智能配電網通信技術研究及其應用學生：丁炳旺

變電站的發展與電力系統的發展密切相關,承擔著變換電壓等級、匯集潮流、分配電能、調整電壓等功能。隨著電力系統的擴大,相應的變電站結構和運行方式越來越復雜,用戶對用電可靠性的要求也日益嚴格。基于各種技術的進步和推廣,原有的電磁型、晶體管型設備被變電站自動化系統所替代。變電站自動化系統采用各種設備通過交換信息、數據共享,從而達到對變電站的監視和控制。其技術的應用提高了變電站安全穩定運行水平,降低了運行維護成本,提高了經濟效益,同時向用戶提供了高質量的電能供應。

智能變電站的提出

中國智能電網六個環節中,變電環節在實現智能電網運行數據的全面采集和實時共享,接入各類電源及用戶,開展資產全壽命周期管理,支撐電網實時控制與保護、智能調節和各類高級應用等方面具有重要意義。因此，智能變電站充分體現了智能電網的核心理念和內涵,代表了變電站的先進技術和發展方向。智能變電站的概念智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的變電站。

數字化變電站技術是智能變電站的技術基礎，數字化變電站強調實現手段的數字化，而智能電網的建設，對變電站自動化系統的一次設備智能化、高級應用、對智能電網的支撐等功能提出了新的要求，智能變電站是變電站整體技術的跨越和未來變電站發展的方向

自動化系統結構比較與一次設備的連接比較與調度主站聯系的比較通訊規約的比較高級應用功能比較對時系統要求的比較傳統變電站間隔層、站控層兩層結構常規互感器及斷路器，電纜連接僅傳四遙信息內部規約IEC60870-5-103等基本無高級應用僅限于SOE數字化變電站間隔層、站控層、過程層三層結構非傳統互感器、常規斷路器及主變僅傳四遙信息全面采用IEC61850支持設備互操作引入了網絡分析等功能增加了對采樣同步性的要求智能化變電站間隔層、站控層、過程層三層結構智能斷路器、主變、一次設備智能組件，弱化一二次設備的界限上傳全面的基礎數據以及模型信息全面采用IEC61850支持設備互操作，并兼容IEC61970集成了眾多高級應用功能，采用一體化的數據平臺絕對時刻要高度準確，全網時鐘統一，采用IEC61588對時方式比較類型智能變電站結構電子式互感器智能斷路器智能組件通信規約高級應用簡介IEC61588對時方式智能變電站結構：

過程層：包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器等一次設備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置。

間隔層：間隔層設備一般指繼電保護裝置、系統測控裝置、監測功能組的主智能電子設備（IED）等二次設備，實現使用一個間隔的數據并且作用于該間隔一次設備的功能，即與各種遠方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。

站控層：站控層包含自動化站級見識控制系統、站域控制、通行系統，對時系統等子系統，實現面向全站設備的見識、控制、告警及信息交互功能，完成數據采集和監視控制（SCADA）、操作閉鎖以及同步向量采集、電能量采集、保護信息管理等相關功能。傳統變電站結構智能變電站結構電子式互感器

國際電工委員會（IEC）制定了電子式互感器的2個標準：EVT標準IEC60044-7和ECT標準IEC60044-8.根據標準中描述，電子式互感器是具有模擬量電壓輸出或數字量輸出，供頻率15~100Hz的電氣測量儀器和繼電保護裝置使用的電流/電壓互感器。IEC標準定義了電子式互感器的通用結構，如圖，包括一次部分、二次部分和傳輸系統3個部分。P1、P2是一次輸入端，S1、S2是電壓模擬量的二次輸出端，數字輸出與過程層的合并單元對接。

若一次傳感器是半常規測量原理的，一次轉換器就要將一次傳感器的電輸出信號轉換為光信號，此時的一次轉換器是電子部件，需要一次電源供電，稱為有源電子式互感器。

若一次傳感器是光學原理的，無需一次轉換器，即無需一次電源，直接輸出到光纖傳輸系統，稱為無源電子式互感器（又稱光學互感器）。

數字化變電站首先要求便是在過程層實現測量輸出數字化，而電子式互感器能夠輸出采樣值的數字信號，最適合應用于數字化變電站中。

下圖是電子式互感器在數字化變電站中的邏輯位置。處于過程層的EVT和ECT向間隔層的合并單元(MU)提供電壓和電流測量數據，MU將測量數據提供給保護控制裝置并上傳到站控層。

數字化變電站中的電子式互感器

按照IEC標準，在數字化變電站中，每個間隔擁有7路電流測量和5路電壓測量如圖，是每個間隔中EVT和ECT的配置情況。IEC標準明確了MU的輸出格式，卻沒有規定電子式互感器與MU的接口，因此，互感器和MU之間的光纖通信可以根據需要采取點對點或者過程總線傳輸方式。電子式互感器和合并單元的連接

IEC62063標準對智能斷路器設備的定義：“具有較高性能的斷路器和控制設備，配有電子設備、傳感器和執行器，還具有附加功能，尤其是在線監視和診斷方面。”

智能斷路器是用微電子、計算機技術和新型傳感器建立新的斷路器二次系統。其主要特點是由電力電子技術、數字化控制裝置組成執行單元，代替常規機械結構的輔助開關和輔助繼電器。智能斷路器實現電子操動，變機械儲能為電容儲能，變機械傳動為變頻器經電機直接驅動，機械系統可靠性提高。智能斷路器

智能斷路器的基本工作模式為：當系統故障由繼電保護裝置發出斷開信號或由操作人員發出操作信號后，首先啟動智能識別模塊，判斷當前狀態即斷路器所處的工作條件，對調節裝置發出不同的定量控制信息而自動調整相關參數，以獲得與當前系統工作狀態相適應的運動特性，然后使斷路器動作。其核心在于根據監測到的不同故障電流自動選擇操動機構參數及滅弧室預先規定的工作條件，電流小時低速斷開，電流大時高速斷開，以獲得電氣和機械性能上的最佳斷開效果。智能斷路器工作原理

高壓設備與智能組件之間通過傳感器和控制器組成一個有機整體，具有狀態可視化測量數字化、控制網絡化、功能一體化和信息互動化的主要特征。

智能組件是承擔宿主設備相關測量、控制、計量、檢測、保護等全部或部分功能的智能電子裝置的集合，是高壓設備智能化的核心部件。智能組件通過網絡連接至站控層，實現與站內其他設備和調度系統的信息交互。

智能組件

現階段智能變電站中的智能組件主要分為變壓器智能組件和斷路器智能組件兩種。其整體原則是變電站內一次設備應綜合考慮測量數字化、狀態可視化、功能一體化和信息互動化。因此一次設備宜采用“一次設備本體+傳感器+智能組件”形式，與一次設備本體采用一體化設計。

隨著技術的進步與發展，智能變電站設備的重要特征體現為一、二次技術的融合。智能組件的功能主要是信息采集與執行，與電力系統的外在特征無關，因此智能組件完全可以作為智能一次設備的一個組成部分，就地化靠近一次設備安裝，最終形成智能一次設備產業化，智能一次設備將逐步取代現有的不能滿足智能電網需求的傳統一次設備。如圖是智能一次設備的發展和演變過程。

IEC60870-5-103規約屬于問答式(Polling)，是IECTC一57技術委員會IEC60870—5系列標準的基礎上，根據各種應用情況下的不同要求制定的配套標準。其目的是為了在變電站或廠站中，不同繼電保護設備和控制系統之間達到互換。規約采用非平衡傳輸，控制系統組成主站，繼電保護設備(或間隔單元)為從站(子站)。

IEC61850是一個關于變電站自動化系統結構和數據通信的國際標準，其目的是使變電站內不同廠家的電子設備（IED）之間通過一種標準（協議）實現互操作和信息共享。

IEC61970是國際電工委員會制定的《能量管理系統應用程序接口（EMS-API）》系列國際標準。對應國內的電力行業標準DL890。IEC61970系列標準定義了能量管理系統（EMS）的應用程序接口（API），目的在于便于集成來自不同廠家的EMS內部的各種應用，便于將EMS與調度中心內部其它系統互聯，以及便于實現不同調度中心EMS之間的模型交換。通信規約高級應用簡介

建設階段可實現的高級應用功能主要包括順序控制、設備在線監測與狀態檢修、智能告警與分析決策、故障信息綜合分析決策、經濟運行與優化控制、安全狀態評估/預警/控制、站域保護、站內狀態估計、遠方不停電修改定值等

目前，自動化設備制造商對于智能變電站高級應用功能的研發尚處于起步階段，用于實際工程的事例也不多。因此，開展智能變電站高級應用研究，加強工程實用化應用，具有重要的現實意義。。IEC61588對時方式

為了解決分布式網絡時鐘同步的需要，相關領域的技術人員共同開發了精確時間協議（PTP），后得到IEEE的贊助，于2002年11月得到IEEE批準，形成IEEE1588版本1，并被轉化為IEC61588版本1，在2008年形成了IEEE1588V2，并很快被國際電工委員會（IEC）和國家標準采用，形成IEC61588-2009和GB/T-25931-2010標準。IEC61588定義了一個能夠在測量和控制系統中實現高精度時鐘同步的協議——精確時間協議。

PTP協議集成了網絡通訊、局部計算和分布式對象等多項技術、適用于所有通過支持多播的局域網進行通訊的分布式系統，特別適合于以太網，但不局限于以太網。其在硬件上要求每個網絡節點必須有1個包含實時時鐘的網絡接口卡，可以實現基于PTP協議棧的相關服務。其將時標打在硬件層，根據網元客戶端和時間服務器之間的時間標簽，計算出二者之間的傳輸時延和時鐘偏差，實測利用SDH通信網傳輸時間同步信號的精度已達到1微秒。PTP時鐘同步通過發送和接受同步報文實現。一個主時鐘（Master）與一個從時鐘（Slave）的同步過程如下：1）主節點每秒（同步報文的間隔是可設置的，這里假設為1s）向從節點發送一個“同步”（Sync）報文。這個報文是由主節點打上預計的發送時間標記的報文，但是由于預計的發送時間和實際的報文發送本身可能的延遲，實際時間標記不能隨“同步”報文一起發送。這個“同步”報文在接收端被從節點打上接收時間標記。2）主節點向從節點發送一個“跟隨”（Floow-Up）報文。這個報文包含先前的同步報文準確的發送時間的標記。從節點利用這2個時間標記可以得到它與主節點的延遲，據此可調整它的時鐘的頻率。

3)從節點向主節點發送“延時請求”（Delay-Req）報文。這個報文是由從節點記錄它的準確發送時間,由主節點打上準確的接收時間標記。4）主節點向從節點返回一個“延時響應”（Delay-Resp）報文。這個報文帶著先前的“延時請求”報文的準確的接收時間標記，從節點利用這個時間和由它所記錄的準確的發送時間，可計算出主節點和從節點之間的傳輸延遲并調整它的時鐘漂移誤差。

從時鐘相對于主時鐘的偏差（offset）和傳輸延時（delay）計算公式為：小結

作為復雜的智能化系統，智能變電站需經過多階段、多目標發展才能完成。改造原有的變電站需要應用上的平穩過渡和重點技術突破，逐步達到完善。智能變電站的發展將為智能電網的建設奠定堅實基礎。[1]李孟超.智能變電站及技術特點分析,2010.9.16[2]吳憶.智能變電站的體系結構及原理研究,華中電力雜志.2011年第3期[3]王紅星.電子式互感器及其在數字化變電站中應用,2009.09[4]蘇永春.時間同步技術在智能變電站的應用,江西電力雜志.2010年第4期[5]張沛超.智能變電站,2010.02[6]黃鑫.智能變電站IEC61