摘要(Abstract) 回憶了國際變電站自動化技術開展的進程，剖析了國際變電站自動化零碎現(xiàn)狀和開展趨向，強調(diào)了繼電維護和監(jiān)控在技術和管理上的一體式開展，數(shù)字化變電站的開展，以及IEC61850規(guī)范使用的趨向。
關鍵詞(Keywords) 變電站自動化 現(xiàn)狀與開展 分層散布式構造 集成化 數(shù)字化
1、 引言
“變電站自動化零碎”(Substation Automation System-SAS)名詞，國際電工委員會解釋為“在變電站內(nèi)提供包括通訊根底設備在內(nèi)的自動化零碎(SAS-Substation Automation System： The SAS provides Automation in a Substation including the Communication infrastructure)”。在國際，我們所說的變電站自動化零碎，包括傳統(tǒng)的自動化監(jiān)控零碎，繼電維護、自動安裝等設備，是集維護、測量、控制、遠傳等功用為一體，經(jīng)過數(shù)字通訊及網(wǎng)絡技術來完成信息共享的一套微機化的二次設備及零碎。自20世紀90年代以來，變電站自動化技術不斷是我國電力行業(yè)的熱點技術之一。目前全國已投入運轉(zhuǎn)的35~500kV變電站約20000座(不包括用戶變)，而且每年新增變電站的數(shù)量約為3percent~5percent，也就是說每年都有千百座新建變電站投入電網(wǎng)運轉(zhuǎn)，新建變電站根本上都采用了自動化零碎形式，同時每年還有許多老變電站的技術改造，也根本上以自動化零碎形式為主。在已采用自動化技術的變電站中，晚期采用較多的國外商品有：如ABB、Siemens、GE等公司的商品。但隨著國際廠家的商品技術含量、工藝程度的進步以及國度產(chǎn)業(yè)政策的支持，目前220kV及以下電壓等級變電站的自動化大都采用了國產(chǎn)商品，330kV及以上電壓等級變電站也少量運用了國產(chǎn)商品。目前，國產(chǎn)商品廠家次要有：南瑞集團、北京四方、許繼電氣、國電南自等。
2、變電站自動化技術現(xiàn)狀
2.1、 我國變電站自動化開展階段
變電站二次局部傳統(tǒng)按功用分為四大類商品：繼電維護、毛病錄波、外地監(jiān)控和遠動。按零碎形式呈現(xiàn)順序可將變電站自動化開展分為三個階段：
(1) 一階段：面向功用設計的集中式RTU加慣例維護形式
80年代及以前，是以RTU為根底的遠動安裝及外地監(jiān)控為代表。該類零碎實踐上是在慣例的繼電維護及二次接線的根底上增設RTU安裝，功用次要為與遠方調(diào)度通訊完成“二遙”或“四遙”(遙測、遙信、遙控、遙調(diào));與繼電維護及平安自動安裝的聯(lián)合經(jīng)過硬接點接入或串行口通訊較多。此類零碎稱為集中RTU形式，目前在一些老站改造中仍有大批運用，此階段為自動化的初級階段。
(2) 二階段：面向功用設計的散布式測控安裝加微機維護形式
二階段始于90年代初期，單元式微機維護及按功用設計的分散式微機測控安裝得以普遍使用，維護與測控安裝獨立，經(jīng)過通訊管理單元可以將各自信息送到后臺或調(diào)度端計算機。特點是繼電維護(包括平安自動安裝)按功用劃分的測控安裝獨立運轉(zhuǎn)，使用了現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡技術，經(jīng)過數(shù)據(jù)通訊停止信息交流。此零碎電纜互聯(lián)仍較多，擴展性功用不強。
(3) 第三階段：面向距離、面向?qū)ο?Object-Oriented)設計的分層散布式構造形式
第三階段始于90年代中期，隨著計算機技術、網(wǎng)絡及通訊技術的飛速開展，采用按距離為對象設計維護測控單元，采用分層散布式的零碎構造，構成意義上的分層散布式自動化零碎。目前國際外主流廠家均采用了此類構造形式。110kV以下電壓等級變電站，維護測控安裝要求一體式、110kV幾以上電壓等級維護測控大多按距離辨別設計，對高壓變電站的規(guī)模比擬大的零碎，為增加兩頭環(huán)節(jié)，防止通訊瓶頸，要求安裝間接上以太網(wǎng)與監(jiān)控后臺通訊，甚至要求維護和監(jiān)控網(wǎng)絡獨立組網(wǎng)，由于采用了先進的網(wǎng)絡通訊技術和面向?qū)ο笤O計，零碎配置靈敏、擴展方便。
2.2、 分層散布式技術成為潮流
若按變電站自動化零碎二次設備散布現(xiàn)狀可縱向分為三層：變電站層、網(wǎng)絡層、距離層;也有廠家或?qū)W者將網(wǎng)絡層歸入變電站層停止描繪，即縱向分為變電站層、距離層二層。
(1) 變電站層橫向按功用散布為外地監(jiān)控、維護信息管理及遠方通訊。變電站層功用散布的方式取決于網(wǎng)絡層的構造、變電站電壓等級以及用戶的實踐需求。
外地監(jiān)控功用作為外地運轉(zhuǎn)人員的人機交互窗口，以圖形顯示、報表打印、語音報警等各種方式完成外地的“四遙”。經(jīng)過“五防”零碎聯(lián)鎖控制開關及刀閘的跳合，并對斷路器合閘操作自動檢同期， 按VQC原理變壓器檔位或投切電容器組，以及與MIS零碎平安聯(lián)接完成信息共享。
維護信息管理功用作為外地繼保人員的人機交互窗口，也可以圖形顯示、報表打印、語音報警等各種方式對繼電維護及平安自動安裝的運轉(zhuǎn)情況如安裝能否毛病、定值能否改動、采樣能否準確等停止實時監(jiān)視，依據(jù)運轉(zhuǎn)需求決議維護投退和定值修正，毛病發(fā)作后經(jīng)過毛病錄涉及維護舉措信息停止毛病剖析和診斷。
遠方通訊功用是將外地監(jiān)控和維護信息管理功用經(jīng)過通訊在遠方完成，是變電站完成無人值班的前提條件。遠方監(jiān)控和維護信息管理功用異樣可以各自獨立刻經(jīng)過不同的通道和規(guī)約辨別接至調(diào)度和維護信息管理主站，也可以合二為一即經(jīng)過同一通道接至遠方主站。
(2) 網(wǎng)絡層完成信息傳遞和零碎對時等功用。經(jīng)過信息交流，完成信息共享，減化變電站的設備配置，從全體上進步變電站自動化零碎的平安性和經(jīng)濟性。目前國際外商品盛行兩種網(wǎng)絡層構造：即雙層網(wǎng)和單層網(wǎng)構造。 目前采用的現(xiàn)場總線有：Lonworks、Canbus、WorldFIP、Profibus等，速率為1~12Mbps;以太網(wǎng)通訊方式，速率大多為10Mbps/100Mbps自順應�，F(xiàn)場總線具有運用方便、復雜、經(jīng)濟的特點，以太網(wǎng)具有網(wǎng)絡規(guī)范、開放性好、高速率、傳輸容量大的特點。但目前由于以太網(wǎng)在功能和使用特點上仍不能完全替代現(xiàn)場總線， 面向?qū)崟r控制的工業(yè)以太網(wǎng)技術及規(guī)范正處于研討和制定進程中， 所以現(xiàn)場總線將會和以太網(wǎng)并存相當長工夫。
(3) 距離層次要是繼保、監(jiān)控設備層�？杉薪M屏也可散布在各繼電維護小間內(nèi)或裝置在開關柜上。繼保、監(jiān)控既可以各自獨立也可以合二為一。它對相關一次設備停止維護、測量和控制，呼應就地層、變電站層、遠方主站的操作要求，對采集的信息停止處置上送，并在變電站層、遠方主站控制生效的狀況下仍能完成維護、測量和控制功用。
三層之間的關系。變電站層、網(wǎng)絡層、距離層既互相獨立又互相聯(lián)絡。變電站層功用的完成依賴于網(wǎng)絡層和距離層的殘缺性;但是距離層功用的完成，特別是繼電維護及平安自動安裝的功用的完成決不能依賴于網(wǎng)絡層和變電站層;遠方主站監(jiān)控功用的完成應不依賴于變電站層設備。
2.3 、運轉(zhuǎn)管理形式與變電站綜合自動化
(1) 維護和遠動管理形式對變電站綜合自動化技術開展的影響
由于變電站綜合自動化零碎源于傳統(tǒng)的“四遙”并在微機維護、遠動根底上開展起來的，維護和遠動分屬不同的部門，運轉(zhuǎn)管理是分開的，隨著變電站自動化技術的開展，特別是近階段，在中高壓站曾經(jīng)采用維護和測控合一的綜合安裝， 許多廠家在研制高壓站的安裝時，曾經(jīng)思索將維護、測控、毛病錄波等功用綜合在一個安裝內(nèi)。因而，各自獨立運轉(zhuǎn)的管理、思想方式曾經(jīng)不能順應變電站綜合自動化技術開展要求 (2) 無人值班的運轉(zhuǎn)管理形式與變電站自動化技術的關系
目前已完成無人值班的變電站，并不都是采用所謂的綜合自動化零碎。但是應該看到，自動化技術的開展，為無人值班或少人值班變電站提供了更先進的技術支持，使變電站設計愈加合理，布局緊湊，運轉(zhuǎn)愈加牢靠，更利于無人值班的管理，新建的變電站甚至國際一個750kV變電站都將按無人值班的形式設計。
(3) 維護信息管理零碎的呈現(xiàn)是變電站以后運轉(zhuǎn)管理的需求
隨著微機維護、毛病錄波器在電網(wǎng)中的普遍運用，在電力零碎發(fā)作毛病時使維護和毛病錄波用具備了以數(shù)據(jù)方式向電網(wǎng)調(diào)度傳輸毛病信息的能夠。為了貫徹《國度電力公司電網(wǎng)二次零碎“十五”規(guī)劃》的要求，實在進步電網(wǎng)平安運轉(zhuǎn)的調(diào)度零碎信息化、智能化程度，在電網(wǎng)發(fā)作毛病時能為調(diào)度提供實時毛病信息，無效地疾速恢復零碎，電機工程學會繼電維護運轉(zhuǎn)技術分專委會特制定了《繼電維護、平安自動安裝和毛病錄波器信息處置零碎》技術標準，已有多個變電站自動化零碎消費廠家研制出該類零碎并投入電網(wǎng)運用。該零碎是專為維護管理部門設計的，當維護和毛病錄波安裝在毛病時，由于信息量較大原因此采用獨自組網(wǎng)形式。
2.4、 繼電維護技術的開展
談到變電站自動化，需關注繼電維護技術的開展，關注維護與監(jiān)控以后及今后在自動化技術開展中的互相交融關系。
(1) 繼電維護技術的開展史
從90年代初至今，不同原理、不同機型的微機線路和主設備維護各具特征，為電力零碎提供了一批功能杰出、功用完全、任務牢靠的繼電維護安裝。隨著微機維護安裝的深化研討，在微機維護軟件、算法等方面也獲得了很多實際效果。微機維護已成為電力零碎維護、監(jiān)控、通訊、調(diào)度自動化零碎的重要組成局部。
(2) 繼電維護的現(xiàn)狀
目前，國際繼電維護的開展已到達甚至超越國外同行業(yè)的程度。在維護硬件構成方面，國際的微機維護閱歷了8位CPU、16位CPU等幾個階段，以后已開展到應用DSP停止信號處置、32位CPU冗余設計、高精度模數(shù)變換、安裝內(nèi)采用網(wǎng)絡通訊技術、硬件模塊化設計等先進程度階段。在電磁兼容設計方面均有獨到之處，具有很高牢靠性。
在維護的原理方面，國際微機維護的程度很多方面已搶先于國外的同類商品。尤其在高壓線路維護方面，經(jīng)多年研討，微機維護的功能比擬完善，可以順應復雜的運轉(zhuǎn)及毛病條件。由于通訊通道技術的限制，晚期的全線速動縱聯(lián)維護次要由公用閉鎖式或允許式縱聯(lián)方向維護和縱聯(lián)間隔維護構成。隨著通訊技術的開展，分相式光纖電流縱聯(lián)差動維護由于原理復雜牢靠而普遍使用。主設備維護方面，與線路微機維護相比，雖然起步較晚，經(jīng)過多年的研討已克制了晚期的元件微機型維護牢靠性不高，靈敏度低，舉措速度慢，TA飽和影響較大等缺陷。
在110kV及以下電壓等級的變電站綜合自動化零碎中，主變后備維護、線路(饋線)維護、電容器維護等繼電維護安裝普遍采用維護測控一體式技術，即所謂的四合一安裝。每個四合一安裝不但可完成繼電維護功用，而且還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通訊功用，成為整個電力零碎計算機網(wǎng)絡上的一個智能設備。
3 變電站自動化技術開展趨向
3.1 、IEC61850規(guī)范的推行使用
IEC 61850是國際電工委員會TC57制定的《變電站通訊網(wǎng)絡和零碎》系列規(guī)范，為基于網(wǎng)絡通訊平臺的變電站自動化零碎獨一國際規(guī)范，也是國度電力行業(yè)相關規(guī)范的根底。IEC 61850制定的思緒是：
(1) 進步互操作性，工程完成方便;
(2) 面向?qū)ο�，即面向設備;
(3) 滿足使用技術迅猛開展要求;
(4) 應對通訊技術和網(wǎng)絡技術開展的應戰(zhàn)。
指點任務方向為：順應古代技術程度的通訊體系，完成完全的互操作，體系向下兼容，基于古代技術程度的規(guī)范信息和通訊技術平臺， 經(jīng)過規(guī)范化數(shù)據(jù)交流接口完成開放式零碎，例如該規(guī)范使用于一切類型的散布式SCADA零碎。IEC 61850不只用于變電站內(nèi)通訊，而且可用于變電站和控制通訊。
IEC 61850規(guī)范經(jīng)過多年的醞釀和討論，至2003年已正式發(fā)布大部分外容。IEC 61850規(guī)范是全世界獨一的變電站網(wǎng)絡通訊規(guī)范，也將能夠成為電力零碎中從調(diào)度到變電站、變電站內(nèi)、配電自動化無縫通訊規(guī)范，還可望成為通用網(wǎng)絡通訊平臺的工業(yè)控制通訊規(guī)范。以后， 消費相關商品的國際外各大公司都在圍繞IEC 61850 展開任務，并提出IEC 61850的開展方向是完成“即插即用”，在工業(yè)控制通訊上完成“一個世界、一種技術、一個規(guī)范”。
為順應將來數(shù)字化變電站開展的趨向，IEC61850規(guī)范按通訊體系及設備功用將變電站自動化零碎分為3層：變電站層、距離層、進程層。變電站層設備由帶數(shù)據(jù)庫的計算機、操作員任務臺、遠方通訊接口等組成;距離層設備由每個距離的控制、維護或監(jiān)視單元組成;進程層設備典型的為遠方I/O、智能傳感器和執(zhí)行器等。
3.2、 變電站自動化零碎向高集成化、數(shù)字化、規(guī)范一致化方向開展
隨著集成電路和計算機技術的飛速開展，各種新型的大規(guī)模集成電路將會進一步使用在繼電維護和測控安裝上，如32位CPU、數(shù)字信號處置芯片DSP、高速數(shù)據(jù)采集零碎、嵌入式實時操作零碎、大容量Flash、可編程邏輯器件CPLD、FPGA等。這些新器件的使用將使維護和測控安裝的電路板愈加小型集成化，安裝通訊、數(shù)據(jù)存儲及處置才能更強。將距離的控制、維護、毛病錄波、事情記載和運轉(zhuǎn)支持零碎的數(shù)據(jù)處置等功用，經(jīng)過模塊化設計集成在一個一致的多功用數(shù)字安裝內(nèi)是可行的，距離外部和距離間以及距離同站級間的通訊可一致用一層網(wǎng)即光纖以太網(wǎng)來完成。高集成化零碎的開展，無疑能降低本錢，進步零碎牢靠性，有利于完成一致的運轉(zhuǎn)管理。目前在許多中高壓站已完成。
變電站自動化零碎向數(shù)字化開展，指的是智能化電氣的開展，如智能開關設備、光電式電壓和電流互感器、智能電子安裝(IED)等的呈現(xiàn)，使變電站自動化技術進入了數(shù)字化階段。智能化一次設備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路逐步取代傳統(tǒng)的一次回路， 使變電站層、距離層、進程層用網(wǎng)絡聯(lián)接起來，并完成一致的通訊規(guī)范。
4 、完畢語
總之，變電站自動化技術是隨同著古代科技技術開展，尤其是網(wǎng)絡技術、計算機軟、硬件技術及超大規(guī)模集成電路技術的開展而不時提高， 自動化零碎以按對象設計的全分層散布式為潮流， 朝著二次設備功用集成化，一次設備智能數(shù)字化方向開展;運轉(zhuǎn)管理朝著各協(xié)調(diào)一致和站內(nèi)無人值班形式開展。同時經(jīng)濟性和牢靠性也是變電站自動化技術開展所要思索的實踐成績。IEC61850規(guī)范的施行使用，電能質(zhì)量監(jiān)測管理，一次設備的在線監(jiān)測，網(wǎng)絡平安技術，數(shù)字式視頻圖像監(jiān)控技術，基于同步相量測量安裝的電力零碎實時靜態(tài)監(jiān)測， 以及如何融入變電站自動化零碎， 都是變電站自動化技術開展所要研討的課題。
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