變電站自動化現(xiàn)狀
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摘要：根據(jù)我國電力系統(tǒng)變電站自動化的現(xiàn)狀，分析了變電站自動化當前存在的問題，討論了變電站自動化系統(tǒng)應滿足變電站無人值班要求的層次結構和功能設置原則，并據(jù)此提出了改進意見。
關鍵詞：變電站自動化；監(jiān)控；網(wǎng)絡
Abstract：BasedonthepresentstateofsubstationautomationforelectricpowersysteminChina,theexistingdefectsofsubstationautomationareanalyzedthesubstationautomationsystemstructureandfunctionconfigurationprinciplestomeettherequirementsofunmannedsubstationarediscussed.Byinvestigatingthepresentoperationalsituation,theauthorputsforwardthesuggestionsforimprovement.
Keywords：substationautomation;monitoringandcontrol;network
當前進行的輸變電建設和城鄉(xiāng)電網(wǎng)的建設與改造，對新世紀電力工業(yè)發(fā)展有著重要的作用。因此，產品技術要先進，產品質量要過硬，應達到30～40年后也能適用的水平；而且產品必須要國產化。為此有必要對我國變電站自動化的現(xiàn)狀作深刻的分析，發(fā)現(xiàn)問題并提出改進意見，使我國城鄉(xiāng)變電站自動化的水平達到上述要求。
1變電站自動化的現(xiàn)狀
變電站二次設備按功能分為四大模塊：①繼電保護及自動裝置；②儀器儀表及測量控制；③當?shù)乇O(jiān)控；④遠動。四大模塊功能的各自不同的發(fā)展及其功能的相互滲透，為變電站自動化提供了多種多樣的實現(xiàn)模式，可概括為兩種基本實現(xiàn)模式：①保護加集中RTU模式，面向功能；②保護加分散RTU模式，面向對象。
1.1保護加集中RTU模式，面向功能
(1)繼電保護及自動安全裝置獨立運行；儀器儀表獨立運行；中央信號盤及控制盤與繼電保護及自動安全裝置通過接點連接；有人值班，定時抄錄運行記錄；變電站運行有異常時通過電話與調度聯(lián)系。
(2)繼電保護及自動安全裝置獨立運行；儀器儀表獨立運行；中央信號盤及控制盤與繼電保護及自動安全裝置通過接點連接；集中RTU，功能有①數(shù)據(jù)采集功能：完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等，完成脈沖量采集如電度(電度表通過脈沖與RTU連接)，完成數(shù)字量采集如檔位等，完成信號量采集(其中繼電保護及自動安全裝置也通過接點與RTU連接)。②控制功能：控制開關、分級頭等。③通信功能：與當?shù)乇O(jiān)控通信，與遠方調度通信；有人值班，運行當?shù)乇O(jiān)控，定時抄錄運行記錄；變電站運行有異常時通過RTU及電話與調度聯(lián)系，調度可以遠方監(jiān)視變電站運行情況和遙控變電站設備。
(3)繼電保護及自動安全裝置獨立運行；儀器儀表獨立運行；集中RTU，功能有①數(shù)據(jù)采集功能：完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等，完成脈沖量采集如電度(電度表通過脈沖與RTU連接)，完成數(shù)字量采集(其中繼電保護及自動安全裝置通過串口與RTU通信)，完成信號量采集。②控制功能：控制開關、分級頭等。③通信功能：與當?shù)乇O(jiān)控通信，與遠方調度通信；有人值班，運行當?shù)乇O(jiān)控，變電站運行有異常時通過RTU及電話與調度聯(lián)系，調度可以遠方監(jiān)視變電站運行情況和遙控變電站設備。
(4)繼電保護及自動安全裝置獨立運行；儀器儀表獨立運行；集中RTU，具有的功能為①數(shù)據(jù)采集功能：完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等，完成脈沖量采集如電度(電度表通過脈沖與RTU連接)，完成數(shù)字量采集(其中繼電保護及自動安全裝置通過串口與RTU通信)，完成信號量采集。②控制功能：控制開關、分級頭等。③通信功能：與遠方調度通信；無人值班，變電站運行有異常時通過RTU與調度聯(lián)系，調度可以遠方監(jiān)視變電站運行情況和遙控變電站設備。
(5)繼電保護及自動安全裝置獨立運行；儀器儀表獨立運行；集中RTU，模塊式設計，功能為①數(shù)據(jù)采集功能：智能模擬量采集模塊，智能脈沖量采集模塊，智能數(shù)字量采集模塊(其中繼電保護及自動安全裝置通過串口與RTU通信)，信號量采集模塊。②控制功能：智能控制量輸出模塊。③通信功能：與遠方調度通信；無人值班，變電站運行有異常時通過RTU與調度聯(lián)系，調度可以遠方監(jiān)視變電站運行情況和遙控變電站設備。
1.2保護加分散RTU模式，面向對象
(1)繼電保護及自動安全裝置獨立運行；儀器儀表獨立運行；分散RTU，面向對象，單元式設計，其功能有①數(shù)據(jù)采集功能：完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等，完成脈沖量采集如電度，完成數(shù)字量采集，完成信號量采集。②控制功能：控制開關、分級頭等。③通信功能：與當?shù)乇O(jiān)控通信；繼電保護及自動安全裝置通過串口與當?shù)乇O(jiān)控通信；當?shù)乇O(jiān)控與調度通信；有人值班，運行當?shù)乇O(jiān)控，變電站運行有異常時通過當?shù)乇O(jiān)控及電話與調度聯(lián)系，調度可以遠方監(jiān)視變電站運行情況和遙控變電站設備。
(2)繼電保護及自動安全裝置獨立運行；儀器儀表獨立運行；分散RTU，面向對象，單元式設計，功能有①數(shù)據(jù)采集功能：完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等，完成脈沖量采集如電度，完成數(shù)字量采集，完成信號量采集。②控制功能：控制開關、分級頭等。③通信功能：與前置采集機通信；繼電保護及自動安全裝置通過串口與前置采集機通信；前置采集機與當?shù)乇O(jiān)控及調度通信，前置采集機可以采用兩臺，互相切換，當?shù)乇O(jiān)控也可以采用兩臺或多臺；有人值班，運行當?shù)乇O(jiān)控，變電站運行有異常時通過前置采集機及電話與調度聯(lián)系，調度可以遠方監(jiān)視變電站運行情況和遙控變電站設備。
(3)繼電保護及自動安全裝置獨立運行；儀器儀表獨立運行；分散RTU，面向對象，單元式設計，具有以下功能①數(shù)據(jù)采集功能：完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等，完成脈沖量采集如電度，完成數(shù)字量采集，完成信號量采集。②控制功能：控制開關、分級頭等。③通信功能：與前置采集機通信；繼電保護及自動安全裝置通過串口與前置采集機通信；前置采集機與調度通信；無人值班，變電站運行有異常時通過前置采集機及電話與調度聯(lián)系，調度可以遠方監(jiān)視變電站運行情況和遙控變電站設備。
(4)繼電保護及自動安全裝置獨立運行；儀器儀表獨立運行；分散RTU，面向對象，單元式設計，其功能為①數(shù)據(jù)采集功能：完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等，完成脈沖量采集如電度，完成數(shù)字量采集，完成信號量采集。②控制功能：控制開關、分級頭等。③通信功能：通過總線網(wǎng)與當?shù)乇O(jiān)控及遠方調度通信；繼電保護及自動安全裝置通過總線網(wǎng)與當?shù)乇O(jiān)控及遠方調度通信；有人或無人值班，運行當?shù)乇O(jiān)控，變電站運行有異常時通過遠動及電話與調度聯(lián)系，調度可以遠方監(jiān)視變電站運行情況和遙控變電站設備。
(5)繼電保護及自動安全裝置與分散RTU合二為一，具備的功能為①繼電保護及自動安全裝置功能。②數(shù)據(jù)采集功能：完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等，完成脈沖量采集如電度，完成數(shù)字量采集，完成信號量采集。③控制功能：控制開關、分級頭等。④通信功能：通過串口或總線網(wǎng)與當?shù)乇O(jiān)控及遠方調度通信；儀器儀表獨立運行；有人或無人值班，運行當?shù)乇O(jiān)控，變電站運行有異常時通過遠動及電話與調度聯(lián)系，調度可以遠方監(jiān)視變電站運行情況和遙控變電站設備。
除了以上10種模式外可能還有其他種類，如安裝方式就地化、某些功能分散化等，但都可歸為以上兩大模式。第一大模式對老站改造特別適合，第二大模式是正在發(fā)展的模式。下面討論其技術發(fā)展的走勢。
2變電站自動化的發(fā)展
2.1分層分布成為潮流
變電站自動化系統(tǒng)縱向分層：站級層、網(wǎng)絡層、就地層；每層按功能或安裝位置橫向分布。
(1)站級層橫向按功能分布為當?shù)乇O(jiān)控和繼保功能及遠方監(jiān)控和繼保功能。站級層功能分布的形式取決于網(wǎng)絡層的結構。
當?shù)乇O(jiān)控功能作為當?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?shù)亍八倪b”即對系統(tǒng)運行狀況如潮流、電度、開關狀態(tài)等進行實時監(jiān)視，按需及“五防”要求控制開關及刀閘的跳合，按需調節(jié)檔位，以及有關MIS系統(tǒng)。
當?shù)乩^保功能作為當?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保及自動安全裝置的運行狀況如裝置是否故障、定值是否改變、采樣是否準確等進行實時監(jiān)視，根據(jù)運行需要決定保護投退和定值修改，故障發(fā)生后通過故障錄波進行故障分析和診斷。
當?shù)乇O(jiān)控和繼保功能可以各自獨立，也可以合二為一。
遠方監(jiān)控和繼保功能是當?shù)乇O(jiān)控和繼保功能通過通信在遠方實現(xiàn)，是無人值班變電站的前提條件。遠方監(jiān)控和繼保功能同樣可以各自獨立即通過不同的通道和規(guī)約分別接至調度和繼保，也可以合二為一即通過同一通道接至遠方終端。
站級層基本要求為①可靠性：不能死機、能夠自動恢復等。②開放性：模塊化設計便于剪裁、適合不同遠方規(guī)約要求。
(2)網(wǎng)絡層完成信息傳遞和對時功能，通過信息交換，實現(xiàn)信息共享，減少變電站設備的重復配置，簡化設備之間的互連，從整體上提高變電站自動化系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性。目前有兩種通信機制：POLLING通信機制及CSMA/CD通信機制。POLLING拓撲結構可以是星形網(wǎng)也可以是總線網(wǎng)，以485為代表。CSMA/CD拓撲結構一般為總線網(wǎng)，以LON為代表。可以通過485轉LON的轉接器及LON的計算機串口卡或總線卡完成這兩種網(wǎng)絡的互換。
下面分析485，LON這兩種網(wǎng)的優(yōu)缺點(如表1)。
表1485，LON網(wǎng)性能對照表
性能485星形網(wǎng)485總線網(wǎng)LON總線網(wǎng)
通信機制POLLINGPOLLINGCSMA/CD
拓撲結構星形網(wǎng)總線網(wǎng)總線網(wǎng)
計算機接口多串口卡串口卡/總線卡串口卡/總線卡
通信速率9.6kbps9.6/187.5kbps9.6/78kbps
最大節(jié)點數(shù)不限3264
最大通信距離2000M1000M2000M
傳輸介質雙絞線/光纖雙絞線/光纖雙絞線/光纖
傳輸能力字節(jié)傳輸字節(jié)傳輸字節(jié)傳輸
報文格式顯式報文顯式報文顯式/隱式報文
網(wǎng)管工具不需不需不需/需要
節(jié)點增加方便方便方便/麻煩
字節(jié)丟失不可能不可能可能
最快實時性波特率1
節(jié)點數(shù)波特率1
節(jié)點數(shù)波特率1
節(jié)點數(shù)
一般實時性較慢較慢較快
最慢實時性波特率
節(jié)點數(shù)波特率
節(jié)點數(shù)可能丟失
網(wǎng)絡可靠性很可靠較可靠較可靠
站級層功能分布需要雙前置需要雙前置需要雙LON卡
采集方式單采、故障時
切換單采、故障時
切換雙采、各采
各送
下位網(wǎng)雙網(wǎng)結構可以可以可以
下位網(wǎng)網(wǎng)絡分段可以可以可以
對外開放性開放開放困難
需要文件傳輸時采用以太網(wǎng)采用以太網(wǎng)采用以太網(wǎng)
上位網(wǎng)雙網(wǎng)結構可以可以可以
單機方式時單前置為瓶頸單前置為瓶頸當?shù)睾瓦h方獨立
不需當?shù)毓δ軙r沒有瓶頸沒有瓶頸沒有瓶頸
就地層設備互操不能不能可以
網(wǎng)絡層基本要求是①可靠性：抗干擾能力強、任一節(jié)點損壞不能影響整個網(wǎng)絡等。②開放性：兼容其他外部設備，適合不同通信介質及規(guī)約要求。③實時性：實時傳遞信息。
(3)就地層主要是繼保、監(jiān)控設備層，可組屏也可分布在各繼電保護小間內即安裝在開關柜上，繼保、監(jiān)控既可以各自獨立也可以合二為一。它對相關一次設備進行保護、測量和控制，協(xié)調就地層、站級層、遠方終端的操作要求，對采集的信息進行處理上送，并在站級層、遠方終端控制失效的情況下仍能完成保護、測量和控制功能。
保護及自動裝置基本要求是①可靠性：該動作時應動作，不該動作時不動作。②選擇性：首先由故障設備或線路本身的保護動作，如其拒動時由相鄰設備或線路的保護動作。③靈敏性：保護裝置對保護范圍內的故障應具備必要的靈敏系數(shù)。④速動性：盡快切除故障，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減輕損壞程度等。
測量控制裝置基本要求是①可靠性：抗干擾能力強，控制被控對象時，其他對象不能亂動。②準確性：模擬量測量、脈沖量測量、開關量測量、數(shù)字量測量達到規(guī)定精度要求。
(4)三層之間的關系。站級層、網(wǎng)絡層、就地層既相互獨立又相互聯(lián)系，站級層功能的實現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡層和就地層的完好性，但是就地層功能的實現(xiàn)，特別是繼電保護及安全自動裝置的功能的實現(xiàn)決不能依賴于網(wǎng)絡層和站級層的完好性。
(5)整體性能的考慮。必須滿足如下10項基本要求：可靠性、開放性、實時性、選擇性、靈敏性、速動性、準確性、經(jīng)濟性、方便性、統(tǒng)一性。
2.2現(xiàn)場設備功能的相互滲透
隨著變電站自動化的發(fā)展，各專業(yè)技術相互滲透，已沒有非常明顯的界限，問題的處理需要各專業(yè)人員協(xié)同配合，否則將阻礙變電站自動化技術的發(fā)展。
2.2.1低周減載的分散化
低周減載將分散到220kV出線、110kV出線、66kV出線、35kV出線、10kV出線、220kV主變的中低壓側后備保護、110kV主變的中低壓側后備保護、35kV主變的低壓側后備保護等，從而形成低周減載的網(wǎng)絡。
2.2.2小電流接地選線的分散化
眾所周知，小電流接地選線的基本原理如下：
(1)對中性點不接地系統(tǒng)采用：①比較基波零序電流大小；②比較基波零序功率方向；③比較基波零序電流方向；④比較基波電流最大值方向。
(2)對中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)采用：①比較五次諧波電流大小；②比較五次諧波功率方向；③比較五次諧波電流方向；④比較五次諧波電流最大值方向。
因此將小電流接地選線分散到出線保護中，不能單獨完成選線功能，必須依賴就地層所有出線保護裝置、網(wǎng)絡層、站級層的完好性，將所有出線同時刻信息匯總后，才能作出正確判斷，同時刻信息的條件可以采用3U0的同時出現(xiàn)來滿足。
將小電流接地選線分散到出線保護中，可以獨立實現(xiàn)自動或手動接地探索，通過跳閘和重合閘來進行。
小電流接地選線功能不是可有可無的不重要的功能，現(xiàn)場報道過當出線發(fā)生單相接地故障后由于未能及時報警故未能及時解除故障而導致人畜傷亡的不幸事件。因此小電流接地選線的分散化，成為一個爭論的焦點。
2.2.3同期操作的分散化
傳統(tǒng)自動同期重合閘，由保護裝置的同期檢測回路及軟件共同實現(xiàn)。
傳統(tǒng)開關的手動或遙控同期操作，由手動或遙控繼電器切換同期點的電壓及同期點的合閘操作回路和同期判別裝置共同實現(xiàn)。
因此傳統(tǒng)的集中同期方式接線復雜。
可以將手動或遙控同期功能分散到保護裝置中，或分散到單元式測控裝置中。
2.2.4母線保護的分散化
傳統(tǒng)母線保護必須把母線所有的TA二次集中到母線保護裝置中，母線保護的出口又必須連接到母線上各元件的跳閘回路，因此接線復雜。
母線保護能否分散到線路保護中，并通過專用網(wǎng)絡傳遞信息，實現(xiàn)母線保護功能，可以采用GPS同步。由于母線保護的重要性，因此母線保護的分散化成為又一個爭論的焦點。
2.2.5故障錄波的分散化
故障錄波的作用為：①分析繼電保護及安全自動裝置的動作行為；②分析故障過程、故障類型、故障水平、故障遠近等。
因此故障錄波的分散化不影響變電站自動化的可靠性，但是怎么分散才能達到故障錄波的應有作用是值得考慮的。
目前利用繼電保護及安全自動裝置提供的數(shù)據(jù)來替代故障錄波是不恰當?shù)模淅碛蔀椋孩俟收箱洸ǖ耐旰眯砸蕾囉诶^電保護及安全自動裝置的完好性，自己不能證明自己；②分散式故障錄波應從模擬量輸入、開關量輸入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的分析判斷以及電源都獨立于繼電保護及安全自動裝置。
因此重要的變電站在獨立的分散故障錄波出來之前，應采用集中式故障錄波。
2.2.6電壓和無功的控制
電壓和無功的控制一般采用調整變壓器分接頭，投切電容器組、電抗器組、同步調相機等方式實現(xiàn)。操作方式有：手動、遙控、自動。
目前電壓和無功的控制功能有兩種實現(xiàn)方式：①專門的電壓和無功控制設備；②由站級層根據(jù)就地層通過網(wǎng)絡層提供的電壓、無功、抽頭、開關狀態(tài)等信息由軟件完成。
2.2.7“五防”操作及操作票
防誤閉鎖方式基本有：簡單的掛鎖、機械連鎖、電磁鎖、程序鎖及微機防誤系統(tǒng)等。
①防誤系統(tǒng)與站級層的當?shù)乇O(jiān)控及遠動主站通信，確保當?shù)乇O(jiān)控與遠動對斷路器、電動刀閘的控制操作經(jīng)防誤系統(tǒng)允許；②防誤系統(tǒng)出具操作票；③就地操作經(jīng)五防鎖控制。
將“五防”功能由就地層本身實現(xiàn)，達到本單元“五防”功能；
將“五防”功能由當?shù)乇O(jiān)控和遠動主站本身實現(xiàn)，達到系統(tǒng)級“五防”功能。
2.2.8GPS對時問題
傳統(tǒng)GPS對時是由GPS同站級層對時然后通過網(wǎng)絡層對就地層設備廣播對時，此方法缺點是就地層設備對廣播對時的響應不一致導致對時精度不能真正滿足SOE的要求，因此應將GPS直接對就地層設備對時。
2.2.9保護測控一體化
對低壓設備或農網(wǎng)設備，可以將保護、測控合二為一，當然TA回路要分開，以保證精度要求。
一體化裝置必須優(yōu)先滿足繼電保護及安全自動裝置的四性要求。一體化裝置的出現(xiàn)要求用戶體制適當調整。
未來有可能將智能儀表、電源等同以上功能一體化。
2.3現(xiàn)場設備安裝方式的就地化
就地層設備直接下放到開關柜，對沒有開關柜的直接采用專用柜體安裝到一次設備現(xiàn)場。
就地層設備需達到幾項要求：①溫度、濕度適用范圍；②抗干擾能力；③抗振動能力；④對灰塵、風霜雨雪環(huán)境的要求等。
2.4遠方調度的新發(fā)展
不再滿足于“四遙”功能，向遙視、電力MIS、電力市場(經(jīng)濟調度)、智能調度(自動決定運行方式、自動恢復送電等)方向發(fā)展。
需要對遠動規(guī)約進一步擴充，才能滿足遠方調度的新發(fā)展。
2.5遠方繼電保護進一步發(fā)展
遠方監(jiān)視繼電保護及安全自動裝置的運行情況，如裝置是否故障、采樣是否正確、定值是否變化、自檢是否正常等，遠方修改保護定值，遠方投退保護，遠方故障錄波，遠方故障測距，遠方故障探索，遠方故障分析等。
遠方繼電保護可以同遠動共通道也可以不共通道，但其規(guī)約不同于遠動規(guī)約，需要有關部門盡早制定，或同遠動規(guī)約合并，以便遠方繼電保護的發(fā)展。
2.6無人與有人值班的爭論
(1)防火、保安系統(tǒng)怎么接入。
(2)變壓器滲油、非正常聲音、瓷瓶開裂、局部放電等非電氣量怎么處理。
(3)一次設備是否全部可以電動操作。
(4)設備損壞但未能遠方報警等。
以上是實現(xiàn)無人值班的障礙。因此現(xiàn)在變電站基本處于從多人值班到少人值班，從少人值班到無人值班有人巡視的逐步過渡的過程。
實行無人值班有人巡視方式時，站級層設備中當?shù)乇O(jiān)控可有可無，因此網(wǎng)絡層采用POLLING機制比采用CSMA/CD機制可靠性高，當?shù)乇O(jiān)控將被遠方調度的監(jiān)控系統(tǒng)取代，為方便當?shù)卣{試可以預留當?shù)乇O(jiān)控的接口，以便同便攜機相連，臨時代替當?shù)乇O(jiān)控的功能。
3結論
(1)分層分布成為潮流。
(2)站級層中當?shù)乇O(jiān)控功能將隨著無人值班而消失，其功能將會出現(xiàn)在小區(qū)中心值班站或調度所，相應地遠動功能將進一步增強。
(3)網(wǎng)絡層技術特別是現(xiàn)場網(wǎng)將進一步發(fā)展。
(4)就地層設備功能的相互滲透、安裝的就地化、工藝的提高、使用的方便性將會進一步深化。
(5)遠動規(guī)約、現(xiàn)場設備的規(guī)約進一步擴充和規(guī)范。
(6)遠方繼電保護進一步發(fā)展。
(7)向其他相關領域技術滲透。
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