隨著智能電網建設的全面展開，各種分布式能源接入電力系統，使系統的運行工況進一步復雜化，導致過負荷、過電壓、雷擊等異常情況更為嚴重，且用戶對電能質量的要求也越來越高，這種形勢對傳統變壓器、開關設備運行的可靠性和應對能力提出了更加苛刻的要求，也對它們的智能化提出了新的需求。

采用標準的信息接口，實現融測控保護、狀態監測、信息通信等技術于一體的變電站智能化一次設備，可滿足整個智能電網電力流、信息流、業務流一體化的需求，代表了變電站的先進技術和發展方向。

基于上述背景提出的智能組件技術，既比較符合我國電力裝備行業技術現狀和裝備現狀，又能盡快滿足堅強智能電網建設的迫切需求，同時也是推進我國電力裝備行業提升技術含量與附加值、使綜合水平上臺階的重要方式。

因此，開展智能組件的深入研究和廣泛應用，對加快出臺智能變電站典型設計方案，規范智能變電站系統建設模式，細化設備或系統的接入方式，探索智能變電站的集成調試檢測技術，對提升我國一次設備核心組部件制造能力、促進自主技術創新、支撐堅強智能電網建設均具有廣泛的積極意義。

一次設備智能化現狀及組成架構

1 研究現狀

變電站設備主要包括變壓器、斷路器、互感器、母線等一次設備和變電站自動化系統、輔助系統等二次設備。近年來，部分國際廠商如ABB、西門子、施耐德、阿海琺、東芝等因其同時具備一次設備的生產能力和二次設備的開發能力，在設計之初，就把傳感器、控制機構融入本體，使得結構更加緊湊、設計更加合理、絕緣更加可靠，但技術保密、價格昂貴，未有大規模應用。

而國內廠商如許繼、平高、西開、天威保變、寧波理工監測等盡管起步較晚，但在部分功能智能化實現方面進步較快，并開始得到試點應用。國內外在變壓器智能化方面研究的側重點在于在線監測方面，其中油色譜、局部放電等在線監測應用已較為成熟，國內外基本處于同一水平，但國內在智能綜合診斷技術、狀態評估和全壽命周期管理模型研究和應用及一體化集成技術的研究方面還處于起步階段，與國外還存在較大的差距。

另外，智能化監測所用各種傳感器多為國外產品，對外依存度很高，一個采集點高達上萬元，價格貴且服務成本高。

現階段我國智能變電站試點工程在一次設備智能化上做了大量工作，均將“測量、控制、監測、保護”等功能集成組合在一體化的智能組件柜中，首次實現了與高壓設備本體相關的單間隔應用功能的整合匯總，主要采用多種智能單元作為替代方案，但從現實應用看，形式復雜，融合設計能力不夠，片面追求短期智能化，存在性價比不高、優化不夠等重要問題。

同時，設備間聯調存在多個生產廠家的配合問題，相互協調困難，加大聯調難度，甚至影響工程進度，很有必要由一個廠家牽頭進行開放式總體設計，簡化中間環節，節約投資。

2 組成架構

因此，根據高壓設備的類別和智能變電站設計理念及要求，設計一次設備智能化的組成架構如圖1所示，該智能設備架構主要由電氣部分和智能化部分組成，電氣部分包括一次設備本體及其執行機構、傳感器、互感器，傳感器、互感器加裝在一次設備本體上用于采集一次設備的狀態和特征信息，可內置或外置于本體或其部件，智能化部分即為智能組件，通過執行機構、傳感器、互感器，與設備本體形成有機整體，實現與宿主設備相關的測量、控制、監測、計量、保護等全部或部分功能。

智能組件與執行機構、互感器之間由模擬信號電纜或光纖網絡連接，智能組件與傳感器之間一般由模擬信號電纜連接。執行機構、傳感器、互感器及智能組件可分離制造，通過就近安裝組合以實現一次設備智能化，也可通過工廠集成制造直接融合為智能設備。

前者適合常規變電站智能化改造方案，后者代表了智能設備的發展趨勢。該智能化架構能夠解決目前智能變電站試點工程中存在的設備功能不全、集成度偏低等問題，實現全站設備的高度整合以及信息流的統一，推動結構緊湊、功能集成、實用性強的智能變電站建設。

圖1 一次設備智能化組成架構

智能組件及其技術需求分析

智能組件的應用，將會帶來變電站電力一、二次設備的有效融合，使得數字化變電站過程層的一次設備與間隔層的二次設備成為統一體，兩層間的過程層網絡成為智能組件內部網絡，減輕了數字化變電站統一的過程層網絡的通信流量壓力，表現出很好的內斂性，也由此奠定了由數字化變電站的三層結構（過程層、間隔層、站控層）向智能變電站兩層結構（設備層、系統層）的跨越，如圖2示。

組成智能組件的各種IED從物理形態上可以是獨立分散的，在滿足相關標準要求時也可以是部分功能集成的。用于設備狀態監測的傳感器既可以外置，也可以內嵌。智能組件內的所有IED都接入過程層，彼此之間的信息需求可通過過程層網絡實現。智能組件中需要與站控層進行信息交互的IED，同時接入站控層網絡，承載信息上傳、下達功能。

圖2 智能變電站系統總體結構

作者認為智能組件設計應支持的具體技術要求有：

1）優選嵌入式統一軟、硬件平臺，采用積木式模塊化設計，靈活可重構，組成功能智能分布、決策集中管理、信息共享交互、性能安全可靠、運行維護方便的智能自動化系統。

2）基于標準化的物理接口及結構，功能模件采用插件模式，機箱面板按照工藝美學設計，使用方便。應適應現場電磁、溫度、濕度、沙塵、降雨（雪）、振動等惡劣運行環境。

3）既能滿足新建智能變電站需求又能兼顧常規變電站智能化改造需求，支持電子式互感器和常規互感器，支持數字、模擬兩種交流采樣。實現全面遙測、遙信信息采集，采用基于精準對時的“三態”數據（穩態數據、暫態數據、動態數據）同步采樣技術，為高級應用提供統一時間斷面的標準化高品質數據。

4）遙控回路宜采用兩級開放方式的抗干擾措施，支持本間隔順序控制功能，滿足全站防誤操作閉鎖功能要求，多種控制模式（直采直跳、網絡跳閘）可選。

5）采用先進可靠的傳感器植入工藝技術，自主開發或集成目前較成熟且技術經濟性較好的在線狀態監測功能，綜合分析設備狀態，具備就地綜合評估、實時狀態預報的功能，同時結合站控智能專家系統，更好的實現設備的全壽命周期管理。

6）遵循繼電保護基本原則，實行保護單元獨立、就地安裝，不依賴于外部對時系統實現其保護功能；對于單間隔的保護可“直采、直跳”；支持站域保護；雙重化配置的兩套保護的信息輸入、輸出環節應完全獨立。

7）對于電能計量，由于涉及到法制化管理問題，必須慎重。因此，智能組件的研發初期配置計量IED，具備可靠的輸入接口，其準確度按計量標準要求，經得起與現有常規計量系統的分析比對。

8）提供多至5個以上的以太網通信接口，同時兼顧常規的串行通訊和現場總線，方便冗余配置。通過優化網絡配置方案，確保實時性、可靠性要求高的IED的功能及性能要求。

9）多種對時和守時功能。支持網絡、IRIG-B等同步對時方式，支持IEEE1588對時協議（SNTP），采用溫補晶振，支持長時間高精度守時[9]。

10）全面支持IEC61850標準第2版，支持智能在線調試功能。

智能組件架構設計

1設計指導原則

智能組件的設計方案因其要實現的功能眾多，需綜合考慮諸如實際設備對象、電壓等級、智能變電站設計容量及其整體建設需求等諸多因數。實際設備對象決定了智能組件的具體功能配置及信息交互內容，而電壓等級越高，其設計方案就越復雜，同電壓等級下又以變壓器智能組件的設計方案較其它一次設備的設計方案復雜。

智能組件的總體設計原則主要包括：

• 1）遵循面向對象、架構統一的總體設計思想。智能組件的投入和使用不應改變和影響一次設備本體的正常運行；
• 2）軟、硬件實現堅持技術繼承與發展相結合原則。組件功能整合并兼顧合理冗余，智能組件應能自動連續地進行監測、數據處理和存儲，具有自檢和報警功能；
• 3）堅持實時性與穩定性并重原則。智能組件不僅具有很好的抗干擾能力、很高的可靠性，而且具有合理的監測靈敏度和準確度；
• 4）全面滿足IEC61850的開放性原則，并不與已頒布的電力系統相關標準或規程相違背。

2 統一平臺設計

結合現有智能變電站試點工程中智能組件的相關應用經驗，本文設計了一款以體積小、速度快、處理能力強、功耗低的嵌入式硬件平臺，確定了ARM+DSP+FPGA的組合架構，選用了OMAP-L138雙核處理器和XC3S400AN型FPGA，輔以外圍擴展電路，結合高精度A/D采樣芯片組成統一平臺（如圖3所示）。

TI公司推出的OMAP-L138雙核處理器為ARM926EJ-STM結合TMS320C6748型DSP構成，2個核的主頻均為375MHz，其中的ARM926EJ-S芯片可以直接移植在其它ARM平臺開發的嵌入式Linux應用軟件系統，而TMS320C6748型DSP與TI公司的C6X具有代碼結構的繼承性，可以將C6X平臺代碼直接移植到OMAP平臺。

OMAP中DSP核運行 DSP/BIOS實時系統，ARM核運行嵌入式Linux系統，DSP/Link為處理器提供雙核通信架構，在DSP端，DSP/Link作為DSP/BIOS的一個驅動而存在，在ARM端，DSP /Link作為一個外設而存在，并通過應用層的函數庫訪問這個設備來進行操作。

該處理器綜合了ARM和DSP兩個處理器各自在實時性和計算精度上的優勢，ARM核可以運行嵌入式操作系統及圖形界面，完成人機界面、網絡通信等非實時任務，DSP核則實現信號處理、邏輯控制等實時任務，利用DSP核內部的256kB的靜態內存作為DSP專屬的程序和數據空間，保證測量、保護功能的實現的專屬性。

二核之間的數據通信由DSP/BIOS橋來實現。FPGA選用Xilinx公司Spartan-3A系列的XC3S400AN芯片，該芯片內有8064個邏輯單元，360Kbit塊RAM，56Kbit分布式RAM，4個數字時鐘管理模塊(DCM)，311個I/O口。在FPGA上外掛SRAM芯片作深存儲用，由于SRAM存儲器容量比FPGA內部緩存FIFO大得多，能夠存儲更多的波形數據，因而能觀察到更多的波形細節。

采用128Mbit容量的SPI Flash存儲掉電需保存數據，例如程序代碼、引導程序、字庫、開機畫面等。本設計的DDR II選用鎂光公司的MT47H512M8WTR-25E型SDRAM，容量為4Gbit，核心工作電壓為1.8V。

FPGA在負責ADC數據采集控制的同時，為了保證該平臺具有靈活的擴展能力，還用于擴展以太網、GPS對時、現場總線等。如此架構使得此平臺具備強大的復雜數據處理能力、可靠的實時性、良好的可移植性及使用推廣價值。

在此統一硬件平臺基礎上，采用嵌入式操作系統軟件平臺，以深化IEC61850的應用為主線，構建基于網絡信息交互的應用軟件平臺，結合功能要求積木組合成具體應用程序，利用平臺上大空間存儲芯片的存儲能力，配置多套主程序以方便實現不同類型程序的切換功能，增加板件級智能管理芯片，配合在此平臺上開發的嵌入式WEB管理系統，可以遠程實現對現場運行板件全生命周期信息管理，同時也為無液晶配置提供了運維可操作性。

圖3 OMAP-L138+FPGA的統一平臺架構圖

基于統一平臺實現智能組件融合設計，可充分受益于OMAP-L138器件的定點/浮點DSP、ARM9、以太網控制器與LCD控制器的高度集成設計，方便整體優化配置，簡化組件硬件設計，減少核心模件種類，方便批量采購和生產，縮短開發和調試周期，防范不同硬件平臺間移植、驗證、集成調試可能出現的各種問題，采用相同接口和標準協議，方便信息共享，有效實現各功能單元間的無縫聯接，發揮可重構能力，提升智能組件功能一體化集成度。

3 組件功能配置

智能組件是一組智能IED的集合，基于統一平臺的智能IED設計，既保持了智能組件內部架構統一，又為單元協同和整體協同奠定了基礎。各智能單元根據應用對象擴展，形成系列化，通過功能集成，發揮靈活的重構能力，實現應用于不同對象的智能組件，廣泛體現了組件智能化和集成化的發展方向。

根據本文設計指導原則，實際應用將充分結合設計對象的功能特點，同類智能高壓設備可有不同的IED重構方案，實行按需配置，使智能組件具備很強的針對性和經濟性。

作為變電站主要一次設備的變壓器，其智能化通過加裝傳感器和智能組件實現。變壓器智能組件基于變壓器運行數據和各種狀態監測數據，通過集成設計，具備測量、控制、監測、計量和保護等功能，相關信息通過IEC61850標準接入信息一體化平臺，實現對變壓器的數字測量、智能控制、安全運行、信息互動及狀態可視化展示。

圖4給出了以變壓器為例的設備智能化所用智能組件的功能配置圖。變壓器智能組件主要包括三測測控、主保護、后備保護、故障錄波、計量、合并單元（MU）、智能終端、組件信息管理單元、本體測量IED、有載調節IED、冷卻控制IED及狀態監測功能組等功能模件。

其中，組件信息管理單元的功能定位為：收集各IED發布的初級數據，以適宜的數據庫管理并進行格式化的發布，做進一步的專業分析、評估，最終生成能夠直接用于支持電網優化運行、支持高壓設備檢修決策的智能化信息。本體測量IED的功能為：對油位、氣體聚集量及油流速（接點）、頂層油溫、底層油溫、環境溫度等進行信息采集和發布。

冷卻控制IED的功能為：對冷卻系統的啟動、退出，冷卻裝置投入、切除，控制過程狀態信息收集并發布。有載調節IED(OLTC IED)的功能為：有載分接開關檔位調節及其狀態信息監測與發布。

監測功能組則主要包括局放監測IED、油色譜微水監測IED、鐵芯電流監測IED等，同時設監測主IED一個，該監測主IED承擔了綜合本組中其他特性IED的信息，并進行設備狀態分析的核心功能，由其分析形成的智能化信息，將按需報送至組件內其他單元和相關系統層設備，以支持高級應用的實現。

圖4 變壓器智能組件功能配置示意圖

變電站內高壓開關設備（斷路器、高壓組合電器）的智能化則通過加裝本體檢測傳感器和智能組件，實現對高壓開關自身狀態信息的采集與處理，為智能控制提供支撐。高壓開關設備智能組件基于其運行數據和各種狀態監測數據，實現數字測量、智能控制、安全運行、信息互動及狀態可視化展示。

圖5 高壓開關設備智能組件功能配置示意圖

圖5給出了以高壓開關為例的設備智能化所用智能組件的功能配置示意圖。高壓開關設備智能組件主要包括線路測控、線路保護、故障錄波、計量、合并單元、智能終端、組件信息管理單元、開關設備控制器、本體測量IED及狀態監測功能組等功能模件。

其中組件信息管理單元的功能定位等同于變壓器智能組件的組件信息管理單元。本體測量IED則對各種指示信號、位置信號、機械壽命、報警信號等進行信息采集和發布。開關設備控制器采集本間隔開關信號，直接或通過過程層網絡發布采集信息、接收控制命令，以便驅動執行結構完成控制功能。

監測功能組則主要包括機構特性IED、局放監測IED、壓力水分IED、鐵芯電流IED、避雷器IED等，同時設監測主IED一個，該監測主IED的功能定位同樣等同于變壓器智能組件的監測主IED。

其它諸如電力電纜、刀閘、電抗器、避雷器等高壓設備的智能組件則普遍側重于各自的狀態監測，并同時將監測信息報送到站控層網絡。

智能組件關鍵技術分析

智能組件通過綜合運用智能傳感、網絡通信、實時監測、專家系統等技術，將傳統意義上的一次設備“活化”，使其具備智能電網的主要技術特征。總體講，智能組件還處于發展的初級階段，還有諸多關鍵技術需要研究，主要有：

1 傳感器及其融合技術

該技術是實現智能變電站“信息化”的關鍵部件，其準確度和可靠性對電力系統安全、穩定和經濟運行至關重要。羅氏線圈和光學原理互感器及電容式互感器的試點應用評價較高，但仍需實踐檢驗和改進。表征設備狀態的各種狀態監測傳感器又多為國外產品，價格昂貴且服務成本高。因此，研究能夠表征高壓設備狀態的重要特征參數的不同種類傳感器測量技術及其可靠性技術極為關鍵。

此外，研究傳感器與一次設備的融合技術，提出系統的傳感器接口規范以及檢測方法，構建傳感器與一次設備融合的實施方案，提高解決目前各制造企業各行其是、無法互換、安全隱患高和感知數據品質低等問題的能力，從源頭上為一次設備的采集、分析和控制奠定基礎。

2 通信及信息管理技術

智能組件作為一個智能體集合，其通信既有外部通信，又有內部通信，組件內信息或來自傳感器，或來自其它IED，這些信息既有大量原始數據，又有大量的中間數據和結果數據，一部分需要進行實時響應，一部分需要進行存儲和管理，以支持趨勢、品質等分析之需。

具體表現為：其一，信息交互復雜，有關邏輯節點分配和建模、數據格式處理和優化、信息存儲和管理、信息包裝和互動成為需要綜合考慮的關鍵技術；其二，組網形式多樣，智能組件內所有IED都應接入過程層網絡，同時與站控層網絡有信息交互需要的IED，還應接入站控層網絡，需要考慮優先級設置、流量控制、VLAN劃分、網絡及信息安全等關鍵問題。

因此，必須研究采用多智能體技術，理清各IED彼此間的關系，處理好信息共享、網絡負擔、跨間隔配合等，唯有相互協作，才能共同實現整體目標。

3 數據同步采集技術

快速采樣和數據同步是實現這一技術的兩個方面，采用高精確、高可靠對時及守時技術是實現這一技術的基礎。通過研究在一套功能單元中實現廣域穩態、動態、暫態的“三態”數據的同步采集與處理，為變電站內監控、故障錄波、同步相量測量PMU、電能質量分析等功能實現提供具有統一時間斷面的標準化高品質數據，該項技術的應用將會降低變電站二次系統設計、安裝和施工中的設備及人力投入，滿足當今智能電網發展所提出的專業整合、系統集成等智能電網的集約化、標準化管理的新要求。

4 狀態檢測評估技術

智能設備的狀態包括可靠性狀態、運行狀態和控制狀態，一次設備智能化意味著對一次設備實現廣泛的在線監測，建立基于IEC61850第2版的統一信息模型和通信平臺，進行實時監測與故障分析，并通過智能技術轉變為滿足支持高級應用要求的智能化信息，將設備檢修策略由“定期檢修”變為“狀態檢修”，更好的實現設備的全壽命周期管理。

研究建立多狀態參量融合的故障預測模型及其診斷技術，建立智能設備運行和狀態評估模型和專家庫，形成相應的評估算法和標準，對最終實現智能設備“自我參量檢測、就地綜合評估、狀態結果預報、系統在線可視”至關重要。

5 抗電磁干擾技術

由于變電站內電磁環境嚴酷，運行環境復雜，智能組件就近放置于高壓設備旁邊，就地化后的安全防護和抗電磁干擾能力及可靠性問題成為智能組件穩定可靠運行的致命因數。因此，加強微環境內的電能質量分析，準確定位干擾源，有針對性采取嚴格的切斷干擾途徑措施，提高智能組件電磁兼容設計要求，解決好其電磁兼容問題是一、二次設備廠家必須共同面對且需合力克服的主要課題。

6 組件集成測試技術

智能組件的應用，使得二次回路的大量電纜被光纖代替，配置文件代替了傳統的二次電纜端子排圖，針對單個設備的調試及檢測技術已經不能滿足現場運行需求，組件內聯調聯試及系統級調試成為智能變電站調試工作的重點。按照現場工程配置集成并在此基礎上進行工程應用測試的集成測試技術可以從更高的層面上模擬業務場景、迅速定位BUG，將現場調試相關工作和技術監督關口前移，切實縮短智能變電站建設工期。

集成測試主要包括單體測試、模型文件一致性測試、網絡性能測試、同步對時系統測試等，開展智能組件集成測試技術研究，規范測試流程，提供配套的智能調試及測試手段也是開展研究智能組件必須考慮的技術難點之一。

結論

智能組件作為一次設備智能化的關鍵部件，通過采用基于統一平臺的集成、優化設計技術，有效實現各功能單元間的無縫聯接，提高智能組件功能一體化集成度，該架構設計可充分發揮組件重構能力，實現按需配置和多功能（測量、控制、監測、保護等）整合，能更好的實現設備的全壽命周期管理，為保障我國智能電網建設的穩步推進和現有常規變電站的智能化改造提供有力的技術保障。

（編自《電氣技術》，標題為“基于統一平臺的變電站可重構智能組件總體架構設計”，作者為沈昌國、于海波 等。）