自動化控制系統在變電站智能調度中的應用研究

[摘 要]文章以陜西某220 kV變電站為例，設計了適合該變電站的自動化控制系統，探究了自動化控制系統在變電站智能調度中的應用效果。研究結果表明，該系統中的光纖通信系統的數據延遲低于設計目標，差動保護裝置及過電流保護裝置的響應時間均優于設計要求，且調度效率與系統運行的可靠性大幅提升。

[關鍵詞]自動化控制系統；變電站；智能調度

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0013–03

Research on the Application of Automation Control System in Intelligent Dispatch of Substation

PAN Shuyang，ZHANG Xinyuan

[Abstract]The article takes a 220 kV substation in Shaanxi Province as an example to design an automation control system suitable for the substation and explore the application effect of the automation control system in intelligent dispatching of the substation. The research results indicate that the data delay of the fiber optic communication system in this system is lower than the design target， and the response time of the differential protection device and overcurrent protection device is better than the design requirements. Moreover， the scheduling efficiency and system operation reliability are greatly improved.

[Keywords]automation control system； substation； intelligent scheduling

1 工程概況

陜西省某220 kV變電站，總裝機容量為500 MVA，包含4臺主變壓器，每臺容量為125 MVA，主變壓器高壓側為220 kV，低壓側為110 kV和35 kV電壓等級。作為區域電網的重要節點，該變電站承擔著為周邊多個城市和工業區穩定供電的重任。雖然現有設備運行較穩定，但變電站的調度系統仍依賴傳統的人工監控和半自動控制模式，無法滿足當今電力系統對智能化、高效化、精細化調度的需求。因此，本工程圍繞提升變電站調度系統的智能化水平展開，重點通過自動化控制系統的引入，實現調度的全面升級。

2 變電站智能調度中的自動化控制系統設計

2.1 自動化控制系統總體架構設計

自動化控制系統的總體架構設計（圖1）分為以下3個主要層次，共同實現對變電站設備的全面監測、控制與調度。

2.1.1 數據采集層

數據采集層主要通過各類高精度傳感器和監測設備對變電站內的關鍵設備進行實時數據采集。其中，電壓互感器（PT）主要用于實時監測主變壓器高壓側和低壓側的電壓，精度為0.2級，額定二次電壓為100 V。電流互感器（CT）主要用于監測變電站內設備的電流情況，額定電流比為1 000 A/5 A，精度為0.2級，具有過載測量能力，短時電流耐受能力為40 kA（1 s）。溫度傳感器主要用于監測主變壓器和其他設備的工作溫度，量程為0～200℃，測量精度為±0.5℃。油位傳感器主要用于監測主變壓器油箱內的油位，量程為0～5 m，精度為±0.1%FS，輸出信號為420 mA。避雷器監測裝置主要用于監測避雷器的泄漏電流，測量范圍為0～10 mA，精度為±1%。為了確保數據采集的精度和實時性，系統配備了高速數據采集終端，采集速率為1 000次/s。

2.1.2 控制執行層

控制執行層主要負責完成關鍵設備的控制任務。其中，開關控制器主要負責控制220 kV和110 kV開關設備的分合閘操作，具備手動和遠程控制模式，響應時間小于50 ms，額定操作電壓為220 V DC，帶有狀態反饋功能。自動調壓裝置主要用于主變壓器的自動調節負載電壓，調節范圍為±10%，調節步長為0.5%，反應時間為≤2 s，配備自動和手動切換功能。自動無功補償裝置主要負責實時調整無功功率，容量為20 MVar，補償電壓為35 kV，調節精度為±1%，反應時間為≤1 s。故障檢測與隔離設備主要負責快速故障檢測與隔離任務，故障響應時間小于1 ms，具備自動切除和隔離功能，以確保故障發生時對電網的影響最小化。

2.1.3 調度管理層

調度管理層主要負責總體協調和平衡變電站運行狀態的相關工作。其中，SCADA系統主要負責實時監控變電站的運行狀態，采集設備的運行數據并展示在調度中心。SCADA系統的刷新頻率為1 s，具備實時告警、數據存儲和歷史數據回溯功能。其可以與自動化控制系統進行無縫集成，確保調度人員能夠及時掌握變電站的運行情況。高級數據分析系統則具備負荷預測、故障診斷和設備狀態評估功能，其主要采用優化算法進行數據處理，可以生成優化的運行策略，支持自動化調度決策。

2.2 硬件配置設計

自動化控制系統的硬件配置是確保系統穩定運行的關鍵，其主要涵蓋以下核心設備。

（1）遠動終端裝置（RTU）。每臺主變壓器都配置了1個RTU，支持多種通信協議（IEC 61850、DNP3等），數據采集精度為0.5%，具備冗余電源設計，支持雙電源輸入，額定電壓為220 V AC或110 V DC。數據傳輸速率為100 Mbps，具備存儲和緩沖能力，可在通信中斷時保存至少24 h的運行數據。

（2）智能保護裝置。其主要包括差動保護裝置、過電流保護裝置、過壓保護裝置等，其中，差動保護裝置主要用于保護主變壓器，電流差動保護的啟動電流為0.2～2.5倍額定電流，反應時間小于20 ms。過電流保護裝置的啟動電流為1.2倍額定電流，動作時間小于100 ms。過壓保護裝置的啟動電壓為110%額定電壓，動作時間小于200 ms。

（3）可編程邏輯控制器（PLC）。PLC系統負責執行自動化控制指令，具備32路輸入和32路輸出接口，響應時間為20 ms，運行電壓為24 V DC，其支持多種通信接口（Modbus、Profibus），并與上位系統進行無縫連接。

2.3 軟件設計

自動化控制系統的軟件設計包括以下方面。

（1）數據處理軟件。其采用實時數據庫，支持1 s級的刷新頻率，具備數據分類、存儲和自動化處理能力。系統能夠識別異常數據，觸發報警功能，如負荷電流超出800 A時觸發告警，并生成故障記錄。

（2）調度控制軟件。其具備實時負荷預測和電網狀態分析功能，該軟件響應時間小于1 s，能夠自動調整主變壓器和無功補償設備的運行狀態，實現經濟調度。同時，該軟件與SCADA系統集成，具備自動化故障定位功能，故障定位精度為±100 m。調度控制軟件工作原理如圖2所示。

（3）人機界面（HMI）軟件。HMI負責提供設備運行狀態的可視化界面，支持多視圖展示（設備狀態視圖、負荷曲線圖、運行告警視圖等），刷新頻率為2 s，具備歷史數據回放和故障回溯功能。

2.4 通信協議與網絡設計

為了確保系統內外部設備之間的通信穩定，自動化控制系統采用高效、可靠的通信協議和網絡拓撲設計。在通信協議上，系統采用IEC 61850標準，支持設備之間的互操作性。通過GOOSE消息機制，系統可以實現毫秒級的事件傳輸，傳輸時間小于4 ms，確保故障情況下的快速響應。同時，系統還額外支持MMS（Manufacturing Message Specification）協議，用于變電站內部設備與調度中心之間的通信。在網絡拓撲結構設計上，網絡采用雙環網結構，光纖通信系統支持1 Gbps帶寬，具備低延時特性，延時不超過10 ms。網絡設備采用冗余設計，如某一路通信線路失效，系統會自動切換至備用鏈路，設定切換時間小于50 ms。

2.5 系統安全與防護設計

自動化控制系統的安全部分主要考慮了網絡安全、設備冗余和自檢維護功能。系統布署了雙層防火墻、入侵檢測系統（IDS）和加密技術（AES 256–bit），可以確保外部攻擊無法干擾系統運行。網絡數據采用加密傳輸，確保通信數據的完整性和機密性。RTU、PLC等關鍵設備均采用冗余配置，確保在單一設備故障時，系統能夠無縫切換至備份設備。系統還具備自動自檢功能，能夠每隔24 h進行1次設備健康檢測，檢測結果會自動生成報告并及時存檔。

3 自動化控制系統在變電站智能調度中的應用效果

3.1 系統集成測試結果

在陜西該220 kV變電站中，自動化控制系統通過系統集成測試，光纖通信系統的數據延遲為8.2 ms，低于10 ms的設計目標。差動保護裝置的響應時間為18.4 ms，過電流保護裝置的響應時間為92.7 ms，均優于設計要求，確保了系統在故障情況下的快速響應與穩定運行。

3.2 自動化控制系統的調度性能分析

系統上線后，SCADA系統的監測與預測功能使負載預警提前5 min，主變壓器負載均衡提高14.7%。無功補償裝置的調節時間為0.95 s，降低了無功損耗。自動化調度減少了67.3%的人工干預，供電可靠性提高3.5%，年均故障次數從4.2次降至1.4次。

3.3 故障響應與恢復能力評估

系統優化后，故障響應時間為0.92 ms，恢復時間從27.5 min縮短至13.2 min，減少了52.0%。在220 kV短路故障中，系統在30 ms內定位故障點，并控制供電中斷時間至3.6 s。

3.4 數據傳輸與通信穩定性分析

系統通過雙環網冗余設計，24 h內未出現通信中斷，傳輸成功率達99.98%。在一次網絡中斷情況下，系統在38 ms內切換至備用鏈路，數據丟包率為0.000 2%，通信延遲為7.9 ms，均優于設計標準。

4 結束語

陜西某220 kV變電站實施的自動化控制系統的應用結果表明，該系統的引入顯著提升了變電站的智能調度能力，不僅減少了故障發生后的恢復時間，還增強了系統的安全性和穩定性，為今后更大規模的智能調度系統應用提供了技術參考。

參考文獻

[1] 徐凡.數字化變電站中的自動化技術應用[J].集成電路應用，2024（8）：292-293.

[2] 史抗.變電站自動化控制系統的優化策略分析[J].電子技術，2024（7）：130-131.