规变电站。其数字化、网络化、可视化、状态评价是主要特点，通过建立设备在线监测模块、配置合并单元和智能终端，并采取传感器与设备的一体化安装建立起来的智能化程度远远优于常规变电站。此外，后台的集成系统将设备运行数据统一汇总整理分析，在提高设备运行管理质量的同时，为设备状态检修和远程自动化提供了便利条件，设备寿命不但得以延长，其全寿命周期成本还有效降低。

智能化一次设备包括以下三个组成部分：

（1）设备的本体。

（2）设备传感器，除某些带有执行器的一次设备（电动机）外，互感器基本都采取以下三种形式，一是在高压设备的元器件中安装，二是内置于高压设备本体，三是外置于高压设备本体。

（3）智能化组件，它主要是由设备测量装置、检测装置、计量装置、控制装置、保护装置集合而成，一次设备、传感器及智能化组建形成了一个有机整体，实现常规变电站与站内一次主设备相关的测量、控制、计量、监测、保护等全部或部分功能。智能组件与传感器之间通常由模拟信号电缆连接，与执行器之间通常由模拟信号电缆或光线网络连接。

智能一次设备包含传感器、执行器及智能组件。传感器采集模拟信号并传输到智能组件，经过智能组件处理，传送到执行器就地动作，另一部分无法就地完成的，由智能组件转化成数字信号传送到上一层。

智能设备技术要求：变电站一次设备应具备以下要求，良好的动作可靠性、与环境的适应性，并具备就地的智能组件。为了节省变电站空间，一次设备往往采用组合型，例如GIS。智能组件应具备既拆卸方便简洁又高度集成化、运行状态可视化、测量分析数字化、控制操作网络化的特点。智能组件一般由一个及以上的电子装置完成与站控层的数据交互，相关的IED装置也应具备时钟信息的识别及防误功能。同时还应具备守时、就地评估、事故预警等功能。所有保护及测控原件应具有标准物理接口，可以即插即用。在此基础上，应进一步优化网络配置方案，确保其功能的准确实现。

3 智能化二次设备

智能变电站对于智能电网来说，是重要组成部分，而智能化变电站的重要特征则体现在数字化的设备信息，紧凑化的结构组成，集成化的智能功能等方面。通过二次设备系统集约统筹，将大大减少接线施工、运行维护的工作量；通过二次系统优化整合，压缩功能房间的使用面积，有效降低设备能耗和全寿命周期成本，不断提高变电站运行管理水平，智能电网建设持续推进。

智能变电站应通过局域网络机制实现二次设备网络化信息交互，为智能化变电站二次系统网络化各种应用功能的实现提供了重要的技术支撑。变电站智能化系统配置规约：通常主机工作站、通信裝置、分析系统、智能接口设备组成了变电站站控层。间隔层设备主要包括测控、保护、计量、处理等装置，以及智能接口等设备。

4 智能变电站系统网络化构架

智能变电站网络系统采用高速以太网，且支持IEC61850规约，并满足传输速率大于800Mb/s，所有连接到以太网的各类设备必须具有必要的通信接口。

全站网络在逻辑功能上由站控层、间隔层、过程层组成。站控层网络拓扑采用星型结构。过程层网络分为SV（采样数据网）网和 GOOSE网，SV网和GOOSE网物理上相互独立，同样采用星型拓扑结构。保护采用双重化保护定值，相应的过程层网络也应该双重化配置，以及两个过程层网络完全独立，并满足继电保护点对点直采、直跳的原则。

站控层网络，设计构成站控层以太网，采用智能工作组网络交换设备；10kV网络系统通常属于站控层网络，所以采用智能工作组网络交换设备，通过光纤接入站控层；对于构成针对主变压器GOOSE控制网，采用符合IEC61850的工业级网络交换设备，且能支持GOOSE技术。

4.1 过程层

过程层（也称设备层）是为完成变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监测。由一次设备和二次设备构成，智能设备由一次设备和智能组件构成，此外还包括其配套的合并单元和智能终端。智能设备主要由顺序控制操作为宜。

4.2 间隔层

间隔层设备实现一个间隔的数据，并作用于该间隔一次设备，并且能够与各种远方输入/输出、智能传感器和控制器通信。由继电保护装置、测控装置等二次设备组成。

4.3 站控层

站控层为信息统一的存取平台，功能为将全站各类信息进行统一建模，并且建立全景信息统一采集、存储、处理、展示和上送的功能，为各种高级应用提供可靠、稳定和高效的数据。

5 结束语

智能化一、二次设备作为智能化变电站重要基本元素主要采用统一的信息接口，实现设备运行状态实时监测、在线测量、控制、保护，以及信息通信数据交换技术一体的智能化设备，可以满足智能电网一体化的整体需求。变电站智能化框架设计是智能化变电站的核心，是变电站能否达到智能化要求的关键。通过对智能变电站网络化框架的分析研究制定站控层、间隔层、过程层方案，从中优化，选择最终实施方案，使得变电站建设的经济性、适用性、稳定性、环保性都得到进一步提高。

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作者简介：邓志辉（1987-），江西崇仁人，毕业于南昌大学电力电子与电力传动专业，主要研究方向：电力系统设计与规划。