文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）09-064-04中圖分類號：TP273

★錢海，袁月（江蘇廣恒新能源有限公司，江蘇南京210016）

★郭沖，許超，王均平（如東廣恒新能源有限公司，江蘇如東226301）

★卿子龍（國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇南京210031）

關鍵詞：新能源；升壓站；智慧型綜合自動化系統(tǒng)；IEC61850

中國目前的能源消費是以化石能源為主，能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等問題突出^[1]。風電、光伏作為可再生清潔能源，在世界各國引起了越來越多的關注。風電、光伏發(fā)電得到了快速的發(fā)展，生產(chǎn)成本也不斷降低，但高比例新能源的并網(wǎng)也帶來了電力系統(tǒng)安全運行等問題^[2]。傳統(tǒng)的運行、維護、管理等模式，已不能滿足新能源快速發(fā)展的需求。大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進技術的快速發(fā)展和廣泛應用^[3~4]，為新能源場站的智能化、智慧化建設提供了強大的技術支撐。

本文首先分析了新能源升壓站綜合自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀；接著在研究升壓站智能化、智慧化發(fā)展的基礎上^[5~7]，提出了新能源升壓站智慧型監(jiān)控管理綜合一體化系統(tǒng)的設計理念，并研究了該系統(tǒng)的體系架構(gòu)；最后通過對新能源升壓站的智慧化建設目標的深入研究，提出了該系統(tǒng)功能的主要技術特征。

1　新能源升壓站綜合自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前，在新能源升壓站的綜合自動化系統(tǒng)中，已按照需求配置了多個功能子系統(tǒng)。但這些功能子系統(tǒng)普遍存在信息不規(guī)范、功能不完善等問題，相互獨立的功能子系統(tǒng)形成了互通不足的信息孤島，主輔設備設施之間的協(xié)調(diào)控制不足，難以實施互聯(lián)互動。目前，主要存在如下問題：

（1）系統(tǒng)的功能子系統(tǒng)之間信息共享不足，協(xié)調(diào)控制極為不便；

（2）功能單一的輔控功能子系統(tǒng)多而獨立分散，難以實現(xiàn)主輔設備之間的互聯(lián)互動；

（3）設備狀態(tài)監(jiān)測功能不完善，難以判別設備的故障形態(tài)；

（4）智能化程度低，巡檢巡視功能也待完善；

（5）全站缺乏簡單而高效的運維管控手段。

2　新能源升壓站智慧化的建設需求

綜合自動化系統(tǒng)是新能源升壓站運行管理的大腦，但目前升壓站的智能化水平仍較低，智慧化建設是保障新能源升壓站安全、穩(wěn)定運行的主要措施。大數(shù)據(jù)、云邊計算、電力物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能等先進ICT技術的快速發(fā)展和廣泛應用，為新能源升壓站的智慧化建設提供了強大技術支撐。新能源升壓站的智慧化建設，能有效改進以下多方面的工作：

（1）升壓站可以實施無人值守，減少現(xiàn)場運維的工作量；

（2）電氣設備可以實施狀態(tài)檢修，提升運維效益；

（3）全景監(jiān)測監(jiān)視能力，提升全站的全面管控力度；

（4）設備和系統(tǒng)的數(shù)智化程度提高，有助智慧化決策；

（5）全面促進新能源場站的安全生產(chǎn)與可靠運行。

3　智慧型綜合自動化系統(tǒng)的體系架構(gòu)

目前新能源場站在不同層次的各個環(huán)節(jié)中，都配套相應的信息采集與控制系統(tǒng)。新能源升壓站的智慧化建設以設備狀態(tài)全息感知、機器替代人工巡檢、設備缺陷主動預警、設備故障智能診斷、遠程操作一鍵順控、主輔設備智能聯(lián)動、運維管控智慧決策以及設備資產(chǎn)全壽命周期管理為建設目標；以主輔設備的狀態(tài)信息全面感知、設備故障的智能診斷與預警、主輔設施的協(xié)調(diào)互聯(lián)互動、全站運維管理智慧決策為建設重點，按照數(shù)字化信息采集、標準化通信接口、智能化互聯(lián)互動的一體化設計理念，廣泛運用大數(shù)據(jù)、云邊計算、泛在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、元宇宙等先進技術，大幅提升了新能源升壓站的智慧化管控水平。智慧型綜合自動化系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 新能源升壓站智慧型綜合自動化系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

新能源升壓站智慧型綜合自動化系統(tǒng)的一體化信息平臺，采用分層、分布、開放式的兩網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一智能設備接入的通信接口及協(xié)議標準，實現(xiàn)設備、系統(tǒng)之間的連接。智慧型綜合自動化系統(tǒng)分為過程層、間隔層、站控層。一體化綜合平臺全面整合了各子系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)了全站的全景可視化集中監(jiān)控，實現(xiàn)了過程智能設備層、間隔功能（保護、控制）層、站控生產(chǎn)監(jiān)控以及智慧管理決策層之間的一體化融合，統(tǒng)一了全站的監(jiān)控和管理。過程層設備包括變壓器、電流/電壓互感器等設備及其所屬的合并單元、智能終端和獨立的智能電子裝置，為一體化綜合監(jiān)管平臺提供基礎數(shù)據(jù)；間隔層包括智能化二次設備與功能子系統(tǒng)，間隔層裝置包括保護、測控、計量、安全穩(wěn)定、故障錄波等智能化裝置，還包括狀態(tài)監(jiān)測、輔助監(jiān)控等功能子系統(tǒng)；站控層設備包括數(shù)據(jù)服務器、一體化監(jiān)控主機、工作站、通信網(wǎng)絡設備等。在站控層及站控層網(wǎng)絡失效的情況下，間隔層設備仍能獨立完成各自的工作。站控層MMS網(wǎng)絡架構(gòu)采用雙重化以太網(wǎng)，單一網(wǎng)絡故障時，系統(tǒng)功能正常運行；過程層GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)合一，GOOSE網(wǎng)用于間隔層和過程層設備之間的狀態(tài)與控制信息數(shù)據(jù)的傳輸，SV網(wǎng)用于傳輸過程層設備的數(shù)字化采樣值。

根據(jù)安全防護要求,綜合自動化系統(tǒng)分為四個安全區(qū)域：I區(qū)是實時監(jiān)控區(qū)；II區(qū)是狀態(tài)監(jiān)測與輔助設施監(jiān)控區(qū)；III區(qū)是生產(chǎn)管理區(qū)；IV區(qū)是智能化視頻與運檢區(qū)。

4　智慧型綜合自動化系統(tǒng)功能的技術特征

智慧型綜合自動化系統(tǒng)以一次設備智能化、二次設備網(wǎng)絡化、全站信息數(shù)字化、信息共享標準化、系統(tǒng)功能一體化、高級應用互動化、設備狀態(tài)可視化、運維管理智慧化為建設目標，采用智能化一次設備，支持在線分析、智能調(diào)節(jié)、協(xié)同互動等工作，統(tǒng)一接入、存儲和管理設備的運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)運行監(jiān)視、操作與控制、信息分析與智能告警、運行管理和高級應用等功能，實現(xiàn)設備資產(chǎn)的全壽命周期管理。智慧化建設的主要內(nèi)容包括設備狀態(tài)監(jiān)測的智能化、大數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)化、故障智能診斷的遠程化、控制調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)化、主輔設備之間互動化、設備及備件管理的智能化以及運維決策的智慧化等方面，實現(xiàn)全站可觀測、可調(diào)控，實現(xiàn)風險不可控運維向生產(chǎn)可控運維的轉(zhuǎn)變。

4.1　設備智能化功能更加強大

智能化一次設備融合了狀態(tài)在線檢測、故障智能診斷功能，保護測控、狀態(tài)監(jiān)測、標準信息接口一體化，功能更集成，結(jié)構(gòu)更合理，能及時準確地判斷缺陷情況，有助做出合理的修復策略。

4.2　輔助綜合監(jiān)控的智能化聯(lián)動

基于IEC61850標準，輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)有效集成了火災消防、環(huán)境監(jiān)測、空調(diào)環(huán)境、照明燈光、箱門鎖具、安全防范等智能化子系統(tǒng)，統(tǒng)一收集子系統(tǒng)的信息，進行子系統(tǒng)數(shù)據(jù)高度融合，為子系統(tǒng)間的聯(lián)動提供了基礎支撐。

（1）火情消防的智能聯(lián)動。火災消防系統(tǒng)能實現(xiàn)對不同類型火情的探測、遠程報警以及滅火功能；還可與視頻監(jiān)控、照明、安防等智能化子系統(tǒng)聯(lián)動。綜合監(jiān)控平臺還可聯(lián)動所在地域的消防中心。

（2）安全鎖控的智能聯(lián)動。依托實物ID與RFID感知技術，可快速識別設備，實現(xiàn)鎖控設備互聯(lián)和信息共享、鎖控操作與防誤操作智能聯(lián)動。當某設備異常時，自主聯(lián)動相關設備，協(xié)同處理，并自動將圖像、聲音、波形等信息推送給相關人員，提供處理決策的信息。

4.3　設備狀態(tài)監(jiān)測的可視化

利用先進傳感技術和物聯(lián)網(wǎng)技術，可以對主變壓器、GIS等關鍵一次設備和重要二次設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，智能化評估分析后給出預警信息和診斷結(jié)果。可視化主要是通過大屏幕顯示、移動終端等設備向運行與管理人員展示升壓站的當前運行狀況。

4.4　智能化的聯(lián)合巡視巡檢

視頻監(jiān)控主要對各設備室以及出入口進行圖像視頻監(jiān)視設備表計抄錄、人員跟蹤，并結(jié)合圖像智能識別以及自動預警等技術，實現(xiàn)異常預警、現(xiàn)場管控等功能。智能巡檢機器人具有設備外觀巡視、紅外測溫、表計識別等功能，可代替人工巡視巡檢配電室等區(qū)域。無人機利用高清視頻拍攝功能，還可巡視升壓站的內(nèi)外場景。

巡視巡檢聯(lián)合系統(tǒng)采用多種先進傳感器和采集設備，實現(xiàn)設備狀態(tài)的全面感知；整合全站多源數(shù)據(jù)，通過圖像識別、音頻分析，并利用人工智能技術進行智能診斷，實現(xiàn)故障隱患的主動預警；結(jié)合實時音視頻，通過三維可視化技術，實現(xiàn)虛實結(jié)合的立體化全景展示。

4.5　高級應用功能的一體化

智能化綜合高級應用功能對變壓器、電容器組、SVC進行協(xié)同優(yōu)化控制，對引起無功電壓波動的無功電源投切、變壓器抽頭調(diào)整等工況進行實時跟蹤，以全站無功電壓的調(diào)節(jié)要求作為綜合控制策略，進行全站綜合調(diào)控。基于SCADA的變壓器實時經(jīng)濟運行方式，將經(jīng)濟負荷率引入全站的綜合尋優(yōu)控制之中，智能地給出優(yōu)化控制策略，平抑電壓無功波動，可以提升電能質(zhì)量以及全站的經(jīng)濟運行。一體化協(xié)調(diào)互動在橫向上精確協(xié)調(diào)控制有功和無功，確保在有功調(diào)控時不會導致電壓異常；在縱向上實現(xiàn)升壓站與調(diào)度主站之間的雙向互動，提高了新能源并網(wǎng)的友好程度。

4.6　生產(chǎn)運維管理的智慧化

運維管理的智慧化建設包括在運行檢修、物資臺賬等方面開展運行檢修、文檔查閱等方面的智能化管理，顯著提升了場站的管理水平。運行檢修以設備運行數(shù)據(jù)為基礎，基于狀態(tài)在線監(jiān)測和智能巡檢，進行遠程視頻專家診斷，踐行狀態(tài)運維新模式。物資臺賬管理基于設備物資的統(tǒng)一標準化編碼，實現(xiàn)設備資產(chǎn)的數(shù)字化管理。構(gòu)建集中統(tǒng)一的精細化發(fā)電運行和生產(chǎn)管理平臺，可以支持運維檢修一體化全流程閉環(huán)管理，支持資產(chǎn)設備全生命周期管理。設備狀態(tài)全景化監(jiān)視、信息數(shù)據(jù)智能化分析、運維管理智慧化決策的運維護模式，提升了全站的精益化管控水平。

5　結(jié)語

本文提出了新能源升壓站智慧型綜合自動化系統(tǒng)的設計理念，著重分析、研究了一體化系統(tǒng)的體系架構(gòu)和功能的技術特征，為新能源升壓站的智慧化建設指明了方向。在智慧化的建設實踐中，我們要遵守循序漸進的進程，關鍵是要積極探索大數(shù)據(jù)、云邊計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能等新技術的應用研究，逐步使全站更加智能、更加智慧；并通過創(chuàng)建升壓站的智慧化運維新模式，不斷提升全站的智能化監(jiān)控和智慧化管理的水平，提高新能源場站的投資收益水平。

作者簡介：

錢　海（1986-），男，學士，現(xiàn)就職于江蘇廣恒新能源有限公司，研究方向為風機并網(wǎng)控制、風電場運維。

袁　月（1988-），女，學士，現(xiàn)就職于江蘇廣恒新能源有限公司，研究方向為電網(wǎng)運行監(jiān)控。

郭　沖（1985-），男，學士，現(xiàn)就職于如東廣恒新能源有限公司，研究方向為變壓器穩(wěn)定與控制。

許　超（1990-），男，學士，現(xiàn)就職于如東廣恒新能源有限公司，研究方向為新能源儲能技術。

王均平（1984-），男，學士，現(xiàn)就職于如東廣恒新能源有限公司，研究方向為繼電保護仿真和分析。

卿子龍（1965-），男，湖南邵陽人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)電力科學研究院，研究方向為電力系統(tǒng)控制、保護及自動化系統(tǒng)和發(fā)電過程自動化系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 舒印彪, 張智剛, 郭劍波, 等. 新能源消納關鍵因素分析及解決措施研究[J]. 中國電機工程學報, 2017, 37 (1) : 1 - 8.

[2] 張運洲, 劉俊, 張晉芳, 等. 中國新能源“后補貼時期”發(fā)展分析[J]. 中國電力, 2019, 52 (4) : 1 - 7.

[3] 江秀臣, 盛戈嗥. 電力設備狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析的研究和應用[J]. 高電壓技術, 2018, 44 (4) : 1041 - 1050.

[4] 李慶民, 于萬水, 趙繼堯. 支撐雙碳目標的風光發(fā)電裝備安全運行關鍵技術[J]. 高電壓技術, 2021, 47 (9).

[5] 卿子龍, 呂良君, 王偉. 海上升壓站智能化建設的探索[J]. 工業(yè)控制計算機, 2021, 10.

[6] 卿子龍, 柏嵩, 劉劍欣. 海上升壓站智慧化建設研究[J]. 電工電氣, 2021, 12.

[7] 卿子龍, 孔慶香. 海上風電場智慧型監(jiān)控管理一體化系統(tǒng)[J]. 分布式能源, 2021, 6 (5) : 59 - 63.

摘自《自動化博覽》2023年9月刊