摘要：变电站是电网的核心构成，承担着变换电压、分配与接收电能、调整电压以及控制电力流向的重任。目前，随着智能化技术的发展，各行各业都呈现智能化发展的趋势，智能变电站的建设也成为了当前电力行业的主流趋势。从110kV变电站的实际运行情况来看，常规变电站的弊端日益凸显，系统自动化程度低、信息难以实现共享、系统可扩展性较差，并且系统的可靠性受到二次电缆的影响较大，因此，智能变电站的设计建造就显得尤为重要。110kV智能变电站不仅自动化、智能化程度更高，并且安全性也大幅提升，使变电站的运维更加简化。本文简要对智能变电站进行阐述，研究110kV变电站的设计，并对110kV智能变电站的可靠性进行分析。
关键词：可靠性；设计；110kV智能变电站；智能技术；通信技术
前言
现阶段，随着我国经济快速发展，人们的物质生活水平大幅提升，用电需求持续增长，导致我国面临资源不足与电力需求增长的双重压力。就当下的现状而言，一方面影响电力系统安全稳定运行的因素也不不断增加，一方面对电力系统运行质量提出了更高的要求，这就需要进一步完善电力系统建设。智能变电站的特征是信息化、数字化、网络化以自动化，是以现代化技术设备为基础建立的新型变电站，可以实现对电网的实时监测以及智能化调节。智能变电站的优势在于不仅可以有效满足当前电网的符合要求，同时也能应对不断增长的用电需求，符合电网未来发展的方向，未来智能无人值守变电站将完全替代常规变电站。
1.智能变电站基本概述
1.1智能变电站概念
智能变电站主要由智能化的器件、一次设备以及二次设备构成，二次设备具体分为三层，分别是站控层、间隔层以及过程层，采用IEC61960标准为信息交流规约，在各个变电站以及设备之间可以实现信息共享[1]。站内信息共享、网络化通信平台以及标准化规约准则是智能变电站的基本特征，主要采用集成智能装置，变电站整体安全性以及环保性良好，变电站运行稳定可靠，运行过程产生的污染较少，系统可实现信息采集、数据分析以及运行维护等智能化操作。智能变电站与常规变电站的对比成如表1所示。
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1.2智能变电站的优势分析
1.2.1高性能
智能变电站将IEC61850通信规约作为统一的通信规约，信息传输不需要转换规约，从而降低了系统整体复杂程度，简化了系统二次设计，因此，不仅施工快捷，而且后续维护检修也比较方面，通信的速率以及可靠性也得大幅提升。数字信号以光缆进行传输，传输过程中不易受到电磁感染，数字信号不会出现衰减或者失真的情况，同时也没有L、C滤波网络，因此，没有谐振过电压，传输效果良好。此外，单个光缆可以传输多种信号，以光缆替代电缆，在信息共享的基础上可以进一步减少资源浪费。
1.2.2安全性高
智能变电站的高安全性主要体现在三个方面，其一是以光缆代替电缆传输信号，可以有效避免因电缆端子的接线发生松动、开路、发热或者短路等情况；其二是由于光电互感器可在高低压部分产生光电隔离，因此，可以有效避免因电流互感器的二次开路或者电压互感器的二次短路导致威胁设备以及人身安全的情况。其三是由于采用了光电互感器，有效解决了传统互感器渗漏的问题，不仅提升了系统整体的安全性，也降低运维工作强度。
1.2.3可靠性高
智能变电站的高可靠性主要表现在以下两方面：其一是智能变电站设备自检功能极为强大，数字信号经光缆传输至合并器，若合并器未收到数据信息，则会智能启动自检程序，判断分析故障原因，系统的可靠性明显提升，并且运维人员的工作强度也得以降低[2]。其二是系统采集器电源主要由互相备用的激光电源或者能量线圈负责提供，因此，发生采集器断电的风险较低。
1.2.4高性价比
智能变电站的高性价比具体体现在以下三方面：其一是智能变电站以光缆代替电缆，有效减少了电缆的使用量，同时也使自动化调试以及保护等工作量明显减少，在减少投资成本的同时，也降低了变电站运维成本，变电站的建设周期也相应有所缩减。其二是智能变电站可以实现信息共享，系统兼容性高，有利于新增功能以及扩展规模，可以有效减少变电站额外投资。其三是智能变电站光电互感器所采用的是固体绝缘，不会产生渗漏问题，可减少变电站停运检修次数。
2.110kV智能变电站设计
2.1设计思路
（1）全站通信系统规约采用IEC61850规约，间隔层与站控层之间交换信息使用100Mbit/s以太网，过程层与间隔层之间以光纤点对点的方式交换开关量信息以及采样值；
（2）110kV智能变电站采用数字输出型电子互感器，间隔内以IEC61850-9-1规约传输采样数据；跨间隔以FT3串行协议传输数据信息；
（3）全站一次设备采用的是传统设备，配备智能化终端设备，以光纤实现与保护测控装置的连接；
（4）数字继电保护装置以及安全自动保护装置要符合IEC61850规约；
（5）电能计量装置采用具备以太网端口的数字化电能表；
（6）需要进行大量的开关量信息交换装置，如主变过负荷联切装置，由站控层提供的网络GOOSE服务负责。
2.2一次设备设计方案
本方案关于一次设备的智能化主要是通过增加电子互感器以及传统一次设备配备智能化组件的方式实现，具体采用罗氏线圈电流互感器与电容分压电压互感器。
2.2.1电子互感器配置
根据IEC61850-3中故障弱化的要求，即使系统发生故障也要保持可正常操作，因此，电子互感器需要使用冗余技术，以此确保系统的可靠性。系统采集单元需要设置单回路与双回路，且每个回路要求具备独立传感元件、光纤电源以及光纤信号通道。
2.2.2变压器智能化设计
在本方案中，变压器智能化设计主要是采用常规变压器与智能化组件相结合的形式，智能化组件需要具备控制、测量、保护以及在线监测等功能。变电站主变压器智能化设计为增加主变压器智能组件，包括智能终端与监测组件，智能终端负责采集主变压器的电量与非电量信号，包括油温、重瓦斯、档位、轻瓦斯、压力以及绕组温度等。测控装置负责接收合并单元的采样值，经过处理后传输至站控层，同时要实现对本间隔的刀闸就地、开关控制。保护装置负责接收电流以及电压的数字信号，根据数字信号反映的电流与电压情况实现对变压器进行保护，以DOOSE的方式实现刀闸以及开关的控制[3]。合并单元主要负责采集间隔电子式或者常规信号，并且需要将电压与电流的合并信号传输至过程层。
3.3自动化系统设计方案
本方案根据IEC61850的要求，采用“三层两级”的结构形式，实现自动化、互动化以及信息化，实现变电站以及设备间信息共享以及相互操作。
3.3.1通信规约
全站通信系统规约采用IEC61850规约，过程层与间隔层之间以光纤点对点的方式交换开关量信息以及采样值；间隔内以IEC61850-9-1规约传输采样数据；跨间隔以FT3串行协议传输数据信息。
3.3.2网络结构
变电站站控层和过程层采用独立组网；过程层选用100M星型光以太网，SV与DOOSE相互独立；站控层设计为单星型结构，采用100M电以太网，形成SNTP、MMS与GOOSE三网合一的结构。
3.3.3变电站对时
间隔层与过程层采用的是B码对时，若对精度要求较高，可采用IEEE1588标准网络对时；站控层采用的是SNTP网络对时。
3.3.4设备安装
变电站全站使用保护测控一体化装置，间隔层以及站控层的设备集中安装在主控制室。
3.110kV智能变电站可靠性分析?
3.1可靠性定义以及相关评估指标
110kV智能变电站可靠性指的是设备、元件以及系统在既定时间、既定条件下达成既定目标的概率，这里所指的可靠性并非是模糊不清的抽象概念，而是可以具体量化评估的指标。智能变电站的可靠性与变电站的设计、结构、运行以及管理等多个方面有关，任何一个环节都会影响变电站整体可靠性。
评价智能变电站可靠性一般选取以下指标：（1）可靠度，指的是元件从运行起始时刻至第一次发生故障所经历的时间；（2）可用率，指的是元件在正常条件以及既定时间内，某一时刻正常工作的概率[4]；（3）故障率，指的是元件从起始时刻起，在既定时间内出现故障的概率；（4）平均无故障工作时间，指的是元件在寿命周期内，以正常状态或者性能运行的平均时间。
3.2继电保护的可靠性分析
关于继电保护的可靠性分析具体从两方面考虑，其一是设备可靠度；其二是系统的可靠度。在选取评价指标需要注意考量到继电保护装置误动失效与拒动失效，这两种情况会造成严重的后果，一旦出现故障无法对系统提供有效的保护，因此，要着重分析这两方面。在本方案中，采用的是智能断路器，其可以独立运行采集数据信息，并可以精确检测出设备故障或者缺陷，在缺陷转化为故障或者故障发生之前发出预警，可以有效降低设备故障率，提升设备的可靠性[5]。断路器的性能在很大程度上影响着继电保护装置的可靠性，在选择断路器时，要考量断路器短路通断性能、短时间耐受能力以及分断能力，其各项指标越高则整体性能越好。
3.3电子互感器可靠性分析
电子互感器的构成比较复杂，包含多种电气元件，其可靠性可影响智能变电站系统整体可靠性，通常情况下，电子互感器的使用寿命在20年左右，如果不存在生产工艺不佳或者维护检修不当的情况，一般可以使用25年左右。本方案中主要采用的是电子互感器，其可靠性要明显高于传统互感器，根据相关研究表明，电子互感器的可靠性指标MTBF大致为1~108h，因此，总体而言本方案中电子互感器的可靠性相对较高。
3.4通信网络可靠性分析
通信网络的可靠性主要体现在网络无故障运行的时间，分析通信网络可靠性需要从设备、网络拓扑结构以及链路等多方面入手。关于设备方面，除考虑设备可靠性外，还需要考虑网络是否存在冗余功能，冗余功能可以大幅提升网络的可靠性，当某个设备出现故障时，会由其他设备代替运行，不会导致网络瘫痪。关于链路方面，需要考虑其是否具备提供稳定可靠数据传输的功能，可以将物理层可能出现故障的连接改为逻辑上无故障的连接，使其表现为无差错线路，从而在运行过程中可以避免信息丢失或者出错的情况[6]。网络拓扑结构的可靠性主要取决于防护能力，一般导致网络失效的因素多是因为软攻击，所谓软攻击主要指的是以物理手段对网络实施攻击，比如篡改、伪造、病毒、中断以及计算机蠕虫等。网络的开放性是实现信息共享的重要因素，但是也使得网络面临被攻击的风险，因此，为了保障变电站通信网络安全，应将被保护网络有开放网络转为内部网络。
总结
综上所述，变电站的智能化发展是当前必然的趋势，因此，变电站的智能化设计成为了当前学术界研究的热点问题。随着我国电网规划建设的不断开展，智能变电站必然会越来越多，在变电站智能化设计的基础上，必须要进行可靠性分析，这对于后续变电站的建设以及运行极为关键，具有指导作用。
参考文献
[1]杨雁飞, 王正娟, 李维斌. 110kV智能变电站的设计研究[J]. 建筑工程技术与设计, 2017, 000(014):3433-3433.
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[3]邢沈. Design and Reliability of 110kV Intelligent Substation%110kV智能变电站的设计与可靠性探讨[J]. 电力系统装备, 2018, 000(004):86,88.
[4]李乐为, 李丹, 王争. 110kV智能变电站设计及可靠性探讨[J]. 科技与创新, 2014, 000(009):P.18-18,22.
[5]李为春, 梁志达. 解析110kV 智能变电站设计及其可靠性[J]. 建筑工程技术与设计, 2015, 000(028):396-396.
[6]陈旭海, 林传伟, 林荫,等. Research and Application of 110 kV Distributed All-in-one Device for Intelligent Substation[J]. 电力勘测设计, 2015, 000(0z2):552-556,584.
作者简介：高震鹤，1992.10，男，汉族，江苏省启东市人，常州大学怀德学院，本科学历，工学学士，机械设计制造及自动化专业，从事电力电气领域，电气设计、变电站设计工作。