——淺談數字化變電站自動(dòng)化技術(shù)

　　「摘要」在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域中，智能化電氣的發(fā)展，特別是智能化開(kāi)關(guān)、光電式互感器等機電一體化設備的出現，變電站自動(dòng)化技術(shù)即將進(jìn)入數字化新階段。本文論述了數字化變電站自動(dòng)化系統的特征、結構及功能劃分等。

　　「關(guān)鍵詞」變電站自動(dòng)化數字化智能化

　　變電站自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展已經(jīng)達到一定的水平，在我國城鄉電網(wǎng)改造與建設中不僅中低壓變電站采用了自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現無(wú)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(dòng)化新技術(shù)，從而大大提高了電網(wǎng)建設的現代化水平，增強了輸配電和電網(wǎng)調度的可能性，降低了變電站建設的總造價(jià)，這已經(jīng)成為不爭的事實(shí)。然而，技術(shù)的發(fā)展是沒(méi)有止境的，隨著(zhù)智能化開(kāi)關(guān)、光電式電流電壓互感器、一次運行設備在線(xiàn)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(luò )在實(shí)時(shí)系統中的開(kāi)發(fā)應用，勢必對已有的變電站自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響，全數字化的變電站自動(dòng)化系統即將出現。

　　1、數字化變電站自動(dòng)化系統的特點(diǎn)

　　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動(dòng)回路采用微處理器和光電技術(shù)設計，簡(jiǎn)化了常規機電式繼電器及控制回路的結構，數字程控器及數字公共信號網(wǎng)絡(luò )取代傳統的導線(xiàn)連接。換言之，變電站二次回路中常規的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規的強電模擬信號和控制電纜被光電數字和光纖代替。

　　1.2網(wǎng)絡(luò )化的二次設備

　　變電站內常規的二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動(dòng)裝置、故障錄波裝置、電壓無(wú)功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線(xiàn)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(luò )通信，二次設備不再出現常規功能裝置重復的I/O現場(chǎng)接口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )真正實(shí)現數據共享、資源其享，常規的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

　　1.3自動(dòng)化的運行管理系統

　　變電站運行管理自動(dòng)化系統應包括電力生產(chǎn)運行數據、狀態(tài)記錄統計無(wú)紙化；數據信息分層、分流交換自動(dòng)化；變電站運行發(fā)生故障時(shí)能即時(shí)提供故障分析報告，指出故障原因，提出故障處理意見(jiàn)；系統能自動(dòng)發(fā)出變電站設備檢修報告，即常規的變電站設備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。

　　2、數字化變電站自動(dòng)化系統的結構

　　在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域中，智能化電氣的發(fā)展，特別是智能開(kāi)關(guān)、光電式互感器機電一體化設備的出現，變電站自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了數字化的新階段。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(dòng)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(lái)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字化傳感器、數字化控制回路代替了常規繼電保護裝置、測控等裝置的I/O部分；而在中低壓變電站則將保護、監控裝置小型化、緊湊化，完整地安裝在開(kāi)關(guān)柜上，實(shí)現了變電站機電一體化設計。

　　數字化變電站自動(dòng)化系統的結構在物理上可分為兩類(lèi)，即智能化的一次設備和網(wǎng)絡(luò )化的二次設備；在邏輯結構上可分為三個(gè)層次，根據IEC6185A通信協(xié)議草案定義，這三個(gè)層次分別稱(chēng)為“過(guò)程層”、“間隔層”、“站控層”。

　　2.1過(guò)程層

　　過(guò)程層是一次設備與二次設備的結合面，或者說(shuō)過(guò)程層是指智能化電氣設備的智能化部分。過(guò)程層的主要功能分三類(lèi)：（1）電力運行實(shí)時(shí)的電氣量檢測；（2）運行設備的狀態(tài)參數檢測；（3）操作控制執行與驅動(dòng)。

　�。�1）電力運行的實(shí)時(shí)電氣量檢測。

　　與傳統的功能一樣，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(wú)功、電能量可通過(guò)間隔層的設備運算得出。與常規方式相比所不同的是傳統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；采集傳統模擬量被直接采集數字量所取代，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能強，絕緣和抗飽和特性好，開(kāi)關(guān)裝置實(shí)現了小型化、緊湊化。

　�。�2）運行設備的狀態(tài)參數在線(xiàn)檢測與統計。

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

　�。�3）操作控制的執行與驅動(dòng)。

　　操作控制的執行與驅動(dòng)包括變壓器分接頭調節控制，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(guò)程層的控制執行與驅動(dòng)大部分是被動(dòng)的，即按上層控制指令而動(dòng)作，比如接到間隔層保護裝置的跳閘指令、電壓無(wú)功控制的投切命令、對斷路器的遙控開(kāi)合命令等。在執行控制命令時(shí)具有智能性，能判別命令的真偽及其合理性，還能對即將進(jìn)行的動(dòng)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)現斷路器的關(guān)合和開(kāi)斷，要求操作時(shí)間限制在規定的參數內。又例如對真空開(kāi)關(guān)的同步操作要求能做到開(kāi)關(guān)觸頭在零電壓時(shí)關(guān)合，在零電流時(shí)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(guò)程層實(shí)時(shí)數據信息；（2）實(shí)施對一次設備保護控制功能；（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）對數據采集、統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(shí)高速完成與過(guò)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(guò)兩級高速網(wǎng)絡(luò )匯總全站的實(shí)時(shí)數據信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數據庫，按時(shí)登錄歷史數據庫；（2）按既定規約將有關(guān)數據信息送向調度或控制中心；（3）接收調度或控制中心有關(guān)控制命令并轉間隔層、過(guò)程層執行；（4）具有在線(xiàn)可編程的全站操作閉鎖控制功能；（5）具有（或備有）站內當地監控，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(guò)程層諸設備的在線(xiàn)維護、在線(xiàn)組態(tài)，在線(xiàn)修改參數的功能；（7）具有（或備有）變電站故障自動(dòng)分析和操作培訓功能。

　　3、數字化變電站自動(dòng)化系統中的網(wǎng)絡(luò )選型

　　網(wǎng)絡(luò )系統是數字化變電站自動(dòng)化系統的命脈，它的可靠性與信息傳輸的快速性決定了系統的可用性。常規變電站自動(dòng)化系統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(gè)CPU控制下進(jìn)行的，使得同步采樣、A/D轉換，運算、輸出控制命令整個(gè)流程快速，簡(jiǎn)捷，而全數字化的系統中信息的采樣、保護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命令的快速輸出是一個(gè)復雜問(wèn)題，其最基本的條件是網(wǎng)絡(luò )的適應性，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。

　　如果采用通常的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可能不能勝任數字化變電站自動(dòng)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(dòng)化過(guò)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，數字化變電站自動(dòng)化系統的兩級網(wǎng)絡(luò )全部采用100MHz以太網(wǎng)技術(shù)是可行的。

　　4、數字化變電站自動(dòng)化系統發(fā)展中的主要問(wèn)題

　　在三個(gè)層次中，數字化變電站自動(dòng)化系統的研究正在自下而上逐步發(fā)展。目前研究的主要內容集中在過(guò)程層方面，諸如智能化開(kāi)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(kāi)發(fā)。國外已有一定的成熟經(jīng)驗，國內的大專(zhuān)院校、科研院所以及有關(guān)廠(chǎng)家都投入了相當的人力進(jìn)行開(kāi)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(lái)，目前主要存在的問(wèn)題是：（1）研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中專(zhuān)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(gè)專(zhuān)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。

　　5、結束語(yǔ)

　　本文論述了數字化變電站綜合自動(dòng)化系統的特征、結構及其發(fā)展。數字化變電站自動(dòng)化是一個(gè)系統工程，要實(shí)現全部數字化變電站自動(dòng)化的功能，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要攻關(guān)解決，作者相信在不太運的將來(lái)數字化的變電站自動(dòng)化系統，將有一個(gè)蓬勃的發(fā)展期。