變電站綜合自動化的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

劉　杰

摘要：文章介紹了變電站綜合自動化的概念、系統(tǒng)的主要功能、傳統(tǒng)變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及存在的問題。數(shù)字化變電站是變電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向，因此文中較為詳細(xì)地介紹了數(shù)字化變電站的概念、特點及主要技術(shù)特征，并且簡要論述了IEC67850標(biāo)準(zhǔn)及其特點。

關(guān)鍵詞：變電站綜合自動化；數(shù)字化變電站；IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號：TMP564文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）11-0079-02

變電站綜合自動化是將變電站的二次設(shè)備（包括控制、信號、測量、保護、自動裝置及遠(yuǎn)動裝置等）應(yīng)用計算機技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設(shè)計，對變電站實施自動監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動化系統(tǒng)。實現(xiàn)變電站綜合自動化，可提高電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行水平，減少基建投資，并為推廣變電站無人值班提供了手段。計算機技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，帶動了變電站綜合自動化技術(shù)的進(jìn)步。近年來，隨著數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)（如光電式互感器或電子式互感器）、智能電氣設(shè)備以及相關(guān)通信技術(shù)的發(fā)展，變電站綜合自動化系統(tǒng)正朝著數(shù)字化方向邁進(jìn)。

一、變電站綜合自動化系統(tǒng)的主要功能

變電站綜合自動化系統(tǒng)的基本功能體現(xiàn)在6個子系統(tǒng)的功能中:監(jiān)控子系統(tǒng)；繼電保護子系統(tǒng)；電壓、無功綜合控制子系統(tǒng)；電力系統(tǒng)的低頻減負(fù)荷控制子系統(tǒng)；備用電源自投控制子系統(tǒng)；通信子系統(tǒng)。

二、傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)外變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從設(shè)計思想分類有以下三種：

1．集中式。采用不同檔次的計算機，擴展其外圍接口電路，集中采集變電站的模擬量、開關(guān)量和數(shù)字量等信息，集中進(jìn)行處理運算，分別完成微機監(jiān)控、微機保護和一些自動控制等功能。其特點是:對計算機性能要求較高，可擴性、可維護性差，適用于中、小型變電站。

2．分布式。按變電站被監(jiān)控對象或系統(tǒng)功能劃分，多個CPU并行工作，各CPU之間采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或串行方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分布式系統(tǒng)擴展和維護方便，局部故障不影響其他模塊正常運行。該模式在安裝上可以集中組屏或分屏組屏。

3．分散分布式。間隔層中各數(shù)據(jù)采集、控制單元（I/O單元）和保護單元就地分散安裝在開關(guān)柜上或其他設(shè)備附近，各個單元之間相互獨立，僅通過通信網(wǎng)互聯(lián)，并同變電站級測控主單元通信。能在間隔層完成的功能不依賴于通信網(wǎng)，如保護功能。通信網(wǎng)通常是光纖或雙絞線，最大限度地壓縮了二次設(shè)備和二次電纜，節(jié)省了工程建設(shè)投資。安裝既可以分散安裝于各間隔，也可以在控制室中集中組屏或分層組屏，還可以一部分在控制室中，另一部分分散在開關(guān)柜上。

（二）存在問題

變電站綜合自動化系統(tǒng)取得了良好的應(yīng)用效果，但也有不足之處，主要體現(xiàn)在：一次和二次之間的信息交互還是延續(xù)傳統(tǒng)的電纜接線模式，成本高，施工、維護不便；二次的數(shù)據(jù)采集部分大量重復(fù)，浪費資源；信息標(biāo)準(zhǔn)化不夠，信息共享度低，多套系統(tǒng)并存，設(shè)備之間、設(shè)備與系統(tǒng)之間互聯(lián)互通困難，形成信息孤島，信息難以被綜合應(yīng)用；發(fā)生事故時，會出現(xiàn)大量的事件告警信息，缺乏有效的過濾機制，干擾值班運行人員對故障的正確判斷。

三、數(shù)字化變電站

數(shù)字化變電站是變電站自動化發(fā)展的下一個階段，《國家電網(wǎng)公司“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃》已明確提出在“十一五”期間要研究數(shù)字化變電站并建設(shè)示范站，且目前已有數(shù)字化變電站建成并投入運行，如云南省曲靖市翠峰110千伏數(shù)字化變電站。

（一）數(shù)字化變電站的概念

數(shù)字化變電站指信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的變電站，基本特征為設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、運行管理自動化等。數(shù)字化變電站有以下主要特點：

1．一次設(shè)備智能化。采用數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開關(guān)（或配智能終端的傳統(tǒng)開關(guān)）等智能一次設(shè)備。一次設(shè)備和二次設(shè)備間用光纖傳輸數(shù)字編碼信息的方式交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等信息。

2．二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。二次設(shè)備間用通信網(wǎng)絡(luò)交換模擬量、開關(guān)量和控制命令等信息，取消控制電纜。

3．運行管理系統(tǒng)自動化。應(yīng)包括自動故障分析系統(tǒng)、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和程序化控制系統(tǒng)等自動化系統(tǒng)，提升自動化水平，減少運行維護的難度和工作量。

（二）數(shù)字化變電站的主要技術(shù)特征

1．?dāng)?shù)據(jù)采集數(shù)字化。數(shù)字化變電站的主要標(biāo)志是采用數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)（如光電式互感器或電子式互感器）采集電流、電壓等電氣量，實現(xiàn)了一、二次系統(tǒng)在電氣上的有效隔離，增大了電氣量的動態(tài)測量范圍并提高了測量精度，從而為實現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變以及信息集成化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

2．系統(tǒng)分層分布化。變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從集中式向分布式的轉(zhuǎn)變，第二代分層分布式變電站自動化系統(tǒng)大多采用成熟的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和開放式互連規(guī)約，能夠更完整地記錄設(shè)備信息并顯著地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為兩類，即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備；在邏輯結(jié)構(gòu)上根據(jù)IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)定義，可分為“過程層”、“間隔層”、“站控層”三個層次。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。

3．信息交互網(wǎng)絡(luò)化與信息應(yīng)用集成化。數(shù)字化變電站采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號。站內(nèi)設(shè)備之間通過高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，二次設(shè)備不出現(xiàn)功能重復(fù)的I/O接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)及資源共享。目前國際上已確定IEC61850為變電站自動化通信標(biāo)準(zhǔn)。此外，數(shù)字化變電站對原來分散的二次系統(tǒng)裝置進(jìn)行了信息集成及功能優(yōu)化處理，因此可以有效地避免常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制、保護、故障錄波、量測與計量等裝置存在的硬件配置重復(fù)、信息不共享及投資成本大等問題的發(fā)生。

4．設(shè)備操作智能化。新型高壓斷路器二次系統(tǒng)是采用微機、電力電子技術(shù)和新型傳感器建立起來的，斷路器系統(tǒng)的智能性由微機控制的二次系統(tǒng)、IED和相應(yīng)的智能軟件來實現(xiàn)，保護和控制命令可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)到達(dá)非常規(guī)變電站的二次回路系統(tǒng)，從而實現(xiàn)與斷路器操作機構(gòu)的數(shù)字化接口。

5．設(shè)備檢修狀態(tài)化。在數(shù)字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及各種IED裝置的故障和動作信息，實現(xiàn)對操作及信號回路狀態(tài)的有效監(jiān)視。數(shù)字化變電站中幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設(shè)備狀態(tài)特征量的采集沒有盲區(qū)。設(shè)備檢修策略可以從常規(guī)變電站設(shè)備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，從而大大提高系統(tǒng)的可用性。

6．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化和建模標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)具有體積小、重量輕等特點，可以將其集成在智能開關(guān)設(shè)備系統(tǒng)中，按變電站機電一體化設(shè)計理念進(jìn)行功能優(yōu)化組合和設(shè)備布置。在高壓和超高壓變電站中，保護裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動裝置的I/O單元作為一次智能設(shè)備的一部分，實現(xiàn)了IED的近過程化（process-close）設(shè)計；在中低壓變電站可將保護及監(jiān)控裝置小型化、緊湊化并完整地安裝在開關(guān)柜上。

（三）IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850是國際電工委員會TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)，也將成為電力系統(tǒng)從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動化無縫連接的通信標(biāo)準(zhǔn)，還可望成為通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的工業(yè)控制通信標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的通信協(xié)議體系相比，在技術(shù)上IEC61850有如下突出特點：（1）使用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)；（2）使用分布、分層體系；（3）使用抽象通信服務(wù)接口（ACSI）、特殊通信服務(wù)映射SCSM技術(shù)；（4）使用MMS（manufacture message specification）技術(shù)；（5）具有互操作性；（6）具有面向未來的、開放的體系結(jié)構(gòu)。

四、結(jié)論

變電站自動化系統(tǒng)在我國的應(yīng)用已經(jīng)取得了非常顯著的效果，對提高電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行水平起到了重要作用。目前隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化變電站正在興起。與傳統(tǒng)變電站相比，數(shù)字化變電站具有以下優(yōu)勢：減少二次接線，提升測量精度，提高信號傳輸?shù)目煽啃裕苊怆娎|帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題，解決設(shè)備間的互操作問題，變電站的各種功能可共享統(tǒng)一的信息平臺，避免設(shè)備重復(fù)，自動化運行和管理水平進(jìn)一步提高。數(shù)字化變電站是變電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向。

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