１１０ｋＶ綜合自動化變電站改造工程的設計分析

[摘要]在綜合自動化變電站改造工程設計過程中，隨著網絡技術的發展、智能化電氣的發展，特別是智能化開關、光電式互感器等機電一體化設備的出現、新的規程規范和標準的應用，變電站自動化技術即將進入數字化新階段。分析110kV綜合自動化變電站改造工程在設計過程中應用新技術、新標準及規范、新產品的方法。

[關鍵詞]綜合自動化變電站 改造 數字化 設計分析

中圖分類號：TM7文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420007－02

一、引言

變電站自動化技術經過十多年的發展已經達到一定的水平，在我國城鄉電網改造與建設中不僅中低壓變電站采用了自動化技術實現無人值班，而且在110kV及以上的超高壓變電站建設中也大量采用自動化新技術，從而大大提高了電網建設的現代化水平，增強了輸配電和電網調度的可能性，降低了變電站建設的總造價，這已經成為不爭的事實。然而，技術的發展是沒有止境的，隨著智能化開關、光電式電流電壓互感器、一次運行設備在線狀態檢測、變電站運行操作培訓仿真等技術日趨成熟，以及計算機高速網絡在實時系統中的開發應用，勢必對已有的變電站自動化技術產生深刻的影響，全數字化的變電站自動化系統即將出現。

然而，目前由于全數字化的變電站需要一段時期的運行經驗，以及技術需要進一步研究、推廣應用和設備造價等原因，全數字化的變電站建設尚在試點建設階段。由于電氣設備使用壽命的原因，變電站改造工程則是每年需要進行的，其中110kV綜合自動化變電站改造工程最多。在現階段下110kV綜合自動化變電站改造工程在設計過程中如何應用新技術、新標準及規范、新產品，這是一個新的課題，也是改造工程設計過程中最為關鍵的問題。

二、目前運行變電站的基本狀況

變電站自動化技術經過十多年的發展已經達到一定的水平，在我國城鄉電網變電站改造與建設過程中廣泛采用了自動化技術，實現無人值班。目前運行的變電站綜合自動化系統是利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信息處理技術等實現對變電站二次設備（包括繼電保護、控制、測量、信號、故障錄波、自動裝置及遠動裝置等）的功能進行重新組合、優化設計，對變電站全部設備的運行情況執行監視、測量、控制和協調的一種綜合性的自動化系統。通過變電站綜合自動化系統內各設備間相互交換信息，數據共享，完成變電站運行監視和控制任務。目前運行的變電站，綜合自動化已替代了變電站較早前的常規二次設備。然而，上世紀90年代中期改造或建設的變電站，至今設備已運行十幾年，特別是電子設備已達到或即將達到元器件的使用壽命。因此大量這些設備需要提上改造日程，否則會影響電網的運行安全。

三、目前全數字化變電站自動化系統的特點及主要問題

目前試點建設的全數字化變電站自動化系統具有如下特點：

1．智能化的一次設備。一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅動回路采用微處理器和光電技術設計，簡化了常規機電式繼電器及控制回路的結構，數字程控器及數字公共信號網絡取代傳統的導線連接。換言之，變電站二次回路中常規的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規的強電模擬信號和控制電纜被光電數字和光纖代替。

2．網絡化的二次設備。變電站內常規的二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發展中的在線狀態檢測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接全部采用高速的網絡通信，二次設備不再出現常規功能裝置重復的I/O現場接口，通過網絡真正實現數據共享、資源共享，常規的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

3．自動化的運行管理系統。變電站運行管理自動化系統應包括電力生產運行數據、狀態記錄統計無紙化；數據信息分層、分流交換自動化；變電站運行發生故障時能即時提供故障分析報告，指出故障原因，提出故障處理意見；系統能自動發出變電站設備檢修報告，即常規的變電站設備“定期檢修”改變為“狀態檢修”。

全數字化變電站自動化系統尚存在的主要問題：

（1）研究開發過程中專業協作需要加強，比如智能化電器的研究至少存在機、電、光三個專業協同攻關；（2）材料器件方面的缺陷及改進；（3）試驗設備、測試方法、檢驗標準，特別是EMC（電磁干擾與兼容）控制與試驗還是薄弱環節；（4）設計、建設、安裝、調試、運行、檢修等經驗尚缺；（5）單位設備價格尚高。

四、110kV綜合自動化變電站改造工程設計范圍及主要問題

眾所周知，110kV綜合自動化變電站改造工程的設計前提是確定改造設計范圍。因為變電站改造范圍影響工程投資、設計原則、設備選型、設計方案等等主要問題。變電站改造工程的改造范圍主要有如下幾種：A、全站推倒重建或改造全站電氣一二次設備；B、改造某電壓等級的一次設備和二次設備；C、僅改造全站一次設備；D、僅改造全站二次設備；E、改造某個間隔的一次設備或二次設備；F、改造某個系統，如監控系統、抄表系統、直流系統、遙視系統等等。

由于110kV綜合自動化變電站改造的需求和目前全數字化變電站自動化系統發展中尚存在的主要問題，故目前設計和審查確定變電站改造工程的初步設計方案時碰到如下問題：

1．當需要改造全站一次設備和二次設備時，是改造成全數字化變電站，還是仍然改造成綜合自動化變電站。這是一個目前全數字化變電站尚未得到廣泛推廣應用的情況下需要明確的設計原則。

2．當改造全站二次設備時，如何確定監控系統的網絡結構和通訊協議，以及統一繼電保護、控制、測量、信號、故障錄波、自動裝置及遠動裝置等等設備的通訊協議。

3．僅改造監控系統時，需確定統一的通訊協議和原運行設備的信息接入方式及通訊協議。

4．其他新產品和新技術的應用問題。

五、110kV綜合自動化變電站改造工程設計分析

1．改造站內某電壓等級的一次設備和二次設備時，因為不能改變變電站原系統的運行調度方式，故按原運行調度方式改造即可，間隔內可以采用新產品、新技術，但不能改變原運行調度方式和不能影響原系統的運行。

2．僅改造全站電氣一次設備時，這種情況較少。一般改造全站電氣一次設備同時，電氣二次設備也一起改造。若在電氣一次設備少或特殊情況下僅改造全站電氣一次設備，只要按原運行控制方式改造即可。

3．改造某個間隔的一次設備或二次設備時，基本上是按同電壓等級其他間隔的運行控制方式來設計。

4．僅改造監控系統時，這種情況下會碰到如下問題：主站層的網絡結構如何確定、通訊協議如何確定、原運行設備如何接入新監控系統等等。目前兩電網公司的標準設計和規范尚未作明確規定，但這種情況一般是采取這樣的原則：通訊協議和網絡結構按當地變電站當前推廣應用的通訊協議，考慮原運行設備接入所需的設備配置。

5．僅改造全站二次設備時，在這種情況下，由于電氣一次設備不變，故全站二次設備必須在電壓互感器和電流互感器為常規設備的前提下做出改造方案。在電壓互感器和電流互感器為常規設備的前提下，電氣二次設備的選型、網絡結構選擇、通訊協議的選擇等等可以選用當前的穩定產品和技術，考慮以后擴建和改造的簡便，采用新的標準規范。

6．全站推倒重建或改造全站電氣一二次設備，這種情況下是進行全數字化變電站自動化系統改造的最好時期，但由于目前全數字化變電站自動化系統尚在試點建設，故需要確定改造工程是按全數字化變電站改造，還是按新綜合自動化變電站來改造。當前按新綜合自動化變電站方式來改造的工程居多。但是目前不少供電局均有試點全數字化變電站改造的計劃，有些試點全數字化變電站改造工程已投入運行。

不可否認的是，全數字化變電站自動化技術發展趨勢迅猛，是變電站自動化技術的發展方向，主要體現在：

1．IEC61850標準的推廣應用。IEC61850是國際電工委員會TC57制定的《變電站通信網絡和系統》系列標準，為基于網絡通信平臺的變電站自動化系統唯一國際標準，也是國家電力行業相關標準的基礎。

IEC61850標準經過多年的醞釀和討論，至2003年已正式發布大部分內容。IEC61850標準是全世界唯一的變電站網絡通信標準，也將可能成為電力系統中從調度中心到變電站、變電站內、配電自動化無縫通信標準，還可望成為通用網絡通信平臺的工業控制通信標準。當前，生產相關產品的國內外各大公司都在圍繞IEC61850開展工作，并提出IEC61850的發展方向是實現“即插即用”，在工業控制通信上最終實現“一個世界、一種技術、一個標準”。

2．全數字變電站自動化系統向高集成化、數字化、標準統一化方向發展。隨著集成電路和計算機技術的飛速發展，各種新型的大規模集成電路將會進一步應用在繼電保護和測控裝置上，如32位CPU、數字信號處理芯片DSP、高速數據采集系統、嵌入式實時操作系統、大容量Flash、可編程邏輯器件CPLD、FPGA等。

這些新器件的應用將使保護和測控裝置的電路板更加小型集成化，裝置通信、數據存儲及處理能力更強。將間隔的控制、保護、故障錄波、事件記錄和運行支持系統的數據處理等功能，通過模塊化設計集成在一個統一的多功能數字裝置內是可行的，間隔內部和間隔間以及間隔同站級間的通信可統一用一層網即光纖以太網來實現。高集成化系統的發展，無疑能降低成本，提高系統可靠性，有利于實現統一的運行管理。目前在許多中低壓站已實現。

六、結束語

總之，變電站自動化技術是伴隨著現代科技技術發展，尤其是網絡技術、計算機軟、硬件技術及超大規模集成電路技術的發展而不斷進步。同時經濟性和可靠性也是變電站自動化技術發展所要考慮的實際問題。IEC61850標準的實施應用、電能質量監測管理、一次設備的在線監測、網絡安全技術等等都是變電站自動化技術發展所要研究的課題。110kV綜合自動化變電站改造工程在設計過程中采用新標準新規范，應與時俱進推廣采用成熟穩定的新技術、新產品。

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作者簡介：

劉偉平，男，湖南臨湘人，助理工程師，自動化，主要從事變電站電氣設計工作。