智能变电站设计及研究.docx

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智能变电站设计及研究

中文摘要

变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。

变电站作为输配电系统的信息源和执行终端，要求提供的信息量和实现的集成控制越来越多。

因此，目前的变电站迫切需要一个简约的、智能的系统，实现信息共享，以减少投资，提高运行、维护效率。

这些运行和管理的需求使智能变电站成为变电站自动化系统的发展新方向。

随着计算机应用技术和现代电子技术的飞速发展，开展智能变电站的设计及研究具有重要意义。

本设计主要研究内容如下：

首先，阐述智能变电站的研究背景、基本概念及技术特征、研究现状，提出了智能化变电站主要支撑技术；其次，进行智能变电站技术特征及架构体系的研究，提出了智能变电站的主要技术原则及技术特征，并对三层两网结构的智能变电站的架构体系进行了详细的介绍，详细分析了过程层网络和站控层网络的结构；作为智能变电站的主要通讯手段，本文对智能变电站的IEC61850通讯标准进行了详细的介绍。

在介绍智能变电站的主要支撑技术、技术原则、技术特征及通讯标准后，对智能变电站的高压设备技术特征、组成架构进行了介绍，并对智能变压器、智能开关设备进行了初步设计。

最后，基于上述的工作，对智能变电站二次设备与监控系统进行进一步的研究，给出了智能变电站站控层设备集成优化设计方案及完成了智能变电站在线监测系统多层分布结构设计。

并以220kV、110kV电压等级为例，给出了220kV电压等级智能变电站通用设计三层两网设计方案及110kV电压等级智能变电站通用设计三层两网设计方案。

关键词智能变电站，架构体系，三层两网，IEC61850，在线监测系统

Abstract

Substationisanimportantpartofthepowersystem,itisresponsiblefortheheavytasksofpowerconversionandpowerredistribution,andplaysanimportantroleinthesafetyandeconomicoperationofpowergrid.Substation,astheinformationsourceandexecutiveterminalofpowertransmissionanddistributionsystem,requiresmoreandmoreinformationandintegratedcontrol.Therefore,thecurrentsubstationurgentlyneedsasimpleandintelligentsystemtorealizeinformationsharing,soastoreduceinvestmentandimproveoperationandmaintenanceefficiency.TheserequirementsofoperationandmanagementmaketheSmartSubstationbecomeanewdirectionofsubstationautomationsystem.Withtherapiddevelopmentofcomputerapplicationtechnologyandmodernelectronictechnology,thedesignandresearchofintelligentsubstationisofgreatsignificance.

Themaincontentsofthisdesignareasfollows:

Firstly,theresearchbackground,basicconcept,technicalcharacteristicsandresearchstatusofintelligentsubstationareexpounded,andthemainsupporttechnologiesofintelligentsubstationareputforward.Secondly,thetechnicalcharacteristicsandframeworksystemofintelligentsubstationtechnologyarestudied,andthemaintechnicalprincipleandtechnicalcharacteristicsofintelligentsubstationareputforward,andthearchitectureoftheintelligentsubstationwiththreelayersandtwonetworksisintroducedindetail.Thestructureoftheprocesslayernetworkandthestationcontrollayernetworkareanalyzedindetail.Asthemaincommunicationmeansofintelligentsubstation,theIEC61850communicationstandardofintelligentsubstationareintroducedinthispaper.

Afterintroducingthemainsupporttechnology,technicalprinciple,technicalcharacteristicsandcommunicationstandardofSmartSubstation,thetechnicalcharacteristicsandstructureofHVequipmentinintelligentsubstationareintroduced,andtheintelligenttransformerandintelligentswitchdevicearepreliminarydesigned.

Finally,basedontheabovework,furtherresearchonsecondaryinstallationandmonitoringsystemofintelligentsubstationiscarriedout.Theintegratedoptimizationdesignschemeofsubstationcontrollayerequipmentinintelligentsubstationisgiven,andthemulti-layerdistributionstructuredesignofintelligentsubstationon-linemonitoringsystemiscompleted.Taking220kVand110kVvoltageclassasanexample,?

220kVvoltagelevelintelligentsubstationgeneraldesignthreelayertwonetworkdesignschemeand110kVvoltagelevelintelligentsubstationgeneraldesignthreelayertwonetworkdesignschemearegiven.

Keywords：

IntelligentSubstation,FrameSystem,ThreeLayersandTwoNetwork,IEC61850,On-LineMonitoringSystem

中文摘要1

Abstract2

1.绪论5

1.1智能变电站的研究背景及意义5

1.2国内外研究现状6

1.2.1智能变电站研究现状6

1.2.2智能变电站主要技术支撑7

1.3本文主要工作8

2.智能变电站技术特征及架构体系10

2.1智能变电站的概念10

2.2智能变电站的主要技术原则及技术特征10

2.2.1智能变电站的主要技术原则10

2.2.2智能变电站的主要技术特征11

2.3智能变电站的架构体系12

2.3.1三层两网12

2.3.2网络拓扑结构13

2.3.3系统高级应用14

2.4基于智能变电站的IEC61850通讯标准15

2.4.1基于IEC61850规约的智能变电站的特点15

2.4.2利用IEC61850规约构建智能变电站16

2.5本章小结17

3.智能变电站的高压设备技术特征及初步设计18

3.1智能变电站高压设备技术特征18

3.2智能变电站初步设计19

3.3智能开关设备初步设计21

3.4本章小结22

4.智能变电站二次设备与监控系统的研究及设计23

4.1智能变电站二次设备研究23

4.2智能变电站站控层设备集成优化设计方案23

4.2.1一体化监控系统构架及站控层功能研究23

站控层设备整合及优化设计24

4.2.3五防系统的优化设计25

4.2.4智能变电站间隔层设备集成优化设计方案26

4.2.5测控装置与计量装置集成方案26

4.2.6保护装置与测控装置集成设计方案26

4.2.7智能变电站过程层设备集成优化设计方案28

4.2.8智能终端与一次设备机构回路整合方案28

4.2.9过程层网络的优化整合方案29

4.3智能变电站在线监控系统研究及设计29

4.3.1基于IEC61850通信标准的智能变电站在线监测系统研究29

4.3.2智能变电站在线监测系统的结构设计30

4.4“三层两网”结构的智能变电站设计31

4.5本章小结32

5.结论与展望33

致谢34

参考文献35

1.绪论

1.1智能变电站的研究背景及意义

变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。

变电站作为输配电系统的信息源和执行终端，要求提供的信息量和实现的集成控制越来越多，因此，目前的变电站迫切需要一个简约的、智能的系统，实现信息共享，以减少投资，提高运行、维护效率。

这些运行和管理的需求使智能变电站成为变电站自动化系统的发展新方向。

随着计算机应用技术和现代电子技术的飞速发展，智能变电站离我们越来越近。

变电站作为输配电系统的重要组成部分，市场化改革对其也提出了新的要求：

从变电站外部看，更加强调变电站自动化系统的整体信息化程度，和与电力系统整体的协调操作能力；从变电站内部看，体现在集成应用的能力上，也不同于传统的变电站自动化装置的智能。

传统变电站自动化系统存在的不足主要有以下方面：

（1）装置功能独立，且部分内容重复，缺乏高级应用。

虽然独立的装置实现了智能，但是却没有真正意义上的变电站系统智能，由于功能独立，装置间缺乏整体协调、集成应用和功能优化；高级应用功能，如状态估计、故障分析、决策支持等尚未完全实现；

（2）二次接线复杂、CT/VT负载过重由于测量数据和控制机构不能共享，自动化装置之间缺乏通信等原因，变电站内二次接线十分复杂，且系统内使用的通讯规约不统一，不同的厂家使用不同的通讯规约，在系统联调的时候需要进行不同程度的规约转换，加大了调试的复杂性，也增加了运行、维护的难度，给设计、调试和维护带来了一定的困难，降低了系统的可靠性。

同时，存在大量硬接线，造成CT/VT负载过重。

（3）装置的智能化优势未得到充分利用。

由于站内各套独立的自动化装置间缺乏集成应用，使得智能装置的作用并未完全发挥，从而降低了自动化系统的使用效率和投资价值。

（4）缺乏统一的信息模型。

相互独立的自动化装置间缺乏互操作性，一方面局限了其在站内的应用，另一方面也给集控中心对信息的集成和维护带来困难。

智能变电站是基于IEC61850标准体系上，采用了非常规互感器、智能化的一次设备、网络化的二次设备，能够实现智能设备之间的互操作和信息的共享。

因为IEC61850技术的先进性，它将推动我国电力系统自动化控制的变革，为我国电力系统稳健、持续的发展奠定坚实的基础，也将产生巨大的效益。

智能变电站是智能电网发展的主要方向。

智能变电站是采用先进、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、计量和监测等基本功能，并可根据需要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[1]。

作为智能电网的主要电气设备及关键环节，智能变电站的主要作用表现在[1]：

（1）可靠性：

可靠性作为智能变电站设计及发展的先决条件，能够达到对故障的迅速准确判断及处理，降低因设备故障或者线路故障对整个电力网络的损失程度；

（2）信息化：

与传统变电站相比，智能变电站通过增加智能组件、智能单元、图像等信息采集，实现智能变电站信息传递过程中的数据的安全性及可靠性，从而为智能变电站的运行提供可靠、准确、充分、实时、安全的信息；

（3）信息数据化：

智能变电站内部组件含有数字化的获取功能，能够实现智能变电站系统中各模块数据的数字化提取；

（4）自动化：

将智能变电站智能组件获取的数据化信息通过通讯通道输送给二次设备，通过在线自动效验、监测等功能提升变电站的自动化水平；

（5）互动化：

智能变电站能够完成变电设备之间，变电设备和控制设备之间，变电设备和消费者之间，变电设备与其他等设备的通信交流及相互作用；

（6）资源整合：

使各种标准统一，各种模块统一，从而让变电站里面和外面的信息可以互动和更好的分享各自的信息。

1.2国内外研究现状

智能变电站是指与调控中心实现电网运行数据、设备运维策略与电力设备信息互通互动，自动完成变电站设备控制、信息采集、电能计量和设备监测等基本功能，实现电网运行数据的全面采集和实时共享，采用可靠、集成、先进、环保的自动化智能设备，根据需要完成与相邻变电站、调控中心主站等实现自由沟通协同配合的变电站[2]。

1.2.1智能变电站研究现状

智能变电站技术规范在全球范围内仍然未形成一个统一的共识，目前仍然处

于探索阶段，但是其内涵会随着科技的进步、探索的推进、工程实践应用而变得更加丰富。

大力发展智能电网在世界各地区电力行业中已经逐渐达成共识。

当前，欧美等发达国家在变电站建设上逐渐向智能化发展，但尚未形成统一的智能变电站概念。

各国设备制造企业对智能电网的理解也不同，西门子公司认为智能变电站应该具有较高的自愈能力，认为若要减少设备维护成本和减少倒闸操作，需要提高自动化水平，从而可以提高电网盈利，减少停电；AB公司则更加偏向于设备运行监测领域，认为完善电网设备运行状态采集功能是其工作的重点。

随着IEC61850标准的颁布，使得智能变电站相关技术的应用更加标准化。

在国内，国网公司提出了建设坚强智能电网的战略构想，大力促进了智能变电站的发展，组织编写了如《智能变电站技术导则》等一系列标准和规范，为智能变电站设计、建设提供了执行依据[3]。

智能变电站是通过利用先进的电子通讯控制设备，实现变电站的在线数据采集、自动化保护调节、决策操控分析以及协调运行等功能。

智能变电站具有一次设备智能化、二次设备网络化、自动化运行管理系统化等三个重要技术特征[4]。

针对智能变电站的研究，国外研究大多侧重于配网和用户方面[5-6]，而国内电力科研工作者研究的较为全面。

文献[7]在叙述数字化变电站技术的基础上，从多个方面体现了智能变电站的特点，提出了智能变电站应遵循的设计原则和发展思路。

文献[8]提出了未来变电站的实施方案，以及对智能电网的物理技术和架构等设想。

文献[9,10]对智能变电站的保护进行研究，从所有方面对智能变电站的校准和保护功能，以及相关技术的深入研究。

文献[11]智能变电站信息模型，从辅助设备、电气模型的质量、稳定性控制等方面进行了综述，展望了智能变电站的未来信息模式应用。

文献[12]提出了智能变电站建设的主要原则和概念，针对施工过程中存在的问题，分析了解决方案。

文献[13]论述了智能变电站的概念和特点，从国内外变电站的发展现状分析了智能变电站建设中存在的一系列问题。

文献[14]介绍了智能变电站的关键技术，分析了智能变电站的发展现状。

文献[15]针对传统变电站应用系统、信息隔离等问题，利用综合智能变电站信息平台控制，对综合平台进行了详细的描述。

文献[16]智能高压设备是智能变电站的重要组成部分，500kV智能变电站改造工程实现智能变电站一次设备在线监测系统。

文献[17]实现常规变电站的智能化改造，通过智能设备的集成，改造安装，真正实现满足综合信息模型的要求。

文献[18]针对智能变电站信息采集方式进行分配采样，研究插值算法，实现对不同设备采样值的处理，满足智能变电站需求中的应用。

文献[19-21]本文总结了智能变电站的系统结构，完成智能变电站状态监测系统的设计与开发。

文献[22-24]是与智能变电站相关技术应用的规范。

文献[25]从IEC618-50技术方案着手的智能变电站相关应用研究。

文献[26-28]国外与智能变电站相关的技术规范。

文献[29]主要介绍了电子式电流互感器的研发现状和应用前景，从其定义、工作原理等方面进行了详细的阐述。

文献[30]对IEC61850通信协议系统的研究，主要从历史背景、组成、特点和变电站接口来说明。

1.2.2智能变电站主要技术支撑

随着科学技术的不断进步，新型微电子技术和网络技术的发展推动了智能电网的发展,其中新型电子互感器技术、国际通用IEC61850标准、网络通信技术、智能高压设备和智能断路器技术等成为智能电网的核心支撑技术。

（1）电子互感器技术

光电技术、微电子技术和计算机技术的进步，促使电子式互感器更好的发展，新型电子式互感器具有绝缘性能优越、抗磁干扰水平高、检量频带宽度高等优点。

新型的智能化光电子式仪用变压器综合了现代光电晶体的特性和与之相关的先进技术，采用目前世界上最先进的数字信号处理技术，实现动态性、迅速性以及方便做复杂计算的性能。

在先进的光电技术、DSP技术、微电子技术的支撑下，电子式互感器在电力系统以及智能电网的发展中得到了很好的应用。

（2）国际通用IEC61850标准

IEC61850标准是适合分层方式的IED和自动化变电站的电力网络通信协议。

该标准是依据电力系统实际运行工作的特性，制定了能实现数据实时交互、传输任务的基础服务的规定；应用模糊通信服务端口、指定通信服务映射情况，来跟随网络技术的不断发展。

通过使用面对对象建立模型技术，面对设备建立模型与自述，来实现功能的扩展，应用开放性和互操作的要求。

除此之外，变电站通信网络和系统整体规范、同步性测试等也包含在通用标准中。

IEC61850标准是国际智能变电站统一的标准，为开放性的智能电网以后快速发展奠定了基础。

（3）先进的网络通信技术

在系统中初级系统和次级系统是主辅关系，次级系统由各类计量装置、测量装置、控制装置，监测和回馈装置，机电保护，远程传动控制设备等回路组成。

二次系统大致分为控制回路和保护回路两部分，传统的二次回路是通过电缆将变电站的一次设备的数据量进行传输。

在智能电网中先进的网络通信技术已基本取代了电缆传送信息的功能。

光纤的通信传输技术凭借局域网技术，把获取到的各种信息发送给次级设备，与此同时采用分布式设计的自动化智能变电站，可以有效提升通信设备的动态性、稳定性、安全性。

（4）智能高压设备

高压设备通过与保护、控制、测量以及检测等智能组件进行一体化组合可实现高压设备的智能化。

在高压设备中，智能组件的安装即可以采用外置，也可采用内嵌，两种安装方式均不影响智能高压设备的正常运行。

智能高压设备应具有以下特征：

（1）测量数据的数字化；

（2）控制过程的网络化；（3）状态结果的可视化；（4）功能结构的一体化；（5）信息通讯的互动化。

如图1所示。

图1智能高压设备特性

（5）智能断路器技术

智能变电站中电子式互感器以及通讯网路的使用能够实现断路器自身各变量的测量。

通过分析采集测量得到的数据，能够为断路器的云梯、检修以及维护制定时间表，以达到维护以及检修的目的，从而避免了传统断路器检修带来的弊端。

智能断路器在断开瞬间，通过电子式互感器将断开瞬间的数据传输到上层设备，上层设备通过智能手段判断断路器的工作状态，并给出具体指令，实现智能断路器的单一分闸特性。

1.3本文主要工作

智能变电站由智能变电站演变而来。

建设全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化特征的智能变电站已成为建设统一坚强智能电网的重要组成部分。

论文重点基于智能化变电站的主要技术特征和支撑技术，研究智能变电站的特点、架构体系、通讯标准、高级应用等。

论文的主要工作如下：

（1）阐述智能变电站的研究背景、基本概念及技术特征、研究现状，提出了智能化变电站主要支撑技术：

即非常规互感器技术、IEC61850标准、网络通信技术、智能高压设备、智能断路器技术等；

（2）揭示智能化变电站的主要技术原则及技术特征，研究智能变电站的架构体系，对智能变电站的三层两网结构进行了介绍，并对过程层网络和站控层网络的结构进行了详细分析。

研究智能变电站的IEC61850通讯标准；

（3）分析智能变电站的高压设备技术特征，组成架构，对智能变压器、智能开关设备进行初步设计；

（4）研究智能变电站二次设备与监控系统，进行监控系统二次设备的设计。

2.智能变电站技术特征及架构体系

2.1智能变电站的概念

智能变电站是指与调控中心实现电网运行数据、设备运维策略与电力设备信

息互通互动，以全站信息数字化、信息共享标准化、通信平台网络化为基本特征，实现基于状态的全寿命周期综合优化管理，自动完成变电站设备控制、信息采集、电能计量和设备监测等基本功能，在运行过程中采用先进的自动化智能设备来完成电网各种运行工况运行数据的全面采集和实时共享工作，这些自动化智能设备往往需要具有可靠性、集成性、先进性、环保性等特点，根据需要完成与相邻变电站、调控中心主站等实现自由沟通协同配合的变电站。

2.2智能变电站的主要技术原则及技术特征

2.2.1智能变电站的主要技术原则

智能电网作为发展全球能源互联网的核心，为满足智能电网和全球能源互联网的发展要求，智能变电站的规划和设计应满足的主要技术原则有以下几个方面：

（1）遵循以IEC61850标准的变电站通信规约，实现智能变电站分层系统结构

根据国际通用的以IEC61850为标准的变电站结构体系，智能变电站通常采用3层结构的原则来进行分层。

分层可具体分为站控层、间隔层和过程层。

其中过程层主要承担一次设备数字化的重要功能，它是智能变电站二次系统和一次系统重要的结合层；间隔层主要用来完成数据的处理和控制等功能，其主要由测控、计量、保护等间隔层IED构成；站控层具备典型的SCADA和EMS功能，基本能实现转发电网实时运行工况数据到调度中心并按照调度中心特定调控命令完成相应的调节和控制。

（2）采用新型的电子式互感器设备和智能自动化设备，完成一次设备运行数据的数字化采集