摘要：綜述了國內(nèi)變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,，總結(jié)了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、工作模式,，提出了變電站自動(dòng)化技術(shù)和運(yùn)行模式的發(fā)展策略,。
引 言
變電站自動(dòng)化和無人值班是當(dāng)今電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化領(lǐng)域的熱門課題，其發(fā)展勢(shì)頭正方興未艾,。國外有一種觀點(diǎn)認(rèn)為,，人容易受環(huán)境、情緒,、性格、疾病等諸多因素影響,，因此本身就是一個(gè)不可靠因素,。確實(shí)有不少事故是由人為誤操作引起的，從這個(gè)角度看,，無人值班確實(shí)可以提高運(yùn)行可靠性,。例如鄭州地調(diào)早在1959年就開始采用遙控技術(shù)，30多年來從未發(fā)生誤操作,；又如深圳供電局實(shí)現(xiàn)變電站無人值班后,，誤操作事故率降低了60％。
變電站自動(dòng)化是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,。國外在八十年代已有分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)問世,，以西門子(SIEMENS)公司為例，該公司第1套全分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)LSA678早在1985年就在德國漢諾威投入運(yùn)行,，至1993年初已有300多套系統(tǒng)在德國及歐洲的各種電壓等級(jí)的變電站運(yùn)行,。我國的變電站自動(dòng)化工作起步較晚，大約從九十年代開始，初始階段主要研制和生產(chǎn)集中式的變電站自動(dòng)化系統(tǒng),，例DISA- 1型[1] ,，BJ-1型[2] ，iES-60型,， XWJK-1000A型,，F(xiàn)D-97等。九十年代中期開始研制分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng),，如DISA-2型,， DISA-3型[3，4] ,，BJ-F3,CSC-2000型[5] ,，DCAP3200型，F(xiàn)DK型等,，與國外先進(jìn)水平相比,，大約有十年的差距。許多高校,、科研單位,、制造廠家以及規(guī)劃設(shè)計(jì)、基建和運(yùn)行部門在學(xué)習(xí)和借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí),，正結(jié)合我國的實(shí)際情況共同努力繼續(xù)開發(fā)更加符合我國國情的變電站自動(dòng)化系統(tǒng) [3,4,6~12] ,。可以預(yù)計(jì),，今后其發(fā)展和推廣的速度會(huì)越來越快,，與國外的差距會(huì)逐步縮小。
為了加快我國變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展步伐,，創(chuàng)造更大的效益,，有必要論述和探討變電站自動(dòng)化的設(shè)計(jì)原則、工作模式和發(fā)展策略,，以期達(dá)成共識(shí),。
一、設(shè)討原則
a. 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)作為電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的一個(gè)子系統(tǒng),，應(yīng)服從電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的總體設(shè)計(jì),，其配置、功能包括設(shè)備的布置應(yīng)滿足電網(wǎng)安全,、優(yōu)質(zhì),、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及信息分層傳輸、資源共享的原則,。
b. 分散式系統(tǒng)的功能配置宜采用下放的原則,，凡可以在間隔層就完成的功能如保護(hù),、備用電源自投、電壓控制等,，無須通過網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)去完成,。220kV樞紐站及220kV電壓等級(jí)以上的變電站，其網(wǎng)絡(luò)層和站級(jí)層宜采用雙重化,、冗余配置,，以提高系統(tǒng)可靠性。
c. 按我國的實(shí)際情況,，目前變電站還不大可能完全無人值守,，即使是無人值守，也有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù),、調(diào)試和應(yīng)急處理的問題,，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮遠(yuǎn)方與就地控制操作并存的模式。同樣,，保護(hù)單元亦應(yīng)具有遠(yuǎn)方,、就地投切和在線修改整定值的功能，以遠(yuǎn)方為主,，就地為輔,，并應(yīng)從設(shè)計(jì)、制造上保證同一時(shí)間只允許其中一種控制方式有效,。
d．站內(nèi)自動(dòng)化及無人值班站的接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)從技術(shù)上保證站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件接口滿足國際標(biāo)準(zhǔn),。系統(tǒng)的支撐軟件符合ISO開放系統(tǒng)規(guī)定，系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù),、通信規(guī)約及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的定義,、格式、編程,、地址等與相應(yīng)的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)保持一致,，以適應(yīng)電力工業(yè)信息化的發(fā)展要求。
e．要積極而慎重地推行保護(hù),、測(cè)量、控制一體化設(shè)計(jì),，確保保護(hù)功能的相對(duì)獨(dú)立性和動(dòng)作可靠性,。分布式系統(tǒng)的SOE分辨率可通過保護(hù)單元來實(shí)現(xiàn)。保護(hù),、測(cè)量,、控制原則上可合用電壓互感器(TV)，對(duì)電量計(jì)費(fèi),、功率總加等有精度要求的量可按量測(cè)電流互感器(TA),，供監(jiān)測(cè)用的量可合用保護(hù)TA,。
f. 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先采用交流采樣技術(shù)，減輕TA,TV的負(fù)載,，提高測(cè)量精度,。同時(shí)可取消光字牌屏和中央信號(hào)屏，簡(jiǎn)化控制屏,，由計(jì)算機(jī)承擔(dān)信號(hào)監(jiān)視功能,，使任一信息做到一次采集、多次使用,，提高信息的實(shí)時(shí)性,、可靠性，節(jié)約占地空間,，減少屏柜,，二次電纜和設(shè)計(jì)、安裝,、維護(hù)工作量,。
g，目前無論國內(nèi)還是國外的分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)各部件之間的聯(lián)系絕大部分采用串行口通信方式(RS232C,RS422,RS485總線等),，其通信速率和資源共享程度均受到限制,，故建議采用局域網(wǎng) (LAN)通信方式，尤其是平等(peer to peer)網(wǎng)絡(luò),，如總線型網(wǎng)(介質(zhì)共享型),，即網(wǎng)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可與網(wǎng)上其他節(jié)點(diǎn)直接通信，例CSC-2000型采用的 Lon Works網(wǎng),，DISA-2,，DISA-3型采用的 CANnet(control area network)網(wǎng)等[3-5] 。
h．變電站內(nèi)存在強(qiáng)大的電磁場(chǎng)干擾,。從抗電磁干擾角度考慮,，在選擇通信介質(zhì)時(shí)可優(yōu)先采用光纖通信方式，這一點(diǎn)對(duì)分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)尤為適用,。例LSA678,，DISA-2，DISA-3型等均采用了光纖通信方式,。但鑒于光纖安裝,、維護(hù)復(fù)雜及費(fèi)用相對(duì)較高，因此配電站宜以電纜為通信介質(zhì),。
二．工作模式
2．1變電站分類
變電站按電壓等級(jí)可分為特高壓,、超高壓、高壓及中低壓四種類型,。特高壓變電站：1000kV,， 750kV,；超高壓變電站：550kV,330kV；高壓變電站： 220kV,，110kV,35kV,；中低壓變電站(又稱配電站)： 10kV及以下電壓等級(jí)。
變電站按在電網(wǎng)中的地位可分為樞紐站,、終端站和中轉(zhuǎn)站三種類型,。樞紐站：在電網(wǎng)中無論是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)還是負(fù)荷水平都處于舉足輕重的位置；終端站：只有高壓進(jìn)線,，位于電網(wǎng)的線路末端,；中轉(zhuǎn)站：有2路高壓進(jìn)線，位于線路中間,。
變電站按控制方式可分為集控站(又稱基地站)和受控站(又稱子站),。前者受調(diào)度中心控制，并對(duì)其周圍子站負(fù)有調(diào)度操作任務(wù),；后者與終端站類似,，但有可能處于環(huán)形電網(wǎng)之中，受集控站控制,。
變電站按運(yùn)行模式劃分為有人值班：這是目前最常見的運(yùn)行模式,；無人值班：沒有固定的運(yùn)行值班人員，僅保留個(gè)別守衛(wèi)人員,，負(fù)責(zé)站內(nèi)的安全保衛(wèi)工作及事故異常情況的緊急處理：無人值守：真正意義上的無人站,，在一些發(fā)達(dá)的西方國家，如美國,、加拿大等較常見,。
2．2變電站自動(dòng)化系統(tǒng)模式
2.2.1傳統(tǒng)模式
這種模式就是目前國內(nèi)應(yīng)用最普遍的遠(yuǎn)方終端裝置(RTU)加上當(dāng)?shù)乇O(jiān)控(監(jiān)視)系統(tǒng)(又稱當(dāng)?shù)毓δ?，再配上變送器,、遙信轉(zhuǎn)接,、遙控執(zhí)行，UPS等屏柜(見圖1）,。當(dāng)采用交流采樣RTU時(shí),，可省去變送器屏柜。站內(nèi)保護(hù)裝置的信息可通過遙信輸入回路(即硬件方法)進(jìn)入RTU,，亦可通過串行口按約定的規(guī)約通信(即軟件方法)進(jìn)入RTU,。此模式適合于 35kV~500kV的各種電壓等級(jí)不同規(guī)模的變電站。根據(jù)用戶不同層次的要求,，其當(dāng)?shù)毓δ艿呐渲每蔀?1臺(tái)PC機(jī),，也可是一個(gè)完整的雙前置,、雙主機(jī),、雙工作站的監(jiān)控系統(tǒng),。如華東電網(wǎng)某主力電廠即采用 RD-800系統(tǒng)和GR-90型RTU實(shí)現(xiàn)了220kV升壓站的網(wǎng)控系統(tǒng)自動(dòng)化。該模式保留了RTU的功能和二次回路設(shè)計(jì),。
2.2.2老站改造模式
采用RS-485星形結(jié)構(gòu),，構(gòu)成分布式的RTU。其特點(diǎn)是不增加屏柜位置,，無需改動(dòng)原有二次回路,，適用于老站改造。這類產(chǎn)品有GR-90,TG5-700和 MWY-C3A等分布式RTU等(見圖2),。
2.2.3集中配屏模式
這種模式在目前國內(nèi)新建變電站中應(yīng)用最多,，并已取得了較成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。大部分廠家的產(chǎn)品均屬此類,，其中應(yīng)用較多的有DISA-3型,、BJ- 1型、iES,、XWJK—1000A等,。該模式與傳統(tǒng)模式相比，最大的區(qū)別在于將RTU的遙控,、信號(hào),、測(cè)量、電能計(jì)費(fèi),、通信等功能分別組屏,，而由1個(gè)或 2個(gè)總控單元通過串行通信口(RS232，RS422,， RS485)與各功能單元(屏柜)以及微機(jī)保護(hù),、故障錄波、上位機(jī)等通信(見圖3),。其特點(diǎn)是將控制,、保護(hù)兩大功能作為一個(gè)整體來考慮，二次回路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化,。
2.2.4全分散式
該模式主要特點(diǎn)是以一次主設(shè)備如開關(guān),、變壓器、母線等為安裝單位,，將控制,、I／O、閉鎖,、保護(hù)等單元分散,，就地安裝在一次主設(shè)備(屏柜)上。站控單元(在主控室內(nèi))通過串行口(光纖通信)與各一次設(shè)備屏柜(在現(xiàn)場(chǎng))相連,，并與上位機(jī)和遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信,。具體實(shí)施又分為兩種模式：保護(hù)相對(duì)獨(dú)立,，控制和測(cè)量合一，如SIEMENS等公司的產(chǎn)品,；保護(hù),、控制和測(cè)量合一，如ABB,，GE,，MERLIN GERIN等公司的產(chǎn)品。
SIEMENS的LSA678系統(tǒng)是采用保護(hù)相對(duì)獨(dú)立模式的典型,，在全世界已有數(shù)百套的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),，近幾年來在國內(nèi)亦已有不少應(yīng)用實(shí)例(例如蘇州新加坡工業(yè)園區(qū)、廣西柳州供電局等),。國內(nèi)廠家近年來亦先后推出全分散式系統(tǒng),，如DISA-2，BJ-F3,， CSC-2000,，DCAP3200等(見圖4)，此模式較適合于要求節(jié)省占地面積和二次電纜的場(chǎng)合,，例如城市 (市區(qū))變電站,。
2.2.5局部分散式
此模式綜合了集中式與分散式的特點(diǎn)，采用了分散式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，而控制和保護(hù)仍集中配屏,。通常將集中配屏安裝在分散的設(shè)備小間內(nèi)。設(shè)備小間在一次設(shè)備附近,，根據(jù)變電站的電壓等級(jí)和規(guī)?？稍O(shè)數(shù)個(gè)設(shè)備小間，就近管理,，節(jié)省電纜,。此模式可用于各種電壓等級(jí)的變電站，尤其適用于500kV及大型220kV站,。此類產(chǎn)品有DISA-3,，F(xiàn)DK，iES-70等 (見圖5),。
三,、發(fā)展策略
在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的具體實(shí)施過程中，由于受現(xiàn)有專業(yè)分工和管理體制的影響而有不同的實(shí)施方法：一種主張站內(nèi)監(jiān)控以遠(yuǎn)動(dòng)(RTU)為數(shù)據(jù)采集和控制的基礎(chǔ),，相應(yīng)的設(shè)備也是以電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化為基礎(chǔ),，保護(hù)相對(duì)獨(dú)立；另一種則主張站內(nèi)監(jiān)控以保護(hù)(微機(jī)保護(hù))為數(shù)據(jù)采集和控制的基礎(chǔ)，將保護(hù)與控制,、測(cè)量結(jié)合在一起,，國內(nèi)已有這一類產(chǎn)品，如CSC-2000等,。后者正在成為一種發(fā)展趨勢(shì)和共識(shí)，因此設(shè)計(jì),、制造,、運(yùn)行、管理部門要打破專業(yè)界限,，逐步實(shí)現(xiàn)一體化,。這一點(diǎn)對(duì)110kV及以下的變電站尤為必要。
誠然,，從我國目前的運(yùn)行體制,、人員配備、專業(yè)分工來看,，前者無疑占有較大優(yōu)勢(shì),。因?yàn)闊o論從規(guī)劃設(shè)計(jì)、科研制造,、安裝調(diào)試,、運(yùn)行維護(hù)等各方面，控制與保護(hù)都是相互獨(dú)立的兩個(gè)不同專業(yè),，因此前者更符合我國國情,。而后者因難以提供較清楚的事故分析和處理的界面而一時(shí)還不易被運(yùn)行部門接受。但從發(fā)展趨勢(shì),、技術(shù)合理性及減少設(shè)備重復(fù)配置,、簡(jiǎn)化維護(hù)工作量等方面考慮，后者又有其優(yōu)越性,。
從信息流的角度看,，保護(hù)(包括故障錄波等)和控制、測(cè)量的信息源都是來自現(xiàn)場(chǎng)TA,，TV二次測(cè)輸出,，只是要求不同而已。保護(hù)主要采集一次設(shè)備的故障異常狀態(tài)信息,，要求TA,，TV測(cè)量范圍較寬，通常按10倍額定值考慮,，但測(cè)量精度要求較低,，誤差在3％以上。而控制和測(cè)量主要采集運(yùn)行狀態(tài)信息，要求TA,，TV測(cè)量范圍較窄,，通常在測(cè)量額定值附近波動(dòng)，對(duì)測(cè)量精度有一定的要求,，測(cè)量誤差要求在1％以內(nèi),。
總控(CPU)單元直接接受來自上位機(jī)(當(dāng)?shù)?或遠(yuǎn)方的控制輸出命令，經(jīng)必要的校核后可直接動(dòng)作至保護(hù)回路,，省去了遙控輸出,、遙控執(zhí)行等環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了設(shè)備,，提高了可靠性,。
從無人值班角度看，不僅要求簡(jiǎn)化一次主接線和主設(shè)備,，同時(shí)也要求簡(jiǎn)化二次回路和設(shè)備,，因此保護(hù)和控制，測(cè)量的一體化有利于簡(jiǎn)化設(shè)備和減少日常維護(hù)工作量,，對(duì) 110kV及以下,，尤其是 1 0kV配電站，除了電量計(jì)費(fèi),、功率總加等有測(cè)量精度要求而須接量測(cè)TA,TV外,，其他量測(cè)僅作監(jiān)視運(yùn)行工況之用，完全可與保護(hù)TA,，TV合用,。此外，在局域網(wǎng)(LAN)上各種信息可以共享,，控制,、測(cè)量等均不必配置各自的數(shù)據(jù)采集硬件。
變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和無人值班運(yùn)行模式的實(shí)施,，在很大程度上取決于設(shè)備的可靠性,。這里指的設(shè)備不僅是自動(dòng)化設(shè)備，更重要的是電氣主設(shè)備,。根據(jù)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn),，建議主管部門制定出有關(guān)設(shè)備制造、接口的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),。自動(dòng)化設(shè)備制造廠商應(yīng)與電氣主設(shè)備制造廠商加強(qiáng)合作,，提供技術(shù)合一的產(chǎn)品，以方便設(shè)計(jì),、運(yùn)行部門選型,。
對(duì)數(shù)量較多的10kV配電站,，由于接線簡(jiǎn)單，對(duì)保護(hù)相對(duì)要求較低,，為簡(jiǎn)化設(shè)備節(jié)省投資,，建議由 RTU來完成線路保護(hù)及雙母線切換(備自投)等保護(hù)功能。為此需在RTU軟件中增加保護(hù)運(yùn)行判斷功能,，如備用電源自投功能,，可通過對(duì)相應(yīng)母線段失壓和相關(guān)開關(guān)狀態(tài)信號(hào)的邏輯判斷來實(shí)現(xiàn)。
今后變電站自動(dòng)化的運(yùn)行模式將從無人值班,，有人值守逐步向無人值守過渡,。因此遙視警戒技術(shù) (防火、防盜,、防漬、防水汽泄漏及遠(yuǎn)方監(jiān)視等)將應(yīng)運(yùn)而生,，并得到迅速發(fā)展,。
隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，站內(nèi)RTU／LTU或保護(hù)監(jiān)控單元將直接上網(wǎng),，通過網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái) (上位機(jī))及工作站通信,。取消傳統(tǒng)的前置處理機(jī)環(huán)節(jié)，從而徹底消除通信“瓶頸”現(xiàn)象,。
四,、結(jié) 論
a．對(duì)超高壓變電站以及220kV,110kV樞紐站或集控站來說，宜采用有人值班的自動(dòng)化模式,，仍宜以電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化為基礎(chǔ),，保護(hù)相對(duì)獨(dú)立。而對(duì) 10kV配電站宜采用無人值班模式,，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)可考慮以站內(nèi)自動(dòng)化為基礎(chǔ),，即保護(hù)與控制、測(cè)量一體化的方案,，當(dāng)?shù)毓δ芸珊?jiǎn)化以至取消,，代之以面板上的人機(jī)對(duì)話窗口功能。
b.全分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)新課題,，需要規(guī)劃設(shè)計(jì),、一次設(shè)備、二次設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備的制造廠家以及基建,、安裝,、運(yùn)行部門密切配合，統(tǒng)籌安排,。由于國產(chǎn)一次設(shè)備的制造工藝,、材料、結(jié)構(gòu)以及保護(hù)、控制,、測(cè)量單元下放后的防震,、防干擾、使用環(huán)境等均存在問題,，應(yīng)予以充分重視,。并積極穩(wěn)妥地開展推廣工作。
c．設(shè)計(jì)制造上應(yīng)確保具備一次設(shè)備的防誤操作措施,、保護(hù)的當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)方投切(軟壓板),、修改整定值、復(fù)歸自動(dòng)裝置以及當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)方控制操作一次設(shè)備的能力,，并保護(hù)遠(yuǎn)方與當(dāng)?shù)乜刂?，在同一時(shí)間只允許其中一種模式有效。
d．對(duì)全分散式的變電站自動(dòng)化系統(tǒng),，宜選用 LAN方式,，特別是平等網(wǎng)絡(luò)，如總線型(介質(zhì)共享)網(wǎng),，網(wǎng)上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能與任一其他節(jié)點(diǎn)直接通信,，從而從根本上消除了主從方式中的瓶頸現(xiàn)象。配以多主式CANnet網(wǎng)或LonWorks網(wǎng)及強(qiáng)糾錯(cuò),、高抗噪聲,、載波監(jiān)聽多路訪問／沖撞的CSMA／CD方式，可給重要信息加權(quán),，保證重要信息的實(shí)時(shí)性,，提高通信效率。
e．隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和無人值班站運(yùn)行模式的進(jìn)一步推廣,，保護(hù)和自動(dòng)化的專業(yè)性也在相互滲透,，結(jié)合也逐步密切，原有的專業(yè)分工將會(huì)打破,，從而引起科研,、設(shè)計(jì)、制造,、安裝和運(yùn)行部門的專業(yè)設(shè)置,、人員配備上的重新調(diào)整組合，以適應(yīng)保護(hù),、控制,、測(cè)量一體化的變電站自動(dòng)化模式。
f．建議對(duì)大中專院?，F(xiàn)有專業(yè)設(shè)置做相應(yīng)調(diào)整,，以利于培養(yǎng)既熟悉繼電保護(hù)又掌握電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)的專業(yè)人才,。在科研設(shè)計(jì)、制造和安裝運(yùn)行管理部門亦應(yīng)避免專業(yè)分工過細(xì),、缺乏統(tǒng)籌考慮的局限性,。
