智能变电站技术的现状与发展趋势

蒋金娥，黄 静，毕智伟

（湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南 长沙 410004）

0 引 言

智能变电站是利用先进科学技术的新一代数字化变电站，将先进的电力电子器件、通信网络技术、智能控制技术等有机结合起来，实现变电和输电设备信息的自动采集、智能处理以及共享，实现远程智能控制。智能变电站是智能电网的关键组成部分，具有承上启下的作用，既是智能电网顺利运行的基础，也是电网调度实现的根本[1,2]。

1 智能变电站的发展概述

智能变电站是指采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量以及监测等基本功能，同时具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站[3,4]。

我国国内智能变电站的发展从2001年开始，根据国情和电力系统的实际发展情况，依据IEC 61850标准制定了符合我国国情的DL/T 860标准。在此标准基础上，为能够更好地匹配国内设备要求和操作习惯，国家电网公司和各省分公司制定了各自的规范与标准，统一智能变电站的建设要求[5]。智能变电站的发展取决于站内设备的智能化程度，国内智能设备的缺乏和技术的落后也是导致智能变电站起步较晚的原因。从2009年国家电网公司制定了发展坚强智能电网的战略目标开始，国内正式进入智能电网的快速发展期，各省分公司逐步试点智能变电站的建设。此后，国家电网公司先后开展了两批智能变电站的试点建设工程，尽管经验不足，在建设和运行过程中不断有问题出现，但这次探索也为国内智能电网的建设和发展提供了丰富的经验和依据。

“十一五”规划期内，国内建成了多个智能变电站试点工程，给电网发展带来了巨大活力，因此在“十二五”规划期内，国家电网公司加大智能变电站建设的推广，制定全面建设智能电网的目标。在“十三五”规划的5年，国内智能变电站的发展和建设取得了巨大成就，各地均有智能变电站项目的建成和投运，截至2020年底，国家电网公司已建成投运8 600多座智能变电站，为地区经济发展提供安全、可靠且稳定的电力支撑。根据国家电网公司电子商务平台近年来的招标趋势，预计在“十四五”时期，我国智能变电站的市场需求容量约为1581.12亿元。其中，750 kV智能变电站的市场需求将达到453.69亿元，占比为28.69%；500 kV智能变电站的市场需求将达到382.74亿元，占比为24.21%。

2 智能变电站技术现状

2.1 “三层两网”结构

智能变电站主要由站控层、站控层网络、间隔层、过程层网络以及过程层构成，简称为“三层两网”结构，具体如图1所示[6,7]。

图1 智能变电站“三层两网”结构

过程层设备选用数字接口连接断路器和变压器等一次装置。间隔层设备由一系列计量装置、保护装置以及测控装置等组成，利用采样值（Sampled Value，SV）或面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）报文传送采集到的电压、电流信号、开关命令、开关状态等信号。站控层设备主要由监控系统、工程师站、故障信息系统等组成，主要起总体的控制与故障处理，用到了抽象通信服务映射（Abstract Communication Service Interface，ACSI）技术，信息传输采用制造报文规范（Manufaeturing Message Specification，MMS）、GOOSE完成，大部分用来传递包含测控信息的MMS报文，如测量装置定期将装置状态报文上传到站控层服务器，实现全盘变电站的信息整理和一些高级应用功能[8-10]。

2.2 “三网合一”结构

智能变电站全站设备采用IEC 61850标准，主要分为过程层、间隔层以及站控层（见图2），采用双重化配置进行保护采集、保护装置逻辑运算和执行、保护跳闸的双重化[11]。

图2 智能变电站“三网合一”结构

通过GOOSE报文对开关量进行输入、测控以及控制输出等功能实现GOOSE通信任务。IEEE 1588标准中的精确时间协议（Precision Time Protocol，PTP）可用于分布式测量和控制系统，精度高、同步快，可在以太网中传输，具有纳秒级网络对时精度。GOOSE、SV、IEEE 1588“三网合一”的组网方案可最大限度地实现信息共享，网络结构清晰，网络流量和网络带宽占用率低，减少光纤投资，便于设计、维护。IEC 61850应用难点在于MMS通信，对中央处理器（Central Processing Unit，CPU）速度和内存要求更高，设备制造商需对硬件方面进行升级，且MMS网主要用于监视间隔层设备及控制信息，对可靠性要求不高，数据量大，因此不建议合入三网。

3 智能变电站的发展趋势

随着社会进入信息化时代，物联网技术得到了全面普及与应用，特别是在一些重要领域，物联网成为十分重要的技术基础，受到国家科技部和工业部门的关注。对于电力网络，在未来的发展过程中也需要格外重视对物联网及三维可视化技术的引入和应用，以为自身发展奠定基础。

3.1 物联网技术

基于物联网技术，可以将全部信息整合到一个网络中，并结合云计算、模糊识别及数据挖掘等技术的使用，有效实现对各种信息的融合处理。物联网技术的应用满足了对各种物品的智能化识别及信息处理需求，作为一种新时代的信息技术，其已经在多个领域得到了良好运用。

应用物联网技术时，需要基于智能变电站的整体框架，严格遵循相关标准规范[12]。当前，物联网感知层传感设备逐渐向小型化、无线化方向发展，设备的整体运行效率进一步提升。在未来的发展中，要进一步丰富传感设备类型，研究适用于智能变电站的专用传感器。随着各种传感系统的发展，有必要对无线通信的空中通信接口、通信协议、安全标准等进行升级与规范，实现无线通信资源的安全共享及传输。

3.2 三维可视化技术

三维可视化技术在智能变电站中的应用主要包括设备的三维实体展示、三维虚拟仿真、数据三维可视化呈现等诸多技术内容，可以作用于智能变电站建设及运维的每一个阶段[13,14]。在规划设计阶段，应对变电站设计方案及周围环境进行调整及评估，保证相关人员充分掌握变电站的建设情况。在建设过程中，通过三维模型的灵活运用可为管理者提供较为直观且具体的进度跟踪及质量管理流程。在运维阶段，三维可视化技术可以为工作人员呈现变电站的实时场景及相关设备的具体信息数据，进一步提升运维工作的针对性和设备的运行效率。在调度过程中，可以基于智能化系统进行有针对性的三维场景预演，或者对信息进行有针对性的展示，为调度指令的下达提供参考。在应急事件的处理过程中，可以针对一些常见事件编制应急预案。同时，可以经常进行模拟演练，为应急事件的综合处理提供更为直观、快捷的信息承载平台。

4 结 论

基于现代信息化、智能化技术的发展，具有高信息共享度和强大协同能力的智能变电站是未来变电站的最终形态。在智能变电站的建设中，“三层两网”结构、“三网合一”结构逐渐完善，下一步还需积极引入物联网或三维可视化技术，建设更加信息化、自动化、互动化的智能电网，推动我国电力系统持续发展。