中山地區變電站綜合自動化系統的現狀與發展趨勢

湯曉暉

（廣東電網公司中山供電局，廣東 中山 528400）

1 引言

隨著經濟的發展，現代電網結構日趨復雜，電網容量不斷擴大，對電網運行的可靠性要求也越來越高，變電站自動化技術也不斷發展與進步，設備也越來越集成化。目前新建變電站基本上都采用了自動化系統模式。

2 變電站自動化系統的現狀

2.1 常見的變電站綜合自動化系統

目前，中山地區使用的變電站綜合自動化系統主要有：南瑞繼保RCS9700自動化系統、四方CSC2000自動化系統、深圳南瑞ISA-300自動化系統及南瑞科技NS2000自動化系統。部分110kV變電站采用國電南自PS6000自動化系統、南京中德NSC200NT變電站自動化系統及四方CSC2000（V2）自動化系統。

2.2 變電站自動化系統的結構體系

所謂變電站綜合自動化系統，就是集保護測量、控制、遠傳等功能為一體，通過數字通信及網絡技術實現信息共享的微機化的二次設備及系統，用以取代常規的儀表盤，控制屏，繼電保護屏及中央信號屏，用計算機局域網絡(LAN)替代了大量復雜的連接電纜和二次電纜，在遵循信息共享、減少硬件重復配置的原則下，做到繼電保護相對獨立和有一定的冗余，提高變電站運行的安全可靠性，減少系統維護工作量和提高維護水平。

按照體系結構，常見的變電站綜合自動化系統可以分為三層：站控層、通信網絡層、間隔設備層（簡稱間隔層），如圖1所示。

（1）站控層

站控層具有可靠性、開放性、易用性等特點。按功能可分為當地監控機，五防機，保護信息管理機及遠動通信功能。

圖1 變電站綜合自動化系統網絡結構圖

當地監控機作為變電站內運行人員的人機交互窗口，以圖形顯示、報表打印、語言報警、事件記錄等各種方式實現對變電站運行狀況進行實時監視，通過“五防”系統驗證來控制開關、刀閘的分合。

保護信息管理機作為繼電保護人員的人機交互窗口，以圖形顯示、報表打印、語言報警、故障數據及波形記錄等各種方式實現對裝置自檢情況，數據采樣是否準確，開關量輸入狀態是否與實際一致等進行實時監視與分析。

遠動通信功能是將當地監控和保護信息管理功能通過通信技術在遠方調度端實現，其手段是借助各自獨立的通道和規約，通過遠動通信設備（遠動機），將當地監控和保護信息管理分別接至調度中心和保護信息管理主站，使得調度端具備四遙功能。

（2）通信網絡層

主要是完成信息傳遞功能。通過系統交換，實現信息共享，減少變電站內二次設備配置，提高變電站自動化系統安全性和經濟性。目前國內變電站自動化系統常用雙層網絡結構，雙層網是指間隔層通過第一層網絡(多為現場總線網)與通信控制單元通信，由通信控制單元與變電站層通過第二層網絡(以太網)實現信息交換。

（3）間隔層

主要由繼電保護裝置，測控裝置及保護測控一體化裝置構成。此類設備實現對相關一次設備的保護、測量和控制，響應就地、當地監控機和遠方主站的操作要求，還對采集的信息進行處理后上送，并在變電站層、遠方主站控制失效的情況下仍能完成保護、測量和控制功能。同時間隔層還有各類智能電子裝置(IED，Intelligent Electronic Device)，如直流電源系統，消弧系統，小電流接地選線裝置等。

2.3 站控層、通信網絡層和間隔層既相互獨立又相互聯

站控層的功能實現必須依賴于通信網絡層和間隔層的完好性；但間隔層功能的實現，特別是繼電保護及安全自動裝置功能實現決不依賴于通信網絡層及站控層的完好性。遠方主站監控功能的實現不依賴于變電站層當地監控后臺，在當地監控后臺失效的情況下，遠方主站依然能進行遙控操作。

2.4 變電站自動化系統的通信方式

現場總線和工業化以太網的應用提升了變電站自動化系統的應用水平，現場總線是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它具備簡單可靠、經濟實用等一系列優點，主要用于解決現場的智能電子裝置、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場設備與計算機監控系統之間的信息傳遞問題。

目前在電力自動化系統中較為常見的現場總線有：Lonworks, CAN, WorldFIP，其最高速率可達12Mbit。例如，南瑞繼保RCS9700自動化系統間隔層采用的是WorldFIP總線，四方CSC2000自動化系統間隔層采用的是 Lonworks總線，深圳南瑞ISA-300自動化系統間隔層采用的是CAN總線。

3 變電站自動化系統建設中應注意的問題

變電站自動化系統雖然已經得到了大量的推廣應用，但應用中也要注意一些問題：

（1）正確認識保護裝置的功能

變電站自動化系統中數字式保護及自動裝置具有自檢功能，可以簡化運行維護和定期試驗工作，而事實上現已投運的數字式保護在自檢、自動測試及事件記錄等方面的工作并非完美無缺，不能單靠裝置的液晶面板提示數據來判定裝置的好壞。

（2）準確看待自檢功能

目前數字式保護的自檢只能做到功能自檢，例如模數轉換、開關量輸入異常、開關量輸出回路、存儲功能、通訊功能等，還不能定位到芯片和局部器件。另外繼電保護是一個系統性問題，不能因為裝置有了功能自檢而忽視二次回路接線的正確性與可靠性。

（3）保護動作事件記錄功能

目前應用的數字式保護較之傳統保護其事件記錄存儲的功能已大大加強了，也正因為有了事件記錄功能使得對數字式保護動作后的行為可以有一個較為清晰的分析。現有的數字式保護大多是僅限于對保護動作事件的記錄，還需要注意以下幾個方面：

1）事故記錄作為繼電保護裝置最重要的信息，必須在事故后及時提供和顯示，這些信息必須簡潔直觀便于運行人員了解事故情況，及時處理事故后的各種情況。

2）告警類記錄是繼電保護裝置反映各類內部及外部告警的記錄，作為事故后分析繼電保護裝置的拒動和誤動現象有重要作用。

3）正常運行情況下繼電保護裝置應具有各類操作記錄，如壓板操作、定值修改、定值區改變，遠方遙控操作等，這些記錄對保證保護裝置是否在正常動行過程中受到外來的操作而影響保護行為提供可追溯的信息。

（4）變電站內通信網接口和協議的標準化問題

變電站內由于采用多個廠家的設備，各個廠家現在是采用自成體系的通信接口和自定義協議, 廠家在實現互連時往往由于采用的規約不同，會導致通信建立存在困難。而且不同廠家使用同一規約時由于對標準的認識、理解存在差異，也會導致各廠家雖然采用相同協議但仍通信失敗現象。

4 變電站自動化發展的趨勢

4.1 向符合IEC61850標準的數字化變電站發展

在變電站自動化領域中，智能化使電氣設備的發展，特別是智能化開關、光電式互感器等機電一體化智能設備的出現，使變電站綜合自動化技術進入了數字化發展的新階段[1]。數字化變電站是建立在IEC61850通信規范基礎上，能夠實現變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現代化變電站。

目前普通的綜合自動化變電站采用 IEC60870-5-103規約只是變電站內傳輸規約，缺乏對變電站系統模型、二次功能模型的描述，沒有將系統應用與通信技術進行分層處理，其應用受到通信技術的限制，缺乏一致性測試標準，因此103規約不適合作為數字化變電站的統一信息平臺。數字化變電站往往采用IEC61850標準，保護裝置間通過GOOSE（通用面向對象變電站事件）報文進行通信。其中，IEC61850是國際電工委員會 TC57工作組制定的《變電站通信網絡和系統》系列標準，是基于網絡通信平臺的變電站自動化系統唯一的國際標準。其主要特點包括：

（1）信息分層

按照變電站自動化系統所要完成的控制、監視和保護三大功能提出了變電站內功能分層的概念，無論從邏輯概念上還是從物理概念上都將變電站的功能分為 3層，即變電站層、間隔層和過程層[2]，如圖2所示。

圖2 數字化變電站自動化系統的邏輯結構

過程層主要完成開關量I/O、模擬采樣和控制命令的發送等與一次設備相關的功能；間隔層的功能是利用本間隔的數據對本間隔的一次設備產生作用；變電站層的功能分為兩類，一是與過程相關的功能，主要指利用各個間隔或全站的信息對多個間隔或全站的一次設備發生作用的功能，如母線保護和全站范圍內的邏輯閉鎖功能，二是與接口相關的功能，主要指與遠方控制中心、工程師站及人機界面的通信。

（2）面向對象的數據統一建模

IEC 61850標準采用面向對象的建模技術，定義了基于客戶機/服務器結構數據模型[3]。每個 IED包含一個或多個服務器，每個服務器又包含一個或多個邏輯設備，邏輯設備包含邏輯節點，邏輯節點包含數據對象。數據對象則是由數據屬性構成的公用數據類的命名實例。IEC 61850建模了大多數公共實際設備和設備組件。這些模型定義了公共數據格式、標識符、行為和控制，例如變電站和饋線設備(諸如斷路器、電壓調節器和繼電保護等)。

（3）數據自描述

和采用“面向點”的數據描述方法（如 103規約）不同，IEC 61850標準對于信息均采用面向對象的自描述。面向對象的數據自描述在數據源就對數據進行自我描述，傳輸到接受方的數據都帶有自我說明，不需要再對數據進行工程物理量對應、標度轉換等工作。因數據本身帶有說明，這就不受預先定義的限制進行傳輸，簡化了數據管理和維護工作。

4.2 遠程圖像監控系統將在變電站中廣泛應用

變電站的遠程圖像監控系統即遙視系統，就是通過前端高性能的攝像機和監控矩陣，將無人值守的現場情況實時地傳送到幾公里甚至幾十公里外的控制中心，使控制中心能夠及時準確地了解和掌握現場的情況，實現對變電站全站情況如主控室全貌，設備情況、斷路器、隔離刀閘現場實際狀態等進行監視，真正做到變電站的無人值守。

變電站遙視系統主要功能為：視頻監控、集中式數字視頻錄像、報警聯動[4]。通過視頻圖像監控系統，解決了無人值班站內安全保衛消防等方面的問題，更為重要的是它可以使遠方運行控制人員能親眼看到現場的實際情況。減少了巡檢人員運行強度，彌補了變電站運行人員不足的弱點，同時加強了變電站的安全、保衛、火警監視，從而提高了變電站安全運行水平。

隨著監控技術和網絡通信技術的發展，遙視系統將朝著更強的功能、更快的速率、更清晰的效果這一方向發展，而且與其他監控網絡一體化融合越來越緊密。

4.3 門禁自動化系統將成為變電站自動化的一部分

隨著電力行業的改革與發展，電力系統以高科技為基準的智能化管理方式也日益進步。在無人值守變電站的智能應用中，出入口控制綜合管理問題尤為重要。

門禁系統，就是可以對變電站的門（鎖）進行實時監控，并記錄下所有人員的進出情況的一套自動化系統。所有人員必須刷卡才能進出，這樣就使得變電站內所有出入記錄都有據可查，從而加強變電站人員出入管理，減少犯罪、違章作業等情況的發生。網絡化的門禁系統集成了門禁、報警、監控、保安告警功能[5]，其在變電站中的應用將大大提高無人值守變電站的實時監控能力和出入權限的管理能力，提高了運行維護的效率。

目前中山地區正依據《中山供電局“十一五”巡維中心設置規劃》，制定可伸縮的二級匯結網絡模式的門禁控制管理系統，即設置中山局總控中心（SC）（含巡維站分控中心（SS））、變電站前端系統（SU）的模式，以保障變電站內設備的安全和禁止非法人員出入，防止非相關人員誤入非工作區域，保障人員的人身安全，做到前端無人值守。

5 結論

隨著電力系統的高速發展和計算機技術、通信技術的進步，變電站自動化技術將朝著功能更加集成，性能更加穩定，通信速度更快的方向發展。而且，數字化變電站將會逐步取代現有的變電站自動化模式，遙視系統、門禁系統等更加先進的自動化系統將更為廣泛地在變電站中應用，進一步提高變電站自動化的程度。

[1]徐禮葆, 劉寶志, 郝燕麗.開放式數字化變電站自動化系統的討論[J].繼電器,2004,32(6).

[2]周繼馨.變電站自動化系統的數字化發展[J].特區電力,2007,10-11.

[3]任雁銘, 楊奇遜. IEC61850通信協議體系介紹和分析[J].電力系統自動化, 2000, 24(8)∶,62-64.

[4]江智偉. 變電站自動化及其新技術. 北京∶中國電力出版社,2006.

[5]張波.智能化門禁系統的設計與實踐[J].河南科學,2004(1).