張沛超 高 翔

（1.上海交通大學國家能源智能電網(wǎng)研發(fā)中心，上海 200240；2.上海思源弘瑞自動化有限公司，上海 201108）

1 引言

智能電網(wǎng)[1-2]是促進可再生能源發(fā)展、實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的核心。繼美國之后，我國有望成為第二個將智能電網(wǎng)上升為國家戰(zhàn)略的國家。智能變電站是伴隨著智能電網(wǎng)的概念而出現(xiàn)的，是建設智能電網(wǎng)的重要基礎和支撐。在現(xiàn)代輸電網(wǎng)中，大部分傳感器和執(zhí)行機構(gòu)等一次設備，以及保護、測量、控制等二次設備皆安裝于變電站中。作為銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關鍵，智能變電站是智能電網(wǎng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的重要電力設施，是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務流”三流匯集的焦點，對建設堅強智能電網(wǎng)具有極為重要的作用。

為有效推進智能變電站建設的規(guī)范化，國家電網(wǎng)公司在總結(jié)前幾年近百個各種類型數(shù)字化變電站項目實施經(jīng)驗的基礎上，組織一系列標準和規(guī)范的討論[3-6]，并由智能電網(wǎng)部牽頭編寫了《智能變電站技術(shù)導則》、《高壓設備智能化技術(shù)導則》等；由基建部牽頭編寫了《智能變電站設計規(guī)范》；由國調(diào)中心牽頭編寫了《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》；由國網(wǎng)公司經(jīng)濟技術(shù)研究院牽頭編寫了《智能電網(wǎng)試點項目評價指標體系與評價方法研究》等。這些標準和技術(shù)規(guī)范的出臺，為下階段智能變電站的項目實施試點提供了規(guī)范化的依據(jù)。

本文分析了智能變電站產(chǎn)生的技術(shù)背景，討論了智能變電站的設計原則，分析了智能變電站的典型技術(shù)特征和基礎支撐技術(shù)。最后，對現(xiàn)階段智能變電站工程實施中的若干問題進行了討論。

2 智能變電站技術(shù)內(nèi)涵

2.1 數(shù)字化變電站與智能變電站

“數(shù)字化變電站”是指[7-8]：變電站二次控制系統(tǒng)采用數(shù)字化電氣量測技術(shù)；二次側(cè)提供數(shù)字化的電流、電壓輸出信號；變電站信息實現(xiàn)基于 IEC 61850標準的統(tǒng)一信息建模；站內(nèi)自動化系統(tǒng)實現(xiàn)分層、分布式布置；IED設備之間的信息交互以網(wǎng)絡方式實現(xiàn)；斷路器操作具有智能化判別特征。

“智能變電站”是指[4]：由先進、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的智能設備組合而成，以高速網(wǎng)絡通信平臺為信息傳輸基礎，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級應用功能的變電站。

由上可見，智能變電站與數(shù)字化變電站既有密不可分的聯(lián)系，也存在重要差別。數(shù)字化變電站主要強調(diào)手段，而智能變電站更強調(diào)目的。與數(shù)字化變電站相比，智能變電站概念中更蘊含了兩個方面的集成：物理集成和邏輯集成，如圖1所示。

圖1 物理集成和邏輯集成

（1）物理集成。在智能變電站中，將屬于相同一次設備的信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能集成到同一“智能組件”中；進一步，該“智能組件”可以內(nèi)嵌到一次設備內(nèi)部，構(gòu)成“智能設備”。上述物理集成將逐漸弱化一次設備和二次設備的界限，強調(diào)一、二次設備的融合。站在系統(tǒng)的層面，這種物理集成真正體現(xiàn)了面向?qū)ο?、功能自治的思想，有利于提高間隔功能的可靠性，降低運行和維護費用。

（2）邏輯集成。另一方面，電力系統(tǒng)本質(zhì)是一個互聯(lián)的系統(tǒng)。僅依靠單間隔、局部信息是難以在系統(tǒng)層面優(yōu)化保護與控制功能的。為此，智能變電站同時強調(diào)邏輯集成，以構(gòu)成面向系統(tǒng)的虛擬裝置，實現(xiàn)就地、區(qū)域和全局功能的協(xié)調(diào)，支持具有在線決策、協(xié)同互動特征的各種高級應用。

在IEC 61850中，邏輯節(jié)點、邏輯設備、邏輯連接等概念支撐了IEC 61850標準的一個重要制訂目標，即實現(xiàn)“功能可以自由分配”。在智能變電站中，物理集成和邏輯集成可以有機共存，正是對IEC 61850標準的充分實踐。通過上述分析，可以得出數(shù)字化變電站與智能變電站的兩個主要區(qū)別。

（1）在設備層面，智能變電站更強調(diào)智能一次設備概念。數(shù)字化變電站己經(jīng)具有了一定程度的設備集成和功能優(yōu)化的概念，而智能變電站設備集成化程度更高，可以實現(xiàn)一、二次設備的一體化、智能化整合和集成。

（2）在系統(tǒng)層面，智能變電站更具備“全網(wǎng)”意識[9]。數(shù)字化變電站主要從滿足變電站自身的需求出發(fā)，而智能變電站則更強調(diào)滿足電網(wǎng)的運行要求，比數(shù)字化變電站更加注重變電站之間、變電站與調(diào)度中心之間的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)，以在全網(wǎng)范圍內(nèi)提高系統(tǒng)的整體運行水平為目標。

2.2 智能變電站與智能電網(wǎng)

顯然，智能變電站的設計和建設，必須在智能電網(wǎng)的背景下進行。智能變電站應對我國智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化、自動化、互動化提供直接支撐。

（1）在以數(shù)字化為基礎的智能變電站中，如下技術(shù)正在走向成熟：高精度、小型化的非常規(guī)互感器技術(shù)[10-14]，符合IEEE 1588標準的千兆以太網(wǎng)交換技術(shù)，高精度（μs級）的全網(wǎng)高精度同步采樣技術(shù)[18,19]，以及具有“無擾恢復”（bumpless）和自愈能力的高可靠通信網(wǎng)絡技術(shù)[20]。這些技術(shù)的廣泛采用將確?；A數(shù)據(jù)的準確性、完整性、及時性、一致性和可靠性，從而為智能電網(wǎng)提供堅實的數(shù)字化條件。

（2）智能變電站系統(tǒng)是以IEC 61850[15]作為主要的信息建模和信息交換標準?；诮y(tǒng)一的標準，可以建立就地、區(qū)域以及廣域保護、測量、控制的統(tǒng)一信息模型，實現(xiàn)統(tǒng)一的、滿足實時信息交換要求的信息訂閱/發(fā)布機制，實現(xiàn)智能裝置的互操作、“即插即用”和實時信息交換，為智能電網(wǎng)準備信息化基礎條件。

（3）智能變電站中將部署很多具有高度功能集成的一體化智能裝置，能夠?qū)θ龖B(tài)數(shù)據(jù)（穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、暫態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)）進行統(tǒng)一采集和處理，從而大大提高智能電網(wǎng)對全景信息的感知能力，提高高級應用的精度和魯棒性，實現(xiàn)自動化、互動化的目標。

（4）由于非常規(guī)互感器的廣泛采用以及基于統(tǒng)一信息建模，可更為方便地實現(xiàn)設備狀態(tài)信息的采集、傳輸、分析和挖掘，實施狀態(tài)維修，實現(xiàn)變電站設備狀態(tài)的監(jiān)控、診斷信息與電網(wǎng)運行管理的雙向互動，為實現(xiàn)資產(chǎn)全壽命周期管理打下堅實基礎。

（5）智能電網(wǎng)擁有更大量新型柔性交流輸電技術(shù)及裝備的應用，以及風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等間歇式分布式清潔電源的接入。中低壓智能化變電站允許分布式電源的接入，需要滿足間歇性電源“即插即用”的技術(shù)要求。

3 智能變電站設計原則

20世紀 90年代以來，變電站自動化系統(tǒng)的設計原則逐步從傳統(tǒng)變電站“面向功能”（保護、監(jiān)控、錄波、計費、通信、遠動等）的設計，走向了“面向間隔”（主變、出線、母線、母聯(lián)、分段開關等）的設計，實現(xiàn)了從“條條”到“塊塊”的轉(zhuǎn)變。按照間隔的設計原則遵循了電力系統(tǒng)變電站按照間隔建設、運行維護的特點。

智能變電站系統(tǒng)在繼承基于“間隔”的設計思想基礎上，必須能有效解決現(xiàn)有變電站自動化系統(tǒng)存在的問題，體現(xiàn)信息采集和應用的“唯一、同步、標準、全站”的特征。具體來講有如下設計原則：

（1）功能自治原則。間隔內(nèi)實現(xiàn)電流、電壓信息完整采集，本間隔保護跳閘基于“直采直跳”模式，不依賴于外部對時和網(wǎng)絡。變壓器可以視為特殊間隔，母線保護則比較特殊，屬于跨間隔保護，不同間隔的信息同步采用插值再采樣同步或基于IEEE1588的時標同步。

（2）信息共享原則。本間隔信息的采集由過程層裝置完成，采用對等通信機制，支持網(wǎng)內(nèi)任何設備的自由通信和信息共享，實現(xiàn)“一處采集，全站共享”。發(fā)布和訂閱機制可實現(xiàn)網(wǎng)絡化信息共享機制下的“按需訂閱”，優(yōu)化網(wǎng)絡的信息流量。

（3）分層處理原則。變電站信息按照分層處理原則，單一事件就地處理后提供明確的結(jié)果上送電網(wǎng)調(diào)度或集控站，如事故簡報信息、斷路器打壓信息等。統(tǒng)計類事件按照固定的周期選擇“打包”上送，如一次設備的溫度特性等。對于反映一次設備運行劣化趨勢的信息需要通過一段時間內(nèi)的信息，基于統(tǒng)計分析模型得出相關結(jié)論。這樣，可以大大優(yōu)化變電站的信息流，避免電網(wǎng)調(diào)度中心處于“信息海洋”中。

（4）全景優(yōu)化原則。變電站站控層可以獲得“全站、唯一、標準、同步”的信息，因此，可以獲得基于全景信息的優(yōu)化控制結(jié)果，如智能防誤閉鎖，站域控制（低周、備自投等）。

上述設計原則將決定智能變電站自動化系統(tǒng)的基本框架。

4 智能變電站典型特征

4.1 信息采集就地化

鑒于電子式互感器工程應用所反映的穩(wěn)定性問題尚未得到有效解決，智能變電站的應用特征并非以電子式互感器為應用標志已成為一種共識?！吨悄茏冸娬炯夹g(shù)導則》中提出了智能組件的概念，展示了智能化一次設備發(fā)展趨勢。因此，智能變電站技術(shù)發(fā)展過程中作為過程層的智能組件將起到關鍵作用，這里所談到的智能組件包含合并單元/智能終端的功能，實際上執(zhí)行間隔的信息采集和執(zhí)行功能，見示意圖2。

圖2 常規(guī)IED功能分解圖

變電站發(fā)展不同階段過程層智能組件的發(fā)展趨勢見圖3。

圖3 變電站不同發(fā)展階段過程層的演變趨勢

由圖可見，隨著技術(shù)的進步與發(fā)展，過程層的智能組件將成為一次設備的組成部分，因此，過程層智能組件在智能變電站初期將靠近一次設備安裝，過程層就地化體現(xiàn)為“縮短電纜，延長光纜”，目前主要以戶外柜的方式應用。智能變電站的重要特征體現(xiàn)為一、二次技術(shù)的融合，智能組件的功能主要是信息采集與執(zhí)行，與電力系統(tǒng)的外在特性無關，因此，完全可以作為智能一次設備的一個組成部分，就地化靠近一次設備安裝，最終形成智能一次設備的產(chǎn)業(yè)化。智能一次設備演變圖見圖4。

4.2 信息共享網(wǎng)絡化

圖4 智能一次設備演變圖

過程層就地化后解決了間隔信息采集的唯一性問題。以往變電站自動化系統(tǒng)各個IED裝置分別采集模擬量及開關量信息的現(xiàn)象將能得到有效解決。《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》規(guī)定保護采取“直采直跳”的模式，在高壓系統(tǒng)符合繼電保護對于“四性”的要求，即可靠性、快速性、選擇性、靈敏性。在整流型、晶體管、集成電路、微機保護的不同技術(shù)發(fā)展階段，隨著技術(shù)進步保護的“四性”不斷得到改善。在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡同步技術(shù)尚未在實踐中得到充分驗證的情況下，保護“直采直跳”模式體現(xiàn)了電網(wǎng)第一道防線的簡約化原則，任何技術(shù)實現(xiàn)不能以降低保護的“四性”為代價。

除保護功能實現(xiàn)外，信息的應用模式是智能變電站有別于傳統(tǒng)變電站的重要特點。同時，IEC61850標準為信息共享提供了技術(shù)體系的支持，設備之間支持互操作，不同廠家的IED裝置可以自由交換信息。在此基礎上可以建立基于全站信息的數(shù)據(jù)中心和面向?qū)ο蟮墓收箱洸ǚ治銎脚_。真正建立電力系統(tǒng)運行分析“黑匣子”，為事故分析的可追憶提供完整數(shù)據(jù)支撐。

4.3 信息應用智能化

智能變電站的站控層可以獲得“高質(zhì)量”的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的“高質(zhì)量”體現(xiàn)在“同步、全站、唯一、標準”。其中，“同步”指這些數(shù)據(jù)都是由經(jīng)網(wǎng)絡對時同步后由各個合并單元送來，信息具有同步性特征；“全站”是指數(shù)據(jù)覆蓋了變電站的各個方面，對應用而言信息具有完備性特征；“唯一”是指一個電氣量只由一個設備采集，體現(xiàn)“一處采集，全網(wǎng)共享”的數(shù)據(jù)共享機制，徹底消除了數(shù)據(jù)的二義性；“標準”是指數(shù)據(jù)的表達、獲取等滿足 IEC 61850標準，通過工程工具可以輕松獲取數(shù)據(jù)，以專注于應用，從而避免大量的規(guī)約轉(zhuǎn)換和驅(qū)動工作，信息具有標準化特征。

基于 IEC61850標準的信息具有“自我描述”功能，變電站的數(shù)據(jù)源非常有序、標準，因此，可以比較容易地突破常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)的“信息孤島”現(xiàn)象。通過對于數(shù)據(jù)的有效處理，提升應用功能的智能化程度，如源端數(shù)據(jù)維護、基于規(guī)則的智能防誤、基于實時模擬量信息的智能操作票、順序控制、基于全站信息共享的站域控制等。

4.4 設備檢修狀態(tài)化

國家電網(wǎng)公司在2008年11月組織編制完成了《資產(chǎn)全壽命周期管理框架體系》，明確了公司資產(chǎn)全壽命周期管理總體目標、工作流程和管理方法，建立了總體框架、實施體系和評估改進體系，確定了評估指標體系、評估流程和評估模型的構(gòu)建思路，并制訂了詳細的分步實施方案。因此，智能變電站的建設必須考慮變電站全生命周期管理，在滿足安全、效能的前提下追求資產(chǎn)全壽命周期成本最優(yōu)，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。

實現(xiàn)變電站的全生命周期管理其關鍵在于設備的狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)。電力設備的狀態(tài)監(jiān)視不是一個新問題，在國內(nèi)已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷史，但諸多因素的影響使電力設備狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)和產(chǎn)品在實際應用過程中的表現(xiàn)并不盡如人意。從體系架構(gòu)上，現(xiàn)有系統(tǒng)都是一種縱向結(jié)構(gòu)，其特點是：①各狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)在縱向上呈現(xiàn)一種相對封閉的結(jié)構(gòu)體系，信息缺乏統(tǒng)一建模，通信規(guī)約多為私有。不同狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)之間的信息共享很難，存在很大的規(guī)約轉(zhuǎn)換鴻溝；②狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)與其他自動化系統(tǒng)之間同樣缺乏信息共享機制。

由此帶來的問題有：①在信息采集方面，面向單一設備。難以在統(tǒng)一架構(gòu)下覆蓋全站所有需要監(jiān)測的電氣設備，無法實現(xiàn)從“設備”監(jiān)測到“系統(tǒng)”監(jiān)測的轉(zhuǎn)變；②在信息處理方面，狀態(tài)信息單一，難以綜合利用電氣量、非電氣量、環(huán)境變量等進行多信息融合；③在信息存儲方面，信息獨立存儲，冗余度大，難以直接利用變電站自動化系統(tǒng)已有存儲系統(tǒng)；④在信息應用方面，由于和其他自動化系統(tǒng)缺乏有效的信息共享機制，難以實現(xiàn)狀態(tài)檢修，設備狀態(tài)信息難以參與運行決策。

智能變電站提供了更好的條件以解決上述問題，并使得電氣設備狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)可以融入統(tǒng)一的智能電網(wǎng)廣域監(jiān)測與預警系統(tǒng)。

智能變電站狀態(tài)檢修主要集中在兩個方面：

（1）高壓設備狀態(tài)技術(shù)。高壓設備的狀態(tài)監(jiān)測主要集中在變壓器、斷路器方面，需要逐步從外掛式互感器向內(nèi)嵌式互感技術(shù)發(fā)展。同時，由于智能變電站中過程層設備靠近一次設備安裝，通過光纜將一次設備的狀態(tài)信息傳輸出來，因此，有可能將反映一次設備狀態(tài)變化的微弱信息無衰減地傳送出來，提高一次設備狀態(tài)監(jiān)測信息的完整性。

（2）二次系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視[17]。變電站自動化系統(tǒng)主要由IED設備、電纜、光纜及連接器件組成。IED本身具有完整的自檢功能，因此，二次系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的難點在于整個回路不能有監(jiān)測盲點，以往綜自系統(tǒng)存在的大量二次電纜是無法實現(xiàn)狀態(tài)的有效監(jiān)視。80年代微機保護解決了保護裝置邏輯回路簡化問題，90年代綜合自動化變電站解決了變電站間隔層和變電站層的信息傳輸、展示問題，因此，智能變電站系統(tǒng)需要解決：過程層裝置邏輯回路簡化、操作箱微機化，實現(xiàn)二次回路無盲點的狀態(tài)監(jiān)測，如基于故障匹配檢測機制的輸入回路正確性檢驗；基于故障合閘預置的在線傳動功能，監(jiān)測保護跳閘壓板未投等跳閘回路異常；基于過程層就地化的交流回路實時監(jiān)測等。

最終，智能變電站狀態(tài)監(jiān)視將實現(xiàn)從單一“設備”診斷向“系統(tǒng)”監(jiān)視的轉(zhuǎn)變。從傳統(tǒng)關注設備可靠性轉(zhuǎn)變?yōu)殛P注電網(wǎng)的可靠性，并從電網(wǎng)的大視角實現(xiàn)全壽命周期的成本管理。通過與調(diào)度系統(tǒng)互動，向其發(fā)送設備故障模式及幾率的預報信息，使設備狀態(tài)對調(diào)度系統(tǒng)是可觀測的。

5 智能變電站信息基礎設施

智能變電站的幾乎所有技術(shù)特征，都離不開一個完善可靠的信息基礎設施。需要圍繞智能變電站綜合信息平臺建設開展一系列基礎性研究工作。該基礎設施的基本任務之一是為各類變電站信息打上準確的時空標簽。其中，“空間標簽”是指信息的語義和全局唯一的識別符；“時間標簽”是指信息的高精度時標。

5.1 變電站基礎信息的標準化

對智能化變電站基礎信息進行標準化與統(tǒng)一建模研究，是為了給信息賦予表征其語義的“空間標簽”，實現(xiàn)廣域全景信息統(tǒng)一模型、統(tǒng)一語義，為實現(xiàn)智能電網(wǎng)能量流、信息流、業(yè)務流一體化奠定基礎。在目前情況下，需針對智能變電站重點開展如下研究：

（1）智能設備的技術(shù)標準體系，以規(guī)范智能化設備的研究開發(fā)。

（2）設備狀態(tài)信息統(tǒng)一建?！，F(xiàn)有主設備（變壓器、斷路器、GIS等）狀態(tài)信息皆采用私有規(guī)約，極大限制了狀態(tài)信息共享數(shù)據(jù)庫的建立，難以進行狀態(tài)數(shù)據(jù)挖掘，難以進行多參量狀態(tài)檢測與診斷。必須建立符合IEC 61850的狀態(tài)信息建模規(guī)范和傳輸規(guī)范。

（3）電網(wǎng)故障信息統(tǒng)一建模。IEC 61850提供了良好的機制實現(xiàn)正常運行數(shù)據(jù)的建模與傳輸，但對故障時數(shù)據(jù)的描述則相對不足。為了實現(xiàn)事故分析系統(tǒng)，需要解決故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)一建模問題，并重點從故障錄波數(shù)據(jù)、保護動作事件、故障簡報、保護定值等幾個方面建立標準。

（4）在中低壓變電站中，重點研究與分布式電源接入、微網(wǎng)相關的信息標準。

（5）IEC 61850與IEC 61970-CIM兩大標準的融合。研究基于IEC 61850與IEC 61970-CIM的智能變電站信息集成方案，研究智能變電站全景信息集成到調(diào)度系統(tǒng)的方案。

5.2 基于IEEE 1588的時間同步系統(tǒng)

智能變電站更強調(diào)邏輯集成，故對時間同步的要求遠高于常規(guī)變電站和數(shù)字化變電站。常規(guī)變電站時間同步主要用于SOE時標，用于判斷動作時序，但不影響電網(wǎng)本身的安全運行；數(shù)字化變電站強調(diào)同步采樣，但并不強調(diào)絕對時刻。智能變電站由于有協(xié)同互動功能，必須要有精確的絕對時標。

IEEE 1588-2008所定義的精確網(wǎng)絡同步協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡中的高度同步，同步誤差可控制在 1us。IEEE 1588-2008使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信。圖5描述了智能變電站內(nèi)的各種同步方式。以GPS作為外部時鐘源對主時鐘（Grand Master Clock）進行精確授時。站內(nèi)采用支持IEEE 1588-2008的交換機，該交換機承擔透明時鐘（Transparent Clock）的功能。合并單元則為從屬時鐘，只要接入了支持IEEE 1588的交換機，都可自動獲得同步。如有需要，保護、測控以及PMU等智能電子裝置也可成為從鐘。利用具有邊界時鐘（Boundary Clock）功能的路由裝置，還可通過廣域網(wǎng)實現(xiàn)全網(wǎng)范圍的同步。

圖5 基于IEEE 1588實現(xiàn)同步

5.3 高可用自動化網(wǎng)絡

在智能變電站中，“二次系統(tǒng)”的范圍已從保護、測控等擴大到通信網(wǎng)絡。根據(jù)IEC 61850，諸如采樣值傳輸、母差保護等功能必需實現(xiàn)無擾恢復，即交換機、光纖等發(fā)生任意單點故障后，通信網(wǎng)絡皆可零延時恢復，從而使應用層感受不到擾動。為此，IEC制訂了IEC 62439：“高可用自動化網(wǎng)絡（Highly Available Automation Networks）”[20]。與 IEC 61850緊密相關是IEC 62439-3部分：并行冗余協(xié)議（Parallel Redundancy Protocol，PRP）和高可用無隙環(huán)（High Availability Seamless Ring，HSR)。在 IEC 61850-9-2 Ed 2.0中，將把采用基于PRP或HSR的網(wǎng)絡作為過程總線的技術(shù)實現(xiàn)導則。

5.4 GARP組播注冊協(xié)議

GARP組播注冊協(xié)議（GMRP，GARP Multicast Registration Protocol）實現(xiàn)IED和交換機的互動[8]，由裝置告訴交換機需要接收哪些組播地址的數(shù)據(jù)，避免了交換機的維護工作，自然也就不存在人工配置所可能帶來的問題。

GMRP是一種基于以太網(wǎng)鏈路幀的自動組播配置方案，不同于IGMP Snooping三層組播管理方法，可適用于組播報文直接映射到第2層的IEC 61850過程層通信。裝置可根據(jù)SCD文件中的GOOSE和采樣值配置，識別出所需要接收的以太網(wǎng)組播地址，采用GMRP報文格式告訴交換機在連接的端口上轉(zhuǎn)發(fā)哪些組播報文。GMRP在不會給繼電保護等關鍵應用帶來額外的風險，因為交換機和設備間的組播配置異常帶來的結(jié)果無非兩種：轉(zhuǎn)發(fā)了不希望的組播報文或收不到希望的正常報文，而這兩種情況在人工劃分VLAN等方式下同樣可能發(fā)生，裝置應會在應用層對它識別并進行相應的告警處理。

6 現(xiàn)階段工程實施的關鍵問題

6.1 工程配置工具

變電站的智能化有著豐富的內(nèi)涵，涵蓋從設計、施工到運行、維護等諸多方面。傳統(tǒng)變電站的工程實施過程相當?shù)牟恢悄?。在智能變電站條件下，隨著數(shù)字化的推進，硬件回路將逐漸減少以至于不復存在，以往大量的二次電纜連接模式演變成了虛端子、虛回路的配置。智能變電站信息傳輸以光纖替代電纜，端子連接以虛端子代替物理端子，以邏輯連接替代物理連接，見圖 6。這些導致傳統(tǒng)的基于設備和回路的一系列設計、施工、運行、維護等方面的做法和工具都不再適應。事實上，按照 IEC 61850標準中的思想，智能變電站的工程實施將變得更為標準、有序、高效和高質(zhì)量。

圖6 虛端子、虛回路示意圖

相比于傳統(tǒng)變電站圍繞著紙質(zhì)圖紙，智能變電站圍繞著SCD文件。從所能表達的內(nèi)涵上，圖紙和SCD文件是相同的。但其本質(zhì)區(qū)別在于，前者是人可讀（human-readable），而后者則是機器可讀（machine-readable）的。機器可讀的意義在于，可以最大程度摒棄設計過程中設計人員的非標準化和個人風格化，最大程度利用計算機進行自動的設計、模型變換、校核和測試。所以，在未來的智能變電站建設中，必將具備用SCD文件代替?zhèn)鹘y(tǒng)二次圖紙的條件，設計工作和系統(tǒng)集成工作將逐漸融合，設計院可以逐漸承擔起系統(tǒng)集成商的角色，設計工作可以直接提交出包含全站模型信息的 SCD文件并提供給各設備廠商，供其直接導入，完全避免了原先對照圖紙、依靠人力進行信息輸入和現(xiàn)場接線的弊端，從而在工程實施這個關鍵環(huán)節(jié)體現(xiàn)智能變電站的魅力和價值。

6.2 老站改造模式

大量現(xiàn)存變電站的智能化改造模式是現(xiàn)階段智能變電站發(fā)展必須考慮的問題，一般來講一次設備的生命周期較長，因此，老站改造主要集中在二次系統(tǒng)方面。由于變電站需要在改造過程中部分承當電網(wǎng)運行的作用，因此，需要建立老站改造分步走方案。

以220kV及以上系統(tǒng)為例，首先可以優(yōu)先考慮信息處理機制問題，如通過智能組件就地化實現(xiàn)二次系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及全站故障錄波，保持繼電保護的“點對點”跳閘模式；其次通過網(wǎng)絡化測控實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的升級問題；最后逐套更換保護裝置完成全站的智能化升級。

6.3 模塊化建設方案

鑒于土地資源的有限及GIS價格的不斷下降，GIS的應用已經(jīng)越來越廣泛，根據(jù)GIS構(gòu)架將智能組件直接安裝在GIS匯控柜上，實現(xiàn)標準化、模塊化連接，將涵蓋GIS及智能組件的分解為不同模塊，如內(nèi)橋布置的GIS可以分為7個模塊，見圖7，模塊之間采用標準的光纜連接，其中站控層系統(tǒng)可以作為一個獨立模塊。模塊內(nèi)部的連接和調(diào)試完全可以在工廠內(nèi)部實現(xiàn)，現(xiàn)場只需要進行模塊之間的光纜連接和配置，這將大大簡化現(xiàn)場工作量，實現(xiàn)變電站建設的標準化。

圖7 內(nèi)橋式GIS示意圖

智能變電站技術(shù)將極大地改變變電站建設運行模式，以往現(xiàn)場大量的接線、對點工作量將顯著改變，實現(xiàn)“最大化工廠工作量、最小化現(xiàn)場工作量”，符合國家電網(wǎng)公司“兩型兩化”的要求，使變電站建設更容易，運行更簡單。

7 結(jié)論

智能變電站是建設智能電網(wǎng)的重要基礎和支撐。在設備層面，其智能化主要體現(xiàn)在智能一次設備以及設備狀態(tài)監(jiān)視等；在系統(tǒng)層面，其智能化主要表現(xiàn)為采集“全站、唯一、標準、同步”的全景信息、獲得基于全景信息的優(yōu)化控制結(jié)果并最終滿足智能電網(wǎng)的運行要求。

智能變電站的智能化不僅僅體現(xiàn)在運行、維護環(huán)節(jié)，還體現(xiàn)在工程實施環(huán)節(jié)，變電站建設模式也將獲得巨大改變。

完善的信息基礎設施是變電站智能化的重要保障。為此，需在變電站基礎信息的標準化、時間同步系統(tǒng)、高可用自動化網(wǎng)絡等方面開展基礎性研究工作。

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