智能变电站关键技术应用研究毕设论文.docx

1、智能变电站关键技术应用研究 毕设论文 网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目： 智能变电站关键技术应用研究 内容摘要变电站作为输配电系统的信息源和执行终端，是智能电网发电、线路、变电、配电、用电和调度六个环节之一，其智能化是构筑智能电网的基础。同时，随着电网技术的发展和电网的大规模互联，对变电站的功能提出了更高的要求。变电站作为输配电系统的信息源和执行终端，是智能电网发电、线路、变电、配电、用电和调度六个环节之一，其智能化是构筑智能电网的基础。同时，随着电网技术的发展和电网的大规模互联，对变电站的功能提出了更高的要求。实时监视并快速控制联络线的功率变得更为迫切，保护和控制的功

2、能及可靠性指标要求更严格。本文从智能变电站与数字化变电站区别入手，首先讨论了智能变电站的概念及两者的不同，接着对智能变电站技术现状以及智能变电站的特征和结构进行了探讨，最后详细的讨论了智能变电站的关键技术，分为标准化、信息化、一体化、智能化四个部分的内容，最后对全文进行了总结与展望，在电网潮流变化加剧，变电站无人值班要求越来越高的今天，文章具有一定的指导意义。关键词：能源；智能电网；变电站；智能化目 录内容摘要 I1 绪论 11.1 课题的背景及意义 11.2 国内外发展现状 11.3 本文的主要内容 32 智能变电站概念及与数字化变电站区别 42.1 智能变电站的概念 42.2 智能变电站与

3、数字变电站的区别 43 智能变电站技术现状 73.1 智能变电站的特征 73.2 智能变电站的结构 83.2.1 变电站智能设备的结构 83.2.2 智能变电站网络结构 94 智能变电站关键技术 124.1 标准化 124.2 信息化 144.3 一体化 154.4 智能化 175 结 论 19参考文献 201 绪论1.1 课题的背景及意义 随着电力需求的高度增加，数字经济的发展，环境监管的严格和各国能源政策的调整，电网和电力市场、客户之间的关系越来越密切。客户对电网质量要求逐步提高，分布式能源不断增加，传统的电力网络无法满足现在的发展要求。为了满足电力供应的节能、环保、高校、可靠、稳定及可持

4、续发展的要求，智能电网的建设势在必行。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，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站1。近年来，国内外的智能电网得到蓬勃发展。发展智能电网在欧美国家已经逐步上升到国家战略层面，成为国家经济发展和能源政策的重要组成部分。我国也在认真分析世界电网发展的新趋势和中国国情的基础上，紧密结合中国能源供应的新形势和用电服务的新需求，提出建设智能电网。国家电网公

5、司在“2009 特高压输电技术国际会议”期间提出“将立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网。”变电站作为输配电系统的信息源和执行终端，是智能电网发电、线路、变电、配电、用电和调度六个环节之一，其智能化是构筑智能电网的基础。同时，随着电网技术的发展和电网的大规模互联，对变电站的功能提出了更高的要求。实时监视并快速控制联络线的功率变得更为迫切，保护和控制的功能及可靠性指标要求更严格。电力市场环境下，电网潮流变化加剧，柔性交流输电系统（FACTS）技术的使用加剧了运行状态的多变性，该情况下对变电站的监视、控制和保护提出了新的

6、要求；变电站无人值班要求变电站的保护定值和控制装置的整定能在中心进行设定，各类保护能在电网层面进行协调和匹配，因此要求变电站传送足够完整的信息，建立统一的信息模型。1.2 国内外发展现状我国能源资源主要分布在西部、北部和西南等经济相对落后地区，而能源消费主要集中在东中部经济发达地区，总体来看，位于西部和北部的大煤电基地、西南大水电基地距离东部负荷中心一般为800一3O00km，基地电力外送规模大、距离远。而现有电网的大容量、远距离输送能力有限，且输电走廊利用率较、网损较大。已经不能灵活适应国家能源政策及行业发展需要。由于环境压力、土地资源的紧缺问题，使输电走廊的获得已变得非常困难，面临负荷迅速

7、增长的形势，有必要进一步提高现有电网的输送能力，为了优化能源结构和提高能源效率。提升应对气候变化的能力。国家加大了对风能、太阳能等可再生能源的开发力度。尤其是处于“三北”地区的大型可再生能源基地，当地电力需求有限，无法实现电力就地消纳，需要通过电网远距离输送到负荷中心地区，可再生能源一般具有问歇性和波动性。无法像常规电源一样制定和实施准确的发电计划，相应地对电网的接纳能力和资源优化配置能力提出了更高的要求。我国的智能电网与欧美智能电网在发展背景、目标和主要特征上不同。发展适合我国电力发展水平、技术水平和经济水平的智能电网，即建设中国特色智能电网是我国电网发展的必由之路，中国特色主要体现在以下方

8、面2:(1) 我国电网正处于快速发展阶段，美国、欧洲等发达国家电网的格局已基本稳定，负荷增长很小，所以他们将智能电网的研究及应用重点放在配电和用电领域，而我国电网的格局还将快速发展，负荷也增长很快，输电网的建设也在快速发展，特高压输电技术的研究及应用还应继续深入；(2) 可再生能源接人方面：欧洲因天然气管网发达、风能资源便利等原因大力发展了分布式发电，作为智能电网中主要的可再生能源接人方式，我国的风能、太阳能资源集中，主要分布在我国电网的边缘地带，故不能完全采用国外的发展模式，而应发展大容量、远距离可再生能源输电，综合考虑水火、水风、水光结合等输电方式，同时应加强储能技术研究和应用。目前，随着

9、智能电网时代的到来，世界各国的智能电网建设已经全面启动。在智能电网理念逐步成为业界共识的进程中，许多国家都确立了智能电网建设目标、行动路线及投资计划，但鉴于不同地区的监管机制、电网基础设施现状和社会经济发展情况的不同，各地的智能电网发展战略也有所不同。美国将重点凡在智能配电网一侧，致力于应用通信技术和智能控制技术提高电网的智能性，强调用户的参与和互动，引导用户改变需求相应，错峰填谷，从而延缓发电、输电环节建设；欧洲智能电网发展的重点是可再生能源的接入和跨国互联电网的发展；日本致力于智能配电网的建设，逐步实现了中压线路（6kV）的实时量测和自动控制；韩国计划建设智能电网综合试点项目，2011 年

10、完成建设，2013 年完成项目试验。可以看出，国外智能电网发展首先是配电网和电源端，然后才是输变电环节，在国家电网公司对国外智能电网发展的持续跟踪过程中，各国纷纷对新能源、充电汽车、智能电表等进行推广，智能变电站的建设步伐相对滞后。但智能变电站作为智能电网的重要节点，势必在未来新建变电站中将逐步被采用，在美国电科院智能电网成本与收益评估报告中，到 2030 年，美国将建设智能变电站 8423 座，现有58027 座变电站中约 80%改造后安装智能电子设备，安装相角测量装置(PMU)1250套，建设数量和投资规模都非常巨大，未来几年内，智能变电站建设与改造必将迅速开展。1.3 本文的主要内容本文

11、研究的是智能变电站涉及的关键技术应用以及研究方法。全文共分为四章，各章内容简介如下：第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；第二章智能变电站概念及与数字化变电站区别，主要讲述了智能变电站的概念以及与数字变电站的区别；第三章智能变电站技术现状，简述了智能变电站的特征和结构；第四章智能变电站的关键技术，其中讲述了标准化、信息化、一体化、智能化四个部分的内容。本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。2 智能变电站概念及与数字化变电站区别2.1 智能变电站的概念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、

12、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。智能变电站能够完成比常规变电站范围更宽、层次更深、结构更复杂的信息采集和信息处理，变电站内、站与调度、站与站之间、站与大用户和分布式能源的互动性更强，信息交换和融合更加方便快捷，控制手段更加灵活可靠。智能变电站设备具有信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、状态可视化等主要技术特征，符合易扩展、易升级、易改造、易维护的工业化应用要求。智能变电站的发展目标是实现电网运行数据的全面采集和实时共享，支撑电网实时控制、智能调节和各类高级应

13、用。实现变电设备信息和运行维护策略与电力调度全面互动。实现全站信息数值化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化。智能变电站对智能电网的支撑作用主要体现在以下几个方面3：1）可靠性：可靠性是变电站最主要的要求，具有自诊断和自治功能，做到设备故障早预防和预警，自动将供电损失降低到最小程度。2）信息化：提高可靠、准确、充分、实时、安全的信息。除传统“四遥”的电气量信息外还应包括设备信息、环境信息、图像信息等等，并具有保证站内与站外的通信安全及站内信息存储及信息访问安全的功能。3）数字化：具备电气量、非电气量、安全防护系统和火灾报警等系统的数字化采集功能。4）自动化：实现系统工程数据自动生成

14、、二次设备在线/自动校验、变电站状态检修等功能，提高变电站自动化水平。5）互动性：实现变电站与控制中心之间、变电站与变电站之间、变电站与用户之间和变电站与其它应用需求之间的互联、互通和互动。6）资源整合：通过统一标准、统一建模来实现变电站内外的信息交互和信息共享。将保护信息子站、SCADA、五防、PMS、DMS、WAMS 等功能应用或业务支持集于一身，优化资源配置，减少重复浪费现象。2.2 智能变电站与数字变电站的区别从技术发展的路线来看，智能变电站的技术发展和建设是分阶段完成的。在近阶段，以数字化变电站技术体系为基础，探索建设符合智能电网要求的智能变电站；在未来几年，随着在线监测技术和资产全

15、寿命周期管理理论的发展，逐步完善和建设具有智能预警监控功能的智能变电站。可见，从技术发展的角度来说，智能变电站是从数字化变电站技术体系中继承而来，数字化变电站技术体系构成了智能变电站的技术基础，在数字化变电站的技术构架上，再融入在线监测、全寿命周期综合优化管理、协同互动等高级应用技术，最终形成符合智能电网要求的智能变电站。智能变电站与数字化变电站的区别分为以下几个方面：在信息采集方面，数字化变电站对数据的全面数字化采集、传输和共享，而智能变电站全面覆盖的智能传感器根据分析要求进行采集；在通信方面，数字化变电站采用高速可靠的数字化通信，而智能变电站采用多种通讯介质实现的集成的、双向的通信；在决策

16、方面，数字化变电站根据系统实时状态给出准确的处置方案，而智能变电站实时评估，快速判断，并自动生成控制策略；在控制方面，数字化变电站根据辅助决策结果进行人工控制，而智能变电站，智能控制系统对人工的代替，实现电网自愈。智能变电站最大的特点是信息共享，随着智能变电站的推广应用，数字式保护装置得到快速、迅猛的发展。与常规变电站相比，对于继电保护装置而言，最显著的特征是开入模拟量数字化，二次回路网络化(无接点传输)，一次设备智能化，这就使得各保护设备的配置原则、技术性能要求、功能划分、维护检修等都与传统变电站大不相同，也为网域保护、站域保护等多种新技术的研究和应用提供了基础。对于数字式保护装置本身，最显

17、著的结构特征是取消了数据处理部分和操作回路部分，如图 2.1 所示。数据处理部分转移到合并单元中，操作回路转移到智能终端中，硬件结构大大简化。对于数据处理与保护装置间、保护装置与操作回路间的信息传输，由原来的装置内部总线转变为的变电站的过程层网络。保护功能由原来的单装置单独完成，转变成分布到网络各个节点完成4。数字式保护比常规保护多了采样值和出口回路经过网络的传输时间，IEC 61850对传输时间的定义如图2.2所示。传输时间包括装置各自通信处理器时间 加上网络时间，其中有等待时间、路由器与其他网络设备所耗费的时间。则传输时间： (2.1)其中ta、tc为传输装置通信处理时间，tb为网络传输延

18、时。以典型的保护跳闸为例，PD1为继电保护装置，PD2为断路器智能终端，两者之间通过光纤以太网相连，设保护装置跳闸报文处理延时间ta、智能终端报文处理延时tc均为5 s，网络传输延时tb为400 s，则继电保护装置通过网络方式跳闸，总传输时间为 t = 5 + 400 + 5 = 410s。由于物理装置和网络设备可能来自不同的厂商，数字保护装置需要考虑网络传输的各种不确定因素，以及给保护带来的同步性、实时性等关键问题。同时，通过建模形成的数字保护装置出口逻辑与常规保护有了很大的差异。图2.1常规保护与数字化保护图2.2 总传输时间的定义3 智能变电站技术现状3.1 智能变电站的特征到目前为止，

19、对于智能变电站并尚没有统一的明确定义，但“以高速网络通信平台为信息传输基础，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、协同互动等高级应用”这些智能变电站基本认识在学术界和工程界已达成共识。剖析我国智能电网发展目标和基本技术特征，从中可以进一步理解智能变电站的技术内涵。信息化是坚强智能电网的基本途径，体现为对实时和非实时信息的高度集成和挖掘利用能力；数字化是坚强智能电网的实现基础，以数字化形式清晰表述电网对象、结构、特性及状态，才能实现各类信息的精确高效采集与传输；自动化是坚强智能电网发展水平的直观体现，依靠高效的信息采集

20、传输和集成应用，实现电网自动运行控制与管理水平提升；互动化是坚强智能电网的内在要求，通过信息的实时沟通及分析，实现电力系统各个环节的良性互动与高效协调，提升用户体验，促进电能的安全、高效、环保应用。按照坚强智能电网要求，目前变电站自动化系统信息共享程度较低，综合利用效能还未充分发挥；设备检修模式较为落后，需要加快由定期检修向状态检修过渡；一次装备的智能化技术水平有待提高。因此，建设智能变电站应着重于三个方面：智能一次设备；信息共享；在线监测。智能变电站的智能主要体现在两个方面5，即智能设备和智能高级应用。所谓智能设备，是指一次设备和智能组件的有机结合，其中，智能组件是二次设备的统称，包括测控装

21、置、保护装置、测控保护装置、状态监测装置、智能终端等，也可以是几个装置的集合，如GIS汇控柜、屏柜等。这些智能组件就像一次设备的“管家”，帮助一次设备做好传输和分配电能的工作，还具有测量、控制、保护、计量等功能。智能变电站的第二个特点是智能高级应用。目前，传统的变电站已经实现了自动化，但是相对于调度机构来说很“听话”，也是被动的，智能变电站可以与调度机构友好互动。因为智能组件的广泛应用，智能变电站采集的数据是全景式的，因而信息量非常大，但是这些数据不是不加分析就传输给电网调度机构，而是通过站内的信息一体化平台以及变电站自动化系统高级应用模块，对数据进行初步的挖掘、分析，实现智能告警、顺序控制、

22、设备状态可视化、事故综合分析决策等。比如，通过对变压器在线检测的运行数据进行分析可发现设备存在的隐患，系统会进行统计评估，对越限值发出告警信息。智能变电站强调全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化。此外，还具有功能集成化、结构紧凑化、状态可视化等显著技术特征，易扩展、易升级、易改造、易维护，被认为是变电站发展历史上的一次革命。3.2 智能变电站的结构智能变电站以智能一次设备和统一信息平台为基础，通过采用先进的传感器、电子信息、通信控制、人工智能等技术。实现变电站设备的远程监控、程序化运行控制、设备状态检修、运行状态自适应、智能分析决策、网络故障后的自动重构以及与调度中心信息的灵活交互。

23、高压设备是电网的基本单元，高压设备智能化(简称智能设备)是智能电网的重要组成部分，也是区别传统电网的主要标志之一，智能设备是附加了智能组件的高压设备，智能组件通过状态感知和指令执行元件，实现状态的可视化、控制的网络化和自动化，为智能电网提供最基础的功能支撑，智能设备不仅仅是测量与控制方面的技术革新，对变电站设计、电网运行、乃至高压设备本身的技术发展，都有重大影响，智能设备将使整个变电站向着更加简约、可靠和智能的方向发展。近期智能变电站的建设主要是基于IEC 61850规约的二次设备发展，变电站的主要信息，包括电流、电压的实时状态均数字化后用网络传输给二次设备，实现了变电站信息采集、传输和处理全

24、过程数字化。随着电力系统越来越高的可靠性及自动化发展的要求，同时现代计算机技术、微电子技术和信息技术的快速发展，使电器设备实现自动化和智能化成为可能。因此，开展一次设备智能化应用研究，对变电站的自动化运行将带来深远的影响和变革，为变电站实现一次设备智能化起到及其重要的作用，具有非常重大的技术和经济意义。3.2.1 变电站智能设备的结构智能设备由高压设备和智能组件组成，高压设备与智能组件之间通过状态感知元件(传感器或其一部分)和指令执行元件(控制单元或其一部分)组成一个有机整体，三者合为一体就是智能设备，或称高压设备智能化。智能设备是智能电网的基本元件，根据高压设备的类别和现场需求，控制单元和智

25、能组件的部分功能可以相互转移，或将控制单元的功能全部集中到智能组件中。对于无控制需求的高压设备。没有控制单元，状态感知元件根据需要，或植入高压设备内部、或安置于高压设备外部的专门位置，状态感知单元与智能组件之间通常由模拟信号电缆连接。根据需要，智能组件可以集成控制、保护、测量等更多功能6。3.2.2 智能变电站网络结构合理的自动化系统组网方案是设计规划智能变电站的前提和关键问题。IEC61850 国际标准将数字化变电站在逻辑上划分为变电站层、间隔层和过程层，变电站层与间隔层之间的联系网络一般称为站控层网络、间隔层与过程层之间的联系网络一般称为过程层网络。由于站控层网络和过程层网络承载的功能截然

26、不同，为了保证过程层网络的实时性、安全性，在现有的技术条件下，站控层网络应与过程层网络物理隔离，如图3.1所示。图3.1变电站通信网络结构简图1、站控层网络：站控层网络的功能和结构与传统变电站的监控网络基本类似，网络拓扑可采用环型或星型。其中，环型具有较好的安全稳定性，但扩展性稍差，1 个间隔配备 1 台环网交换机也使得设备投资过大，同时环网也可能带来如下技术问题：（1） 环网是一种较复杂的组网方式，它需要交换机实现生成树协议，如RSTP，或者各种专有协议，如 TurboRing、RapidRing 等。由于交换机厂家采用的环网协议不统一或者实现方法不规范，导致在环网交换机选型方面受到一定制约

27、。（2） 由于拓扑结构的特点，报文在环网上的传输延时会随着环网节点数目的增加而增大，更为严重的是环网存在广播风暴的风险。（3） 环网中的任何一台交换机检修时，网络拓扑都会变成总线型，这会容易导致整个站控层网络的瘫痪。星型网络则兼顾了网络的安全性和扩展性，报文传输延时固定，检修某个间隔时将该间隔交换机关闭即可切断与其它间隔的联系，保证了检修时的安全性。因此，同时考虑到 220kV 保护双重化配置的原则，建议：站控层网络采用双星型拓扑，如图3.2所示。图3.2站控层网络组网方案2、过程层网络：过程层网络是智能变电站的基本特征，由于绝大多数的自动化功能都是面向间隔的，为了减轻网络带宽的压力和保证节点

28、的访问安全，原则上要求过程层网络按照不同间隔划分成不同的独立子网，各子网之间可以通过汇聚交换机级联，子网内部采用星型或点对点连接拓扑；母线、变压器和低电压等级的子网可按多间隔或大间隔组建；采样值传输网与 GOOSE 报文传输网宜分开组网；跨间隔的应用利用 VLAN 技术从汇聚交换机上获得多个间隔的信息，或单独组建一个专用网络，如图3.3所示。将过程层网络划分成多个独立子网的最大优势在于：当其它间隔交换机和汇聚交换机发生故障时不会影响本间隔内的各种功能。此外，根据应用对数据进行了分流，有效降低了网络带宽压力。图3.3过程层网络组网方案4 智能变电站关键技术智能变电站的关键技术使得智能变电站与传统

29、变电站的区别如下7：(1)智能变电站系统应是一种面向服务的架构 (SOA)(2)建立起以设备为对象的分布式智能节点。实现既分布又协同的信息共享机制。(3)从业务需求出发。把技术问题、经济问题、管理问题统筹考虑。实现能量流、信息流、业务流一体化。(4)通过智能电子装置（IED） 整合有价值的能量流、信息流。突出标准化规范化。强调功能性和互操作性。提供模型统一、规约统一、时标统一、来源唯一的高品质基础信息。(5)智能变电站作为智能电网的基础环节，将统一和简化变电站的数据源，形成基于同一断面的唯一性、一致性基础信息，以统一标准方式实现变电站内外的信息交互和信息共享，形成纵向贯通、横向互通的电网信息支

30、撑平台，并提供以此为基础的多种业务应用。(尤其要强调)(6)采用更加高速(快速以太网)和更加经济的技术手段。传输变电站内外信息。包括与变电站。相关电源。负荷及线路的信息。掌握整个电网的状态。(7)将高级调度中心的部分功能下放到智能变电站实现。智能变电站系统管理好站内网络数据的同时可以根据运行需求，以更高的频率来储存数据。实现基于实时数据仓库的数据挖掘，完成智能电网所要求的高级分析和优化功能。(8)智能变电站(Smart Substation )建设需要采用先进的理念重新设计新建变电站。也需要采用先进的技术改造现有变电站，以便远程监测临界和非临界运营数据。分析和处理大量实时数据。将断路器、变压器

31、、变电站的环境因素等数据进行综合分析。并与相临变电站互通信息。 4.1 标准化由于大规模集成电路技术强劲的发展，导致了先进的、快速的、功能强的微型处理器的出现，变电站自动化系统得到了飞速发展，逐渐成为了变电站的重要组成部分。而通讯协议是实现保护装置、自动化装置、监控系统信息传输的基础，寻求一种具备互操作性、高效的通讯协议，是变电站自动化、标准化的目标8。90 年代以来，国际电工委员会第 57 委员会（IEC TC57）陆续制定了 IEC 60870-5系列传输规约，用于满足电力系统及其他公用事业的需要。为了在兼容设备之间达到互换的目的，根据各种应用情况下的不同要求制定一系列配套标准，分别是60

32、870-5-101、102、103 传输规约。其中 60870-5-103 规约仅用于保护设备（间隔单元）与变电站内控制系统的信息交换。2004 年，IEC TC-57 技术委员会正式发布了更具广泛适应性、且功能强大的变电站通信协议 IEC61850 标准，该标准不仅适用于变电站内各个设备之间、设备与控制系统间的通信，将来可扩展到变电站与远方控制中心间的通信，更具开放性和灵活性。智能变电站和常规变电站在站内通信协议上的主要差别是分别采用了IEC61850 标准和 60870-5-103 传输规约，两者应用范围差别较大，本文只对站内通信协议进行分析比较，便于对 IEC61850 标准有有更清晰的认识和理解，在今后变电站建设中更好的推广和应用。下面主要讲述IEC61850标准：IEC 61850 标准定义了变电站内智能电子设备之间的通信和相关的系统要求，对变电站内自动化系统做出了全面详细的规范和描述。I