傳統變電站自動化結構研究

張曉娟

（國網定西供電公司，甘肅 定西 743000）

近年來，隨著微電子技術、計算機技術和通信技術的發展，變電站自動化技術水平不斷提高。變電站自動化是將變電站的二次設備經過功能的組合和優化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信號處理技術，實現對全站的主要設備和輸、配電線路的自動監視、測量、控制和保護，以及與調度通信等綜合性的自動化功能。變電站自動化系統具有功能綜合化、結構微機化、操作監視屏幕化、運行管理智能化等顯著特點。從20世紀80年代起，國內外各大科研院所和電氣公司都相繼從事變電站自動化系統的研究工作。到目前為止，一些變電站自動化系統已經很成熟，并且在各種電壓等級的變電站中得到了廣泛應用。

變電站自動化系統的發展過程與集成電路技術、計算機技術、通信技術和網絡技術密切相關。隨著這些技術的不斷進步，變電站自動化系統的體系結構也不斷發生變化，其性能和功能以及可靠性等也不斷提高。從國內外變電站自動化系統的發展過程來看，其結構形式有集中式、分布集中式、分散與集中相結合和全分散式四種類型。其中，傳統變電站自動化，指采用集中式、分布集中式以及分散與集中相結合的結構形式的自動化技術。

1 集中式的結構形式

1.1 集中式結構的原理

集中式的變電站自動化系統，指采用不同檔次的計算機，擴展其外圍接口電路，集中采集變電站的模擬量、開關量和數字量等信息，集中進行計算與處理，分別完成微機監控、微機保護和一些自動控制功能。集中式結構也并非指由一臺計算機完成保護、監控等全部功能。多數集中式結構的微機保護、微機監控和與調度等通信的功能也是由不同的微機完成的，只是每臺計算機承擔的任務不同。例如監控機要負擔數據采集、數據處理、開關操作、人機聯系等多項任務，擔負微機保護的計算機，可能一臺微機要負責幾回低壓線路的保護等。

這種結構形式，主要出現在變電站自動化系統問世的初期。例如日本關西電子公司和三菱電氣公司研究的第一套綜合自動化系統SDCS-1 等。在日本的SDCS-1 系統中，只有8 個保護單元，負擔了3 臺主變壓器、4 回77kV 輸電線路和36 回6.6kV 的饋電線路保護和母線保護等功能。

我國國內早期也有一些類似的產品，如1987年清華大學研制的我國第一套綜合自動化系統、南京自動化研究院系統研究所的BJ-2 型、南京自動化設備廠的WBX-261 型、煙臺東方電子信息產業集團的基于WDF-10 的綜合自動化系統等均屬于集中式的結構形式。這一階段，以集中式結構形式為主導，如圖1 所示。

這種集中式的結構形式根據變電站的規模，配置相應容量的集中式保護裝置和監控主機及數據采集系統（也有的采用集中式的微機型RTU），它們安裝在變電站中央控制室內。主變壓器和各進出線及站內所有電器設備的運行狀態，通過電流、電壓互感器經電纜傳送到中央控制室的保護裝置和監控主機（或遠動裝置）。繼電保護動作信息往往是取自保護裝置的信號繼電器的輔助觸點，通過電纜送給監控主機（或遠動裝置）。

圖1 集中式結構的變電站自動化系統框圖

1.2 集中式結構的特點

集中式結構的變電站自動化系統的優點是：

（1）能實時采集變電站中各種模擬量、開關量，實現對變電站的數據采集和實時監控、制表、打印、事件順序記錄等功能。

（2）能完成對變電站主要設備和進、出線的保護任務。

（3）集中式結構緊湊、體積小，可大大減少占地面積。

（4）造價低，尤其是對35kV 等規模較小的變電站更為有利。

（5）實用性好。集中式結構的變電站自動化系統的缺點是：①每臺計算機的功能較集中，如果一臺計算機出故障，影響面大，因此必須采用雙機并聯運行的結構才能提高可靠性。②集中式結構，軟件復雜，修改工作量大，系統調試麻煩。③組態不靈活，對不同主接線或規模不同的變電站，軟、硬件都必須另行設計，工作量大，因此影響了批量生產，不利于推廣。④集中式保護與長期以來采用一對一的常規保護相比，不直觀，不符合運行和維護人員的習慣，調試和維護不方便，程序設計麻煩，只適合于保護算法比較簡單的情況。

變電站自動化系統的目標是實現變電站的小型化、無人化和高可靠性，由于集中式結構存在諸多不足，隨著微機技術的發展，變電站自動化系統的結構必須不斷變革。

2 分層分布式系統集中組屏的結構形式

2.1 分布集中式結構的原理

隨著計算機技術和通信技術的發展，特別是80年代后期單片機的性價比越來越高，給自動化系統的研究和開發工作注入了新的活力，使得研究人員有條件將微機保護單元和數據采集單元按一次回路進行設計。到了20世紀90年代，變電站自動化系統出現了多種不同的結構形式，但歸納起來，其實質屬于均分層分布式的多CPU 的體系結構。所謂分布式結構，是在結構上采用主從CPU 協同工作方式，各功能模塊（通常是各個從CPU）之間采用網絡技術或串行方式實現數據通信，多CPU 系統提高了處理并行多發事件的能力，解決了集中式結構中獨立CPU 計算處理的瓶頸問題，方便系統擴展和維護，局部故障不影響其他模塊（部件）正常運行。分層結構每一層完成不同的功能，每層由不同的設備或不同的子系統組成。

一般來說，整個變電站的一、二次設備可分為三層，即變電站層、單元層（或稱間隔層）和設備層。

設備層主要指變電站內的變壓器和斷路器、隔離開關及其輔助觸點，電流、電壓互感器等一次設備。單元層一般按斷路器間隔劃分、具有測量、控制部件或繼電保護部件。測量、控制部件負責該單元的測量、監視、斷路器的操作控制和聯鎖及事件順序記錄等；保護部件負責該單元線路或變壓器或電容器的保護、故障記錄等。因此，單元層本身是由各種不同的單元裝置組成，這些獨立的單元裝置直接通過局域網絡或串行總線與變電站層聯系；也可能設有數采管理機或保護管理機，分別管理各測量、監視單元和各保護單元，然后集中由數采管理機和保護管理機與變電站層通信。變電站層包括全站性的監控主機、遠動通信機等。變電站層設現場總線或局域網，供各主機之間和監控主機與單元層之間交換信息。

圖2 分布集中式結構的變電站自動化系統框圖

分層分布式系統集中組屏的結構是把整套綜合自動化系統按其不同的功能組裝成多個屏（或稱柜），例如：主變壓器保護屏（柜）、線路保護屏、數采屏、出口屏等。一般來說，這些屏都集中安裝在主控室中，簡稱為分布集中式結構，其系統結構框圖如圖2 所示。

2.2 分布集中式結構的特點

分層分布式集中組屏的變電站自動化系統具有以下特點：

（1）由于分層分布式結構配置，在功能上采用盡量下放原則，凡是可以在本間隔層就地完成的功能，絕不依賴通信網。這樣的系統結構與集中式系統比較，明顯優點是：可靠性高，任一部分設備有故障時，只影響局部；可擴展性和靈活性高。

（2）分布式系統為多CPU 工作方式，各裝置都有一定數據處理能力，從而大大減輕了主控制機的負擔。

（3）繼電保護相對獨立。繼電保護裝置是電力系統中對可靠性要求非常嚴格的設備，在綜合自動化系統中，繼電保護單元宜相對獨立，其功能不依賴于通信網絡或其他設備。各保護單元要有獨立的電源，保護的輸入應仍由電流互感器和電壓互感器通過電纜連接，輸出跳閘命令也要通過常規的控制電纜送至斷路器的跳閘線圈，保護的啟動、測量和邏輯功能獨立實現，不依賴通信網絡交換信息。保護裝置通過通信網絡與保護管理機傳輸的只是動作信息或記錄數據。為了無人值班的需要，也可通過通信接口實現遠方讀取和修改保護定值。

（4）具有與系統控制中心通信功能。綜合自動化系統本身具有對模擬量、開關量、電能脈沖量進行數據采集和處理的功能，也具有收集繼電保護動作信息、事件順序記錄等功能，因此不必另設獨立的RTU 裝置，不必為調度中心單獨采集信息，而將綜合自動化系統采集的信息直接傳送給調度中心，同時也接受調度中心下達的控制、操作命令和在線修改保護定值命令。

（5）模塊化結構，可靠性高。由于各功能模塊都由獨立的電源供電，輸入/輸出回路都相互獨立。任何一個模塊故障，只影響局部功能，不影響全局，而且由于各功能模塊基本上是面向對象設計的，因而軟件結構相對集中式的簡單，調試方便，也便于擴充。

（6）室內工作環境好，管理維護方便。分級分布式集中組屏結構的全部屏（柜）安放在室內，工作環境較好，電磁干擾相對開關柜附近較弱，而且管理和維護方便。

分層分布式集中組屏結構的主要缺點是安裝時需要的控制電纜相對較多，增加了電纜投資。

2.3 分布集中式結構的應用實例

目前生產這種結構形式的廠家和產品也比較多。如DISA-3 型分布式變電站綜合自動化系統，RSJ-2200 型分布式變電站綜合自動化系統，FZY-JB 型變電站綜合自動化系統等。

例如浙江金華的500kV 雙龍變電站，其結構形式如圖3 所示。

圖3 雙龍變電站自動化系統結構圖

該系統就地的狀態信號、告警信號和交流量輸入各間隔的輸入/輸出單元，經串行通信送到本小室的主單元（部分信號直接接入主單元），通過規約轉換器送到站級以太網，經主機數據處理后，在人機工作站上顯示有關信息，部分信息經主備通信機送三級調度；微機型保護有關信息經保護管理機送到站級系統；采用相對獨立的硬件完成電氣聯鎖。系統主要存在以下不足：

（1）信息上送的轉換環節較多，一定程度上影響了信息上送的實時性；

（2）鑒于當時的技術水平，同期裝置和開關操作聯鎖系統均為獨立的裝置，系統采用的設備較多，價格較高；

（3）未采用分散數據庫；

（4）間隔層輸入/輸出單元的信號輸入點數比較少，不少信號只能接入主單元；

（5）站級計算機系統過于復雜。

3 分布分散式與集中相結合的結構形式

3.1 分散與集中相結合結構的原理

雖然分布集中式的結構具備分層分布式、模塊化結構的優點，但因為采用集中組屏結構，因此需要較多的電纜。隨著單片機技術和通信技術的發展，特別是現場總線和局部網絡技術的應用，以及變電站綜合自動化技術的不斷提高，有條件考慮全微機化的變電站二次系統的優化設計問題。一種發展的趨勢是，以每個電網元件（例如：一條出線、一臺變壓器、一組電容器等）為對象，集測量、保護、控制為一體，設計在同一機箱中。對于6～35kV 的配電線路、可以將這個一體化的保護、測量、控制單元分散安裝在各個開關柜中，然后由監控主機通過光纖或電纜網絡，對它們進行管理和交換信息，這就是分散式的結構。至于高壓線路保護裝置和變壓器保護裝置，仍可采用集中組屏安裝在控制室內。這種將配電線路的保護和測控單元分散安裝在開關柜內，而高壓線路保護和主變壓器保護裝置等采用集中組屏的系統結構，稱為分布和集中相結合的結構，其框圖如圖4 所示，這是當前變電站自動化系統的主要結構形式。

圖4 分布與集中相結合結構的變電站自動化系統框圖

3.2 分散與集中相結合結構的特點

分布分散式與集中相結合的變電站自動化系統有如下特點：

（1）10～35kV 饋線保護采用分散式結構，就地安裝，節約控制電纜，通過現場總線與保護管理機交換信息。

（2）高壓線路保護和變壓器保護采用集中組屏結構，保護屏安裝在控制室或保護室中，同樣通過現場總線與保護管理機通信，使這些重要的保護裝置處于比較好的工作環境，對可靠性較為有利。

（3）其他自動裝置中，備用電源自投控制裝置和電壓、無功綜合控制裝置采用集中組屏結構，安裝于控制室或保護室中，檢修方便。

4 結語

變電站自動化系統的應用全面提高了變電站的運行和管理水平，但其仍然存在不足之處。電網互聯以后，實時監視并快速控制聯絡線的功率變得更為迫切，對與聯絡線較為緊密的變電站來說，保護和控制的性能及可靠性指標要求更嚴格；電力市場環境下，電網潮流變化加劇，FACTS 技術的使用加劇了運行狀態的多變性，這種情況下對變電站的監視、控制和保護提出了新的要求。

為滿足上述要求，從變電站自動化系統的結構上來看，全分散式的結構一定是今后發展的方向，糾其原因，主要是由于新設備、新技術的進展如電一光傳感器和光纖通信技術的發展，使得原來只能集中組屏的高壓線路保護裝置和主變壓器保護也可以考慮安裝于高壓場附近，并利用日益發展的光纖技術和局域網技術，將這些分散在各開關柜的保護和集成功能模塊聯系起來，構成一個全分散化的綜合自動化系統，為變電站實現高水平、高可靠性和低造價的無人值班創造更有利的技術條件。

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