变电站自动化的现状与改进(一)
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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
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; work
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POLLINGPOLLINGCSM 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 kbps9.6/187.5 kbps9.6/78 kbps最大节点数不限3264最大通信距离2 000 M1 000 M2 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。