引 言

智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可用于智能電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、變電、配電和調(diào)度等多個環(huán)節(jié)。構(gòu)建智能電網(wǎng)需要引用最先進的技術(shù)，包括感知技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、智能決策技術(shù)、自動控制技術(shù)以及能源電力技術(shù)等，并將它們緊密結(jié)合起來，形成一個相互協(xié)調(diào)的有機體系。智能電網(wǎng)的建設與發(fā)展離不開以下幾方面因素：雙向、高效、實時的通信網(wǎng)絡架構(gòu) ；智能化、精細化的管理及決策 ；準確、智能的數(shù)據(jù)采集與控制[1]。然而，目前智能電網(wǎng)建設尚在起步階段，如何從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的角度審視智能電網(wǎng)的功能需求搭建智能電網(wǎng)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，尚待進一步深入研究探討，尤其智 能配電站這個環(huán)節(jié)至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)是一 個形式多樣、涉及社會及生活各個領(lǐng)域的復雜系統(tǒng) [2]。本文基 于物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應用為背景，討論分析智能電網(wǎng)的 功能需求和系統(tǒng)功能組成，作為應用案例提出一種智能變電 站解決方案。

1 智能電網(wǎng)功能需求分析

對于面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應用，主要目的是使電力系統(tǒng)生成環(huán)節(jié)的信息化得到有效提高，同時提高自動化程度[3]。智能電網(wǎng)是相對傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級和跨越，目前還沒有一個明確的定義，但它代表了電力系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，強調(diào)的是“堅強” 和“智能”兩個基本內(nèi)涵。以堅強為基礎發(fā)展智能化，就是以能夠防御多重故障、防止外力破壞、防災抗災的堅強網(wǎng)絡架構(gòu)為基礎，以現(xiàn)代通信技術(shù)平臺為支撐，以大數(shù)據(jù)分析智能決策控制為手段，將覆蓋所有電壓等級的電力系統(tǒng)（包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各環(huán)節(jié)）實現(xiàn)電力流、信息流及業(yè)務流的有機融合。也就是說，具備智能電網(wǎng)性能的電力系 統(tǒng)需要涵蓋指向家庭用戶、公共用戶以及工廠用戶傳輸電力的 各種電力網(wǎng)絡，并能兼容各類電源和用戶的接入與退出。智能 電網(wǎng)全景視圖如圖 1 所示。

智能電網(wǎng)作為能源輸送和配置的重要平臺主要應在以下幾個方面凸顯智能化。

(1) 作為電力系統(tǒng)，應能夠堅強可靠 ：①全面支撐特高壓交、直流輸電網(wǎng)絡，服務于大范圍的資源優(yōu)化配置，節(jié)約有效裝機容量 ；②適應并促進清潔能源的發(fā)展，利用大容量儲能技術(shù)，使清潔能源成為更加經(jīng)濟、高效的能源供給方式；

③實現(xiàn)高度智能化的電網(wǎng)調(diào)度，做到在線智能分析、預警和決策，實現(xiàn)交直流混合電網(wǎng)的精益化自動控制 ；④實現(xiàn)高效、靈活、優(yōu)質(zhì)的電力配送，具備接納分布式能源系統(tǒng)的接入能力。

(2) 對于用電客戶具備綜合服務能力，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間的實時互動 ：①借助雙向供電技術(shù)，實現(xiàn)電源、電網(wǎng)、用戶協(xié)調(diào)互動營銷 ；②完善需求側(cè)智能管理，改善電能質(zhì)量。例如，采取分布式電源、智能電表、分時電價等手段平衡電網(wǎng)負荷，節(jié)約電量消費；③具有電動汽車充放電機制和配套的基礎設施網(wǎng)，為智能建筑、智能家電、智能交通等領(lǐng)域提供電網(wǎng)的綜合服務。

(3) 在信息處理方面，應能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)管理的信息化和精益化，實時評估電網(wǎng)的健康狀態(tài)。智能電網(wǎng)覆蓋電網(wǎng)各環(huán)節(jié)通信網(wǎng)絡，信息通信是智能電網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng)，因此應具備利用大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)、信息融合技術(shù)以及可視化技術(shù)等對信息資源進行集中管理、挖掘、分析、反饋的智能決策系統(tǒng)， 為電網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析與處理提供一體化的管理手段。

(4) 在網(wǎng)絡安全方面，基于智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡更廣、交互更多、技術(shù)更新、用戶更廣的基本特征，應形成智能電網(wǎng)下的信息安全體系體制，確保智能電網(wǎng)業(yè)務系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，保障電網(wǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)安全。

總之，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于智能電網(wǎng)領(lǐng)域，通過有效整合電力系統(tǒng)基礎設施、通信網(wǎng)絡設施等資源，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的電力流、信息流及業(yè)務流的一體化融合，優(yōu)化資源配置，以充分滿足用戶對電力的需求。

2 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于智能電網(wǎng)建設，就是在電力生產(chǎn)、輸送及消費各個環(huán)節(jié)，部署具有感知能力、計算能力和執(zhí)行能力的感知設施，采用標準協(xié)議通過電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡， 實現(xiàn)信息的安全可靠傳輸、協(xié)同處理、應用集成。為簡單起見， 把這種面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)簡稱為電力物聯(lián)網(wǎng)。依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，電力物聯(lián)網(wǎng)可分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層 3 層。

(1) 感知層。感知層主要通過部署各種新型微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器、嵌入式智能傳感器、智能采集設備等實現(xiàn)電力系統(tǒng)相關(guān)信息的識別和采集。

(2) 網(wǎng)絡層依托電力信息通信網(wǎng)如電力無線寬帶網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)、光傳輸網(wǎng)、公共通信網(wǎng)絡等，實現(xiàn)感知層和應用層之間的電力信息傳輸。

(3) 應用層主要采用智能計算、模式識別等技術(shù)對感知層所感知的數(shù)據(jù)信息進行綜合分析和處理，實現(xiàn)智能化決策、控制和服務。

依據(jù)美國能源部關(guān)于智能電網(wǎng)架構(gòu)設計方案，智能電網(wǎng) 主要由輸電自動化、系統(tǒng)協(xié)同與態(tài)勢評估、系統(tǒng)運行調(diào)度、配 電自動化、可再生能源接入、能源效率、分布式發(fā)電與儲能、 需求參與信號和方案，以及智能家電 9 大部分組成。圖 1 給出 了一個從電力產(chǎn)生一直到被傳送到終端用戶的過程。首先，由 發(fā)電廠（包括煤電、水電、核能、太陽能、地熱及風能等）將 電力生產(chǎn)出來。為了減少遠距離傳輸所產(chǎn)生的線路損耗，一 般是生產(chǎn)和傳輸高壓電（110 kV ～ 400 kV）。然后通過分發(fā)網(wǎng) 絡傳送給終端用戶。分發(fā)網(wǎng)絡的特性在于其是層級結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)， 高壓線與（初級）變電站相連并將電壓由高壓降低至中壓，中 壓進一步通過二次變電站降至低壓。一般通過一次變電站通 常減少 40 kV ～ 60 kV，線電壓慢慢降低直到達到用戶變壓器 的要求，或通過二次變電站達到 380/220 V。在變電站經(jīng)過一連串的變壓后，將電流從電力源頭傳輸至每個最終用戶，并在 終端用戶處利用智能電表監(jiān)測電力的使用情況，或完成其他功 能。例如，在控制中心通過數(shù)據(jù)分析工具、智能決策系統(tǒng)實 現(xiàn)資源優(yōu)化配置。顯然，智能電網(wǎng)是一個龐大復雜的物聯(lián)網(wǎng) 綜合應用系統(tǒng)。

從電力物聯(lián)網(wǎng)的組成來講，有多種智能電網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)方 案，可以實現(xiàn)對發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度等各 個環(huán)節(jié)的智能化。目前，電力物聯(lián)網(wǎng)可以設計實現(xiàn)的典型系 統(tǒng)為 ：①在電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)，建立風光儲聯(lián)合發(fā)電廠微氣象監(jiān) 測系統(tǒng)，保證水電站安全運行的大壩監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)電機組狀 態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、火力發(fā)電站的煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)等。②在輸配 電環(huán)節(jié)，建立輸電線路在線動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，桿塔安全防護系統(tǒng)， 高壓電氣設備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，智能變電站綜合自動化系統(tǒng)， 包括二次變電站的監(jiān)控和變電站狀態(tài)檢修、智能巡檢系統(tǒng)等。 ③在用電側(cè)，建立智能用電服務系統(tǒng)包括智能計量、智能用電 小區(qū)服務系統(tǒng)、電動汽車智能充放電服務網(wǎng)絡、用電信息采集 以及電力資源管理系統(tǒng)等。然后，再將這些智能化系統(tǒng)綜合 集成，即可實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基本功能。

3 智能變電站解決方案

在電力物聯(lián)網(wǎng)中，智能變電站具有舉足輕重的地位。智能變電站是一種新型變電站模式。智能配電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括配電自動化技術(shù)、配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)、智能配電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)等，只有綜合各項關(guān)鍵技術(shù)的應用，才能實現(xiàn)智能配電網(wǎng)系統(tǒng)的功能建設[4]。其智能化水平主要體現(xiàn)在一次設備智能化、二次設備網(wǎng)絡化、信息交換標準化等方面。變電站只有更加自動化、智能化，才能滿足電網(wǎng)的智能化需求。

智能變電站相比結(jié)構(gòu)簡單且使用常規(guī)型電源和互感器件的傳統(tǒng)變電站來說，在技術(shù)架構(gòu)上需要進行重大改變，例如用電子互感器和智能一次設備替代傳統(tǒng)互感器和傳統(tǒng)一次設備等。從系統(tǒng)功能實現(xiàn)的角度，依照IEC61850 標準可以將智能變電站系統(tǒng)分為站內(nèi)邏輯控制層（簡稱站控層）、間隔層和過程層（也稱設備層）以及網(wǎng)絡通信系統(tǒng)幾個部分分別予以實現(xiàn)。一種智能變電站網(wǎng)絡組成結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

3.1 站控層

站控層是變電站的主要控制系統(tǒng)，包含變電站就地操作后臺系統(tǒng)、外部數(shù)據(jù)交換接口和通用功能服務系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)等，實現(xiàn)電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的全面采集（SCADA）和實時共享， 支撐電網(wǎng)實時監(jiān)視控制、防誤閉鎖、電壓無功控制、區(qū)域安全穩(wěn)定控制和信息管理等相關(guān)功能，做到一次設備智能化、二次設備網(wǎng)絡化、信息交換標準化、運行控制自動化。站控層主要包括主機、操作員工作站、遠程網(wǎng)絡通信設備、網(wǎng)絡通信記錄分析系統(tǒng)等。在人與計算機相互交叉與聯(lián)系的平臺內(nèi)，站控層提供管控中心、設備中心、檢測中心及管理中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。從過程層到管控中心均采用統(tǒng)一的IEC61850 規(guī)約進行信息交換，以統(tǒng)一標準實現(xiàn)變電站內(nèi)、外的信息共享。

3.2 間隔層

間隔層主要包括繼電保護裝置、系統(tǒng)測控裝置、穩(wěn)控裝置、計量裝置、合并單元等二次設備。間隔層實現(xiàn)的功能主要包括：①對一次設備的保護控制 ；②采集、匯總本間隔過程的實時數(shù)據(jù)信息；③本間隔層的操作閉鎖；④進行數(shù)據(jù)分析、信息反饋、故障處理；⑤與過程層進行通信等。以110 kV 智能變電站為例，在二次設備網(wǎng)絡化配置中關(guān)鍵是保護裝置、測控裝置以及交換機的配置。

(1) 保 護裝 置， 主要包括：① 110kV母線保 護；② 110 kV 母聯(lián)與分段保護 ；③主變壓器保護。這種方式主要是讓變壓器保護能夠?qū)崿F(xiàn)直接采樣，經(jīng) GOOSE 網(wǎng)絡就可以傳遞失靈保護跳閘的控制命令，進而執(zhí)行跳變動作。

(2) 測控配置，按照IEC61850標準及要求對測控裝置進行建模，使其具有自描述功能，且能直接與站控層設備進行通信。

(3) 交換機配置，除了配置站控層監(jiān)控交換機、網(wǎng)絡交換機之外，主要是間隔層網(wǎng)絡交換機的配置。實際中應根據(jù)設備室及不同的電壓等級，配置不同數(shù)量、不同用途的間隔層交換機。

3.3 過程層

過程層是智能變電站的主要工作區(qū)間，包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流 / 電壓互感器等一次設備及所屬的智能組件，以及獨立的智能電子裝置。因此過程層也可稱為設備層， 主要完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護、計量、狀態(tài)監(jiān)測等相關(guān)功能。過程層由G00SE 網(wǎng)絡層和采樣值（SV）網(wǎng)絡組成。智能終端設備采用集中化系統(tǒng)管理， 集中化系統(tǒng)位于網(wǎng)絡控制中心。過程層設備通過過程層總線和間隔層設備相連接，并通過GPS 授時信號產(chǎn)生系統(tǒng)的同步時鐘信號。

3.4 通信網(wǎng)絡系統(tǒng)

通信網(wǎng)絡的任務是完成變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部及與其他系統(tǒng)之間的實時信息交換。智能變電站內(nèi)的設備，如智能終端、包含裝置、測控裝置、校時系統(tǒng)等通過以太網(wǎng)實現(xiàn)信息交換。后臺與間隔層裝置之間通過MMS 網(wǎng)通信，過程層與間隔層裝置之間利用GOOSE 網(wǎng)絡傳遞狀態(tài)量、跳合閘命令，以實現(xiàn)全站信息的網(wǎng)絡化傳輸。站控層網(wǎng)絡可選用成熟方案（國外單環(huán)網(wǎng)，國內(nèi)單 / 雙環(huán)）；過程層網(wǎng)絡可根據(jù)實際情況確定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

以 110 kV 智能變電站為例，根據(jù)IEC61850 提供的通信系統(tǒng)解決方案，站控層采用雙星型冗余以太網(wǎng)方式，主要傳輸MMS 與GOOSE 報文。在邏輯上，站控層內(nèi)部、站控層與間隔層之間均設立數(shù)據(jù)交換接口。間隔層采用以太網(wǎng)（雙星型冗余），主要傳輸 MMS 或GOOSE 報文。過程層采用星型以太網(wǎng)，并冗余網(wǎng)絡配置，主要傳輸 GOOSE 報文。這種方式不但可以節(jié)省二次電纜，而且可實現(xiàn)設備、網(wǎng)絡的在線監(jiān)測。

4 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建電力物聯(lián)網(wǎng)有多種技術(shù)方案可供選擇。建設智能電網(wǎng)的關(guān)鍵是技術(shù)方案的選擇與設計。在智能電網(wǎng)中，變電站掌控變壓器的運行和變壓器、斷路器、電子式互感器、自動開關(guān)以及電涌保護器等。因此，智能變電站的應用方案成為電網(wǎng)智能化的核心問題之一。這種電力物聯(lián)網(wǎng)應用方案的優(yōu)勢在于：①能夠處理調(diào)度計劃和跨區(qū)能量傳輸中的不確定性 ；②方便接納可再生性能源 ；③有效優(yōu)化輸配電網(wǎng)絡的傳輸容量，滿足對電能質(zhì)量和可靠性的需求；③對電力系統(tǒng)運行中不可預見的突發(fā)事件應急處理。當然，影響智能電網(wǎng)性能的技術(shù)要素非常之多，本文僅是對智能電網(wǎng)中智能變電站的解決方案進行了一些討論，希望以此為物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域的拓展、構(gòu)建電力物聯(lián)網(wǎng)提供參考。