淺談數(shù)字化變電站自動化技術(shù)

　　「摘要」在變電站自動化領(lǐng)域中，智能化電氣的發(fā)展，特別是智能化開關(guān)、光電式互感器等機電一體化設備的出現(xiàn)，變電站自動化技術(shù)即將進入數(shù)字化新階段。本文論述了數(shù)字化變電站的特征、結(jié)構(gòu)及功能劃分等。

　　「關(guān)鍵詞」變電站自動化數(shù)字化智能化

　　變電站自動化技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)達到一定的水平，在我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造與建設中不僅中低壓變電站采用了自動化技術(shù)實現(xiàn)無人值班，而且在220kV及以上的超高壓變電站建設中也大量采用自動化新技術(shù)，從而大大提高了電網(wǎng)建設的現(xiàn)代化水平，增強了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的可能性，降低了變電站建設的總造價，這已經(jīng)成為不爭的事實。然而，技術(shù)的發(fā)展是沒有止境的，隨著智能化開關(guān)、光電式電流電壓互感器、一次運行設備在線狀態(tài)檢測、變電站運行操作培訓仿真等技術(shù)日趨成熟，以及計算機高速網(wǎng)絡在實時系統(tǒng)中的開發(fā)應用，勢必對已有的變電站自動化技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響，全數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)即將出現(xiàn)。

　　1、數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的特點

　　1.1智能化的一次設備

　　一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動回路采用微處理器和光電技術(shù)設計，簡化了常規(guī)機電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號網(wǎng)絡取代傳統(tǒng)的導線連接。換言之，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規(guī)的強電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。

　　1.2網(wǎng)絡化的二次設備

　　變電站內(nèi)常規(guī)的二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡通信，二次設備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復的IO現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源其享，常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

　　1.3自動化的運行管理系統(tǒng)

　　變電站運行管理自動化系統(tǒng)應包括電力生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計無紙化；數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動化；變電站運行發(fā)生故障時能即時提供故障分析報告，指出故障原因，提出故障處理意見；系統(tǒng)能自動發(fā)出變電站設備檢修報告，即常規(guī)的變電站設備定期檢修改變?yōu)闋顟B(tài)檢修。

　　2、數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　在變電站自動化領(lǐng)域中，智能化電氣的發(fā)展，特別是智能開關(guān)、光電式互感器機電一體化設備的出現(xiàn)，變電站自動化技術(shù)進入了數(shù)字化的新階段。在高壓和超高壓變電站中，保護裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動裝置的IO單元，如AD變換、光隔離器件、控制操作回路等將割列出來作為智能化一次設備的一部分。反言之，智能化一次設備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路代替了常規(guī)繼電保護裝置、測控等裝置的IO部分；而在中低壓變電站則將保護、監(jiān)控裝置小型化、緊湊化，完整地安裝在開關(guān)柜上，實現(xiàn)了變電站機電一體化設計。

　　數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為兩類，即智能化的一次設備和網(wǎng)絡化的二次設備；在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為三個層次，根據(jù)IEC6185A通信協(xié)議草案定義，這三個層次分別稱為過程層、間隔層、站控層。

　　2.1過程層

　　過程層是一次設備與二次設備的結(jié)合面，或者說過程層是指智能化電氣設備的智能化部分。過程層的主要功能分三類：（1）電力運行實時的電氣量檢測；（2）運行設備的狀態(tài)參數(shù)檢測；（3）操作控制執(zhí)行與驅(qū)動。

　?。?）電力運行的實時電氣量檢測。

　　與傳統(tǒng)的功能一樣，主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測，其他電氣量如有功、無功、電能量可通過間隔層的設備運算得出。與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器被光電電流互感器、光電電壓互感器取代；采集傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代，這樣做的優(yōu)點是抗干擾性能強，絕緣和抗飽和特性好，開關(guān)裝置實現(xiàn)了小型化、緊湊化。

　?。?）運行設備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測與統(tǒng)計。

　　變電站需要進行狀態(tài)參數(shù)檢測的設備主要有變壓器、斷路器、刀閘、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)。在線檢測的內(nèi)容主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

　?。?）操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動。

　　操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、刀閘合分控制，直流電源充放電控制。過程層的控制執(zhí)行與驅(qū)動大部分是被動的，即按上層控制指令而動作，比如接到間隔層保護裝置的跳閘指令、電壓無功控制的投切命令、對斷路器的遙控開合命令等。在執(zhí)行控制命令時具有智能性，能判別命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇?，還能對即將進行的動作精度進行控制，能使斷路器定相合閘，選相分閘，在選定的相角下實現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開斷，要求操作時間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi)。又例如對真空開關(guān)的同步操作要求能做到開關(guān)觸頭在零電壓時關(guān)合，在零電流時分斷等。

　　2.2間隔層

　　間隔層設備的主要功能是：（1）匯總本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息；（2）實施對一次設備保護控制功能；（3）實施本間隔操作閉鎖功能；（4）實施操作同期及其他控制功能；（5）對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制；（6）承上啟下的通信功能，即同時高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡通信功能。必要時，上下網(wǎng)絡接口具備雙口全雙工方式，以提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡通信的可靠性。

　　2.3站控層

　　站控層的主要任務是：（1）通過兩級高速網(wǎng)絡匯總?cè)镜膶崟r數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實時數(shù)據(jù)庫，按時登錄歷史數(shù)據(jù)庫；（2）按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心；（3）接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行；（4）具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；（5）具有（或備有）站內(nèi)當?shù)乇O(jiān)控，人機聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報警，甚至圖像，聲音等多媒體功能；（6）具有對間隔層、過程層諸設備的在線維護、在線組態(tài)，在線修改參數(shù)的功能；（7）具有（或備有）變電站故障自動分析和操作培訓功能。

　　3、數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中的網(wǎng)絡選型

　　網(wǎng)絡系統(tǒng)是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的命脈，它的可靠性與信息傳輸?shù)目焖傩詻Q定了系統(tǒng)的可用性。常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)中單套保護裝置的信息采集與保護算法的運行一般是在同一個CPU控制下進行的，使得同步采樣、AD轉(zhuǎn)換，運算、輸出控制命令整個流程快速，簡捷，而全數(shù)字化的系統(tǒng)中信息的采樣、保護算法與控制命令的形成是由網(wǎng)絡上多個CPU協(xié)同完成的，如何控制好采樣的同步和保護命令的快速輸出是一個復雜問題，其最基本的條件是網(wǎng)絡的適應性，關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡通信速度的提高和合適的通信協(xié)議的制定。

　　如果采用通常的現(xiàn)場總線技術(shù)可能不能勝任數(shù)字化變電站自動化的技術(shù)要求。目前以太網(wǎng)（ethernet）異軍突起，已經(jīng)進入工業(yè)自動化過程控制領(lǐng)域，固化OSI七層協(xié)議，速率達到100MHz的嵌入式以太網(wǎng)控制與接口芯片已大量出現(xiàn)，數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的兩級網(wǎng)絡全部采用100MHz以太網(wǎng)技術(shù)是可行的。

　　4、數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展中的主要問題

　　在三個層次中，數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的研究正在自下而上逐步發(fā)展。目前研究的主要內(nèi)容集中在過程層方面，諸如智能化開關(guān)設備、光電互感器、狀態(tài)檢測等技術(shù)與設備的研究開發(fā)。國外已有一定的成熟經(jīng)驗，國內(nèi)的大專院校、科研院所以及有關(guān)廠家都投入了相當?shù)娜肆M行開發(fā)研究，并且在某些方面取得了實質(zhì)性的進展。但歸納起來，目前主要存在的問題是：（1）研究開發(fā)過程中專業(yè)協(xié)作需要加強，比如智能化電器的研究至少存在機、電、光三個專業(yè)協(xié)同攻關(guān)；（2）材料器件方面的缺陷及改進；（3）試驗設備、測試方法、檢驗標準，特別是EMC（電磁干擾與兼容）控制與試驗還是薄弱環(huán)節(jié)。

　　5、結(jié)束語

　　本文論述了數(shù)字化變電站綜合自動化系統(tǒng)的特征、結(jié)構(gòu)及其發(fā)展。數(shù)字化變電站自動化是一個系統(tǒng)工程，要實現(xiàn)全部數(shù)字化變電站自動化的功能，還有許多技術(shù)問題需要攻關(guān)解決，作者相信在不太運的將來數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)，將有一個蓬勃的發(fā)展期。