有关无人值守变电站自动化系统设计的研究

陈孟斌

摘要：本文介绍了城市电网和农村电网建设改造项目已全面铺开，在现代电力系统的各种技术发展十分迅速的情况下，建设高度可靠、有效可控的现代化无人职守变电站势在必行。

关键词：变电站自动化系统通信网络

1常规自动化系统

常规自动化系统是指采用常规远动方式，充分利用原有的二次设备，实现无人值守的模式。这种系统中保护和远动相对独立，结构简单，便于远动和维护，节省资金。主要适用于城农网改造中老旧变电站的无人值守改造。常规的有人职守变电站改造为无人值守变电站，需对传统的常规变电站二次系统在设计上作如下改进：①取消中央信号系统。②取消控制屏，在开关柜和保护屏上只保留控制开关及红绿灯，并增加当地、远方切换开关。⑨取消当地测量仪表。④取消光子牌，把各种预告、事故信号通过RTU上传，送往调度中心。⑤保护装置的运作信号和本身状态信号通过无源触点接入RTU，以供遥信用。⑥所有断路器、主变压器分接头均可在就地和遥控两种状态下进行控制。⑦新设远动设备，如RTU屏等。这种变电站自动化系统的缺点是系统不具备自诊断能力，对二次系统本身的故障无法检测。

2变电站综合自动化系统

变电站综合自动化是将变电站的二次设备(包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等)经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站综合自动化系统，即利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统代替了常规的测量和监视仪表，代替常规的控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。通过变电站各种设备间相互交换信息，数据共享，实现对变电站运行进行自动监视、管理、协调和控制，提高了变电站保护和控制性能，使变电站运行更为可靠，改善和提高了电网的控制水平。同时也使变电站设计合理、布局紧凑、运行更加安全可靠。目前，国内外变电站自动化系统设计上大体可分为四种结构形式：集中式、分布集中式、集中与分散式相结合和分散式。

2.1集中式：集中式结构是将设备按其不同功能进行归类划分，形成若干个独立系统，各个系统分别采用集中装置来完成自身的功能。集中式结构一般由一个或两个CPU实现对整个变电站的保护、监视、测量、远动的集中控制。其优点是：构成较简单、主机控制系统集中、便于分配调度各种实时任务、响应速度快、节省投资；其缺点是：主机系统负荷繁重、主机单CPU可靠性不高。为了提高可靠性，一般采用双系统互为备用；软件复杂，修改工作量大，系统调试麻烦：组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须另行设计，工作量大；集中式保护与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直观，不符合运行和维护人员的习惯，调试和维护不方便，程序设计麻烦，只适合于保护算法比较简单的情况。

2.2分布集中式：将整个变电站的一、二次设备分为3层，即变电站层、单元层和设备层。变电站层称为2层，单元层为1层，设备层为0层。设备层主要指变电站内的变压器，断路器、隔离开关及其辅助接点，电流、电压互感器等一次设备。变电站综合自动化系统主要位于1层和2层。单元层一般按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部件。单元层本身是由各种不同的单元装置组成，这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联系；也可能设有数采管理机或保护管理机，分别管理各测量、监视单元和各保护单元，然后集中由数采管理机和保护管理机与变电站层通信。单元层本身实际上就是两级系统的结构。变电站层包括全站性的监控主机、远动通信机等。变电站层设现场总线或局域网，供各主机之间和监控主机和单元层之间交换信息。

2.3集中与分散结合式：随着单片机技术和通信技术的发展，特别是现场总线和局部网络技术的应用，一种发展趋势是按每个电网元件(如：一条出线，一台变压器、一组电容器等)为对象，集测量、保护、控制为一体，设计在同一机箱中。至于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍可采用集中组屏安装在主控室内。这种结构方式介于集中式与分散式两种结构之间，形式较多。目前国内应用较多的是分散式结构集中式组屏。

这种结构方式具有分散式结构的全部优点，由于采用了集中式组屏，有利于系统的设计、安装与维护管理。因而具有以下特点：①就地安装，节约控制电缆，通过现场总线与保护交换机交换信息。②高压线路保护和变压器保护采用集中组屏结构，保护屏安装在控制室或保护室内，同样通过现场总线与保护管理机通信，使这些重要的保护装置处于比较好的工作环境，对可靠性较为有利。③其他自动装置中，备用电源自投装置和电压、无功综合控制装置采用集中组屏结构，安装于控制室或保护室中。④电能计量。采用电能管理机采集各脉冲电表的脉冲量，计算出电能量，然后送给监控主机，再转发给控制中心：或采用带串行通信接口的智能型电能计量表，通过串行总线，由电能管理机将采集的各电能量送往监控机，再传送给控制中心。因为中低压变电站的一次设备比较集中，所以此种结构方式比较适用于中低压变电站。

2.4分散式：分散式结构是今后的发展方向。原因很显然，一方面是分级分散式的自动化系统，具有前面所述的突出优点，另一方面，随着电一光传感器和光纤通信技术的发展，为分散式的综合自动化系统的研制和应用提供了有力的技术支持。这种结构方式一般是按一次回路进行设计。首先将设备按一次安装单位划分成若干单元，将控制单元、微机保护单元、数据采集单元安装在户外高压断路器附近或户内开关柜内。然后将各分布单元用网络电缆互联，构成一个完整的分散式综合自动化系统。其优点是：各个功能单元上既有通信联系，又能相对独立，便于系统扩展和维护管理，当某一环节发生故障时，不至于相互影响；此外，它的抗电磁干扰性强、可靠性高，在二次系统设计上能最大限度地减少二次设备的占地面积并节省大量电缆及接线。

3变电站内通信网络

构建一个快速、稳定、可靠和富有弹性的站内通信网络是变电站自动化系统的基本要求，也是整个电力系统运行管理自动化的根本前提。在早期的变电站自动化系统中，由于当时技术条件的限制，广泛采用简单串行通信技术来实现通信网络。简单串行通信技术具有以下不足：(1)通信速率低、一般不超过9.6kbps。②在采用星型拓扑结构时，系统站点的功能的扩展困难。③若使用总线式拓扑结构，由于不能实现平衡传输，只能运行poling规约，传输速率和效率均不能令人满意，在大规模的变电站中情况更为严重。④不能在通信网中设置一个以上的主机，因而不能享有多主机技术带来的各种优越性能⑤由于性能低

下，要实现完整的功能，通信网的规模和复杂性令人生畏。

由于基于网络技术的现场总线无论在通信速率和实时性上，还是在可靠性和组网的灵活性上均远高于简单的串行通信技术，在很短时间内便成为变电站自动化系统的主流通信技术，同时也使变电站自动化系统的整体结构发生了本质的变化。现场总线是专为小数据量工业控制领域的通信设计的廉价网络，当作为变电站自动化的主干网时，总体性能随节点数的增长迅速下降。由于强调专用性而牺牲了通用性，长期缺乏统一的国际标准。在通信节点多，通信数据量大的变电站中，现场总线存在以下局限性：①当变电站通信节点超过一定数量后，响应速率迅速降低，不能适应大型变电站对通信的要求；②有限的带宽使录波等大量数据的传输延迟；③网络的任一点故障时均可能导致整个系统崩溃。

可见，变电站自动化通信，更需要带宽、通用性和符合国际标准的网络技术。在带宽、可扩展性、可靠性、经济性、通用性等方面的综合评估中，计算机网络技术必将成为变电站自动化系统中通信技术发展的趋势。局域网的典型特征是：①高数据传输速率，0.1～100Mbps；②短距离，0.1-25km；⑨非常低的误码率，达千万分之一以下。

常用的几种局域网络：TOKENRING令牌环；RCNET网络：ETHERNET(以太网)。后者采用总线型拓扑结构，同轴电缆为传输媒介，媒体访问方式为载波监听多路访问冲突检测方式，不支持带优先级的实时访问。这种网络有很多商业化的网络产品，具有以下优点：①可靠性高。由于采用总线型的网络拓扑结构，不象环形网那样中间任一节点失效便对全网造成危害，因而可靠性较高。②灵活性好。网上增减节点非常方便，任一节点的退出不会影响其他节点的正常通信。③传输速率高，可达10～100Mbps。④软硬件支持性好。硬件如Novell、3Corn公司的NE2000，3C503等。软件如Netware、Win-dowsNT、Windows95以上版本等均支持ETHERNET。因此，变电站综合自动化系统中的局域网宜采用ETHERNET网络。

4结语

无人职守变电站采用变电站自动化系统具有明显优越性；分层分布式综合自动化系统有利于系统扩展的方便性和灵活性；现场总线技术适合于城市电网和农村电网中新建的小型无人职守变电站：计算机网络技术是应推广的一种通信系统发展模式，特别适合于通信数据量大的变电站建设项目。