智能變電站研究與應(yīng)用

1、（2014 2015年度第二學(xué)期）課程名稱：工程項(xiàng)目管理案例專題名稱： 智能變電站專題院 系：電氣與電子工程學(xué)院班 級(jí)： 研電*班學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名： _*日期：2015年5月4日智能變電站的研究綜述一、緒論研究背景和意義21世紀(jì)初，智能電網(wǎng)（Smart Grid）在歐美國家得到發(fā)展，為全世界電力工業(yè)在安全可靠、 優(yōu)質(zhì)高效、 綠色環(huán)保等方面開辟了新的發(fā)展空間。 國內(nèi)外電力企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者逐步形成“智能電網(wǎng)”的未來電網(wǎng)發(fā)展理念，并著手開展一系列研究與實(shí)踐工作1 。在我國， 智能電網(wǎng)建設(shè)是根據(jù)能源分布與符合消費(fèi)地域分布特點(diǎn)， 以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、 各電壓等級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)， 為

2、適應(yīng)當(dāng)前和未來社會(huì)發(fā)展所采取的電網(wǎng)發(fā)展方式， 以實(shí)現(xiàn)能源資源的大范圍、 高效率配置。 我國智能電網(wǎng)的建設(shè)已經(jīng)上升至國家戰(zhàn)略層面的高度1-2 。在國家電網(wǎng)公司發(fā)布的智能電網(wǎng)規(guī)劃報(bào)告中， 對(duì)變電環(huán)節(jié)發(fā)展提出如下目標(biāo)“在設(shè)備信息和運(yùn)行維護(hù)策略與電力調(diào)度三個(gè)環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)全面互動(dòng)， 以實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的全壽命周期綜合優(yōu)化管理。 將現(xiàn)有的和規(guī)劃中的樞紐及中心變電站建成或改造成智能化變電站。 藉此全面實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的集中管理、 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸以及電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制和智能調(diào)節(jié)等功能， 為各級(jí)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障， 并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)各類高級(jí)應(yīng)用。 ” 2 實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和高品質(zhì)運(yùn)行以及經(jīng)濟(jì)性的過

3、程中， 智能變電站是重要的組成部分。 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)研究與開發(fā)的主要內(nèi)容就是將智能變電站建設(shè)完善,這也是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié) 1-3。數(shù)字化變電站技術(shù)是智能變電站的基礎(chǔ)，主要強(qiáng)調(diào)以數(shù)字方式交換信息，而智能化變電站在設(shè)備功能方面強(qiáng)調(diào)自檢和在線監(jiān)測， 其重要特征為智能化。 智能變電站的技術(shù)準(zhǔn)備和建設(shè)是分階段實(shí)現(xiàn)的。 目前， 智能變電站以數(shù)字化變電站為基礎(chǔ)，融入在線監(jiān)測、高級(jí)應(yīng)用以及輔助設(shè)施等功能2-6 。根據(jù)國家智能電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃，到 2015 年，新建智能變電站達(dá)5182 座左右，其中新建750 千伏智能變電站約 19 座， 500 千伏智能變電站約 182 座，330 千伏智能變電

4、站約 60 座， 220 千伏智能變電站約 1198 座， 110（ 66） 千伏智能變電站約 3710 座；改造 64 座 500 千伏、 18 座 330 千伏、 320 座 220 千伏、630 座 110（66） 千伏變電站。 中國產(chǎn)業(yè)洞察網(wǎng)發(fā)布的 2013-2017年中國智能電網(wǎng)行業(yè)分析及發(fā)展前景預(yù)測報(bào)告顯示，智能變電站發(fā)展前景依然廣闊 2 。.研究現(xiàn)狀智能變電站的一次設(shè)備智能化，即“一次設(shè)備+智能終端+傳感器”3 ，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測是和狀態(tài)檢修一次設(shè)備的， 信息采集數(shù)字化采用電子式互感器或“常規(guī)互感器+合并單元”模式。保護(hù)采用直采直跳方案，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用“三層兩網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)。智能變

5、電站由數(shù)字化變電站演變而來，經(jīng)過不斷地發(fā)展提升，技術(shù)已經(jīng)日臻完善。 相比其它環(huán)節(jié)， 智能變電站已經(jīng)處于大規(guī)模推廣的環(huán)節(jié)。 2011 年以后所有新建變電站全面按照變電站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)， 并且對(duì)已有的樞紐及中心變電站進(jìn)行智能化改造。 新建智能變電站速度保持較快增速， 在后期， 智能變電站改造比例將逐步提升。 中國智能變電站行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告顯示，在 2013 年第六批招標(biāo)之前，智能變電站的增進(jìn)速度保持較快增速，與規(guī)劃目標(biāo)基本相符， 但是最近的智能變電站招標(biāo)比例有所下降。 主要原因是： 前期國家電網(wǎng)推進(jìn)的智能變電站運(yùn)行效果未達(dá)到預(yù)期；智能變電站制造成本降低速度較慢，造價(jià)依然較高； 國家

6、電網(wǎng)正在積極推進(jìn)第二代智能變電站試點(diǎn)新項(xiàng)目， 預(yù)計(jì)會(huì)放緩現(xiàn)有智能變電站建設(shè)進(jìn)度以及降低智能變電站招標(biāo)比例。 隨著新一代智能變電站試點(diǎn)項(xiàng)目逐步投入運(yùn)營， 智能變電站比例將繼續(xù)提升， 建設(shè)進(jìn)度將不斷加快2 。在智能變電站的相關(guān)技術(shù)方面，根據(jù)國網(wǎng)統(tǒng)一制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，重點(diǎn)在一次設(shè)備智能化、電子式互感器、一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、高級(jí)應(yīng)用、一體化電源、輔助系統(tǒng)智能化等幾個(gè)方面進(jìn)行試點(diǎn)建設(shè)3-4 。在數(shù)字化變電站的實(shí)現(xiàn)方面，ABB SIEMENS等國外的電力設(shè)備公司已經(jīng)開 發(fā)了全套的一次設(shè)備及二次設(shè)備，在完成 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)制定的過程中，設(shè)備問 互操作試驗(yàn)已在各廠家進(jìn)行，并應(yīng)用于示范變電站。二、智能變電

7、站概述各國對(duì)智能電網(wǎng)的定義和功能概述不同， 而我國的智能變電站派生于智能電網(wǎng)，完成既有定義標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的功能。2.1.定義智能變電站是采用先進(jìn)、 可靠、 集成、 環(huán)保的智能設(shè)備， 以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、 信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求， 自動(dòng)完成信息采集、 測量、 控制、 保護(hù)、計(jì)量和檢測等基本功能，同時(shí)支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線決策分析和協(xié)同互動(dòng)等功能的變電站。2.2.IEC61850標(biāo)準(zhǔn)IEC6185而準(zhǔn)是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)參考吸收了已有的IEC870-5-101遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、IEC870-5-103t電保護(hù) 信息接口標(biāo)準(zhǔn)、UCA2.

8、0設(shè)備通信協(xié)議等相關(guān)控制、通信、制造協(xié)議。目的是通過 對(duì)設(shè)備的一系列標(biāo)準(zhǔn)化，使其形成規(guī)范的輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的無縫連接7 。2.3.體系結(jié)構(gòu)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將只能變電站通信體系分為3層：過程層、間隔層、站控層。過程層包含由一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成的智能設(shè)備、 合并單元和智能終端等電能接受和輸入設(shè)備8 ，完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護(hù)、計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測等相關(guān)功能。根據(jù)國網(wǎng)的相關(guān)導(dǎo)則的要求，保護(hù)宜采用直跳方式 9 。 智能一次設(shè)備主要包括智能變壓器、 智能高壓開關(guān)設(shè)備、 電子互感器等。間隔層包含繼電保護(hù)裝置、測控裝置、母線保護(hù)單元等二次設(shè)備，實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔

9、一次設(shè)備的功能， 實(shí)現(xiàn)與各種遠(yuǎn)方輸入輸出設(shè)備、智能傳感器和控制器的通信功能。站控層包含自動(dòng)化系統(tǒng)、站域控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)面向全站或一個(gè)以上一次設(shè)備的測量和控制功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（ SCADA） 、 及時(shí)報(bào)警、 操作閉鎖以及同步相量采集、 電能量采集、 保護(hù)信息管理 等相關(guān)功能。站控層是高度集成的數(shù)據(jù)處理、控制中心。三、關(guān)鍵技術(shù)及其特點(diǎn)雖然智能變電站在電力領(lǐng)域的使用領(lǐng)域和發(fā)展時(shí)間比較短暫， 但智能變電站的發(fā)展卻十分迅速， 在許多方面都取得了突破性的進(jìn)展。 但在實(shí)際應(yīng)用過程中還是存在一些技術(shù)或管理上的問題，以下是對(duì)智能變電站關(guān)鍵技術(shù)的總結(jié)：電子互感器電子互感器作為

10、智能變電站過程層的重要組成部分， 與傳統(tǒng)互感器相比具有絕緣簡單、 體積小、 重量輕、 動(dòng)態(tài)范圍寬、 無磁飽和、 二次側(cè)可開路或短路危險(xiǎn)、測量精度高等優(yōu)點(diǎn) 5-6。按遠(yuǎn)端模塊是否需要供電， 電子式互感器可分為有源式互感器和無源式互感器。 有源式電子互感器主要采用羅氏線圈和電阻電容或電感分壓方式； 無源式互感器利用法拉第磁光效應(yīng) (電流互感器) 和 Pockels 電光效應(yīng) (電壓互感器) ， 主要有磁光玻璃和全光纖兩種方式。比較這幾種電子互感器，有以下特點(diǎn)：有源式電流互感器在運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、 溫度影響和運(yùn)行穩(wěn)定性上有一定的優(yōu)勢，可以直接以模擬量形式輸出到就近的開關(guān)裝置。 也可結(jié)合光纖技術(shù)進(jìn)行信息傳遞以

11、簡化互感器的絕緣結(jié)構(gòu)，便于高壓電網(wǎng)使用。全光纖型電子互感器易受到震動(dòng)及應(yīng)力雙折射影響，但在測量動(dòng)態(tài)范圍及線性度方面優(yōu)于磁光玻璃型無源電子式電流互感器。對(duì)于羅氏線圈及低功率線圈型有源互感器， 羅氏線圈受溫度影響較小， 容易滿足在很寬電流范圍內(nèi)的高精度測量要求， 但在暫態(tài)電流的測量和保護(hù)方面存在不足。 低功率空心線圈的測量精度易受工作環(huán)境和安裝條件的影響， 尤其是骨架材料、線圈、雜散參數(shù)都受到溫度的影響，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。另外，空心線圈在小電流下輸出信號(hào)太弱，測量范圍存在死區(qū)。4)對(duì)于Pockels效應(yīng)原理的無源互感器，除運(yùn)行穩(wěn)定性及溫度的影響外，性能均優(yōu)于基于法拉第電磁感應(yīng)原理的有源互感器。在線監(jiān)

12、測技術(shù)隨著電力系統(tǒng)智能化程度的提高，變電站逐漸采用無人值班方式，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)在集控站、 調(diào)度端及相關(guān)管理部門的遠(yuǎn)方等對(duì)設(shè)備狀況進(jìn)行全面檢測， 為設(shè)備的 “狀態(tài)檢修”提供技術(shù)支持及理論依據(jù)。 在線監(jiān)測不僅可以減少設(shè)備不必要的檢修工作量， 提高了檢修效率， 而且可以減少設(shè)備停運(yùn)檢修的次數(shù)，改善和提高供電可靠性6,10 。在線監(jiān)測的內(nèi)容主要包括：1)主變的油色譜分析、局部放電、發(fā)熱溫升、接地電流；GIS開關(guān)設(shè)備的SF6氣體密度、微水測試、局部放電、發(fā)熱溫升；3)避雷器的泄漏電流、動(dòng)作次數(shù)、發(fā)熱溫升；4)接地網(wǎng)、蓄電池、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、環(huán)境的狀態(tài)等參數(shù)。根據(jù) 智能變電站技術(shù)導(dǎo)則 ， 在線監(jiān)測單元

13、由傳感器采集設(shè)備的狀態(tài)信息，采集前端對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 通過在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)層后臺(tái)主機(jī)，并由高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器對(duì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，部分?jǐn)?shù)據(jù)源和處理結(jié)果通過遠(yuǎn)動(dòng)工作站上傳至集控站、調(diào)度端及管理部門。同步對(duì)時(shí)智能變電站的二次系統(tǒng)通常包含光式互感器、合并單元、交換機(jī)、保護(hù)測控裝置等，相對(duì)傳統(tǒng)變電站，測量、保護(hù)、控制等部分的信息傳遞、共享程度和實(shí)時(shí)性的要求大幅度提高， 對(duì)同步系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格的要求。 傳統(tǒng)變電站對(duì)時(shí)是通過判斷動(dòng)作順序?qū)崿F(xiàn)， 不影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。 智能變電站由于具有協(xié)同互動(dòng)功能， 必須有精確的絕對(duì)時(shí)標(biāo)。 目前全球定位系統(tǒng)( GPS， Global

14、 Positioning System)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用很多，GPS同步設(shè)備通過硬接線利用脈沖信號(hào)進(jìn)行對(duì)時(shí)，具有精度高、成本低的特點(diǎn)，其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟。但是變電站數(shù)字化的發(fā)展趨勢使得站內(nèi)二次硬接線被串行通信線所取代，IEC6185曲準(zhǔn)引入了簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議SNTP (Simple Network Time Protocol)作為網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)協(xié)議4,10。IED 通信IED 是智能變電站間隔層的關(guān)鍵設(shè)備，與站控層服務(wù)器、一次設(shè)備的在線監(jiān)測裝置以及相應(yīng)保護(hù)裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)工作和雙向的數(shù)據(jù)通信， 在智能變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。根據(jù)IEC61850協(xié)議對(duì)實(shí)際的IED設(shè)備進(jìn)行建模

15、，實(shí)現(xiàn)不同廠家IED設(shè)備之間信息交換的目的，解決不同廠家的設(shè)備之間通 信協(xié)議不兼容的問題7,10。IED在智能變電站系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)以下工功能：協(xié)調(diào)功能。 與站控層一體化信息平臺(tái)以及過程層一次設(shè)備智能終端進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，IED接收站控層的控制命令，進(jìn)行處理后發(fā)送至一次設(shè)備智能終端；并 接收智能終端上傳的數(shù)據(jù)，上傳過程中的數(shù)據(jù)至站控層一體化信息平臺(tái)。2）傳輸功能。IED與智能變電站外部設(shè)備之間進(jìn)行重要信息的傳輸，例如時(shí) 鐘同步信息的傳輸。3）數(shù)據(jù)處理。IED對(duì)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行就地處理運(yùn)算，并對(duì)設(shè)備故障信息 進(jìn)行存儲(chǔ)、本地顯示。4）嵌入IEC61850協(xié)議。IED通過對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行IEC61850協(xié)

16、議封裝，統(tǒng)一 不同的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互操作性以及變電站的信息共享。軟件、硬件的集成傳統(tǒng)變電站中信息的采集和處理過程是通過中央處理器與外圍芯片或設(shè)備的配合來完成的， 大量的數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯分析過程以及一些高級(jí)應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)都集中于中央處理器中。 但是這種設(shè)計(jì)的弊端在于一方面中央處理器本身集成的資源有限， 不能滿足智能變電站不斷增加的實(shí)時(shí)信息處理的需要， 另一方面處理器本身集成的許多硬件資源不能滿足智能變電站的需要而被閑置， 造成資源浪費(fèi)。隨著現(xiàn)代電子學(xué)的發(fā)展， 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)逐漸呈現(xiàn)模型化、 集成化、 自動(dòng)化的特點(diǎn)，使得硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)針對(duì)功能的模塊化設(shè)計(jì)。軟件構(gòu)件是指具有一定功能、 能夠獨(dú)立工作或同

17、其他構(gòu)件裝配完成協(xié)調(diào)工作的程序體。構(gòu)件技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在不同粒度上對(duì)一組代碼或類等進(jìn)行組合和封裝，以完成一個(gè)或多個(gè)功能的特定服務(wù)， 進(jìn)而為用戶提供接口。 可以減少智能變電站在功能軟件的集成和開發(fā)活動(dòng)中大量的重復(fù)性勞動(dòng)， 提高變電站軟件的效率和靈活度，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，加強(qiáng)系統(tǒng)功能間的互操作性，提高系統(tǒng)的可靠性和自愈性12。技術(shù)、管理水平對(duì)于智能變電站來講，是對(duì)傳統(tǒng)變電站的一種創(chuàng)新，從變電站的基建到變電站的運(yùn)行與維護(hù)等環(huán)節(jié)， 都需要新的技術(shù)手段和設(shè)備工具。 智能變電站的技術(shù)特點(diǎn)也決定了平時(shí)的維護(hù)工作高度融合了保護(hù)、通信、自動(dòng)化等專業(yè)知識(shí)。因此，智能變電站的運(yùn)行、 建造和維護(hù)工作需要有相關(guān)專

18、業(yè)技術(shù)的人才來開展實(shí)施， 而目前智能變電站方面的人才有限、 工作人員的專業(yè)水平也有待提高， 如果過度依賴廠家技術(shù)服務(wù)，對(duì)智能變電站的后期運(yùn)維工作不利。除了技術(shù)水平要求全面外，運(yùn)行管理方面也很重要，智能化系統(tǒng)增加了順序控制、協(xié)同互助、在線監(jiān)測等高級(jí)應(yīng)用功能。雖然提高了工作效率，但同時(shí)也對(duì)運(yùn)行人員提出了更高的要求。 而且智能變電站的新建及改造數(shù)量快速增大， 對(duì)智能變電站的運(yùn)行、維護(hù)工作也需要給予足夠的重視10,13 。改造實(shí)施方案目前國內(nèi)存在傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化變電站兩大模式。 傳統(tǒng)變電站存在采集資源重復(fù)、系統(tǒng)多套、廠站設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜、互操作性差、信息不標(biāo)準(zhǔn)、不規(guī)范等問題； 數(shù)字化變電站的過程層設(shè)備

19、穩(wěn)定性和可靠性有待驗(yàn)證， 缺乏相關(guān)評(píng)估體系和手段等問題。 所以智能筆電站的改造過程還處于不斷實(shí)踐的過程， 還沒有比較理想的實(shí)施方案，影響了智能變電站的推廣和普及工作。如何更有效、規(guī)范的進(jìn)行智能化改造是亟需解決的問題10 0綠色環(huán)保智能變電站的定義，首先是要采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè) 備。隨著城市的快速發(fā)展，對(duì)電力的需求越來越大，但由于變電站進(jìn)城難落地難 的問題，大力發(fā)展占地更小，更加環(huán)保的集成式智能變電站已成為今后發(fā)展的大 趨勢。為了符合當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展現(xiàn)狀，在加強(qiáng)變電站的建設(shè)時(shí)，要堅(jiān)持節(jié)能環(huán)保、 可持續(xù)發(fā)展的原則。通過資源優(yōu)化、設(shè)備配置優(yōu)化等一系列方式，不斷研究創(chuàng)新， 實(shí)現(xiàn)智能變電站真