中山地區(qū)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

湯曉暉

（廣東電網(wǎng)公司中山供電局，廣東 中山 528400）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性要求也越來(lái)越高，變電站自動(dòng)化技術(shù)也不斷發(fā)展與進(jìn)步，設(shè)備也越來(lái)越集成化。目前新建變電站基本上都采用了自動(dòng)化系統(tǒng)模式。

2 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀

2.1 常見(jiàn)的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

目前，中山地區(qū)使用的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要有：南瑞繼保RCS9700自動(dòng)化系統(tǒng)、四方CSC2000自動(dòng)化系統(tǒng)、深圳南瑞ISA-300自動(dòng)化系統(tǒng)及南瑞科技NS2000自動(dòng)化系統(tǒng)。部分110kV變電站采用國(guó)電南自PS6000自動(dòng)化系統(tǒng)、南京中德NSC200NT變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及四方CSC2000（V2）自動(dòng)化系統(tǒng)。

2.2 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系

所謂變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，就是集保護(hù)測(cè)量、控制、遠(yuǎn)傳等功能為一體，通過(guò)數(shù)字通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息共享的微機(jī)化的二次設(shè)備及系統(tǒng)，用以取代常規(guī)的儀表盤(pán)，控制屏，繼電保護(hù)屏及中央信號(hào)屏，用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)替代了大量復(fù)雜的連接電纜和二次電纜，在遵循信息共享、減少硬件重復(fù)配置的原則下，做到繼電保護(hù)相對(duì)獨(dú)立和有一定的冗余，提高變電站運(yùn)行的安全可靠性，減少系統(tǒng)維護(hù)工作量和提高維護(hù)水平。

按照體系結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為三層：站控層、通信網(wǎng)絡(luò)層、間隔設(shè)備層（簡(jiǎn)稱(chēng)間隔層），如圖1所示。

（1）站控層

站控層具有可靠性、開(kāi)放性、易用性等特點(diǎn)。按功能可分為當(dāng)?shù)乇O(jiān)控機(jī)，五防機(jī)，保護(hù)信息管理機(jī)及遠(yuǎn)動(dòng)通信功能。

圖1 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)?shù)乇O(jiān)控機(jī)作為變電站內(nèi)運(yùn)行人員的人機(jī)交互窗口，以圖形顯示、報(bào)表打印、語(yǔ)言報(bào)警、事件記錄等各種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，通過(guò)“五防”系統(tǒng)驗(yàn)證來(lái)控制開(kāi)關(guān)、刀閘的分合。

保護(hù)信息管理機(jī)作為繼電保護(hù)人員的人機(jī)交互窗口，以圖形顯示、報(bào)表打印、語(yǔ)言報(bào)警、故障數(shù)據(jù)及波形記錄等各種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置自檢情況，數(shù)據(jù)采樣是否準(zhǔn)確，開(kāi)關(guān)量輸入狀態(tài)是否與實(shí)際一致等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視與分析。

遠(yuǎn)動(dòng)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(guò)通信技術(shù)在遠(yuǎn)方調(diào)度端實(shí)現(xiàn)，其手段是借助各自獨(dú)立的通道和規(guī)約，通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)通信設(shè)備（遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)），將當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和保護(hù)信息管理分別接至調(diào)度中心和保護(hù)信息管理主站，使得調(diào)度端具備四遙功能。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)層

主要是完成信息傳遞功能。通過(guò)系統(tǒng)交換，實(shí)現(xiàn)信息共享，減少變電站內(nèi)二次設(shè)備配置，提高變電站自動(dòng)化系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前國(guó)內(nèi)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)常用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雙層網(wǎng)是指間隔層通過(guò)第一層網(wǎng)絡(luò)(多為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng))與通信控制單元通信，由通信控制單元與變電站層通過(guò)第二層網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng))實(shí)現(xiàn)信息交換。

（3）間隔層

主要由繼電保護(hù)裝置，測(cè)控裝置及保護(hù)測(cè)控一體化裝置構(gòu)成。此類(lèi)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)一次設(shè)備的保護(hù)、測(cè)量和控制，響應(yīng)就地、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控機(jī)和遠(yuǎn)方主站的操作要求，還對(duì)采集的信息進(jìn)行處理后上送，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(cè)量和控制功能。同時(shí)間隔層還有各類(lèi)智能電子裝置(IED，Intelligent Electronic Device)，如直流電源系統(tǒng)，消弧系統(tǒng)，小電流接地選線裝置等。

2.3 站控層、通信網(wǎng)絡(luò)層和間隔層既相互獨(dú)立又相互聯(lián)

站控層的功能實(shí)現(xiàn)必須依賴(lài)于通信網(wǎng)絡(luò)層和間隔層的完好性；但間隔層功能的實(shí)現(xiàn)，特別是繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置功能實(shí)現(xiàn)決不依賴(lài)于通信網(wǎng)絡(luò)層及站控層的完好性。遠(yuǎn)方主站監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)不依賴(lài)于變電站層當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺(tái)，在當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺(tái)失效的情況下，遠(yuǎn)方主站依然能進(jìn)行遙控操作。

2.4 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信方式

現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)化以太網(wǎng)的應(yīng)用提升了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用水平，現(xiàn)場(chǎng)總線是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它具備簡(jiǎn)單可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列優(yōu)點(diǎn)，主要用于解決現(xiàn)場(chǎng)的智能電子裝置、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。

目前在電力自動(dòng)化系統(tǒng)中較為常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)總線有：Lonworks, CAN, WorldFIP，其最高速率可達(dá)12Mbit。例如，南瑞繼保RCS9700自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層采用的是WorldFIP總線，四方CSC2000自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層采用的是 Lonworks總線，深圳南瑞ISA-300自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層采用的是CAN總線。

3 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)注意的問(wèn)題

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)雖然已經(jīng)得到了大量的推廣應(yīng)用，但應(yīng)用中也要注意一些問(wèn)題：

（1）正確認(rèn)識(shí)保護(hù)裝置的功能

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中數(shù)字式保護(hù)及自動(dòng)裝置具有自檢功能，可以簡(jiǎn)化運(yùn)行維護(hù)和定期試驗(yàn)工作，而事實(shí)上現(xiàn)已投運(yùn)的數(shù)字式保護(hù)在自檢、自動(dòng)測(cè)試及事件記錄等方面的工作并非完美無(wú)缺，不能單靠裝置的液晶面板提示數(shù)據(jù)來(lái)判定裝置的好壞。

（2）準(zhǔn)確看待自檢功能

目前數(shù)字式保護(hù)的自檢只能做到功能自檢，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)量輸入異常、開(kāi)關(guān)量輸出回路、存儲(chǔ)功能、通訊功能等，還不能定位到芯片和局部器件。另外繼電保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，不能因?yàn)檠b置有了功能自檢而忽視二次回路接線的正確性與可靠性。

（3）保護(hù)動(dòng)作事件記錄功能

目前應(yīng)用的數(shù)字式保護(hù)較之傳統(tǒng)保護(hù)其事件記錄存儲(chǔ)的功能已大大加強(qiáng)了，也正因?yàn)橛辛耸录涗浌δ苁沟脤?duì)數(shù)字式保護(hù)動(dòng)作后的行為可以有一個(gè)較為清晰的分析?，F(xiàn)有的數(shù)字式保護(hù)大多是僅限于對(duì)保護(hù)動(dòng)作事件的記錄，還需要注意以下幾個(gè)方面：

1）事故記錄作為繼電保護(hù)裝置最重要的信息，必須在事故后及時(shí)提供和顯示，這些信息必須簡(jiǎn)潔直觀便于運(yùn)行人員了解事故情況，及時(shí)處理事故后的各種情況。

2）告警類(lèi)記錄是繼電保護(hù)裝置反映各類(lèi)內(nèi)部及外部告警的記錄，作為事故后分析繼電保護(hù)裝置的拒動(dòng)和誤動(dòng)現(xiàn)象有重要作用。

3）正常運(yùn)行情況下繼電保護(hù)裝置應(yīng)具有各類(lèi)操作記錄，如壓板操作、定值修改、定值區(qū)改變，遠(yuǎn)方遙控操作等，這些記錄對(duì)保證保護(hù)裝置是否在正常動(dòng)行過(guò)程中受到外來(lái)的操作而影響保護(hù)行為提供可追溯的信息。

（4）變電站內(nèi)通信網(wǎng)接口和協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題

變電站內(nèi)由于采用多個(gè)廠家的設(shè)備，各個(gè)廠家現(xiàn)在是采用自成體系的通信接口和自定義協(xié)議, 廠家在實(shí)現(xiàn)互連時(shí)往往由于采用的規(guī)約不同，會(huì)導(dǎo)致通信建立存在困難。而且不同廠家使用同一規(guī)約時(shí)由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)、理解存在差異，也會(huì)導(dǎo)致各廠家雖然采用相同協(xié)議但仍通信失敗現(xiàn)象。

4 變電站自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)

4.1 向符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站發(fā)展

在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域中，智能化使電氣設(shè)備的發(fā)展，特別是智能化開(kāi)關(guān)、光電式互感器等機(jī)電一體化智能設(shè)備的出現(xiàn)，使變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化發(fā)展的新階段[1]。數(shù)字化變電站是建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。

目前普通的綜合自動(dòng)化變電站采用 IEC60870-5-103規(guī)約只是變電站內(nèi)傳輸規(guī)約，缺乏對(duì)變電站系統(tǒng)模型、二次功能模型的描述，沒(méi)有將系統(tǒng)應(yīng)用與通信技術(shù)進(jìn)行分層處理，其應(yīng)用受到通信技術(shù)的限制，缺乏一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，因此103規(guī)約不適合作為數(shù)字化變電站的統(tǒng)一信息平臺(tái)。數(shù)字化變電站往往采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)裝置間通過(guò)GOOSE（通用面向?qū)ο笞冸娬臼录﹫?bào)文進(jìn)行通信。其中，IEC61850是國(guó)際電工委員會(huì) 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(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其主要特點(diǎn)包括：

（1）信息分層

按照變電站自動(dòng)化系統(tǒng)所要完成的控制、監(jiān)視和保護(hù)三大功能提出了變電站內(nèi)功能分層的概念，無(wú)論從邏輯概念上還是從物理概念上都將變電站的功能分為 3層，即變電站層、間隔層和過(guò)程層[2]，如圖2所示。

圖2 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

過(guò)程層主要完成開(kāi)關(guān)量I/O、模擬采樣和控制命令的發(fā)送等與一次設(shè)備相關(guān)的功能；間隔層的功能是利用本間隔的數(shù)據(jù)對(duì)本間隔的一次設(shè)備產(chǎn)生作用；變電站層的功能分為兩類(lèi)，一是與過(guò)程相關(guān)的功能，主要指利用各個(gè)間隔或全站的信息對(duì)多個(gè)間隔或全站的一次設(shè)備發(fā)生作用的功能，如母線保護(hù)和全站范圍內(nèi)的邏輯閉鎖功能，二是與接口相關(guān)的功能，主要指與遠(yuǎn)方控制中心、工程師站及人機(jī)界面的通信。

（2）面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)統(tǒng)一建模

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了基于客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型[3]。每個(gè) IED包含一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器又包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備，邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點(diǎn)，邏輯節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)對(duì)象。數(shù)據(jù)對(duì)象則是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類(lèi)的命名實(shí)例。IEC 61850建模了大多數(shù)公共實(shí)際設(shè)備和設(shè)備組件。這些模型定義了公共數(shù)據(jù)格式、標(biāo)識(shí)符、行為和控制，例如變電站和饋線設(shè)備(諸如斷路器、電壓調(diào)節(jié)器和繼電保護(hù)等)。

（3）數(shù)據(jù)自描述

和采用“面向點(diǎn)”的數(shù)據(jù)描述方法（如 103規(guī)約）不同，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于信息均采用面向?qū)ο蟮淖悦枋?。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述在數(shù)據(jù)源就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自我描述，傳輸?shù)浇邮芊降臄?shù)據(jù)都帶有自我說(shuō)明，不需要再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程物理量對(duì)應(yīng)、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等工作。因數(shù)據(jù)本身帶有說(shuō)明，這就不受預(yù)先定義的限制進(jìn)行傳輸，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)管理和維護(hù)工作。

4.2 遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)將在變電站中廣泛應(yīng)用

變電站的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)即遙視系統(tǒng)，就是通過(guò)前端高性能的攝像機(jī)和監(jiān)控矩陣，將無(wú)人值守的現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)地傳送到幾公里甚至幾十公里外的控制中心，使控制中心能夠及時(shí)準(zhǔn)確地了解和掌握現(xiàn)場(chǎng)的情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站全站情況如主控室全貌，設(shè)備情況、斷路器、隔離刀閘現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)視，真正做到變電站的無(wú)人值守。

變電站遙視系統(tǒng)主要功能為：視頻監(jiān)控、集中式數(shù)字視頻錄像、報(bào)警聯(lián)動(dòng)[4]。通過(guò)視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)，解決了無(wú)人值班站內(nèi)安全保衛(wèi)消防等方面的問(wèn)題，更為重要的是它可以使遠(yuǎn)方運(yùn)行控制人員能親眼看到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。減少了巡檢人員運(yùn)行強(qiáng)度，彌補(bǔ)了變電站運(yùn)行人員不足的弱點(diǎn)，同時(shí)加強(qiáng)了變電站的安全、保衛(wèi)、火警監(jiān)視，從而提高了變電站安全運(yùn)行水平。

隨著監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，遙視系統(tǒng)將朝著更強(qiáng)的功能、更快的速率、更清晰的效果這一方向發(fā)展，而且與其他監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)一體化融合越來(lái)越緊密。

4.3 門(mén)禁自動(dòng)化系統(tǒng)將成為變電站自動(dòng)化的一部分

隨著電力行業(yè)的改革與發(fā)展，電力系統(tǒng)以高科技為基準(zhǔn)的智能化管理方式也日益進(jìn)步。在無(wú)人值守變電站的智能應(yīng)用中，出入口控制綜合管理問(wèn)題尤為重要。

門(mén)禁系統(tǒng)，就是可以對(duì)變電站的門(mén)（鎖）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并記錄下所有人員的進(jìn)出情況的一套自動(dòng)化系統(tǒng)。所有人員必須刷卡才能進(jìn)出，這樣就使得變電站內(nèi)所有出入記錄都有據(jù)可查，從而加強(qiáng)變電站人員出入管理，減少犯罪、違章作業(yè)等情況的發(fā)生。網(wǎng)絡(luò)化的門(mén)禁系統(tǒng)集成了門(mén)禁、報(bào)警、監(jiān)控、保安告警功能[5]，其在變電站中的應(yīng)用將大大提高無(wú)人值守變電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力和出入權(quán)限的管理能力，提高了運(yùn)行維護(hù)的效率。

目前中山地區(qū)正依據(jù)《中山供電局“十一五”巡維中心設(shè)置規(guī)劃》，制定可伸縮的二級(jí)匯結(jié)網(wǎng)絡(luò)模式的門(mén)禁控制管理系統(tǒng)，即設(shè)置中山局總控中心（SC）（含巡維站分控中心（SS））、變電站前端系統(tǒng)（SU）的模式，以保障變電站內(nèi)設(shè)備的安全和禁止非法人員出入，防止非相關(guān)人員誤入非工作區(qū)域，保障人員的人身安全，做到前端無(wú)人值守。

5 結(jié)論

隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的進(jìn)步，變電站自動(dòng)化技術(shù)將朝著功能更加集成，性能更加穩(wěn)定，通信速度更快的方向發(fā)展。而且，數(shù)字化變電站將會(huì)逐步取代現(xiàn)有的變電站自動(dòng)化模式，遙視系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)等更加先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)將更為廣泛地在變電站中應(yīng)用，進(jìn)一步提高變電站自動(dòng)化的程度。

[1]徐禮葆, 劉寶志, 郝燕麗.開(kāi)放式數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的討論[J].繼電器,2004,32(6).

[2]周繼馨.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字化發(fā)展[J].特區(qū)電力,2007,10-11.

[3]任雁銘, 楊奇遜. IEC61850通信協(xié)議體系介紹和分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2000, 24(8)∶,62-64.

[4]江智偉. 變電站自動(dòng)化及其新技術(shù). 北京∶中國(guó)電力出版社,2006.

[5]張波.智能化門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].河南科學(xué),2004(1).