基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變電站應(yīng)用方案

引 言

智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可用于智能電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、變電、配電和調(diào)度等多個(gè)環(huán)節(jié)。構(gòu)建智能電網(wǎng)需要引用最先進(jìn)的技術(shù)，包括感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能決策技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及能源電力技術(shù)等，并將它們緊密結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)相互協(xié)調(diào)的有機(jī)體系。智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展離不開(kāi)以下幾方面因素：雙向、高效、實(shí)時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) ；智能化、精細(xì)化的管理及決策 ；準(zhǔn)確、智能的數(shù)據(jù)采集與控制[1]。然而，目前智能電網(wǎng)建設(shè)尚在起步階段，如何從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的角度審視智能電網(wǎng)的功能需求搭建智能電網(wǎng)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，尚待進(jìn)一步深入研究探討，尤其智 能配電站這個(gè)環(huán)節(jié)至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)是一 個(gè)形式多樣、涉及社會(huì)及生活各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng) [2]。本文基 于物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用為背景，討論分析智能電網(wǎng)的 功能需求和系統(tǒng)功能組成，作為應(yīng)用案例提出一種智能變電 站解決方案。

1 智能電網(wǎng)功能需求分析

對(duì)于面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，主要目的是使電力系統(tǒng)生成環(huán)節(jié)的信息化得到有效提高，同時(shí)提高自動(dòng)化程度[3]。智能電網(wǎng)是相對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級(jí)和跨越，目前還沒(méi)有一個(gè)明確的定義，但它代表了電力系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向，強(qiáng)調(diào)的是“堅(jiān)強(qiáng)” 和“智能”兩個(gè)基本內(nèi)涵。以堅(jiān)強(qiáng)為基礎(chǔ)發(fā)展智能化，就是以能夠防御多重故障、防止外力破壞、防災(zāi)抗災(zāi)的堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代通信技術(shù)平臺(tái)為支撐，以大數(shù)據(jù)分析智能決策控制為手段，將覆蓋所有電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)（包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各環(huán)節(jié)）實(shí)現(xiàn)電力流、信息流及業(yè)務(wù)流的有機(jī)融合。也就是說(shuō)，具備智能電網(wǎng)性能的電力系 統(tǒng)需要涵蓋指向家庭用戶、公共用戶以及工廠用戶傳輸電力的 各種電力網(wǎng)絡(luò)，并能兼容各類電源和用戶的接入與退出。智能 電網(wǎng)全景視圖如圖 1 所示。

智能電網(wǎng)作為能源輸送和配置的重要平臺(tái)主要應(yīng)在以下幾個(gè)方面凸顯智能化。

(1) 作為電力系統(tǒng)，應(yīng)能夠堅(jiān)強(qiáng)可靠 ：①全面支撐特高壓交、直流輸電網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于大范圍的資源優(yōu)化配置，節(jié)約有效裝機(jī)容量 ；②適應(yīng)并促進(jìn)清潔能源的發(fā)展，利用大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)，使清潔能源成為更加經(jīng)濟(jì)、高效的能源供給方式；

③實(shí)現(xiàn)高度智能化的電網(wǎng)調(diào)度，做到在線智能分析、預(yù)警和決策，實(shí)現(xiàn)交直流混合電網(wǎng)的精益化自動(dòng)控制 ；④實(shí)現(xiàn)高效、靈活、優(yōu)質(zhì)的電力配送，具備接納分布式能源系統(tǒng)的接入能力。

(2) 對(duì)于用電客戶具備綜合服務(wù)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間的實(shí)時(shí)互動(dòng) ：①借助雙向供電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電源、電網(wǎng)、用戶協(xié)調(diào)互動(dòng)營(yíng)銷 ；②完善需求側(cè)智能管理，改善電能質(zhì)量。例如，采取分布式電源、智能電表、分時(shí)電價(jià)等手段平衡電網(wǎng)負(fù)荷，節(jié)約電量消費(fèi)；③具有電動(dòng)汽車充放電機(jī)制和配套的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，為智能建筑、智能家電、智能交通等領(lǐng)域提供電網(wǎng)的綜合服務(wù)。

(3) 在信息處理方面，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)管理的信息化和精益化，實(shí)時(shí)評(píng)估電網(wǎng)的健康狀態(tài)。智能電網(wǎng)覆蓋電網(wǎng)各環(huán)節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)，信息通信是智能電網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng)，因此應(yīng)具備利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)、信息融合技術(shù)以及可視化技術(shù)等對(duì)信息資源進(jìn)行集中管理、挖掘、分析、反饋的智能決策系統(tǒng)， 為電網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析與處理提供一體化的管理手段。

(4) 在網(wǎng)絡(luò)安全方面，基于智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)更廣、交互更多、技術(shù)更新、用戶更廣的基本特征，應(yīng)形成智能電網(wǎng)下的信息安全體系體制，確保智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保障電網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全。

總之，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)領(lǐng)域，通過(guò)有效整合電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等資源，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的電力流、信息流及業(yè)務(wù)流的一體化融合，優(yōu)化資源配置，以充分滿足用戶對(duì)電力的需求。

2 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)建設(shè)，就是在電力生產(chǎn)、輸送及消費(fèi)各個(gè)環(huán)節(jié)，部署具有感知能力、計(jì)算能力和執(zhí)行能力的感知設(shè)施，采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通過(guò)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)， 實(shí)現(xiàn)信息的安全可靠傳輸、協(xié)同處理、應(yīng)用集成。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)， 把這種面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)稱為電力物聯(lián)網(wǎng)。依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，電力物聯(lián)網(wǎng)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層 3 層。

(1) 感知層。感知層主要通過(guò)部署各種新型微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器、嵌入式智能傳感器、智能采集設(shè)備等實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)相關(guān)信息的識(shí)別和采集。

(2) 網(wǎng)絡(luò)層依托電力信息通信網(wǎng)如電力無(wú)線寬帶網(wǎng)、無(wú)線傳感網(wǎng)、光傳輸網(wǎng)、公共通信網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)感知層和應(yīng)用層之間的電力信息傳輸。

(3) 應(yīng)用層主要采用智能計(jì)算、模式識(shí)別等技術(shù)對(duì)感知層所感知的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析和處理，實(shí)現(xiàn)智能化決策、控制和服務(wù)。

依據(jù)美國(guó)能源部關(guān)于智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，智能電網(wǎng) 主要由輸電自動(dòng)化、系統(tǒng)協(xié)同與態(tài)勢(shì)評(píng)估、系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度、配 電自動(dòng)化、可再生能源接入、能源效率、分布式發(fā)電與儲(chǔ)能、 需求參與信號(hào)和方案，以及智能家電 9 大部分組成。圖 1 給出 了一個(gè)從電力產(chǎn)生一直到被傳送到終端用戶的過(guò)程。首先，由 發(fā)電廠（包括煤電、水電、核能、太陽(yáng)能、地?zé)峒帮L(fēng)能等）將 電力生產(chǎn)出來(lái)。為了減少遠(yuǎn)距離傳輸所產(chǎn)生的線路損耗，一 般是生產(chǎn)和傳輸高壓電（110 kV ～ 400 kV）。然后通過(guò)分發(fā)網(wǎng) 絡(luò)傳送給終端用戶。分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的特性在于其是層級(jí)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)， 高壓線與（初級(jí)）變電站相連并將電壓由高壓降低至中壓，中 壓進(jìn)一步通過(guò)二次變電站降至低壓。一般通過(guò)一次變電站通 常減少 40 kV ～ 60 kV，線電壓慢慢降低直到達(dá)到用戶變壓器 的要求，或通過(guò)二次變電站達(dá)到 380/220 V。在變電站經(jīng)過(guò)一連串的變壓后，將電流從電力源頭傳輸至每個(gè)最終用戶，并在 終端用戶處利用智能電表監(jiān)測(cè)電力的使用情況，或完成其他功 能。例如，在控制中心通過(guò)數(shù)據(jù)分析工具、智能決策系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)資源優(yōu)化配置。顯然，智能電網(wǎng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng) 綜合應(yīng)用系統(tǒng)。

從電力物聯(lián)網(wǎng)的組成來(lái)講，有多種智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方 案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度等各 個(gè)環(huán)節(jié)的智能化。目前，電力物聯(lián)網(wǎng)可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的典型系 統(tǒng)為 ：①在電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)，建立風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電廠微氣象監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)，保證水電站安全運(yùn)行的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組狀 態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、火力發(fā)電站的煙氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。②在輸配 電環(huán)節(jié)，建立輸電線路在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，桿塔安全防護(hù)系統(tǒng)， 高壓電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，智能變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)， 包括二次變電站的監(jiān)控和變電站狀態(tài)檢修、智能巡檢系統(tǒng)等。 ③在用電側(cè)，建立智能用電服務(wù)系統(tǒng)包括智能計(jì)量、智能用電 小區(qū)服務(wù)系統(tǒng)、電動(dòng)汽車智能充放電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、用電信息采集 以及電力資源管理系統(tǒng)等。然后，再將這些智能化系統(tǒng)綜合 集成，即可實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基本功能。

3 智能變電站解決方案

在電力物聯(lián)網(wǎng)中，智能變電站具有舉足輕重的地位。智能變電站是一種新型變電站模式。智能配電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括配電自動(dòng)化技術(shù)、配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)、智能配電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)等，只有綜合各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)系統(tǒng)的功能建設(shè)[4]。其智能化水平主要體現(xiàn)在一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、信息交換標(biāo)準(zhǔn)化等方面。變電站只有更加自動(dòng)化、智能化，才能滿足電網(wǎng)的智能化需求。

智能變電站相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且使用常規(guī)型電源和互感器件的傳統(tǒng)變電站來(lái)說(shuō)，在技術(shù)架構(gòu)上需要進(jìn)行重大改變，例如用電子互感器和智能一次設(shè)備替代傳統(tǒng)互感器和傳統(tǒng)一次設(shè)備等。從系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的角度，依照IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)可以將智能變電站系統(tǒng)分為站內(nèi)邏輯控制層（簡(jiǎn)稱站控層）、間隔層和過(guò)程層（也稱設(shè)備層）以及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)幾個(gè)部分分別予以實(shí)現(xiàn)。一種智能變電站網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

3.1 站控層

站控層是變電站的主要控制系統(tǒng)，包含變電站就地操作后臺(tái)系統(tǒng)、外部數(shù)據(jù)交換接口和通用功能服務(wù)系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的全面采集（SCADA）和實(shí)時(shí)共享， 支撐電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)視控制、防誤閉鎖、電壓無(wú)功控制、區(qū)域安全穩(wěn)定控制和信息管理等相關(guān)功能，做到一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、信息交換標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)行控制自動(dòng)化。站控層主要包括主機(jī)、操作員工作站、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)等。在人與計(jì)算機(jī)相互交叉與聯(lián)系的平臺(tái)內(nèi)，站控層提供管控中心、設(shè)備中心、檢測(cè)中心及管理中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。從過(guò)程層到管控中心均采用統(tǒng)一的IEC61850 規(guī)約進(jìn)行信息交換，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)、外的信息共享。

3.2 間隔層

間隔層主要包括繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測(cè)控裝置、穩(wěn)控裝置、計(jì)量裝置、合并單元等二次設(shè)備。間隔層實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：①對(duì)一次設(shè)備的保護(hù)控制 ；②采集、匯總本間隔過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；③本間隔層的操作閉鎖；④進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、信息反饋、故障處理；⑤與過(guò)程層進(jìn)行通信等。以110 kV 智能變電站為例，在二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化配置中關(guān)鍵是保護(hù)裝置、測(cè)控裝置以及交換機(jī)的配置。

(1) 保 護(hù)裝 置， 主要包括：① 110kV母線保 護(hù)；② 110 kV 母聯(lián)與分段保護(hù) ；③主變壓器保護(hù)。這種方式主要是讓變壓器保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)直接采樣，經(jīng) GOOSE 網(wǎng)絡(luò)就可以傳遞失靈保護(hù)跳閘的控制命令，進(jìn)而執(zhí)行跳變動(dòng)作。

(2) 測(cè)控配置，按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)及要求對(duì)測(cè)控裝置進(jìn)行建模，使其具有自描述功能，且能直接與站控層設(shè)備進(jìn)行通信。

(3) 交換機(jī)配置，除了配置站控層監(jiān)控交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之外，主要是間隔層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的配置。實(shí)際中應(yīng)根據(jù)設(shè)備室及不同的電壓等級(jí)，配置不同數(shù)量、不同用途的間隔層交換機(jī)。

3.3 過(guò)程層

過(guò)程層是智能變電站的主要工作區(qū)間，包括變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流 / 電壓互感器等一次設(shè)備及所屬的智能組件，以及獨(dú)立的智能電子裝置。因此過(guò)程層也可稱為設(shè)備層， 主要完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等相關(guān)功能。過(guò)程層由G00SE 網(wǎng)絡(luò)層和采樣值（SV）網(wǎng)絡(luò)組成。智能終端設(shè)備采用集中化系統(tǒng)管理， 集中化系統(tǒng)位于網(wǎng)絡(luò)控制中心。過(guò)程層設(shè)備通過(guò)過(guò)程層總線和間隔層設(shè)備相連接，并通過(guò)GPS 授時(shí)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的同步時(shí)鐘信號(hào)。

3.4 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

通信網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是完成變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部及與其他系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)信息交換。智能變電站內(nèi)的設(shè)備，如智能終端、包含裝置、測(cè)控裝置、校時(shí)系統(tǒng)等通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交換。后臺(tái)與間隔層裝置之間通過(guò)MMS 網(wǎng)通信，過(guò)程層與間隔層裝置之間利用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)傳遞狀態(tài)量、跳合閘命令，以實(shí)現(xiàn)全站信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。站控層網(wǎng)絡(luò)可選用成熟方案（國(guó)外單環(huán)網(wǎng)，國(guó)內(nèi)單 / 雙環(huán)）；過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)實(shí)際情況確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

以 110 kV 智能變電站為例，根據(jù)IEC61850 提供的通信系統(tǒng)解決方案，站控層采用雙星型冗余以太網(wǎng)方式，主要傳輸MMS 與GOOSE 報(bào)文。在邏輯上，站控層內(nèi)部、站控層與間隔層之間均設(shè)立數(shù)據(jù)交換接口。間隔層采用以太網(wǎng)（雙星型冗余），主要傳輸 MMS 或GOOSE 報(bào)文。過(guò)程層采用星型以太網(wǎng)，并冗余網(wǎng)絡(luò)配置，主要傳輸 GOOSE 報(bào)文。這種方式不但可以節(jié)省二次電纜，而且可實(shí)現(xiàn)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建電力物聯(lián)網(wǎng)有多種技術(shù)方案可供選擇。建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵是技術(shù)方案的選擇與設(shè)計(jì)。在智能電網(wǎng)中，變電站掌控變壓器的運(yùn)行和變壓器、斷路器、電子式互感器、自動(dòng)開(kāi)關(guān)以及電涌保護(hù)器等。因此，智能變電站的應(yīng)用方案成為電網(wǎng)智能化的核心問(wèn)題之一。這種電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案的優(yōu)勢(shì)在于：①能夠處理調(diào)度計(jì)劃和跨區(qū)能量傳輸中的不確定性 ；②方便接納可再生性能源 ；③有效優(yōu)化輸配電網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量，滿足對(duì)電能質(zhì)量和可靠性的需求；③對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行中不可預(yù)見(jiàn)的突發(fā)事件應(yīng)急處理。當(dāng)然，影響智能電網(wǎng)性能的技術(shù)要素非常之多，本文僅是對(duì)智能電網(wǎng)中智能變電站的解決方案進(jìn)行了一些討論，希望以此為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展、構(gòu)建電力物聯(lián)網(wǎng)提供參考。