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摘要：在分析了常用变电站综合自动化系统的结构、特点以及常用系统不足的基础上，提出了一种基于4层结构模型的变电站综合自动化系统。它实际采用的是一种分层的功能模块化设计思想，硬软件可做到模块化、通用化，能根据不同类型变电站的一次接线方式实现不同的系统配置。整个系统的可靠性较高，可维护性和开放性较好。文中较详细地阐述了该系统的构成和原理。
关键词：变电站综合自动化；智能电子设备；体系结构；变电站
中图分类号：TM411+.4 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
计算机技术、信息技术、多媒体技术和智能控制技术等在电力系统自动化领域得到了广泛应用。变电站综合自动化系统是利用计算机控制、网络、数据库、现代通信等技术将变电站所有二次设备（包括控制、信号、测量、保护、自动装置及远动装置等），经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、测量、控制和协调来提高变电站运行效率和管理水平的一种综合性的自动化系统。它完全取代了常规监视仪表、操作控制屏柜、模拟屏柜、中央信息系统、变送器及常规远动装置等设备，提高了变电站的安全与经济运行水平。变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统已成为目前电力系统的主要发展趋势之一。本文分析了目前变电站综合自动化系统几种典型的结构和技术特点，在此基础上采用面向对象的分层分布式结构设计，提出了一种新型四层变电站综合自动化的系统结构。
变电站综合自动化系统体系结构按设计思想分可分为集中式、分布式和分散(层)分布式；按安装物理位置分则可分成集中组屏、分层组屏和分散在一次设备间隔安装等形式。
2 变电站综合自动化系统典型结构和技术特点
2.1集中式结构
集中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量等信息，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。集中式结构也并非指只由一台计算机完成保护、监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控和与调度等通信的功能也是由不同的微型计算机完成的，只是每台微型计算机承担的任务多些。例如监控机要担负数据采集、数据处理、断路器操作、人机联系等多项任务；担负微机保护的计算，可能一台微机要负责多回低压线路的保护等。
集中式系统的主要特点有：
（1）能实时采集变电站各种模拟量、开关量，完成对变电站的数据采集和实时监控、制表、打印、事件顺序记录等功能。
（2）完成对变电站主要设备和进、出线的保护任务。
（3）结构紧凑、体积小，可大大减少站地面积。
（4）造价低，尤其是对35kV或规模较小的变电站更为有利。
（5）实用性好。
集中式的主要缺点有：
（1）每台计算机的功能较集中，若一台计算机出故障，影响面大，因此，必须采用双机并联运行的结构才能提高可靠性。
（2）软件复杂，修改工作量大，系统调试烦琐。
（3）组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须另行设计，工作量大。
（4）集中式保护与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直观，不符合运行和维护人员的习惯，调试和维护不方便，程序设计麻烦，只适合于保护算法比较简单的情况。
2.2 分布式结构
此结构主要特点有将变电站自动化系统的功能分散给多台计算机来完成。分布式模式一般按功能设计，采用主从CPU系统工作方式，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了CPU运算处理的瓶颈问题。各功能模块（通常是多个CPU）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，选用具有优先级的网络系统较好地解决了数据传输的瓶颈问题，提高了系统的实时性。分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其它模块正常运行。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。
2.3分布分散（层）式结构
分布分散式结构系统从逻辑上将变电站自动化系统划分为两层，即变电站层（站级测控单元）和间隔层（间隔单元）。也可分为三层，即变电站层、通信层和间隔层。
该系统的主要特点是按照变电站的元件，断路器间隔进行设计。将变电站一个断路器间隔所需要的全部数据采集、保护和控制等功能集中由一个或几个智能化的测控单元完成。测控单元可直接放在断路器柜上或安装在断路器间隔附近，相互之间用光缆或特殊通信电缆连接。这种系统代表了现代变电站自动化技术发展的趋势，大幅度地减少了连接电缆，减少了电缆传送信息的电磁干扰，且具有很高的可靠性，比较好的实现了部分故障不相互影响，方便维护和扩展，大量现场工作可一次性地在设备制造厂家完成。分布分散式结构的主要优点有：
（1）逻辑连接到组态指示均可由软件控制。
（2）包含间隔级功能的单元直接定位在变电站的间隔上。
（3）间隔级控制单元的自动化、标准化使系统适用率较高。
（4）简化了变电站二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆。
（5）简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积。
（6）分布分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便。
上述3类变电站综合自动化系统结构的共同缺点是：由于电力通信规约的不兼容，不同接口需要进行通信规约转换，因而在通用性、开放性等方面的性能较弱，使用场合受到较大限制。
3 新型变电站综合自动化系统结构
3.1系统结构模型
计算机、通信及网络数据库技术的发展使变电站信息综合管理成为可能。将计算机局域网（LAN）技术引入变电站综合自动化管理系统，已成为现在的一研究热点。文献[4]提出了一种在500kV变电站引入信息管理的方案，它将变电站各IED设备通过专用网关设备直接接入以太网，站内各监控机、服务器、工作站接入同一网络。但这种方案价格昂贵，技术复杂，协调困难，对不同接口需要进行通信协议转换，维护工作量较大。就如何引入LAN进行信息管理和处理电力通信规约转换这两个焦点问题，作为一种新模式的尝试，参照IEC提出的3层标准结构，可将原有的过程层(processlevel)、间隔层(baylevel)、站级层(stationlevel)细化为过程层(processlevel)、二次设备控制层(secondarydevicecontrollevel)、通信管理层(managementlevel)和信息管理层(informationmanagementlevel)4层。结合面向对象的分层分布式结构设计，提出了一种新型的变电站自动化系统体系4层结构，重点是解决通信管理层中的电力通信規约转换问题和信息管理层中的变电站信息综合管理问题。其系统功能主要体现在：
①实现底层二次设备的控制智能化和数字化；
②实现变电站常规远动功能；③实现变电站的信息集中管理和监控。 3.2系统分层及其功能
系统共分4层，即信息管理层、通信管理层、二次设备控制层和生产过程层。生产过程层由变电站一次设备组成，是系统的最底层；二次设备控制层则由各智能设备（IED）组成，实现对各自对象（母线、馈线、主变压器、电容器等）的控制和保护功能；通信管理层由连接IED的现场总线和作为通用网关的主/备前置机系统组成，是系统的通信枢纽，负责站内数据采集、连接站级计算机、连接远动系统等；信息管理层是系统的最高层，主要由站级计算机组成，包括服务器、工作站等，形成站内计算机局域网，运行变电站SCADA/EMS(SupervisoryControlandDataAcquisi-tion/EnergyManagementSystem)系统，实现数据库管理、站级控制、人机接口等功能；面向变电站所有设备的历史数据、参数数据在主/备服??实时数据库，可采用双以太网冗余结构构建。
3.3系统原理
如图4所示，二次设备控制层中的IED与生产过程中的一次设备接口，按相应的规约直接实现信息的采集与控制调节，进行存储、转发，IED可通过光纤或现场总线与通信管理层连接，实现信息的收集与分配，不同类型的IED在二次设备控制层中不能直接进行信息交换，而是经不同的现场总线通过前置机这个网关来进行信息交换。通信管理层中的前置机系统可同时接入多种电力通信规约的总线设备（可通过多串口卡实现），并且向上挂接在信息管理层网络上，是局域网中的重要节点，起着收集站内生产信息上传和下发管理层控制信息的作用。变电站二次设备的各种数据测量、事件记录、故障录波与控制等所有功能全部在二次设备控制中实现，不依赖于站级计算机。在前置机系统中还可接入全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）对时信号和串行Modem，以实现远动功能。在此情况下，前置机系统相当于一远方终端单元（RemoteTerminateUnit，RTU）的功能。信息管理层中的SCADA系统通过参数数据的定义建立各节点的实时数据库并从前置机处获得实时数据，另由专门的线程分析实时数据库中的数据后再写入历史数据库，各工作站节点的历史数据查询则通过C/S模式从主/备服务器获龋如果需要远程浏览，则可设置Web服务器，利用Modem与公用电话网拨号登录站内局域网，通过Web浏览器进行浏览和查询。此外，可在站内设置远程网桥，远程工作站通过该远程网桥获取本地局域网（LAN）信息等[5]。在信息管理层中，基于所构建的网络，也可在其中置入变电站综合多媒体管理信息系统，通过专用网关和标准数据接口与SCADA系统交换生产信息[6]。
综上所述，4层结构模式的提出，解决了在变电站综合自动化系统实施中的两大瓶颈问题，即不同协议的IED的并网和开放式的变电站综合信息管理。基于这种4层结构模式，可以灵活配置各种自动化系统，满足不同类型变电站的需要。如对不同的信息管理层的网络操作系统，可选择NT网、Novell网、UNIX网，甚至IBM的OS/2系统[7]也可通过网关设备实现站内多网并存。如对信息管理层中的现场总线，可选择485/422口的MODBUS/RTU、CAN、LONWORKS、BITBUS、PROFIBUS等。此外，二次设备控制层可选用基于单片机的专用保护设备，也可选择通用的可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）设备。
4 结束语
通过以上分析，可以看到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。随着技术的进步和硬件软件环境的改善，它的优越性必将进一步体現出来。
关键词：变电站综合自动化；智能电子设备；体系结构；变电站
中图分类号：TM411+.4 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
计算机技术、信息技术、多媒体技术和智能控制技术等在电力系统自动化领域得到了广泛应用。变电站综合自动化系统是利用计算机控制、网络、数据库、现代通信等技术将变电站所有二次设备（包括控制、信号、测量、保护、自动装置及远动装置等），经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、测量、控制和协调来提高变电站运行效率和管理水平的一种综合性的自动化系统。它完全取代了常规监视仪表、操作控制屏柜、模拟屏柜、中央信息系统、变送器及常规远动装置等设备，提高了变电站的安全与经济运行水平。变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统已成为目前电力系统的主要发展趋势之一。本文分析了目前变电站综合自动化系统几种典型的结构和技术特点，在此基础上采用面向对象的分层分布式结构设计，提出了一种新型四层变电站综合自动化的系统结构。
变电站综合自动化系统体系结构按设计思想分可分为集中式、分布式和分散(层)分布式；按安装物理位置分则可分成集中组屏、分层组屏和分散在一次设备间隔安装等形式。
2 变电站综合自动化系统典型结构和技术特点
2.1集中式结构
集中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量等信息，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。集中式结构也并非指只由一台计算机完成保护、监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控和与调度等通信的功能也是由不同的微型计算机完成的，只是每台微型计算机承担的任务多些。例如监控机要担负数据采集、数据处理、断路器操作、人机联系等多项任务；担负微机保护的计算，可能一台微机要负责多回低压线路的保护等。
集中式系统的主要特点有：
（1）能实时采集变电站各种模拟量、开关量，完成对变电站的数据采集和实时监控、制表、打印、事件顺序记录等功能。
（2）完成对变电站主要设备和进、出线的保护任务。
（3）结构紧凑、体积小，可大大减少站地面积。
（4）造价低，尤其是对35kV或规模较小的变电站更为有利。
（5）实用性好。
集中式的主要缺点有：
（1）每台计算机的功能较集中，若一台计算机出故障，影响面大，因此，必须采用双机并联运行的结构才能提高可靠性。
（2）软件复杂，修改工作量大，系统调试烦琐。
（3）组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须另行设计，工作量大。
（4）集中式保护与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直观，不符合运行和维护人员的习惯，调试和维护不方便，程序设计麻烦，只适合于保护算法比较简单的情况。
2.2 分布式结构
此结构主要特点有将变电站自动化系统的功能分散给多台计算机来完成。分布式模式一般按功能设计，采用主从CPU系统工作方式，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了CPU运算处理的瓶颈问题。各功能模块（通常是多个CPU）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，选用具有优先级的网络系统较好地解决了数据传输的瓶颈问题，提高了系统的实时性。分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其它模块正常运行。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。
2.3分布分散（层）式结构
分布分散式结构系统从逻辑上将变电站自动化系统划分为两层，即变电站层（站级测控单元）和间隔层（间隔单元）。也可分为三层，即变电站层、通信层和间隔层。
该系统的主要特点是按照变电站的元件，断路器间隔进行设计。将变电站一个断路器间隔所需要的全部数据采集、保护和控制等功能集中由一个或几个智能化的测控单元完成。测控单元可直接放在断路器柜上或安装在断路器间隔附近，相互之间用光缆或特殊通信电缆连接。这种系统代表了现代变电站自动化技术发展的趋势，大幅度地减少了连接电缆，减少了电缆传送信息的电磁干扰，且具有很高的可靠性，比较好的实现了部分故障不相互影响，方便维护和扩展，大量现场工作可一次性地在设备制造厂家完成。分布分散式结构的主要优点有：
（1）逻辑连接到组态指示均可由软件控制。
（2）包含间隔级功能的单元直接定位在变电站的间隔上。
（3）间隔级控制单元的自动化、标准化使系统适用率较高。
（4）简化了变电站二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆。
（5）简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积。
（6）分布分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便。
上述3类变电站综合自动化系统结构的共同缺点是：由于电力通信规约的不兼容，不同接口需要进行通信规约转换，因而在通用性、开放性等方面的性能较弱，使用场合受到较大限制。
3 新型变电站综合自动化系统结构
3.1系统结构模型
计算机、通信及网络数据库技术的发展使变电站信息综合管理成为可能。将计算机局域网（LAN）技术引入变电站综合自动化管理系统，已成为现在的一研究热点。文献[4]提出了一种在500kV变电站引入信息管理的方案，它将变电站各IED设备通过专用网关设备直接接入以太网，站内各监控机、服务器、工作站接入同一网络。但这种方案价格昂贵，技术复杂，协调困难，对不同接口需要进行通信协议转换，维护工作量较大。就如何引入LAN进行信息管理和处理电力通信规约转换这两个焦点问题，作为一种新模式的尝试，参照IEC提出的3层标准结构，可将原有的过程层(processlevel)、间隔层(baylevel)、站级层(stationlevel)细化为过程层(processlevel)、二次设备控制层(secondarydevicecontrollevel)、通信管理层(managementlevel)和信息管理层(informationmanagementlevel)4层。结合面向对象的分层分布式结构设计，提出了一种新型的变电站自动化系统体系4层结构，重点是解决通信管理层中的电力通信規约转换问题和信息管理层中的变电站信息综合管理问题。其系统功能主要体现在：
①实现底层二次设备的控制智能化和数字化；
②实现变电站常规远动功能；③实现变电站的信息集中管理和监控。 3.2系统分层及其功能
系统共分4层，即信息管理层、通信管理层、二次设备控制层和生产过程层。生产过程层由变电站一次设备组成，是系统的最底层；二次设备控制层则由各智能设备（IED）组成，实现对各自对象（母线、馈线、主变压器、电容器等）的控制和保护功能；通信管理层由连接IED的现场总线和作为通用网关的主/备前置机系统组成，是系统的通信枢纽，负责站内数据采集、连接站级计算机、连接远动系统等；信息管理层是系统的最高层，主要由站级计算机组成，包括服务器、工作站等，形成站内计算机局域网，运行变电站SCADA/EMS(SupervisoryControlandDataAcquisi-tion/EnergyManagementSystem)系统，实现数据库管理、站级控制、人机接口等功能；面向变电站所有设备的历史数据、参数数据在主/备服??实时数据库，可采用双以太网冗余结构构建。
3.3系统原理
如图4所示，二次设备控制层中的IED与生产过程中的一次设备接口，按相应的规约直接实现信息的采集与控制调节，进行存储、转发，IED可通过光纤或现场总线与通信管理层连接，实现信息的收集与分配，不同类型的IED在二次设备控制层中不能直接进行信息交换，而是经不同的现场总线通过前置机这个网关来进行信息交换。通信管理层中的前置机系统可同时接入多种电力通信规约的总线设备（可通过多串口卡实现），并且向上挂接在信息管理层网络上，是局域网中的重要节点，起着收集站内生产信息上传和下发管理层控制信息的作用。变电站二次设备的各种数据测量、事件记录、故障录波与控制等所有功能全部在二次设备控制中实现，不依赖于站级计算机。在前置机系统中还可接入全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）对时信号和串行Modem，以实现远动功能。在此情况下，前置机系统相当于一远方终端单元（RemoteTerminateUnit，RTU）的功能。信息管理层中的SCADA系统通过参数数据的定义建立各节点的实时数据库并从前置机处获得实时数据，另由专门的线程分析实时数据库中的数据后再写入历史数据库，各工作站节点的历史数据查询则通过C/S模式从主/备服务器获龋如果需要远程浏览，则可设置Web服务器，利用Modem与公用电话网拨号登录站内局域网，通过Web浏览器进行浏览和查询。此外，可在站内设置远程网桥，远程工作站通过该远程网桥获取本地局域网（LAN）信息等[5]。在信息管理层中，基于所构建的网络，也可在其中置入变电站综合多媒体管理信息系统，通过专用网关和标准数据接口与SCADA系统交换生产信息[6]。
综上所述，4层结构模式的提出，解决了在变电站综合自动化系统实施中的两大瓶颈问题，即不同协议的IED的并网和开放式的变电站综合信息管理。基于这种4层结构模式，可以灵活配置各种自动化系统，满足不同类型变电站的需要。如对不同的信息管理层的网络操作系统，可选择NT网、Novell网、UNIX网，甚至IBM的OS/2系统[7]也可通过网关设备实现站内多网并存。如对信息管理层中的现场总线，可选择485/422口的MODBUS/RTU、CAN、LONWORKS、BITBUS、PROFIBUS等。此外，二次设备控制层可选用基于单片机的专用保护设备，也可选择通用的可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）设备。
4 结束语
通过以上分析，可以看到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。随着技术的进步和硬件软件环境的改善，它的优越性必将进一步体現出来。