变电站自动化技术的发展概述

张　静

摘 要：回顾了我国变电站自动化技术发展的过程，分析了国内变电站自动化系统现状和发展趋势，强调了数字化变电站的发展。

关键词：变电站自动化；发展

1 引言

“变电站自动化系统”这一名词，国际电工委员会解释为“在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化系统”。在国内，我们所说的变电站自动化系统，包含传统的自动化监控系统，继电保护、自动装置等设备，是集保护、测量、控制、远传等功能为一体，通过数字通信及网络技术来实现信息共享的一套微机化的二次设备及系统。

自20世纪90年代以来，变电站自动化技术一直是我国电力行业的热点技术之一。每年都有千百座新建变电站投入电网运行，新建变电站基本上都采用了自动化系统模式，同时每年还有许多老变电站的技术改造，也基本上以自动化系统模式为主。

在已采用自动化技术的变电站中，早期采用较多的国外产品有：如ABB、SIEMENS、GE等公司的产品。但随着国内厂家的产品技术含量、工艺水平的提高，国产产品可靠性得到了极大的提高。目前，国产产品厂家主要有：南瑞集团、北京四方、许继电气、国电南自等。

2 变电站自动化技术现状

2.1 我国变电站自动化发展阶段

变电站二次部分传统按功能分为四大类产品：继电保护、故障录波、当地监控和远动。按系统模式出现顺序可将变电站自动化发展分为三个阶段：

第一阶段：面向功能设计的集中式RTU加常规保护模式。80年代及以前，是以RTU为基础的远动装置及当地监控为代表。该类系统实际上是在常规的继电保护及二次接线的基础上增设RTU装置，功能主要为与远方调度通信实现 “四遥”(遥测、遥信、遥控、遥调)；与继电保护及安全自动装置的联结通过硬接点接入或串行口通信较多。此类系统称为集中RTU模式，目前在一些老站改造中仍有少量使用，此阶段为自动化的初级阶段。

第二阶段：面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式。

第二阶段始于90年代初期，单元式微机保护及按功能设计的分散式微机测控装置得以广泛应用，保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到后台或调度端计算机。特点是继电保护(包括安全自动装置)按功能划分的测控装置独立运行，应用了现场总线和网络技术，通过数据通信进行信息交换。此系统电缆互联仍较多，扩展性功能不强。

第三阶段：面向间隔、面向对象设计的分层分布式结构模式。

第三阶段始于90年代中期，随着计算机技术、网络及通信技术的飞速发展，采用按间隔为对象设计保护测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成真正意义上的分层分布式自动化系统。目前国内外主流厂家均采用了此类结构模式。

2.2 分层分布式技术成为潮流

若按变电站自动化系统二次设备分布现状可纵向分为三层：变电站层、网络层、间隔层；也有厂家或学者将网络层归入变电站层进行描述，即纵向分为变电站层、间隔层两层。

变电站层横向按功能分布为当地监控、保护信息管理及远方通信。变电站层功能分布的形式取决于网络层的结构、变电站电压等级以及用户的实际需求。

当地监控功能作为当地运行人员的人机交互窗口，以图形显示、报表打印、语音报警等各种方式实现当地的“四遥”。通过“五防”系统联锁控制开关的分合， 按VQC原理调节变压器档位或投切电容器组。

保护信息管理功能作为当地继保人员的人机交互窗口，也可以图形显示、报表打印、语音报警等各种方式对继电保护及安全自动装置的运行状况以及故障发生后通过故障录波及保护动作信息进行故障分析和诊断。

远方通信功能是将当地监控和保护信息管理功能通过通信在远方实现，是变电站实现无人值班的前提条件。远方监控和保护信息管理功能同样可以各自独立即通过不同的通道和规约分别接至调度中心和保护信息管理主站，也可以合二为一即通过同一通道接至远方主站。

网络层完成信息传递和系统对时等功能。通过信息交换，实现信息共享，减化变电站的设备配置，从整体上提高变电站自动化系统的安全性和经济性。目前国内外产品流行两种网络层结构：即双层网和单层网结构。

现场总线具有使用方便、简单、经济的特点，以太网具有网络标准、开放性好、高速率、传输容量大的特点。但目前由于以太网在性能和应用特点上仍不能完全替代现场总线，面向实时控制的工业以太网技术及标准正处于研究和制定过程中，所以现场总线将会和以太网并存相当长时间。

间隔层主要是继保、监控设备层。可集中组屏也可分布在各继电保护小间内或安装在开关柜上。继保、监控既可以各自独立也可以合二为一。它对相关一次设备进行保护、测量和控制，响应就地层、变电站层、远方主站的操作要求，对采集的信息进行处理上传，并在变电站层、远方主站控制失效的情况下仍能完成保护、测量和控制功能。

三层之间的关系。变电站层、网络层、间隔层既相互独立又相互联系。变电站层功能的实现依赖于网络层和间隔层的完好性；但是间隔层功能的实现，特别是继电保护及安全自动装置的功能的实现决不能依赖于网络层和变电站层；远方主站监控功能的实现应不依赖于变电站层设备。

2.3 运行管理模式与变电站综合自动化

保护和远动专业管理模式对变电站综合自动化技术发展的影响。由于变电站综合自动化系统源于传统的“四遥”，并在微机保护、远动基础上发展起来的，保护和远动分属不同的部门和专业，运行管理是分开的，随着变电站自动化技术的发展，特别是近阶段，在中低压站已经采用保护和测控合一的综合装置， 许多厂家在研制高压和超高压站的装置时，已经考虑将保护、测控、故障录波等功能综合在一个装置内。

无人值班的运行管理模式与变电站自动化技术的关系。目前已实现无人值班的变电站，并不都是采用所谓的综合自动化系统。但是应该看到，自动化技术的发展，为无人值班或少人值班变电站提供了更先进的技术支持，使变电站设计更加合理，布局紧凑，运行更加可靠，更利于无人值班的管理。

2.4 继电保护技术的发展

谈到变电站自动化，必须关注继电保护技术的发展，关注保护与监控当前及今后在自动化技术发展中的相互融合关系。

继电保护技术的发展史。从90年代初至今，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的深入研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。微机保护已成为电力系统保护、监控、通信、调度自动化系统的重要组成部分。

由于通信通道技术的限制，早期的全线速动纵联保护主要由专用闭锁式或允许式纵联方向保护和纵联距离保护构成。随着通信技术的发展，分相式光纤电流纵联差动保护由于原理简单可靠而广泛应用。主设备保护方面，与线路微机保护相比，虽然起步较晚，经过多年的研究已克服了早期的元件微机型保护可靠性不高，灵敏度低，动作速度慢，TA饱和影响较大等缺点。

3 变电站自动化技术发展趋势

随着集成电路和计算机技术的飞速发展，各种新型的大规模集成电路将会进一步应用在继电保护和测控装置上，如32位CPU、数字信号处理芯片DSP、高速数据采集系统、嵌入式实时操作系统、大容量Flash、可编程逻辑器件CPLD、FPGA等。这些新器件的应用将使保护和测控装置的电路板更加小型集成化，装置通信、数据存储及处理能力更强。将间隔的控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能，通过模块化设计集成在一个统一的多功能数字装置内是可行的，间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信可统一用一层网即光纤以太网来实现。高集成化系统的发展，无疑能降低成本，提高系统可靠性，有利于实现统一的运行管理。目前在许多中低压站已实现。

4 总结

总之，变电站自动化技术是伴随着现代科技技术发展，尤其是网络技术、计算机软、硬件技术及超大规模集成电路技术的发展而不断进步，自动化系统以按对象设计的全分层分布式为潮流，朝着二次设备功能集成化，一次设备智能数字化方向发展；运行管理朝着各专业协调统一和站内无人值班模式发展。同时经济性和可靠性也是变电站自动化技术发展所要考虑的实际问题。电能质量监测管理，一次设备的在线监测，网络安全技术，数字式视频图像监控技术以及这些技术如何融入变电站自动化系统，都是变电站自动化技术发展所要研究的课题。