220kV琴韵变电站智能化建设方案剖析.docx

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220kV琴韵变电站智能化建设方案剖析

220kV琴韵变电站智能化建设方案

1.琴韵变电站总体情况

琴韵变电站是珠海横琴新区第一个220kV变电站，在珠海首次采用220/20kV电压层级方案，按智能、高效、可靠地绿色电网（简称cccgp，即3C绿色电网）标准建设。

琴韵变电站包括主变4×100MVA，220kV出线9回，20kV出线40回，首期（2011年）工程建设共4回220kV出线，20回20kV出线。

220kV琴韵变电站将面向澳门和珠海供电，是广东电网公司3C绿色电网试点工程项目。

220kV琴韵变电站将采用智能变电站技术，具体内容如下：

1）统一采用基于IEC61850的智能测控及保护一体化装置；

2）站内智能装置按照IEC61850标准建模并通信，形成智能变电站的三层结构；

3）采用分层分布式结构构建在线监测系统，集成整合变压器、220kVGIS（金属全封闭组合电器、20kV开关柜、20kV并联电抗器等站内关键设备的状态监测信息，实现全站设备的状态在线监测及综合分析应用；并通过在线监测综合处理单元和调度数据网，将在线监测信息上传至电科院的远程诊断中心；

4）部署变电站视频及环境监控系统视频智能分析、智能门禁和红外测试仪视频及信息上传功能，尝试与变电站监控系统的视频双向传输；

5）采用物联网技术，构建传感测控网络，独立的视频及环境监控系统与各类辅助生产系统实现集成应用；

6）采用一体化信息平台，对站控层设备进行功能融合，并结合在线监测系统实现状态可视化、智能巡检、智能预警等高级功能；

7）变电站应用太阳能自我运行发电技术，其自身所用电能可依靠太阳能发电设备完成供给，减少综合能耗和污染排放，建设绿色变电站。

2.琴韵变电站的系统结构方案

琴韵变电站主要由智能一次设备、数字化测量设备、网络化二次设备和自动化系统组成。

全站设备支持IEC61850标准，采用高速以太网传输数据，使用MMS、GOOSE、SV报文实现信息交换数字化。

全站的自动化系统通信体系按三层设备、两层网络的模式设计。

智能设备在功能逻辑上分为站控层、间隔层和过程层，三层设备之间用分层、分布、开放式的两层网络系统实现连接，其中站控层设备采用SNTP对时方式，间隔侧设备采用SNTP、IRIG-B（DC）对时，过程层设备采用IRIG-B（DC）对时（合并单元也采用自身同步源冗余配置），系统结构如图1所示。

各层设备的功能和配置如下：

2.1站控层

站控层设备包括站内应用服务器、实时远动终端和非实时远动终端，均采用冗余配置。

视频及环境监控站端系统单独组网，RPU也作为站控层设备，通过特殊的物理隔离装置将实时视频汇聚于应用服务器。

站控层设备具有监视控制、五防闭锁、就地化的电网分析应用、在线监测综合分析、视频智能分析及视频化操作、智能门禁管理、远动通信等功能，实现管理控制间隔层、过程层设备，形成全站监控、分析管理中心，并实现与各级调度控制中心/集控中心、电力设备远程监测诊断中心、电能质量监测中心、电能计量主站、视频及环境监控等的通信。

2.2间隔层

间隔层设备包括保护测控装置、报文记录及故障录波装置、电能表、电能质量监测装置、变压器中性点直流检测、各种在线监测分析系统、变电站视频及环境监测站端系统、站用交直流电源以及其他智能接口设备等装置。

间隔层设备通过过程层网络与智能终端、合并单元、在线监测终端等过程层设备通信，获得采样值、开关量等信息，并通过站控层网络与站内应用服务器等设备通信。

2.3过程层

过程层设备包括变压器、断路器、隔离开关、接地刀、电流/电压互感器、电容器、避雷器、电抗器、合并单元、智能终等。

图1琴韵变电站的体系结构

3.分层分布式体系结构在线监测系统方案

3.1系统架构

珠海琴韵220kV变电站将建成基于IEC61850标准的智能化变电站，建议采用分层分布式结构的在线监测系统架构。

具体而言，在线监测系统包括以下几个部分：

①在线监测组件（过程层）；②在线监测终端（间隔层）；③集中在线监测主机（站控层，功能整合到应用服务器中实现）。

该架构充分利用智能化设备作为数据信息采集基础，充分利用智能变电站的网络结构，采用统一的IEC61850通信规约，能与变电站监控系统共享一次、二次设备信息。

站控层由开放式网络结构连接的应用服务器构成，将在线监测系统与变电站自动化系统一体化设计。

通过网络方式接入各间隔层的在线监测终端，收集处理在线监测数据，搭建开放统一的数据平台，提供站内运行的人机联系界面，实现监视查看过程层设备以及设备状态的综合分析和应用等功能；同时，以IEC61850MMS方式接广东电网公司及珠海局电力设备远程监测诊断中心，并可与调度/集控中心通信。

站控层设备发生故障而停运时，不能影响间隔层的正常运行。

间隔层由在线监测终端和各种网络、通信接口设备等构成，完成面向单元设备的监测和数据分析处理等功能。

在站控层及间隔层通讯失效的情况下，仍能独立完成本间隔设备的在线监测数据处理功能。

过程层由分散在各智能化设备本体附近或安装在各间隔智能组件柜内的在线监测组件构成，完成各智能设备监测信息的传感、采集等功能。

3.2具体配置

3.2.1在线监测组件配置

3.2.1.1变压器在线监测组件

变压器在线监测组件的监测内容包括：

1）油温度在线监测

配置顶层油面和底层油温度传感器，安装位置及数量由变压器制造商确定。

2）绕组热点温度在线监测

配置光纤传感器测量，光纤测温点数和位置由制造商和用户协商确定，同时接入变电站视频及环境监控系统。

3）铁芯接地电流在线监测

配置穿心式CT，安装于铁芯接地线上。

4）主油箱气体压力（轻瓦斯及重瓦斯）在线监测

配置气体继电器，安装于储油柜与变压器本体的连接管道上。

5）油中气体分析及油中微水在线监测

配置7组（或更多）组分油中溶解气体及微水进行在线监测及分析，气体组分包括H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、H2O，每台变压器配置1套。

6）变压器套管在线监测

配置单匝穿心式微小电流传感器，监测套管泄露电流、电容量、介损等参量。

7）中性点直流在线监测

配置穿心式直流CT，安装于变压器中性线接地刀后的支撑铜排处。

8）综合信息在线监测

通过电流、电压互感器等监测变压器有载分接开关的启动电流波形，分接开关电机的启动时间、启动电流、运行电流等，以及变压器负荷、电压、电流等运行工况数据，在变电站监控系统直接调用，无需额外就地安装测量装置。

3.2.1.2220kVGIS在线监测组件

220kVGIS在线监测组件的监测内容包括：

1）220kVGIS局部放电在线监测

GIS局部放电在线监测应采用内置式UHF（超高频）传感方式，局放传感器的数量采用每个断路器间隔6个传感器，非断路器间隔3个局放传感器。

2）220kVGIS气体密度、微水在线监测

配置SF6密度传感器和微水传感器。

3）220kVGIS断路器在线监测

分合闸线圈、储能电机电流测量采用穿心式电流传感器，一次电流信号的测量采用电子式互感器或传统互感器，断路器分合闸位置采用辅助开关。

4）220kVGIS避雷器在线监测

每台避雷器配置泄露电流传感器1台和计数器1台。

3.2.1.320kV开关柜在线监测组件

20kV开关柜在线监测组件主要完成断路器触头温升、柜内温湿度等的在线监测功能。

该监测功能由开关柜柜体上配套安装的高压开关设备采集单元完成。

3.2.1.420kV并联电抗器在线监测组件

20kV并联电抗器在线监测组件主要完成铁芯接地电流的监测功能，由安装于铁芯接地线上的穿心式CT完成。

3.2.2在线监测终端配置

间隔层配置变压器在线监测终端、220kVGIS在线监测终端、20kV开关柜及并联电抗器在线监测终端各1台。

，各装置信息汇集至非实时远动终端上送至各级电力设备远程诊断中心的2区前置服务器。

3.2.3集中在线监测主机配置

站控层不单独配置集中在线监测主机，在线监测分析系统与监视控制系统共用站内应用服务器。

在线监测分析系统对采集的主要设备状态信息，进行可视化展示并发送到上级系统，为智能变电站实现基于状态检测的设备全寿命周期综合优化管理提供基础数据支撑。

在线监测分析系统具有电气设备台账信息管理、设备缺陷及故障报警、在线监测数据曲线比对、设备状态对比分析、设备健康状态可视化、设备健康状况分析、知识库管理、故障诊断分析、数据分析服务等功能。

4.基于物联网技术的智能视频及环境监控系统方案

物联网的信息采集、传输、处理过程，具有全面感知、可靠传输、智能处理的特点。

将物联网技术引入智能变电站，充分利用物联网的优点，将使监测数据的采集准确度大大提高，获取到的信息更加可靠、完整，真正实现变电站全景数据的监控与智能化管理。

利用物联网技术，结合先进传感终端设备，构建传感网测控网络。

在传感网测控平台基础上建立智能视频及环境监控系统，实现图像监视、安全警卫、火灾报警、主变消防、采暖通风等功能的集成，并将视频监视与变电站自动化系统形成联动，全面实现变电站智能运行管理与控制，使其具备“智能监测、智能判断、智能管理、智能验证”功能。

4.1系统结构

智能视频及环境监控系统配置变电站视频及环境监控主机、站端处理单元、视频监控设备、环境信息采集设备、温度状态监测设备、网络设备和存储设备等。

变电站层不单独配置视频及环境监控主机，该功能整合到站内应用服务器中实现，提供人机交互界面，监控站内全部视频及环境信息，并进行运行工况统计。

站端处理单元作为站端系统的核心，主要负责视频及环境信息的上传、摄像机的控制、温度状态信息与环境信息的采集与处理、与其他系统的交互通信、视频与告警信息的联动等。

当站内应用服务器发生故障而停运时，站端处理单元仍能独立完成变电站视频及环境的监控功能。

视频监控设备全部采用网络摄像机，室外高压场地摄像机的视频及控制信号通过光端机转换成光信号后，采用光纤传输接入网络交换机的光口，其余摄像机可通过网络接入网络交换机的电口；配备红外测量仪，上传红外视频及其所测量的相关设备温度。

环境信息采集与温度状态监测设备包括温湿度传感器、风速传感器、水浸探测器、烟感、门禁、双鉴、红外对射、无线温度传感器、红外测温仪、SF6传感器等。

利用物联网技术，采用各种传感器实现了对变电站的全面感知，并构成了一个遍布整站的传感网测控网络，通过有线传感网络和无线传感网络将监测信息汇聚到站端处理单元进行智能化处理与控制。

4.2系统功能

4.2.1实时视频监控功能

能对开关室、电容器室、主变及其高压配电设备进行运行监控（同时能对重要设备进行实时温度监控）；能对大门口和重要的通道进出入口进行监控。

在设定的间隔时间内对站内摄像机进行视频巡检，被巡检的对象可以任意设定，包括同一站端的不同摄像机、同一摄像机的不同预设方向等。

巡检时间间隔可设置。

并具备视频自动跟踪、移动检测等功能。

4.2.2环境信息采集处理功能

能对站内的温湿度、风力、水浸和SF6浓度等环境信息进行实时采集处理和上传；可设定不同级别的环境信息告警值。

4.2.3告警及告警联动功能

能对SCADA系统、安全警卫系统、火灾消防系统、视频移动侦测系统、SF6监测系统、采暖通风系统、给排水系统、智能巡检监督系统、智能检修维护认证系统等实现联动。

当有联动告警信号发生时：

1）可自动切入告警画面；

2）可自动开启相关分区的灯光照明系统；

3）可自动开启警铃报警，可延时关闭；

4）显示器可自动弹出告警文字对话框，并生成告警记录列表滚动显示；

5）可自动发出声音提示，经值班员确认后闭音；

6）可自动启动相关镜头开始告警录像，并延时关闭；

7）当多个告警同时到达时，告警弹出画面自行叠加。

4.2.4安全警卫系统功能

周界围墙设置主动红外报警器，当入侵行为触发报警时，系统立即和智能视频分系统进行联动，相关摄像机自动凝视侵入目标，该视频图像自动弹出在监视器的最顶层，值班人员可迅速直观的看到现场的实际情况；与此同时，变电站控制主机会发送音频信号至现场的音频设备，向现场进行声音告警；值班人员亦可通过麦克风设备向现场通话告警，警告可疑人员。

4.2.5火灾消防系统功能

结合变电站管理的智能化、网络化的趋势，以物联网技术理念集成现有成熟产品，通过读取火灾探测系统的告警信息，结合视频图像识别，环境温度传感器等信息，实现对变电站火灾的智能化检测、报警和主变充氮灭火、喷淋灭火的联动处理。

实现对各种消防设备的状态检测与故障警报。

实现火灾时与空调、风机的联动。

4.2.6采暖通风系统功能

通过外设的温湿度传感器，准确监测室内外的温湿度情况。

监测信息传送至站端处理单元。

同时，温湿度监测前端可执行站端处理单元控制命令，根据室内温湿度状况对空调、排风机的温度、风向等进行控制。

4.2.7温度状态监测功能

无线温度传感器直接安装在高压输变电设备可能的发热处，如：

动力电缆、电缆接头、刀闸触点、开关静触点、铜排连接点、电抗器、电容器外壳等，实现温度和温升的高可靠实时状态监测。

数据传输基站接收多个无线温度传感器发送来的数据进行分类处理，并保存到存储器中。

站端处理单元定时轮询各基站，并接收各基站的温度数据，通过比较设备与环境的相对温升、室内与室外大气的相对温升，温度变化率等，分析可能的过热情况，提前发出预警信号，提醒管理人员进行处理。

4.2.8SF6泄露监测功能

SF6传感器监测空气中SF6的浓度，氧气传感器监测氧气的浓度。

多个SF6和氧气监测节点监测数据进行协同融合处理后，判断出SF6泄漏状况，并对风机控制器发出排风指令，启动声光报警；只要有人员进入操作室，红外监测节点感知信号，并对风机控制器发出排风指令；风机控制器同时接收监控中心通过物联网监控平台发出的排风指令。

4.2.9给排水系统功能

监测给排水设备的状态，测量用水量及排水量，检测污物、污水池水位，实现对积水情况的检测及智能处理，安装浸水检测节点，实现积水自动排放；启动摄像头联动，查看现场情况；远程查询浸水检测情况，确保系统安全可靠运行；远程控制水泵运行，对积水情况的进行准确监测；发出报警信号，提示值班人员采取相应措施。

4.2.10智能检修维护认证功能

站控层主机预先设置变电站配电装置的编号和物理位置，从工作机上获取到运行人员的操作票后，自动分析操作票的内容，确认需要检修的间隔、设备，命令室内摄像头监视该操作区域，并将所需维修的设备识别代码及设备位置自动上传到智能终端上。

运行人员手持智能终端，进入到设备区域时，智能终端与设备的感知卡进行配对。

配对完成后，主站会将操作票内容发送到智能终端上。

运行人员按智能终端提示操作完成并做完安全隔离措施。

4.2.11智能巡检监督功能

智能巡检监督系统由感知卡、手持式智能终端和系统管理主机等组成。

作业人员手持智能终端按照信息采集器提示的巡视路线进入设备区依次巡视。

到达某个区域后，首先要通过智能终端与设备上的感知卡进行匹配。

如匹配功，信息采集器显示该设备的巡视作业内容并由巡检人员填写，否则发出错误匹配信息并提示巡检人员下一个应该巡检的设备名称。

智能终端与主机采用无线连接方式，巡检结果快速上传至后台，作业和管理人员共享同一变电站巡检信息。

4.2.12智能巡检监督功能

室内和室外场区灯光可实现人工遥控开启，人工遥控关闭和自动延时关闭功能；灯光遥控功能不影响站内原有人工开启和关闭功能；室内和室外场区灯光可实现告警联动时自动分区开启、延时关闭功能。

4.2.13操作管理功能

1）录像及回放

能进行手动控制录像、计划录像、移动侦测录像、报警联动录像，录像时间周期可根据需求而定。

录像资料自动管理，无需人工干预。

硬盘录满后，自动删除最旧的录像资料，重复循环使用硬盘空间。

在录像资料回放方面，可根据需要分别按摄像时间、告警提示等要求进行检索和调看。

2）报警事件管理

当报警发生时，启动报警联动，自动切换到报警点摄像机。

任何告警历史记录、数据统计均保存6个月以上，并可随时调看。

3）操做权限管理

可设置监控客户机的用户权限和级别。

监控客户端机通过客户端软件实现用户登录，对变电站现场图像接收与显示，对前端图像设备可实时遥控。

4.3系统供电

为保证视频及环境监控系统运行可靠和隔绝来自电源的干扰，应采用专用的UPS交流电源，系统内部其它电源则通过配电器提供。

室外高压场地的摄像机电源，可根据需要在场地按电压等级分区域设置电源端子箱。

系统提供一路交流电源至端子箱，由端子箱辐射式给摄像机供电，并在摄像机侧的设备箱内，由配电器转换成摄像机所需要的电源。

室内摄像机的电源，在视频监控柜内由配电器转换后，辐射式供电。

所有室内摄像机的电源应在视频监控柜内配置合适的空气开关。

5.基于一体化信息平台的高级应用功能

智能变电站内可采用分层分布式结构的一体化信息平台，统一和简化变电站的数据源，形成唯一性、一致性的基础数据和信息，以统一标准的方式实现变电站内外实时数据及信息的交互和共享。

一体化信息平台为站控层设备提供了全景数据信息，使得站控层设备的功能（监视控制系统、在线五防系统、在线监测分析系统、视频及环境监控系统、高级应用分析系统等）可以融合到一台服务器中实现。

构建统一、先进的变电站运行管理驾驶舱。

因此，在高级应用系统中，各种高级应用功能均在一体化信息平台提供的基础数据之上配置，具体可根据实际工程情况选配如下：

5.1设备状态可视化

设备状态可视化是指基于自监测信息和经由信息互动获得的高压设备其他状态信息，通过智能组件的自诊断，以智能电网其他相关系统可辨识的方式表述自诊断结果，使高压设备状态在电网中是可观测的。

状态可视并非对运行人员而言，而是对上级系统的，如高压设备运行管理主站和电网调度主站。

变电站的应用服务器将站内设备的状态在线监测信息上送，使上级部门能够监视站内设备状态并制定合理的检修策略。

建议琴韵变电站实现变压器、断路器等重要一次设备的状态可视化。

5.2智能告警

智能告警功能通过建立变电站故障信息的逻辑和推理模型，实现对故障告警信息的分类和过滤，对变电站的运行状态进行在线实时分析和推理，自动报告变电站异常状况。

可根据调度主站需求，为主站提供分层分类的故障告警信息。

5.2故障信息综合分析与决策

故障信息综合分析决策是指在事故或故障情况下对包括事件顺序记录信号及保护装置、相量测量、故障录波等数据进行数据挖掘、多专业综合分析，并将变电站故障分析结果以简洁明了的可视化界面综合展示。

该功能可自动为值班运行人员提供一个事故分析报告并给出事故处理预案，便于迅速确定事故原因和应采取的措施，而且可以为事后相关部门分析事故原因提供相关数据信息。

该功能与继电保护故障信息子站的功能联系非常紧密，建议将继电保护故障信息子站集成到高级应用服务器中，实现设备的功能。

5.3智能巡检

结合物联网技术的智能巡检系统对设备巡视、检修的整个工作过程以流程实现顺序控制，以运行巡视、设备检修为工作节点，以报表输出为工作目标，按照数据流动线路，在充分体现各项工作标准基础上实现智能化、规范化，针对巡视、检修等工作过程进行序化、细化和标准化控制，保证整个作业过程处于可控、在控状态，减少人为错误，以达到最佳工作状态。

5.4源端维护

变电站作为调度主站数据采集的源端，提供各种可自描述的配置参量，维护时仅需在变电站利用统一配置工具进行配置，生成标准配置文件（包括变电站主接线图、网络拓扑等参数及数据模型）。

调度主站可自动获得变电站的标准配置文件，自动导入到自身系统数据库中，并自动更新运行监控画面。

实现该功能需要调度中心和变电站基于IEC61850或IEC61970标准建立统一的模型。

5.5站域控制

站域控制是指通过对站内信息的集中处理、判断，实现站内自动控制装置的协调工作，适应系统运行方式的要求。

在通信和数据处理速度满足要求的情况下，变电站级的运行控制策略优于面向单间隔的策略。

所以，实现该功能采用的是集中式控制装置，采集站内全部或者部分实时运行数据集中运算，基于全站级策略实现控制。

站域控制功能包括：

全站公用备自投、低频低压减负荷、站用光伏发电系统控制等。

5.6站域保护

站域保护是指通过信息共享，结合系统运行状态，对站内一次设备实现自适应和协调保护。

主要功能包括：

全站统一的后备保护、柔性交流输电系统（FACTS）元件保护、分布式新能源接入保护、保护定值自动生成和修改等。

5.7经济运行与优化控制

经济运行与优化控制功能是指将变电站的电压、无功调节设备纳入区域无功电压调节系统，进行整体策略控制，实现区域级别的电压无功自动优化调节。

该功能既可进行单站AVQC，也可以与调度配合，实现区域AVQC功能。

在区域控制失效情况下，具备自动转换为单站AVQC的能力。

5.8区域网络保护

电流的同步采样信息以及开关量信息，完成对区域电网多个元件的保护与控制。

网络保护功能借助广域信息完成，利用空间多点信息做出判断而不是动作时间上的配合来保证后备保护的选择性，缩短后备保护的动作时间，缩小故障切除范围。

5.9协同互动

智能变电站可与分布式电源、大用户等相互交换数据，实现协调运行与控制。

对于外部接入的分布式电源，通过信息交互，可对其运行状态进行监视，相应调整控制模式，实现分布式电源的灵活接入。

对于钢厂等大客户，可通过协同互动对用户的电能质量进行在线监测，还可实时传送客户需要的相关信息，支持电力交易，为客户提供更好的服务。

6.利用太阳能光伏发电设备建设环境友好型智能变电站

屋顶光伏电站安装功率为79.12kW，采用344块230W多晶硅光伏组件，光伏组件最低点与屋顶女儿墙平齐，电池板朝正南方向设计，倾角20度。

太阳能电池板选用1650×992mm（230W）多晶硅标准板。

太阳能电板方阵所产生的直流电通过并网逆变器变成380V三相/50Hz或220V单相/50Hz的交流电，并连接至1#站用变低压侧总进线。

整个屋顶光伏发电系统采用包括系统监控软件、工作站、探测器及相关软件等在内的一套完整的监控系统进行集中监控。

变电站屋顶太阳能光伏发电系统使用太阳能这一绿色、环保无污染的清洁能源，节能、环保，而且增加变电站站用电系统的可靠性。

在夜晚或阴雨天发电量不足时，由电网给站用电负荷供电，总体上实现站用电负荷全年对于市电的“零消耗”。

变电站屋顶太阳能光伏系统具有不需占用昂贵的土地、降低施工成本、在用电地点发电避免或减少了输配电损失等多种优点。

光伏发电系统具有良好的环境效益，不会造成温室气体的排放，是建设环境友好型智能变电站的首选方案。