變電所自動化技術的發展研究

雷源華（陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西 榆陽 719013）

煤礦機電設備數量多、負荷大、運行環境復雜，對供電可靠性要求高，變電所是電能轉換、分配的樞紐，自動化水平關系到煤礦生產的安全，所以在煤礦電力系統中的地位和作用都非常重要[1]。常規變電所二次系統由繼電保護、就地監控、遠動裝置和錄波裝置等組成，存在著安全性與可靠性低、電能質量不穩定、控制能力差、故障維修量大等不足，對煤礦安全生產影響較大，所以近年來煤礦對變電所自動化技術不斷進行升級改造，井下變電所大都實現了無人值守。然而變電所自動化技術發展很快，現在已經開啟數字化時代，基于IEC61850標準體系的數字化變電站技術已進入實用化，因此本文對煤礦變電所自動化技術的發展進行了探討。

1.變電所自動化技術的發展歷程

1.1 早期的自動化技術

變電所自動化技術實際上很早就出現了，20世紀50年代后采用晶體管元件組成的模擬電路，應用古典控制理論，對受控對象進行PID調節和反饋校正，實現了閉環控制。主要控制功能包括自動重合閘、低頻減振、繼電保護和備用電源自投等。但是自動裝置之間缺少聯系、沒有自我診斷功能、體積大、運行不穩定等問題十分突出[2]。

1.2 綜合自動化技術

20世紀60年代后，控制理論有了很大發展，同時計算機技術和通信技術的發展，形成了協控、程控、集控等功能，遠動終端（RTU）也用于變電所控制中，從而提高了控制的精確性、速度和質量，但是集中控制的風險較大，可靠性也未得到根本改觀。70年代微處理器的誕生以及大規模集成電路的應用，監控功能增加，故障自我診斷能力也得到應用，并在測量精度、控制可靠性方面得到提高，但是系統內部仍然缺乏有效聯系，多數功能獨立運行，自動化孤島現象比較明顯。80-90年代后，計算機技術進一步發展，變電所自動化技術也得到較快發展，系統由集中式向分布式、分散式發展，現場總線、以太網、多CPU系統得到應用。隨著IEC61870-5標準的實施，信息整合、聯網和多系統聯合技術得到應用。

1.3 全面數字化技術

數字化變電所是基于IEC61850標準統一建模，并采用眾多智能技術，進行一體化設計的單一系統變電站，具有數據采集數字化、系統分層分布化、系統結構緊湊化、系統建模標準化、信息交互網絡化、信息應用集成化、設備檢修狀態化及設備操作智能化等鮮明的特征[3]，它在變電所建設、運行、維護和管理方面的獨特優勢，使其在變電所自動化技術上具有劃時代的意義。數字化變電所由站控層、間隔層和過程層構成。其中過程層應用了電子式互感器和智能開關設備，可實現對運行電氣量檢測、設備狀態檢測和控制命令執行等功能。間隔層配置測控裝置、保護裝置、安全自動裝置、電能計量裝置和故障錄波器等設備，實現實時數據匯總、一次設備保護控制、操作閉鎖等功能，由于網絡接口采用雙口全雙工方式，網絡通信可靠性得到保障。站控層由主機/操作員站、五防工作站、保護信息子站及遠動裝置等組成，具有數據更新及時、與電網調度中心聯系緊密、可在線編程操作閉鎖控制、站內監控、人機聯系以及對間隔層、過程層在線維護、在線組態、在線修改參數等功能。因此，數字化變電所代表了當前變電所自動化技術發展的最高水平和成就。

2.變電所自動化技術應用

2.1 工程概況

某煤礦電網擁有多座35kV變電站和數座6kV變電站，承擔著礦區內所有生產礦井及周邊地區供電任務。自上世紀90年代起，已陸續對部分變電所進行了自動化改造，并且嘗試了調度自動化技術。然而各變電站內網絡結構、傳輸規約、通信協議等各不相同，變電站的運行維護成本高，系統互聯及互操作性差，也對變電所繼續升級改造形成很大阻力。為此，需要進行較為徹底的改造，以從根本上改變目前的被動局面。如上所述，應用IEC 61850標準進行數字化改造可以較為完美解決這個問題。

2.2 改造目標與要求

根據工程具體情況，制定了“一次規劃、分段實施”和“電力調度一體化系統”的原則，主要內容包括變電站綜合自動化改造、五防系統建設、一體化傳輸網絡平臺建設等內容，并作出以下具體要求：變電站主接線運行可靠，操作、維護、檢修簡便；開關設備實現無油化；采用直流操作電源，并有可靠備用電源；遙測量、遙信量要全面、準確、可靠等。

2.3 實施方法

變電站總體架構將操作員接口、工程師接口、通用計算機接口、現場單元（1、2、…、n）、低級人機接口分別與通信網絡設備互聯，即將物理上分散配置的各計算機、現場單元通過通信網絡設備有機連接在一起，實現信息交互、資源共享，以便集中控制。

變電站綜合自動化模塊分為中心樞紐單元和現場單元兩部分，并分別與通用通信網絡和專用通信設備（通道控制機）相連，實現通信和控制功能。中心樞紐單元包括調度員接口（操作員接口）、維護人員接口（工程師接口）、通用微機接口、上級調度接口，這些設備安裝在變電站（所）值班室內，并通過站內以太網連接。現場單元包括數據采集與處理模塊、主變保護模塊、出線保護模塊、母線保護模塊、直流保護模塊、電容器保護模塊，這些設備分布于變電站現場。

采用一體化通信平臺作為各變電站、電力調度中心和用戶之間的高速數據網絡平臺，并采用光纖通道實現高可靠性的通信要求。除保留必要的緊急操作的手動分、合閘以外，其他全部監控、測量、報警等都由監控計算機完成。調度自動化平臺由前置系統、系統服務器和Web服務器等設備組屏而成。

改造后的數字化變電所具有分布式結構與集中設計相結合、系統結構簡單可靠、兼容性與可擴展性強的特點。

3.變電所自動化技術展望

雖然數字化技術較好地解決了變電所自動化過程中存在的眾多問題，但是仍未完全成熟，目前存在的不足有：（1）IEC 61850應用問題，如該標準基于歐美標準和習慣而制定，與我國目前使用的保護功能、方法等方面存在一些差異，在實際建模過程中受到一些限制；再如高壓保護雙重化配置，兩套保護同時動作并發送報文時存在沖突的可能。（2）設備方面的不成熟，如智能一次設備智能斷路器未完全成熟，所以采用完全數字化技術有一定困難，折中的解決方法包括設計基于IEC 61850通信協議的過渡型數字變電站或基于IEC 61850通信協議與數字化互感器的實用型數字化變電站。

無論如何，一項新技術從孕育、發展到成熟必然有一個過程，展望未來可以預計在信息安全、狀態檢修、基于GOOSE網絡技術新應用、采用高端交換機冗余組網、高度集成、智能自愈、異地同步測量、三態數據標準化等方面會有所突破，從而使數字化變電站運行更加智能、可靠，并為智能電網的建設奠定堅實基礎。

4.結語

煤礦變電所進行自動化建設不僅可降低人力、物力和財力的投入，更重要的是提高煤礦運行的安全性，為煤礦穩定生產和可持續發展提供堅實的基礎保障。從變電所自動化技術的發展歷程可以看出，技術進步是無止境的，只有保持對技術發展的敏感性，才能不落伍。

[1]李素英，薛沖，竇真蘭.基于IEC 61850標準的煤礦變電所數字化改造[J].電工技術，2012(9)：35-37.

[2]屠強，周迎秋，肖榮國，等.變電所自動化實用技術及應用指南[M].北京：中國電力出版社，2004.

[3]鄭建平，蔡永智，張勇志.數字化變電站技術叢書.成果與展望分冊[M].北京：中國電力出版社，2010.