0 前言
最近幾年,，我國變電站自動化工作取得了實質(zhì)性的進(jìn)展，并已成為變電站電氣設(shè)計中不可缺少的一項,，是保證電網(wǎng)安全可靠運行的一個重要手段,。當(dāng)前變電站自動化的技術(shù)特點是新老交替、新老結(jié)合,、新老并存,。既有以常規(guī)遠(yuǎn)動裝置為核心派生的老站改造模式，又有局部或完全分散的新站設(shè)計模式,，更有保護(hù),、監(jiān)控、儀表,、錄波,、防誤操作等功能合一的一體化解決方案,。運行管理,、設(shè)計基建、科研制造等不同部門在對變電站自動化的意義和重要性的認(rèn)識上已基本達(dá)成共識,。
電業(yè)部門(包括大型工礦企業(yè)的自備供用電系統(tǒng))為保證電網(wǎng)安全運行,，將投入大量資金和人力物力，而科研制造廠商為順應(yīng)市場發(fā)展需要,，更是投入大量開發(fā)經(jīng)費,，研制新產(chǎn)品。現(xiàn)在全國省,、市,、縣各級電業(yè)部門一般都設(shè)置了變電站改造項目的專用款項，保證了資金的來源。規(guī)劃設(shè)計部門經(jīng)過土建,、占地面積,、運行維護(hù)、設(shè)備布置等多方面的方案優(yōu)化后也明確了變電站自動化的工程概算,。國家計劃在幾年內(nèi)投入二千多億巨資進(jìn)行城網(wǎng),、農(nóng)網(wǎng)改造，其中相當(dāng)部分的資金將投向數(shù)以萬計的變電站改造及新建項目,。為此,，為更快更好地實現(xiàn)更高層次的變電站自動化，有必要認(rèn)真總結(jié)其發(fā)展現(xiàn)狀,，探討今后的發(fā)展方向,，以便更有效地使用人力、物力和資金,，避免時間和資金的浪費,，爭取在較短的時間內(nèi)縮小與世界先進(jìn)水平的差距。
1 發(fā)展現(xiàn)狀
從變電站自動化的發(fā)展進(jìn)程來看可分為3個階段,，第1階段由集中配屏以裝置為核心的方式向分散下放到開關(guān)柜以系統(tǒng)為核心的方式發(fā)展,；第2階段由單一功能，相互獨立向多功能,，一體化過渡,；第3階段將由傳統(tǒng)的一次、二次設(shè)備相對分立向相互融合方向發(fā)展,，這一點在35kV及10kV的配電系統(tǒng)中更為明顯,。
1．1 500kV、330kV超高壓變電站
此類變電站數(shù)量較少,，但在電網(wǎng)中的重要性是不言而喻的,。因此其自動化工作極為慎重，對老站改造通常傾向于采用傳統(tǒng)的遠(yuǎn)動裝置(RTU)加上位機(jī) (即當(dāng)?shù)毓δ?來構(gòu)成系統(tǒng),，通常采用原裝進(jìn)口設(shè)備或進(jìn)口大散件國內(nèi)組屏的方式,；對新建站則傾向采用全分散式模式如LSA 678，D 25及DISA,，BJ,，CSC 2000等。
1．2 220kV,、110kV樞紐站
此類變電站數(shù)量較多,，全國約有1 000多座，且部分實現(xiàn)了自動化,。除老站改造外,，新建站有集中配屏,，局部分散和全分散3種模式。由于多為有人值班,，對上位機(jī)(當(dāng)?shù)毓δ?的功能要求較高,，系統(tǒng)已從具有單一的監(jiān)控功能擴(kuò)展到具有保護(hù)、儀表,、信號及防誤操作,、故障錄波、模擬培訓(xùn),、操作票管理,、電壓無功控制、事故恢復(fù)供電,、經(jīng)濟(jì)運行,、設(shè)備管理等功能。老站改造項目越來越少,，今后的重點將放在新建站上,。
1．3 110kV受控站、終端站及35kV站
此類變電站數(shù)量多達(dá)1萬多座,，由于受資金人力所限,，實現(xiàn)自動化的比例較低，但卻是無人值班 (守)站的主要市場,。眾所周知,，變電站自動化和無人值班是2個不同的概念，不能等同但又有聯(lián)系,，無人值班必須以變電站自動化為基礎(chǔ),，才能對操作、故障及突發(fā)事故應(yīng)付自如,。今后將有更多的站向無人值班方式過渡,。因此上位機(jī)功能逐漸淡化，模擬屏,、光字牌,、中央信號、常規(guī)表計等均可取消,，代之以對間隔(Bay)級的電氣設(shè)備提出更高的可靠性,、可操作性要求,，并逐步采用遙視警戒技術(shù),，為無人值守創(chuàng)造條件。目前,，尚有大批老站要改造,，隨著城網(wǎng),、農(nóng)網(wǎng)改造的實施，更大批量的新站要建,，這是變電站自動化繼續(xù)深化發(fā)展的重點,。
1．4 10kV及以下變電站
這類變電站通常包括配電站和開閉所，實現(xiàn)自動化的比例很小,，在大部分地區(qū)還是一片空白,，但其數(shù)量卻是最大的，分布也是最廣的,。其特點是一般不考慮上位機(jī)功能,，按無人值班設(shè)計，一次,、二次設(shè)備已無明顯界限,，例上海浦東金藤開發(fā)區(qū)采用的 Schneider公司制造的10kV環(huán)網(wǎng)柜，就是集負(fù)荷開關(guān),、限流熔斷器／斷路器及饋線終端裝置(FFU)于一體的應(yīng)用實例,。10kV配電站的設(shè)計制造和現(xiàn)場維護(hù)人員的專業(yè)分工已不大明顯，最適合采用面向?qū)ο?/a>(間隔)的保護(hù),、監(jiān)控功能合一的一體化設(shè)計,。
2 新技術(shù)應(yīng)用
2．1 面向?qū)ο蟮囊惑w化設(shè)計
保護(hù)、監(jiān)控合一(又稱二合一),，保護(hù),、控制、測量,、信號合一(又稱四合一)實際上都是指的一體化設(shè)計,。目前國內(nèi)科研院校，制造廠商如南瑞,、四方,、清華紫光、南自及東方電子,、許繼,、阿繼等經(jīng)過多年的開發(fā)已形成了技術(shù)成熟，運行可靠的系列化產(chǎn)品(例 DISA,、BJ,、CSC 900、CSC 2000,、DCAD 3200及FDK等),，并取得了寶貴的運行經(jīng)驗，得到了廣大用戶的肯定,。特別是微機(jī)保護(hù),、監(jiān)控,、防誤操作、故障錄波,、小電流接地選線等功能的不斷完善,，為一體化設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)，同時,，在激烈的市場競爭中許多商家也深感唯有一體化的設(shè)計才能大幅度降低成本,，提高性能價格比，增強(qiáng)競爭力,，保持并擴(kuò)大市場份額,。ABB、Merlin Gerin,、GE,、SIEMENS等外國公司早在幾年前就已推出一體化設(shè)計的產(chǎn)品，國內(nèi)如四方,、南瑞,、南自等公司亦已先后推出一體化產(chǎn)品，并取得了成功,。
2．1．1 雙CPU插件
以美國GE公司的DDS系列產(chǎn)品為例,，其特點是保護(hù)功能模件與監(jiān)控功能模件均采用16位微處理器且具有相同的標(biāo)準(zhǔn)硬件結(jié)構(gòu)，依靠EPROM中的固化軟件來完成不同功能,。如DDS系列中的 DMS有3個獨立的CPU,，分別管理保護(hù)、控制和通信,，這樣做可增強(qiáng)CPU的處理能力,，避免CPU負(fù)擔(dān)過重，故可靠性并未降低,。DMS還可提供雙重電源,，互為熱備用。每個DMS最多可控制7個一次設(shè)備,，可滿足各種復(fù)雜接線和聯(lián)鎖的要求,。此外，DMS還可提供圖形LCD,，可實時顯示本間隔各設(shè)備的狀態(tài),、測量值和報警信息，并對選中設(shè)備進(jìn)行操作,。 DMS采用標(biāo)準(zhǔn)硬件結(jié)構(gòu),，類似PLC的模塊化設(shè)計，配置靈活,，減少了備品備件,，特別要指出的是間隔內(nèi)的聯(lián)鎖均可在本間隔的控制器(如DMS或微機(jī)保護(hù))中編程完成，因此,，即使通信中斷也不會影響保護(hù)和當(dāng)?shù)乜刂乒δ艿膶崿F(xiàn),。DMS模件與典型間隔的聯(lián)接如圖1所示。
國內(nèi)類似產(chǎn)品有CSC 900系列等,。CSC 900縱向分為2層：站級層和間隔層(見圖2),，各單元內(nèi)保護(hù)和監(jiān)控相互獨立，各間隔單元相互獨立,，僅通過站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)(CANnet)互聯(lián),，并同站級層通信。由于各單元同時具有獨立的保護(hù)和監(jiān)控功能模塊,，使變電站的二次回路布線大為減少,，單元之間和層與層之間均采用現(xiàn)場總線(Field Bus)如CANnet網(wǎng)互聯(lián)，屏柜數(shù)量大為減少,，此外常規(guī)的儀表屏,，中央信號控制屏，模擬屏及變送器屏均可取消,。而在相應(yīng)的單元裝置上加上相應(yīng)的操作開關(guān)和開關(guān)位置指示燈,，作為開關(guān)的后備／應(yīng)急操作和監(jiān)視。
2．1,，2 單CPU插件
每個單元中配一個CPU模件作為應(yīng)用處理器,，在保證完成保護(hù)功能的前提下，同時兼顧監(jiān)控,、通信


等功能,。此類產(chǎn)品有CSC 2000系列等。其特點是對 220kV及以上系統(tǒng),，保護(hù)與監(jiān)控獨立配置,。對10 kV的間隔層元件可將保護(hù)、測量和控制通過一個裝置來實現(xiàn),，同一間隔內(nèi)同一測量目的的裝置不再重復(fù)設(shè)置,。
CSC 2000可在控制室集中組屏，也適用于間隔層設(shè)備分散在開關(guān)場保護(hù)小間或開關(guān)場柜,。開關(guān)柜布置以間隔為單位,，保護(hù)、測量和控制裝置統(tǒng)—組屏設(shè)計,，更能體現(xiàn)分布式特點并發(fā)揮其一體化設(shè)計優(yōu)勢,。CSC 2000通信網(wǎng)絡(luò)采用Lonworks現(xiàn)場總線為基本測控網(wǎng)絡(luò)，站級工作站之間采用以太網(wǎng)聯(lián)接,，便于工作站的監(jiān)視和功能分配等,。對于110kV站,，建議采用單Lon網(wǎng)；對于220kV站建議采用雙Lon網(wǎng)加上—個故障錄波專用網(wǎng),； 對于 500kV站,，建議采用間隔層測控裝置直接通過以太網(wǎng)與站級主站聯(lián)接方案(見圖3)。


2．2 采用SPDnet網(wǎng)通信
變電站足電網(wǎng)的信息源,，也是電網(wǎng)的主要監(jiān)控點之—,，從網(wǎng)絡(luò)概念出發(fā)，變電站就是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點,，因此隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展,，變電站自動化系統(tǒng)與國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng) SPDnet(Stale Powel Data network)的通信也提到了議事日程。
傳統(tǒng)的遠(yuǎn)動信息傳輸是采用串行接口(RS-232C或RS-422)加調(diào)制解調(diào)器(MODEM)方式,，速率為0．6-1．2 kbit／s,。隨著電力通信網(wǎng)從電力載波、模擬微波到數(shù)字微波,、光纖通道的發(fā)展,，這種在高速(64kbit／s)數(shù)字信道上傳輸?shù)退倌M信號的方式，不僅是對通道帶寬資源的浪費,，而且數(shù)字-模擬-數(shù)字的二重轉(zhuǎn)換既造成技術(shù)的不合理,，又增加了設(shè)備費用，降低了傳輸可靠性,。
國外在80年代未期開始變電站RTU上網(wǎng)的研究,，并已得到應(yīng)用，我國在1997年因全國聯(lián)網(wǎng)工程的開展也開始了RTU上網(wǎng)的嘗試,。RTU上網(wǎng)可根據(jù)其受控主站前臂系統(tǒng)(FE)和RTU的結(jié)構(gòu)及通信規(guī)約,，采用以下2種模式。
2．2．1 PAD模式
PAD是分組交換網(wǎng)中的一種終端接口設(shè)備,，支持異步方式遠(yuǎn)動通信規(guī)約,。該模式通過SPDnet建立一條透明的邏輯通道，RTU和FE不需作任何改動,，仍采用串行接口和原有的通信規(guī)約．按就近入網(wǎng)方式接入SPDnet節(jié)點,，如圖4所示；優(yōu)點是原有硬件設(shè)備和通信規(guī)約不變,，缺點是主站與廠站仍是一對—方式通信,，該模式適用于老站改造項目。
2．2．2 TCP／IP模式
由：于Internet網(wǎng)的快速發(fā)展,，TCP／IP協(xié)議得到了廣泛應(yīng)用,，已成為一種事實標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有的計算機(jī)廠商和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品都將其作為基本協(xié)議。最近興起的廣域網(wǎng)IP技術(shù)更是為WAN的交換提供了快捷的解決途徑,。因此,，變電站自動化系統(tǒng)(RTU)上網(wǎng)采用TCP／IP技術(shù)是順應(yīng)當(dāng)今計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展潮流的明智選擇。
該模式要求變電站自動化系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸

層支持TCP／IP協(xié)議,，在應(yīng)用層支持遠(yuǎn)動通信協(xié)議 IEC60870-5-104或計算機(jī)數(shù)據(jù)通信協(xié)議IEC60870- 6TASE．2(ICCP)協(xié)議,，該模式適用于新建站的分布式自動化系統(tǒng)，如圖5所示,。目前國外的知名廠商如Harris,、CAE,、ABB和SIEMENS等均有支持 TCP/IP技術(shù)的新一代產(chǎn)品面世,，國內(nèi)的廠商亦在積極開展這方面的探索和試制工作。
對于大部分已投運的廠站,，可采用在RTU上加裝TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換器的方式接入SPDnet,，這樣原有的通信規(guī)約和RTU的結(jié)構(gòu)可保持不變。該模式要求各主站端的前置機(jī)系統(tǒng)支持上述網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和協(xié)議,，從而使各相關(guān)主站可以共享廠站的實時信息,，從根本上解決困擾遠(yuǎn)動領(lǐng)域多年的信息轉(zhuǎn)發(fā)和一發(fā)多收問題。
變電站自動化系統(tǒng)接入SPDnet的設(shè)備可選用 2Mbit／s帶寬,，支持ATM／IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,。國內(nèi)目前已建和將建的電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)其交換節(jié)點之間的中繼路由，基于微波電路的帶寬為2M~nx2Mbit／ s,，基于光纖電路的帶寬可達(dá)155,、622 Mbit／s甚至 2．5 Gbit／s，完全可滿足遠(yuǎn)動信息傳輸?shù)膶崟r性要求,。而數(shù)據(jù)網(wǎng)所具有的路由自動選擇功能,，亦大大提高了傳輸可靠性。據(jù)國內(nèi)某500kV站基于64 kbit／s帶寬,，傳輸距離長達(dá)1 000多km RTU上網(wǎng)測試結(jié)果表明,，遙信傳輸為1．363s，遙測為1．556s,，遙控為0．7 s,，均比傳統(tǒng)遠(yuǎn)動傳輸方式時間短。
綜上所述,，采用TCP／IP+IEC60870-104或TASE．2模式是今后變電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展方向,，對老站改造可采用PAD或 TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換器方式，來解決數(shù)據(jù)網(wǎng)建成后遠(yuǎn)動信息的接入,。
我國現(xiàn)行的調(diào)度管理體制是按電壓等級而不是按地域分布來劃分其管轄范圍的,，因此許多變電站的RTU需具有一發(fā)多收的功能，其中超高壓站還需配備主、備通道,。據(jù)統(tǒng)計,，一座超高壓站用于自動化的專用通道可多達(dá)6-7條，且都按變電站直接聯(lián)到主站的方式設(shè)計,，占用了大量的信道資源,。RTU上網(wǎng)將從根本上改變傳統(tǒng)的遠(yuǎn)動傳輸模式，使一個廠站既可接受多個調(diào)度主站的監(jiān)控又可使多個調(diào)度主站共享同一廠站的實時信息,，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益,。更重要的是徹底消除了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)造成的時延，從而保證了電網(wǎng)EMS應(yīng)用軟件實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的同時性和一致性,。


3 結(jié)淪
(1)變電站自動化的實施正在促使變電站的管理結(jié)構(gòu)和規(guī)劃設(shè)計發(fā)生深刻的變化,。無人值班方式必將逐步取代有人值班方式，并有從中,、低壓站向高壓,、超高壓站延伸，從城市站向郊外站發(fā)展的趨勢．建議對新建站優(yōu)先采用面向?qū)ο蟮囊惑w化設(shè)計,，按無人值班方式設(shè)計,，一步到位，避免二次建設(shè),。(2)變電站自動化選用標(biāo)準(zhǔn)通用的軟,、硬件環(huán)境和開放式結(jié)構(gòu)是大勢所趨，也是推廣普及的關(guān)鍵所在,，建議制造廠商優(yōu)先采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的軟,、硬件技術(shù)和通信協(xié)議，以便為國產(chǎn)設(shè)備進(jìn)入國際市場創(chuàng)造條件,。(3)變電站自動化系統(tǒng)直接上以太網(wǎng)可使主站端取消傳統(tǒng)的前置系統(tǒng),，實現(xiàn)真正意義上的一發(fā)多收，資源共享,，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對傳統(tǒng)遠(yuǎn)動模式的一次革命,，必將成為今后的發(fā)展方向。(4)從事變電站自動化工作的規(guī)劃設(shè)計,、開發(fā)制造,、管理維護(hù)人員，將由單一專業(yè),、分工精細(xì)逐步向一專多能,、專業(yè)淡化方向過渡，現(xiàn)有的運行規(guī)程,、管理法規(guī)等急需修訂,，現(xiàn)有的管理體制急需改革,，以適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展需要。