变电站自动化系统发展浅析

变电站自动化系统发展浅析

教研室　石逢

摘要：在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现，变电站自动化技术即将进入数字化新阶段。本文论述了数字化变电站自动化系统的特征、结构及功能划分等。

关键词：变电站；自动化；数字化；智能化

变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平，在我国城乡电网改造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班，而且在 220kV 及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术，从而大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可能性，降低了变电站建设的总造价，这已经成为不争的事实。然而，技术的发展是没有止境的，随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响，全数字化的变电站自动化系统即将出现。

一、数字化变电站自动化系统的特点

1．智能化的一次设备一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。

2．网络化的二次设备

变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源其享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。

3．自动化的运行管理系统

变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。

二、数字化变电站自动化系统的结构

在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式互感器机电一体化设备的出现，变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O 单元，如 A/D 变换、光隔离器件、控制操作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的 I/O 部分；而在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可分为三个层次，根据 IEC6185A 通信协议草案定义，这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”。

1.过程层

过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要功能分三类：（1）电力运行实时的电气量检测；（2）运行设备的状态参数检测；（3）操作控制执行与驱动。

（1）电力运行的实时电气量检测

与传统的功能一样，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测，其他电气量如有功、无功、电能量可通过间隔层的设备运算得出。与常规方式相比所不同的是传统的电磁式电流互感器、电压互感器被光电电流互感器、光电电压互感器取代；采集传统模拟量被直接采集数字量所取代，这样做的优点是抗干扰性能强，绝缘和抗饱和特性好，开关装置实现了小型化、紧凑化。

（2）运行设备的状态参数在线检测与统计

变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。

（3）操作控制的执行与驱动操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断路器、刀闸合分控制，直流电源充放电控制。过程层的控制执行与驱动大部分是被动的，即按上层控制指令而动作，比如接到间隔层保护装置的跳闸指令、电压无功控制的投切命令、对断路器的遥控开合命令等。在执行控制命令时具有智能性，能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器定相合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。又例如对真空开关的同步操作要求能做到开关触头在零电压时关合，在零电流时分断等。

2．间隔层

间隔层设备的主要功能是：（1）汇总本间隔过程层实时数据信息；（2）实施对一次设备保护控制功能；（3）实施本间隔操作闭锁功能；（4）实施操作同期及其他控制功能；（5）对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；（6）承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。必要时，上下网络接口具备双口全双工方式，以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。

3．站控层

站控层的主要任务是：（1）通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；（2）按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心；（3）接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；（4）具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；（5）具有（或备有）站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至图像，声音等多媒体功能；（6）具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能；（7）具有（或备有）变电站故障自动分析和操作培训功能。

三、数字化变电站自动化系统中的网络选型

网络系统是数字化变电站自动化系统的命脉，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的可用性。常规变电站自动化系统中单套保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是在同一个 CPU 控制下进行的，使得同步采样、A/D 转换，运算、输出控制命令整个流程快速，简捷，而全数字化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个 CPU 协同完成的，如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出是一个复杂问题，其最基本的条件是网络的适应性，关键技术是网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定。

如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任数字化变电站自动化的技术要求。目前以太网（ethernet）异军突起，已经进入工业自动化过程控制领域，固化 OSI 七层协议，速率达到100MHz 的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现，数字化变电站自动化系统的两级网络全部采用 100MHz 以太网技术是可行的。

四、数字化变电站自动化系统发展中的主要问题

在三个层次中，数字化变电站自动化系统的研究正在自下而上逐步发展。目前研究的主要内容集中在过程层方面，诸如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发。国外已有一定的成熟经验，国内的大专院校、科研院所以及有关厂家都投入了相当的人力进行开发研究，并且在某些方面取得了实质性的进展。但归纳起来，目前主要存在的问题是：（1）研究开发过程中专业协作需要加强，比如智能化电器的研究至少存在机、电、光三个专业协同攻关；（2）材料器件方面的缺陷及改进；（3）试验设备、测试方法、检验标准，特别是 EMC（电磁干扰与兼容）控制与试验还是薄弱环节。

五、结束语

本文论述了数字化变电站综合自动化系统的特征、结构及其发展。数字化变电站自动化是一个系统工程，要实现全部数字化变电站自动化的功能，还有许多技术问题需要攻关解决，相信在不太运的将来数字化的变电站自动化系统，将有一个蓬勃的发展期。