1 概述
目前智能变电站能够自动进行信息采集、测量、控制、保护及监测，在智能变电站设计时应考虑采用哪些方法和技术来提高变电站的自动化、智能化等特点，如何搭建一个稳定可靠、安全、高效、智能化、数字化、标准化的变电站系统。首先应构思网络架构整体方案，从信息化平台、智能设备、网络信息交互和数据共享、网络安全等多个方面综合考虑，确保智能变电站成为一个安全、可靠、高效和可持续发展的系统。结构设计是基于高度集成和现代化的综合控制系统，将传感器、计算机、现代化通信技术和自动控制等要素有机结合，集成到一个平台上，实现数据的集中采集、传输和处理，提高数据的一致性和准确性。信息化平台是智能变电站设计的核心任务，包括监测控制系统、远程维护系统和通讯系统等。建立数据中心，用于存储和管理各类数据，通过数据处理和分析技术，可以实现对变电站运行状态的监测和诊断，提高运行效率和可靠性。建立实时监控系统，对变电站各项运行指标进行实时监测，有助于及时发现问题并处理异常情况，保障变电站的安全稳定运行。智能设备应选用性能可靠、技术稳定、环境友好的设备，如选用智能变压器、智能高压开关设备、智能断路器、电子互感器、智能终端、智能保护装置等。建立高效的信息交互和共享机制，过程层、间隔层和站控层可灵活组网，可实现智能变电站内部以及与其他系统之间的无缝对接，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能。网络系统应部署防火墙等网络安全设备，确保信息数据的机密性、完整性和可靠性。
2 智能变电站系统结构设计
智能变电站系统结构一般为“三层两网”，“三层”是指过程层、间隔层、站控层，“两网”是指过程层网络、站控层网络。过程层位于智能变电站三层结构的最底层，主要设备包括变压器、母线、断路器、隔离开关、电子式互感器等一次设备及其所属的智能终端、合并单元等，过程层主要负责执行操作指令、监测设备状态等任务。其主要功能是采集一次电气量信息、执行操控命令和检测设备状态。间隔层位于站控层与过程层的中间，包括保护、测量、控制和录波等二次装置。间隔层负责实时信息与数据的汇总与传输。其主要功能是通过各种传感器设备获取过程层各设备的运行信息，如电压、电流等模拟量信息以及断路器、开关等位置信息，从而对过程层设备进行保护与控制，实现本间隔内的操作闭锁，并进行一次电气量的运算和计量。站控层位于智能变电站三层结构的顶层，包括工程师站、数据后台、故障信息子站等。站控层则负责收集与汇总信息，并向电网调度中心发送控制指令。站控层设备一般包括监控主机、数据服务器、数据通信网关、综合应用服务器、五防主机、顺控主机、工程师站、工作员操作站、PMU数据集中器、时间同步装置等。其主要功能是通过与间隔层之间的通信网络进行实时数据交换，实现全站一次设备的监视、告警、控制等交互功能。同时，站控层还通过通信设备实现与调度中心之间的信息交换，实现变电站的远方监控，执行调度下达的操作命令。过程层网络是间隔层设备和过程层设备之间的网络，实现间隔层设备与过程层设备之间的数据传输。主要用于完成运行设备的状态监测、执行操作控制命令、实时电气量采集等功能，可实现基本状态量和模拟量的数字化输入、输出。过程层网络采用GOOSE协议和SV协议进行数据传输。站控层网络是间隔层设备和站控层设备之间的网络，实现站控层内部以及站控层与间隔层之间的数据传输。网络通信协议采用MMS协议，故也称为MMS网络。站控层网络采用星形结构的以太网，网络设备包括站控层中心交换机和间隔交换机。各层次内部及层次之间采用以太网通信，通信媒介为网线或光纤。这些设备及网络共同实现智能变电站的安全运行、继电保护、测量和控制功能、数据采集和监视控制、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。这种设计能够增强相互操作的特性，保证相关信息的高效共享。智能变电站系统结构拓扑图如图1所示。
图1 智能变电站系统结构拓扑图
3 智能变电站高度集成设计
智能变电站的集成需要从模块化与标准化、设备集成、网络集成、平台集成、安全防护以及优化与调试等多个方面进行综合考虑。采用模块化和标准化的设计理念，将变电站内的设备和系统划分为不同的功能模块，并制定相应的标准和接口规范。这有助于简化系统架构，降低维护成本，并提高系统的互换性和可扩展性。将一次与二次设备高度集成，将传感器、执行器、控制器等集成到设备中，实现设备的智能化和自动化。同时，采用统一的通信协议和数据格式，确保设备之间的无缝对接和信息共享。构建高效、稳定的通信网络，实现设备之间的实时数据传输和交换。采用先进的通信技术和协议，确保网络的可靠性、安全性和实时性。建立统一的站域平台，将各种应用系统和功能模块集成到一个平台上，实现数据的集中存储、管理和分析。这有助于提高数据处理效率和准确性，并为决策支持和协同工作提供有力保障。
4 智能变电站通信网络、监测及控制技术研究
智能变电站通过标准化通信网络、传感器、数据处理与分析、实时预警与告警以及远程监控与管理等技术手段，实现了实时监测、分析、控制及报警功能。
4.1智能变电站通信网络标准化
标准化通信网络是智能变电站正常运行的神经系统，确保各个设备和系统之间的信息能够准确、快速地传递。具体来说，通信网络应符合IEC61850等通信标准，为智能变电站提供了一个统一、规范的通信平台。这使得不同厂商、不同型号的设备能够互相通信，实现信息的共享和交互。这种互通性大大提高了智能变电站的灵活性和可扩展性，使得电力系统可以根据实际需求进行灵活配置和调整。此外，标准化通信网络还提高了智能变电站的可靠性和安全性。网络结构有单星型网、双星型网、单环形网和双环形网之分，根据具体情况选择采用哪种结构。通过采用标准化的通信协议和安全机制，可以确保信息的完整性和保密性，防止恶意攻击和数据篡改。标准化的通信网络还可以实现故障的快速定位和隔离，减少故障对电网的影响，提高电力系统的稳定性。另外，标准化通信网络也促进了智能变电站的智能化和自动化水平。通过实现设备间的信息交互和协同工作，智能变电站可以实现对电力系统的实时监测、分析和控制，提高电网的运行效率和管理水平。标准化通信网络是智能变电站不可或缺的一部分，它为智能变电站的正常运行提供了坚实的通信基础，并推动了电力系统的智能化和自动化发展。
4.2 智能变电站实时监测
智能变电站通过传感器、标准化通信网络、数据处理与分析、实时预警与告警以及远程监控与管理等技术手段，可实现系统实时监测。智能变电站中安装的多种传感器，用于实时收集设备的运行状态信息以及外部环境参数，如温度、湿度、压力等。这些传感器能够精确捕捉设备的细微变化，并将数据转化为可处理的数字信号。智能变电站采用标准化的通信协议，确保传感器收集的数据能够准确、快速地传输到监控系统中。标准化通信网络的应用消除了设备间通信的障碍，使得数据能够在不同系统间无缝传输。智能变电站将收集到的数据经过处理和分析，可以生成各种报表和曲线图，帮助运维人员更好地了解变电站的运行状态。通过数据分析，系统能够发现潜在的安全隐患，预测设备的寿命，为运维决策提供有力支持。智能变电站具备实时预警和告警功能。当监测到某些参数超出设定的阈值时，系统会立即发出告警，提醒运维人员及时采取措施，防止事故的发生。通过远程监控中心，运维人员可以实时查看变电站的运行状态，包括设备参数、环境参数等。
4.3 智能变电站远程监控与控制
智能变电站通过传感器部署、数据传输、远程监控中心和远程控制等技术手段，实现对电力系统的远程监控与控制。智能变电站远程监控与控制主要依赖于物联网技术、传感器技术、远程控制系统以及通信技术。在智能变电站中，关键部位如变压器、断路器等都会安装传感器。这些传感器能够实时感测设备的运行状态参数，如温度、电流、电压等，并将这些数据传输到远程监控中心。通过无线通信方式，如无线局域网、移动通信网络等，将传感器采集的数据传输到远程监控中心。在此过程中，通信技术起到了至关重要的作用，确保数据的实时性、准确性和安全性。远程监控中心接收到数据后，通过特定的数据处理和分析软件，将原始数据转化为直观易懂的信息，如图表、曲线等，供运维人员查看和分析。同时，监控中心还具备报警功能，当设备出现故障或参数异常时，能够自动触发报警机制，及时通知运维人员进行处理。除了远程监控外，智能变电站还具备远程控制功能。运维人员可以通过远程监控中心，对变电站内的设备进行远程控制操作，如开关设备、调节参数等。这大大提高了电力系统的可控性和可调度性，降低了人力成本和时间成本。
5智能变电站智能设备选型分析
智能变电站设备的选型是一个复杂且关键的过程，需要从技术、经济、可靠性、扩展性、互操作性、环保等多方面因素考虑。首先选择那些在技术创新方面表现突出，同时经过实际验证、技术成熟的设备，选用数字化、智能化、高效化和能源互联网化等方面有显著优势的设备。其次考虑设备性能与可靠性，设备的性能与可靠性是选型过程中的重要指标，电气设备的额定电压、额定电流、短路电流承受能力等技术指标，以及设备的历史性能和用户评价作为参考和依据，选择具有高可靠性和长寿命的设备，能够降低故障率和维修成本，提高整个系统的稳定性。最后考虑设备的经济性和未来的扩展性，经济方面考虑设备购置费、安装费及运行费，选择性价比高的设备，同时考虑未来电力需求的增长，选择具备适当扩展空间的设备，以便未来的升级和改造。比如选用电子式互感器，在智能变电站中作为信息采集设备具有高精度、高可靠性和实时性等优点，极大的降低了计量误差，提高供电可靠性，并确保长期工作稳定性。选用合并单元，将多个互感器采集单元输出的数据进行合并处理，为二次系统提供时间同步的电流和电压数据，满足了二次系统对输出数据的同步性、实时性、均匀性等方面的要求。智能设备均应配置通讯接口，通过物联网、大数据等技术，实现自动调节、操作和管理，提高运行效率和安全性。
6 智能变电站网络安全技术和措施
智能变电站通过网络与其他系统进行数据交换和通信，网络安全问题尤为重要。智能变电站在网络安全方面采用了多种技术和措施，构建一个多层次、全方位的安全防护体系。这些技术共同协作，确保智能变电站的网络安全和稳定运行。为了防止网络攻击和数据泄露，智能变电站采用先进的网络安全技术，如防火墙、入侵检测系统、数据加密等。这些技术能够有效地抵御外部攻击，保护数据的传输和存储安全。防火墙用于监控和控制进出网络的数据流，能够阻止未经授权的访问和潜在的恶意攻击，从而保护关键数据和信息免受外部威胁。入侵监测和防御系统对变电站的周边环境、内部网络、物理设备等进行全方位、多层次的监测和防御，以应对各种潜在的安全威胁。入侵检测系统能够实时监测和分析网络数据流，检测异常模式和恶意活动，并及时发出警报，以便采取相应的防御措施。数据加密技术来保护数据的机密性和完整性，通过对传输的数据进行加密，确保数据在传输和存储过程中不被非法访问和篡改。
7 结束语
总之，智能变电站的智能设备、网络结构、控制技术、通信技术、数字化技术、智能感知与监测技术、自动化与智能控制技术、网络安全技术等技术将共同推动智能变电站的高速发展，为智能变电站的安全、可靠和可持续性保驾护航，形成一个安全、高效、可靠、智能、完整的变电站系统体系。
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