智能變電站的概念、構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)

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、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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。原來控制、保護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)計來實現(xiàn)。

間隔統(tǒng)一多功能裝置集成了較多的功能，在設(shè)計時應(yīng)按各功能響應(yīng)時間要求進行分類，并確定優(yōu)先級別。顯然，繼電保護、緊急控制等與保護相關(guān)的功能，需要響應(yīng)速度快，處于最優(yōu)先級別，決不能被非保護功能所閉鎖。測量變量的計算、故障錄波、事件記錄，雖然與保護過程同時發(fā)生，但可以延時或閉鎖。監(jiān)視、自我診斷、控制功能在正常和出現(xiàn)故障時都不允許閉鎖保護功能。變電站層的集成是自動化需要在站級處理的各個功能通過站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)組合在統(tǒng)一的系統(tǒng)中。變電站層和過程層的集成功能劃分原則是：凡是間隔層能夠執(zhí)行的功能不應(yīng)由變電站層完成。

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，增強自動化功能的協(xié)調(diào)水平，簡化了站內(nèi)接線，提高了運行與控制的可靠性。

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)交換多是點對點，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。

為了進一步減少變電站內(nèi)元件(節(jié)點)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，認為該綜合集成構(gòu)想以及智能化變電站架構(gòu)體系的實現(xiàn)，具有先進性，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、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 (CompositiveIntegratedIntelligentDevice，CIID)一方面直接作用于一次設(shè)備，另一方面通過標準化的接日并入全站唯一的光纖總線，進行各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)一的標準(如IEC61850)處理，為測得數(shù)據(jù)統(tǒng)一打上同步時間標簽;也接受運行控制模塊、繼電保護模塊等的控制命令，實現(xiàn)對一次設(shè)備操作的控制與執(zhí)行。繼電保護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功能都不被閉鎖，同時還可通過標準化接口與其它一次設(shè)備的CIID的保護功能交互、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準化模擬量、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)備進行操控的命令，以備查詢。運行控制模塊從統(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現(xiàn)。

CIID 內(nèi)各個模塊之間通過總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)交互。對外經(jīng)由通信模塊，通過標準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的功能模塊進行交互和協(xié)作，也需要向變電站層報告信息，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)標準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向變電站層的實時運行信息(包括模擬量、狀態(tài)量、開關(guān)量等)、故障錄波、事件報告等，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準化接口接入站內(nèi)光纖以太網(wǎng)，可以構(gòu)成全站乃至全網(wǎng)范圍的標準化基礎(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行簡單的捆綁和疊加，而是在將所有自動化功能進行全面綜合考慮后的升級優(yōu)化。優(yōu)化的目標是：功能齊全、硬件冗余、實現(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仍然保留標準化的功能擴展接口和裝備配置空間。智能化測控裝置中包含本地人機界面，只對測量信息進行顯示，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，因此可以實現(xiàn)并完成IEC61850標準提出的變電站分層結(jié)構(gòu)中的過程層和間隔層的功能。可以認為智能設(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現(xiàn)標準化的互聯(lián)時，即可構(gòu)成支撐智能電網(wǎng)的重要節(jié)點。

圖1 綜合集成的智能化變電站的架構(gòu)