一、智能變電站的概念
智能化變電站是數字化變電站的升級和發展，在數字化變電站的基礎上，結合智能電網的需求，對變電站自動化技術進行充實以實現變電站智能化功能。從智能電網體系結構看，智能變電站是智能電網運行與控制的關鍵。作為銜接智能電網發電、輸電、變電、配電、用電和調度六大環節的關鍵，智能化變電站是智能電網中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調整電壓的重要電力設施，是智能電網“電力流、信息流、業務流”三流匯集的焦點，對建設堅強智能電網具有極為重要的作用。
除了變壓器、開關設備、輸配電線路及其配套設備之外，智能化變電站在硬件上的兩個重要特征是大量新型柔性交流輸電技術及裝備的應用，以及風力發電、太陽能發電等間歇性分布式清潔電源的接入。這兩個變化，在提高變電站功能的同時也增加了其復雜程度。智能化變電站自動化系統應當增加對柔性交流輸電設備和分布式電源接口的智能化管理和控制功能。
根據國家電網公司《智能變電站技術導則》，智能化變電站是采用先進的傳感器、信息、通信、控制、智能等技術，以一次設備參量數字化和標準化、規范化信息平臺為基礎，實現變電站實時全景監測、自動運行控制、與站外系統協同互動等功能，達到提高變電可靠性、優化資產利用率、減少人工干預、支撐電網安全運行，可再生能源“即插即退”等目標的變電站。其內涵為可靠、經濟、兼容、自主、互動、協同，并具有一次設備智能化、信息交換標準化、系統高度集成化、運行控制自動化、保護控制協同化、分析決策在線化等技術特征。
二、智能化變電站的功能特征
智能化變電站的設計和建設，必須在智能電網的背景下進行，要滿足我國智能電網建設和發展的要求，體現我國智能電網信息化、數字化、自動化、互動化的特征。智能化變電站應當具有以下功能特征：
1、緊密聯結全網。從智能化變電站在智能電網體系結構中的位置和作用看，智能化變電站的建設，要有利于加強全網范圍各個環節間聯系的緊密性，有利于體現智能電網的統一性，有利于互聯電網對運行事故進行預防和緊急控制，實現在不同層次上的統一協調控制，成為形成統一堅強智能電網的關節和紐帶。智能化變電站的“全網”意識更強，作為電網的一個重要環節和部分，其在電網整體中的功能和作用更加明顯和突出。
2、支撐智能電網。從智能化變電站的自動化、智能化技術上看，智能化變電站的設計和運行水平，應與智能電網保持一致，滿足智能電網安全、可靠、經濟、高效、清潔、環保、透明、開放等運行性能的要求。在硬件裝置上實現更高程度的集成和優化，軟件功能實現更合理的區別和配合。應用FACTS技術，對系統電壓和無功功率，電流和潮流分布進行有效控制。
3、高電壓等級的智能化變電站滿足特高壓輸電網架的要求。特高壓輸電線路將構成我國智能電網的骨干輸電網架，必須面對大容量、高電壓帶來的一系列技術問題。特高壓變電站應能可靠地應對和解決在設備絕緣、斷路開關等方面的問題，支持特高壓輸電網架的形成和有效發揮作用。
4、中低壓智能化變電站允許分布式電源的接入。在未來的智能電網中，一個重要的特征是大量的風能、太陽能等間歇性分布式電源的接入。智能化變電站是分布式電源并網的入口，從技術到管理，從硬件到軟件都必須充分考慮并滿足分布式電源并網的需求。大量分布式電源接入，形成微網與配電網并網運行模式。這使得配電網從單一的由大型注入點單向供電的模式，向大量使用受端分布式發電設備的多源多向模塊化模式轉變。與常規變電站相比，智能化變電站從繼電保護到運行管理都應做出調整和改變，以滿足更高水平的安全穩定運行需要。
5、遠程可視化。智能化變電站的狀態監測與操作運行均可利用多媒體技術實現遠程可視化與自動化，以實現變電站真正的無人值班，并提高變電站的安全運行水平。
6、裝備與設施標準化設計，模塊化安裝。智能化變電站的一二次設備進行高度的整合與集成，所有的裝備具有統一的接口。建造新的智能化變電站時，所有集成化裝備的一、二次功能，在出廠前完成模塊化調試，運抵安裝現場后只需進行聯網、接線，無需大規模現場調試。一二次設備集成后標準化設計，模塊化安裝，對變電站的建造和設備的安裝環節而言是根本性的變革。可以保證設備的質量和可靠性，大量節省現場施工、調試工作量，使得任何一個同樣電壓等級的變電站的建造變成簡單的模塊化的設備的聯網、連接，因而可以實現變電站的“可復制性”，大大簡化變電站建造的過程，而提高了變電站的標準化程度和可靠性。出于以上需求的考慮，智能化變電站必須從硬件到軟件，從結構到功能上完成一個飛越。
三、智能化變電站與數字化變電站的區別
智能化變電站與數字化變電站有密不可分的聯系。數字化變電站是智能化變電站的前提和基礎，是智能化變電站的初級階段，智能化變電站是數字化變電站的發展和升級。智能化變電站擁有數字化變電站的所有自動化功能和技術特征，二者的共同點無需討論。木文認為智能化變電站與數字化變電站的差別主要體現在以下3個方面：
1、數字化變電站主要從滿足變電站自身的需求出發，實現站內一、二次設備的數字化通信和控制，建立全站統一的數據通信平臺，側重于在統一通信平臺的基礎上提高變電站內設備與系統間的互操作性。而智能化變電站則從滿足智能電網運行要求出發，比數字化變電站更加注重變電站之間、變電站與調度中心之間的信息的統一與功能的層次化。需要建立全網統一的標準化信息平臺，作為該平臺的重要節點，提高其硬件與軟件的標準化程度，以在全網范圍內提高系統的整體運行水平為目標。
2、數字化變電站己經具有了一定程度的設備集成和功能優化的概念，要求站內應用的所有智能電子裝置(IED)滿足統一的標準，擁有統一的接口，以實現互操作性。 IED分布安裝于站內，其功能的整合以統一標準為紐帶，利用網絡通信實現。數字化變電站在以太網通信的基礎上，模糊了一、二次設備的界限，實現了一、二次設備的初步融合。而智能化變電站設備集成化程度更高，可以實現一、二次設備的一體化、智能化整合和集成。
3、智能電網擁有更大量新型柔性交流輸電技術及裝備的應用，以及風力發電、太陽能發電等間歇式分布式清潔電源的接入，需要滿足間歇性電源“即插即用”的技術要求。
四、智能化變電站架構
1、數字化變電站的集成化
集成化總是變電站自動化技術的發展方向和趨勢。從常規變電站，到數字化變電站，再到智能化變電站的發展過程，是變電站內的設備和系統集成化程度越來越高的過程。
數字化變電站用微機處理和光纖數字通信優化變電站層和間隔層的功能配置;控制、保護和運行支持系統通過局域網彼此互相連接，共享數據信息;簡化單個系統的結構，同時保持各個系統的相對獨立性。在此基礎上更進一步，數字化變電站內的自動化系統可以進行集成，分為三個層次，過程層集成、間隔層集成和變電站層集成。
變電站中每個控制和監視設備都需要從過程輸入數據，然后輸出控制命令到過程。過程接口將完成被監視和控制的開關場設備和變電站自動化系統的連接。數字化變電站中，集成化的一個體現是過程接口被直接集成到了過程中，也就是開關設備中。包括用于測量電流和電壓及氣體密度的電子傳感器、斷路器和隔離開關的位置指示器和傳動裝置都安裝在一個屏蔽的小盒子里，集成到一次設備中，即所謂的智能化一次設備。
數字化變電站集成化的另一個體現是間隔層的集成化：構筑一個通用的硬件和軟件平臺即統一的多功能數字裝置(UMD)，將間隔內的控制、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據和狀態量，實現數據共享。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計來實現。
間隔統一多功能裝置集成了較多的功能，在設計時應按各功能響應時間要求進行分類，并確定優先級別。顯然，繼電保護、緊急控制等與保護相關的功能，需要響應速度快，處于最優先級別，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生，但可以延時或閉鎖。監視、自我診斷、控制功能在正常和出現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通信網絡組合在統一的系統中。變電站層和過程層的集成功能劃分原則是：凡是間隔層能夠執行的功能不應由變電站層完成。
數字化變電站在過程層、間隔層和變電站層三個層次應用的集成化技術，減少了變電站內組件的數量，提高了元件質量，增強自動化功能的協調水平，簡化了站內接線，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構
數字化變電站在運用集成技術之后，全站范圍內的數據交互通過光纖以太網實現。變電站層與間隔層之間現場距離長，數據交換量大，實時性要求高，需要與外部電網互聯互通。而間隔層與過程層之間數據交換，不同間隔之間的數據交換，都是局限于變電站內，數據交換多是點對點，瞬時性的。若所有的間隔層設備與過程層設備之間的聯系完全依賴于光纖網絡，一旦光纖網絡出現故障或受到干擾，間隔層與過程層之間的聯系將非常不可靠，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元件(節點)數量，降低間隔層自動化功能對光纖網絡的依賴性，將間隔層與過程層之間的聯系從對光纖網絡的依賴中解放，同時也為了進一步簡化變電站的結構，本文提出了一種將變電站內過程層與間隔層一二次設備進行一體化、智能化綜合集成的構想，并以此提出智能化變電站的架構體系。通過分析，認為該綜合集成構想以及智能化變電站架構體系的實現，具有先進性，能夠滿足未來智能電網發展的要求。
變電站一、二次設備的一體化、智能化集成，指除了過程層的測量與控制執行等功能外，將目前變電站結構中間隔層的保護、控制、監視等功能也綜合集成到過程高壓設備現場，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化協作。
智能化現場測控裝置(模塊)接受全網統一的同步時鐘信號，實現對一次設備的模擬量、開關量與狀態量的同步采集，按照全網統一的標準(如IEC61850)處理，為測得數據統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，實現對一次設備操作的控制與執行。繼電保護模塊在所有的模塊中享有最高優先級，可以直接從智能化現場測控裝置獲取所需信息，以最短的時間做出反應，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備的CIID的保護功能交互、配合。統一數據存儲模塊是CIID的木地信息數據庫，測量得到的所有的標準化模擬量、開關量與狀態量信息都在此存儲，提供給其它功能模塊，并可按照時間軸、屬性軸等對信息數據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對應一次設備進行操控的命令，以備查詢。運行控制模塊從統一數據存儲模塊獲取木地設備的狀態信息，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，實現對一次設備的自動控制、緊急控制，故障錄波與事件記錄，非正常狀態與故障狀態的恢復等功能。診斷監視模塊實現對設備的狀態監視和診斷。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。
CIID 內各個模塊之間通過總線結構實現交互。對外經由通信模塊，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。裝置內的各個功能模塊，需要與其它CIID的功能模塊進行交互和協作，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、狀態量、開關量等)、故障錄波、事件報告等，以及各CIID間的互鎖和調用信息。智能化測控裝置是變電站基礎信息的根本來源，通過綜合集成化智能裝置的標準化接口接入站內光纖以太網，可以構成全站乃至全網范圍的標準化基礎信息平臺。
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化。優化的目標是：功能齊全、硬件冗余、實現功能的流程最簡化和最有效化。
考慮到今后新的技術與裝備出現及應用的可能性，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，其它的設備狀態信息等都通過網絡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
綜合集成的智能化變電站的架構如圖1所示，其結構和功能總體上分為兩層，即智能設備層和變電站層。智能設備層主要由綜合集成化智能裝置(CIID)和高壓一次設備構成，二者之間通過非常規電流互感器、非常規電壓互感器以及各類傳感器建立直接聯系。除了高壓開關設備之外，智能化變電站中的一次設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內綜合集成了各個變電站自動化系統的功能模塊，因此可以實現并完成IEC61850標準提出的變電站分層結構中的過程層和間隔層的功能。可以認為智能設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在站級的管理和協調應用，站級的一體化數據管理以及與遠方調度控制中心和其它智能化變電站的信息交互、協調控制的管理等。當多個智能化變電站實現標準化的互聯時，即可構成支撐智能電網的重要節點。
在該架構中，變電站中每個控制和監視設備都需要從過程輸入數據，然后輸出控制命令到過程。而CIID是核心，它將控制、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據和狀態量，實現數據共享。CIID主要有以下幾個模塊：
1)智能化現場測控模塊，它接受全網統一的同步時鐘信號，實現對一次設備的模擬量、開關量與狀態量的同步采集，也接受運行控制模塊、繼電保護模塊等的控制命令，實現對一次設備操作的控制與執行。
2)繼電保護模塊，它可以直接從智能化現場測控裝置獲取所需信息，以最短的時間做出反應，并且在任何情況下其保護功能都不被閉鎖，因此它是優先級別最高的模塊。
3)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。
五、智能化變電站的關鍵技術
智能化變電站通過全景廣域實時信息統一同步采集，實現變電站自協調區域控制保護，支撐各級電網的安全穩定運行和各類高級應用;智能化變電站設備信息和運行維護策略與電力調度實現全面互動，實現基于狀態監測的設備全壽命周期綜合優化管理;變電站主要設備實現智能化，為堅強實體電網提供堅實的設備基礎。為實現以上功能，本文認為智能化變電站應當實現設備融合、功能整合、結構簡潔、信息共享、通訊可靠、控制靈活、接口規范、擴展便捷、安裝模塊化、站網一體化等特點，應包括以下技術內容：
l、智能化變電站技術體系、技術標準及技術規范研究。在對智能電網的國內外現狀、技術體系、實施進程及發展趨勢進行跟蹤、分析和*估的基礎上，依據《中國智能電網體系研究報告》，研究智能變電站與數字變電站的差異，給出智能變電站的內涵、外延和應用范圍;研究智能變電站內各種設備和系統的物理特性、運行邏輯及其輸入輸出的形式、介質，抽象出物理和信息模型，并基于統一的建模方法實現自描述;開展對智能電網發展基礎體系、技術支撐體系、智能應用體系、標準規范體系、運維體系及技術*價體系的研究。
2、智能化一、二次設備智能化集成技術研究。涉及變壓器、開關設備、輸配電線路及其配套設備、以及新型柔性電氣設備(裝置)等電力系統中各種一次設備與控制、保護、狀態診斷等相關二次設備的智能化集成技術。這些一次設備實現智能化集成后，實體電網將是一個由各種對內(面向自身)具備完善控制、保護、診斷等功能，對外(面向整個系統)具有數字化、標準(規范)化信息接口并發揮不同功能作用的智能體的有機組合，這些智能體能夠在智能化電網控制決策系統的協調控制下，既相對獨立又友好合作，共同完成智能電網的運行目標。
3、智能化變電站全景信息采集及統一建模技術研究。主要指智能化變電站基礎信息的數字化、標準(規范)化、一體化實現及相關技術研究，實現廣域信息同步實時采集，統一模型，統一時標，統一規范，統一接口，統一語義，為實現智能電網能量流、信息流、業務流一體化奠定基礎。智能化信息采集系統與裝置研究，利用基于同步綜合數據采集同時適用于傳統變電站和數字化變電站的新型測控模式，實現各類信息的一體化采集，包括與智能變電站有關的電源(含可再生能源)、負荷、線路、微電網的全景信息采集。此外還包括標準信息模型及交換技術研究，信息存儲與管理技術研究，信息分析和應用集成技術研究，信息安全關鍵技術與裝備研究，智能化變電站同步時鐘推廣應用研究等。
4、智能化變電站系統和設備系統模型的自動重構技術研究。研究變電站自動化系統中智能裝置的自我描述和規范;研究基于以太網的智能裝置的即插即用技術：研究變電站自動化監控系統對智能裝置的識別技術、自動建模技術;研究當智能裝置模型發生變化時的系統自適應和系統模型重構技術;研究自動化系統對智能裝置的模型進行校驗，對智能裝置的功能及其模件進行測試、檢查的交互技術;研究當變電站運行方式發生變化時，智能測控和保護裝置在線自動重構運行模型的方法，后臺系統自動修改智能裝置的功能配置和參數整定的技術;研究自動化系統在智能裝置故障時對故障節點的快速定位、切除和模型自適應技術。
5、基于電力電子的智能化柔性電力設備的研發及其應用技術的研究，包括不同柔性電力設備的拓撲結構研究，數學模型研究，功能特性及其對電網影響仿真與試驗研究，以及自身控制與相互間協調控制策略研究等。目前己在電力系統中獲得不同程度應用的智能化柔性電力設備主要包括晶閘管控制串聯補償器(TCSC)、靜止無功補償器(SVC)、靜止同步補償器(STATCOM)、有源濾波器(APF)等，它們在改善電力系統控制性能、提高系統電壓穩定性與電能質量等運行品質方面發揮了重要作用;處于研發或不同程度試驗中的柔性電力設備還有靜止無功發生器(SVG)、固態限流器(SSFCL)、統一潮流控制器(UPFC)、靜止同步串聯補償器(SSSC)、晶閘管控制移相器(TCPST)等，這些設備投運后，必將進一步改善、提高電力系統的控制性能、運行穩定性、電能質量等運行品質。隨著智能電網建設的步伐的推進，必將研發出更多不同功能的柔性電力設備并在電力系統中獲得應用。
6、間歇性分布式電源接入技術的研究。風能、太陽能等清潔能源，具有如下特點：儲量豐富地區大多較為偏遠;能量不夠集中，相對分散;受氣象變化及生物活動的影響，能量波動明顯，用于發電，則出力呈現間歇性波動特性等。因此，清潔能源可再生并網發電(稱為間歇性電源)直接接入電網，將對電力系統運行的安全性、穩定性、可靠性以及電能質量等方面造成沖擊和影響，對電力系統的備用容量提出更高要求。另外，間歇性電源發電裝置需按峰值功率設計投資，在能量波動大的情況下，裝機容量的可利用率低。如何解決能量波動問題，是間歇性電源發展和利用面臨的主要挑戰。智能化變電站作為間歇性電源并入智能電網的接口，必須考慮并發展對應的柔性并網技術，實現對間歇性電源的功率預測、實時監視、靈活控制，以減輕間歇性電源對電網沖擊和影響。
7、智能化變電站廣域協同控制保護技術研究。研究基于變電站統一數據平臺的廣域協同控制保護的原理、實現方式、同步時間源技術、高速高精度測量技術、等間隔采樣下的電氣量計算技術、數據建模及交換技術、廣域網時間傳遞技術、智能多代理系統、智能設備之間數據標準交換技術等。
轉自北極星電力網新聞中心
