探究智能变电站的结构

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摘要：智能变电站是我国智能电网建设的重要环节，国内已有多个智能变电站建成投产，根据其过程层设备和间隔层设备之间的通信方式不同，其典型结构形式主要有三种。简要介绍了智能变电站的概念与系统结构，并分析阐述了三种不同结构形式之间的差别和优缺点。

关键词:智能电网;变电站;结构

中图分类号：U665.12文献标识码： A 文章编号：

一、智能变电站的概念

根据《智能变电站技术导则》的定义，智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的设备组合而成，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级应用功能的变电站。

二、智能变电站的系统结构

目前，智能变电站系统结构从逻辑结构层面分析，主要包括过程层、间隔层和站控层三个层次。

1.过程层

过程层由独立的智能电子装置和一次设备及其所属的智能组件构成，其中，一次设备主要包括隔离开关、断路器、电流/电压互感器、变压器等。归纳起来，过程层的主要功能有：系统运行过程中实时检测各种电气量，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测；运行设备的状态参数检测，如断路器、隔离开关的位置信息等；设备操作的控制执行与驱动，如分、合断路器，隔离开关等。

2.间隔层

间隔层设备主要由二次设备组成。这些二次设备主要有系统测控装置、继电保护装置、计量装置和故障录波装置等。间隔层只采用一个间隔的数据作用于该间隔一次设备的功能，也就是和控制器、传感器以及远方的输入、输出设备实现通信。归纳起来，间隔层的主要功能有：优先控制统计运算、数据采集等控制指令的发出；实时汇总本间隔过程层的数据；实现本间隔操作的闭锁功能；实现上下结构的通信功能；保护并控制一次设备的运行；实现操作同期和其他控制功能。

站控层

站控层位于变电站自动化系统的最上层，包括自动化站级通信系统、对时系统、站域控制、监控系统、网络打印服务器等，对整个变电站的设备进行监控、报警以及信息的传递，主要用于数据、同步相量和电能量的采集，负责管理保护信息，具有监控、操作闭锁等功能。归纳起来，站控层的主要功能有：利用两级高速网络实现全站数据信息的实时汇总，刷新实时数据库，在设定的时间点登录历史数据库；接收控制中心或调度中心的控制指令，同时将其传输至过程层和间隔层；在线维护过程层和间隔层的设备运行，对参数实施在线修改；具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；自动分析变电站故障，可进行操作培训；根据规定将相关数据传输至控制中心或调度中心；可实现站内监控和人机联系；实现各种智能变电

站高级应用。

三、智能变电站的不同结构形式

智能变电站从最初的试点工程阶段到大规模建设阶段，由于相关技术的发展水平和应用需求的不同，在智能变电站技术发展的不同阶段出现了不同的结构形式，主要差别在于过程层设备和间隔层设备之间的通信方式。

1“.点对点”结构的智能变电站

常规变电站在结构上就是按照间隔划分的“点对点”结构，每个间隔的底层设备信息，如电流、电压、位置信息等，通过电缆硬接线直接接入到本间隔的二次设备上，因此“点对点”结构的智能变电站系统实现起来最为简单。所谓“点对点”结构，就是指测量数据由合并单元通过光纤直接连接到需要数据的保护、测控、计量、录波等装置；设备的控制信号也是由保护、测控等装置直接通过光纤连接到被控制设备的智能终端。其结构示意图如图1所示。

与常规变电站比较，“点对点”结构的智能变电站只是用光纤代替了电缆，并不能实现过程层信息的共享，没能完全发挥出智能变电站应有的优势。在实现母差等复杂保护功能时，仍然需要把每个间隔的信息通过光纤直接连接到母差保护装置上，光纤接线仍较复杂和繁多。同时，全站故障录波等自动化功能也未能得到很好的解决。因此，随着智能变电站技术的发展，“点对点”模式必将被全站信息共享的模式所取代。

2.基于网络交换机的分布式智能变电站

电子式互感器、智能一次设备和智能组件等技术的不断成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的应用不断成熟，为智能变电站系统以及基于全站信息共享的保护和自动化技术的研究提供了良好的机会。采用工业以太网交换机作为过程总线，取代“点对点”光纤直连的方式，可以实现过程层信息的网络交换和共享。其方式系统结构如图2所示。

此种结构形式的特点：采用网络交换机实现网络通信，简化了大量的光纤直连接线，为过程层数据的交换和共享打下了坚实的基础。在此结构的基础上，实现母差保护等复杂保护功能将非常容易。这种结构更好地发挥了智能变电站在信息交换方面的优势。

3.过程层分布采集、间隔层集中控制的智能变电站过程层采用分布式结构，用合并单元和智能终端实现数据采集；间隔层集中处理，采用系统控制器实现全站保护和自动化功能；通信网络采用网络交换机实现信息的交换和共享。该系统结构如图3所示。

过程层分布采集、间隔层集中控制的智能变电站系统包含两类关键技术：

（1）保护、自动化功能整合技术。常规变电站的二次装置主要有继电保护、测控单元、故障录波器、同步相量测量单元等装置，这些装置之间相互独立，无法形成一体化的站控层应用系统。IEC61850标准为一体化平台的实现提供了有力支持，可将测控、保护、录波、同步向量测量等装置整合成一体化的智能装置，在站控层也提供集成应用后台系统，为运行人员提供一体化功能环境。

（2）全站统一配置的集中式保护技术。集中式保护汇总了变电站每个设备的信息，在此基础上可以实现母差保护等较复杂的保护功能。集中式保护技术不但可以利用变电站每个设备的信息，而且可以利用同一设备在不同时刻的信息，从而实现保护的快速性、选择性、可靠性和灵敏性。并能实现一些变电站的站级控制功能，如无功补偿、自动电压控制等功能。

四、智能变电站不同结构形式方案比较

1“.点对点”结构的智能变电站方案

“点对点”结构形式的智能变电站，过程层设备和间隔层设备通过“点对点”的光纤直接连接，同一间隔内的过程层设备和间隔层设备存在对应关系。“点对点”结构模式的通信通道是相互独立的，不会因网络问题造成信息阻塞；“点对点”模式与常规变电站架构相似，可以遵循以往常规变电站的经验进行配置，最为简单，在通信方面出现问题的概率最小。“点对点”模式的智能变电站的主要缺点是不能实现数据的共享，且光纤接线复杂、繁多。由于“点对点”结构的智能变电站不仅技术上简单可靠，而且比较实现容易，所以，这种方案在很多的智能变电示范工程中得到应用。

2.基于网络共享的全分布式智能变电站方案

此方案采用网络交换机实现全站信息的共享，过程层采用合并单元和智能终端实现数字化、信息化，间隔层按间隔和功能配置了保护和自动化装置，这种方案的最主要优点就是实现了全站信息的共享，同时能够降低单一间隔设备故障时产生的影响。基于网络共享的分布式方案还不能基于共享信息配置全站的保护和自动化功能，难以全面发挥智能变电站信息共享的主要优势；同时，由于存在着大量的间隔层二次设备，使得网络结构复杂，也增加了智能变电站二次系统的造价。此方案适合用在对变电站可靠性要求很高的高电压等级枢纽变电站，可通过分布式间隔层设备承担不同间隔的功能，以提高系统的可靠性。

3.基于网络共享的集中式智能变电站方案

基于网络共享的集中式智能变电站方案，完全采用以太网交换技术实现全站信息的共享，过程层同样采用合并单元和智能终端实现数字化和信息化，与全分布式智能变电站方案不同的是，间隔层采用集中控制装置实现全站的保护和自动化功能。该方案优点是基于共享信息配置全站的保护和自动化功能，提高了智能变电站的自动化水平；同时简化了间隔层二次设备，大大降低了工程造价。利用集中控制装置的同时，也产生了相关的可靠性风险，集中控制装置如果出现故障，对智能变电站的安全运行将会造成非常大的影响，因此通常需要配置冗余系统。集中式的结构也给按间隔停电检修带来问题，适用于低电压等级的智能化变电站或高电压等级智能化变电站的低压部分。

4.基于网络共享的集中、分布相结合的智能变电站方案

基于网络共享的集中、分布相结合的智能变电站结构方案，综合了集中式和分布式的优点，同时也克服了集中和分布式自身的缺点，根据变电站的实际情况配置集中、分布的功能，例如对高电压等级采用分布功能，对低电压等级采用集中功能，这种结构形式的智能变电站将是未来的发展目标。