变电站综合自动化

7.4.1 概述

一个变电站主要包括一次系统和二次系统两大部分。此外，实现对变电站运行工况的测量、监视、控制、信息显示、信息远传的变电站（发电厂）远动系统已显示出越来越重要的作用。通常，也将厂站远动系统纳入二次系统的范畴。随着电力系统规模的迅速扩大，容量大、参数高的电力设备被广泛使用，为保证这些设备安全、可靠地运行，必须采用自动化技术，这是应考虑的一个方面。为了提高系统运行的安全性和可靠性，向用户提供质量指标更高的电能，变电站自动化技术也必须同步提高，这是必须考虑的另一个方面。

变电站自动化是在原来的变电站常规二次系统基础上发展起来的。常规变电站将大量现场一次设备，如变压器、断路器、母线、电压互感器（TV）、电流互感器（TA）等，同安装在控制室内的单项自动化装置（如继电保护、重合闸、故障录波和测距、各种变送器、远动装置、测量仪表等）之间，用大量电缆一一对应地连接起来。其设备复杂，占地面积大，功能分立。随着大规模集成电路、现代信号处理技术和计算机监控技术的发展，将原来变电站二次系统的监视与控制、远动、继电保护、故障记录等等功能进行功能的综合和优化设计，形成两级单元（即间隔级单元和中央单元），完全取消了传统的集中控制屏。二次回路极为简洁，控制电缆大量减少，构成一个统一的计算机系统来完成变电站自动化功能，包括变电站远方监视与控制、远动和继电保护、测量和故障记录，运行参数自动打印等，可以实现无人值班运行。

传统的35kV以上电压等级变电站的二次回路部分是由继电保护、当地监控、远动装置、故障录波和测距、直流系统与绝缘监视及通信等各类装置组成的，它们各自采用独立的装置来完成自身的功能且均自成系统，由此不可避免地产生各类装置之间功能相互覆盖，部件重复配置。20世纪80年代，由于微机技术的发展，远动终端、当地监控、故障录波等装置相继更新换代，实现了微机化。但当时的变电站自动化系统实际上是在RTU基础上加上一台微机为中心的当地监控系统，未涉及继电保护，这是我国变电站自动化技术的第一阶段。

20世纪90年代，由于数字保护技术（即微机保护）的广泛应用，使变电站自动化取得实质性的进展。20世纪90年代初研制的变电站自动化系统是在变电站控制室内设置计算机系统作为变电站自动化的心脏，另设置一数据采集和控制部件用以采集数据和发出控制命令。微机保护柜除保护部件外，每柜有一管理单元，其串行口与变电站自动化系统的数据采集及控制部件相连接，传送保护装置的各种信息和参数，整定和显示保护定值，投／停保护装置。此类集中式变电站自动化系统可以认为是我国变电站自动化技术的第二阶段。

近年来，随着计算机技术、网络技术及通信技术的飞速发展，同时结合变电站的实际情况，各类分散式变电站自动化系统纷纷研制成功和投入运行。分散式系统的特点是各现场输入／输出单元部件分别安装在中低压开关柜或高压一次设备附近，现场单元部件可以是微机保护和监控功能的二合一装置，用以处理各开关单元的继电保护和监控功能，也可以各自保持其独立性。在变电站控制室内设置计算机系统，对各现场单元部件进行通信联系。通信方式除了采用常用的串行接口如RS232C，RS422／485等以外，更多地采用了网络技术，如Lon Works或CAN等现场总线型网。至于变电站自动化的功能，则将遥测、遥信、采集及处理，遥控命令执行和继电保护功能等均由现场单元部件独立完成，并将这些信息通过网络送至后台主计算机，而变电站自动化的综合功能均由后台主计算机系统承担。此类分散式变电站自动化系统可视为第三阶段。

上述各类变电站自动化系统的推出，由于技术的发展，虽有时间先后，但并不存在前后替代的情况，可根据变电站的实际情况，合理选配各类系统。如以RTU为基础的变电站自动化系统可用于已建变电站的自动化改造，而分散式变电站自动化系统更适用于新建高压变电站。

随着计算机、通信和电子技术的飞速发展，变电站自动化中必然会引入相关的新技术。变电站自动化设备和装置将向一体化、智能化方向发展。例如一次设备和二次功能的一体化，变电站内变压器、断路器等一次主要设备和控制、保护、监视、数据采集、数据传输等二次功能的一体化。又如以往二次功能中人工介入部分将由智能化元器件来代替。同时，由于变电站（尤其是高压、超高压变电站）中高电压、大电流的导线和设备，使周围环境处于强大的电磁场影响之下，加之上面提到的一次设备和二次功能的一体化，使强、弱电设备组成一体，造成控制、保护、自动化等二次设备深入现场，面临恶劣的电磁环境，突出了电磁兼容问题。以往由于开关操作和短路故障产生的暂态过程、雷电流的侵入等使保护误动作、自动化设备损坏等情况时有发生。因此，引入提高设备电磁兼容性的新技术，也将成为变电站自动化技术的发展热点。

7.4.2 变电站综合自动化系统的构成

变电站综合自动化系统经历了集中式、分层分布式等几个发展阶段。

1.集中式变电站综合自动化系统结构

集中式是指用一台计算机（工控机）完成上述综合自动化的全部功能。对于大容量高压变电站，需要保护和控制的设备很多，用集中式结构时可靠性、灵敏性不能满足要求，随着计算机价格的不断下降，到20世纪末，变电站综合自动化向分层分布式结构发展。

2.分层分布式变电站综合自动化系统结构

分层分布式变电站综合自动化系统是将变电站信息的采集和控制分为管理层、站控层和间隔层三个级分层布置。在结构上采用主从CPU协同工作方式，各个功能模块（通常是各个从CPU）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了集中式结构中一个CPU计算处理的瓶颈问题，方便了系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块（部件）正常运行。

3.分散与集中相结合的分布式变电站综合自动化系统结构

这是目前国内外最为流行、受到广大用户欢迎的一种综合自动化系统，如图7.4.1所示。它采用“面向对象”，即面向电气一次回路或电气间隔（如一条出线、一台变压器、一组电容器等）的方法进行设计，间隔层中各数据采集、监控单元和保护单元制作在一起，设计在同一机箱中，并将这种机箱就地分散安装在开关柜或其他一次设备附近。这种间隔单元的设备相互独立，仅通过光纤或电线网络由站控机对它们进行管理和交换信息。这是将功能分布和物理分散两者有机结合的结果。通常，能在间隔层内完成的功能一般不依赖通信网络。

这种组态模式集中了分布式的全部优点，此外还最大限度地压缩了二次设备及其繁杂的二次电缆，节省土地投资；这种结构形式本身配置灵活，从安装配置上除了能分散安装在间隔开关柜上外，还可以实现在控制室内集中组屏或分层组屏，即一部分集中在低压开关室内，而高压线路保护和主变压器保护装置等采用集中组屏的系统结构，称为分散与集中相结合的结构。它不仅适合应用在各种电压等级的变电站中，而且在高压变电站中应用更趋于合理，经济效益更好。

图7.4.1 分散与集中相结合的分布式变电站综合自动化系统结构示意图

变电站综合自动化系统主要由保护系统、监控系统和信息管理系统三大部分组成，在结构上多为分布式结构，并引入计算机局域网（LAN）技术，将站内所有的智能化装置（IED）连接起来。网上节点可分成主站和子站两大类。其系统构成如图7.4.2所示。

图7.4.2 变电站综合自动化系统构成

变电站综合自动化系统采用分布式结构有两种组态方式，即全分散式和局部分散式。

（1）全分散式。采用全分散式变电站综合自动化系统时，将各子站即多功能微机保护装置分散就地安装在一次设备上，各子站之间、子站与主战之间用通信电缆或光缆连成LAN，除此之外几乎不再需要有连线。这种系统的优点是变电所二次接线简单清晰，节省大量电缆，大大减少控制室面积，比较适合城市变电站。

（2）局部分散式。局部分散式即分布式结构集中组屏方式。采用这种方式，将多功能微机保护装置集中组屏安装，通常将组屏安装在保护小间内，保护小间设在一次设备附近，根据变电站的电压等级和规模可设几个保护小间，以便就近管理，节省电缆，比较适合220kV及以上大型变电站。

7.4.3 变电站综合自动化系统的功能

变电站综合自动化功能由电网安全稳定运行和变电站建设、运行维护的综合经济效益要求所决定。变电站在电网中的地位和作用不同，变电站自动化系统有不同的功能。具体可归纳为以下几点。

1.监控子系统的功能

监控子系统将取代常规的测量系统，取代针式仪表，改变常规的操作机构和模拟盘，取代常规的告警、报警、中央信号、光字牌等，取代常规的远动装置等。监控子系统的功能有数据采集、数据库的建立与维护、顺序事件记录及事故追忆、故障记录、录波和测距功能、操作控制功能、安全监视功能、人机联系功能、打印功能、数据处理与记录功能、谐波的分析与监视、报警处理、画面生成及显示、在线计算及制表功能、电能量处理、远动功能、运行管理功能等，此外还具有时钟同步、防误闭锁、同步、系统自诊断与恢复，以及与其他设备接口等功能。

2.微机保护系统功能

微机保护系统功能是变电站综合自动化系统的最基本、最重要的功能，它包括变电站的主设备和输电线路的全套保护：高压输电线路保护和后备保护；变压器的主保护、后备保护，以及非电量保护；母线保护；低压配电线路保护；无功补偿装置保护；所用变保护等。

3.后备控制和紧急控制功能

当地后备控制和紧急控制功能包括人工操作控制、低频减负荷、备用电源自投和稳定控制等。

实现变电站综合自动化的主要目的不仅是用以微机为核心的保护和控制装置来代替传统变电站的保护和控制装置，其关键还在于实现信息交换。通过控制和保护互连、相互协调，允许数据在各功能块之间相互交换，可以提高他们的性能。

7.4.4 变电站综合自动化系统的特点

从上述变电站综合自动化系统的概念、构成和功能中，可看出变电站综合自动化系统有以下几个突出的特点。

1.功能综合化

变电站综合自动化系统是一个技术密集、多种专业技术相互交叉、相互配合的系统，是以微电子技术、计算机硬件和软件技术、数据通信技术为基础发展起来的。传统变电站内全部二次设备的功能均综合在此系统中。监控子系统综合了原来的仪表屏、操作屏、模拟屏和变压器柜、远动装置、中央信号系统等功能；保护子系统代替了电磁式或晶体管式继电保护装置；还可以根据用户的需要，将微机保护子系统和监控子系统结合起来，综合故障滤波、故障测距、自动低频减负荷、自动重合闸和小电流接地选线等自动装置功能。这种综合性功能是通过局域通信网络中各微机系统硬、软件的资源共享来实现的。

2.分层、分布化结构

综合自动化系统内各子系统和各功能模块由不同配置的单片机和微型计算机组成，采用分布式结构，通过网络、总线将各子系统连接起来。一个综合自动化系统可以有多个微处理器同时并行工作，实现各种功能。另外，按照各子系统功能分工的不同，综合自动化系统的总体结构又按分层原则来组成。

3.操作监视屏幕化

变电站实现综合自动化后，不论有人值班还是无人值班，操作人员可在变电站内或是在主控站、调度室内，面对彩色大屏幕显示器进行变电站的全方位监视与操作。

4.运行管理智能化

变电站综合自动化的另一个最大的特点之一是运行管理智能化。智能化不仅实现了许多自动化的功能，而且具有故障自诊断、自恢复和自闭锁等功能。这对于提高变电站的运行管理水平和安全可靠性具有非常重要的意义。

5.通信手段多元化

计算机局域网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中得到了普遍应用。因此，系统具有较高的抗电磁干扰能力，能够实现高速数据传送，满足了实时性要求，组态灵活、易于扩展、可靠性高，大大简化了常规变电站繁杂量大的各种电缆。

6.测量显示数字化

变电站实现综合自动化后，微机监控系统彻底改变了传统的测量手段，常规指针式仪表全被显示屏上的数字显示所取代，这不仅减轻了人员的劳动，而且大大提高了测量精度和管理的科学性。

总之，变电站实现综合自动化可以全面地提高变电站的技术水平和运行管理水平，使其能适应现代化电力系统运营的需要。