智能变电站及GIS的智能化发展

【摘要】本文介绍了智能变电站的概念，分析了气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的智能化发展以及在智能变电站中的应用。

【关键词】GIS 智能变电站 智能终端 合并单元

中图分类号：TM411 文献标识码： A

引言

我国电力系统正向高度信息化、自动化的方向发展，电网规模日益扩大，现代智能电网、智能变电站、变电站设备智能化成为热门话题。随着我国“十二五”规划“加快现代电网体系建设”，“推进智能电网建设”等纲要的发布及从国家电网招标情况来看，我国电网建设的关注焦点开始集中到了智能电网的发展上。这将对智能电网以及整个电力行业的发展产生重要意义，其中的主设备气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）领域正经历着新一轮的更新换代，智能GIS正面临着前所未有的发展机遇。

智能变电站是以数字化变电站为依托，通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、智能分析软件等技术，建立全站所有信息采集、传输、分析、处理的数字化统一应用平台，实现变电站的自动运行控制、设备状态检修、运行状态自适应、分布协同控制、智能分析决策等高级应用功能，提高管理和运行维护水平。

现阶段的智能变电站主要有三种模式

模式1：基于站控层IEC61850

该系统与传统的变电站自动化系统基本类似。间隔层智能电子设备IED（保护及自动化装置）仍然可被安装在间隔层设备上或集中组屏。

这种模式的推广是为了解决传统变电站中智能设备的互联互通及信息互操作问题。由于变电站的智能设备的通信及功能被约束在IEC61850标准范围内，因此，整个系统中的每一个节点的信息传输被标准化，从而使得整个系统的可维护、可扩充性能大为提高。

模式2：基于传统互感器及过程层信息交换

这种模式不仅在站控层信息交换采用了IEC61850，而且增加了过程层网络进行过程层信息交换。对于每一个间隔，配置了过程层设备合并单元、智能操作箱，将常规一次设备的信息及操作数字化，与之相关的间隔层智能电子设备IED（保护及自动化装置）则通过光纤以太网与对应间隔的合并单元、智能操作箱相连接。

IED与合并单元、智能操作箱之间既可以点对点的方式互联，也可以以网络总线方式相连。原来一次设备与IED之间的传统的大量铜芯导线被少量的通信光缆代替了。同时由于建立了过程层网络，过程层的高速采样数据可以被不同类型的装置共享，从而简化了接线。

模式3：基于站控层及过程层全信息交换

区别于模式2，该模式采用电子式互感器代替了传统互感器。

由于光电式互感器的性能优势，这种模式是高压及超高压、特高压电站的发展趋势。采用的光电式互感器有支柱式、内置GIS等方式。

从现阶段智能变电站的几种模式可以看出变电站中，气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的一次设备智能化主要体现在采用数字信号输出的电子式互感器、配置智能单元的传统开关等智能一次设备。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样值、状态量、控制命令等信息。目前大多数变电站的一次设备都不具备智能化的通讯接口，一次设备的状态信息和控制信息需要通过控制电缆的硬接线方式传递。而智能变电站要通过通信手段传递控制信息，就必须需要一次设备具备通讯接口，在一次设备不具备条件的情况下，需通过二次设备与一次设备的结合来完成对一次设备的智能化改造。因此，近期智能变电站的建设主要是基于IEC61850的二次设备发展。智能变电站中，开关设备通过通信网络不仅能完成继电保护控制指令，还能按照IEC61850规约执行网络遥控命令。二次设备间可以通过通信网络实现交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取消常规自动化系统一次设备和二次设备间的控制电缆，采用光纤网络直通通信。一次设备的状态信息和控制信息都可以通过通信网络在二次设备间共享，这样就可以减少设备上传信号所需的节点数，尤其是大量减少了开关设备机构上传信号所需的辅助开关节点数，这给实际的二次设计带来了很大便利，减少了大量硬接线。

目前的智能变电站大多是通过智能单元与断路器操作箱接口，智能单元可单独设置智能组件柜，也可组合在气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的汇控柜中。GIS高压开关设备的传统二次设备主要集中在其汇控柜中，智能组件柜与汇控柜合并，即可实现智能组件与GIS结构一体化。现阶段智能变电站配置在GIS汇控柜的智能组件主要有智能终端、合并单元、智能监测装置及IED装置等。一些变电站在设计中处于测控保护一体化考虑，也会将主控室的保护控制装置下放至汇控柜。

对于GIS高压开关设备的二次设计，智能终端、合并单元是主要涉及的智能装置。

智能终端具有按照IEC61850协议与间隔层通讯，配置断路器参数，控制断路器动作等功能。智能终端与一次设备之间采用硬接线连接。智能终端与间隔层保护测控装置之间通过面向通用对象的变电站事件（GOOSE）实时传送信号量。间隔层保护装置的跳闸命令以及测控装置的跳合闸命令，按不同的GOOSE优先级传送到智能终端，由智能终端通过硬接线输出到一次设备，达到取消屏间硬连接线，光缆取代电缆的要求。智能终端作为数字化变电站三层结构中过程层的典型设备，主要担负一个间隔内一次设备位置和状态告警信息的采集和监视，对设备的智能控制，并具有防误操作功能。依靠智能终端各类信息全部通过光缆交互，从而将传统断路器改造为满足数字化需求的智能一次设备。智能终端装置的开入功能，用于断路器、刀闸的位置和一次设备告警信息的采集和监视。除了硬接点开入外，装置还支持GOOSE开入，满足过程层和间隔层智能设备之间开关量和控制数据交换。开出功能则提供保护用断路器的分合控制及通用控制的开出接点。

合并单元是是电流、电压互感器的接口装置，将一次互感器传输过来的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给间隔级设备使用。它是过程层的关键设备，在一定程度上实现了过程层数据的共享和数字化，它作为遵循IEC61850标准的数字化变电站间隔层、站控层设备的数据来源，作用十分重要。随着智能变电站自动化技术的推广和工程建设，对合并单元的功能和性能要求越来越高。合并单元的输入由数字信号组成，包括采集器输出的采样值、电源状态信息及变电站同步信号等，通过高速光纤接口接入合并单元。在合并单元内对输入信号进行处理，同时合并单元通过光纤向间隔层智能电子设备（lED）输出采样合并数据。

【结束语】我国智能化变电站建设已经逐步进入了一个快速发展阶段， 气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）以其高可靠性、技术性能优良、节约土地，降低造价等优点，再结合现有智能化设备的优点，必将在智能化变电站建设中发挥重要的作用。