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

Substation is an important part of the power system, it is responsible for the heavy tasks of power conversion and power redistribution, and plays an important role in the safety and economic operation of power grid. Substation, as the information source and executive terminal of power transmission and distribution system, requires more and more information and integrated control. Therefore, the current substation urgently needs a simple and intelligent system to realize information sharing, so as to reduce investment and improve operation and maintenance efficiency. These requirements of operation and management make the Smart Substation become a new direction of substation automation system. With

the rapid development of computer application technology and modern electronic technology, the design and research of intelligent substation is of great significance.

The main contents of this design are as follows:

Firstly, the research background, basic concept, technical characteristics and research status of intelligent substation are expounded, and the main support technologies of intelligent substation are put forward. Secondly, the technical characteristics and framework system of intelligent substation technology are studied, and the main technical principle and technical characteristics of intelligent substation are put forward, and the architecture of the intelligent substation with three layers and two networks is introduced in detail. The structure of the process layer network and the station control layer network are analyzed in detail. As the main communication means of intelligent substation, the IEC61850 communication standard of intelligent substation are introduced in this paper.

After introducing the main support technology, technical principle, technical characteristics and communication standard of Smart Substation, the technical characteristics and structure of HV equipment in intelligent substation are introduced, and the intelligent transformer and intelligent switch device are preliminary designed.

Finally, based on the above work, further research on secondary installation and monitoring system of intelligent substation is carried out. The integrated optimization design scheme of substation control layer equipment in intelligent substation is given, and the multi-layer distribution structure design of intelligent substation on-line monitoring system is completed. Taking 220kV and 110kV voltage class as an example, 220kV voltage level intelligent substation general design three layer two network design scheme and 110kV voltage level intelligent substation general design three layer two network design scheme are given.

Key words：Intelligent Substation, Frame System, Three Layers and Two Network, IEC61850,On-Line Monitoring System

目录

中文摘要................................. 错误!未指定书签。Abstract................................. 错误!未指定书签。

1.绪论................................... 错误!未指定书签。

1.1智能变电站的研究背景及意义................... 错误!未指定书签。

1.2国内外研究现状............................... 错误!未指定书签。

1.2.1 智能变电站研究现状..............................................................错误!未指定书签。

1.2.2 智能变电站主要技术支撑......................................................错误!未指定书签。

1.3本文主要工作................................. 错误!未指定书签。

2.智能变电站技术特征及架构体系........... 错误!未指定书签。

2.1智能变电站的概念............................. 错误!未指定书签。

2.2智能变电站的主要技术原则及技术特征........... 错误!未指定书签。

2.2.1 智能变电站的主要技术原则..................................................错误!未指定书签。

2.2.2 智能变电站的主要技术特征..................................................错误!未指定书签。

2.3 智能变电站的架构体系........................ 错误!未指定书签。

2.3.1三层两网...................................................................................错误!未指定书签。

2.3.2网络拓扑结构...........................................................................错误!未指定书签。

2.3.3系统高级应用...........................................................................错误!未指定书签。

2.4 基于智能变电站的IEC61850通讯标准........... 错误!未指定书签。

2.4.1基于IEC61850规约的智能变电站的特点..............................错误!未指定书签。

2.4.2利用IEC61850规约构建智能变电站......................................错误!未指定书签。

2.5 本章小结.................................... 错误!未指定书签。

3.智能变电站的高压设备技术特征及初步设计. 错误!未指定书签。

3.1 智能变电站高压设备技术特征.................. 错误!未指定书签。

3.2智能变电站初步设计........................... 错误!未指定书签。

3.3智能开关设备初步设计......................... 错误!未指定书签。

3.4本章小结..................................... 错误!未指定书签。

4.智能变电站二次设备与监控系统的研究及设计错误!未指定书签。

4.1智能变电站二次设备研究....................... 错误!未指定书签。

4.2智能变电站站控层设备集成优化设计方案......... 错误!未指定书签。

4.2.1一体化监控系统构架及站控层功能研究...............................错误!未指定书签。

站控层设备整合及优化设计............................................................错误!未指定书签。

4.2.3五防系统的优化设计...............................................................错误!未指定书签。

4.2.4智能变电站间隔层设备集成优化设计方案...........................错误!未指定书签。

4.2.5测控装置与计量装置集成方案...............................................错误!未指定书签。

4.2.6保护装置与测控装置集成设计方案.......................................错误!未指定书签。

4.2.7智能变电站过程层设备集成优化设计方案...........................错误!未指定书签。

4.2.8智能终端与一次设备机构回路整合方案...............................错误!未指定书签。

4.2.9 过程层网络的优化整合方案..................................................错误!未指定书签。

4.3智能变电站在线监控系统研究及设计............. 错误!未指定书签。

4.3.1基于IEC61850通信标准的智能变电站在线监测系统研究..错误!未指定书签。

4.3.2智能变电站在线监测系统的结构设计...................................错误!未指定书签。

4.4“三层两网”结构的智能变电站设计............. 错误!未指定书签。

4.5 本章小结.................................... 错误!未指定书签。

5.结论与展望............................. 错误!未指定书签。致谢..................................... 错误!未指定书签。参考文献................................. 错误!未指定书签。

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

电子式互感器能够直接完成获取数字化的测量量等数字化采集工作，并且具有无饱和、无铁磁谐振等优点优点，因此在智能电网的规划和设计过程中得到了广泛应用。针对智能变电站的保护与电子式互感器等二次设备的接口，以及更好地发挥电子式互感器在智能电网保护中的作用，国际电工委员会专门制定了IEC60044-7和IEC61850-9-I标准。并且基于此定义了合并单元,它是这一接口的重要组成部分。合并单元的主要功能采集多路数字信号，实现数据共享，这一功能的具体实现程序是：①同步采集多路电子互感器输出的数字信号；②将标准信号

按照标准规定的格式发送给保护、测控设备；③在数据传输过程中用光纤代替传统的电缆，用总线方式代替传统的点对点接线，实现数据的共享。

（3）为实现高效数据传输基于最新进的高速工业以太网技术实现过程总线和站级总线

考虑到在实际运行过程中，智能变电站的各个IED之间通过站级总线、过程层总线传输数据信息并且需要交换大量数据。各智能变电站站级总线、过程层总线在不同电压等级、不同规模的变电站其拓扑结构也存在区别。目前站级总线常采用1OMB/OOMB以太网，而过程层通常选用100MB/1000MB以太网。

（4）采用全站的统一授时系统

智能变电站在运行过程中，其大量的信息交换完全依赖通信，因此所有IED 都应该带有时标信息。有了统一精确的时间，变电站运行中事故的原因及过程，可以通过各断路器动作、调整的先后顺序及准确时间来分析确定。

2.2.2 智能变电站的主要技术特征

相比于常规变电站，智能变电站具有鲜明的技术特征。具体体现在：

（1）一次设备智能化

智能变电站的基础是一次设备智能化。一次设备智能化是使一次设备具有实时数据采集和处理的能力，其具有可与其他IED进行实时的数据交换、一次设备数字化采集、系统结构紧凑化等功能。与常规自动化设备相比，智能设备（IED）使得一次设备自动化程度大大提高。其中一次设备的信号、状态采集过程通过在全站采用电子式互感器（电子式或光电互感器）、智能终端完成，同时可以及时与上级监控设备、系统及相关设备、调度进行协同操作。

（2）二次设备网络化

采用最先进的网络通信技术，使整个系统性能达到最优从而实现二次装置网络化性能。各个设备之间通过GOOSE、MMS、SMV等高速网络进行层与层之间、层内设备之间的信息交互。为了给控制中心提供决策依据，通过基于IEC61850标准的建模，智能变电站可以实时监测辖区电网的运行状态，自动辨识设备和网络模型。

（3）符合IEC61850标准的变电站通信网络和系统

IEC61850标准核心技术包括面向对象的建模技术、分层映射的通信技术、标准化配置语言技术等主要的三个核心技术。智能变电站采用抽象通信接口技术、对象建模技术、设备自描述规范等来确保智能设备之间通信协议和通信接口的一

致性。同时，为实现功能也需对一次设备和二次设备进行统一建模。

与常规变电站相比，智能变电站具有如下的技术优势：①智能变电站采用了电子互感器；②解决了传统互感器存在磁饱和问题；③为降低成本、便于施工采用了光纤代替了电缆；④智能变电站基于IEC61850标准全站统一平台，无需进行协议转换；④可以采用双机、双网冗余，可靠性高；⑤基于信息共享，能够统一配置全站功能，提高系统自动化水平。

2.3 智能变电站的架构体系

智能变电站自动化系统完成对全站设备的监控，站内监控及保护统一建模，

统一组网，设备配置采用开放式分层分布式网络结构，与调度数据网的通信采用统一的通信规约，实现远方/就地操作等功能，实现二次设备及系统信息的共享，在功能上满足无人值班要求，在逻辑上由“三层两网”构成，便构成了智能变电站自动化系统的主体。

智能变电站自动化系统在逻辑上由“三层”和“两网”构成。“三层”结构即站控层、间隔层、过程层以及“两网”即站控层网络、过程层网络构成。站控层主要功能是提供站内运行的人机联系界面，形成全站监控中心，并实现与远方调度中心的通信，其主要设备包括主机、监控系统、远动装置、继电保护故障信息系统及网络打印机等。站控层主要完成以下几方面工作：实时读取设备数据并将实时信息存入历史数据库中：将实时信息传送至调控中心主站；接受调控中心主站命令并执行；具备基本办公功能。

间隔层由保护功能、测量系统、计量系统、故障录波等系统组成，为保证网络通信的可靠性，提高信息通道的冗余度，可采用上下网络接口全双工模式。间

隔层主要完成以下几方面工作：优化统计运算、数据采集及下发控制命令等功能队列；承担本间隔实时数据汇总任务；承担过程层及站控层设备的网络通信功能；承担本间隔一次设备保护、控制、闭锁、同期等任务。

过程层由电子式互感器、智能断路器、智能终端、合并单元等装置构成。过

程层主要完成以下几方面工作：①承担主要电气量的采集工作，包括电流、电压的幅值、相位以及谐波分量等实时采集的任务；②承担包括变压器、断路器、隔离开关、母线、电容器、电抗器等运行设备的温度、压力、密度状态参数等在线监测任务；③完成包括有载调压主变分接头的调整，投切无功补偿装置，拉合断路器、隔离开关，直流蓄电池的充放电等控制命令的执行。

站控层网络能够实现站控层内主机、监控系统等不同类型的设备和间隔层内测量、保护和控制系统等不同类型的设备之间的信息交互。过程层网络能够实现

间隔层内相关设备以及过程层内电子式互感器、智能断路器等不同设备之间的信息交互。智能变电站“三层两网”基本结构示意图如图路器等不同设备之间的信息交互。智能变电站“三层两网”基本结构示意图如图2所示。

图2 智能变电站“三层两网”基本结构示意图

在智能变电站网络拓扑结构设计中，需要充分考虑智能变电站的扩建、网络的发展等情况，应具备一定的可扩展性：需要考虑网络风暴抑制功能，应具备一定的可靠性；需要考虑支持变电站内设备的灵活投退，相关信息配置的灵活切换，应具备一定的实时性；需要考虑优化网络结构，减少网络设备，降低变电站的建造和运行成本，应具备一定的经济性和冗余度。构或星型网络结构等是常见的网络结构，具体拓扑结构如图3所示。

图3智能变电站通常采用的网络结构

智能变电站以高速网络通信平台为信息传输基础，根据电网运行需要支持电

网运行自动控制、站间协同互动、顺序控制等高级应用功能，为智能变电站的运

行、检修等工作提供了技术保障，不仅提高了工作效率，同时实现了智能化变电

站运行管理水平的全面提升。

1、顺序控制

智能变电站实现顺序控制要满足以下3个方面要求：

（1）一次设备智能化。智能化的一次设备可以将自身详细是状态、设备信息等数据通过报文的方式传送到相关高级应用，从而可以快速获取有效的信息，实现快速的顺序控制。

（2）一次设备运行可靠。一次设备动作可靠、辅助接点能够真实的反应一次设备的真实情况，避免出现由于开关机构卡涩等原因造成操作失败的情况发生，

是顺序控制成功的关键。

（3）二次设备运行可靠。完善网络中断告警机制，提高智能变电站二次设备可用率和可靠率，能够保证顺序控制成功执行。

2、五防闭锁

五防闭锁可以应用于变电站远方遥控操作或者是就地操作，闭锁回路的设计

可以由硬接点来实现，将本间隔的闭锁回路串接到受控设备的操作回路中，在设

备关键位置配套设置锁具，通过逻辑闭锁应用软件实现全站防误操作闭锁功能。

3、远动功能

直采直送就是直接从测控装置采集到远动通信设备需要的数据，通过站控层网络传输到远方调控中心，以反映电网整体运行状况，这就要求远动通信设备与站内监控设备无任何影响直采直送的关系。

4、状态检修与设备在线监测

设备在线监测的广泛应用促进了状态检修的发展，是变电站检修工作从以前

的定时检修变成了根据监测到的设备状态数据开展有针对性的检修，从而可以节

省大量人力物力，使检修工作更加科学，提高了设备供电时间和供电可靠性，提

高了供电效益。

通过一个多层结构的软硬件综合应用平台，将设备在线监测与状态检修结合

起来。在这个综合应用平台中，通过监测、采集设备运行状况、检修历史、试验

状态数据，站内数据平台分析设备运行趋势，对设备生命状态加以诊断，根据诊

断结果通知远方调控中心或运维人员确定如何检修、检修深度和检修内容。在具

体实用过程中，状态检修需要一个能反映设备状态的参数，达到了参数规定的阈值后进行报警，以达到提醒检修人员的目的。通过设备在线监测可以有效的将定

期检修或预防性检修向状态检修方向转变，提高设备的供电可靠性和服役年限。

5、智能告警

智能告警系统就是对设备和全站的运行状态进行在线监测，通过监测数据完

成复杂逻辑分析和推演，将变电站异常自动报送到主站端并提出处理意见，同时还要实现对告警信息的自动分类和无效信号排除，以上工作都要通过一套完善的变电站故障信息推理模型来完成。告警信息通常都是在变电站端进行处理，然后将处理过的信息传送到主站端，以减少通信信道的压力和主站端工作负荷。智能告警系统可在事故情况下完成顺序时间记录（SOE）以及保护装置数据判断、对故障录波数据进行挖掘分析，将分析后的结果以简洁明了的图形界面进行展示。

6、无功自动调节

无功自动调节的逻辑顺序是根据变电站采集到的潮流数据，安装在主站系统

的无功电压优化软件进行分析计算，然后根据计算结果下达指令(如有需要)，变

电站自动化系统接收到指令后完成主变档位调节和无功补偿装置的投切，实现区域无功最优调节，以上一切工作都是由智能变电站自动化系统和集控主站系统

集成的AVC功能实现的。

2.4 基于智能变电站的IEC61850通讯标准

IEC61850标准是由国际电工委员会第57技术委员会（IECTC57）负责制定的，它是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准，该标准的全称是变电站系统与网络（Communication networksand systems in substations）。

该标准在制定的过程中，对已有标准进行了消化、吸收了其中主要有：

1、IEC60870-5-101标准，该标准具体名称是远动通信协议标准；

2、IEC60870-5-103标准，该标准具体名称是继电保护信息接口标准；

3、UCA20（Utility Communication Architecture2.0）（由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系）；

4、ISO/IEC9506制造商信息规范MMS（Manufacturing Message Specification）。

我国的标准化委员会对61850系列标准，进行了同步的跟踪和翻译工作。国内采用的标准名称是DL/T8600。

基于IEC61850规约构架的智能变电站有以下四个特点：

1、定义了变电站的信息分层结构

变电站通信网络和系统协议IEC61850标准草案提出了变电站内信息分层并且将变电站的通信体系分为变电站层、间隔层和过程层3个层次，在此过程中定义了层和层之间的通信接口。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）以太网或光纤网；在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。

2、基于IEC61850标准的综自站采用了面向对象的数据建模技术

相较传统综自站内通讯使用的IEC60870-5-103规约版本，IEC61850引入了“面向对象建模”的概念。在规约里面，每台IED作为一个服务器（Service）进行分层分级的建模，被细分为逻辑设备(Logical Device)、逻辑节点（Logical Node）和数据对象（Data Object）以及各对象的数据属性（Data Attribute）。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。任何一个客户可通过抽象通信服务接口(ACSI)和服务器通信可访问数据对象。

3、数据自描述功能

标准采用面向对象的方法，定义了对象之间的通信服务。面向对象的数据自描述具有在数据源就对数据本身进行自我描述的功能，传输到接收方的数据都带有自我说明。由于数据本身自带说明，所以传输时可以不受预先定义限制，简化了对数据的管理和维护工作。

4、网络独立性

IEC61850标准总结了智能变电站内信息的传输所必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口（ASCI），如图2-2所示。在IEC61850-7-2中，建立了包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型等标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型。客户通过ACSI，将假信息通过专用通信服务映射(SCSM)映射到所采用的具体协议栈。IEC 61850标准使用ACSI和SCSM通信服务技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾。

从以下三个角度来看看智能变电站的构建情况：

从变电站层次结构上来看智能变电站由三层结构构成，分别为站控层、间隔层、过程层组成。主要设备的分类也按不同层次来分，①站控层设备主要由监控主机、工程师站等；②间隔层设备主要有保护装置、测控装置等；③过程层设备主要有光CT/PT、合并单元、智能开关等。

从使用设备上来看，构建一个完整的智能变电站需要以下三个部分：

1）智能化的一次设备

一次设备智能化主要是由于一次设备从信号继电器到控制回路，全部采用微处理器和光电技术设计。同时在信息传输过程中将传统的电缆导线连接用数字量信号传输的网络取代。

2）网络化的二次设备

为实现继电保护、防误闭锁、测量控制、故障录波、电压无功控制、同期操作等功能，变电站内常规的二次设备，需要在各功能装置之间建立起一一对应的电缆或是网线的连接。而在二次设备的设计完全符合国际电工组织IEC6I850标准的情况下，各个IED（智能电子设备）之间的连接全部采用高速工业以太网的网络通信，这种网络链路取代了传统的电缆连接；网络链路与电缆回路的区别不仅在于传输介质、传输形式的不同，而且在于智能变电站中的各IED之间并无直接的物理联系，而是通过交换机来实现数据统一收集和发送。即各IED发送的数据由其所连接的交换机传输到整个网络上进行共享。这样所有二次电缆实际上都可以取消。

3）自动化的监控管理系统

在变电站全面实现数字化以后，为实现由“定期检修”向“状态检修”的转变可以在监控系统中加入智能分析软件。同时为“程序化操作”等实用技术在智能变电站中提供更好的推广空间。

从使用服务上来看，一个完整的智能变电通常站由以下三部分的服务支撑：

1）MMS。MMS：Manufacturing Message Specification（ISO9506）制造报文规范。MMS技术在智能变电站中主要被用在自动化网络报文的传输上。

2）GOOSE。GOOSE：Generic Object Oriented Substation Events通用面向变电站事件对象。该服务替代了智能变电站设备间的控制、信号电缆的功能，其作用主要是应用于过程层与间隔层设备之间的通信传输。

3）SMV。SMV：Sampled Measured Value其名称为，采样测量值。在智能变电站中，该服务主要应用于间隔层设备与过程层间的单向电流、电压采样值的传输。

2.5 本章小结

本章主要介绍了智能变电站的基本概念，主要技术原则、技术特征、智能变电站的架构体系和网络拓扑，智能变电站的IEC61850通讯标准。并对基于智能变电站的IEC61850通讯标准等进行了详细的介绍。为下文智能变电站的进一步研究奠定基础。

3.智能变电站的高压设备技术特征及初步设计

3.1 智能变电站高压设备技术特征

高压设备作为智能变电站的重要部件，其主要技术特征可以分为以下几个方面：（1）测量参数的数字化；（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。

（1）测量参数的数字化

作为智能变电站高压设备的基本特征之一，测量参数的数字化是指测量智能变电站在运行、控制过程中的相关参数。在进行测量参数的数字化的设计过程中，可以通过设计测量（单一或者多个IED）功能模块完成智能变电站相关参数的测量。在完成参数的测量后，可以将测量结果发送到站控层网络或过程层网络，以实现智能变电站实时测量信息的共享。而通过分析的智能变电站实时测量信息，可以用于智能变电站实时运行状态、控制状态的评估。智能变电站参数数字化的测量可以对智能变电站的油温、分合闸位置、分接头位置等信息进行测量。

（2）控制过程的网络化

智能变电站的高压设备、内部部件及高压设备的运行过程都可以通过网络化的控制实现。控制模块作为控制过程的网络化的基本功能，其构成由单一或者多个IED组成。控制过程的网络化严格遵循IEC61850 通信协议标准，智能变电站中控制过程的控制指令是通过控制策略进行发布，而控制策略的制定则要根据电网调控系统或基于设备自身的测量和监测信息的动态情况进行合理制定。随着智能变电站内部测量及监测参量的增多，控制策略的不断完善，这就对智能变电站的控制过程提出更高、更理想的要求。控制过程主要以变压点的冷却装置、有载分接开关，开关设备的操动机构作为控制对象。控制过程的控制方式主要分为：（1）高压设备自身的就地控制；（2）智能组件的就地控制；（3）站控层设备的智能控制。在智能变压器的正常工作情况下，控制过程的网络化有一定的优先级控制，其控制的优先级顺序为：站控层设备、智能组件、就地控制器。

（3）状态结果的可视化

状态结果的可视化主要包括监测模块、系统测控装置模块、测量模块等信息，其可视化的结果可以通过智能变电站中检测功能模块实现。状态结果的可视化中的“状态”指智能变电站中高压设备的控制、可靠运行、带负载能力等运行状态；状态结果的可视化中的“可视化”指通过电网总调度中心实现信息互动，从而实现智能变电站的高压设备与调度中心的在线信息互动，从而实时准确的了解智能变电站高压设备的运行状态，以实现调度中心的短期规划，从而提高电网运行的可靠性。

（4）功能结构的一体化

传统的变压器二次设备设计很少受到高压设备制造商的关注，与传统的变电站相比，智能变电站的设计完全考虑了二次设备。在智能变电站高压设备的设计理念中，传感器是状态感知元件，执行器是指令响应元件。在实际的工程实践中，智能变电站的功能结构应充分考虑变电站的智能化目标，从而根据智能化目标在智能变电站高压设备中安装智能传感器和执行器。一方面，智能变电站高压设备一体化的设计能够提高高压设备运行的稳定性以及对扰动的敏感性；另一方面，智能变电站高压设备一体化能够实现智能变电站测量装置及智能变电站高压设备的集成。

（5）信息通讯的互动化

智能组件作为智能变电站高压设备的核心部件，能够实现智能变电站一次设备与电网调度中心系统之间的信息通讯互动。高压设备作为智能变电站的重要部件可以为智能变电站提供智能化的信息，实现变电站的智能化应用。在智能变电站的高压设备中，信息通讯互动化包括：

1）作为智能变电站高压设备的主要部件之一，智能组件可以实时在线监测智能变电站的高压设备的运行、控制及带负载的状态等信息，并将在线监测到的信息通过智能变电站站控层网络分享到电网调控系统中心，电网调控系统中心可以根据分享的数据进行电网的优化控制以及规划制定。

2）电网调控系统中心在制定优化控制等策略后，将制定的策略通过智能变电站站控层网络分配到高压设备的智能组件，智能组件通过接收制定的策略指令，进行智能变电站高压设备的优化控制。

3）智能变电站高压设备的指纹信息和其他非自监测信息可以通过智能组件进行获取，智能组件所获取的智能变电站高压设备的指纹信息和其他非自监测信息可以作为智能变电站高压设备的评价依据的一部分。

3.2智能变电站初步设计

与常规的变压器相比，智能变压器仅仅在控制、测量、保护等方面做了智能化的设计，并在智能变压器的某些单元中加入了智能化的组件，实现了变压器的智能化。智能变压器作为智能变电站的核心设备之一，对智能变电站的安全稳定运行至关重要。目前，在实际工程实践中，变压器智能化组件的加入与否及多少可以根据实际工程的需要，在大部分实际工程中，变压器的智能组件主要包括：

冷却装置控制、油中溶解气体监测、监测功能组、有载分接开关控制、光纤绕组测温、合并单元、局部放电监测等。智能变压器的智能组件在控制柜内安装，各个组件之间应该实现独立供电且要进行电气隔离以及进行光纤通信，其中光纤通

讯的标准应该符合IEC61850标准。智能变压器设计如图4所示。

图4 基于智能组件的智能变压器设计

不同电压等级、不同类型以及有特殊要求的智能变压器，对各个智能组件的要求不一样。各智能组件的功能及要求分述如下。

1、监测功能组主IED （IED: Intelligent electronic device ）

监测功能组主IED主要包括局放监测IED、油中溶解气体监测IED、套管监测IED等。监测功能组主IED承担所有监测IED监测结果的综合分析，并在相关系统进行信息互动。部分监测功能组的示意图如图5所示。

图5 部分监测功能组

2、测量IED

测量IED测量参量为油位、气体聚集量、顶层油温、绕组温度、环境温度、铁芯接地电流。根据工程实际，测量IED功能也可由测控装置完成。

3、冷却装置控制IED

冷却装置控制IED从过程层或站控层网络获取相关信息，形成控制策略，通过就地控制器控制冷却装置，并将冷却装置的运行状态返回至冷却装置IED。

4、有载分接开关控制IED

有载分接开关控制从站控层网络获取数据信息，根据设定的调压控制方式，结合所获得的数据信息，根据控制策略，自动向有载调压开关执行器发出调节指令。

5、局部放电监测IED

局部放电监测IED应在标准模拟干扰环境下最小可测不大于500pC的放电信号，最大可测10000pC的放电信号。局部放电监测IED所测的放电信号强度能够反映实际放电量的变化。局部放电监测IED采用局部放电信号，并根据当前放电信号强度、趋势等信息、，对放电性缺陷是否存在以及严重程度做出定量评估，将“故障几率、时间”的轻量级结果信息通过过程层网络向主IED报送。

6、油中溶解气体监测IED

监测IED应具有故障自检和远程维护功能。油中溶解气体监测IED的电化学法监测智能变压器油中关键气体H2、C2H2，可扩展监测H20。监测IED应具有故障自检和远程维护功能。