傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化結(jié)構(gòu)研究

張曉娟

（國(guó)網(wǎng)定西供電公司，甘肅 定西 743000）

近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，變電站自動(dòng)化技術(shù)水平不斷提高。變電站自動(dòng)化是將變電站的二次設(shè)備經(jīng)過(guò)功能的組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、控制和保護(hù)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動(dòng)化功能。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)具有功能綜合化、結(jié)構(gòu)微機(jī)化、操作監(jiān)視屏幕化、運(yùn)行管理智能化等顯著特點(diǎn)。從20世紀(jì)80年代起，國(guó)內(nèi)外各大科研院所和電氣公司都相繼從事變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究工作。到目前為止，一些變電站自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)很成熟，并且在各種電壓等級(jí)的變電站中得到了廣泛應(yīng)用。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程與集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)密切相關(guān)。隨著這些技術(shù)的不斷進(jìn)步，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也不斷發(fā)生變化，其性能和功能以及可靠性等也不斷提高。從國(guó)內(nèi)外變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，其結(jié)構(gòu)形式有集中式、分布集中式、分散與集中相結(jié)合和全分散式四種類(lèi)型。其中，傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化，指采用集中式、分布集中式以及分散與集中相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式的自動(dòng)化技術(shù)。

1 集中式的結(jié)構(gòu)形式

1.1 集中式結(jié)構(gòu)的原理

集中式的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，指采用不同檔次的計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展其外圍接口電路，集中采集變電站的模擬量、開(kāi)關(guān)量和數(shù)字量等信息，集中進(jìn)行計(jì)算與處理，分別完成微機(jī)監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)和一些自動(dòng)控制功能。集中式結(jié)構(gòu)也并非指由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成保護(hù)、監(jiān)控等全部功能。多數(shù)集中式結(jié)構(gòu)的微機(jī)保護(hù)、微機(jī)監(jiān)控和與調(diào)度等通信的功能也是由不同的微機(jī)完成的，只是每臺(tái)計(jì)算機(jī)承擔(dān)的任務(wù)不同。例如監(jiān)控機(jī)要負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、開(kāi)關(guān)操作、人機(jī)聯(lián)系等多項(xiàng)任務(wù)，擔(dān)負(fù)微機(jī)保護(hù)的計(jì)算機(jī)，可能一臺(tái)微機(jī)要負(fù)責(zé)幾回低壓線路的保護(hù)等。

這種結(jié)構(gòu)形式，主要出現(xiàn)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)問(wèn)世的初期。例如日本關(guān)西電子公司和三菱電氣公司研究的第一套綜合自動(dòng)化系統(tǒng)SDCS-1 等。在日本的SDCS-1 系統(tǒng)中，只有8 個(gè)保護(hù)單元，負(fù)擔(dān)了3 臺(tái)主變壓器、4 回77kV 輸電線路和36 回6.6kV 的饋電線路保護(hù)和母線保護(hù)等功能。

我國(guó)國(guó)內(nèi)早期也有一些類(lèi)似的產(chǎn)品，如1987年清華大學(xué)研制的我國(guó)第一套綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、南京自動(dòng)化研究院系統(tǒng)研究所的BJ-2 型、南京自動(dòng)化設(shè)備廠的WBX-261 型、煙臺(tái)東方電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)的基于WDF-10 的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等均屬于集中式的結(jié)構(gòu)形式。這一階段，以集中式結(jié)構(gòu)形式為主導(dǎo)，如圖1 所示。

這種集中式的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)變電站的規(guī)模，配置相應(yīng)容量的集中式保護(hù)裝置和監(jiān)控主機(jī)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（也有的采用集中式的微機(jī)型RTU），它們安裝在變電站中央控制室內(nèi)。主變壓器和各進(jìn)出線及站內(nèi)所有電器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)電流、電壓互感器經(jīng)電纜傳送到中央控制室的保護(hù)裝置和監(jiān)控主機(jī)（或遠(yuǎn)動(dòng)裝置）。繼電保護(hù)動(dòng)作信息往往是取自保護(hù)裝置的信號(hào)繼電器的輔助觸點(diǎn)，通過(guò)電纜送給監(jiān)控主機(jī)（或遠(yuǎn)動(dòng)裝置）。

圖1 集中式結(jié)構(gòu)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)框圖

1.2 集中式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

集中式結(jié)構(gòu)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）能實(shí)時(shí)采集變電站中各種模擬量、開(kāi)關(guān)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控、制表、打印、事件順序記錄等功能。

（2）能完成對(duì)變電站主要設(shè)備和進(jìn)、出線的保護(hù)任務(wù)。

（3）集中式結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，可大大減少占地面積。

（4）造價(jià)低，尤其是對(duì)35kV 等規(guī)模較小的變電站更為有利。

（5）實(shí)用性好。集中式結(jié)構(gòu)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：①每臺(tái)計(jì)算機(jī)的功能較集中，如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)出故障，影響面大，因此必須采用雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)才能提高可靠性。②集中式結(jié)構(gòu)，軟件復(fù)雜，修改工作量大，系統(tǒng)調(diào)試麻煩。③組態(tài)不靈活，對(duì)不同主接線或規(guī)模不同的變電站，軟、硬件都必須另行設(shè)計(jì)，工作量大，因此影響了批量生產(chǎn)，不利于推廣。④集中式保護(hù)與長(zhǎng)期以來(lái)采用一對(duì)一的常規(guī)保護(hù)相比，不直觀，不符合運(yùn)行和維護(hù)人員的習(xí)慣，調(diào)試和維護(hù)不方便，程序設(shè)計(jì)麻煩，只適合于保護(hù)算法比較簡(jiǎn)單的情況。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)變電站的小型化、無(wú)人化和高可靠性，由于集中式結(jié)構(gòu)存在諸多不足，隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)必須不斷變革。

2 分層分布式系統(tǒng)集中組屏的結(jié)構(gòu)形式

2.1 分布集中式結(jié)構(gòu)的原理

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，特別是80年代后期單片機(jī)的性?xún)r(jià)比越來(lái)越高，給自動(dòng)化系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)工作注入了新的活力，使得研究人員有條件將微機(jī)保護(hù)單元和數(shù)據(jù)采集單元按一次回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。到了20世紀(jì)90年代，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)了多種不同的結(jié)構(gòu)形式，但歸納起來(lái)，其實(shí)質(zhì)屬于均分層分布式的多CPU 的體系結(jié)構(gòu)。所謂分布式結(jié)構(gòu)，是在結(jié)構(gòu)上采用主從CPU 協(xié)同工作方式，各功能模塊（通常是各個(gè)從CPU）之間采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或串行方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，多CPU 系統(tǒng)提高了處理并行多發(fā)事件的能力，解決了集中式結(jié)構(gòu)中獨(dú)立CPU 計(jì)算處理的瓶頸問(wèn)題，方便系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)，局部故障不影響其他模塊（部件）正常運(yùn)行。分層結(jié)構(gòu)每一層完成不同的功能，每層由不同的設(shè)備或不同的子系統(tǒng)組成。

一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)變電站的一、二次設(shè)備可分為三層，即變電站層、單元層（或稱(chēng)間隔層）和設(shè)備層。

設(shè)備層主要指變電站內(nèi)的變壓器和斷路器、隔離開(kāi)關(guān)及其輔助觸點(diǎn)，電流、電壓互感器等一次設(shè)備。單元層一般按斷路器間隔劃分、具有測(cè)量、控制部件或繼電保護(hù)部件。測(cè)量、控制部件負(fù)責(zé)該單元的測(cè)量、監(jiān)視、斷路器的操作控制和聯(lián)鎖及事件順序記錄等；保護(hù)部件負(fù)責(zé)該單元線路或變壓器或電容器的保護(hù)、故障記錄等。因此，單元層本身是由各種不同的單元裝置組成，這些獨(dú)立的單元裝置直接通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)或串行總線與變電站層聯(lián)系；也可能設(shè)有數(shù)采管理機(jī)或保護(hù)管理機(jī)，分別管理各測(cè)量、監(jiān)視單元和各保護(hù)單元，然后集中由數(shù)采管理機(jī)和保護(hù)管理機(jī)與變電站層通信。變電站層包括全站性的監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)通信機(jī)等。變電站層設(shè)現(xiàn)場(chǎng)總線或局域網(wǎng)，供各主機(jī)之間和監(jiān)控主機(jī)與單元層之間交換信息。

圖2 分布集中式結(jié)構(gòu)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)框圖

分層分布式系統(tǒng)集中組屏的結(jié)構(gòu)是把整套綜合自動(dòng)化系統(tǒng)按其不同的功能組裝成多個(gè)屏（或稱(chēng)柜），例如：主變壓器保護(hù)屏（柜）、線路保護(hù)屏、數(shù)采屏、出口屏等。一般來(lái)說(shuō)，這些屏都集中安裝在主控室中，簡(jiǎn)稱(chēng)為分布集中式結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

2.2 分布集中式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

分層分布式集中組屏的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）由于分層分布式結(jié)構(gòu)配置，在功能上采用盡量下放原則，凡是可以在本間隔層就地完成的功能，絕不依賴(lài)通信網(wǎng)。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與集中式系統(tǒng)比較，明顯優(yōu)點(diǎn)是：可靠性高，任一部分設(shè)備有故障時(shí)，只影響局部；可擴(kuò)展性和靈活性高。

（2）分布式系統(tǒng)為多CPU 工作方式，各裝置都有一定數(shù)據(jù)處理能力，從而大大減輕了主控制機(jī)的負(fù)擔(dān)。

（3）繼電保護(hù)相對(duì)獨(dú)立。繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中對(duì)可靠性要求非常嚴(yán)格的設(shè)備，在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，繼電保護(hù)單元宜相對(duì)獨(dú)立，其功能不依賴(lài)于通信網(wǎng)絡(luò)或其他設(shè)備。各保護(hù)單元要有獨(dú)立的電源，保護(hù)的輸入應(yīng)仍由電流互感器和電壓互感器通過(guò)電纜連接，輸出跳閘命令也要通過(guò)常規(guī)的控制電纜送至斷路器的跳閘線圈，保護(hù)的啟動(dòng)、測(cè)量和邏輯功能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，不依賴(lài)通信網(wǎng)絡(luò)交換信息。保護(hù)裝置通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與保護(hù)管理機(jī)傳輸?shù)闹皇莿?dòng)作信息或記錄數(shù)據(jù)。為了無(wú)人值班的需要，也可通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方讀取和修改保護(hù)定值。

（4）具有與系統(tǒng)控制中心通信功能。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)本身具有對(duì)模擬量、開(kāi)關(guān)量、電能脈沖量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理的功能，也具有收集繼電保護(hù)動(dòng)作信息、事件順序記錄等功能，因此不必另設(shè)獨(dú)立的RTU 裝置，不必為調(diào)度中心單獨(dú)采集信息，而將綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采集的信息直接傳送給調(diào)度中心，同時(shí)也接受調(diào)度中心下達(dá)的控制、操作命令和在線修改保護(hù)定值命令。

（5）模塊化結(jié)構(gòu)，可靠性高。由于各功能模塊都由獨(dú)立的電源供電，輸入/輸出回路都相互獨(dú)立。任何一個(gè)模塊故障，只影響局部功能，不影響全局，而且由于各功能模塊基本上是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的，因而軟件結(jié)構(gòu)相對(duì)集中式的簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，也便于擴(kuò)充。

（6）室內(nèi)工作環(huán)境好，管理維護(hù)方便。分級(jí)分布式集中組屏結(jié)構(gòu)的全部屏（柜）安放在室內(nèi)，工作環(huán)境較好，電磁干擾相對(duì)開(kāi)關(guān)柜附近較弱，而且管理和維護(hù)方便。

分層分布式集中組屏結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是安裝時(shí)需要的控制電纜相對(duì)較多，增加了電纜投資。

2.3 分布集中式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例

目前生產(chǎn)這種結(jié)構(gòu)形式的廠家和產(chǎn)品也比較多。如DISA-3 型分布式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，RSJ-2200 型分布式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，F(xiàn)ZY-JB 型變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等。

例如浙江金華的500kV 雙龍變電站，其結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

圖3 雙龍變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)就地的狀態(tài)信號(hào)、告警信號(hào)和交流量輸入各間隔的輸入/輸出單元，經(jīng)串行通信送到本小室的主單元（部分信號(hào)直接接入主單元），通過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換器送到站級(jí)以太網(wǎng)，經(jīng)主機(jī)數(shù)據(jù)處理后，在人機(jī)工作站上顯示有關(guān)信息，部分信息經(jīng)主備通信機(jī)送三級(jí)調(diào)度；微機(jī)型保護(hù)有關(guān)信息經(jīng)保護(hù)管理機(jī)送到站級(jí)系統(tǒng)；采用相對(duì)獨(dú)立的硬件完成電氣聯(lián)鎖。系統(tǒng)主要存在以下不足：

（1）信息上送的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多，一定程度上影響了信息上送的實(shí)時(shí)性；

（2）鑒于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，同期裝置和開(kāi)關(guān)操作聯(lián)鎖系統(tǒng)均為獨(dú)立的裝置，系統(tǒng)采用的設(shè)備較多，價(jià)格較高；

（3）未采用分散數(shù)據(jù)庫(kù)；

（4）間隔層輸入/輸出單元的信號(hào)輸入點(diǎn)數(shù)比較少，不少信號(hào)只能接入主單元；

（5）站級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。

3 分布分散式與集中相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式

3.1 分散與集中相結(jié)合結(jié)構(gòu)的原理

雖然分布集中式的結(jié)構(gòu)具備分層分布式、模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)椴捎眉薪M屏結(jié)構(gòu)，因此需要較多的電纜。隨著單片機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線和局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，以及變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的不斷提高，有條件考慮全微機(jī)化的變電站二次系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。一種發(fā)展的趨勢(shì)是，以每個(gè)電網(wǎng)元件（例如：一條出線、一臺(tái)變壓器、一組電容器等）為對(duì)象，集測(cè)量、保護(hù)、控制為一體，設(shè)計(jì)在同一機(jī)箱中。對(duì)于6～35kV 的配電線路、可以將這個(gè)一體化的保護(hù)、測(cè)量、控制單元分散安裝在各個(gè)開(kāi)關(guān)柜中，然后由監(jiān)控主機(jī)通過(guò)光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)，對(duì)它們進(jìn)行管理和交換信息，這就是分散式的結(jié)構(gòu)。至于高壓線路保護(hù)裝置和變壓器保護(hù)裝置，仍可采用集中組屏安裝在控制室內(nèi)。這種將配電線路的保護(hù)和測(cè)控單元分散安裝在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，而高壓線路保護(hù)和主變壓器保護(hù)裝置等采用集中組屏的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為分布和集中相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，其框圖如圖4 所示，這是當(dāng)前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)形式。

圖4 分布與集中相結(jié)合結(jié)構(gòu)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)框圖

3.2 分散與集中相結(jié)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

分布分散式與集中相結(jié)合的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

（1）10～35kV 饋線保護(hù)采用分散式結(jié)構(gòu)，就地安裝，節(jié)約控制電纜，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與保護(hù)管理機(jī)交換信息。

（2）高壓線路保護(hù)和變壓器保護(hù)采用集中組屏結(jié)構(gòu)，保護(hù)屏安裝在控制室或保護(hù)室中，同樣通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與保護(hù)管理機(jī)通信，使這些重要的保護(hù)裝置處于比較好的工作環(huán)境，對(duì)可靠性較為有利。

（3）其他自動(dòng)裝置中，備用電源自投控制裝置和電壓、無(wú)功綜合控制裝置采用集中組屏結(jié)構(gòu)，安裝于控制室或保護(hù)室中，檢修方便。

4 結(jié)語(yǔ)

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用全面提高了變電站的運(yùn)行和管理水平，但其仍然存在不足之處。電網(wǎng)互聯(lián)以后，實(shí)時(shí)監(jiān)視并快速控制聯(lián)絡(luò)線的功率變得更為迫切，對(duì)與聯(lián)絡(luò)線較為緊密的變電站來(lái)說(shuō)，保護(hù)和控制的性能及可靠性指標(biāo)要求更嚴(yán)格；電力市場(chǎng)環(huán)境下，電網(wǎng)潮流變化加劇，F(xiàn)ACTS 技術(shù)的使用加劇了運(yùn)行狀態(tài)的多變性，這種情況下對(duì)變電站的監(jiān)視、控制和保護(hù)提出了新的要求。

為滿(mǎn)足上述要求，從變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上來(lái)看，全分散式的結(jié)構(gòu)一定是今后發(fā)展的方向，糾其原因，主要是由于新設(shè)備、新技術(shù)的進(jìn)展如電一光傳感器和光纖通信技術(shù)的發(fā)展，使得原來(lái)只能集中組屏的高壓線路保護(hù)裝置和主變壓器保護(hù)也可以考慮安裝于高壓場(chǎng)附近，并利用日益發(fā)展的光纖技術(shù)和局域網(wǎng)技術(shù)，將這些分散在各開(kāi)關(guān)柜的保護(hù)和集成功能模塊聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)全分散化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，為變電站實(shí)現(xiàn)高水平、高可靠性和低造價(jià)的無(wú)人值班創(chuàng)造更有利的技術(shù)條件。

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