變電站綜合自動化的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

引言

變電站是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，它擔負著電能轉(zhuǎn)換和電能重新分配的繁重任務，對電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行起著舉足輕重的作用。為了提高變電站安全穩(wěn)定運行水平，降低運行維護成本，提高經(jīng)濟效益，向用戶提供高質(zhì)量電能服務，變電站綜合自動化技術開始興起并得到廣泛應用。

變電站綜合自動化是將變電站的二次設備(包括控制、信號、測量、保護、自動裝置及遠動裝置等)應用計算機技術和現(xiàn)代通信技術，經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設計，對變電站實施自動監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動化系統(tǒng)。實現(xiàn)變電站綜合自動化，可提高電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行水平，減少基建投資，并為推廣變電站無人值班提供了手段。計算機技術、信息技術和網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，帶動了變電站綜合自動化技術的進步。近年來，隨著數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)(如光電式互感器或電子式互感器)、智能電氣設備以及相關通信技術的發(fā)展，變電站綜合自動化系統(tǒng)正朝著數(shù)字化方向邁進。

一、變電站綜合自動化系統(tǒng)的主要功能

變電站綜合自動化系統(tǒng)的基本功能體現(xiàn)在下述6個子系統(tǒng)的功能中：

1監(jiān)控子系統(tǒng);

2繼電保護子系統(tǒng);

3電壓、無功綜合控制子系統(tǒng);

4電力系統(tǒng)的低頻減負荷控制子系統(tǒng);

5備用電源自投控制子系統(tǒng);

6通信子系統(tǒng)。

這部分內(nèi)容比較豐富，且有許多文獻對之進行了詳細說明，因此本文不再詳述。

二、傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)

1.系統(tǒng)結構

目前國內(nèi)外變電站綜合自動化系統(tǒng)的結構，從設計思想分類有以下三種[1]：

(1)集中式

采用不同檔次的計算機，擴展其外圍接口電路，集中采集變電站的模擬量、開關量和數(shù)字量等信息，集中進行處理運算，分別完成微機監(jiān)控、微機保護和一些自動控制等功能。其特點是：對計算機性能要求較高，可擴性、可維護性差，適用于中、小型變電站。

(2)分布式

按變電站被監(jiān)控對象或系統(tǒng)功能劃分，多個CPU并行工作，各CPU之間采用網(wǎng)絡技術或串行方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分布式系統(tǒng)擴展和維護方便，局部故障不影響其他模塊正常運行。該模式在安裝上可以集中組屏或分屏組屏。

(3)分散分布式

間隔層中各數(shù)據(jù)采集、控制單元(I/O單元)和保護單元就地分散安裝在開關柜上或其他設備附近，各個單元之間相互獨立，僅通過通信網(wǎng)互聯(lián)，并同變電站級測控主單元通信。能在間隔層完成的功能不依賴于通信網(wǎng)，如保護功能。通信網(wǎng)通常是光纖或雙絞線，最大限度地壓縮了二次設備和二次電纜，節(jié)省了工程建設投資。安裝既可以分散安裝于各間隔，也可以在控制室中集中組屏或分層組屏，還可以一部分在控制室中，另一部分分散在開關柜上。

2.存在的問題

變電站綜合自動化系統(tǒng)取得了良好的應用效果參1，但也有不足之處，主要體現(xiàn)在：1一次和二次之間的信息交互還是延續(xù)傳統(tǒng)的電纜接線模式，成本高，施工、維護不便;2二次的數(shù)據(jù)采集部分大量重復，浪費資源;3信息標準化不夠，信息共享度低，多套系統(tǒng)并存，設備之間、設備與系統(tǒng)之間互聯(lián)互通困難，形成信息孤島，信息難以被綜合應用;4發(fā)生事故時，會出現(xiàn)大量的事件告警信息，缺乏有效的過濾機制，干擾值班運行人員對故障的正確判斷。

三、數(shù)字化變電站

數(shù)字化變電站是變電站自動化發(fā)展的下一個階段，《國家電網(wǎng)公司“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃》已明確提出在“十一五”期間要研究數(shù)字化變電站并建設示范站參2，且目前已有數(shù)字化變電站建成并投入運行，如福州會展變110千伏數(shù)字化變電站。

1.數(shù)字化變電站的概念

數(shù)字化變電站指信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的變電站，基本特征為設備智能化、通信網(wǎng)絡化、運行管理自動化等。

數(shù)字化變電站有以下主要特點：

(1)一次設備智能化

采用數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開關(或配智能終端的傳統(tǒng)開關)等智能一次設備。一次設備和二次設備間用光纖傳輸數(shù)字編碼信息的方式交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等信息。

(2)二次設備網(wǎng)絡化

二次設備間用通信網(wǎng)絡交換模擬量、開關量和控制命令等信息，取消控制電纜。

(3)運行管理系統(tǒng)自動化

應包括自動故障分析系統(tǒng)、設備健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和程序化控制系統(tǒng)等自動化系統(tǒng)，提升自動化水平，減少運行維護的難度和工作量。

2.數(shù)字化變電站的主要技術特征

(1)數(shù)據(jù)采集數(shù)字化

數(shù)字化變電站的主要標志是采用數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)(如光電式互感器或電子式互感器)采集電流、電壓等電氣量參3，實現(xiàn)了一、二次系統(tǒng)在電氣上的有效隔離，增大了電氣量的動態(tài)測量范圍并提高了測量精度，從而為實現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變以及信息集成化應用提供了基礎。

(2)系統(tǒng)分層分布化

變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從集中式向分布式的轉(zhuǎn)變，第二代分層分布式變電站自動化系統(tǒng)大多采用成熟的網(wǎng)絡通信技術和開放式互連規(guī)約，能夠更完整地記錄設備信息并顯著地提高系統(tǒng)的響應速度。數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結構在物理上可分為兩類，即智能化的一次設備和網(wǎng)絡化的二次設備;在邏輯結構上根據(jù)IEC61850通信標準定義，可分為“過程層”、“間隔層”、“站控層”三個層次。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡通信。

(3)信息交互網(wǎng)絡化與信息應用集成化

數(shù)字化變電站采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號。站內(nèi)設備之間通過高速網(wǎng)絡進行信息交互，二次設備不出現(xiàn)功能重復的I/O接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)及資源共享。目前國際上已確定IEC61850為變電站自動化通信標準。

此外，數(shù)字化變電站對原來分散的二次系統(tǒng)裝置進行了信息集成及功能優(yōu)化處理，因此可以有效地避免常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制、保護、故障錄波、量測與計量等裝置存在的硬件配置重復、信息不共享及投資成本大等問題的發(fā)生。

(4)設備操作智能化

新型高壓斷路器二次系統(tǒng)是采用微機、電力電子技術和新型傳感器建立起來的，斷路器系統(tǒng)的智能性由微機控制的二次系統(tǒng)、IED和相應的智能軟件來實現(xiàn)，保護和控制命令可以通過光纖網(wǎng)絡到達非常規(guī)變電站的二次回路系統(tǒng)，從而實現(xiàn)與斷路器操作機構的數(shù)字化接口。

(5)設備檢修狀態(tài)化

在數(shù)字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及各種IED裝置的故障和動作信息，實現(xiàn)對操作及信號回路狀態(tài)的有效監(jiān)視參4。數(shù)字化變電站中幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設備狀態(tài)特征量的采集沒有盲區(qū)。設備檢修策略可以從常規(guī)變電站設備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，從而大大提高系統(tǒng)的可用性。

(6)LPCT的測量原理和檢驗儀的外型

如前所述，LPCT實際上是一種具有低功率輸出特性的電磁式電流互感器，在IEC標準中，它被列為電子式電流互感器的一種實現(xiàn)形式，代表著電磁式電流互感器的一個發(fā)展方向，具有廣闊的應用前景。由于LPCT的輸出一般是直接提供給電子電路，所以二次負載比較小;其鐵心一般采用微晶合金等高導磁性材料，在較小的鐵心截面(鐵心尺寸)下，就能夠滿足測量準確度的要求。

電子式電流互感器校驗儀的測試外型如圖1所示。電流傳感頭由LPCT構成，高準確度電流互感器為0.1級，其二次輸出信號作為標準信號與電子式電流互感器輸出信號進行對比。

圖1：為ES-45電子式電流互感器校驗系統(tǒng)圖

(7)系統(tǒng)結構緊湊化和建模標準化

數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)具有體積小、重量輕等特點，可以將其集成在智能開關設備系統(tǒng)中，按變電站機電一體化設計理念進行功能優(yōu)化組合和設備布置。在高壓和超高壓變電站中，保護裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動裝置的I/O單元作為一次智能設備的一部分，實現(xiàn)了IED的近過程化(process- close)設計;在中低壓變電站可將保護及監(jiān)控裝置小型化、緊湊化并完整地安裝在開關柜上。

IEC 61850確立了電力系統(tǒng)的建模標準，為變電站自動化系統(tǒng)定義了統(tǒng)一、標準的信息模型和信息交換模型，其意義主要體現(xiàn)在實現(xiàn)智能設備的互操作性、實現(xiàn)變電站的信息共享和簡化系統(tǒng)的維護、配置和工程實施等方面。

3. IEC 61850標準

IEC 61850是國際電工委員會TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)》系列標準，是基于網(wǎng)絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標準參5，也將成為電力系統(tǒng)從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動化無縫連接的通信標準，還可望成為通用網(wǎng)絡通信平臺的工業(yè)控制通信標準。

與傳統(tǒng)的通信協(xié)議體系相比，在技術上IEC 61850有如下突出特點：1使用面向?qū)ο蠼＜夹g;2使用分布、分層體系;3使用抽象通信服務接口(ACSI)、特殊通信服務映射SCSM技術;4使用 MMS(Manufacture Message Specification)技術;5具有互操作性;6具有面向未來的、開放的體系結構。

四、結論

變電站自動化系統(tǒng)在我國的應用已經(jīng)取得了非常顯著的效果，對提高電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行水平起到了重要的作用。目前隨著新技術的不斷發(fā)展，數(shù)字化變電站正在興起。與傳統(tǒng)變電站相比，數(shù)字化變電站具有以下優(yōu)勢：減少二次接線，提升測量精度，提高信號傳輸?shù)目煽啃?，避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題，解決設備間的互操作問題，變電站的各種功能可共享統(tǒng)一的信息平臺，避免設備重復，自動化運行和管理水平進一步提高。數(shù)字化變電站是變電站自動化技術的發(fā)展方向。

參考文獻

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【2】賴振學《工業(yè)計量》 2010年第3期〈〈新型絕緣電阻測試儀的開發(fā)〉〉。 P32頁

【3】章開煊 《電氣制造》 2010年第5期〈〈新型光電互感器電路的設計〉〉。 P74頁

【4】郭惠光 《電工文摘》 2010年第3期〈〈光電互感器校驗的探討〉〉。 P58頁

【5】張忠德 《上海電器技術》 2010、 2〈〈基于DSP的電能校驗臺的設計與開發(fā)〉〉P36頁