变电站自动化的现状与改进

作者：洪良山   发布日期：2009-6-23 13:14:16
关键词:  监控  变电站自动  电力自动化
摘要：根据我国电力系统变电站自动化的现状，分析了变电站自动化当前存在的问题，讨论了变电站自动化系统应满足变电站无人值班要求的层次结构和功能设置原则，并据此提出了改进意见。
关键词：变电站自动化；监控； 网络
Present State and Development of Substation Automation
HONG Liang-shan
(Nanjing Electric Power Automation Equipment General Factory,Nanjing 210003,China)
Abstract： Based on the present state of substation automation for electric power system in China,the existing defects of substation automation are analyzed the substation automation system structure and function configuration principles to meet the requirements of unmanned substation are discussed.By investigating the present operational situation,the author puts forward the suggestions for improvement.
Keywords： substation automation; monitoring and control; network
当前进行的输变电建设和城乡电网的建设与改造，对新世纪电力工业发展有着重要的作用。因此，产品技术要先进，产品质量要过硬，应达到30～40年后也能适用的水平；而且产品必须要国产化。为此有必要对我国变电站自动化的现状作深刻的分析，发现问题并提出改进意见，使我国城乡变电站自动化的水平达到上述要求。
1变电站自动化的现状
变电站二次设备按功能分为四大模块：①继电保护及自动装置；②仪器仪表及测量控制；③当地监控；④远动。四大模块功能的各自不同的发展及其功能的相互渗透，为变电站自动化提供了多种多样的实现模式，可概括为两种基本实现模式：①保护加集中RTU模式，面向功能；②保护加分散RTU模式，面向对象。
1.1　保护加集中RTU模式，面向功能
(1) 继电保护及自动安全装置独立运行；仪器仪表独立运行；中央信号盘及控制盘与继电保护及自动安全装置通过接点连接；有人值班，定时抄录运行记录；变电站运行有异常时通过电话与调度联系。
(2) 继电保护及自动安全装置独立运行；仪器仪表独立运行；中央信号盘及控制盘与继电保护及自动安全装置通过接点连接；集中RTU，功能有①数据采集功能：完成模拟量采集如电流、电压、有功、无功等，完成脉冲量采集如电度(电度表通过脉冲与RTU连接)，完成数字量采集如档位等，完成信号量采集(其中继电保护及自动安全装置也通过接点与RTU连接)。②控制功能：控制开关、分级头等。③通信功能：与当地监控通信，与远方调度通信；有人值班，运行当地监控，定时抄录运行记录；变电站运行有异常时通过RTU及电话与调度联系，调度可以远方监视变电站运行情况和遥控变电站设备。
(3) 继电保护及自动安全装置独立运行；仪器仪表独立运行；集中RTU，功能有①数据采集功能：完成模拟量采集如电流、电压、有功、无功等，完成脉冲量采集如电度(电度表通过脉冲与RTU连接)，完成数字量采集(其中继电保护及自动安全装置通过串口与RTU通信)，完成信号量采集。②控制功能：控制开关、分级头等。③通信功能：与当地监控通信，与远方调度通信；有人值班，运行当地监控，变电站运行有异常时通过RTU及电话与调度联系，调度可以远方监视变电站运行情况和遥控变电站设备。
(4) 继电保护及自动安全装置独立运行；仪器仪表独立运行；集中RTU，具有的功能为①数据采集功能：完成模拟量采集如电流、电压、有功、无功等，完成脉冲量采集如电度(电度表通过脉冲与RTU连接)，完成数字量采集(其中继电保护及自动安全装置通过串口与RTU通信)，完成信号量采集。②控制功能：控制开关、分级头等。③通信功能：与远方调度通信；无人值班，变电站运行有异常时通过RTU与调度联系，调度可以远方监视变电站运行情况和遥控变电站设备。
(5) 继电保护及自动安全装置独立运行；仪器仪表独立运行；集中RTU，模块式设计，功能为①数据采集功能：智能模拟量采集模块，智能脉冲量采集模块，智能数字量采集模块(其中继电保护及自动安全装置通过串口与RTU通信)，信号量采集模块。②控制功能：智能控制量输出模块。③通信功能：与远方调度通信；无人值班，变电站运行有异常时通过RTU与调度联系，调度可以远方监视变电站运行情况和遥控变电站设备。
1.2　保护加分散RTU模式，面向对象
(1) 继电保护及自动安全装置独立运行；仪器仪表独立运行；分散RTU，面向对象，单元式设计，其功能有①数据采集功能：完成模拟量采集如电流、电压、有功、无功等，完成脉冲量采集如电度，完成数字量采集，完成信号量采集。②控制功能：控制开关、分级头等。③通信功能：与当地监控通信；继电保护及自动安全装置通过串口与当地监控通信；当地监控与调度通信；有人值班，运行当地监控，变电站运行有异常时通过当地监控及电话与调度联系，调度可以远方监视变电站运行情况和遥控变电站设备。
(2) 继电保护及自动安全装置独立运行；仪器仪表独立运行；分散RTU，面向对象，单元式设计，功能有①数据采集功能：完成模拟量采集如电流、电压、有功、无功等，完成脉冲量采集如电度，完成数字量采集，完成信号量采集。②控制功能：控制开关、分级头等。③通信功能：与前置采集机通信；继电保护及自动安全装置通过串口与前置采集机通信；前置采集机与当地监控及调度通信，前置采集机可以采用两台，互相切换，当地监控也可以采用两台或多台；有人值班，运行当地监控，变电站运行有异常时通过前置采集机及电话与调度联系，调度可以远方监视变电站运行情况和遥控变电站设备。
(3) 继电保护及自动安全装置独立运行；仪器仪表独立运行；分散RTU，面向对象，单元式设计，具有以下功能①数据采集功能：完成模拟量采集如电流、电压、有功、无功等，完成脉冲量采集如电度，完成数字量采集，完成信号量采集。②控制功能：控制开关、分级头等。③通信功能：与前置采集机通信；继电保护及自动安全装置通过串口与前置采集机通信；前置采集机与调度通信；无人值班，变电站运行有异常时通过前置采集机及电话与调度联系，调度可以远方监视变电站运行情况和遥控变电站设备。
(4) 继电保护及自动安全装置独立运行；仪器仪表独立运行；分散RTU，面向对象，单元式设计，其功能为①数据采集功能：完成模拟量采集如电流、电压、有功、无功等，完成脉冲量采集如电度，完成数字量采集，完成信号量采集。②控制功能：控制开关、分级头等。③通信功能：通过总线网与当地监控及远方调度通信；继电保护及自动安全装置通过总线网与当地监控及远方调度通信；有人或无人值班，运行当地监控，变电站运行有异常时通过远动及电话与调度联系，调度可以远方监视变电站运行情况和遥控变电站设备。
(5) 继电保护及自动安全装置与分散RTU合二为一，具备的功能为①继电保护及自动安全装置功能。②数据采集功能：完成模拟量采集如电流、电压、有功、无功等，完成脉冲量采集如电度，完成数字量采集，完成信号量采集。③控制功能：控制开关、分级头等。④通信功能：通过串口或总线网与当地监控及远方调度通信；仪器仪表独立运行；有人或无人值班，运行当地监控，变电站运行有异常时通过远动及电话与调度联系，调度可以远方监视变电站运行情况和遥控变电站设备。
除了以上10种模式外可能还有其他种类，如安装方式就地化、某些功能分散化等，但都可归为以上两大模式。第一大模式对老站改造特别适合，第二大模式是正在发展的模式。下面讨论其技术发展的走势。
2变电站自动化的发展
2.1　分层分布成为潮流
变电站自动化系统纵向分层：站级层、网络层、就地层；每层按功能或安装位置横向分布。
(1) 站级层横向按功能分布为当地监控和继保功能及远方监控和继保功能。站级层功能分布的形式取决于网络层的结构。
当地监控功能作为当地运行人员的人机交互窗口，以图形显示、报表打印、语音报警等各种方式实现当地“四遥”即对系统运行状况如潮流、电度、开关状态等进行实时监视，按需及“五防”要求控制开关及刀闸的跳合，按需调节档位，以及有关MIS系统。
当地继保功能作为当地继保人员的人机交互窗口，也可以图形显示、报表打印、语音报警等各种方式对继保及自动安全装置的运行状况如装置是否故障、定值是否改变、采样是否准确等进行实时监视，根据运行需要决定保护投退和定值修改，故障发生后通过故障录波进行故障分析和诊断。
当地监控和继保功能可以各自独立，也可以合二为一。
远方监控和继保功能是当地监控和继保功能通过通信在远方实现，是无人值班变电站的前提条件。远方监控和继保功能同样可以各自独立即通过不同的通道和规约分别接至调度和继保，也可以合二为一即通过同一通道接至远方终端。
站级层基本要求为①可靠性：不能死机、能够自动恢复等。②开放性：模块化设计便于剪裁、适合不同远方规约要求。
(2) 网络层完成信息传递和对时功能，通过信息交换，实现信息共享，减少变电站设备的重复配置，简化设备之间的互连，从整体上提高变电站自动化系统的安全性和经济性。目前有两种通信机制：POLLING通信机制及CSM A/CD通信机制。POLLING拓扑结构可以是星形网也可以是总线网，以485为代表。CSM A/CD拓扑结构一般为总线网，以LON为代表。可以通过485转LON的转接器及LON的计算机串口卡或总线卡完成这两种网络的互换。
下面分析485，LON这两种网的优缺点(如表1)。
表1　485，LON网性能对照表
性能 485星形网 485总线网 LON总线网
通信机制 POLLING POLLING CSM A/CD
拓扑结构 星形网 总线网 总线网
计算机接口 多串口卡 串口卡/总线卡 串口卡/总线卡
通信速率 9.6 kbps 9.6/187.5 kbps 9.6/78 kbps
最大节点数 不限 32 64
最大通信距离 2 000 M 1 000 M 2 000 M
传输介质 双绞线/光纤 双绞线/光纤 双绞线/光纤
传输能力 字节传输 字节传输 字节传输
报文格式 显式报文 显式报文 显式/隐式报文
网管工具 不需 不需 不需/需要
节点增加 方便 方便 方便/麻烦
字节丢失 不可能 不可能 可能
最快实时性 波特率1
节点数 波特率1
节点数 波特率1
节点数
一般实时性 较慢 较慢 较快
最慢实时性 波特率
节点数 波特率
节点数 可能丢失
网络可靠性 很可靠 较可靠 较可靠
站级层功能分布 需要双前置 需要双前置 需要双LON卡
采集方式 单采、故障时
切换 单采、故障时
切换 双采、各采
各送
下位网双网结构 可以 可以 可以
下位网网络分段 可以 可以 可以
对外开放性 开放 开放 困难
需要文件传输时 采用以太网 采用以太网 采用以太网
上位网双网结构 可以 可以 可以
单机方式时 单前置为瓶颈 单前置为瓶颈 当地和远方独立
不需当地功能时 没有瓶颈 没有瓶颈 没有瓶颈
就地层设备互操 不能 不能 可以
网络层基本要求是①可靠性：抗干扰能力强、任一节点损坏不能影响整个网络等。②开放性：兼容其他外部设备，适合不同通信介质及规约要求。③实时性：实时传递信息。
(3) 就地层主要是继保、监控设备层，可组屏也可分布在各继电保护小间内即安装在开关柜上，继保、监控既可以各自独立也可以合二为一。它对相关一次设备进行保护、测量和控制，协调就地层、站级层、远方终端的操作要求，对采集的信息进行处理上送，并在站级层、远方终端控制失效的情况下仍能完成保护、测量和控制功能。
保护及自动装置基本要求是①可靠性：该动作时应动作，不该动作时不动作。②选择性：首先由故障设备或线路本身的保护动作，如其拒动时由相邻设备或线路的保护动作。③灵敏性：保护装置对保护范围内的故障应具备必要的灵敏系数。④速动性：尽快切除故障，提高系统稳定性，减轻损坏程度等。
测量控制装置基本要求是①可靠性：抗干扰能力强，控制被控对象时，其他对象不能乱动。②准确性：模拟量测量、脉冲量测量、开关量测量、数字量测量达到规定精度要求。
(4) 三层之间的关系。站级层、网络层、就地层既相互独立又相互联系，站级层功能的实现依赖于网络层和就地层的完好性，但是就地层功能的实现，特别是继电保护及安全自动装置的功能的实现决不能依赖于网络层和站级层的完好性。
(5) 整体性能的考虑。必须满足如下10项基本要求：可靠性、开放性、实时性、选择性、灵敏性、速动性、准确性、经济性、方便性、统一性。
2.2　现场设备功能的相互渗透
随着变电站自动化的发展，各专业技术相互渗透，已没有非常明显的界限，问题的处理需要各专业人员协同配合，否则将阻碍变电站自动化技术的发展。
2.2.1　低周减载的分散化
低周减载将分散到220 kV出线、110 kV出线、66 kV出线、35 kV出线、10 kV出线、220 kV主变的中低压侧后备保护、110 kV主变的中低压侧后备保护、35 kV主变的低压侧后备保护等，从而形成低周减载的网络。
2.2.2　小电流接地选线的分散化
众所周知，小电流接地选线的基本原理如下：
(1) 对中性点不接地系统采用：①比较基波零序电流大小；②比较基波零序功率方向；③比较基波零序电流方向；④比较基波电流最大值方向。
(2) 对中性点经消弧线圈接地系统采用：①比较五次谐波电流大小；②比较五次谐波功率方向；③比较五次谐波电流方向；④比较五次谐波电流最大值方向。
因此将小电流接地选线分散到出线保护中，不能单独完成选线功能，必须依赖就地层所有出线保护装置、网络层、站级层的完好性，将所有出线同时刻信息汇总后，才能作出正确判断，同时刻信息的条件可以采用3U0的同时出现来满足。
将小电流接地选线分散到出线保护中，可以独立实现自动或手动接地探索，通过跳闸和重合闸来进行。
小电流接地选线功能不是可有可无的不重要的功能，现场报道过当出线发生单相接地故障后由于未能及时报警故未能及时解除故障而导致人畜伤亡的不幸事件。因此小电流接地选线的分散化，成为一个争论的焦点。
2.2.3　同期操作的分散化
传统自动同期重合闸，由保护装置的同期检测回路及软件共同实现。
传统开关的手动或遥控同期操作，由手动或遥控继电器切换同期点的电压及同期点的合闸操作回路和同期判别装置共同实现。
因此传统的集中同期方式接线复杂。
可以将手动或遥控同期功能分散到保护装置中，或分散到单元式测控装置中。
2.2.4　母线保护的分散化
传统母线保护必须把母线所有的TA二次集中到母线保护装置中，母线保护的出口又必须连接到母线上各元件的跳闸回路，因此接线复杂。
母线保护能否分散到线路保护中，并通过专用网络传递信息，实现母线保护功能，可以采用GPS同步。由于母线保护的重要性，因此母线保护的分散化成为又一个争论的焦点。
2.2.5　故障录波的分散化
故障录波的作用为：①分析继电保护及安全自动装置的动作行为；②分析故障过程、故障类型、故障水平、故障远近等。
因此故障录波的分散化不影响变电站自动化的可靠性，但是怎么分散才能达到故障录波的应有作用是值得考虑的。
目前利用继电保护及安全自动装置提供的数据来替代故障录波是不恰当的，其理由为：①故障录波的完好性依赖于继电保护及安全自动装置的完好性，自己不能证明自己；②分散式故障录波应从模拟量输入、开关量输入、数据采集、数据的分析判断以及电源都独立于继电保护及安全自动装置。
因此重要的变电站在独立的分散故障录波出来之前，应采用集中式故障录波。
2.2.6　电压和无功的控制
电压和无功的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。操作方式有：手动、遥控、自动。
目前电压和无功的控制功能有两种实现方式：①专门的电压和无功控制设备；②由站级层根据就地层通过网络层提供的电压、无功、抽头、开关状态等信息由软件完成。
2.2.7　“五防”操作及操作票
防误闭锁方式基本有：简单的挂锁、机械连锁、电磁锁、程序锁及微机防误系统等。
①防误系统与站级层的当地监控及远动主站通信，确保当地监控与远动对断路器、电动刀闸的控制操作经防误系统允许；②防误系统出具操作票；③就地操作经五防锁控制。
将“五防”功能由就地层本身实现，达到本单元“五防”功能；
将“五防”功能由当地监控和远动主站本身实现，达到系统级“五防”功能。
2.2.8　GPS对时问题
传统GPS对时是由GPS同站级层对时然后通过网络层对就地层设备广播对时，此方法缺点是就地层设备对广播对时的响应不一致导致对时精度不能真正满足SOE的要求，因此应将GPS直接对就地层设备对时。
2.2.9　保护测控一体化
对低压设备或农网设备，可以将保护、测控合二为一，当然TA回路要分开，以保证精度要求。
一体化装置必须优先满足继电保护及安全自动装置的四性要求。一体化装置的出现要求用户体制适当调整。
未来有可能将智能仪表、电源等同以上功能一体化。
2.3　现场设备安装方式的就地化
就地层设备直接下放到开关柜，对没有开关柜的直接采用专用柜体安装到一次设备现场。
就地层设备需达到几项要求：①温度、湿度适用范围；②抗干扰能力；③抗振动能力；④对灰尘、风霜雨雪环境的要求等。
2.4　远方调度的新发展
不再满足于“四遥”功能，向遥视、电力MIS、电力市场(经济调度)、智能调度(自动决定运行方式、 自动恢复送电等)方向发展。
需要对远动规约进一步扩充，才能满足远方调度的新发展。
2.5　远方继电保护进一步发展
远方监视继电保护及安全自动装置的运行情况，如装置是否故障、采样是否正确、定值是否变化、自检是否正常等，远方修改保护定值，远方投退保护，远方故障录波，远方故障测距，远方故障探索，远方故障分析等。
远方继电保护可以同远动共通道也可以不共通道，但其规约不同于远动规约，需要有关部门尽早制定，或同远动规约合并，以便远方继电保护的发展。
2.6　无人与有人值班的争论
(1) 防火、保安系统怎么接入。
(2) 变压器渗油、非正常声音、瓷瓶开裂、局部放电等非电气量怎么处理。
(3) 一次设备是否全部可以电动操作。
(4) 设备损坏但未能远方报警等。
以上是实现无人值班的障碍。因此现在变电站基本处于从多人值班到少人值班，从少人值班到无人值班有人巡视的逐步过渡的过程。
实行无人值班有人巡视方式时，站级层设备中当地监控可有可无，因此网络层采用POLLING机制比采用CSM A/CD机制可靠性高，当地监控将被远方调度的监控系统取代，为方便当地调试可以预留当地监控的接口，以便同便携机相连，临时代替当地监控的功能。
3　结论
(1) 分层分布成为潮流。
(2) 站级层中当地监控功能将随着无人值班而消失，其功能将会出现在小区中心值班站或调度所，相应地远动功能将进一步增强。
(3) 网络层技术特别是现场网将进一步发展。
(4) 就地层设备功能的相互渗透、安装的就地化、工艺的提高、使用的方便性将会进一步深化。
(5) 远动规约、现场设备的规约进一步扩充和规范。
(6) 远方继电保护进一步发展。
(7) 向其他相关领域技术渗透。
作者简介：洪良山(1967-)，男，硕士，从事变电站自动化系统的研究、开发、设计工作。
作者单位：洪良山　南京电力自动化设备总厂，江苏南京　210003
参考文献
〔1〕　杨奇逊.变电站综合自动化技术发展趋势［J］.电力系统自动化，1995，19(10)
〔2〕　朱大新，刘觉.变电站综合自动化系统的内容及功能要求和配置［J］.电力系统自动化，1995，19(10)
〔3〕　陶晓农.分散式变电站监控系统中的通信技术方案［J］.电力系统自动化，1998，22(4)
〔4〕　KOPAINSKY J，等.变电站自动和控制系统发展趋向［C］.微机保护与控制译文集.1988，10