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[摘要]在综合自动化变电站改造工程设计过程中，随着网络技术的发展、智能化电气的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现、新的规程规范和标准的应用，变电站自动化技术即将进入数字化新阶段。分析110kV综合自动化变电站改造工程在设计过程中应用新技术、新标准及规范、新产品的方法。
[关键词]综合自动化变电站 改造 数字化 设计分析
中图分类号：TM7文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0420007－02
一、引言
变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平，在我国城乡电网改造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班，而且在110kV及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术，从而大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可能性，降低了变电站建设的总造价，这已经成为不争的事实。然而，技术的发展是没有止境的，随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响，全数字化的变电站自动化系统即将出现。
然而，目前由于全数字化的变电站需要一段时期的运行经验，以及技术需要进一步研究、推广应用和设备造价等原因，全数字化的变电站建设尚在试点建设阶段。由于电气设备使用寿命的原因，变电站改造工程则是每年需要进行的，其中110kV综合自动化变电站改造工程最多。在现阶段下110kV综合自动化变电站改造工程在设计过程中如何应用新技术、新标准及规范、新产品，这是一个新的课题，也是改造工程设计过程中最为关键的问题。
二、目前运行变电站的基本状况
变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平，在我国城乡电网变电站改造与建设过程中广泛采用了自动化技术，实现无人值班。目前运行的变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备（包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等）的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站运行监视和控制任务。目前运行的变电站，综合自动化已替代了变电站较早前的常规二次设备。然而，上世纪90年代中期改造或建设的变电站，至今设备已运行十几年，特别是电子设备已达到或即将达到元器件的使用寿命。因此大量这些设备需要提上改造日程，否则会影响电网的运行安全。
三、目前全数字化变电站自动化系统的特点及主要问题
目前试点建设的全数字化变电站自动化系统具有如下特点：
1．智能化的一次设备。一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
2．网络化的二次设备。变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
3．自动化的运行管理系统。变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。
全数字化变电站自动化系统尚存在的主要问题：
（1）研究开发过程中专业协作需要加强，比如智能化电器的研究至少存在机、电、光三个专业协同攻关；（2）材料器件方面的缺陷及改进；（3）试验设备、测试方法、检验标准，特别是EMC（电磁干扰与兼容）控制与试验还是薄弱环节；（4）设计、建设、安装、调试、运行、检修等经验尚缺；（5）单位设备价格尚高。
四、110kV综合自动化变电站改造工程设计范围及主要问题
众所周知，110kV综合自动化变电站改造工程的设计前提是确定改造设计范围。因为变电站改造范围影响工程投资、设计原则、设备选型、设计方案等等主要问题。变电站改造工程的改造范围主要有如下几种：A、全站推倒重建或改造全站电气一二次设备；B、改造某电压等级的一次设备和二次设备；C、仅改造全站一次设备；D、仅改造全站二次设备；E、改造某个间隔的一次设备或二次设备；F、改造某个系统，如监控系统、抄表系统、直流系统、遥视系统等等。
由于110kV综合自动化变电站改造的需求和目前全数字化变电站自动化系统发展中尚存在的主要问题，故目前设计和审查确定变电站改造工程的初步设计方案时碰到如下问题：
1．当需要改造全站一次设备和二次设备时，是改造成全数字化变电站，还是仍然改造成综合自动化变电站。这是一个目前全数字化变电站尚未得到广泛推广应用的情况下需要明确的设计原则。
2．当改造全站二次设备时，如何确定监控系统的网络结构和通讯协议，以及统一继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等等设备的通讯协议。
3．仅改造监控系统时，需确定统一的通讯协议和原运行设备的信息接入方式及通讯协议。
4．其他新产品和新技术的应用问题。
五、110kV综合自动化变电站改造工程设计分析
1．改造站内某电压等级的一次设备和二次设备时，因为不能改变变电站原系统的运行调度方式，故按原运行调度方式改造即可，间隔内可以采用新产品、新技术，但不能改变原运行调度方式和不能影响原系统的运行。
2．仅改造全站电气一次设备时，这种情况较少。一般改造全站电气一次设备同时，电气二次设备也一起改造。若在电气一次设备少或特殊情况下仅改造全站电气一次设备，只要按原运行控制方式改造即可。
3．改造某个间隔的一次设备或二次设备时，基本上是按同电压等级其他间隔的运行控制方式来设计。
4．仅改造监控系统时，这种情况下会碰到如下问题：主站层的网络结构如何确定、通讯协议如何确定、原运行设备如何接入新监控系统等等。目前两电网公司的标准设计和规范尚未作明确规定，但这种情况一般是采取这样的原则：通讯协议和网络结构按当地变电站当前推广应用的通讯协议，考虑原运行设备接入所需的设备配置。
5．仅改造全站二次设备时，在这种情况下，由于电气一次设备不变，故全站二次设备必须在电压互感器和电流互感器为常规设备的前提下做出改造方案。在电压互感器和电流互感器为常规设备的前提下，电气二次设备的选型、网络结构选择、通讯协议的选择等等可以选用当前的稳定产品和技术，考虑以后扩建和改造的简便，采用新的标准规范。
6．全站推倒重建或改造全站电气一二次设备，这种情况下是进行全数字化变电站自动化系统改造的最好时期，但由于目前全数字化变电站自动化系统尚在试点建设，故需要确定改造工程是按全数字化变电站改造，还是按新综合自动化变电站来改造。当前按新综合自动化变电站方式来改造的工程居多。但是目前不少供电局均有试点全数字化变电站改造的计划，有些试点全数字化变电站改造工程已投入运行。
不可否认的是，全数字化变电站自动化技术发展趋势迅猛，是变电站自动化技术的发展方向，主要体现在：
1．IEC61850标准的推广应用。IEC61850是国际电工委员会TC57制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，为基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，也是国家电力行业相关标准的基础。
IEC61850标准经过多年的酝酿和讨论，至2003年已正式发布大部分内容。IEC61850标准是全世界唯一的变电站网络通信标准，也将可能成为电力系统中从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化无缝通信标准，还可望成为通用网络通信平台的工业控制通信标准。当前，生产相关产品的国内外各大公司都在围绕IEC61850开展工作，并提出IEC61850的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准”。
2．全数字变电站自动化系统向高集成化、数字化、标准统一化方向发展。随着集成电路和计算机技术的飞速发展，各种新型的大规模集成电路将会进一步应用在继电保护和测控装置上，如32位CPU、数字信号处理芯片DSP、高速数据采集系统、嵌入式实时操作系统、大容量Flash、可编程逻辑器件CPLD、FPGA等。
这些新器件的应用将使保护和测控装置的电路板更加小型集成化，装置通信、数据存储及处理能力更强。将间隔的控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能，通过模块化设计集成在一个统一的多功能数字装置内是可行的，间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信可统一用一层网即光纤以太网来实现。高集成化系统的发展，无疑能降低成本，提高系统可靠性，有利于实现统一的运行管理。目前在许多中低压站已实现。
六、结束语
总之，变电站自动化技术是伴随着现代科技技术发展，尤其是网络技术、计算机软、硬件技术及超大规模集成电路技术的发展而不断进步。同时经济性和可靠性也是变电站自动化技术发展所要考虑的实际问题。IEC61850标准的实施应用、电能质量监测管理、一次设备的在线监测、网络安全技术等等都是变电站自动化技术发展所要研究的课题。110kV综合自动化变电站改造工程在设计过程中采用新标准新规范，应与时俱进推广采用成熟稳定的新技术、新产品。
参考文献：
[1]朱大新，数字化变电站综合自动化系统的发展[J].电工技术杂志，2001.
[2]江苏省电力公司，江苏省电力公司无人值班变电所运行管理导则，DL
Q-SD-001-1999.
[3]能源部西北电力设计院编，电力工程电气设计手册（电气二次部分），中国电力出版社，1991-08-01.
[4]IEC61850系列标准概述，2002,1.
[5]数字化综合自动化的发展，电工技术杂志，2001,4.
[6]谭文恕，对变电站自动化系统通信网络的要求及通信未来标准化的动态[J]．电网技术，1999，22(12):1-6．
[7]任雁铭、秦立军、杨奇逊，变电站自动化系统中内部通信网络的研究[J]．电网技术，2000,24(5)．
作者简介：
刘伟平，男，湖南临湘人，助理工程师，自动化，主要从事变电站电气设计工作。
[关键词]综合自动化变电站 改造 数字化 设计分析
中图分类号：TM7文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0420007－02
一、引言
变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平，在我国城乡电网改造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班，而且在110kV及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术，从而大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可能性，降低了变电站建设的总造价，这已经成为不争的事实。然而，技术的发展是没有止境的，随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响，全数字化的变电站自动化系统即将出现。
然而，目前由于全数字化的变电站需要一段时期的运行经验，以及技术需要进一步研究、推广应用和设备造价等原因，全数字化的变电站建设尚在试点建设阶段。由于电气设备使用寿命的原因，变电站改造工程则是每年需要进行的，其中110kV综合自动化变电站改造工程最多。在现阶段下110kV综合自动化变电站改造工程在设计过程中如何应用新技术、新标准及规范、新产品，这是一个新的课题，也是改造工程设计过程中最为关键的问题。
二、目前运行变电站的基本状况
变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平，在我国城乡电网变电站改造与建设过程中广泛采用了自动化技术，实现无人值班。目前运行的变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备（包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等）的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站运行监视和控制任务。目前运行的变电站，综合自动化已替代了变电站较早前的常规二次设备。然而，上世纪90年代中期改造或建设的变电站，至今设备已运行十几年，特别是电子设备已达到或即将达到元器件的使用寿命。因此大量这些设备需要提上改造日程，否则会影响电网的运行安全。
三、目前全数字化变电站自动化系统的特点及主要问题
目前试点建设的全数字化变电站自动化系统具有如下特点：
1．智能化的一次设备。一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
2．网络化的二次设备。变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
3．自动化的运行管理系统。变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。
全数字化变电站自动化系统尚存在的主要问题：
（1）研究开发过程中专业协作需要加强，比如智能化电器的研究至少存在机、电、光三个专业协同攻关；（2）材料器件方面的缺陷及改进；（3）试验设备、测试方法、检验标准，特别是EMC（电磁干扰与兼容）控制与试验还是薄弱环节；（4）设计、建设、安装、调试、运行、检修等经验尚缺；（5）单位设备价格尚高。
四、110kV综合自动化变电站改造工程设计范围及主要问题
众所周知，110kV综合自动化变电站改造工程的设计前提是确定改造设计范围。因为变电站改造范围影响工程投资、设计原则、设备选型、设计方案等等主要问题。变电站改造工程的改造范围主要有如下几种：A、全站推倒重建或改造全站电气一二次设备；B、改造某电压等级的一次设备和二次设备；C、仅改造全站一次设备；D、仅改造全站二次设备；E、改造某个间隔的一次设备或二次设备；F、改造某个系统，如监控系统、抄表系统、直流系统、遥视系统等等。
由于110kV综合自动化变电站改造的需求和目前全数字化变电站自动化系统发展中尚存在的主要问题，故目前设计和审查确定变电站改造工程的初步设计方案时碰到如下问题：
1．当需要改造全站一次设备和二次设备时，是改造成全数字化变电站，还是仍然改造成综合自动化变电站。这是一个目前全数字化变电站尚未得到广泛推广应用的情况下需要明确的设计原则。
2．当改造全站二次设备时，如何确定监控系统的网络结构和通讯协议，以及统一继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等等设备的通讯协议。
3．仅改造监控系统时，需确定统一的通讯协议和原运行设备的信息接入方式及通讯协议。
4．其他新产品和新技术的应用问题。
五、110kV综合自动化变电站改造工程设计分析
1．改造站内某电压等级的一次设备和二次设备时，因为不能改变变电站原系统的运行调度方式，故按原运行调度方式改造即可，间隔内可以采用新产品、新技术，但不能改变原运行调度方式和不能影响原系统的运行。
2．仅改造全站电气一次设备时，这种情况较少。一般改造全站电气一次设备同时，电气二次设备也一起改造。若在电气一次设备少或特殊情况下仅改造全站电气一次设备，只要按原运行控制方式改造即可。
3．改造某个间隔的一次设备或二次设备时，基本上是按同电压等级其他间隔的运行控制方式来设计。
4．仅改造监控系统时，这种情况下会碰到如下问题：主站层的网络结构如何确定、通讯协议如何确定、原运行设备如何接入新监控系统等等。目前两电网公司的标准设计和规范尚未作明确规定，但这种情况一般是采取这样的原则：通讯协议和网络结构按当地变电站当前推广应用的通讯协议，考虑原运行设备接入所需的设备配置。
5．仅改造全站二次设备时，在这种情况下，由于电气一次设备不变，故全站二次设备必须在电压互感器和电流互感器为常规设备的前提下做出改造方案。在电压互感器和电流互感器为常规设备的前提下，电气二次设备的选型、网络结构选择、通讯协议的选择等等可以选用当前的稳定产品和技术，考虑以后扩建和改造的简便，采用新的标准规范。
6．全站推倒重建或改造全站电气一二次设备，这种情况下是进行全数字化变电站自动化系统改造的最好时期，但由于目前全数字化变电站自动化系统尚在试点建设，故需要确定改造工程是按全数字化变电站改造，还是按新综合自动化变电站来改造。当前按新综合自动化变电站方式来改造的工程居多。但是目前不少供电局均有试点全数字化变电站改造的计划，有些试点全数字化变电站改造工程已投入运行。
不可否认的是，全数字化变电站自动化技术发展趋势迅猛，是变电站自动化技术的发展方向，主要体现在：
1．IEC61850标准的推广应用。IEC61850是国际电工委员会TC57制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，为基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，也是国家电力行业相关标准的基础。
IEC61850标准经过多年的酝酿和讨论，至2003年已正式发布大部分内容。IEC61850标准是全世界唯一的变电站网络通信标准，也将可能成为电力系统中从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化无缝通信标准，还可望成为通用网络通信平台的工业控制通信标准。当前，生产相关产品的国内外各大公司都在围绕IEC61850开展工作，并提出IEC61850的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准”。
2．全数字变电站自动化系统向高集成化、数字化、标准统一化方向发展。随着集成电路和计算机技术的飞速发展，各种新型的大规模集成电路将会进一步应用在继电保护和测控装置上，如32位CPU、数字信号处理芯片DSP、高速数据采集系统、嵌入式实时操作系统、大容量Flash、可编程逻辑器件CPLD、FPGA等。
这些新器件的应用将使保护和测控装置的电路板更加小型集成化，装置通信、数据存储及处理能力更强。将间隔的控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能，通过模块化设计集成在一个统一的多功能数字装置内是可行的，间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信可统一用一层网即光纤以太网来实现。高集成化系统的发展，无疑能降低成本，提高系统可靠性，有利于实现统一的运行管理。目前在许多中低压站已实现。
六、结束语
总之，变电站自动化技术是伴随着现代科技技术发展，尤其是网络技术、计算机软、硬件技术及超大规模集成电路技术的发展而不断进步。同时经济性和可靠性也是变电站自动化技术发展所要考虑的实际问题。IEC61850标准的实施应用、电能质量监测管理、一次设备的在线监测、网络安全技术等等都是变电站自动化技术发展所要研究的课题。110kV综合自动化变电站改造工程在设计过程中采用新标准新规范，应与时俱进推广采用成熟稳定的新技术、新产品。
参考文献：
[1]朱大新，数字化变电站综合自动化系统的发展[J].电工技术杂志，2001.
[2]江苏省电力公司，江苏省电力公司无人值班变电所运行管理导则，DL
Q-SD-001-1999.
[3]能源部西北电力设计院编，电力工程电气设计手册（电气二次部分），中国电力出版社，1991-08-01.
[4]IEC61850系列标准概述，2002,1.
[5]数字化综合自动化的发展，电工技术杂志，2001,4.
[6]谭文恕，对变电站自动化系统通信网络的要求及通信未来标准化的动态[J]．电网技术，1999，22(12):1-6．
[7]任雁铭、秦立军、杨奇逊，变电站自动化系统中内部通信网络的研究[J]．电网技术，2000,24(5)．
作者简介：
刘伟平，男，湖南临湘人，助理工程师，自动化，主要从事变电站电气设计工作。