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【摘 要】 智能变电站的发展是智能电网建设的基础，智能变电站是变电站自动化技术发展的必然趋势，它代表了变电站新技术的发展方向。本文介绍了智能变电站发展的驱动力以及智能变电站的定义和结构，并对未来城智能变电站的系统结构以及主要设备进行了介绍。
【关键词】 智能变电站；GOOSE；SV
引言：
近年来，“智能电网”一词已成为一个流行的专业术语，代表了当今世界电力系统发展变革的最新动向，被认为是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。智能电网作为未来电网的发展方向，渗透到发电、输电、变电、配电、用电各个环节。在上述这些环节中，智能变电站无疑是最核心的一环，作为智能电网的重要基础，智能变电站属于整个系统的重要枢纽，支撑着电网系统的正常运营，智能变电站为智能电网提供标准的、可靠的节点（包括一次、二次和系统）支撑。
一、智能变电站发展的动力
当前，我国变电环节包括两种模式，即数字化变电站和常规变电站，由于常规变电站采用重复的资源，系统结构及厂站设计比较复杂，不利于厂站调试，互操作性不好，不符合设计要求，未来变电站的发展将融合智能化一次设备及网络化二次设备，涵盖站控层、间隔层、过程层方面的全新的变电站自动化标准IEC61850，加快了数字化变电站的发展进程，我国在这个方面进行了大量的实践研究，并取得了一定的成效，目前已投入使用许多座数字化变电站，但有些问题也不容乐观，如尚不具备统一的行业标准、评估体系和方法措施，而且过程层设备是否稳定可靠尚待进一步验证，这些问题可能会破坏变电站的安全、稳定地运行。
目前，特高压电网建设已进入实用化环节，智能电网系统逐步接入了一些新能源电力，这就要求系统运行以及支撑电网运行的变电站提出了更高的要求。智能变电站就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。
因此，我们必须合理安排电网资源，加强智能设备之间的联通，采取相应的措施控制系统正常运行，提升其应用水平，实现与相邻变电站、电源、调度和大用户之间协作，同时，变电站自动化领域也实现了技术性突破，大大促进了计算机信息及通信技术的发展。另外，国际上即将颁布IEC61850第二版，以上措施都能够有效促进智能变电站的进一步发展。
二、智能变电站的概念
1、智能变电站的定义
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化控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。
三、智能变电站的系统结构
从物理角度来分析，智能变电站的系统结构可分为智能化的一次设备及网络化的二次设备；在功能逻辑上，该系统包括过程层、间隔层、站控层三个层次，三层之间用分层、分布、开放式网络实现连接。如下图1所示
1.1、過程层
过程层包括变压器、断路器、隔离开关、电子式电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置，完成一次设备相关的功能。如：合并单元、智能终端、一次设备智能组件等。
过程层的主要功能分三类：
1）一次设备运行实时的电气量，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测；
2）运行设备的状态监测；
3）一次设备控制命令的执行。
1.2、间隔层
间隔层设备包括多功能测控装置、保护装置、故障录波装置及其他智能接口设备等，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、传感器和控制器通信。
间隔层的主要功能如下：
1）优先控制统计运算、数据采集等控制指令的发出；
2）实时汇总本间隔过程层的数据；
3）实现本间隔操作的闭锁功能；
4）实现上下结构的通信功能；
5）保护并控制一次设备的运行；
6）实现操作同期和其他控制功能。
1.3、站控层
站控层设备主要包括监控主机、数据服务器、综合应用服务器、数据通信网关机、网络打印机、网络记录分析系统、对时系统、站域控制及其它智能接口设备等。对整个变电站的设备进行监控、报警以及信息的传递，主要用于数据、同步相量和电能量的采集，负责管理保护信息，具有监控操作闭锁等功能。
站控层的主要功能如下：
1）利用两级高速网络实现全站数据信息的实时汇总，刷新实时数据库，在设定的时间点登录历史数据库；
2）接收控制中心或调度中心的控制指令，同时将其传输至过程层和间隔层；
3）在线维护过程层和间隔层的设备运行，对参数实施在线修改；
4）具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；
5）自动分析变电站故障，可进行操作培训；
6）根据规定将相关数据传输至控制中心或调度中心；
7）可实现站内监控和人机联系。
2、智能变电站的网络结构
全站采用高速以太网组成，通信规约采用DL/T860标准，全站设备统一建模。由于站控层网络和过程层网络承载的业务功能截然不同。为了保护网络的实时性、安全性，在现有的技术条件下，站控层网络应与过程层网络物理分开，并采用100M及以上高速以太网构建。 2.1、过程层网络
过程层网络包括SV和GOOSE网络，主要功能是实现开关量的上传及分合闸控制、防误闭锁等以及多功能测控装置、故障录波的网络采样。
本站自动化过程层SV+GOOSE两网合一，按照220kV、110kV分别划分，均采用星形网络结构，两套SV+GOOSE网络物理上相互独立，不配置独立的主变过程层网络，主变SV+GOOSE信息按电压等级分别接入220kV、110kV过程层网络。220kV过程层SV+GOOSE网络按双套物理独立的单网配置；110kV过程层除主变间隔按双套物理独立的单网配置外，其余间隔过程层SV+GOOSE网络按单网配置。
对于10kV常规保护测控单重化配置的间隔，采用电缆连接的直接采样、直接跳闸，为实现10kV站域控制功能，设置独立的10kV过程层网络，单网配置。
2.2、间隔层网络
间隔层网络采用双重化以太网结构，可传输MMS报文和GOOSE报文，与本间隔其他设备、间隔层其他设备及站控层网络通信。
2.3、站控层网络
站控层网络选用双重化星型以太网结构，与站控层其他设备和间隔层网络连接，可传输MMS报文和GOOSE报文。
对于站控层网络上各种不同类型的数据（包括SCADA数据、保护故障信息远传数据等），通过交换机组播划分不同VLAN实现数据分流传送，同时网络还需支持QoS（服务质量）特性，根据业务类型差异设置不同的优先级。
另外，跨间隔闭锁GOOSE信息等传输也通过站控层网络实现。
四、智能变电站的设备和系统配置
1、常用设备的介绍
1.1、合并单元（merging unit，MU）：是按时间相关组合二次变换器电流、电压数据的物理单元。合并单元可以是现场变送器的一部分或是控制室中一个独立单元。
合并单元可以是现场互感器的一个组件，也可以是一个独立单元。未来城变电站主要采用的PCS-221G合并单元。
1.2、智能终端（smart terminal） ：一种智能组件。 与一次设备采用电缆连接， 与保护、 测控等二次设备采用光纤连接， 实现对一次设备（如：断路器、刀闸、主变压器等）的测量、 控制等功能。简言之智能终端设备是由微机实现的智能操作箱，未来城变电站主要采用的PCS-222智能终端。
1.3、智能电子设备（Intelligent Electronic Device， IED）：包含一个或多个处理器，可接收来自外部源的数据，或向外部发送数据，或进行控制的装置，例如：电子多功能仪表、数字保护、 控制器等。
1.4、GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）：它是一种面向通用对象的变电站事件。主要用于实现在多IED之间的信息传递，包括传输跳合闸信号（命令），具有高传输成功概率。
1.5、采样值SV（Sampled Value）：基于发布/订阅机制，交换采样数据集中的采樣值的相关模型对象和服务，以及这些模型对象和服务到ISO/IEC8802-3帧之间的映射。
1.6、制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）：它是ISO/IEC9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议。MMS规范了工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备（IED）、智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有互操作性。
1.7、全站系统配置（Substation Configuration Description，SCD）文件：应是全站唯一，该文件描述所有IED的实例配置和通信参数、IED之间的通信配置以及变电站一次系统结构，由系统集成厂商完成。SCD文件应包含版本修改信息，明确描述修改时间、修改版本号等内容。
1.8、电子式电流互感器（Electronic Instrument Transformer，EIT）：一种装置，由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电压或电流传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。在数字接口的情况下，一组电子式互感器共用一台合并单元完成此功能。
2、一体化电源系统
本站采用一体化电源系统，全站直流、不间断电源、通信等一体化设计、一体化配置、一体化监控，通过交直流电源总监控模块将站用电源各子系统通信网络化，实现站用电源信息共享，建立数字化电源软件平台；信息数据经总监控模块转换为DL/T860标准模型数据接入自动化系统。
3、智能辅助控制系统
全站配置1套智能辅助控制系统实现图像监视、安全警卫、火灾报警、火灾消防报警、主变灭火、门禁控制、照明控制、采暖通风、SF6及含氧量监控、环境监测等系统的智能联动控制，实时接收各终端装置上传的各种模拟量、开关量及视频图像信号，分类存储各类信息并进行分析、计算、判断、统计和其它处理。
智能辅助系统通过DL/T860接口将重要信息上传至站内变电站一体化监控系统。
4、继电保护故障信息管理功能
继电保护故障信息管理功能纳入变电站自动化系统统一设计时，继电保护故障信息系统应能与各继电保护装置和故障录波装置进行数据通信，收集各继电保护装置及故障录波装置的动作信号、运行状态信号，通过必要的分析软件，在站内对事故进行分析。远方调度能通过自动化系统调取继电保护装置和故障录波装置定值、动作事件报告和故障录波报告、运行状态信号等。
5、智能告警及故障信息综合分析决策
建立变电站故障信息的逻辑和推理模型，实现对故障告警信息的分类和信号过滤，对变电站的运行状态进行在线实时分析和推理，自动报告变电站异常并提出故障处理指导意见。
告警信息主要在厂站端处理，以减少主站端信息流量，厂站可根据主站需求，为主站提供分层分类的故障告警信息。
在故障情况下对包括事件顺序记录信号及保护装置、相量测量、故障录波等数据进行数据挖掘、多专业综合分析，并将变电站故障分析结果以简洁明了的可视化界面综合展示。
6、站域保护控制系统
本站设置站域保护系统1套，其中PCS-998SA装置完成110kV线路后备距离的冗余保护；PCS-998SC装置实现110kV母线失灵保护、110kV母联保护、10kV低周低压减载、10kV简易母差保护等功能。
站域保护采样值、跳闸采用网采网跳方式，装置分别接入过程层网络和站控层网络，支持SV与GOOSE共网；保护及控制命令不经就地保护、测控装置直接作用于智能终端；通过增加网口数量分摊数据流量，并行处理数据；并配置用于广域通信的独立接口。
7、顺序控制
本站送电整个过程全是通过顺序控制来完成的，它是通过计算机监控系统下达操作任务，根据预先规定的操作逻辑和五防闭锁规则，自动按规则完成一系列断路器和隔离开关的操作，完成相关运行方式变化要求的设备操作，从而实现变电站电气设备在运行、热备用、冷备用、检修等各种状态间的自动转换。
顺序控制的使用，大大提高了运维人员的操作效益，大大缩短了操作时间，这已在未来城站的送电过程中得到了证实。
五、结论
本文主要介绍了智能变电站的发展现状，阐述了智能变电站的三层两网的系统结构，未来城智能变电站的系统配置。智能变电站在运行模式和维护模式不同于传统变电站，对于目前传统的管理模式提出了很大挑战。尽管变电站的智能化推动了坚强的智能电网，要全面实现变电站智能化还需解决很多实际问题。
【关键词】 智能变电站；GOOSE；SV
引言：
近年来，“智能电网”一词已成为一个流行的专业术语，代表了当今世界电力系统发展变革的最新动向，被认为是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。智能电网作为未来电网的发展方向，渗透到发电、输电、变电、配电、用电各个环节。在上述这些环节中，智能变电站无疑是最核心的一环，作为智能电网的重要基础，智能变电站属于整个系统的重要枢纽，支撑着电网系统的正常运营，智能变电站为智能电网提供标准的、可靠的节点（包括一次、二次和系统）支撑。
一、智能变电站发展的动力
当前，我国变电环节包括两种模式，即数字化变电站和常规变电站，由于常规变电站采用重复的资源，系统结构及厂站设计比较复杂，不利于厂站调试，互操作性不好，不符合设计要求，未来变电站的发展将融合智能化一次设备及网络化二次设备，涵盖站控层、间隔层、过程层方面的全新的变电站自动化标准IEC61850，加快了数字化变电站的发展进程，我国在这个方面进行了大量的实践研究，并取得了一定的成效，目前已投入使用许多座数字化变电站，但有些问题也不容乐观，如尚不具备统一的行业标准、评估体系和方法措施，而且过程层设备是否稳定可靠尚待进一步验证，这些问题可能会破坏变电站的安全、稳定地运行。
目前，特高压电网建设已进入实用化环节，智能电网系统逐步接入了一些新能源电力，这就要求系统运行以及支撑电网运行的变电站提出了更高的要求。智能变电站就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。
因此，我们必须合理安排电网资源，加强智能设备之间的联通，采取相应的措施控制系统正常运行，提升其应用水平，实现与相邻变电站、电源、调度和大用户之间协作，同时，变电站自动化领域也实现了技术性突破，大大促进了计算机信息及通信技术的发展。另外，国际上即将颁布IEC61850第二版，以上措施都能够有效促进智能变电站的进一步发展。
二、智能变电站的概念
1、智能变电站的定义
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化控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。
三、智能变电站的系统结构
从物理角度来分析，智能变电站的系统结构可分为智能化的一次设备及网络化的二次设备；在功能逻辑上，该系统包括过程层、间隔层、站控层三个层次，三层之间用分层、分布、开放式网络实现连接。如下图1所示
1.1、過程层
过程层包括变压器、断路器、隔离开关、电子式电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置，完成一次设备相关的功能。如：合并单元、智能终端、一次设备智能组件等。
过程层的主要功能分三类：
1）一次设备运行实时的电气量，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测；
2）运行设备的状态监测；
3）一次设备控制命令的执行。
1.2、间隔层
间隔层设备包括多功能测控装置、保护装置、故障录波装置及其他智能接口设备等，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、传感器和控制器通信。
间隔层的主要功能如下：
1）优先控制统计运算、数据采集等控制指令的发出；
2）实时汇总本间隔过程层的数据；
3）实现本间隔操作的闭锁功能；
4）实现上下结构的通信功能；
5）保护并控制一次设备的运行；
6）实现操作同期和其他控制功能。
1.3、站控层
站控层设备主要包括监控主机、数据服务器、综合应用服务器、数据通信网关机、网络打印机、网络记录分析系统、对时系统、站域控制及其它智能接口设备等。对整个变电站的设备进行监控、报警以及信息的传递，主要用于数据、同步相量和电能量的采集，负责管理保护信息，具有监控操作闭锁等功能。
站控层的主要功能如下：
1）利用两级高速网络实现全站数据信息的实时汇总，刷新实时数据库，在设定的时间点登录历史数据库；
2）接收控制中心或调度中心的控制指令，同时将其传输至过程层和间隔层；
3）在线维护过程层和间隔层的设备运行，对参数实施在线修改；
4）具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；
5）自动分析变电站故障，可进行操作培训；
6）根据规定将相关数据传输至控制中心或调度中心；
7）可实现站内监控和人机联系。
2、智能变电站的网络结构
全站采用高速以太网组成，通信规约采用DL/T860标准，全站设备统一建模。由于站控层网络和过程层网络承载的业务功能截然不同。为了保护网络的实时性、安全性，在现有的技术条件下，站控层网络应与过程层网络物理分开，并采用100M及以上高速以太网构建。 2.1、过程层网络
过程层网络包括SV和GOOSE网络，主要功能是实现开关量的上传及分合闸控制、防误闭锁等以及多功能测控装置、故障录波的网络采样。
本站自动化过程层SV+GOOSE两网合一，按照220kV、110kV分别划分，均采用星形网络结构，两套SV+GOOSE网络物理上相互独立，不配置独立的主变过程层网络，主变SV+GOOSE信息按电压等级分别接入220kV、110kV过程层网络。220kV过程层SV+GOOSE网络按双套物理独立的单网配置；110kV过程层除主变间隔按双套物理独立的单网配置外，其余间隔过程层SV+GOOSE网络按单网配置。
对于10kV常规保护测控单重化配置的间隔，采用电缆连接的直接采样、直接跳闸，为实现10kV站域控制功能，设置独立的10kV过程层网络，单网配置。
2.2、间隔层网络
间隔层网络采用双重化以太网结构，可传输MMS报文和GOOSE报文，与本间隔其他设备、间隔层其他设备及站控层网络通信。
2.3、站控层网络
站控层网络选用双重化星型以太网结构，与站控层其他设备和间隔层网络连接，可传输MMS报文和GOOSE报文。
对于站控层网络上各种不同类型的数据（包括SCADA数据、保护故障信息远传数据等），通过交换机组播划分不同VLAN实现数据分流传送，同时网络还需支持QoS（服务质量）特性，根据业务类型差异设置不同的优先级。
另外，跨间隔闭锁GOOSE信息等传输也通过站控层网络实现。
四、智能变电站的设备和系统配置
1、常用设备的介绍
1.1、合并单元（merging unit，MU）：是按时间相关组合二次变换器电流、电压数据的物理单元。合并单元可以是现场变送器的一部分或是控制室中一个独立单元。
合并单元可以是现场互感器的一个组件，也可以是一个独立单元。未来城变电站主要采用的PCS-221G合并单元。
1.2、智能终端（smart terminal） ：一种智能组件。 与一次设备采用电缆连接， 与保护、 测控等二次设备采用光纤连接， 实现对一次设备（如：断路器、刀闸、主变压器等）的测量、 控制等功能。简言之智能终端设备是由微机实现的智能操作箱，未来城变电站主要采用的PCS-222智能终端。
1.3、智能电子设备（Intelligent Electronic Device， IED）：包含一个或多个处理器，可接收来自外部源的数据，或向外部发送数据，或进行控制的装置，例如：电子多功能仪表、数字保护、 控制器等。
1.4、GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）：它是一种面向通用对象的变电站事件。主要用于实现在多IED之间的信息传递，包括传输跳合闸信号（命令），具有高传输成功概率。
1.5、采样值SV（Sampled Value）：基于发布/订阅机制，交换采样数据集中的采樣值的相关模型对象和服务，以及这些模型对象和服务到ISO/IEC8802-3帧之间的映射。
1.6、制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）：它是ISO/IEC9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议。MMS规范了工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备（IED）、智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有互操作性。
1.7、全站系统配置（Substation Configuration Description，SCD）文件：应是全站唯一，该文件描述所有IED的实例配置和通信参数、IED之间的通信配置以及变电站一次系统结构，由系统集成厂商完成。SCD文件应包含版本修改信息，明确描述修改时间、修改版本号等内容。
1.8、电子式电流互感器（Electronic Instrument Transformer，EIT）：一种装置，由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电压或电流传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。在数字接口的情况下，一组电子式互感器共用一台合并单元完成此功能。
2、一体化电源系统
本站采用一体化电源系统，全站直流、不间断电源、通信等一体化设计、一体化配置、一体化监控，通过交直流电源总监控模块将站用电源各子系统通信网络化，实现站用电源信息共享，建立数字化电源软件平台；信息数据经总监控模块转换为DL/T860标准模型数据接入自动化系统。
3、智能辅助控制系统
全站配置1套智能辅助控制系统实现图像监视、安全警卫、火灾报警、火灾消防报警、主变灭火、门禁控制、照明控制、采暖通风、SF6及含氧量监控、环境监测等系统的智能联动控制，实时接收各终端装置上传的各种模拟量、开关量及视频图像信号，分类存储各类信息并进行分析、计算、判断、统计和其它处理。
智能辅助系统通过DL/T860接口将重要信息上传至站内变电站一体化监控系统。
4、继电保护故障信息管理功能
继电保护故障信息管理功能纳入变电站自动化系统统一设计时，继电保护故障信息系统应能与各继电保护装置和故障录波装置进行数据通信，收集各继电保护装置及故障录波装置的动作信号、运行状态信号，通过必要的分析软件，在站内对事故进行分析。远方调度能通过自动化系统调取继电保护装置和故障录波装置定值、动作事件报告和故障录波报告、运行状态信号等。
5、智能告警及故障信息综合分析决策
建立变电站故障信息的逻辑和推理模型，实现对故障告警信息的分类和信号过滤，对变电站的运行状态进行在线实时分析和推理，自动报告变电站异常并提出故障处理指导意见。
告警信息主要在厂站端处理，以减少主站端信息流量，厂站可根据主站需求，为主站提供分层分类的故障告警信息。
在故障情况下对包括事件顺序记录信号及保护装置、相量测量、故障录波等数据进行数据挖掘、多专业综合分析，并将变电站故障分析结果以简洁明了的可视化界面综合展示。
6、站域保护控制系统
本站设置站域保护系统1套，其中PCS-998SA装置完成110kV线路后备距离的冗余保护；PCS-998SC装置实现110kV母线失灵保护、110kV母联保护、10kV低周低压减载、10kV简易母差保护等功能。
站域保护采样值、跳闸采用网采网跳方式，装置分别接入过程层网络和站控层网络，支持SV与GOOSE共网；保护及控制命令不经就地保护、测控装置直接作用于智能终端；通过增加网口数量分摊数据流量，并行处理数据；并配置用于广域通信的独立接口。
7、顺序控制
本站送电整个过程全是通过顺序控制来完成的，它是通过计算机监控系统下达操作任务，根据预先规定的操作逻辑和五防闭锁规则，自动按规则完成一系列断路器和隔离开关的操作，完成相关运行方式变化要求的设备操作，从而实现变电站电气设备在运行、热备用、冷备用、检修等各种状态间的自动转换。
顺序控制的使用，大大提高了运维人员的操作效益，大大缩短了操作时间，这已在未来城站的送电过程中得到了证实。
五、结论
本文主要介绍了智能变电站的发展现状，阐述了智能变电站的三层两网的系统结构，未来城智能变电站的系统配置。智能变电站在运行模式和维护模式不同于传统变电站，对于目前传统的管理模式提出了很大挑战。尽管变电站的智能化推动了坚强的智能电网，要全面实现变电站智能化还需解决很多实际问题。