基于物联网技术的智能变电站应用方案

引 言

智能电网就是电网的智能化。物联网技术可用于智能电网的发电、输电、变电、配电和调度等多个环节。构建智能电网需要引用最先进的技术，包括感知技术、网络通信技术、智能决策技术、自动控制技术以及能源电力技术等，并将它们紧密结合起来，形成一个相互协调的有机体系。智能电网的建设与发展离不开以下几方面因素：双向、高效、实时的通信网络架构 ；智能化、精细化的管理及决策 ；准确、智能的数据采集与控制[1]。然而，目前智能电网建设尚在起步阶段，如何从物联网技术的角度审视智能电网的功能需求搭建智能电网的系统组成结构，尚待进一步深入研究探讨，尤其智 能配电站这个环节至关重要。物联网是一 个形式多样、涉及社会及生活各个领域的复杂系统 [2]。本文基 于物联网在智能电网领域的应用为背景，讨论分析智能电网的 功能需求和系统功能组成，作为应用案例提出一种智能变电 站解决方案。

1 智能电网功能需求分析

对于面向智能电网的物联网应用，主要目的是使电力系统生成环节的信息化得到有效提高，同时提高自动化程度[3]。智能电网是相对传统电网的升级和跨越，目前还没有一个明确的定义，但它代表了电力系统的未来发展方向，强调的是“坚强” 和“智能”两个基本内涵。以坚强为基础发展智能化，就是以能够防御多重故障、防止外力破坏、防灾抗灾的坚强网络架构为基础，以现代通信技术平台为支撑，以大数据分析智能决策控制为手段，将覆盖所有电压等级的电力系统（包括发电、输电、变电、配电、用电和调度各环节）实现电力流、信息流及业务流的有机融合。也就是说，具备智能电网性能的电力系 统需要涵盖指向家庭用户、公共用户以及工厂用户传输电力的 各种电力网络，并能兼容各类电源和用户的接入与退出。智能 电网全景视图如图 1 所示。

智能电网作为能源输送和配置的重要平台主要应在以下几个方面凸显智能化。

(1) 作为电力系统，应能够坚强可靠 ：①全面支撑特高压交、直流输电网络，服务于大范围的资源优化配置，节约有效装机容量 ；②适应并促进清洁能源的发展，利用大容量储能技术，使清洁能源成为更加经济、高效的能源供给方式；

③实现高度智能化的电网调度，做到在线智能分析、预警和决策，实现交直流混合电网的精益化自动控制 ；④实现高效、灵活、优质的电力配送，具备接纳分布式能源系统的接入能力。

(2) 对于用电客户具备综合服务能力，能够实现电网与用户之间的实时互动 ：①借助双向供电技术，实现电源、电网、用户协调互动营销 ；②完善需求侧智能管理，改善电能质量。例如，采取分布式电源、智能电表、分时电价等手段平衡电网负荷，节约电量消费；③具有电动汽车充放电机制和配套的基础设施网，为智能建筑、智能家电、智能交通等领域提供电网的综合服务。

(3) 在信息处理方面，应能够实现电网管理的信息化和精益化，实时评估电网的健康状态。智能电网覆盖电网各环节通信网络，信息通信是智能电网的神经系统，因此应具备利用大数据、云计算技术、信息融合技术以及可视化技术等对信息资源进行集中管理、挖掘、分析、反馈的智能决策系统， 为电网数据的分析与处理提供一体化的管理手段。

(4) 在网络安全方面，基于智能电网的网络更广、交互更多、技术更新、用户更广的基本特征，应形成智能电网下的信息安全体系体制，确保智能电网业务系统的稳定运行，保障电网业务数据安全。

总之，将物联网技术应用于智能电网领域，通过有效整合电力系统基础设施、通信网络设施等资源，实现电力系统的电力流、信息流及业务流的一体化融合，优化资源配置，以充分满足用户对电力的需求。

2 电力物联网系统的组成

将物联网技术应用于智能电网建设，就是在电力生产、输送及消费各个环节，部署具有感知能力、计算能力和执行能力的感知设施，采用标准协议通过电力系统数据通信网络， 实现信息的安全可靠传输、协同处理、应用集成。为简单起见， 把这种面向智能电网的物联网简称为电力物联网。依据物联网的体系结构，电力物联网可分为感知层、网络层和应用层 3 层。

(1) 感知层。感知层主要通过部署各种新型微机电系统（MEMS）传感器、嵌入式智能传感器、智能采集设备等实现电力系统相关信息的识别和采集。

(2) 网络层依托电力信息通信网如电力无线宽带网、无线传感网、光传输网、公共通信网络等，实现感知层和应用层之间的电力信息传输。

(3) 应用层主要采用智能计算、模式识别等技术对感知层所感知的数据信息进行综合分析和处理，实现智能化决策、控制和服务。

依据美国能源部关于智能电网架构设计方案，智能电网 主要由输电自动化、系统协同与态势评估、系统运行调度、配 电自动化、可再生能源接入、能源效率、分布式发电与储能、 需求参与信号和方案，以及智能家电 9 大部分组成。图 1 给出 了一个从电力产生一直到被传送到终端用户的过程。首先，由 发电厂（包括煤电、水电、核能、太阳能、地热及风能等）将 电力生产出来。为了减少远距离传输所产生的线路损耗，一 般是生产和传输高压电（110 kV ～ 400 kV）。然后通过分发网 络传送给终端用户。分发网络的特性在于其是层级结构的电网， 高压线与（初级）变电站相连并将电压由高压降低至中压，中 压进一步通过二次变电站降至低压。一般通过一次变电站通 常减少 40 kV ～ 60 kV，线电压慢慢降低直到达到用户变压器 的要求，或通过二次变电站达到 380/220 V。在变电站经过一连串的变压后，将电流从电力源头传输至每个最终用户，并在 终端用户处利用智能电表监测电力的使用情况，或完成其他功 能。例如，在控制中心通过数据分析工具、智能决策系统实 现资源优化配置。显然，智能电网是一个庞大复杂的物联网 综合应用系统。

从电力物联网的组成来讲，有多种智能电网网络架构方 案，可以实现对发电、输电、变电、配电、用电、调度等各 个环节的智能化。目前，电力物联网可以设计实现的典型系 统为 ：①在电力生产环节，建立风光储联合发电厂微气象监 测系统，保证水电站安全运行的大坝监测系统、发电机组状 态监测系统、火力发电站的烟气排放监测系统等。②在输配 电环节，建立输电线路在线动态监测系统，杆塔安全防护系统， 高压电气设备温度在线监测系统，智能变电站综合自动化系统， 包括二次变电站的监控和变电站状态检修、智能巡检系统等。 ③在用电侧，建立智能用电服务系统包括智能计量、智能用电 小区服务系统、电动汽车智能充放电服务网络、用电信息采集 以及电力资源管理系统等。然后，再将这些智能化系统综合 集成，即可实现智能电网的基本功能。

3 智能变电站解决方案

在电力物联网中，智能变电站具有举足轻重的地位。智能变电站是一种新型变电站模式。智能配电网系统的关键技术主要包括配电自动化技术、配电网自愈控制技术、智能配电网调度技术等，只有综合各项关键技术的应用，才能实现智能配电网系统的功能建设[4]。其智能化水平主要体现在一次设备智能化、二次设备网络化、信息交换标准化等方面。变电站只有更加自动化、智能化，才能满足电网的智能化需求。

智能变电站相比结构简单且使用常规型电源和互感器件的传统变电站来说，在技术架构上需要进行重大改变，例如用电子互感器和智能一次设备替代传统互感器和传统一次设备等。从系统功能实现的角度，依照IEC61850 标准可以将智能变电站系统分为站内逻辑控制层（简称站控层）、间隔层和过程层（也称设备层）以及网络通信系统几个部分分别予以实现。一种智能变电站网络组成结构如图 2 所示。

3.1 站控层

站控层是变电站的主要控制系统，包含变电站就地操作后台系统、外部数据交换接口和通用功能服务系统、安全保护系统等，实现电网运行数据的全面采集（SCADA）和实时共享， 支撑电网实时监视控制、防误闭锁、电压无功控制、区域安全稳定控制和信息管理等相关功能，做到一次设备智能化、二次设备网络化、信息交换标准化、运行控制自动化。站控层主要包括主机、操作员工作站、远程网络通信设备、网络通信记录分析系统等。在人与计算机相互交叉与联系的平台内，站控层提供管控中心、设备中心、检测中心及管理中心之间的数据传输。从过程层到管控中心均采用统一的IEC61850 规约进行信息交换，以统一标准实现变电站内、外的信息共享。

3.2 间隔层

间隔层主要包括继电保护装置、系统测控装置、稳控装置、计量装置、合并单元等二次设备。间隔层实现的功能主要包括：①对一次设备的保护控制 ；②采集、汇总本间隔过程的实时数据信息；③本间隔层的操作闭锁；④进行数据分析、信息反馈、故障处理；⑤与过程层进行通信等。以110 kV 智能变电站为例，在二次设备网络化配置中关键是保护装置、测控装置以及交换机的配置。

(1) 保 护装 置， 主要包括：① 110kV母线保 护；② 110 kV 母联与分段保护 ；③主变压器保护。这种方式主要是让变压器保护能够实现直接采样，经 GOOSE 网络就可以传递失灵保护跳闸的控制命令，进而执行跳变动作。

(2) 测控配置，按照IEC61850标准及要求对测控装置进行建模，使其具有自描述功能，且能直接与站控层设备进行通信。

(3) 交换机配置，除了配置站控层监控交换机、网络交换机之外，主要是间隔层网络交换机的配置。实际中应根据设备室及不同的电压等级，配置不同数量、不同用途的间隔层交换机。

3.3 过程层

过程层是智能变电站的主要工作区间，包括变压器、断路器、隔离开关、电流 / 电压互感器等一次设备及所属的智能组件，以及独立的智能电子装置。因此过程层也可称为设备层， 主要完成变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监测等相关功能。过程层由G00SE 网络层和采样值（SV）网络组成。智能终端设备采用集中化系统管理， 集中化系统位于网络控制中心。过程层设备通过过程层总线和间隔层设备相连接，并通过GPS 授时信号产生系统的同步时钟信号。

3.4 通信网络系统

通信网络的任务是完成变电站自动化系统内部及与其他系统之间的实时信息交换。智能变电站内的设备，如智能终端、包含装置、测控装置、校时系统等通过以太网实现信息交换。后台与间隔层装置之间通过MMS 网通信，过程层与间隔层装置之间利用GOOSE 网络传递状态量、跳合闸命令，以实现全站信息的网络化传输。站控层网络可选用成熟方案（国外单环网，国内单 / 双环）；过程层网络可根据实际情况确定网络拓扑结构。

以 110 kV 智能变电站为例，根据IEC61850 提供的通信系统解决方案，站控层采用双星型冗余以太网方式，主要传输MMS 与GOOSE 报文。在逻辑上，站控层内部、站控层与间隔层之间均设立数据交换接口。间隔层采用以太网（双星型冗余），主要传输 MMS 或GOOSE 报文。过程层采用星型以太网，并冗余网络配置，主要传输 GOOSE 报文。这种方式不但可以节省二次电缆，而且可实现设备、网络的在线监测。

4 结 语

基于物联网技术构建电力物联网有多种技术方案可供选择。建设智能电网的关键是技术方案的选择与设计。在智能电网中，变电站掌控变压器的运行和变压器、断路器、电子式互感器、自动开关以及电涌保护器等。因此，智能变电站的应用方案成为电网智能化的核心问题之一。这种电力物联网应用方案的优势在于：①能够处理调度计划和跨区能量传输中的不确定性 ；②方便接纳可再生性能源 ；③有效优化输配电网络的传输容量，满足对电能质量和可靠性的需求；③对电力系统运行中不可预见的突发事件应急处理。当然，影响智能电网性能的技术要素非常之多，本文仅是对智能电网中智能变电站的解决方案进行了一些讨论，希望以此为物联网应用领域的拓展、构建电力物联网提供参考。