大慶油田無人值守變電站的微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)改造

王同強(qiáng)

大慶油田工程有限公司

隨著變電站微機(jī)綜合自動化技術(shù)的逐步發(fā)展，變配電一次、二次設(shè)備的不斷更新，以及通信信息技術(shù)的更新?lián)Q代，變電站無人值守在電力系統(tǒng)的各級變電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行中得到了廣泛應(yīng)用[1]。在企業(yè)電網(wǎng)中由于受管轄變電站規(guī)模數(shù)量、企業(yè)用戶的負(fù)荷特殊性、運(yùn)行部門管理水平等多種因素影響，變電站無人值守的推進(jìn)和開展較慢。在全國油田系統(tǒng)中，大慶油田率先開始在110 kV 和35 kV 變電站設(shè)計(jì)運(yùn)行中采用變電站無人值守模式。2008 年，大慶油田首先在運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)較成熟、與用戶生產(chǎn)負(fù)荷直接聯(lián)系較少的110 kV 變電站開始實(shí)行變電站無人值守。近幾年，大慶油田逐步開始對35 kV 變電站進(jìn)行無人值守改造。變電站無人值守改造的核心是對現(xiàn)有變電站微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)的技術(shù)改造[2]。

1 微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)

變電站微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)是變電站無人值守的主要技術(shù)基礎(chǔ)，為推廣變電站無人值守提供了必要條件[3]。近年來，數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)、智能電氣設(shè)備以及相關(guān)通信技術(shù)的發(fā)展，推動了變電站微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)朝著數(shù)字化方向邁進(jìn)。

1.1 基本功能

油田變電站微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)的基本功能主要在4 個子系統(tǒng)中體現(xiàn)[4]，即繼電保護(hù)子系統(tǒng)，監(jiān)控子系統(tǒng)，電壓、頻率、備用電源自投、無功負(fù)荷控制子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)。

根據(jù)負(fù)荷要求、管理要求、電壓等級等因素，有些子系統(tǒng)可進(jìn)行取舍或合并。對大慶油田35 kV變電站而言，一般電壓、頻率、備用電源自投、無功負(fù)荷控制子系統(tǒng)比較弱化，可通過監(jiān)控子系統(tǒng)和繼電保護(hù)子系統(tǒng)的聯(lián)動實(shí)現(xiàn)其功能，同時各已建變電站由于系統(tǒng)老化，通信子系統(tǒng)及監(jiān)控子系統(tǒng)部分功能無法滿足數(shù)據(jù)上傳要求，且通信規(guī)約不兼容，往往需要對現(xiàn)有微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)進(jìn)行必要的升級改造或更換新一代的微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)。

1.2 結(jié)構(gòu)類型

變電站微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上主要分為集中式、分布式、分散分布式自動化系統(tǒng)，以及數(shù)字化變電站幾種類型[5]。

（1）集中式自動化系統(tǒng)。該類型的自動化系統(tǒng)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(yùn)算，完成監(jiān)控、保護(hù)等功能。其適用于中、小型變電站。

（2）分布式自動化系統(tǒng)。分布式自動化系統(tǒng)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。其擴(kuò)展和維護(hù)方便，局部故障不影響其他模塊正常運(yùn)行。該類型在安裝上可以集中組屏或分屏組屏。

（3）分散分布式自動化系統(tǒng)。分散分布式自動化系統(tǒng)中，間隔層中各數(shù)據(jù)采集、控制單元和保護(hù)單元就地分散安裝在開關(guān)柜上，各個單元之間相互獨(dú)立，通過通信網(wǎng)互聯(lián)，并同變電站級測控主單元通信。保護(hù)功能在間隔層完成，不依賴于通信網(wǎng)。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。

（4）數(shù)字化變電站。數(shù)字化變電站指信息采集、處理、傳輸過程完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的變電站。數(shù)字化變電站的主要特點(diǎn)為以數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開關(guān)等智能設(shè)備為基礎(chǔ)的一次設(shè)備智能化，通過通信網(wǎng)絡(luò)交換模擬量、開關(guān)量和控制命令等信息實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，以及通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，與自動故障分析、狀態(tài)監(jiān)測等高級應(yīng)用功能相結(jié)合。其基本特征為設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)行管理自動化等。由于受目前設(shè)備制造等因素影響，目前數(shù)字化變電站的建設(shè)還主要集中在110 kV 及以上變電站。隨著設(shè)備開發(fā)制造水平等的逐步提升，變電站設(shè)計(jì)也將逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化[6]。

大慶油田自1998 年開始建設(shè)第一座35 kV 綜合自動化變電站以來，微機(jī)綜合自動化在建設(shè)與改造過程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，變電站建設(shè)結(jié)構(gòu)模式以分散分布式為主。隨著數(shù)字化變電站關(guān)鍵設(shè)備的逐漸成熟，未來在技術(shù)發(fā)展上將以數(shù)字化變電站和智能變電站為主要發(fā)展方向。

2 系統(tǒng)改造

變電站無人值守設(shè)計(jì)的核心是將變電站監(jiān)控信息上傳至調(diào)度集控中心，通過調(diào)度中心對變電站數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，附以定期或不定期的巡視操作和檢修，從而取代原有變電站值班人員的現(xiàn)場監(jiān)視操作。因此變電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳及變電站遠(yuǎn)方操作功能的設(shè)置是變電站無人值守改造成敗的關(guān)鍵因素。在同一管理單位范疇，為實(shí)現(xiàn)變電站無人值守操作的流程化、標(biāo)準(zhǔn)化，避免誤操作，微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)監(jiān)控信息應(yīng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。對于新建站這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)相對容易，對于改造站場，除一些可選性信息以外也必須達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

對原設(shè)計(jì)未按照無人值守建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的變電站，需對信息數(shù)據(jù)量進(jìn)行擴(kuò)容，增加遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視部分信息，增加信息量的采集[8]。

自動錄制：錄播系統(tǒng)采用一鍵式自動錄制。錄播系統(tǒng)把授課教師和學(xué)生的音、視頻和電子設(shè)備的圖像信號（包括視頻展臺，白板，PPT，教學(xué)課件等）進(jìn)行同步錄制。教師不需要專業(yè)錄制知識，只需要通過操作面板上的功能按鈕，就可獨(dú)立進(jìn)行專業(yè)的錄制工作。錄制的視頻自動生成標(biāo)準(zhǔn)化的高清流媒體文件，教師只專注教學(xué)活動就可以了，減輕了課程錄制的負(fù)擔(dān)。

（1）遙測量。除采集微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)的有功功率、無功功率、電壓和電流外，還需采集主變壓器溫度、所用變電壓、直流電壓等。

（2）遙信量。在原有的測量開關(guān)位置、保護(hù)動作信號的基礎(chǔ)上，還需接入重要的刀閘位置、主變壓器分接頭等信號。

（3）遙控輸出。按照無人值守變電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的變電站一般只需做好調(diào)試及正確的授權(quán)工作即可實(shí)現(xiàn)變電站的遠(yuǎn)方遙控。其遙控范圍根據(jù)各設(shè)備操作機(jī)構(gòu)的情況可包括斷路器及隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等設(shè)備，結(jié)合大慶油田實(shí)際情況及運(yùn)行需求，目前未對變電站隔離開關(guān)實(shí)施遙控控制。

（4）遙調(diào)輸出。一般包括變壓器抽頭調(diào)整，自動補(bǔ)償電容器的遠(yuǎn)方調(diào)整，保護(hù)定值遠(yuǎn)方給定等功能。結(jié)合大慶油田變電站一次二次設(shè)備及變電站運(yùn)行管理要求，一般僅對變壓器抽頭做遠(yuǎn)方調(diào)整。

（5）遙視信號。為實(shí)現(xiàn)變電站的遠(yuǎn)方監(jiān)控，主要是對變電站內(nèi)外空間環(huán)境的監(jiān)視。一般在無人值守變電站設(shè)計(jì)時均設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的通信通道上傳信號至調(diào)度中心進(jìn)行視頻監(jiān)視。

結(jié)合大慶油田變電站現(xiàn)狀及運(yùn)行需求，確定無人值守變電站四遙信號按照表1 執(zhí)行。

表1 無人值守變電站四遙信號Tab.1 Four remote signals of unattended substation

3 兼容性問題

油田變電站開展無人值守改造，對變電站微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)來說主要面臨兩方面兼容性問題：變電站微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)與上級調(diào)度集控中心之間遠(yuǎn)動通信的外部兼容性問題；變電站微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)裝置更換改造時站控層設(shè)備就地通訊的內(nèi)部兼容性問題。

3.1 外部兼容性問題

外部兼容性問題主要由于早期微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采用的遠(yuǎn)動通信規(guī)約為技術(shù)落后的CDT，101 規(guī)約（串口通信方式），而目前新建調(diào)度集控系統(tǒng)采用的遠(yuǎn)動通訊規(guī)約均為104 規(guī)約（網(wǎng)絡(luò)通信方式），兩者不兼容。甚至個別早期系統(tǒng)并未配備遠(yuǎn)動通信管理機(jī)。這一問題需要通過新建或更換通信管理機(jī)、升級后臺等措施來解決。但新建通信管理機(jī)也存在與已建微機(jī)保護(hù)裝置之間的通信兼容問題。如已建微機(jī)保護(hù)裝置采用的通信方式與其他廠家不兼容，仍需更換原廠通信管理機(jī)。

3.2 內(nèi)部兼容性問題

內(nèi)部兼容性問題主要由于部分油田變電站微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)裝置使用年限長、故障率高，在進(jìn)行無人值守改造時需要更換，而現(xiàn)存廠家種類多、保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部裝置互不兼容造成的。2012年以后，部分投產(chǎn)較早的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)裝置老化、誤動作情況，且許多廠家已退出大慶油田市場或停產(chǎn)，難以獲取廠家技術(shù)支持，也無法采購設(shè)備配件，因此問題的解決較為復(fù)雜。

由于歷史原因，早期油田各變電站采用的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)涉及廠家較多，而電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣頻率要求高，微機(jī)保護(hù)裝置都是用單片機(jī)進(jìn)行的匯編，產(chǎn)品開發(fā)時底層代碼以各廠家自己的原則編制，使用的通信接口各種各樣，沒有遵循國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。如北京四方的LonWorks，東方電子的FDKBUS 接口，南自的CanBus 接口等，不同廠家的產(chǎn)品自成一體，相互之間缺乏兼容性與可擴(kuò)充性。這就導(dǎo)致微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)不同廠家的裝置之間無法通信，給用戶的設(shè)備選型、運(yùn)行、維護(hù)等帶來諸多不便。

目前的大多數(shù)變電站無人值守改造方案仍是盡量利用已建微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)裝置，對于能夠找到原廠的設(shè)備，由原廠配合升級其通信管理機(jī)、后臺等公用設(shè)備實(shí)現(xiàn)與新建調(diào)度系統(tǒng)的通信；對于投運(yùn)時間過長，設(shè)備老化嚴(yán)重，廠家已停產(chǎn)或無售后，故障率高影響到電力運(yùn)行安全的系統(tǒng)考慮予以整體更換。

4 應(yīng)用效果及下一步工作方向

2015年開始，大慶油田35 kV變電站的無人值守技術(shù)改造全面啟動。目前已完成改造的變電站達(dá)到150多座，已實(shí)現(xiàn)了變電站的無人值守和集控中心遠(yuǎn)控運(yùn)行模式，現(xiàn)場運(yùn)行人員全部撤出變電站，年節(jié)約運(yùn)行人員成本1 億多元。通過近2 年的運(yùn)行檢驗(yàn)，大慶油田無人值守變電站的運(yùn)行平穩(wěn)，在減少人員編制的同時，實(shí)現(xiàn)了變電站的智能化，提高了變電站的運(yùn)行水平。

結(jié)合油田變電站的實(shí)際情況，未來在變電站的無人值守設(shè)計(jì)和改造方面主要還有以下工作要做：

（1）在現(xiàn)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探索進(jìn)一步降低巡視操作工作量的可能性。如目前變電站操作很大一部分集中在配合注水站注水電動機(jī)啟動、檢修、維護(hù)工作上。未來可考慮通過在中置式開關(guān)底盤車上增設(shè)電動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控，減少這部分操作量，以及增加戶外裝置測溫的遙視功能，減少現(xiàn)場巡視工作量等。

（2）探索與故障檢測系統(tǒng)及配電網(wǎng)絡(luò)自動化系統(tǒng)的聯(lián)動，減少故障處理的時間，實(shí)現(xiàn)順序操作控制，為油田數(shù)字化建設(shè)和油田站場的無人值守改造提供遠(yuǎn)程電源切換功能等。

（3）密切跟蹤數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，適時推動35 kV 變電站的數(shù)字化建設(shè)。

（4）與變電站的三維設(shè)計(jì)和數(shù)字化移交相結(jié)合，配合狀態(tài)檢修手段，實(shí)現(xiàn)變電站的全生命周期管理。

5 結(jié)束語

變電站微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)是變電站無人值守的主要技術(shù)基礎(chǔ)。對微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)改造關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，確定技術(shù)改造的路線，是變電站無人值守改造的關(guān)鍵。目前的技術(shù)方案在油田變電站無人值守改造中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，取得了良好的應(yīng)用效果。同時我們還應(yīng)該看到，由于企業(yè)電網(wǎng)的特殊性，目前的無人值守變電站改造和設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有變電站建設(shè)現(xiàn)狀和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，因地制宜提出適合大慶油田現(xiàn)狀的改造方案。隨著油田變電站無人值守運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)積累、綜合自動化系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步、新技術(shù)成果的不斷涌現(xiàn)，變電站無人值守作為油田數(shù)字化的一部分，隨著油田數(shù)字化推進(jìn)產(chǎn)生的新需求，未來在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)革新和改造還會有更多的現(xiàn)實(shí)需求。