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——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(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)，變電站自動化技術(shù)即將進(jìn)入數(shù)字化新階段。本文論述了數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)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(dá)到一定的水平，在我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造與建設(shè)中不僅中低壓變電站采用了自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人值班，而且在220kV及以上的超高壓變電站建設(shè)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(shè)的現(xiàn)代化水平，增強(qiáng)了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的可能性，降低了變電站建設(shè)的總造價(jià)，這已經(jīng)成為不爭的事實(shí)。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(yùn)行設(shè)備在線狀態(tài)檢測、變電站運(yùn)行操作培訓(xùn)仿真等技術(shù)日趨成熟，以及計(jì)算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)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(diǎn)

1.1智能化的一次設(shè)備

一次設(shè)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(shè)計(jì)，簡化了常規(guī)機(jī)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(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)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(qiáng)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(luò)化的二次設(shè)備

變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機(jī)設(shè)計(jì)制造，設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)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(yùn)行管理系統(tǒng)

變電站運(yùn)行管理自動化系統(tǒng)應(yīng)包括電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計(jì)無紙化；數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動化；變電站運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)能即時(shí)提供故障分析報(bào)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(shè)備檢修報(bào)告，即常規(guī)的變電站設(shè)備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟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(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)，變電站自動化技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化的新階段。在高壓和超高壓變電站中，保護(hù)裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動裝置的I/O單元，如A/D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(shè)備的一部分。反言之，智能化一次設(shè)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(hù)裝置、測控等裝置的I/O部分；而在中低壓變電站則將保護(hù)、監(jiān)控裝置小型化、緊湊化，完整地安裝在開關(guān)柜上，實(shí)現(xiàn)了變電站機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。

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(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備；在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為三個(gè)層次，根據(jù)IEC6185A通信協(xié)議草案定義，這三個(gè)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(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說過程層是指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過程層的主要功能分三類：（1）電力運(yùn)行實(shí)時(shí)的電氣量檢測；（2）運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測；（3）操作控制執(zhí)行與驅(qū)動。

（1）電力運(yùn)行的實(shí)時(shí)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(shè)備運(yùn)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(diǎn)是抗干擾性能強(qiáng)，絕緣和抗飽和特性好，開關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)了小型化、緊湊化。

（2）運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測與統(tǒng)計(jì)。

變電站需要進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)檢測的設(shè)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(jī)械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

（3）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(hù)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(shí)具有智能性，能判別命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇裕�還能對即將進(jìn)行的動作精度進(jìn)行控制，能使斷路器定相合閘，選相分閘，在選定的相角下實(shí)現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開斷，要求操作時(shí)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(shí)關(guān)合，在零電流時(shí)分?jǐn)嗟取?

2.2間隔層

間隔層設(shè)備的主要功能是：（1）匯總本間隔過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；（2）實(shí)施對一次設(shè)備保護(hù)控制功能；（3）實(shí)施本間隔操作閉鎖功能；（4）實(shí)施操作同期及其他控制功能；（5）對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)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(shí)高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。必要時(shí)，上下網(wǎng)絡(luò)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(luò)通信的可靠性。

2.3站控層

站控層的主要任務(wù)是：（1）通過兩級高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)�站的�?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，按時(shí)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(dāng)?shù)乇O(jiān)控，人機(jī)聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報(bào)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(shè)備的在線維護(hù)、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(xùn)功能。

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

網(wǎng)絡(luò)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(hù)裝置的信息采集與保護(hù)算法的運(yùn)行一般是在同一個(gè)CPU控制下進(jìn)行的，使得同步采樣、A/D轉(zhuǎn)換，運(yùn)算、輸出控制命令整個(gè)流程快速，簡捷，而全數(shù)字化的系統(tǒng)中信息的采樣、保護(hù)算法與控制命令的形成是由網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)CPU協(xié)同完成的，如何控制好采樣的同步和保護(hù)命令的快速輸出是一個(gè)復(fù)雜問題，其最基本的條件是網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(dá)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(luò)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(gè)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(shè)備、光電互感器、狀態(tài)檢測等技術(shù)與設(shè)備的研究開發(fā)。國外已有一定的成熟經(jīng)驗(yàn)，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(dāng)?shù)娜肆�進(jìn)行開發(fā)研究，并且在某些方面取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)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(qiáng)，比如智能化電器的研究至少存在機(jī)、電、光三個(gè)專業(yè)協(xié)同攻關(guān)；（2）材料器件方面的缺陷及改進(jìn)；（3）試驗(yàn)設(shè)備、測試方法、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，特別是EMC（電磁干擾與兼容）控制與試驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)工程，要實(shí)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(yùn)的將來數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)，將有一個(gè)蓬勃的發(fā)展期。