第1章　智能变电站概述

1.1　智能变电站的发展

变电站是电力系统中连接发电厂与电力用户的重要节点，发电厂要将生产的电能远距离传输就需要将电压升高；电能要送到用户附近，满足用户电气设备的电压要求就需要将电压降低。这种将电压升高、降低的工作由变电站来完成。变电站在电力系统中除了升、降电压外，还是系统负荷分配、控制电流流向、连接不同电压等级电网的场所。为满足电网经济运行的需要，伴随着电力系统的发展，变电站经历了常规变电站、综合自动化变电站、数字化变电站的发展历程，正逐步向智能化变电站演化。

1.1.1　变电站阶段划分

第一阶段：1990年前，为传统二次系统，常规继电器实现保护测控。

第二阶段：1990—2005年，综合自动化变电站推广，技术发展较快。20世纪90年代中期，IEC提出了IEC 61850标准。

第三阶段：2005—2009年，数字化变电站开始出现。到今天，综合自动化变电站技术已经比较成熟，向数字化变电站过渡。

第四阶段：2009年以后，智能电网的发展加快了数字化变电站的发展，智能变电站开始推广。

1.1.2　综合自动化变电站

综合自动化变电站的概念是在微机保护在变电站得到广泛应用的背景下提出来的。由于变电站微机保护装置普及，微机保护除了具备强大的保护功能外，还具备强大的数据采集功能和通信功能。因此，如果能够将微机保护的数据采集功能充分利用起来，不但有助于降低监控系统的造价，而且还有助于提高变电站运行的自动化水平。

常规综合自动化变电站的一次设备采集模拟量，通过电缆将模拟信号传输到测控保护装置，进行模数转换后处理数据，然后通过网络将数字量传到后台监控系统。同时监控系统和测控保护装置对一次设备的控制通过电缆传输模拟信号实现其功能。

综合自动化变电站的发展经历了两个阶段：第一阶段（自20世纪90年代中期开始）主要是以110kV及以下电压等级的变电站为对象开发出了星形结构的综合自动化系统；第二阶段（自20世纪初开始）主要是以220kV及以上电压等级的变电站为对象开发出了总线结构的综合自动化系统。综合自动化变电站是借助于通信技术，将变电站内以微机保护为主体的一系列智能装置所提供的信息综合起来所构成的保护监控一体化变电站。目前运行的变电站综合自动化系统是利用现代电子技术通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备（包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等）功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统，通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站运行监视和控制任务。

1.1.3　数字化变电站

数字化变电站是由电子式互感器、智能化终端、数字化保护测控设备、数字化计量仪表、光纤网络和双绞线网络以及IEC 61850规约组成的全智能的变电站模式，按照分层分布式来实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作性的现代化变电站。数字化变电站的所有信息采用统一的信息模型，按统一的通信标准接入变电站通信网络。变电站的保护、测控、计量、监控、远动、VQC等系统均用同一个通信网络接收电流、电压和状态等信息，并发出控制命令，不需为不同功能建设各自的信息采集、传输和执行系统。

与综合自动化变电站比较，数字化变电站含有以下多种技术的研究应用：IEC 61850的应用，电子式互感器及智能高压电器，基于IEC 61850标准、电子互感器、智能高压电器等应用的继电保护、测控技术与装置，基于IEC 61850标准的电能计量技术，数字化变电站稳定安全可靠性，数字化变电站相关的设计、试验、验收、运行、维护技术标准与规范研究。同是站控层—间隔层—过程层，综合自动化变电站与数字化变电站典型结构比较如图1.1所示。

数字化变电站对比综合自动化变电站的优势如下：

（1）避免重复建设，共享统一信息模型。综合自动化变电站由于各种功能采用的通信标准和信息模型不尽相同，二次设备和一次设备间用电缆传输模拟信号和电平信号，各种功能需建设各自的信息采集、传输和执行系统，增加了变电站的复杂性和成本。

（2）减少变电站全生命周期成本。数字化变电站的设备间信息交换均通过通信网络完成，数字化变电站在扩充功能和扩展规模时，只需在通信网络上接入新增设备，无须改造或更换原有设备，保护用户投资。数字化变电站各种功能的采集、计算和执行分别在不同设备实现，变电站在新增功能时，如果原来的采集和执行设备能满足新增功能的需求，可在原有的设备上运行新增功能的软件，不需要硬件投资。

（3）二次接线将大幅度简化。数字化变电站的一次设备和二次设备间、二次设备之间均采用计算机通信技术，一条信道可传输多个通道的信息，同时采用网络通信技术，通信线的数量约等于设备数量，因此数字化变电站的二次接线将大幅度简化。

（4）信号传输采用计算机通信技术实现。数字化变电站的信号传输均用计算机通信技术实现。通信系统在传输有效信息的同时传输信息校验码和通道自检信息，一方面杜绝误传信号；另一方面在通信系统故障时可技术告警。

综合自动化变电站一次设备和二次设备间直接通过电缆传输没有校验信息的信号，当信号出错或电缆断线、短路时都难以发现，而且传输模拟信号难以使用光纤技术，易受干扰。

（5）数字化变电站可实现更复杂的自动化功能。传统综合自动化变电站由于通信系统传输信息的完整性、实时性和可靠性有限，许多自动化技术只能停留在试验室阶段，难以工程应用。数字化变电站的采用智能一次设备，所有功能均可遥控实现。通信系统传输的信息更完整，通信的可靠性和实时性都大幅度提高，因此可实现更多、更复杂的自动化功能，提高自动化水平。

1.1.4　智能变电站

近年来，我国经济发展迅速，电力需求同步增强，在电网建设与改造上投入了大量资金，电网的覆盖面、供电能力以及设备的数字化程度都有了大幅度提高。根据我国能源资源的分布特点和国家发展战略部署，我们必须建设中国特色的坚强智能电网。

目前，国内在智能电网相关技术领域已经开展了大量的研究和实践，输电技术已经达到国际先进水平，配用电领域的智能化应用研究也在积极探索之中。2007年，华东电网公司启动了以提升大电网安全稳定运行能力为目的的智能互动电网可行性研究项目，启动了高级调度中心和统一信息平台等智能电网试点工程。2008年，华北电网公司也开始进行智能电网相关的研究和建设，致力于打造智能调度体系，搭建智能电网信息架构，研发清洁能源关键技术，为建设智能输电网奠定基础。上海市电力公司也相继开展了智能配电网研究，重点关注智能表计、配电自动化以及用户互动等方面。同时，天津大学、华中科技大学等高校也相继成立了智能电网研究机构，对相关技术领域进行研究和探索。

2009年5月，国家电网公司提出了立足自主创新，以统一规划、统一标准、统一建设为原则，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、互动化特征的统一坚强智能电网的发展目标，并提出了三个阶段的发展计划，其中变电环节中智能变电站建设是关键技术。智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑，设备信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、检修状态化是变电站发展的方向，最终是要实现运行维护的高效化的目标。

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。它基于IEC 61850标准，体现了集成一体化、信息标准化、协同互动化的特征。

智能变电站的设计及建设应遵循“统一规划、统一标准、统一建设”的原则，满足《电力系统安全稳定控制系统通用技术条件》（DL/T 1092—2008）三道防线要求和《电力系统安全稳定导则》（DL/T 755—2001）三级安全稳定标准，以及《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB/T 14285—2006）继电保护选择性、速动性、灵敏性、可靠性的要求，遵守《电力二次系统安全防护总体方案》；应实现高压设备运行状态信息采集功能的接收、执行指令，反馈执行信息，实现保护宿主高压设备功能的逻辑元件（即测量、控制、保护等单元）满足相应行业标准；应建立包含电网实时同步运行信息、保护信息、设备状态、电能质量等各类数据的标准化信息模型，满足基础数据的完整性及一致性的要求。其采集的变电站数据不仅包含实时稳态、暂态、动态数据，还要有信息模型、设备在线监测、视频等数据。

智能变电站与数字化变电站的差异主要体现在以下方面：

（1）数字化变电站主要从满足变电站自身的需求出发，实现站内一次、二次设备的数字化通信和控制，建立全站统一的数据通信平台，侧重于在统一通信平台的基础上提高变电站内设备与系统间的互操作性。而智能变电站则从满足智能电网运行要求出发，比数字化变电站更加注重变电站之间、变电站与调度中心之间的信息的统一与功能的层次化。需要建立全网统一的标准化信息平台，作为该平台的重要节点，提高其硬件与软件的标准化程度，以在全网范围内提高系统的整体运行水平为目标。

（2）数字化变电站已经具有了一定程度的设备集成和功能优化的概念，要求站内应用的所有智能电子装置（IED）满足统一的标准，拥有统一的接口，以实现互操作性。IED分布安装于站内，其功能的整合以统一标准为纽带，利用网络通信实现。数字化变电站在以太网通信的基础上，模糊了一次、二次设备的界限，实现了一次、二次设备的初步融合。而智能变电站设备集成化程度更高，可以实现一次、二次设备的一体化、智能化整合和集成。

（3）智能电网拥有更大量新型柔性交流输电技术及装备的应用，以及风力发电、太阳能发电等间歇式、分布式清洁电源的接入，需要满足间歇性电源“即插即用”的技术要求。

因此，智能变电站是数字化变电站的升级和发展。在数字化变电站的基础上，结合智能电网的需求，对变电站自动化技术进行充实以实现变电站智能化功能。智能变电站的设计和建设必须在智能电网的背景下进行，要满足我国智能电网建设和发展的要求，体现我国智能电网信息化、数字化、自动化、互动化的特征。