智能变电站.docx

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智能变电站

20世纪80年代末开始在变电站领域应用综合自动化技术以来，已有近20年的历史，对我国电网改造和建设产生了深远的影响，广东电网公司在最近的几年中，新建的220kV及以下变电站均采用综合自动化新技术，提高了电网建设的现代化水平，且几乎为无人值守站，减少了变电站建设的总造价；另一方面，广东电网公司完成了大量非综合自动化变电站改造为综合自动化变电站。

不仅大大提高了电网稳定性和可靠性，而且降低了运行成本。

目前，阳江供电局110kV变电站全部为新建或改造的综合自动化变电站，且采用无人值守的管理模式。

然而，目前的综合自动化变电站均存在着以下两点通病：

一是功能重复以至设备投资重复。

比如数据测量、计量、监控、远动分别使用各自的变送器，容易造成数据不一致，且增加运行、维护的难度；二是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，同样也增加运行、维护的难度。

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。

随着计算机应用技术和现代电子技术的飞速发展，数字化变电站离我们越来越近。

2数字化变电站关键技术 

数字化变电站主要由光电式互感器、智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850通讯规约基础上分层构建，能够实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。

其有四个主要特点。

2.1一次设备智能化 

智能化电气设备快速发展，出现光电式互感器、智能化开关等机电一体化设备。

光电式互感器具有精度高、线性度好、无铁磁谐振和铁磁饱和、抗干扰能力强，安全性好、传输距离远、体积小、重量轻等特点，并且具备自检功能和在线校准功能。

克服了传统互感器绝缘复杂、重量重、体积大，CT动态范围小、易饱和，电磁式PT易产生铁磁谐振，CT二次输出不允许开路等诸多缺点。

光电式互感器的应用一方面简化继保设备，提高了微机保护的精度和可靠性，满足电力系统精确计量的要求；另一方面，对电力系统故障反应速度快、灵敏度高、测量范围广，满足暂态保护要求，适应了电力系统数字化、智能化、网络化的要求。

为一次设备智能化改革提供了基础。

按照IEC62063:

1999对智能断路器设备的定义，它不但具有断路器设备的基本功能，还具有在线监视、智能控制、数字化接口和断路器的电子操作等一系列的高智能化功能。

主要体现为：

对于一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路，将采用微处理器和光电技术设计，使传统机电式继电器及控制回路的结构大大简化；数字程控器及数字公共信号网络要取代传统的导线连接；可编程序取代二次回路中传统的继电器及其逻辑回路；光电数字和光纤取代常规的强电模拟信号和控制电缆。

2.2二次设备网络化 

二次设备的网络化，是适应光电式互感器的应用、智能化一次设备和IEC61850通讯规约的需要。

我们所熟知传统二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、故障录波装置、稳控装置、VQC将等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，各设备之间的连接均采用高速的网络通讯，二次设备没有重复的I/O现场接口，主要靠网络真正实现数据共享、资源共享。

2.3运行管理系统自动化 

变电站的运行管理系统一般包括运行数据和状态记录无纸化、自动化。

运行设备发生故障时，及时提供故障分析报告，给出故障原因及处理意见。

此外，系统应能自动发送设备检修报告，不再进行传统的定期检修，而是实现状态检修，大大减少劳动力。

2.4IEC61850标准规约的应用 

IEC61850是以变电站一、二次设备信息为数字化对象，以高速以太网络通讯平台为基础，通过对数字化信息进行标准化建模，把电力系统的调度中心、变电站及变电站内部进行无缝连接的唯一的自动化国际通讯标准，不仅规范了继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、故障录波装置、稳控装置、VQC等的模型和通讯接口，还规范了数字式CT、PT、智能化开关等一次设备的模型和通信接口，很好地解决不同的厂家使用不同的通讯规约的矛盾。

大大简化了变电站二次系统，强化了各类应用功能。

3数字化变电站信息安全对策 

虽然基于IEC61850标准协议建立起来的通信网络体系结构在上层协议上是一致的，而且也大大提高变电站内设备的互操作性和互换性，但是协议的开放性和标准性同样带来一个重要的问题：

二次系统的安全性问题。

数字化变电站内由于各种智能电子设备的大量应用，变电站内运行、状态和控制等数字化信息需要传送，负责传送这些信息的网络通讯系统成为数字化变电站的重要平台，因而，网络可靠性直接关系着数字化变电站的良好运行。

所以信息安全和网络可靠性自然成为人们较为关注的两个焦点。

目前解决这两个问题主要采用的技术措施分为两类，即加密技术和防火墙技术。

3.1加密技术 

加密技术的基本原理是对网络中传输的数据进行加密处理，到达目的地址后再解密还原为原始数据，从而防止非法用户对信息的截取和盗用。

加密技术主要分为数据传输加密和数据存储加密。

数据传输加密技术主要是对传输中的数据流进行加密，常用的有链路加密、节点加密和端到端加密三种方式。

传输数据仅在物理层前的数据链路层进行加密，不考虑信源和信宿的方式属于链路加密，它用于保护通讯节点间的数据，接收方是传送路径上的各台节点机，信息在每台节点机内都要被解密和再加密，依次进行，直至到达目的地。

节点加密方法与链路加密类似，不同的是在节点处采用一个与节点机相连的密码装置，密文在该装置中被解密并被重新加密，明文不通过节点机，避免了链路加密节点处易受攻击的缺陷。

端到端加密是在应用层完成的，是为数据从一端到另一端提供的加密方式。

数据在发送端被加密，在接收端解密，中间节点处不以明文的形式出现。

在端到端加密中，除报头外的的报文均以密文的形式贯穿于整个传输过程，只是在发送端和接收端才有加密、解密设备，报文在中间任何节点均不解密，因此，不需要有密码设备，同链路加密相比，可减少密码设备的数量。

另一方面，信息是由报头和报文组成的，报文为要传送的信息，报头为路由选择信息，由于网络传输中要涉及到路由选择，若使用链路加密，则报文和报头两者均须加密。

而使用端到端加密时，由于通道上的每一个中间节点虽不对报文解密，但为将报文传送到目的地，必须检查路由选择信息，因此，只能加密报文，而不能对报头加密。

这样就容易被某些通讯分析察觉，而从中获取某些敏感信息。

链路加密对用户来说比较容易，使用的密钥较少，而端到端加密比较灵活，对用户可见。

在对链路加密中各节点安全状况不放心的情况下也可使用端到端加密方式。

3.2防火墙技术 

防火墙技术通过对网络的隔离和限制访问等方法，来控制网络的访问权限，从而保证变电站综合自动化系统的网络安全。

但是由于防火墙只能够对跨越网络边界的信息进行监测、控制，而对网络内部人员的攻击不具备防范能力。

因此单纯依靠防火墙来保护网络的安全性是不够的，还必须与其它安全措施（如加密技术等）综合使用，才能达到目的。

4结束语 

本文论述了数字化变电站的关键技术，凸出信息安全问题及其对策。

当然，数字化变电站是一个长期的复杂的系统工程，目前仍有许多技术难题需要解决，如有关保护定值条目在IEC61850中没有约定、数据采集共享问题等。

虽然全部实现数字化变电站自动化功能还有很长的路要走，但是数字化变电站无疑是变电站自动化系统发展的重要方向。

基于智能IED数字化变电站的关键技术及以太网信息安全技术

0引言

　　随着国家电网公司坚强智能电网计划的实施,变电站将向智能变电站发展,一次设备要升级为智能电力设备,二次设备则成为智能控制单元,这是一个革命性的变化。

目前,这些新设备的需求都已经全面铺开,比如在智能变电站方面,国家电网发布了智能变电站的整体技术规划,标准也已出来,要求所需设备必须符合新的技术规范。

智能化变电站与数字化变电站相比,增强了智能的应用能力,比如自适应、自协调、互动、控制等。

许继在数字化变电站市场中是排在全国前列的,应用试点也最多,积累了很多经验,因此很容易转到智能变电站上来。

电力设备的智能化已经没有技术瓶颈,通过软件系统和硬件系统的升级都可以实现。

基于数字化变电站的主要内容是研究电子式互感器等数字化设备在监控系统和继电保护中的应用技术;研究开发符合IEC61850标准,并具备测量、保护、控制、分析、设备在线监测、状态检修、远方监视等功能的数字化分散式变电站自动化系统;研制可直接接入电子式互感器等数字化信号的硬件和软件平台。

从标准体系来讲,国内公司与国外的大公司是处在同一起跑线上。

智能电网的发展将带来一、二次设备体系的融合,这对于中国企业来说是一次大的机遇。

　　1智能数字化变电站关键技术

　　智能数字化变电站主要由基于电光效应的互感器称为光学电流/电压互感器（OCT/OVT）或无源式互感器;其余泛称为电子式电流/电压互感器（ECT/EVT）或有源式互感器基础上分层融合,能够实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。

　　1.1智能电网一、二次设备融合体系化

　　随着国家电网公司坚强智能电网计划的实施,变电站将向智能变电站发展,一次设备要升级为智能电力设备,二次设备则成为智能控制单元,这是一个革命性的变化。

目前,这些新设备的需求都已经全面铺开,比如在智能变电站方面,国家电网发布了智能变电站的整体技术规划,标准也已出来,要求所需设备必须符合新的技术规范。

智能化变电站与数字化变电站相比,增强了智能的应用能力,比如自适应、自协调、互动、控制等。

许继在数字化变电站市场中是排在全国前列的,应用试点也最多,积累了很多经验,因此很容易转到智能变电站上来。

电力设备的智能化已经没有技术瓶颈,通过软件系统和硬件系统的升级都可以实现。

因为2010年将有很多智能变电站项目实施,为满足新的需求,许继很快就将推出针对新标准的全套新产品,如电子互感器、智能控制单元等都已经在实验室的检测中。

而在用户层面,大量智能电表将被推广,明年我国计划要上4000万只智能电表。

许继的智能电表产品已经推出来。

智能电表不同于传统电表之处在于它是双向实时通信,具有互动的特征。

比如智能电表为实施阶梯电价提供了可能,因为它能够提供实时数据,新能源发电并网需要依靠智能电网,由于我国的新能源基地大都在西北、东北,如没有一个很好的坚强的电力网架来统一协调,就不容易实现多种能源的分布式利用。

　　1.2IED的互操作性

　　为了保证IED的互操作性,需要对其进行一致性测试和性能测试。

一致性测试属于“证书”测试,目的是测试IED是否符合特定标准。

一致性测试一般由授权机构完成,而性能测试则由用户组织实施。

与常规变电站相比,数字化变电站系统中的一致性测试和应用测试的联系更为紧密。

一致性测试是应用测试的基础,产品只有通过了一致性测试才具备构成应用系统以执行应用测试的条件。

由于IEC61850标准的复杂性、其性能在网络异常时的未知性以及保护、监控系统对实时性的严格要求等原因,很可能出现单独产品已通过一致性测试,将其构成应用系统时却不能通过应用测试的情况。

　　2智能数字化变电站以太网信息安全技术方法

　　IEEE1588所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步,使得分配控制工作时无需再进行专门的同步通信,从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。

智能数字化变电站内由于各种智能电子设备的大量应用,变电站内运行、状态和控制等智能数字化信息需要传送,负责传送这些信息的网络通讯系统成为智能数字化变电站的重要平台,因而,网络可靠性直接关系着智能数字化变电站的良好运行。

　　2.1加密技术

　　摘要是一种防止改动的方法,其中用到的函数叫摘要函数。

这些函数的输入可以是任意大小的消息,而输出是一个固定长度的摘要。

摘要有这样一个性质,如果改变了输入消息中的任何东西,甚至只有一位,输出的摘要将会发生不可预测的改变,也就是说输入消息的每一位对输出摘要都有影响。

总之,摘要算法从给定的文本块中产生一个数字签名（fingerprint或messagedigest）,数字签名可以用于防止有人从一个签名上获取文本信息或改变文本信息内容和进行身份认证。

摘要算法的数字签名原理在很多加密算法中都被使用,如SO/KEY和PIP（prettygoodprivacy）。

现在流行的摘要函数有MAD和MAD,但要记住客户机和服务器必须使用相同的算法,无论是MAD还是MAD,MAD客户机不能和MAD服务器交互。

MAD摘要算法的设计是出于利用32位RISC结构来最大其吞吐量,而不需要大量的替换表（substitutiontable）来考虑的。

MAD算法是以消息给予的长度作为输入,产生一个128位的“指纹”或“消息化”。

要产生两个具有相同消息化的文字块或者产生任何具有预先给定“指纹”的消息,都被认为在计算上是不可能的。

MAD摘要算法是个数据认证标准。

MAD的设计思想是要找出速度更快,比MAD更安全的一种算法,MAD的设计者通过使MAD在计算上慢下来,以及对这些计算做了一些基础性的改动来解决安全性这一问题,是MAD算法的一个扩展。

　　2.2防火墙技术

　　防火墙技术通过对网络的隔离和限制访问等方法,来控制网络的访问权限,从而保证变电站综合自动化系统的网络安全。

由于防火墙只能够对跨越网络边界的信息进行监测、控制,而对网络内部人员的攻击不具备防范能力。

　　2.3信息的同步性

　　为避免电气量的相位和幅值产生误差,二次设备需要在同一时间点上获得采样数据。

传统电磁式互感器输出的模拟信号不存在上述问题,但由合并单元输出的数字采样信号就必须含有时间信息。

应在现场进行试验来验证合并单元进行数据采样的时间同步准确度,以满足系统测量和控制的要求。

由于传统以太网自身的限制,通过多播方式在网络内实现时间同步很困难。

IEC61850采用SNTP实现不同设备间的同步采样,以UTC作为时钟同步源。

由于过程层总线的负载大,要求同步误差控制在1μs,因此过程层同步标准必须采取IEEE1588标准。

1个IEEE1588精密时钟系统包括多个节点,每个节点代表1个时钟,时钟之间经由网络连接。

按工作原理可将时钟分为普通时钟和边界时钟,普通时钟只有1个TVP端口,而边界时钟具有多个TVP端口。

在网络中,每个时钟都可能处于从属时钟、主时钟和原主时钟共3种状态,时钟所处的状态是根据最优化的时钟算法确定的

数字化变电站信息安全及网络可靠性研究

浙江大学

【学位级别】：

硕士

【学位授予年份】：

2007

智能电网的评估指标体系

文章编号：

1000-3673（2009）17-0014-05中图分类号：

TM7文献标志码：

A学科代码：

470·4054

智能电网的评估指标体系

王智冬，李晖，李隽，韩丰

（国网北京经济技术研究院，北京市宣武区100761）

AssessmentIndexSystemforSmartGrids

WANGZhi-dong，LIHui，LIJun，HANFeng

（StatePowerEconomicResearchInstitute，XuanwuDistrict，Beijing100761，China）

ABSTRACT:

Theintensionofsmartgridanditspresentdevelopmentsituationhomeandabroadarebrieflydescribed.Basedondomesticactualcondition,thesignificanceandthekeypointsofconstructingsmartgridsinChinaareexpounded.Apreliminaryframeworkofcomprehensivemulti-factorassessmentindexsystemforstrongsmartgridisproposed.Thisassessmentsystemcontainsthreefirstgradeindices,i.e.,thescaleanddevelopmentlevelofsmartgrid,thetechnicalsupportingabilityforsmartgridanddevelopmentimpactofsmartgrid;meanwhile,ecahfirstgradeindexincludesrefinedsecondgradeindicesandthirdgradeindices.

KEYWORDS:

smartgrid；comprehensiveassessment；indexsystem

摘要：

简要介绍了智能电网的内涵和国内外发展现状，结合我国实际情况，阐述了建设智能电网的重要意义和重点，提出了坚强智能电网的多因子综合评估指标体系初步框架，该体系包括智能电网规模发展水平、智能电网技术支撑能力和智能电网发展效果3方面一级指标，各一级指标还包括细化的二级指标和三级指标。

关键词：

智能电网；综合评估；指标体系

0引言

　　为保障能源安全和应对气候变化，西方主要发达国家相继提出了建设智能电网的问题[1-3]。

欧盟成立了智能电网委员会，发布了智能电网计划。

美国奥巴马政府把发展智能电网作为国家能源和经济政策的重要组成部分。

智能化已经成为国际电网发展的重要趋势。

但总体上看，各国对智能电网的认识并不统一，研究实践也基本处于探索或起步阶段。

　　国家电网公司建设坚强智能电网[4-7]是要立足自主创新，加快建设以特高压为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的国际领先的智能电网。

坚强是智能电网的基础，智能是坚强电网充分发挥作用的关键，两者相辅相成、协调统一。

坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动是智能电网的基本内涵。

　　坚强智能电网以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网，其可以预见的优点包括：

1）能够有效提高电网输送能力和运行控制的灵活性，具有强大的资源优化配置能力和有效抵御各类严重故障的能力；2）能够适应各类电源、用户便捷接入和退出的需要，实现电源、电网和用户资源的协调互动；3）能够精确高效地集成、共享与利用各类信息，实现电网运行状态及设备的实时监控和电网联合优化调度；4）能够显著提高电力系统运营效率和用户服务质量。

1智能电网国内外发展现状

1.1我国智能电网发展情况

　　近年来，国家电网公司加快建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网[8]。

特高压交流输电技术取得重要突破，2008年，特高压交流试验示范工程顺利投产，直流输电设备国产化率不断提高，坚强电网建设取得显著成效，电网装备技术水平已处于国际先进行列。

　　国家电网公司高度重视智能电网技术研究和工程实践[9]。

在调度自动化、大电网安全稳定控制、广域相量测量、在线安全分析、线路状态检修、设备在线监测、继电保护、灵活交流输电、数字化变电站、配电网自动化、馈线自动化、电表智能化、SG186工程、可再生能源的接入与送出、大容量储能、电动汽车等领域开展了大量工作，通过引进、消化、吸收和再创新，以试验示范工程为实践载体，提高国产化水平，取得了一批拥有自主知识产权的重要成果，大量科研成果应用到实际工程中。

1.2国外智能电网发展情况

　　为保障国家能源安全、促进可再生能源发展、提高资源利用效率、应对国际金融危机，美国、欧洲等国家结合各自发展特点，开展智能电网研究和实践工作[10-11]。

　　国外发展智能电网主要是利用先进的信息化、数字化技术提升电力工业技术装备水平，提高资源利用效率，积极应对环境挑战，提高供电可靠性和电能质量，完善社会用户的增值服务。

　　在发展重点上，美国主要是对陈旧老化的电力设施进行更新改造或依靠技术手段提高利用效率，欧洲国家主要是促进并满足风能、太阳能和生物质能等可再生能源的快速发展，侧重在配电和用户侧。

　　在工作进展方面，各国还处于研究和实践的起始阶段，概念和内涵还不统一，技术路线也不相同。

但总体期望建立一个高效、经济、安全、灵活、清洁环保的智能电力系统，并带动能源、电力、信息领域的变革，促进经济复苏。

　　法国计划从2016年开始所有新装电表必须是智能电表，到2016年，95%的电表必须与自动抄表管理系统相连，需要更换3500多万只电表，并已经启动在2年内更换30万只电表的试验工程。

意大利电力公司为了满足电动汽车、太阳能接入的要求，在智能电网方面开展了互动式配电网络及自动抄表管理系统的研究与应用工作。

有多国参与的ADRESS项目是其研究项目之一，目的是开发互动式配电网络。

西班牙电力公司已经开展了智能城市和自动抄表工作，主要是为了满足太阳能等分布式能源接入，以及适应西班牙政府在2007年8月出台的相关法律的要求（即到2014年所有配电运营商都必须有自动抄表管理系统运行，到2018年，所有电机式电表都要更换为智能电表）。

英国规划到2020年500万kW的电能从近海风电场输入东部地区，通过在东海岸新建多端高压直流线路将风电场接入电网。

在配电网方面，将采用先进的动态输电限额技术，解决北海2个近海风电场与配电网联网的问题。

2建设智能电网的意义和重点

2.1建设智能电网的重要意义

　　1）经济社会快速发展，对电力供应提出了更高的要求和挑战。

　　国外发展历程表明，工业化、城镇化时期的电力需求将随着经济社会的发展呈快速增长态势。

经济社会持续快速发展对电网发展提出了更高要求和挑战。

我国电网资源优化配置和抵御严重自然灾害的能力不强，制约了电网输配效率的有效发挥，影响了供电能力的提升。

建设智能电网能够满足未来国民经济快速增长的能源电力消费需求。

　　2）积极应对气候变化，促进经济社会可持续发展，要求电网适应可再生能源的大规模开发。

　　国际社会对气候变化问题的关注度不断提高，目前我国的CO2排放量已高居世界第2位，为了减少温室气体排放，国家正加大可再生能源开发力度，相应地对电网接纳可再生能源发电的能力提出了更高要求。

处于“三北”地区的大型风电基地的集中开发，从能源远距离输送和充分利用上，对电网提出了技术和经济挑战。

　　3）提升国家装备制造和电网控制技术水平。

　　发展智能电网在保障安全供电的同时，具有良好的经济效益，可以提升我国在装备制造、电网控制技术等方面的国际领先水平。

发展智能电网将带动信息、通信、装备制造、智能家用电器等多个领域的技术研发和产品生产，促进智能楼宇、智能家居、智能交通等领域的技术创新和设备研发，进一步推动我国电工、电子、信息、通信装备的自动化、数字化、信息化水平的提升和交叉融合。

2.2智能电网的发展重点

2.2.1建设各级电网协调发展的坚强电网

　　我国能源分布和消费的基本情况要求电网实现大规模、远距离输电。

建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展的坚强电网，提高电网跨区、远距离的输送容量，发挥联网效益，增加供电能力。

近年来，自然灾害频发给电网安全、可靠供电造成重大影响，通过优化主网结构，提高电网设防标准，研究应对冰灾等重特大自然灾害的电网相关技术，提高电网抗灾能力，成为需要解决的关键问题。

2.2.2提高可再生能源接入和能源利用效率

　　通过智能电网建设实现提升可再生能源的接纳能力，提高可再生能源在终端能源消费中的比重。

解决可再生能源（风电、光伏发电等）的接入、预测、监测、分析、控制等技术问题[12]，通过电源布局优化技术，实现电源集约化发展、运行控制智能化，通过机网