綜述變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展

季明麗江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211170

1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展階段

變電站內(nèi)二次設(shè)備傳統(tǒng)按功能可分為6大類(lèi)：繼電保護(hù)、測(cè)控裝置、自動(dòng)裝置、故障錄波、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和遠(yuǎn)動(dòng)。6大類(lèi)產(chǎn)品的不斷發(fā)展及其功能相互滲透，推動(dòng)了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，產(chǎn)生了多種多樣的系統(tǒng)模式，按系統(tǒng)模式出現(xiàn)的時(shí)間順序可將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展分為3個(gè)階段。

第1階段：面向功能設(shè)計(jì)的集中式RTU加常規(guī)繼電保護(hù)模式。20世紀(jì)80年代是以RTU為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)動(dòng)裝置及當(dāng)?shù)乇O(jiān)控為代表。該類(lèi)系統(tǒng)是在常規(guī)的繼電保護(hù)及二次接線基礎(chǔ)上增設(shè)RTU裝置，完成與遠(yuǎn)方調(diào)度主站通信實(shí)現(xiàn)“四遙”（遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控），繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置與系統(tǒng)聯(lián)結(jié)采用硬接點(diǎn)狀態(tài)接入。此類(lèi)系統(tǒng)特點(diǎn)是功能簡(jiǎn)單、整體性能指標(biāo)較低、系統(tǒng)聯(lián)結(jié)復(fù)雜，不便于運(yùn)行管理與維護(hù)，為自動(dòng)化系統(tǒng)的初級(jí)階段。

第2階段：面向功能設(shè)計(jì)的分布式測(cè)控裝置加微機(jī)保護(hù)模式。20世紀(jì)90年代初期，微機(jī)保護(hù)及按功能設(shè)計(jì)的分布測(cè)控裝置得以廣泛應(yīng)用，保護(hù)與測(cè)控裝置相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)通信管理單元能夠?qū)⒏髯孕畔⑺偷疆?dāng)?shù)乇O(jiān)控機(jī)或調(diào)度主站。此類(lèi)系統(tǒng)的出現(xiàn)是由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)保護(hù)和遠(yuǎn)動(dòng)分屬于不同部門(mén)和專(zhuān)業(yè)，另外對(duì)繼電保護(hù)與測(cè)控裝置在技術(shù)上如何融合沒(méi)有達(dá)成一致的認(rèn)識(shí)，故相當(dāng)一部分尤其是110kV及以下電壓等級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)采用此類(lèi)模式。該模式?jīng)]有做到面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，信息共享程度不高，另外系統(tǒng)的二次電纜互聯(lián)較多，擴(kuò)展性不好,不利于運(yùn)行管理和維護(hù)。

第3階段：面向間隔和對(duì)象的分層分布式結(jié)構(gòu)模式。20世紀(jì)90年代中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)對(duì)計(jì)算機(jī)保護(hù)與測(cè)控技術(shù)不斷爭(zhēng)論和探討達(dá)成了一致的認(rèn)識(shí)，采用面向設(shè)備或間隔為對(duì)象設(shè)計(jì)的保護(hù)及測(cè)控單元，采用分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成了真正意義上的分層分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點(diǎn)是針對(duì)110kV以下電壓等級(jí)的設(shè)備或間隔采用保護(hù)測(cè)控一體化設(shè)計(jì)的裝置，故障錄波功能下放至各間隔或設(shè)備的繼電保護(hù)裝置中去，針對(duì)110kV及以上電壓等級(jí)的設(shè)備或間隔采用繼電保護(hù)裝置與測(cè)控裝置分別獨(dú)立設(shè)計(jì)但共同組屏的原則，采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，系統(tǒng)配置靈活，擴(kuò)展方便，非常方便運(yùn)行管理和維護(hù)。

2 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)IEC關(guān)于變電站的結(jié)構(gòu)規(guī)范，將變電站分為3個(gè)層次，即變電站層、間隔層以及過(guò)程層。在設(shè)計(jì)理念上不是以整個(gè)變電站作為設(shè)備確定目標(biāo)，而是以間隔和設(shè)備作為設(shè)計(jì)對(duì)象。

目前，按變電站自動(dòng)化系統(tǒng)二次設(shè)備分布現(xiàn)狀可縱向分為3層：1）變電站管理層；2）站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)層；3）間隔層。

（1）變電站管理層橫向按功能可分為當(dāng)?shù)乇O(jiān)控（含五防系統(tǒng)）、保護(hù)信息管理及遠(yuǎn)方通信。當(dāng)?shù)乇O(jiān)控功能作為變電站內(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)控制開(kāi)關(guān)及刀閘的分合，并實(shí)現(xiàn)與MIS系統(tǒng)連接。保護(hù)信息管理功能作為繼電保護(hù)人員的人機(jī)交互窗口，可以根據(jù)運(yùn)行需要決定保護(hù)功能的投退和保護(hù)定值的修改，故障發(fā)生后可通過(guò)故障錄波及保護(hù)動(dòng)作信息進(jìn)行事故分析和判斷。上述當(dāng)?shù)乇O(jiān)控與保護(hù)信息管理功能可以各自獨(dú)立，也可以合二為一。遠(yuǎn)方通信功能是借助獨(dú)立的通道和規(guī)約將當(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。

（2）站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)層完成信息傳遞和系統(tǒng)對(duì)時(shí)功能。通過(guò)系統(tǒng)交換，實(shí)現(xiàn)信息共享，可減少變電站內(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。站內(nèi)用的現(xiàn)場(chǎng)總線有：Lonworks，Canbus，Profibus等，最高速率可達(dá)12Mbit，以太網(wǎng)通信方式速率大多為10M/100M自適應(yīng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有使用方便、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，以太網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放性好、高速率、傳輸容量大的特點(diǎn)。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)得到大規(guī)模使用。

（3）間隔層主要是繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、自動(dòng)裝置及智能裝置，此類(lèi)設(shè)備可集中組屏也可分散在各繼電保護(hù)間隔內(nèi)或安裝于開(kāi)關(guān)柜上。間隔層實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)一次設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、測(cè)量和控制；響應(yīng)就地、變電站層和遠(yuǎn)方主站的操作要求；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。對(duì)110kV以下電壓等級(jí)設(shè)備，繼電保護(hù)和測(cè)控合二為一。對(duì)110kV及以上電壓等級(jí)的設(shè)備，繼電保護(hù)裝置和測(cè)控裝置分別獨(dú)立設(shè)置。

3 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用出現(xiàn)的問(wèn)題

3.1 各類(lèi)智能裝置與自動(dòng)化系統(tǒng)的接口通信

目前，220kV及以上電壓等級(jí)的變電站采用多家制造廠提供的智能設(shè)備構(gòu)成變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)與繼電保護(hù)獨(dú)立配置，各類(lèi)繼電保護(hù)裝置也可能采用不同制造廠的設(shè)備。雖然各廠家也采用了IEC-60870-5-103繼電保護(hù)設(shè)備站內(nèi)通信協(xié)議，但對(duì)協(xié)議規(guī)約的理解存在著認(rèn)識(shí)和水平的不一致，難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的互聯(lián)，達(dá)不到預(yù)期的效果。

110kV及以下電壓等級(jí)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)大多采用同一個(gè)廠家提供的設(shè)備為主，但仍需要接入其他廠家的智能設(shè)備，由于沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不同廠家的智能設(shè)備物理接口和通信協(xié)議都不一致，需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各智能設(shè)備的接入進(jìn)行調(diào)試，增加了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量，延長(zhǎng)了系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間。

有的設(shè)備廠家只關(guān)心設(shè)備的主體功能設(shè)計(jì)，在接口設(shè)計(jì)方面缺乏重視，對(duì)設(shè)備相關(guān)監(jiān)測(cè)信息的輸出要求不清晰，使得變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)站內(nèi)運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)測(cè)存在缺陷（如交流電源屏、直流電源屏、電壓無(wú)功控制裝置、消弧和小電流接地選線裝置等），變電站的安全運(yùn)行受到威脅，尤其是針對(duì)無(wú)人值班變電站情況更加突出，值得關(guān)注。

3.2 進(jìn)一步提高通信可靠性

站內(nèi)通信網(wǎng)完成信息傳遞和系統(tǒng)對(duì)時(shí)功能，承擔(dān)著變電站內(nèi)間隔層裝置與變電管理層之間信息的上傳下達(dá)，保證站內(nèi)通信的可靠性是實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的必要條件。目前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)站內(nèi)通信還存在以下問(wèn)題，需要正確對(duì)待、認(rèn)真解決。

1）站內(nèi)通信網(wǎng)多為以太網(wǎng)、LON網(wǎng)、CAN網(wǎng)、RS-485等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，由于涉及到不同的網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換。那么，規(guī)約轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)的性能直接影響到站內(nèi)的通信質(zhì)量，通信規(guī)約程序的優(yōu)劣也直接影響到站內(nèi)的通信質(zhì)量。

2）惡劣的電磁環(huán)境極易損壞站內(nèi)通信網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信接口，嚴(yán)重時(shí)甚至造成整個(gè)通信網(wǎng)通信中斷而影響變電站的安全可靠運(yùn)行。早期就出現(xiàn)過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)通道Modem受雷電波沖擊而損壞的情況，為此我們可以進(jìn)行了下面幾方面的改進(jìn)工作。

（1）改善變電站接地網(wǎng)，同時(shí)做好變電站的防雷措施。

（2）合理安排布置站內(nèi)通信電纜的走向，避免通信電纜與電力電纜平行走線太長(zhǎng)或靠得太近，影響通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

（3）站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)加裝防雷和抑制過(guò)電壓的器件，但同時(shí)也需要考慮加裝防雷和抑制過(guò)電壓器件會(huì)否改變通信網(wǎng)絡(luò)的電氣參數(shù)，影響站內(nèi)通信可靠性。

3.3 繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)的要求

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)除了完成SCADA系統(tǒng)的功能外，還能提供較詳細(xì)的保護(hù)信息。目前，220kV及以上電壓等級(jí)的變電站要求繼電保護(hù)裝置配置專(zhuān)門(mén)的接口，為遠(yuǎn)程調(diào)度端的繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)提供從遠(yuǎn)方監(jiān)視、控制和管理保護(hù)裝置的手段。

1）日常遠(yuǎn)程對(duì)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行情況的監(jiān)視，包括模擬量有效值的檢查、開(kāi)關(guān)量輸入狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的核實(shí)、保護(hù)定值及保護(hù)壓板的核對(duì)、保護(hù)軟件版本的管理等。

2）電網(wǎng)事故時(shí)主站繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)各變電站繼電保護(hù)裝置上送的保護(hù)動(dòng)作信息進(jìn)行推理分析，明確事故發(fā)生的區(qū)域和事故性質(zhì)，便于調(diào)度員及時(shí)進(jìn)行事故處理。

3）事故后主站繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用各變電站保護(hù)動(dòng)作信息和故障錄波信息對(duì)保護(hù)裝置的動(dòng)作行為分析判斷，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性進(jìn)行評(píng)估，制定相應(yīng)的安全措施管理和反事故措施管理。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試的模擬程序

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的調(diào)試是分階段進(jìn)行的，間隔層設(shè)備的調(diào)試與監(jiān)控機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)點(diǎn)及調(diào)度端數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)點(diǎn)不是同時(shí)進(jìn)行，如果設(shè)備制造廠家提供的產(chǎn)品具有模擬實(shí)際遙信和虛擬遙信的對(duì)點(diǎn)測(cè)試程序功能，將大大減少現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試工作量。目前，在沒(méi)有模擬程序的情況下，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）變電站站端監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試完畢后，如需對(duì)調(diào)度端聯(lián)調(diào)時(shí)，各“四遙”點(diǎn)的調(diào)試需重新做一次，增加近1倍的工作量。但對(duì)調(diào)度端的聯(lián)調(diào)只是檢驗(yàn)站端和調(diào)度端的通信規(guī)約及調(diào)度端數(shù)據(jù)庫(kù)的正確性，如果間隔層裝置具有各“四遙”點(diǎn)的模擬生成功能，將大大減少聯(lián)調(diào)工作量。

2）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，如果一次設(shè)備不具備聯(lián)調(diào)條件，站端和調(diào)度端的通信規(guī)約及數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)部分的正確性就無(wú)法得到檢驗(yàn)，利用模擬程序進(jìn)行調(diào)試，該項(xiàng)調(diào)試工作就不會(huì)延誤。

3）站端或調(diào)度端的數(shù)據(jù)庫(kù)修改后，要檢驗(yàn)相應(yīng)的“四遙”信息的正確性，需重新模擬故障和試驗(yàn)，工作量大且速度慢，有了模擬程序就可以輕松完成這項(xiàng)驗(yàn)證工作。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的模擬生成“四遙”信息的程序能大大減輕現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量，提高調(diào)試效率，但同時(shí)要注意對(duì)真實(shí)信息和模擬信息在站端及調(diào)度端顯示的區(qū)分，以避免信息誤導(dǎo)影響運(yùn)行記錄。

3.5 應(yīng)用主站模擬程序進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)調(diào)試

為了縮短自動(dòng)化系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間、減少自動(dòng)化系統(tǒng)調(diào)試的人力，可以采用主站模擬程序進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)的調(diào)試。

1）主站模擬程序由遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約模塊和主站數(shù)據(jù)庫(kù)模塊組成，可以直接在站內(nèi)的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

2）該計(jì)算機(jī)通過(guò)串口或者以太網(wǎng)口直接與遠(yuǎn)動(dòng)通訊機(jī)通信，使得站內(nèi)的“四遙”信息可以非常直觀地在主站模擬程序中看到，同時(shí)又可以檢驗(yàn)主站的數(shù)據(jù)庫(kù)做得是否正確。

4 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能配置在現(xiàn)階段能滿足變電站運(yùn)行的基本要求，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)的運(yùn)行和管理對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)將提出更多的要求，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能將不斷豐富和發(fā)展。

4.1 電能質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)

由于電力市場(chǎng)機(jī)制的形成與規(guī)范，用電方對(duì)電能質(zhì)量的要求也在逐步提高。為了規(guī)范供、用電雙方對(duì)電能質(zhì)量的共識(shí)，國(guó)家有關(guān)部門(mén)相繼頒布了5個(gè)與電能質(zhì)量相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)電網(wǎng)頻率允許偏差、供電電壓允許偏差以及三相電壓不平衡度三項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)已在現(xiàn)有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中作了要求，對(duì)于諧波和電壓閃變這2項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)也需要在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中加以考慮。目前，國(guó)家電網(wǎng)正逐步在220kV及以上等級(jí)的變電站建設(shè)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置。

4.2 電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

近年來(lái)，電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)已在高電壓等級(jí)變電站開(kāi)始應(yīng)用，它可以改變變電站電氣設(shè)備的檢修方式，由定期計(jì)劃?rùn)z修變?yōu)闋顟B(tài)檢修，減少不必要的設(shè)備檢修，提高設(shè)備利用率。主要包括以下幾方面的內(nèi)容：

1）電容器設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷。監(jiān)測(cè)電容型電氣設(shè)備的電流值的變化率△I/I、絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)tan以及電容量的變化△C/C，即可判斷電容型電氣設(shè)備是否存在絕緣問(wèn)題。

2）變壓器的監(jiān)測(cè)與診斷。對(duì)充油式變壓器采用油中溶解氣體的色譜分析進(jìn)行絕緣診斷已得到廣泛應(yīng)用，另外局部放電測(cè)量也是變壓器監(jiān)測(cè)診斷的重要手段。

3）高壓斷路器的監(jiān)測(cè)與診斷，包括斷路器的絕緣監(jiān)測(cè)、滅弧時(shí)間監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)行程動(dòng)作時(shí)間監(jiān)測(cè)等。

4.3 數(shù)字式視頻圖像監(jiān)視技術(shù)

視頻圖像監(jiān)視系統(tǒng)既可以解決無(wú)人值班站的安全保衛(wèi)、消防等方面問(wèn)題，也可以讓運(yùn)行人員進(jìn)行遠(yuǎn)程巡視。該系統(tǒng)融入變電站自動(dòng)化系統(tǒng)后可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與視頻監(jiān)視系統(tǒng)傳遞信息，實(shí)現(xiàn)事故狀態(tài)下對(duì)一次設(shè)備或相應(yīng)環(huán)境的錄像監(jiān)視，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制時(shí)對(duì)被控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行錄像監(jiān)視；

2）對(duì)移動(dòng)物體的監(jiān)視，當(dāng)該區(qū)域有物體移動(dòng)時(shí)，可自動(dòng)錄像，并在監(jiān)控屏幕上提示有移動(dòng)物體侵入。

[1]DL/T587-1996，微機(jī)保護(hù)裝置運(yùn)行管理規(guī)程[S].

[2]程波.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2002.

[3]何曉斌，何李麗.變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)問(wèn)題淺析[J].山東電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2007.

[4]陳聯(lián)松.電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化相關(guān)問(wèn)題的研究[J].科技信息，2008.