智能變電站技術的現狀與發展趨勢研究

李生權，錢文姝

（1.國家電網公司，北京 100031；2.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安 710100）

智能變電站將全站信息數字化、通信平臺網絡化以及信息共享標準化作為基本要求[1-3]，采用先進可靠的智能設備完成信息采集、測量、控制、監測等基本功能，并根據需求提供電網實時自動控制、在線分析決策等高級功能[4-7]。智能變電站隨著智能電網的發展應運而生。

隨著20年代初期計算機和通信技術等的快速發展，變電站自動化在國內外提出，并出現了分布式變電站自動化系統[5-9]。20世紀90年代中期IEC預期未來數字化變電站的發展，并由IECTC57工作組于2004年正式發布面向未來變電站自動化的變電站內通信網絡和系統的標準（IEC61850系列標準），同期我國也正式發布了等同的DL/T860系列標準[10-13]。

近年來，發展智能電網在歐美已作為國家經濟和能源發展的重要戰略，國內在智能電網方面也已展開了相關研究[14-18]。作為電網節點的變電站，其自動化對數據的采集、分析及上傳、對事故的預處理、對廣域內行為指令的執行等具有不可替代的作用[19-23]。因此，變電站智能化程度在一定程度上決定了電網的智能化程度，研究智能變電站技術對智能電網的發展具有巨大的促進作用。

1 智能變電站技術的現狀

1.1 智能變電站技術國外研究現狀

國外目前在智能變電站的建設方面處于領先地位[24-26]。ABB、西門子等公司開發了一系列變電站的智能化一、二次設備，取得了較先進的研究成果，但目前僅限于某些環節應用，尚未實現系統規劃和投產。ABB公司研發的GIS設備實現了二次設備就地化，將智能斷路器、互感器等進行了集成處理，具備簡易保護與測控功能。由ABB、ALSTON和SIEMENS進行的間隔層設備的互操作試驗，在某種程度上驗證了互操作性以及對工作難度進行簡化的可行性[27-31]。

1.2 智能變電站技術國內研究現狀

對智能電網開展體系性的研究工作在我國起步略晚，國家電網公司推出了《智能變電站技術導則》、《變電站智能化改造技術規范》等一系列標準和規范來推進智能變電站的發展[32-36]。我國對AEC61850系列標準進行翻譯，發布和出版了IEC61850系列標準集成系統，期望實現智能變電站硬件集約、功能整合、通用互換和性能可控的應用目標，并能支持IED型式多來源、可選擇、易組合、易互換等。根據IEC61850標準，從功能上看，可將智能變電站分為變電站層、間隔層與過程層，并通過網絡系統實現3個層次之間的連接[37-41]。圖1給出了近年來我國修建的標志性智能變電站。

圖1 我國近年來修建標志性智能變電站一覽圖Fig.1 A map of the landmark ismart substations built in China in recent years

綜上所述，國外智能電網概念提出的時間早、智能變電站發展快，歐美國家的大型電氣設備公司也已在智能變電站方面取得了卓越的成果。我國已將發展智能變電站作為電力發展的重要方向，近年來已實現了全國范圍內多座變電站智能化，取得了“世界首座電壓等級最高智能變電站”、“首座城市無人值守變電站”、“新一代智能變電站”等成果，且目前仍在加大對智能變電站的研究與投運力度，為智能電網的全面發展奠定了基礎。

2 智能變電站技術未來發展趨勢

目前，智能變電站在設備、建設和運維管理方面取得了一定成果，但由于其存在系統復雜、功能分散等問題，在技術創新、建設理念、專業管理等方面尚有較大的提升空間[42-45]。隨著我國國民經濟的快速發展，大負荷用戶日益增多，負荷密度快速增長，用戶對供電的連續性、可靠性及智能性以及綠色能源、節能環保等方面提出了更高的要求，而一般的智能變電站不能滿足這些要求。一般智能變電站存在占地面積大、站址環境條件較差、功能分區不明確、設備分散、功能單一、二次設備屏柜置于框架結構或磚混結構建筑物內、地面建造復雜、建筑物地基處理要求高、施工周期長和驗收標準及調試方案不完善等問題，不利于智能電網的大力發展[46-47]。

2013年底竣工的武漢未來城110 kV智能變電站布局緊湊，有效地節省了占地，對內部裝置設備進行優化集成，大量節省了輔材，采用先進技術進行遠程操控，減少運行維護成本，采用模塊設計、縮短了工期。該智能變電站成為新一代智能變電站的示范工程。因此，未來我國應在充分吸收現有變電站在工程設計、建設運維等方面經驗的基礎上，對智能變電站的功能需求進行梳理和整合，進一步探索技術發展路線，對比新一代智能變電站與現有智能變電站的不同，確定新一代智能變電站需提升的關鍵技術，為現有變電站的改擴建工作和新一代智能變電站的建設等提出可行的解決方案和實現技術。

預計在2016—2020年，我國新建重要變電站的智能化率將達到100%，對于已有重要變電站的智能化改造率也將達到30%～50%，改造數量預計達到500座左右。

2.1 智能變電站特點

相比于傳統變電站，智能變電站主要體現了以下幾個方面的特點：

1）一次設備智能化。實現電子式互感器、智能變電器、智能組件等一次設備的智能化與信息化，是實現智能變電站信息化的前置條件。

2）二次設備網絡化?；跇藴驶湍K化的微處理機設計制造的二次設備之間通過網絡真正實現數據共享、資源共享。

3）信息交互標準化。智能變電站遵循IEC 61850規約實現變電站內部與外部之間的信息交互與共享，以及不同系統之間的數據、信息的無縫交換。

4）設備檢修狀態化。需對關鍵的一次設備安裝在線監測裝置，從而實時掌握變壓器等一次設備的運行狀態，為科學調度提供依據。

5）管理運維自動化。智能變電站需具有程序化的操作功能，可接收和執行各種指令，并自動完成相關操作。

2.2 智能變電站體系結構

在物理結構上，智能變電站應包括：

1）智能化的一次設備。

2）網絡化的二次設備。

在邏輯結構上，智能變電站應包括：

1）過程層。

2）間隔層。

3）站控層，且通過高速網絡進行信息共享與交互[13-14]。

2.3 智能變電站設計要求

智能電網是未來電網的發展方向，而作為智能電網的關鍵環節，智能變電站的發展建設從一定程度上制約了智能電網的發展水平。目前全力建設具有自動化、信息化與互動化的堅強智能電網對智能變電站的發展提供了機遇，也帶來了更大的挑戰和更高的要求。相比于常規變電站，智能變電站需完成的信息采集與處理具有更廣范圍、更深層次以及結構更復雜等要求。另外，智能變電站還需具有更強的互動能力、信息交換能力和更可靠靈活的控制手段[15-16]。

2.4 智能變電站建設目標

智能變電站的建設目標具體體現在：

1）合理的結構布局，高度集成的系統，先進的技術裝備，經濟節能環保，支撐調控于一體。

2）高度可靠的智能設備，協調互動的測控技術，高效便捷的運維模式。

3）易施工、便擴展、輕維護[17-18]。

3 智能變電站技術發展重點

新一代智能變電站技術、電力資源優化配置技術和提高智能變電站自愈能力3個方面將是智能變電站的發展重點[19-20]。

1）在對已有的數字化變電站和智能變電站的相關設計、建設與運維成果進行總結提煉的基礎上，逐步提升智能變電站的功能，研究并提出新一代智能變電站關鍵技術，為數字化變電站、智能變電站的改造、擴建和新一代智能變電站的建設等提出可行的解決方案和實現技術。

2）實現在更大范圍對電力資源優化配置，提高輸變電效率，有效保障電力供應，提高供電可靠性，增強抵御外部物理攻擊或自然災害的能力。

3）大量減少電力系統故障率和人工運維工作量，避免運行人員直接在惡劣狀況下進行檢修施工，以保障人身安全。

4）采用集成化裝置減少智能變電站的用地面積、施工周期、檢修停電時間及檢修工作量等，減少變電站與外界人員的直接聯系，提高供電的可靠性要求。

4 結語

本文在對智能變電站技術國內外研究現狀進行分析的基礎上，對智能變電站技術的發展趨勢進行了預測，進而確定了未來該技術領域在新一代智能變電站技術、電力資源優化配置技術和提高智能變電站自愈能力這3個方面的發展重點，對我國今后智能電網的建設與發展具有一定的指導意義。

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