變電站自動化技術(shù)的發(fā)展概述

張　靜

摘 要：回顧了我國變電站自動化技術(shù)發(fā)展的過程，分析了國內(nèi)變電站自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，強調(diào)了數(shù)字化變電站的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：變電站自動化；發(fā)展

1 引言

“變電站自動化系統(tǒng)”這一名詞，國際電工委員會解釋為“在變電站內(nèi)提供包括通信基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的自動化系統(tǒng)”。在國內(nèi)，我們所說的變電站自動化系統(tǒng)，包含傳統(tǒng)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，繼電保護(hù)、自動裝置等設(shè)備，是集保護(hù)、測量、控制、遠(yuǎn)傳等功能為一體，通過數(shù)字通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)信息共享的一套微機化的二次設(shè)備及系統(tǒng)。

自20世紀(jì)90年代以來，變電站自動化技術(shù)一直是我國電力行業(yè)的熱點技術(shù)之一。每年都有千百座新建變電站投入電網(wǎng)運行，新建變電站基本上都采用了自動化系統(tǒng)模式，同時每年還有許多老變電站的技術(shù)改造，也基本上以自動化系統(tǒng)模式為主。

在已采用自動化技術(shù)的變電站中，早期采用較多的國外產(chǎn)品有：如ABB、SIEMENS、GE等公司的產(chǎn)品。但隨著國內(nèi)廠家的產(chǎn)品技術(shù)含量、工藝水平的提高，國產(chǎn)產(chǎn)品可靠性得到了極大的提高。目前，國產(chǎn)產(chǎn)品廠家主要有：南瑞集團(tuán)、北京四方、許繼電氣、國電南自等。

2 變電站自動化技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 我國變電站自動化發(fā)展階段

變電站二次部分傳統(tǒng)按功能分為四大類產(chǎn)品：繼電保護(hù)、故障錄波、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和遠(yuǎn)動。按系統(tǒng)模式出現(xiàn)順序可將變電站自動化發(fā)展分為三個階段：

第一階段：面向功能設(shè)計的集中式RTU加常規(guī)保護(hù)模式。80年代及以前，是以RTU為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)動裝置及當(dāng)?shù)乇O(jiān)控為代表。該類系統(tǒng)實際上是在常規(guī)的繼電保護(hù)及二次接線的基礎(chǔ)上增設(shè)RTU裝置，功能主要為與遠(yuǎn)方調(diào)度通信實現(xiàn) “四遙”(遙測、遙信、遙控、遙調(diào))；與繼電保護(hù)及安全自動裝置的聯(lián)結(jié)通過硬接點接入或串行口通信較多。此類系統(tǒng)稱為集中RTU模式，目前在一些老站改造中仍有少量使用，此階段為自動化的初級階段。

第二階段：面向功能設(shè)計的分布式測控裝置加微機保護(hù)模式。

第二階段始于90年代初期，單元式微機保護(hù)及按功能設(shè)計的分散式微機測控裝置得以廣泛應(yīng)用，保護(hù)與測控裝置相對獨立，通過通信管理單元能夠?qū)⒏髯孕畔⑺偷胶笈_或調(diào)度端計算機。特點是繼電保護(hù)(包括安全自動裝置)按功能劃分的測控裝置獨立運行，應(yīng)用了現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)通信進(jìn)行信息交換。此系統(tǒng)電纜互聯(lián)仍較多，擴(kuò)展性功能不強。

第三階段：面向間隔、面向?qū)ο笤O(shè)計的分層分布式結(jié)構(gòu)模式。

第三階段始于90年代中期，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，采用按間隔為對象設(shè)計保護(hù)測控單元，采用分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成真正意義上的分層分布式自動化系統(tǒng)。目前國內(nèi)外主流廠家均采用了此類結(jié)構(gòu)模式。

2.2 分層分布式技術(shù)成為潮流

若按變電站自動化系統(tǒng)二次設(shè)備分布現(xiàn)狀可縱向分為三層：變電站層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層；也有廠家或?qū)W者將網(wǎng)絡(luò)層歸入變電站層進(jìn)行描述，即縱向分為變電站層、間隔層兩層。

變電站層橫向按功能分布為當(dāng)?shù)乇O(jiān)控、保護(hù)信息管理及遠(yuǎn)方通信。變電站層功能分布的形式取決于網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)、變電站電壓等級以及用戶的實際需求。

當(dāng)?shù)乇O(jiān)控功能作為當(dāng)?shù)剡\行人員的人機交互窗口，以圖形顯示、報表打印、語音報警等各種方式實現(xiàn)當(dāng)?shù)氐摹八倪b”。通過“五防”系統(tǒng)聯(lián)鎖控制開關(guān)的分合， 按VQC原理調(diào)節(jié)變壓器檔位或投切電容器組。

保護(hù)信息管理功能作為當(dāng)?shù)乩^保人員的人機交互窗口，也可以圖形顯示、報表打印、語音報警等各種方式對繼電保護(hù)及安全自動裝置的運行狀況以及故障發(fā)生后通過故障錄波及保護(hù)動作信息進(jìn)行故障分析和診斷。

遠(yuǎn)方通信功能是將當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和保護(hù)信息管理功能通過通信在遠(yuǎn)方實現(xiàn)，是變電站實現(xiàn)無人值班的前提條件。遠(yuǎn)方監(jiān)控和保護(hù)信息管理功能同樣可以各自獨立即通過不同的通道和規(guī)約分別接至調(diào)度中心和保護(hù)信息管理主站，也可以合二為一即通過同一通道接至遠(yuǎn)方主站。

網(wǎng)絡(luò)層完成信息傳遞和系統(tǒng)對時等功能。通過信息交換，實現(xiàn)信息共享，減化變電站的設(shè)備配置，從整體上提高變電站自動化系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前國內(nèi)外產(chǎn)品流行兩種網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)：即雙層網(wǎng)和單層網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場總線具有使用方便、簡單、經(jīng)濟(jì)的特點，以太網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、開放性好、高速率、傳輸容量大的特點。但目前由于以太網(wǎng)在性能和應(yīng)用特點上仍不能完全替代現(xiàn)場總線，面向?qū)崟r控制的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)正處于研究和制定過程中，所以現(xiàn)場總線將會和以太網(wǎng)并存相當(dāng)長時間。

間隔層主要是繼保、監(jiān)控設(shè)備層?？杉薪M屏也可分布在各繼電保護(hù)小間內(nèi)或安裝在開關(guān)柜上。繼保、監(jiān)控既可以各自獨立也可以合二為一。它對相關(guān)一次設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、測量和控制，響應(yīng)就地層、變電站層、遠(yuǎn)方主站的操作要求，對采集的信息進(jìn)行處理上傳，并在變電站層、遠(yuǎn)方主站控制失效的情況下仍能完成保護(hù)、測量和控制功能。

三層之間的關(guān)系。變電站層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層既相互獨立又相互聯(lián)系。變電站層功能的實現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡(luò)層和間隔層的完好性；但是間隔層功能的實現(xiàn)，特別是繼電保護(hù)及安全自動裝置的功能的實現(xiàn)決不能依賴于網(wǎng)絡(luò)層和變電站層；遠(yuǎn)方主站監(jiān)控功能的實現(xiàn)應(yīng)不依賴于變電站層設(shè)備。

2.3 運行管理模式與變電站綜合自動化

保護(hù)和遠(yuǎn)動專業(yè)管理模式對變電站綜合自動化技術(shù)發(fā)展的影響。由于變電站綜合自動化系統(tǒng)源于傳統(tǒng)的“四遙”，并在微機保護(hù)、遠(yuǎn)動基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，保護(hù)和遠(yuǎn)動分屬不同的部門和專業(yè)，運行管理是分開的，隨著變電站自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是近階段，在中低壓站已經(jīng)采用保護(hù)和測控合一的綜合裝置， 許多廠家在研制高壓和超高壓站的裝置時，已經(jīng)考慮將保護(hù)、測控、故障錄波等功能綜合在一個裝置內(nèi)。

無人值班的運行管理模式與變電站自動化技術(shù)的關(guān)系。目前已實現(xiàn)無人值班的變電站，并不都是采用所謂的綜合自動化系統(tǒng)。但是應(yīng)該看到，自動化技術(shù)的發(fā)展，為無人值班或少人值班變電站提供了更先進(jìn)的技術(shù)支持，使變電站設(shè)計更加合理，布局緊湊，運行更加可靠，更利于無人值班的管理。

2.4 繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展

談到變電站自動化，必須關(guān)注繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)注保護(hù)與監(jiān)控當(dāng)前及今后在自動化技術(shù)發(fā)展中的相互融合關(guān)系。

繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展史。從90年代初至今，不同原理、不同機型的微機線路和主設(shè)備保護(hù)各具特色，為電力系統(tǒng)提供了一批性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護(hù)裝置。隨著微機保護(hù)裝置的深入研究，在微機保護(hù)軟件、算法等方面也取得了很多理論成果。微機保護(hù)已成為電力系統(tǒng)保護(hù)、監(jiān)控、通信、調(diào)度自動化系統(tǒng)的重要組成部分。

由于通信通道技術(shù)的限制，早期的全線速動縱聯(lián)保護(hù)主要由專用閉鎖式或允許式縱聯(lián)方向保護(hù)和縱聯(lián)距離保護(hù)構(gòu)成。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，分相式光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)由于原理簡單可靠而廣泛應(yīng)用。主設(shè)備保護(hù)方面，與線路微機保護(hù)相比，雖然起步較晚，經(jīng)過多年的研究已克服了早期的元件微機型保護(hù)可靠性不高，靈敏度低，動作速度慢，TA飽和影響較大等缺點。

3 變電站自動化技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著集成電路和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型的大規(guī)模集成電路將會進(jìn)一步應(yīng)用在繼電保護(hù)和測控裝置上，如32位CPU、數(shù)字信號處理芯片DSP、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌入式實時操作系統(tǒng)、大容量Flash、可編程邏輯器件CPLD、FPGA等。這些新器件的應(yīng)用將使保護(hù)和測控裝置的電路板更加小型集成化，裝置通信、數(shù)據(jù)存儲及處理能力更強。將間隔的控制、保護(hù)、故障錄波、事件記錄和運行支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理等功能，通過模塊化設(shè)計集成在一個統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置內(nèi)是可行的，間隔內(nèi)部和間隔間以及間隔同站級間的通信可統(tǒng)一用一層網(wǎng)即光纖以太網(wǎng)來實現(xiàn)。高集成化系統(tǒng)的發(fā)展，無疑能降低成本，提高系統(tǒng)可靠性，有利于實現(xiàn)統(tǒng)一的運行管理。目前在許多中低壓站已實現(xiàn)。

4 總結(jié)

總之，變電站自動化技術(shù)是伴隨著現(xiàn)代科技技術(shù)發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機軟、硬件技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，自動化系統(tǒng)以按對象設(shè)計的全分層分布式為潮流，朝著二次設(shè)備功能集成化，一次設(shè)備智能數(shù)字化方向發(fā)展；運行管理朝著各專業(yè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一和站內(nèi)無人值班模式發(fā)展。同時經(jīng)濟(jì)性和可靠性也是變電站自動化技術(shù)發(fā)展所要考慮的實際問題。電能質(zhì)量監(jiān)測管理，一次設(shè)備的在線監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，數(shù)字式視頻圖像監(jiān)控技術(shù)以及這些技術(shù)如何融入變電站自動化系統(tǒng)，都是變電站自動化技術(shù)發(fā)展所要研究的課題。