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【摘 要】随着智能化电气设备的不断涌现，变电站已经进入了自动化发展的新阶段。本文主要对变电站自动化系统进行了相关介绍，且对其主要功能进行阐述，总结了变电站综合自动化系统的发展趋势。
【关键词】变电站；电力系统自动化；通讯
变电站综合自动化系统是利用计算机系统、网络、数据库、现代通讯技术等将变电站的二次设备(包括控制、测量、保护、自动装置等)，经过功能组合和优化设计，对变电站实行自动监控、测量和协调来提高变电站的运行效率和稳定性。它完全取代了常规的监控仪表、中央信息系统、变送器及常规远动装置。不仅提高了变电站的可控性，而且由于采用了无人值班的管理模式，更有效地提升了劳动生产率，减少 人为误操作的可能，最大程度提高了变电站的可靠性和经济性。随着“两网”改造的深入和电网运行水平的提高，广泛采用变电站综合自动化技术是计算机和通讯技术应用的方向，也是今后电网发展的趋势。
1.变电站自动化系统的结构
变电站综合自动化系统的发展过程与集成电路技术、微计算机技术、通讯技术和网络技术密切相关。随着高科技的不断发展，综合自动化系统的体系得到了不断完善，功能和性能也不断提高。从发展过程来看，典型的结构主要有：集中式结构、分布式结构、分散(层)式结构和全分散式几种结构类型。
1.1集中式结构
集中式变电站综合自动化系统结构按信息类型划分功能。这种方式一般采用功能较强的计算机并扩展其I/O接口，集中采集变电站的模拟量和数据量信息，集中进行计算和处理，分别完成微机监控、微机保护和自动控制等功能。由前置机完成数据输入、输出、控制及监测等功能，后台机完成数据处理、显示、打印及远方通讯等功能。这种结构系统能实时采集变电站中各种模拟量、开关量的信息，完成对变电站的数据采集和监控、打印、制表和事件记录功能，还能完成对变电站主要设备和进、出线的保护功能。此结构体积小、紧凑，造价低。不足的是其对系统监控主机的性能要求较高，且系统处理能力有限，在开放性、扩展性和可维护性方面较差，抗干扰能力差。
1.2分布式结构
分布式结构最大的特点是将变电站自动化系统由主CPU和从CPU多台计算机来完成。采用主从CPU系统的工作方式，各功能模块采用串行方式实现数据通信，提高并处理并行多发事件的能力，较好地解决了CPU运算处理慢的瓶颈问题。分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。该模式在安装上可以形成集中组屏或分层组屏两种系统组态结构，较多地使用于中、低压变电站。
1.3分散(层)式结构
按变电站的控制层次和对象设置全站控制级(站级)和就地单元控制级(段级)的二层分布控制系统结构。站控系统(SCS)：应具有快速的信息相应能力及相应的信息处理分析功能，完成站内的运行管理及控制(包括就地及远方控制管理两种方式)，例如事件记录、开关控制及SCADA的数据收集功能。
站监视系统(SMS)：应对站内所有运行设备进行监测，为站控系统提供运行状态及异常信息，即提供全面的运行信息功能，如扰动记录、站内设备运行状态、二次设备投入／退出状态及设备的额定参数等。
站工程师工作台(EWS)：可对站内设备进行状态检查、参数整定、调试检验等，也可用便携机进行就地及远端维护。上面是按大致功能基本分块，硬件可以根据功能及信息特征在一台站控计算机中实现，也可以两台双备用，也可以按功能分别布置，但应能够共享数据信息，具有多任务时实处理功能。原则上凡是可以在本间隔就地完成的功能绝不依赖通讯网，但特殊功能例外，如分散式录波及小电流接地选线等功能的实现。这种结构与集中式处理系统相比有着明显的优点：(1)可靠性提高，任何一部分设备故障只影响局部，即将“故障”分散，当站级系统或网络出现故障，只影响到监控部分，而最重要的保护、控制功能在段级仍可继续运行；段级的任一智能单元损坏不应导致全站的通信中断，比如长期占用全站的通信网络。(2)可扩展性和开放性较高，利于工程的设计及应用。(3)站内二次设备所需的电缆大大减少，节约投资，也简化了调试维护。
2.常见的通讯方式简介
常见的通讯方式有：(1)双以太网、双监控机模式，主要是用于220～500kV变，在实现上可以是双控机+双服务器方式，支撑光／电以太网。(2)单以太网，双／单监控机模式。(3)双LON网，双监控机模式。(4)单LON网，双／单监控机模式。随着电～光传感器和光纤通讯技术的发展，必将迎来变电站综合自动化系统的新纪元。
3.变电站综合自动化系统实现的功能研究
3.1微机保护
我们通常所说的微机保护是指对站内所有的电器设备进行保护，包括线路保护、变压器保护、母线保护、电容器保护及备自投、低频减载等安全自动装置。各类保护实现故障记录、存储多套定值并与监控系统通信。
3.2数据采集及处理功能
(1)状态量采集。状态量包括：断路器状态，隔离开关状态，变压器分接头信号及变电站一次设备告警信号、事故跳闸信号、预告信号等。目前这些信号大部分采用光电隔离方式输入系统，也可通过通信方式获得。
(2)模拟量采集。常规变电站采集的典型模拟量包括：各段母线电压，线路电压，电流和功率值，馈线电流，电压和有功、无功功率值，频率，相位等。
(3)脉冲量。脉冲量主要是脉冲电度表的输出脉冲，也采用光电隔离方式与系统连接，内部用计数器统计脉冲个数，实现电能测量。
3.3事件记录和故障录波测距
事件记录应包含保护动作序列记录，开关跳合记录。变电站故障录波可根据需要采用两种方式实现，一是集中式配置专用故障录波器，并能与监控系统通信。另一种是分散型，即由微机保护装置兼作记录及测距计算，再将数字化的波形及测距结果送监控系统，由监控系统存储和分析。
4.控制和操作功能
操作人员可通过后台机屏幕对断路器、隔离开关、变压器分接头、电容器组投切进行远方操作，以防止系统故障时无法操作被控设备，在系统设计时应保留人工直接跳合闸手段。操作闭锁应具有以下内容：电脑五防及闭锁系统；根据实时状态信息， 自动实现断路器、 闸的操作闭锁功能；操作出口应具有同时操作闭锁功能；操作出口应具有跳合闭锁功能。
5.电压和无功的就地控制
无功和电压控制一般采用调整变压器分接头，投切电容器组，电抗器组，同步调相机等方式实现。操作方式可手动可自动，人工操作可就地控制或远方控制。无功控制可由专门的无功控制设备实现，也可由监控系统根据保护装置测量的电压、无功和变压器抽头信号通过专用软件实现。
6.数据处理和记录
历史数据的行程和存储是数据处理的主要内容，它包括上一级调度中心，变电管理和保护专业要求的数据，主要有：(1)断路器动作次数。(2)断路器切除故障时截断容量和跳闸操作次数的累计数。(3)输电线路的有功、无功，母线电压定时记录的最大、最小值及其时间每天的峰谷值及其时间。(4)独立负荷有功、无功，每天的峰谷值及其时间。(5)控制操作及修改整定值的记录，根据需要，该功能可在变电站当地全部实现，也可在运动操作中心或调度中心实现。
7.系统的自诊断功能
系统内各插件应具有自诊断功能，并把数据送往后台机和远方调度中心。对装置本身实时自检功能，方便维护与维修，可对其各部分采用查询标准输入检测等方法实时检查，能快速发现装置内部的故障及缺陷，并給出提示，指出故障位置。
8.与远方控制中心的通信
本功能在常规运动“四遥” 的基础上增加了远方修改整定保护定值、故障录波与测距信号的远传等，其信息量远大于传统的远动系统。根据现场的要求，系统应具有通信通道的备用及切换功能，保证通信的可靠性，同时应具备同多个调度中心不同方式的通信接口，且各通信口及MODEM 应相互独立。保护盒故障录波信息可采用独立的通信与调度中心连接，通信规约应适应调度中心的要求，符合国际及IEC标准。
9.结论
变电所综合自动化对于实现电网调度自动化和现场运行管理现代化，提高电网的安全和经济运行水平起到了很大的促进作用，它将能大大加强电网一次、二次系统的效能和可靠性，对保证电网安全稳定运行具有重大的意义。随着高科技的发展和硬软件环境的改善，它的优越性必将进一步体现出来。
【关键词】变电站；电力系统自动化；通讯
变电站综合自动化系统是利用计算机系统、网络、数据库、现代通讯技术等将变电站的二次设备(包括控制、测量、保护、自动装置等)，经过功能组合和优化设计，对变电站实行自动监控、测量和协调来提高变电站的运行效率和稳定性。它完全取代了常规的监控仪表、中央信息系统、变送器及常规远动装置。不仅提高了变电站的可控性，而且由于采用了无人值班的管理模式，更有效地提升了劳动生产率，减少 人为误操作的可能，最大程度提高了变电站的可靠性和经济性。随着“两网”改造的深入和电网运行水平的提高，广泛采用变电站综合自动化技术是计算机和通讯技术应用的方向，也是今后电网发展的趋势。
1.变电站自动化系统的结构
变电站综合自动化系统的发展过程与集成电路技术、微计算机技术、通讯技术和网络技术密切相关。随着高科技的不断发展，综合自动化系统的体系得到了不断完善，功能和性能也不断提高。从发展过程来看，典型的结构主要有：集中式结构、分布式结构、分散(层)式结构和全分散式几种结构类型。
1.1集中式结构
集中式变电站综合自动化系统结构按信息类型划分功能。这种方式一般采用功能较强的计算机并扩展其I/O接口，集中采集变电站的模拟量和数据量信息，集中进行计算和处理，分别完成微机监控、微机保护和自动控制等功能。由前置机完成数据输入、输出、控制及监测等功能，后台机完成数据处理、显示、打印及远方通讯等功能。这种结构系统能实时采集变电站中各种模拟量、开关量的信息，完成对变电站的数据采集和监控、打印、制表和事件记录功能，还能完成对变电站主要设备和进、出线的保护功能。此结构体积小、紧凑，造价低。不足的是其对系统监控主机的性能要求较高，且系统处理能力有限，在开放性、扩展性和可维护性方面较差，抗干扰能力差。
1.2分布式结构
分布式结构最大的特点是将变电站自动化系统由主CPU和从CPU多台计算机来完成。采用主从CPU系统的工作方式，各功能模块采用串行方式实现数据通信，提高并处理并行多发事件的能力，较好地解决了CPU运算处理慢的瓶颈问题。分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。该模式在安装上可以形成集中组屏或分层组屏两种系统组态结构，较多地使用于中、低压变电站。
1.3分散(层)式结构
按变电站的控制层次和对象设置全站控制级(站级)和就地单元控制级(段级)的二层分布控制系统结构。站控系统(SCS)：应具有快速的信息相应能力及相应的信息处理分析功能，完成站内的运行管理及控制(包括就地及远方控制管理两种方式)，例如事件记录、开关控制及SCADA的数据收集功能。
站监视系统(SMS)：应对站内所有运行设备进行监测，为站控系统提供运行状态及异常信息，即提供全面的运行信息功能，如扰动记录、站内设备运行状态、二次设备投入／退出状态及设备的额定参数等。
站工程师工作台(EWS)：可对站内设备进行状态检查、参数整定、调试检验等，也可用便携机进行就地及远端维护。上面是按大致功能基本分块，硬件可以根据功能及信息特征在一台站控计算机中实现，也可以两台双备用，也可以按功能分别布置，但应能够共享数据信息，具有多任务时实处理功能。原则上凡是可以在本间隔就地完成的功能绝不依赖通讯网，但特殊功能例外，如分散式录波及小电流接地选线等功能的实现。这种结构与集中式处理系统相比有着明显的优点：(1)可靠性提高，任何一部分设备故障只影响局部，即将“故障”分散，当站级系统或网络出现故障，只影响到监控部分，而最重要的保护、控制功能在段级仍可继续运行；段级的任一智能单元损坏不应导致全站的通信中断，比如长期占用全站的通信网络。(2)可扩展性和开放性较高，利于工程的设计及应用。(3)站内二次设备所需的电缆大大减少，节约投资，也简化了调试维护。
2.常见的通讯方式简介
常见的通讯方式有：(1)双以太网、双监控机模式，主要是用于220～500kV变，在实现上可以是双控机+双服务器方式，支撑光／电以太网。(2)单以太网，双／单监控机模式。(3)双LON网，双监控机模式。(4)单LON网，双／单监控机模式。随着电～光传感器和光纤通讯技术的发展，必将迎来变电站综合自动化系统的新纪元。
3.变电站综合自动化系统实现的功能研究
3.1微机保护
我们通常所说的微机保护是指对站内所有的电器设备进行保护，包括线路保护、变压器保护、母线保护、电容器保护及备自投、低频减载等安全自动装置。各类保护实现故障记录、存储多套定值并与监控系统通信。
3.2数据采集及处理功能
(1)状态量采集。状态量包括：断路器状态，隔离开关状态，变压器分接头信号及变电站一次设备告警信号、事故跳闸信号、预告信号等。目前这些信号大部分采用光电隔离方式输入系统，也可通过通信方式获得。
(2)模拟量采集。常规变电站采集的典型模拟量包括：各段母线电压，线路电压，电流和功率值，馈线电流，电压和有功、无功功率值，频率，相位等。
(3)脉冲量。脉冲量主要是脉冲电度表的输出脉冲，也采用光电隔离方式与系统连接，内部用计数器统计脉冲个数，实现电能测量。
3.3事件记录和故障录波测距
事件记录应包含保护动作序列记录，开关跳合记录。变电站故障录波可根据需要采用两种方式实现，一是集中式配置专用故障录波器，并能与监控系统通信。另一种是分散型，即由微机保护装置兼作记录及测距计算，再将数字化的波形及测距结果送监控系统，由监控系统存储和分析。
4.控制和操作功能
操作人员可通过后台机屏幕对断路器、隔离开关、变压器分接头、电容器组投切进行远方操作，以防止系统故障时无法操作被控设备，在系统设计时应保留人工直接跳合闸手段。操作闭锁应具有以下内容：电脑五防及闭锁系统；根据实时状态信息， 自动实现断路器、 闸的操作闭锁功能；操作出口应具有同时操作闭锁功能；操作出口应具有跳合闭锁功能。
5.电压和无功的就地控制
无功和电压控制一般采用调整变压器分接头，投切电容器组，电抗器组，同步调相机等方式实现。操作方式可手动可自动，人工操作可就地控制或远方控制。无功控制可由专门的无功控制设备实现，也可由监控系统根据保护装置测量的电压、无功和变压器抽头信号通过专用软件实现。
6.数据处理和记录
历史数据的行程和存储是数据处理的主要内容，它包括上一级调度中心，变电管理和保护专业要求的数据，主要有：(1)断路器动作次数。(2)断路器切除故障时截断容量和跳闸操作次数的累计数。(3)输电线路的有功、无功，母线电压定时记录的最大、最小值及其时间每天的峰谷值及其时间。(4)独立负荷有功、无功，每天的峰谷值及其时间。(5)控制操作及修改整定值的记录，根据需要，该功能可在变电站当地全部实现，也可在运动操作中心或调度中心实现。
7.系统的自诊断功能
系统内各插件应具有自诊断功能，并把数据送往后台机和远方调度中心。对装置本身实时自检功能，方便维护与维修，可对其各部分采用查询标准输入检测等方法实时检查，能快速发现装置内部的故障及缺陷，并給出提示，指出故障位置。
8.与远方控制中心的通信
本功能在常规运动“四遥” 的基础上增加了远方修改整定保护定值、故障录波与测距信号的远传等，其信息量远大于传统的远动系统。根据现场的要求，系统应具有通信通道的备用及切换功能，保证通信的可靠性，同时应具备同多个调度中心不同方式的通信接口，且各通信口及MODEM 应相互独立。保护盒故障录波信息可采用独立的通信与调度中心连接，通信规约应适应调度中心的要求，符合国际及IEC标准。
9.结论
变电所综合自动化对于实现电网调度自动化和现场运行管理现代化，提高电网的安全和经济运行水平起到了很大的促进作用，它将能大大加强电网一次、二次系统的效能和可靠性，对保证电网安全稳定运行具有重大的意义。随着高科技的发展和硬软件环境的改善，它的优越性必将进一步体现出来。