隨著電力需求的高度增長，數字經濟的發(fā)展，環(huán)境監(jiān)管的嚴格以及各國能源政策的調整，電網與電力市場、客戶之間的關系越來越緊密?？蛻魧﹄娔苜|量要求逐步提高，分布式能源不斷增加，傳統的電力網絡已經難以滿足這些發(fā)展要求。為了滿足電力供應的節(jié)能、環(huán)保、高效、可靠、穩(wěn)定及可持續(xù)發(fā)展的要求，智能電網的建設勢在必行。

　　作為智能電網中的重要節(jié)點，智能變電站擔負了變電設備狀態(tài)和電網運行數據、信息的實時采集和發(fā)布任務，同時支撐電網實時控制、智能調節(jié)和各類高級應用，實現變電站與調度、相鄰變電站、電源、用戶之間的協同互動。智能變電站不但為電網的安全穩(wěn)定運行提供了數據分析基礎，也為未來智能電網實現其高效、自愈等功能提供了重要的技術支持。本文就智能變電站的主要特征及可能應用到的關鍵技術進行探討，并研究了智能變電站實現的主要技術手段。

　　1 智能變電站的特征

　　根據《智能變電站技術導則》的定義，智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的設備組合而成，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(jiān)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(jié)、在線分析決策、協同互動等高級應用功能的變電站。

　　智能變電站的特點首先是具有高度的可靠性，高度的可靠性是智能變電站應用于智能電網的最基本、最重要的要求。高度的可靠性不僅意味著站內設備和變電站本身具有高可靠性，而且要求變電站本身具有自診斷和自治功能，能夠對設備故障提早預防、預警，并在故障發(fā)生的第一時間內對其做出快速反應，將設備故障帶來的供電損失降低到最小程度。

　　其次，智能變電站具有很強的交互性。智能變電站必須向智能電網提供可靠、充分、準確、 電力系統保護與控制時、安全的信息。為了滿足智能電網運行、控制的要求，智能變電站所采集的各種信息不僅要求能夠實現站內共享，而且要求實現與電網內其他高級應用系統相關對象之間的互動，為各級電網的安全穩(wěn)定經濟運行提供基本信息保障。

　　第三，智能變電站具有高集成度的特點。智能變電站將現代通信技術、現代網絡技術、計算機技術、傳感測量技術、控制技術、電力電子技術等諸多先進技術和原有的變電站技術進行高度的融合，并且兼容了微網和虛擬電廠技術，簡化了變電站的數據采集模式，形成了統一的電網信息支撐平臺，從而為實現電網的實時控制、智能調節(jié)、在線分析決策等各類高級應用提供了信息支持。

　　最后，智能變電站還應具有低碳、環(huán)保的特點。智能變電站內部使用光纖代替了傳統的電纜接線;集成度高且功耗低的電子元件廣泛應用于變電站內各種電子設備;采用電子式互感器代替粗重的傳統充油式互感器。這些不但節(jié)省了資源消耗，降低了變電站的建設成本，而且減少了變電站內部的電磁污染、噪聲、輻射和電磁干擾，凈化了變電站內部的電磁環(huán)境，優(yōu)化了變電站的性能，使智能變電站更加符合環(huán)境保護的要求。

　　2 智能變電站關鍵技術

　　與已有的變電站形態(tài)相比，智能化變電站可以將先進的現代科學技術融入變電站自動化系統的應用中，通過對變電站內各種實時狀態(tài)信息的獲取和共享，高度集成了變電站內的各種功能，實現各種功能的靈活分布和重構。智能變電站中所應用到的各種先進技術不僅改變了變電站的傳統架構，加強了變電站與電網內其他設備之間的信息交互共享，而且更好地實現了分層分布的控制管理方式，優(yōu)化了站內的資源，進一步提高了變電站運行的可靠性和安全性。

　　現有的變電站技術并不能完全滿足實現智能變電站的要求，各種技術之間的專業(yè)壁壘嚴重阻礙了智能變電站關鍵技術的發(fā)展。必須打破專業(yè)上的限制，才能更好地深入了解智能變電站關鍵技術的內涵并擴展其外延，以實現智能變電站設備信息數字化、功能集成化、結構緊湊化、檢修狀態(tài)化的發(fā)展要求。

　　2.1硬件的集成技術

　　傳統變電站中信息的采集和處理過程是通過中央處理器與外圍芯片或設備的配合來完成的，大量數據計算和邏輯分析過程以及一些高級應用功能的實現都集中于中央處理器中，中央處理器性能的高低決定了各種功能實現的速度與質量，這里使用的中央處理器可以是DSP(Digital Signal Processing)，ARM (Advanced RISC Machines)或CPU (CentralProcessing Unit)等。這種設計的弊端在于一方面中央處理器本身集成的資源有限，不能滿足智能變電站不斷增加的實時處理信息的需要，從而成為智能變電站技術發(fā)展的瓶頸;另一方面，處理器本身所集成的很多其他的硬件資源因不能滿足智能變電站的需要而被閑置，造成了資源浪費。另外，嵌入式系統中操作系統的刪減是一項很繁瑣的工作，而操作系統的復雜性也增加了系統測試的難度和出錯的概率。

　　隨著現代電子學的發(fā)展，硬件描述語言的出現使得硬件系統的設計表現出模型化、集成化、自動化的特點。這些特點使得硬件設計實現了真正的針對功能的模塊化設計，可以將某些固定的邏輯處理過程在智能設備內部進行固化，將原來由某些軟件實現的功能轉化為硬件實現。這種設計既保證了邏輯處理的實時性、可靠性和準確性，解決了信息傳輸時的瓶頸問題：又節(jié)省了硬件資源的開銷，提高了設備的集成度;另外，模塊化的設計也便于智能設備的檢修更換和升級。

　　硬件的集成技術在智能變電站內的應用將會打破傳統變電站設備的硬件設計理念，改變變電站硬件設備的布置格局，從而翻開變電站硬件設備設計新的一頁。

　　2.2軟件的構件技術

　　智能變電站內的軟件系統不僅能夠實現傳統的測控、信息管理等功能，而且還要將PMU (相量測量單元)、錄波等功能進行集成，實現站內狀態(tài)估計、區(qū)域集控、在線狀態(tài)監(jiān)測、遠程維護、電能質量評估以及智能管理等高級功能，并且能夠根據工程配置文件生成系統工程數據，實現變電站系統和設備系統模型的自動重構等功能。要實現上述功能，軟件的構件技術的應用必不可少。

　　軟件構件是指具有一定功能、能夠獨立工作或同其他構件裝配起來協調工作的程序體。軟件構件技術的實質是在不同粒度上對一組代碼或類等進行組合和封裝，以完成一個或多個功能的特定服務，進而為用戶提供接口。構件技術的核心思想是分而治之，構件技術將系統的抽象程度提高到一個比面向對象技術更高的層次。軟件復用技術是實現構件技術的重要手段，如何提取可復用構件以及如何組裝成系統并能實現互操作是構件技術所面臨的關鍵問題。

　　軟件構件技術是靈活、彈性、實時的軟件系統實現的重要基礎，也是嵌入式系統軟件設計實現功能集成的重要手段。軟件構件技術的成熟應用必須依賴于良好的軟件結構體系。目前，要實現各種高級應用功能在智能變電站內的有效集成以及靈活配置和重構，在軟件技術方面所要解決的問題還有很多。如：軟件體系結構，構件模型，構件接口，構件粒度，構件的獲取、管理、組裝與部署等諸多問題。軟件構件技術在智能變電站中的應用反映在嵌入式軟件系統設計、多代理技術等相關技術的應用中。

　　軟件構件技術在智能變電站內的應用不僅可以減少智能變電站在功能軟件的集成和開發(fā)活動中大量的重復性勞動，提高變電站軟件的效率和靈活度，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期：而且能夠加強系統功能間的互操作性，使系統功能在變電站內能夠靈活分布，從而提高了系統的可靠性和自愈性。

　　2.3信息的管理存儲技術

　　智能變電站采用具有自恢復能力的高速局域網構建全站統一的數字化信息平臺，信息平臺應具有自愈性故障恢復機制，有效保證智能變電站采集信息的服務質量。統一的數字化信息平臺的構建體現了智能變電站信息集中管理的設計思想，信息的集中管理不僅為實現各種信息模型的集成、轉換、調用和冗余等功能提供了方便，而且為一些簡單的調度功能向變電站系統的下放提供了基礎信息支撐和技術實現支撐。

　　高度集成的信息系統和統一的數字化信息平臺不僅為智能變電站提供了很好的擴展性與經濟性，也為信息資源的共享、動態(tài)擴展、分配提供了平臺。但是，海量信息的采集也為信息的實時傳輸帶來了困難。以太網的發(fā)展遠未能滿足智能變電站對海量信息的通信需要，因此，信息分優(yōu)先級傳輸與信息就地存儲顯得尤為重要。信息優(yōu)先級可以保證關鍵信息實時、準確、可靠地傳輸，而非關鍵信息的就地存儲不但減少了傳輸網絡負荷程度，而且可以為系統決策提供充分的信息依據。虛擬化的技術可以將變電站的底層硬件和網絡設備虛擬成一個共享的資源庫，就地存儲的信息可以在庫內按需分配調用。

　　信息優(yōu)先級傳輸與信息就地存儲技術的本質是將信息按不同粒度細化， 以實現信息的分層分布調用，從而保證信息傳輸的準確性與可靠性。另一方面，隨著智能電網的建設和發(fā)展，電力系統信息安全與防護成為一重要課題被提上日程。信息的分層管理可對信息進行分析、評估，并依據信息的不同等級設計信息安全策略，從而提高了網絡信息系統的安全性，最大限度地保證各級電網的信息安全和信息權限。

　　2.4標準的融合

　　智能電網內信息的數量和種類很多，采集渠道復雜。由于智能電網對于信息采集的設計理念的不同、算法的不同、模型的不同，導致網絡內的信息差異巨大，難以充分交互利用。為了實現與智能電網的無縫通信連接，智能變電站內各種信息模型之間的轉換與映射不可避免，這里就要進行標準融合。

　　信息模型的標準化、規(guī)范化和體系化是標準融合技術的基礎。要實現信息模型的標準化和規(guī)范化，首先要有開放的通信架構，使元件之間的信息能夠進行網絡化的通信：其次要進一步細化信息模型，對模型的擴充及擴充原則做出標準化規(guī)定;最后要統一技術標準，形成一個多功能的多規(guī)約庫，以實現各種應用系統之間的無縫通信。

　　目前， 已發(fā)布的標準~IEC61850、IEC61970、IEC61968等在一定程度上促進了變電站信息標準化、規(guī)范化的進程，促進了與電網內各種應用系統之間的通信應用}3J。其中，IEC61850是全面規(guī)范智能化變電站自動化通信體系的最新國際電工委員會標準，是變電站內部的統一規(guī)約。最新頒布的標準內不僅涉及到變電站內部的通信模型，而且其信息模型的覆蓋范圍已經擴展至變電站以外的所有公用電力應用領域，向成為電力自動化的通信網絡系統內的通用標準又邁進了更大的一步。

　　2.5分布式電源的保護控制技術

　　分布式電源的接入提高了智能電網的靈活性、效率和安全性，改變了配電系統單向潮流的特點，使傳統的單電源輻射網絡變成了一個多源網絡。這使得智能變電站內保護設備之間建立起來的配合關系被打破，保護的動作行為和動作性能都將會受到較大的影響。針對大容量的分布式電源接入智能電網的保護算法的研究也是智能變電站繼電保護的關鍵內容。

　　分布式能源作為一個獨立的整體模塊，既可以孤網運行，也可以在大電網上并網運行。分布式能源在接入系統時對電網的頻率、無功以及電壓穩(wěn)定的影響是不容忽視的。因此，如何保證在任何工況下繼電保護系統都能對分布式電源故障做出及時響應，同時在并網運行的情況下繼電保護系統還具有快速感知大電網故障的能力并保證保護的選擇性、快速性、靈敏性和可靠性，這是智能變電站繼電保護的難點課題。分布式能源的保護系統完全不同于常規(guī)變電站的保護控制策略。

　　分布式能源的保護策略主要是針對分布式電源雙向潮流流通、電源內部電力電子設備大量引入的特點，通過阻抗前饋和負荷模型反饋等算法來制定的保護控制策略。保護策略包括全線速動保護、低壓保護、反孤島、高頻切機和低頻減載等特殊保護功能，保護策略制定的關鍵問題在于保護定值與主網架保護定值之間的配合。分布式能源的控制策略制定的主要問題在于并網控制，其并網后會改變主網架的供電格局，使系統的不穩(wěn)定因素增加。因此，必須采用自動同期控制以及重合閘控制配合的控制方式。

　　3 智能變電站的構建

　　3.1體系架構

　　與傳統變電站的體系架構相比，智能變電站的體系架構結構緊湊、功能完善，更加符合變電站技術今后的發(fā)展趨勢。

　　智能變電站將傳統一次、二次設備進行融合，由高壓設備和智能組件構成其設備層，完成變電站內的測量、控制、保護、檢測、計量等相關功能。設備層的設備采用高度集成的模塊化硬件設計方式，很大程度上改變了變電站內信息采集、共享的模式。分散控制的設計思路保證了設備內各模塊相互之間具有獨立性，既可以分工合作，也可以獨立完成一項功能，從而從最大程度上保證了硬件系統的可靠性。

　　智能變電站的系統層不僅擔負著協同、控制和監(jiān)視著變電站內多種設備及與智能電網的通信任務，而且還具有站域控制、智能告警、分析決策等高級應用功能 J。系統層采用軟件構件技術，使得各種功能可以根據變電站的實際規(guī)模進行靈活配置，并可進行功能的重新分配和重構。

　　智能變電站緊湊的系統架構使得變電站在電氣量的數據采集及傳輸環(huán)節(jié)、變電站設備之間信息的交互模式、變電站信息冗余方式、變電站內各種功能的分布合理性以及功能集成等方面，均發(fā)生了巨大的變化。通過硬件集成和組件技術以及嵌入式系統軟件構件技術的應用，智能變電站構造了靈活、安全、可靠的變電站功能體系，該體系的應用提高了電站自動化系統整體數字化、信息化的程度，實現了變電站與智能電網之間的無縫通信，加強了站內自動化設備之間的集成應用和自身協調的能力，簡化了系統的維護和配置復雜度，節(jié)省了工程實施的開支，使變電站自動化系統進入了一個全新的發(fā)展階段。

　　3.2智能設備

　　智能設備的概念是為了適應智能電網建設的需求而提出的，是滿足智能電網一體化要求的技術基礎。智能設備取消了傳統一次、二次設備的劃分，不但對傳統變電站過程層和間隔層設備所具有的部分功能進行了集成，而且還能夠利用實時狀態(tài)監(jiān)測手段、可靠的評價手段和壽命的預測手段在線判斷智能設備的運行狀態(tài)，根據分析診斷結果識別故障的早期征兆，并視情況對其進行在線處理維修等。

　　高壓設備與相關智能組件的有機結合構成了智能設備。這種有機結合指的是多個高壓設備與外置或內嵌智能組件的多種組合方式。智能組件是一個相對于變電站功能的靈活概念，可以由一個物理組件完成多個變電站功能，也可以由多個物理組件分散配合完成一個變電站功能。

　　智能設備的設計和應用使得變電站內一次設備的運行狀態(tài)可被實時地監(jiān)視和評估，為科學的調度系統提供了可靠的依據;對一次設備故障類型及其壽命的快速有效的判斷和評估為在線指導運行和檢修提供了技術保證。智能設備的投入還可以降低變電站運行的管理成本，減少新生隱患產生的幾率，以增強電力系統運行的可靠性。智能設備內部功能配合的靈活性也滿足了大規(guī)模分布式電源并網運行的需要。

　　3.3保護控制策略

　　傳統的繼電保護以“事先整定、實時動作、定期檢驗”為特征，這種保護控制策略越來越難以滿足參數狀態(tài)在不斷變化的智能電網的要求。尤其是分布式能源的接入，動態(tài)改變了電力系統的運行方式和運行狀態(tài)，傳統保護控制方式很難適應這種多變的運行狀態(tài)。為了解決這些問題，智能變電站必需采用開放的保護控制策略。

　　開放的保護控制策略指的是保護控制策略不再事先固定，而是根據一定的原則隨著電網運行參數的變化，動態(tài)調整保護控制策略，以滿足智能電網在不同狀態(tài)下的安全運行需求。開放的保護控制策略的制定需要針對不同粒度的控制系統來完成，策略的制定和執(zhí)行客觀上在智能變電站內部形成了一個分層分布式的控制系統。分層分布式的控制系統與分層分布的信息系統相對應，在不同層次上控制協調變電站系統運行，提高對變電站系統內故障與擾動的快速反應和決策能力，分散由控制所帶來的系統風險。

　　開放的保護控制策略包括在線自適應整定定值;在線計算與保護性能有關的系統參數和相關指數;實時判斷系統運行狀態(tài)，調整保護動作方式;在信息共享的基礎上自動協調區(qū)域內繼電保護控制策略，保證系統內保護定值相互配置關系的合理性，保證智能電網運行的可靠性;在線校核系統內的實時數據等。

　　高度的信息共享和統一的數字信息平臺為開放的保護控制策略提供了制定和實施的依據，現代控制理論的發(fā)展與先進的網絡計算方法的應用為開放的保護控制策略的制定和實施提供了理論背景。開放的保護控制策略的制定和研究應是未來智能變電站提高其自動化水平的關鍵，是智能變電站實現其本身自愈性的關鍵技術，也是智能電網實現白愈性的控制保證。

　　3.4測試仿真

　　智能變電站內的大多數自動化功能都需要通過網絡傳輸的方式來實現，這就對變電站內的調試和運行檢測設備提出了新要求，需要研究新的試驗方式、手段，制定智能變電站技術相關試驗及檢測標準等。智能變電站的測試活動應貫穿于變電站開發(fā)的整個生命周期內。

　　智能變電站的測試包括系統測試和設備測試兩個方面，系統測試主要是對監(jiān)控系統、通信網絡系統、對時系統、遠動系統、保護信息管理系統、電能量信息管理系統、網絡記錄分析系統、不間斷電源系統等子系統的測試;設備測試主要是對測量、控制、保護、檢測、計量等相關功能的測試I1訓。

　　為了準確把握智能變電站的運行、維護需求，需要建立有效的檢測和評估體系。智能變電站的測試活動是面向功能的一種測試，測試系統不僅包括調試工具，還包括相應的配置文件以及與之聯系的軟件輔助系統，以便于測試的過程和結果能夠被記錄和分析。

　　智能變電站的測試需要從設備單元、系統集成、總體性能三個方面綜合考慮，進而對智能變電站做出有效的整體評價。智能變電站的測試過程可以分為單元測試、集成測試和系統測試三個步驟來完成。單元測試主要是測試系統內最基本的功能單元的特性是否滿足要求，以及通信接口模塊之問的信息交互是否正常。集成測試也就是一致性測試，主要關注的是物理設備作為系統構成單元其通信行為是否符合標準中定義的互操作性規(guī)格要求， 以及按標準設計的變電站其通信網絡能否滿足實現變電站自動化功能所期望的性能要求。系統測試即互操作性測試，關注的是設備間是否可以用通用的協議通過公共的總線相連，單一設備是否可理解其他設備提供的信息內容，以及各設備是否可以組合起來協調完成變電站的自動化功能。系統測試驗證了被測試設備是否具有互操作能力，以及設備集成到變電站后是否真正實現了無縫連接。

　　3.5信息安全策略

　　信息安全問題是智能電網安全的核心問題之一， 智能變電站作為智能電網的重要組成部分，其自身的信息安全與防護面臨著來自多方面的嚴峻考驗。對智能變電站內部以及其與電網內交互信息進行全面、系統的安全防護，利用有效的信息安全防護方法和策略消除安全隱患，合理規(guī)避信息安全風險，是保證智能變電站乃至智能電網安全穩(wěn)定運行的關鍵問題之一。

　　智能變電站內部大量應用網絡技術傳輸信息，其信息安全防御的策略的制定是一個系統性的問題，僅憑借單一的防御手段是不能有效解決問題的。因此，智能變電站需要構建一個以評估為基礎，以策略為核心，以防護、監(jiān)測、響應和恢復為技術手段和工具， 以安全管理為落實手段的動態(tài)的多層次的網絡安全架構，用來確保變電站內信息以及各種資源的實時性、可靠性、保密性、完整性、可用性等。

　　隨著智能變電站內信息集成度的進一步提高，實現對變電站網絡通信質量的實時監(jiān)控和維護，并對網絡內傳輸的信息進行保護，防止來自網內外的惡意攻擊和竊取，及時響應網絡故障并快速恢復網絡設備等技術手段已經成為可能。除此之外，網絡防火墻技術、加密技術、權限管理和存取控制技術、冗余和備份技術等計算機網絡安全技術的發(fā)展也為電力系統信息安全防護策略帶來了新的發(fā)展思路。

　　4 結語

　　本文從智能變電站內可應用的關鍵技術和智能變電站建設所需的主要技術手段入手，全面闡述了智能變電站的構建方式。目前，智能變電站的研究工作剛剛起步，集成的統一信息平臺的構建尚未完成，硬件的集成技術以及軟件的構件技術僅處于初步應用階段。由于通信方式以及通信實時性、可靠性要求的制約，開放的控制策略的研究還有待時日。因此，未來智能變電站的研究工作任務繁重。

　　作為智能電網的重要組成部分，智能變電站必須打破以往的專業(yè)壁壘，將先進的電力電子、通信、計算機、控制技術互相融合，才能最終達到資源優(yōu)化配置的目標，實現智能變電站易集成、易擴展、易升級、易改造、易維護的工業(yè)化應用要求。