论文部分内容阅读
摘 要：本文从对比智能变电站与传统变电站的区别出发，介绍了智能变电站的技术特点与优势。然后浅析了智能变电站中使用的通用通信标准IEC61850，研究了该标准的优点以及在智能变电站中所解决的问题。最后，研究剖析了智能变电站的几个高级应用。
关键词：智能变电站;IEC61850;高级应用技术
1 绪论
随着我国科学技术、工业、经济等各方面的全面发展，电力系统的容量、可靠性、安全性都需要进行大幅度的提升，对于提高电力系统的自动化水平的要求也就愈加强烈，对系统的控制也更加困难。传统的变电站可靠性差、实操性不强等缺陷明显，很难再适用飞速发展的电网需求。因此，为解决这一问题，以IEC61850为标准的智能变电站应运而生，并获得了快速发展。本文主要研究了智能变电站的技术特点、通信标准以及一些高级应用技术。
2 智能变电站的技术特点
图1为传统变电站与智能变电站构架对比图。可以看到传统变电站内采用的都是一些常规设备，信号的采集、传输、控制需要使用数量庞大的二次电缆，成本高，接线复杂，不但信息数据采集烦琐，而且信息对象没有统一建模，装置之间也没有搭建信息通信平台，各子系统之间采集的数据、功能配置可能重复而造成浪费。二次电缆的大量使用也不利于提高系统的可靠性，且易对通信系统造成干扰。
相对于传统变电站，智能变电站在以下几个方面进行了创新：
（1）不再对传统的一、二次电气设备进行严格明确的划分，“智能设备”在完成传输、分配电能的任务的同时还具备了测量、保护、控制等一系列在传统变电站中由二次设备完成的功能。传统的二次设备的功能整合在智能设备中并以智能组件的形式体现出来。换句话说智能设备就是一次设备与智能组件的有机结合。智能组件可能具有一个功能单元，也可能是多个，比如RCS测控、RCS保护、PMU、MU或是一些其他的IED（Intelligent Electric Device）。当然也可能是多个装置的组合，如屏柜、GIS智能汇控柜等。
（2）传统变电站只有两层结构，站控层和间隔层[1]。而智能变电站创新性的增加了过程层，通过过程层完成对运行电网中各电气量（电压、频率波形等）的采集，实现对各主要电气设备的保护式监测，如高压开关设备或是变压器的温度、压力、绝缘等。过程层设备还能够接收并完成站控层主机或是间隔层设备发来的控制指令，实现遥控、遥调等功能。智能变电站站控层功能包括站域保护、远动系统、对时系统、通信系统、自动化系统、SCADA、PDC、操作闭锁、全站备自投、集中故障录波、低频/低压解列、保护信息管理[2]。
（3）智能变电站的站域保护是在变电站授权下采集实时信息。在这些采集的实时信息的基础上进行分布协同或者是集中分析的方法来判定是否发生了故障，进而自动决策是否做出调整或是使继电保护装置动作。
3 IEC61850标准分析
变电站中的电气设备繁多，多来自不同的生产厂家，他们之间没有统一的通信标准，虽然各厂家也为之努力过，想要制定一个统一的协议，因此出现了103协议，但是各生产商对该标准理解不一、实施不得力，最终导致他们建立的标准虽是以103协议为基础，但仍是五花八门，没能达到完全统一。因此同一变电站内使用不同厂家的电气设备甚至同一厂家不同设备在需要进行相互通信时必须进行复杂烦琐且价格昂贵的规约转换。而IEC61850通信协议的横空出世，使以上问题得到完美的解决。
IEC61850系列标准标准体系很是庞大，内容非常丰富，并没有局限于单纯的通信规约，目前基本所有的智能电气设备的建模都是基于IEC61850 SCL。
IEC61850采用的是分层的通信结构，将的通信网络划分为三层结构，即站控层、间隔层、过程层[3]。对变电站综合自动化系统中的信息对象进行统一建模，将底层通信和上层抽象服务分离开，再映射到相应的不同通信协议栈[45]。
IEC61850系列标准有以下几个特点：
（1）开放性。该标准基于一系列原有的标准，如IEEE/IEC/OSI/ISO，对此进行总结归纳，取其精华，吸收先进的新技术，内容丰富，体量大。
（2）先进性。①采用的技术先进，如：抽象通信服务接口、特定通信服务映射。②站控层网络采用抽象的MMS进行通信。③变电站的配置是通过基于XML1.0的SCL语言来进行描述的。④具有自我描述、在线读取和修改参数配置的功能，使更改配置更加方便快捷。
（3）完整性。适应对象全面，几乎包含了变电站中所有的智能电气设备。
IEC61850系列标准的几个显著优点：
（1）互操作性。解决了通信障碍，使互操性更好，允许同一站内来自不同的生产厂家的电气设备进行通信，共享数据。
（2）自由配置。允许不同的变电站根据各自的特点和功能需求进行灵活自由的配置。
（3）长期稳定性。该标准立足当下并面向未来，纵使电网的发展日新月异，对安全可靠性的要求越来越高，它仍能很好地适用。此外，它还能够适用迅速发展的通信技術。
4 智能变电站的高级应用技术
变电站高级应用的功能主要是着眼于建立同步、实时的基础信息采集技术，并对大量的基础信息的分布、预处理等信息架构进行搭建，以各种通信技术为基础在系统中进行整合和布局。智能变电站以需求为导向，允许电网应用实时智能控制、在线分析决策、协同互动等一系列高级功能[6]。
4.1 设备可视化
设备可视化就是对主要的电气设备的状态参数进行采集并以直观可见的形式通过调度中心的分析数据网络上传至上级系统。比如说将采集到的断路器、变压器的温度、压力等状态信息以图形、图像的形式。便于对运行中的设备进行监测、管理与实时控制。 4.2 智能控制
智能控制是智能变电站实现一系列高级应用程序的基础[7]，站内广泛使用的顺序控制、智能操作票、图像联动等都是智能控制的重要组成部分。顺序控制又称程序化操作，智能变电站中所有操作都是有一系列的标准、章程的，顺序控制就是以变电站规定的操作标准、操作顺序为基础，能够接收本地系统、监控中心以及调度中心的指令，然后由自动化系统按照相应的操作票规程程序化地执行所接受到的指令[8]。程序化、顺序化的操作大大降低了操作失误的可能性。
4.3 智能告警及分析决策
传统告警系统模式单一，采用的告警分类方式不能够准确的描述站内的具体信息，使运行人员不能够在第一时间准确地把握故障信息。
智能告警及分析决策系统能够多维度、多方式的反应告警信息，按照发生源以及嚴重程度对告警信息进行区分并以不同的形式发出告警。通过建立站内故障信息的逻辑和推理模型来实现对各种告警信息进行分类、过滤，并对变电站的运行状态情况进行在线的分析和推理，自动地对站内的出现的异常状况做出相应的告警，并能够同时根据不同的情况给出相应的处理方式指导。
4.4 经济运行与优化控制
智能变电站通过无功补偿装置的自动调节来实现对电压的调整从而达到经济运行与优化控制的目的。依靠变电站中的数据采集与监视控制（SCADA）系统采集运行数据，分析电网中的无功状态，并以此为依据采取相应地措施进行电压调整，具体方式有调节变压器分接头、投切电容器组等，以此减小电压波动，降低网损。
4.5 与大用户互动
智能变电站具有与外部系统进行信息交互的高级功能，既能实现电源间的互动，也能与大用户进行交流通信。大用户可以实时接收并显示变电站主动传输过来的各种信息，如电能质量、电能实时价格、电网负荷信息等等，使电能的交易更加公开透明，易于工作的开展，同时还能够刺激广大用户对电网安全进行监督与管理。
5 结论
通过分析，智能变电站优势明显，无疑将是我国变电站现阶段以及未来很长一段时间的主要发展方向，因此我国智能变电站的数量近年来也呈现出爆发式的增长趋势，技术方面也取得了快速的突破。但在不断发展的同时，在工程化应用中也有更多的技术问题和应用难题浮出水面，亟待我们进一步解决，比如说运维管理中存在的种种问题，IED全寿命周期资产管理问题等。智能变电站的发展如此迅速，这些问题在不久的将来都将会被很好地解决。
参考文献：
[1]田成凤.智能变电站相关技术研究及应用[D].天津大学，2010.
[2]张晓华，刘跃新，刘永欣，孙嘉，邱俊宏.智能变电站二次设备的状态监测技术研究[J].电气技术，2011（04）：4144.
[3]曹俊琳.杭州地区110kV智能变电站的设计方案及应用研究[D].华北电力大学，2015.
[4]吴宏斌.智能变电站技术工程应用的研究与实践[D].浙江大学，2010.
[5]赵妍.基于IEC61850保护测控装置的建模与通信[D].南京邮电大学，2013.
[6]郭世波.内蒙古包头东河110kV变电站状态检修改造方案[D].天津大学，2017.
[7]叶刚进.IEC 61850标准在智能化变电站工程化应用研究[D].华北电力大学，2012.
[8]杨锐.智能变电站中继电保护配置现状及分析[J].河南科技，2014（10）：160161.
作者简介：张登义（1970— ），男，汉族，山西朔州人，硕士，高级工程师，研究方向：电气自动化。
关键词：智能变电站;IEC61850;高级应用技术
1 绪论
随着我国科学技术、工业、经济等各方面的全面发展，电力系统的容量、可靠性、安全性都需要进行大幅度的提升，对于提高电力系统的自动化水平的要求也就愈加强烈，对系统的控制也更加困难。传统的变电站可靠性差、实操性不强等缺陷明显，很难再适用飞速发展的电网需求。因此，为解决这一问题，以IEC61850为标准的智能变电站应运而生，并获得了快速发展。本文主要研究了智能变电站的技术特点、通信标准以及一些高级应用技术。
2 智能变电站的技术特点
图1为传统变电站与智能变电站构架对比图。可以看到传统变电站内采用的都是一些常规设备，信号的采集、传输、控制需要使用数量庞大的二次电缆，成本高，接线复杂，不但信息数据采集烦琐，而且信息对象没有统一建模，装置之间也没有搭建信息通信平台，各子系统之间采集的数据、功能配置可能重复而造成浪费。二次电缆的大量使用也不利于提高系统的可靠性，且易对通信系统造成干扰。
相对于传统变电站，智能变电站在以下几个方面进行了创新：
（1）不再对传统的一、二次电气设备进行严格明确的划分，“智能设备”在完成传输、分配电能的任务的同时还具备了测量、保护、控制等一系列在传统变电站中由二次设备完成的功能。传统的二次设备的功能整合在智能设备中并以智能组件的形式体现出来。换句话说智能设备就是一次设备与智能组件的有机结合。智能组件可能具有一个功能单元，也可能是多个，比如RCS测控、RCS保护、PMU、MU或是一些其他的IED（Intelligent Electric Device）。当然也可能是多个装置的组合，如屏柜、GIS智能汇控柜等。
（2）传统变电站只有两层结构，站控层和间隔层[1]。而智能变电站创新性的增加了过程层，通过过程层完成对运行电网中各电气量（电压、频率波形等）的采集，实现对各主要电气设备的保护式监测，如高压开关设备或是变压器的温度、压力、绝缘等。过程层设备还能够接收并完成站控层主机或是间隔层设备发来的控制指令，实现遥控、遥调等功能。智能变电站站控层功能包括站域保护、远动系统、对时系统、通信系统、自动化系统、SCADA、PDC、操作闭锁、全站备自投、集中故障录波、低频/低压解列、保护信息管理[2]。
（3）智能变电站的站域保护是在变电站授权下采集实时信息。在这些采集的实时信息的基础上进行分布协同或者是集中分析的方法来判定是否发生了故障，进而自动决策是否做出调整或是使继电保护装置动作。
3 IEC61850标准分析
变电站中的电气设备繁多，多来自不同的生产厂家，他们之间没有统一的通信标准，虽然各厂家也为之努力过，想要制定一个统一的协议，因此出现了103协议，但是各生产商对该标准理解不一、实施不得力，最终导致他们建立的标准虽是以103协议为基础，但仍是五花八门，没能达到完全统一。因此同一变电站内使用不同厂家的电气设备甚至同一厂家不同设备在需要进行相互通信时必须进行复杂烦琐且价格昂贵的规约转换。而IEC61850通信协议的横空出世，使以上问题得到完美的解决。
IEC61850系列标准标准体系很是庞大，内容非常丰富，并没有局限于单纯的通信规约，目前基本所有的智能电气设备的建模都是基于IEC61850 SCL。
IEC61850采用的是分层的通信结构，将的通信网络划分为三层结构，即站控层、间隔层、过程层[3]。对变电站综合自动化系统中的信息对象进行统一建模，将底层通信和上层抽象服务分离开，再映射到相应的不同通信协议栈[45]。
IEC61850系列标准有以下几个特点：
（1）开放性。该标准基于一系列原有的标准，如IEEE/IEC/OSI/ISO，对此进行总结归纳，取其精华，吸收先进的新技术，内容丰富，体量大。
（2）先进性。①采用的技术先进，如：抽象通信服务接口、特定通信服务映射。②站控层网络采用抽象的MMS进行通信。③变电站的配置是通过基于XML1.0的SCL语言来进行描述的。④具有自我描述、在线读取和修改参数配置的功能，使更改配置更加方便快捷。
（3）完整性。适应对象全面，几乎包含了变电站中所有的智能电气设备。
IEC61850系列标准的几个显著优点：
（1）互操作性。解决了通信障碍，使互操性更好，允许同一站内来自不同的生产厂家的电气设备进行通信，共享数据。
（2）自由配置。允许不同的变电站根据各自的特点和功能需求进行灵活自由的配置。
（3）长期稳定性。该标准立足当下并面向未来，纵使电网的发展日新月异，对安全可靠性的要求越来越高，它仍能很好地适用。此外，它还能够适用迅速发展的通信技術。
4 智能变电站的高级应用技术
变电站高级应用的功能主要是着眼于建立同步、实时的基础信息采集技术，并对大量的基础信息的分布、预处理等信息架构进行搭建，以各种通信技术为基础在系统中进行整合和布局。智能变电站以需求为导向，允许电网应用实时智能控制、在线分析决策、协同互动等一系列高级功能[6]。
4.1 设备可视化
设备可视化就是对主要的电气设备的状态参数进行采集并以直观可见的形式通过调度中心的分析数据网络上传至上级系统。比如说将采集到的断路器、变压器的温度、压力等状态信息以图形、图像的形式。便于对运行中的设备进行监测、管理与实时控制。 4.2 智能控制
智能控制是智能变电站实现一系列高级应用程序的基础[7]，站内广泛使用的顺序控制、智能操作票、图像联动等都是智能控制的重要组成部分。顺序控制又称程序化操作，智能变电站中所有操作都是有一系列的标准、章程的，顺序控制就是以变电站规定的操作标准、操作顺序为基础，能够接收本地系统、监控中心以及调度中心的指令，然后由自动化系统按照相应的操作票规程程序化地执行所接受到的指令[8]。程序化、顺序化的操作大大降低了操作失误的可能性。
4.3 智能告警及分析决策
传统告警系统模式单一，采用的告警分类方式不能够准确的描述站内的具体信息，使运行人员不能够在第一时间准确地把握故障信息。
智能告警及分析决策系统能够多维度、多方式的反应告警信息，按照发生源以及嚴重程度对告警信息进行区分并以不同的形式发出告警。通过建立站内故障信息的逻辑和推理模型来实现对各种告警信息进行分类、过滤，并对变电站的运行状态情况进行在线的分析和推理，自动地对站内的出现的异常状况做出相应的告警，并能够同时根据不同的情况给出相应的处理方式指导。
4.4 经济运行与优化控制
智能变电站通过无功补偿装置的自动调节来实现对电压的调整从而达到经济运行与优化控制的目的。依靠变电站中的数据采集与监视控制（SCADA）系统采集运行数据，分析电网中的无功状态，并以此为依据采取相应地措施进行电压调整，具体方式有调节变压器分接头、投切电容器组等，以此减小电压波动，降低网损。
4.5 与大用户互动
智能变电站具有与外部系统进行信息交互的高级功能，既能实现电源间的互动，也能与大用户进行交流通信。大用户可以实时接收并显示变电站主动传输过来的各种信息，如电能质量、电能实时价格、电网负荷信息等等，使电能的交易更加公开透明，易于工作的开展，同时还能够刺激广大用户对电网安全进行监督与管理。
5 结论
通过分析，智能变电站优势明显，无疑将是我国变电站现阶段以及未来很长一段时间的主要发展方向，因此我国智能变电站的数量近年来也呈现出爆发式的增长趋势，技术方面也取得了快速的突破。但在不断发展的同时，在工程化应用中也有更多的技术问题和应用难题浮出水面，亟待我们进一步解决，比如说运维管理中存在的种种问题，IED全寿命周期资产管理问题等。智能变电站的发展如此迅速，这些问题在不久的将来都将会被很好地解决。
参考文献：
[1]田成凤.智能变电站相关技术研究及应用[D].天津大学，2010.
[2]张晓华，刘跃新，刘永欣，孙嘉，邱俊宏.智能变电站二次设备的状态监测技术研究[J].电气技术，2011（04）：4144.
[3]曹俊琳.杭州地区110kV智能变电站的设计方案及应用研究[D].华北电力大学，2015.
[4]吴宏斌.智能变电站技术工程应用的研究与实践[D].浙江大学，2010.
[5]赵妍.基于IEC61850保护测控装置的建模与通信[D].南京邮电大学，2013.
[6]郭世波.内蒙古包头东河110kV变电站状态检修改造方案[D].天津大学，2017.
[7]叶刚进.IEC 61850标准在智能化变电站工程化应用研究[D].华北电力大学，2012.
[8]杨锐.智能变电站中继电保护配置现状及分析[J].河南科技，2014（10）：160161.
作者简介：张登义（1970— ），男，汉族，山西朔州人，硕士，高级工程师，研究方向：电气自动化。