綜自變電站和數(shù)字化變電站的探討

楊 波

武漢供電公司變電檢修中心，湖北武漢 430000

電力系統(tǒng)的快速發(fā)展對(duì)繼電保護(hù)總是提出新的要求，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展不斷地注入了新的活力，因此，繼電保護(hù)技術(shù)得天獨(dú)厚，在幾十年的時(shí)間里完成了重大變革。伴隨當(dāng)前繼電保護(hù)技術(shù)向著計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化的發(fā)展，我們供電公司現(xiàn)正在進(jìn)行綜合自動(dòng)化變電站的改造及數(shù)字化變電站的新建，下面我就本人所知對(duì)這兩種變電站從結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)到存在問題進(jìn)行簡(jiǎn)要的探討。

首先我從結(jié)構(gòu)上分總控單元（下文中將提到后期保護(hù)廠家對(duì)總控單元方式的改進(jìn)）、測(cè)控裝置、保護(hù)裝置3部分簡(jiǎn)要探討一下綜自站的二次設(shè)備。

1 總控單元

總控單元是針對(duì)變電站綜合自動(dòng)化的需要而開發(fā)的一種通訊控制裝置,作為變電站 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,它通過多種類型的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口和通訊規(guī)約來溝通多種類型的繼電保護(hù)裝置,數(shù)據(jù)采集裝置,智能測(cè)控裝置與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)和電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)之間的信息聯(lián)系,它一方面通過與繼電保護(hù)裝置、智能測(cè)控裝置進(jìn)行通訊，搜集變電站運(yùn)行中的各種實(shí)時(shí)信息送后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)和電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，供它們對(duì)變電站進(jìn)行監(jiān)視，另一方面接收和轉(zhuǎn)發(fā)自后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)和電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的各類操作命令，對(duì)變電站的斷路器、刀閘、變壓器分接頭等進(jìn)行遙控、遙調(diào)操作。總控單元的優(yōu)點(diǎn)是集成性好，缺點(diǎn)是一旦總控單元出現(xiàn)故障，測(cè)控裝置就無法與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)及電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)之間取得聯(lián)系。現(xiàn)新建的綜自站取消了總控單元，直接把各測(cè)控裝置的數(shù)據(jù)放在網(wǎng)上，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)及電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)直接在網(wǎng)上取得實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。

2 測(cè)控裝置

測(cè)控裝置一方面采集各開關(guān)的測(cè)量量和信號(hào)傳到總控單元，另一方面接收總控單元命令對(duì)變電站的斷路器、刀閘、變壓器分接頭等進(jìn)行遙控、遙調(diào)操作。測(cè)控裝置由以下幾部分組成：

1）測(cè)量單元；2）遙信單元；3）控制單元；4）CPU板

3 保護(hù)裝置

保護(hù)裝置反應(yīng)電器元件故障或不正常運(yùn)行狀態(tài),并動(dòng)作于開關(guān)跳閘或發(fā)出信號(hào)。微機(jī)保護(hù)裝置的構(gòu)成：

1）電源插件；2）交流輸入變換插件；3）低通濾波插件；4）CPU插件；5）通信插件；6）光耦插件；7）信號(hào)繼電器插件；8）出口插件；9）顯示面板。

綜自站在結(jié)構(gòu)上雖然比較縝密,但在各數(shù)據(jù)量的輸入和輸出等方面顯得有些重復(fù)冗余，例如：不管是保護(hù)裝置、測(cè)控裝置還是錄波、母差等公用裝置需要電流、電壓值及開關(guān)量，都得分別放電纜取得模擬量數(shù)據(jù)，搞不好還會(huì)造成CT開路、PT短路的事故。和繼電保護(hù)的計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化的發(fā)展大趨勢(shì)還有一段差距。隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，無人值守的綜自變電站已經(jīng)不再是新鮮事情。隨著智能化開關(guān)、光電式電流電壓互感器、一次運(yùn)行設(shè)備在線狀態(tài)檢測(cè)等技術(shù)日趨成熟，以及計(jì)算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)用，勢(shì)必對(duì)已有的變電站自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響，全數(shù)字化的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)并正在新建中。接下來對(duì)我公司正在新建中的數(shù)字化變電站從特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)到存在問題進(jìn)行簡(jiǎn)要探討：

3.1 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為兩類，即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備。在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為四個(gè)層次，這四個(gè)層次分別稱為過程層、間隔層、站控層和管理層。

1）過程層

過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說過程層是指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過程層的主要功能分三類：（1）電力運(yùn)行實(shí)時(shí)的電氣量檢測(cè)；（2）運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)；（3）操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。

（1）電力運(yùn)行的實(shí)時(shí)電氣量檢測(cè)。

與傳統(tǒng)的功能一樣，主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測(cè)，其他電氣量如有功、無功、電能量可通過間隔層的設(shè)備運(yùn)算得出。與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器被光電電流互感器、光電電壓互感器取代；采集傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能強(qiáng)，絕緣和抗飽和特性好，開關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)了小型化、緊湊化。

（2）運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)。

變電站需要進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)的設(shè)備主要有變壓器、斷路器、刀閘、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)。在線檢測(cè)的內(nèi)容主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機(jī)械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

（3）操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。

操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、刀閘合分控制，直流電源充放電控制。過程層的控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)大部分是被動(dòng)的，即按上層控制指令而動(dòng)作。在執(zhí)行控制命令時(shí)具有智能性，能判別命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇裕€能對(duì)即將進(jìn)行的動(dòng)作精度進(jìn)行控制，能使斷路器定相合閘，選相分閘，在選定的相角下實(shí)現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開斷，要求操作時(shí)間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi)。

2）間隔層

間隔層設(shè)備的主要功能是：（1）匯總本間隔過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；（2）實(shí)施對(duì)一次設(shè)備保護(hù)控制功能；（3）實(shí)施本間隔操作閉鎖功能；（4）實(shí)施操作同期及其他控制功能；（5）對(duì)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級(jí)別的控制；（6）承上啟下的通信功能，即同時(shí)高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

3）站控層

站控層的主要任務(wù)是：（1）通過兩級(jí)高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，按時(shí)登錄歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；（2）按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心；（3）接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行；（4）具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；（5）具有（或備有）站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，人機(jī)聯(lián)系功能。（6）具有對(duì)間隔層、過程層諸設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)，在線修改參數(shù)的功能；（7）具有（或備有）變電站故障自動(dòng)分析和操作培訓(xùn)功能。

4）管理層

管理層的主要任務(wù)包括：完成全供電區(qū)域與變電站的協(xié)調(diào)，變電站設(shè)備的故障檢修和維護(hù)，變電站基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化管理與維護(hù)，以及具體的防火防盜、操作票的監(jiān)控等。

3.2 數(shù)字化變電站的特點(diǎn)

3.2.1 變電站基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化

數(shù)字化變電站的一個(gè)基本特征就是基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化。包括變電站地理位置、設(shè)備布局、房屋結(jié)構(gòu)、設(shè)備資料等信息的高度圖像化、空間信息化，且呈三維立體可視。

3.2.2 一次設(shè)備的智能化

一次設(shè)備被檢測(cè)的信號(hào)回路和被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了常規(guī)機(jī)電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號(hào)網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接。換言之，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程器件代替，常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號(hào)和控制電纜將被光電數(shù)字和光纖代替。

3.2.3 二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化

變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機(jī)設(shè)計(jì)制造，設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場(chǎng)接口，通過網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源其享，常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

3.2.4 運(yùn)行自動(dòng)化

包括電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計(jì)無紙化；數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動(dòng)化；變電站運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)能即時(shí)提供故障分析報(bào)告，指出故障原因，提出故障處理意見；系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出變電站設(shè)備檢修報(bào)告，即常規(guī)的變電站設(shè)備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。

3.2.5 管理規(guī)范化

包括變電站的管理與維護(hù)將發(fā)生大的變革。如變電站防火防盜，數(shù)字化變電站將提供全天候24小時(shí)的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，自動(dòng)記錄并分析一切進(jìn)入變電站的人及其行為，并自動(dòng)根據(jù)其行為給出相應(yīng)的報(bào)警。五防系統(tǒng)高度智能化和規(guī)范化。操作票的工作方式也會(huì)發(fā)生改變。現(xiàn)場(chǎng)單人操作機(jī)制將會(huì)推廣，且操作過程及效果將會(huì)自動(dòng)記錄和跟蹤，后臺(tái)調(diào)度室利用數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)和監(jiān)督。

3.3 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展中的主要問題

在四個(gè)層次中，數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究正在自下而上逐步發(fā)展。目前研究的主要內(nèi)容集中在過程層方面，諸如智能化開關(guān)設(shè)備、光電互感器、狀態(tài)檢測(cè)等技術(shù)與設(shè)備的研究開發(fā)。國(guó)外已有一定的成熟經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)的大專院校、科研院所以及有關(guān)廠家都投入了相當(dāng)?shù)娜肆M(jìn)行開發(fā)研究，并且在某些方面取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。但歸納起來，目前主要存在的問題是：1）研究開發(fā)過程中專業(yè)協(xié)作需要加強(qiáng)，比如智能化電器的研究至少存在機(jī)、電、光三個(gè)專業(yè)協(xié)同攻關(guān)；2）材料器件方面的缺陷及改進(jìn)；3）試驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試方法、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，特別是EMC（電磁干擾與兼容）控制與試驗(yàn)還是薄弱環(huán)節(jié)；4）各種數(shù)字化手段的研究與開發(fā)，包括新型變電站人員活動(dòng)及行為分析的監(jiān)督設(shè)備與方法等；5）管理規(guī)范制度的建設(shè)。

數(shù)字化變電站建設(shè)過程是一個(gè)巨型系統(tǒng)工程，要實(shí)現(xiàn)全部數(shù)字化變電站自動(dòng)化的功能，還有許多技術(shù)問題需要攻關(guān)解決，相信在不遠(yuǎn)的將來，數(shù)字化的變電站建設(shè)將有一個(gè)蓬勃的發(fā)展。

[1]程明，金明，等.無人值班變電站監(jiān)控技術(shù)[M].中國(guó)電力出版社，1999.

[2]劉健，倪建立，等.配電自動(dòng)化系統(tǒng)[M].中國(guó)水利電力出版社，1999.