1、 變電站綜合自動化一、 變電站綜合自動化系統的發展 隨著電力系統規模的擴大和自動化水平的提高，對變電站監控和保護系統的可靠性、安全性、經濟性和可用性的要求越來越高。自本世紀七十年代末以來，世界上各主要工業化國家如美、日、英、法、德、瑞典等都開展了將變電站監控和保護歸并于一體的研究，試圖研制出集繼電保護和監控于一體的系統，國內將此項技術簡稱為變電站綜合自動化。 我國對變電站綜合自動化尚未有準確的定義和標準。簡單的說，變電站綜合自動化系統是，利用計算機技術，把變電站的控制和保護、遠動、計量、故障錄波、當地監控等分離的裝置集成于一體，以實現資源共享避免功能重復，達到變電站更加可靠運行和方便管理的綜合

2、系統。 使變電站綜合自動化成為電力系統自動化的發展方向原因有兩個方面：一是隨著電力系統的發展，對變電站保護和監控的要求發生了很大的變化，而現有的常規保護和監控系統漸漸不能滿足要求；二是變電站現有的常規保護和監控系統設計本身具有很多缺點和不足。1. 對變電站保護和監控的要求的變化v 繼電保護要求的變化 當前的電力系統具有電網規模大、電壓等級高和機組容量大的特點。為了最大限度的發揮電網的經濟性，電力系統越來越多地運行在其穩定極限附近。這就要求一旦發生故障，繼電保護裝置能更快地切除故障。 220KV及以上的超高壓輸電線路要求的典型故障切除時間£30ms，嚴重故障時要求故障切除時間更短；母線

3、保護要求內部故障切除時間£10ms，能自動識別母線運行方式并作出相應調整，能在近端外部故障下抗CT飽和并可閉鎖；差動保護作為變壓器的主保護，其關鍵問題仍是勵磁涌流的鑒別。傳統的辦法是監測差流中的諧波成分，但是對超高壓大容量變壓器接長距離輸電線或低壓側接無功補償裝置時，內部故障電流中也會含有豐富的諧波成分，在這種情況下就難以判別故障還是涌流。v 自動監控裝置作用的變化電力系統監控方面最主要的變化在于對監控裝置在降低發電成本和跳提高電網運行水平方面的要求越來越高。電力系統經濟運行需要更多有關電網運行的信息和更精確可靠的監控，這就需要更多通道和手段來采集和分析電網信息并作出監控。另外在電網

4、進行安全分析，特別是進行網絡偶然事故分析時還要求對電網信息采集和監控功能進行協調。v 變電站擴容改造的要求一般來講，大型變電站開始僅有幾回進線，經過幾年后逐步發展成為具有多回聯絡線。變電站擴容改造的每一步都要增加保護和監控設備，甚至需要重新安排母線的布置，因此要對現用的監控設備和保護裝置進行較大的調整或重新配置。這就要求這些裝置具有較大的靈活性和可擴充性以便以最小的費用和最短的時間完成擴容和改造。v 變電站無人值班運行的要求由于具有明顯的技術經濟效益（運行可靠性高、勞動生產率高、建設成本低），發達國家早在七十年代就開始實施這種新的變電站運行管理模式。實現變電站無人值班的技術基礎是變電站中的測量

5、、監視、保護、監控等二次設備具有高度的安全性與可靠性，優越的協調性與兼容性。變電站綜合自動化系統的運用是實現變電站無人值班運行的有效途徑。2. 現行變電站常規保護和監控裝置的缺點在變電站中，保護和監控裝置的主要功能是對站內一次設備進行監視、報警、控制、保護、事件記錄、開關閉鎖、和遠方信息交換等。目前國內常規變電站的保護裝置和監控系統采用六、七十年代的機電和電子技術，進入九十年代以來越來越暴露出其固有的缺陷和局限性。v 裝置間相互獨立、互不兼容目前變電站中現有常規二次系統的各種硬件設備基本上是按功能獨立配置的，彼此間聯系很少且互不兼容，設備型號龐雜，在組合過程中協調性差，沒有標準化。v 設備不具

6、備自檢功能故障率高 常規二次系統是個被動系統，因此這些裝置可能在無任何報警信息的情況下出現故障。目前的辦法是對常規二次系統進行定期的測試和校驗，這不但增加了維護人員的工作量，而且仍無法保證裝置絕對的可靠，另外維護人員在定期檢測中人為造成裝置誤動的情況也時有發生。v 目前變電站中主要用指示燈顯示監控操作，用各種各樣的模擬式表盤反映模擬量瞬時值，大部分的歷史數據、操作記錄和事件記錄主要靠手工完成或用專門的記錄器記錄，費時費力且易出錯。 自八十年代以來，伴隨著微機保護的崛起和成熟、數字通信技術和光纖技術的廣泛應用、計算機網絡技術的長足發展，集變電站二次功能于一身的變電站綜合自動化系統已越來越明顯的成

7、為變電站自動化發展的趨勢。 變電站綜合自動化系統以全微機化的新型二次設備替代常規設備，盡量做到硬件資源、信息資源共享。用不同的模塊軟件實現常規設備的各種功能，用計算機局域網代替大量信號電纜的連接，用主動模式代替常規的被動模式，簡化了變電站二次部分的硬件配置，減輕了安裝施工和運行維護工作量，降低了變電站總造價和運行費用，使變電運行更安全、可靠，為提高運行管理自動化水平打下了基礎。二、 變電站綜合自動化系統的功能要求 變電站綜合自動化系統集繼電保護、RTU功能、數據處理和歷史數據記錄、電腦五防操作和閉鎖、安全自動控制、自診斷和自恢復、變電站的綜合管理、變電站的在線監測等功能于一身。1. 微機保護微

8、機保護包括輸電線路保護、饋線保護、變壓器保護、母線保護、電力電容器保護等，高壓系統則包括主保護和后備保護。在變電站綜合自動化系統中微機保護應具有的功能：v 存儲多套定值和保護定值的自動校對v 遠方整定保護定值和保護功能的遠方投退v 故障記錄v 繼電保護信號的自保持和遠方復歸v 校時v 自診斷和自恢復v 與監控系統通信，根據監控系統命令發送故障信息、保護定值和測量值、裝置自檢信息，通信規約為標準規約，符合國際標準2. 安全自動控制v 備用電源自投v 電壓無功自動調整v 低周減載v 小電流接地選線v 同期操作v 故障錄波和故障測距3. RTU功能v 四遙v 通信和校時4. 數據處理和歷史數據記錄5

9、. 電腦五防操作和閉鎖v 防止帶負荷拉合刀閘v 防止誤入帶電間隔v 防止誤分、合斷路器v 防止帶電掛接地線v 防止帶地線合刀閘6. 變電站的綜合管理v 設備管理v 運行管理v 安全管理v 模擬操作v 操作票和工作票的生成及管理7. 自診斷和自恢復 系統內各模塊應具有自診斷功能，自診斷信息也象采集數據一樣周期性地送往人機聯系子系統和遠方調度中心或集控中心，及時診斷出故障模塊并自動切換。系統還應具有程序出格時的自恢復和保護出口閉鎖功能。8. 變電站的在線監測變電站的在線監測是集高電壓技術、測試技術、材料（特別是絕緣材料）技術、計算機技術、通信技術為一體的綜合性科學技術，它是變電站綜合自動化系統必不

10、可少的重要組成部分。它主要由以下幾個部分構成：v 變電站內設備聲音的遠方監聽 變電站值班人員要經常巡視站內設施，主要靠耳聽和眼看來發現異常。利用多媒體技術，可將高保真度的聲音傳送到遠方調度中心或集控中心。v 變電站內設備聲紋變化的模式識別 變電站設備在正常運行時都在發出不同的聲音，而且在故障時會引起聲音的改變，例如開關的操作機構卡死引起的聲音改變，雨天污穢絕緣子引起的電暈聲和局部放電聲的改變。借助于人工神經元網絡技術，對變電站設備聲紋的變化進行監測，可達到故障識別的目的。v 變電站設備的圖象監測¨ 紅外線圖象法，主要是局部測溫和設備溫度分布測量¨ 工業電視監測圖象的多點自動

11、錄象 利用多媒體技術和靜止圖象壓縮技術（JPEG），在監測到變電站內被監測畫面產生突變時自動保存畫面突變前后的圖象，并用公用電話網向預定的電話號碼自動撥號送出圖象。v 在線監測專家系統 油浸變壓器的油色譜在線分析及告警。9. 變電站內交直流用電系統和直流用電系統 站內交直流用電系統應能遙控、遙測、電源自動投切。充電機操作可遙控和就地，并可實現自動均充、浮充等多種運行方式。直流系統電壓可手調或遠調，并具有運行參數、故障報警、絕緣監測、實時采集、與監控系統通信等自動功能。10. 遠程診斷和遠程維護11. 多級后備 保證在緊急情況下仍有信號系統及控制能力。三、 變電站綜合自動化系統的結構模式 目前變

12、電站綜合自動化系統有兩種結構模式（1）按功能劃分模塊，以RTU為核心，以數據采集、控制、微機保護、微機安全自動裝置、計量等裝置為外圍的集中式結構；（2）以一次設備為對象來組織各類二次功能，以通訊網為手段實現功能和組成分散化的分布式結構。1. 集中式由于常規的變電站保護、自動、遠動、通訊設備各自獨立，并且在技術上也有很大差異，因此造成技術管理人員分成不同專業，二次設備也由保護、通訊、自動化等部門分別負責。為在現有的電力系統管理模式下，便于技術管理人員工作的開展，兼顧繼電保護裝置獨立性的要求，囿于微機技術、網絡技術的發展，早期的變電站綜合自動化系統沿用了常規的變電站按功能配置的結構形式集中式。系統

13、由集中式RTU、集中式微機保護、各種集中式微機安全自動裝置（如故障錄波器、低周減載、小電流接地選線）等按功能劃分的單元組成（各單元可能由不同廠家生產），各單元之間一般通過RS232、422或485通訊接口連接。各種電氣設備的二次電纜及控制信號電纜都送至主控室。這種方式如iESR70、iESL70集成ISA1型系列微機保護構成的變電站綜合自動化系統，系統內的聯接圖如下所示 集中式缺點v 系統信息集中處理，還需要鋪設大量電纜，變電站面積和投資減小不大v 各功能單元之間接口復雜v 擴充性和維護性較差v 各功能單元內部多采用RS串行通信總線和位總線，通信速率、質量和靈活性均不夠理想v 可靠性較差，各功

14、能單元內部公用部分太多，一旦某部分出問題，將影響整個系統的可靠運行2. 分布式分布式變電站綜合自動化系統的特點：v 分層分布式結構根據IEC/TC57國際電工委員會電力系統控制與通信技術委員會的劃分，變電站可分成3個結構層次¨ Level0（零層次），為生產過程層次，包括斷路器、變壓器、PT、CT等一次設備¨ Level1（一層次），為間隔層次。間隔層在橫向按站內一次設備分布式配置單元，單元安裝于對應一次設備附近（如開關柜上）。每一單元裝置實現一個間隔的全部保護、監控、故障錄波、計量和遠動功能。¨ Level2（二層次），為變電站層次包括全站性的監控主機、遠動及自

15、動控制主機、人工智能應用主機以及實現軟件開發和管理的工程師主機。變電站層設現場總線或局域網，供各個主機之間和主機與單元層之間交換信息。變電站層設備一般裝設于控制室。v 監控功能分級實現 變電站層的控制通過通訊網有間隔層的測控元件執行，間隔層的測控元件與過程設備一般是通過強電電路并行連接，強電回路不進變電站層。在間隔層應能對該單元的間隔進行控制，包括手動控制和自動控制（自動重合閘、低周減載、備用電源自投等）。斷路器和隔離開關及其它器件的閉鎖在間隔層實現，涉及全站設備的閉鎖在變電站層實現v 間隔層中各個單元的設備相對獨立 每個單元有獨立的CPU系統、輸入輸出回路、一次設備的開關操作回路和電源模塊，

16、相互之間無任何電氣聯系，僅通過站內通信網互聯，并同變電站層通信，凡是在間隔層能完成的功能決不依靠通信網。這樣與集中式系統相比有明顯的優點¨ 可靠性提高，當一個間隔的單元設備出現異常時，不影響其它單元的正常工作。¨ 可擴展性和靈活性提高¨ 站內二次電纜大大簡化，避免了電纜傳送信息的電磁干擾¨ 最大限度地壓縮了二次設備的占地面積，節省投資，簡化維護v 繼電保護功能相對獨立由于繼電保護的特殊重要性，在變電站綜合自動化系統中，繼電保護功能宜相對獨立¨ 繼電保護功能不依賴于通信網，保護的啟動、測量、邏輯功能獨立實現，不依賴通訊網交換信息。¨ 繼

17、電保護功能按被保護的間隔分別獨立設置，直接由相關的CT、PT輸入電氣量，動作后由接點輸出，直接操作相應斷路器的跳閘線圈。¨ 除保護功能外，其它的一些安全自動裝置如備用電源自投，也不依賴通訊網，而設置專用的裝置v 站內計算機通信網宜采用符合國際標準的開放式系統 分布式代表了變電站綜合自動化系統的發展趨勢。國外產品以ABB公司的SCS100/200和西門子公司的LSA678為代表。在間隔層終端一般采用多DSP（高速數字處理芯片）結構，集保護、錄波、計量、遠動功能于一體；專用通訊網以光纖為介質，具有很高的通信速率和質量；站控單元采用高性能工作站或專用硬件，處理和存儲能力較強，可靠性很高。產

18、品功能全面，技術水平高，功能和組成分散，規模伸縮性好，能滿足不同電壓等級應用的需要。但存在價格昂貴，開放性不夠理想，功能上不能完全滿足國內對一次設備的使用和管理要求等問題。此外，母線保護和全站錄波的分散化問題也解決的不夠理想。 國內成型的分布式變電站綜合自動化系統以四方公司的CSC2000為代表。由于與國外公司在硬件制造工藝、結構、電路設計、元器件選擇等方面的差距，國內產品還不能完全滿足分散安裝在防電磁干擾、抗開關振動沖擊以及適應環境溫度、濕度等方面的要求。四、 當前國內變電站綜合自動化系統存在的一些問題1. 產品質量問題 產品工藝質量仍需進一步提高，功能仍需進一步完善。如就地安裝于開關柜、分

19、散式母線保護的實現（現在有一些專家如華中理工大學的陳德樹、尹相根教授，提出了幾種解決辦法，但還停留在實驗室階段，可行性尚待研究，還未有成型產品）等問題。2. 電磁兼容問題變電站是個復雜的強電磁干擾場。常規的變電站二次系統是由機電器件構成的，對電磁干擾并不十分敏感。相反，變電站綜合自動化系統是一個基于微機的數字電子系統，對電磁干擾非常敏感。可以采用簡單的電纜屏蔽和加入隔離變壓器等方法來解決電力系統對電子裝置的工頻干擾，而克服高頻干擾則要困難的多。特別在變電站中，有時會產生頻率為幾兆甚至是幾百兆的高頻干擾，如SF6或真空斷路器等開關設備的動作和繼電器接點的抖動放電都會產生高頻干擾，干擾電壓具有快速

20、瞬變的特點，其峰值可達幾KV，上升時間只有幾個ns。對于就近于一次設備附近分散安裝的分布式變電站綜合自動化系統，高頻干擾問題尤其嚴重。3. 網絡問題 網絡拓撲結構有待進一步優化，宜選用雙網結構；通訊介質宜選用光纖（相對同軸電纜和雙絞線，抗干擾能力強，實時性好）；媒介占有控制方式應與網絡拓撲結構、通訊介質緊密配合，以保證通訊網的高可靠性。4. 通信規約的標準化問題 通信規約的標準化問題，可以分為站內通信規約的標準化和站外通信規約的標準化。前者指綜合自動化系統內部的通信標準，后者指綜合自動化系統與監控中心以及別的綜合自動化系統的通信標準。由于目前還未有一部關于綜合自動化系統通信的國家標準，因此各廠

21、家各自為政制訂自己的通信規約，造成接口混亂。5. 技術管理人員素質、維護和管理問題 舊的技術管理、分工體制已不能適應綜合自動化技術的發展，特別是繼電保護與計算機技術、數字通信技術在界面上的相互滲透，對技術管理人員的自身素質提出了更高的要求。有關舊的規程、規范也需隨著自動化技術的發展重新修訂。急需國家技術歸口部門制訂出相關的規程、規范、標準，包括老站改造和新建變電站綜合自動化的政策指導、設計方案和實施細則（含土建布局及占地大小，一次設備選型，預算編制等），以引導綜合自動化技術的健康發展。五、 iES變電站綜合自動化系統的設計思想1. 分層分布式結構間隔層由多個間隔終端（Bay Terminal 簡稱BT）組成，每個BT實現一個間隔的繼電保護、監控、故障錄波、低周減載、同期操作、小電流接地選線等功能。變電站層由iESL70、CC700通訊控制器、GPS等裝置組成，可實現當地監控、變電站綜合管理、五防操作、電壓無功自動控制、校時、通訊、遠程維護和遠程診斷功能。2. 間隔層選用現場總線CAN作為監控主網v CAN是現場總線，通信協議較計算機網絡簡單，軟硬件開銷小，而通信速率、距離和質量等指標并不遜色于ARCNETHEBIT