綜合自動化技術在變電站管理中的應用研究

摘 要：在電力系統運營中變電站作為重要一環，變電站是否能夠長時間持續可靠運行，將直接影響到電力系統的可靠性指標。變電站綜合自動化作為新技術，文章對系統在總體設計、功能要求、系統網絡結構等方面進行論述；并從變電站二次設計方面對綜合自動化系統的電磁兼容性進行探討，提出如何將系統的抗干擾性能更進一步提高。

關鍵詞：變電站；綜合自動化技術；電力系統；防雷

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）35-0021-03隨著社會經濟不斷進步，社會各界對電力系統運營的要求日漸提高，在當前環境下，加快電網系統改革的步伐，加大電網改造的力度，成為電力系統所面臨的重點工作。在電力系統建設中，充分利用現代科技，借鑒現代化的管理手段及技術方法，逐漸提高電網系統的自動化水平。

變電站在電力系統中占據重要地位，其運行情況對整個電力系統的安全性有重要影響。而變電站的二次設備，對變電站運行的健康程度意義重大。現有的變電站主要包括：常規變電站；具有一定自動化水平的變電站；全面綜合自動化變電站。常規變電站中，所有二次設備均采用分立式設備，設置復雜，不易于維護。而且不具備自診斷能力，系統本身無法進行故障檢測。電網在不停地建設，新建設的變電站在逐步加入到電網系統中，導致電力系統的整體規模日益膨脹，組網結構也越來越復雜化，這就要求變電站長時間無故障安全運行的可靠性非常高。

變電站綜合自動化：指在電網系統中，綜合利用自動化、網絡通信及現代遙測遙控技術，對傳統變電站二次設備的組成模式加以改造，把常規變電站的控制、測量、保護等功能整合，實現一體化的監控系統。以微機化的新型二次設備取代傳統使用的分立式設備，實現變電站綜合自動化，使變電站管理的自動化水平得到提高，從而提高變電站可靠性。

相對傳統變電站的問題，綜合自動化技術展示了良好的優越性。①具有電壓、無功自動控制的功能，能夠大大提高電壓合格率、降低電能損耗；②變電站基本達到自動化要求的水準，通過計算機自動完成日常測量、監視、記錄等工作，使電力系統的管理水平進一步提高；③綜合自動化能夠進行自檢及互檢作業，使檢修時間大大縮短，具有多種實時在線功能的應用，使維護工作量得到減少。

1 變電站自動化綜合設計

1.1 綜合自動化的功能要求

在電力系統中，變電站的作用、地位、規模大小以及電壓等級高低、設備運行狀況，這幾個方面的特征共同決定了變電站需要具備哪些功能。對高壓以及超高壓變電站自動化系統來講，其系統功能要求包括三方面內容。①控制系統：運維監視與控制、完成對數據自動進行分析任務；②保護系統：對高壓、超高壓輸電線路的保護、對各個級別變壓器的保護、遇到情況能夠自動重合閘；③運行支持系統：支持設備維修、自動故障恢復、電力系統故障恢復支持。

微機保護應具備與監控系統通信的功能，包括：接受監控查詢；傳送事件報告，且掉電后能夠保留信息；修改時鐘及對時，并能GPS外部對時。

監控系統的功能。進行電力運營現場各類數據的采集，包括采集現場所有狀態量，并且從保護裝置進行采集特征因素的狀態量及自檢信息。

事件記錄及故障錄波。高壓變電站采用兩種方式實現故障錄波：①配置專用微機故障錄波器；②由微機保護裝置兼作記錄及測距計算，再送監控系統，然后存儲、打印波形。

電壓無功綜合控制。當給定電壓曲線時，由變電站自動化系統控制，確保電壓質量及優化無功補償。

系統的自診斷檢測功能。系統的各裝置都具有自診斷功能，具有失電保護、自復位能力。在數據采集過程中，如果遇到錯誤，能夠及時輸出錯誤部分的信息內容，同時激活報警裝置，并能夠及時對故障單元進行閉鎖。

1.2 系統網絡組網布局設計

變電站自動化系統的集成分為兩個級別，即間隔級以及變電站級。間隔級集成主要通過對平臺的構建及集中來完成，在構建軟、硬件通用平臺后，將保護、控制等功能在平臺上進行集成。站級集成將各個功能通過信息網絡組合在一個系統中（如圖1所示）。

目前，在國內外變電站綜合自動化系統的結構類型中，大體上可以劃分為完全集中化、集中與分散結合式及全分散式三種結構。

集中式結構的變電站自動化系統，對于規模較小的變電站較為合適。在這類結構中，把計算機的外圍接口電路進行擴展，通過對相關數據的集中采集，并集中計算處理這些變電站數據信息，完成微機控制、保護及自動化控制功能。這種結構典型的特點是其中各功能單元相互獨立、互不聯系。主要缺點：多重化采集、精度誤差大，難以維護，運行可靠性低。

分散與集中相結合：在這類結構中，高壓線路和主變壓器保護測控裝置等集中組屏，而配電線路的保護裝置分散安裝在開關柜內。采用分散式結構對配電線路進行保護，交換信息的工作通過現場總線與保護管理機來完成。整個二次設備智能化，通過在各總控單元、間隔層中采用獨立的微機系統實現，使得系統達到具備較強的自診斷能力，可維護性較高。

在全分散式綜合自動化系統中，采取一次回路的方式進行設計。按照某種特性或者功能特點，把各個電力設備劃分為若干組成單元，其中，將控制單元、微機保護單元、數據采集單元安裝在戶內開關柜內或戶外高壓開關附近。

2 綜合自動化系統二次回路設計

2.1 防誤閉鎖回路的設計

一般情況下，傳統電氣防誤通過開關與刀閘的輔助接點聯鎖實現，其建立在二次操作回路的基礎上。需要接入大量二次電纜，接線方式較復雜，維護困難，戶外電磁鎖機構易損壞等問題，對于誤入接地線的掛接、帶電間隔等情況則沒有任何辦法。

采用高壓開關電氣元件，由主機、機械編碼鎖、電氣編碼鎖等一系列電氣功能元件組裝成這些設備，以達到電氣不被誤操作的目的。具閉鎖的實現是通過微機鎖來達到的，微機“五防”系統通過軟件規則庫和現場鎖具實現防誤閉鎖。該系統包含維護模塊與模擬操作模塊，其設計十分合理；從電力運維的現場需要角度來考慮，核心為變電安全運行任務模式，按照標準化的指標要求，對各種保護電路、設備電源進行逐項審核，看其操作是否正確（如圖2所示）。

2.2 系統設計同期功能

在電網系統正常供電過程中，變電站作為電網系統中各個單元聯結的樞紐，進行同期并網操作的時候常有發生。按照性質不同可以將同期并網劃分為：同頻、差頻。同頻并網：同一系統內合環運行。差頻并網（同期）：通過兩個獨立電源系統之間的斷路器實現并列。由于各類線路保護測控裝置主要對線路保護、測控，電力系統中的各類電子系統產品均雖然都涵蓋了傳統意義上“檢同期”的內容，但并沒有完全滿足妥善解決電網線路并網同期操作的需要。而目前電力系統的網絡結構越來越復雜，有較多輸電線路要求系統具備進行同期并網操作的功能。電網自動化設計人員面臨解決這一同期技術難題的壓力，把尋求解決這一線路自動同期問題的方法寄托在測控裝置上。

在進行同頻并網操作時，同期操作的線路兩端具有相同的電源頻率，而兩端電源的相角存在一定差別，差別的大小通常和電路中的電抗以及有功功率有關。在進行并網操作前期，需要對并網操作兩端的相角差以及電壓差進行檢測，斷路器最佳合閘時刻則由計算程序確定捕捉。提供微機監控終端主機完成對兩端進行同期條件判別，通過遠端進行遙控同期作業，都存在一定問題。在遠程遙控同期操作命令下達后，這些測控裝置需要同時對同期、閉鎖、遠方控制狀態等多因素進行判定，如果綜合條件滿足控制的要求，此時則執行相應的控制操作；各斷路器測控元件對兩端的電壓實時檢測，當處于同期操作的斷路器兩端相位差、電壓差以及頻率差全部處于既定范圍內時，此時同期并網檢測功能就達到允許進行合閘操作的狀態。

2.3 實現保護設計的雙重化

電力系統繼電保護的對象范圍主要包括元件保護和系統保護兩種。在進入信息化時代后，繼電保護涉及的內容已從元件級延伸到設備級。隨著電網建設的發展，電網穩定問題已上升為主要矛盾。對線路、主變壓器及發電機變壓器組繼電保護裝配產生了新要求，對主變壓器采取雙套化配置，即雙主雙后。雙套保護且相互獨立；每套主后備保護必須完整，且能真正承擔主后備保護功能，以備獨立運行。微機保護使雙重化配置成為現實，雙套主保護的直流電源、交流輸入、跳閘回路盡可能的相互獨立，使得冗余度得以提高。

一般而言，二次諧波制動原理躲勵磁涌流成為較成熟的變壓器差動保護所利用的方式，但當變壓器發生涌流，出現兩相或者單相線路內部故障時，再通過二次諧波制動，由于涌流制動會導致差動保護不起作用。變壓器差動保護方法依據波形對稱算法原理，通過把勵磁涌流區與變壓器在空載合閘時產生的故障電流分開，從而達到對變壓器保護的目的。

3 自動化電力設備選型

用于進行繼電保護、測量控制、防誤閉鎖、在線狀態檢測等設備的選擇，對變電站的綜合化自動化至關重要。這些設備屬于常規的二次設備，目前其設計制造全部基于模塊化、標準化的微處理機制，高速的網絡通信均為設備之間的所采用的連接，這樣以來，常規功能裝置重復的I/O 現場接二口次設備便不復存在，數據資源的共享通過網絡真正實現了。

智能化電氣的應用越來越廣泛，在電網系統的改造、變電站自動化領域中得到快速發展；智能開關、光電式互感器機電一體化設備產生并在電網系統中廣泛應用，加快了變電站自動化技術進入智能化、數字化新階段的步伐（如圖3所示）。

在電網系統供電運行中，對動態電氣參數信息進行實時檢測，主要包括：電壓、電流、諧波分量及相位，這些數據屬于基礎數據，其他電氣信息量，如有功功率、無功功率等都可通過間隔層的設備計算得到。在采集數據信息時，利用直接采集數字量來取代對傳統模擬量的采集，使得采樣子系統及整個自動化系統的抗干擾性能得以增強；光電電壓互感器、光電電流互感器替換了傳統的電壓互感器、電磁式電流互感器。智能性也表現在執行控制命令時，其能識別命令的真假及其是否合理，對即將進行的動作精確控制，能使斷路器進行選相分閘，定相合閘操作，并且能夠在給定的相角的前提下實現斷路器的閉合以及斷開。

光電流互感器的應用。其一般以弱功率數字量進行輸出，特別適合微機繼電保護裝置的需求。其順應了保護數字化、電力計量、微機化和自動化發展的浪潮。

電流瞬時采樣值差動保護。在故障全程使用采樣瞬時值進行計算，在大動態范圍內能保持良好的線性，測量的電流能準確反應一次電流波形，可使現有保護的靈敏度及可靠性有效地提高。采樣值電流差動保護是依據采樣電流的瞬時值，完成以相量為基礎的常規電流差動保護動作判據。在穩態條件下，電流瞬時采樣值隨時間的變化而變化，而常規相量電流差動保護中的電流相量保持不變，這就導致了瞬時采樣電流值差動保護與一般相量電流差動保護在原理及特性等方面的差異性。

隨著電網系統的不斷增大，電壓級別和輸電功率都在成倍地增加，系統的故障也呈現多元化的趨勢。在進行組網設備選型時，這種特性也是需要進行考慮的重要參考內容。如何做到快速定位問題部分，快速解決遇到的問題，對變電站逐漸走向智能化、自動化意義重大。合理選擇設備，是確保整個電網系統安全和運行可靠性、供電質量最根本和最直接的措施。

4 結 語

變電站綜合自動化系統跨專業、多學科的綜合技術，在技術應用上發生了質的變化，在給電力系統的高質量運行提供保障的同時，對相關業務操作人員的基本技能提出了更為專業的技術要求。設計是進行電網建設的起點，因此，在設計階段就要合理、妥善地解決電磁兼容、系統構成、性能等問題，做到功能強大、配置合理、性能可靠。

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