传统变电站自动化结构研究

张晓娟

（国网定西供电公司，甘肃 定西 743000）

近年来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，变电站自动化技术水平不断提高。变电站自动化是将变电站的二次设备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，实现对全站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、控制和保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等显著特点。从20世纪80年代起，国内外各大科研院所和电气公司都相继从事变电站自动化系统的研究工作。到目前为止，一些变电站自动化系统已经很成熟，并且在各种电压等级的变电站中得到了广泛应用。

变电站自动化系统的发展过程与集成电路技术、计算机技术、通信技术和网络技术密切相关。随着这些技术的不断进步，变电站自动化系统的体系结构也不断发生变化，其性能和功能以及可靠性等也不断提高。从国内外变电站自动化系统的发展过程来看，其结构形式有集中式、分布集中式、分散与集中相结合和全分散式四种类型。其中，传统变电站自动化，指采用集中式、分布集中式以及分散与集中相结合的结构形式的自动化技术。

1 集中式的结构形式

1.1 集中式结构的原理

集中式的变电站自动化系统，指采用不同档次的计算机，扩展其外围接口电路，集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制功能。集中式结构也并非指由一台计算机完成保护、监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控和与调度等通信的功能也是由不同的微机完成的，只是每台计算机承担的任务不同。例如监控机要负担数据采集、数据处理、开关操作、人机联系等多项任务，担负微机保护的计算机，可能一台微机要负责几回低压线路的保护等。

这种结构形式，主要出现在变电站自动化系统问世的初期。例如日本关西电子公司和三菱电气公司研究的第一套综合自动化系统SDCS-1 等。在日本的SDCS-1 系统中，只有8 个保护单元，负担了3 台主变压器、4 回77kV 输电线路和36 回6.6kV 的馈电线路保护和母线保护等功能。

我国国内早期也有一些类似的产品，如1987年清华大学研制的我国第一套综合自动化系统、南京自动化研究院系统研究所的BJ-2 型、南京自动化设备厂的WBX-261 型、烟台东方电子信息产业集团的基于WDF-10 的综合自动化系统等均属于集中式的结构形式。这一阶段，以集中式结构形式为主导，如图1 所示。

这种集中式的结构形式根据变电站的规模，配置相应容量的集中式保护装置和监控主机及数据采集系统（也有的采用集中式的微机型RTU），它们安装在变电站中央控制室内。主变压器和各进出线及站内所有电器设备的运行状态，通过电流、电压互感器经电缆传送到中央控制室的保护装置和监控主机（或远动装置）。继电保护动作信息往往是取自保护装置的信号继电器的辅助触点，通过电缆送给监控主机（或远动装置）。

图1 集中式结构的变电站自动化系统框图

1.2 集中式结构的特点

集中式结构的变电站自动化系统的优点是：

（1）能实时采集变电站中各种模拟量、开关量，实现对变电站的数据采集和实时监控、制表、打印、事件顺序记录等功能。

（2）能完成对变电站主要设备和进、出线的保护任务。

（3）集中式结构紧凑、体积小，可大大减少占地面积。

（4）造价低，尤其是对35kV 等规模较小的变电站更为有利。

（5）实用性好。集中式结构的变电站自动化系统的缺点是：①每台计算机的功能较集中，如果一台计算机出故障，影响面大，因此必须采用双机并联运行的结构才能提高可靠性。②集中式结构，软件复杂，修改工作量大，系统调试麻烦。③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，因此影响了批量生产，不利于推广。④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。

变电站自动化系统的目标是实现变电站的小型化、无人化和高可靠性，由于集中式结构存在诸多不足，随着微机技术的发展，变电站自动化系统的结构必须不断变革。

2 分层分布式系统集中组屏的结构形式

2.1 分布集中式结构的原理

随着计算机技术和通信技术的发展，特别是80年代后期单片机的性价比越来越高，给自动化系统的研究和开发工作注入了新的活力，使得研究人员有条件将微机保护单元和数据采集单元按一次回路进行设计。到了20世纪90年代，变电站自动化系统出现了多种不同的结构形式，但归纳起来，其实质属于均分层分布式的多CPU 的体系结构。所谓分布式结构，是在结构上采用主从CPU 协同工作方式，各功能模块（通常是各个从CPU）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，多CPU 系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了集中式结构中独立CPU 计算处理的瓶颈问题，方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块（部件）正常运行。分层结构每一层完成不同的功能，每层由不同的设备或不同的子系统组成。

一般来说，整个变电站的一、二次设备可分为三层，即变电站层、单元层（或称间隔层）和设备层。

设备层主要指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。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。测量、控制部件负责该单元的测量、监视、断路器的操作控制和联锁及事件顺序记录等；保护部件负责该单元线路或变压器或电容器的保护、故障记录等。因此，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。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与单元层之间交换信息。

图2 分布集中式结构的变电站自动化系统框图

分层分布式系统集中组屏的结构是把整套综合自动化系统按其不同的功能组装成多个屏（或称柜），例如：主变压器保护屏（柜）、线路保护屏、数采屏、出口屏等。一般来说，这些屏都集中安装在主控室中，简称为分布集中式结构，其系统结构框图如图2 所示。

2.2 分布集中式结构的特点

分层分布式集中组屏的变电站自动化系统具有以下特点：

（1）由于分层分布式结构配置，在功能上采用尽量下放原则，凡是可以在本间隔层就地完成的功能，绝不依赖通信网。这样的系统结构与集中式系统比较，明显优点是：可靠性高，任一部分设备有故障时，只影响局部；可扩展性和灵活性高。

（2）分布式系统为多CPU 工作方式，各装置都有一定数据处理能力，从而大大减轻了主控制机的负担。

（3）继电保护相对独立。继电保护装置是电力系统中对可靠性要求非常严格的设备，在综合自动化系统中，继电保护单元宜相对独立，其功能不依赖于通信网络或其他设备。各保护单元要有独立的电源，保护的输入应仍由电流互感器和电压互感器通过电缆连接，输出跳闸命令也要通过常规的控制电缆送至断路器的跳闸线圈，保护的启动、测量和逻辑功能独立实现，不依赖通信网络交换信息。保护装置通过通信网络与保护管理机传输的只是动作信息或记录数据。为了无人值班的需要，也可通过通信接口实现远方读取和修改保护定值。

（4）具有与系统控制中心通信功能。综合自动化系统本身具有对模拟量、开关量、电能脉冲量进行数据采集和处理的功能，也具有收集继电保护动作信息、事件顺序记录等功能，因此不必另设独立的RTU 装置，不必为调度中心单独采集信息，而将综合自动化系统采集的信息直接传送给调度中心，同时也接受调度中心下达的控制、操作命令和在线修改保护定值命令。

（5）模块化结构，可靠性高。由于各功能模块都由独立的电源供电，输入/输出回路都相互独立。任何一个模块故障，只影响局部功能，不影响全局，而且由于各功能模块基本上是面向对象设计的，因而软件结构相对集中式的简单，调试方便，也便于扩充。

（6）室内工作环境好，管理维护方便。分级分布式集中组屏结构的全部屏（柜）安放在室内，工作环境较好，电磁干扰相对开关柜附近较弱，而且管理和维护方便。

分层分布式集中组屏结构的主要缺点是安装时需要的控制电缆相对较多，增加了电缆投资。

2.3 分布集中式结构的应用实例

目前生产这种结构形式的厂家和产品也比较多。如DISA-3 型分布式变电站综合自动化系统，RSJ-2200 型分布式变电站综合自动化系统，FZY-JB 型变电站综合自动化系统等。

例如浙江金华的500kV 双龙变电站，其结构形式如图3 所示。

图3 双龙变电站自动化系统结构图

该系统就地的状态信号、告警信号和交流量输入各间隔的输入/输出单元，经串行通信送到本小室的主单元（部分信号直接接入主单元），通过规约转换器送到站级以太网，经主机数据处理后，在人机工作站上显示有关信息，部分信息经主备通信机送三级调度；微机型保护有关信息经保护管理机送到站级系统；采用相对独立的硬件完成电气联锁。系统主要存在以下不足：

（1）信息上送的转换环节较多，一定程度上影响了信息上送的实时性；

（2）鉴于当时的技术水平，同期装置和开关操作联锁系统均为独立的装置，系统采用的设备较多，价格较高；

（3）未采用分散数据库；

（4）间隔层输入/输出单元的信号输入点数比较少，不少信号只能接入主单元；

（5）站级计算机系统过于复杂。

3 分布分散式与集中相结合的结构形式

3.1 分散与集中相结合结构的原理

虽然分布集中式的结构具备分层分布式、模块化结构的优点，但因为采用集中组屏结构，因此需要较多的电缆。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，以及变电站综合自动化技术的不断提高，有条件考虑全微机化的变电站二次系统的优化设计问题。一种发展的趋势是，以每个电网元件（例如：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。对于6～35kV 的配电线路、可以将这个一体化的保护、测量、控制单元分散安装在各个开关柜中，然后由监控主机通过光纤或电缆网络，对它们进行管理和交换信息，这就是分散式的结构。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控制室内。这种将配电线路的保护和测控单元分散安装在开关柜内，而高压线路保护和主变压器保护装置等采用集中组屏的系统结构，称为分布和集中相结合的结构，其框图如图4 所示，这是当前变电站自动化系统的主要结构形式。

图4 分布与集中相结合结构的变电站自动化系统框图

3.2 分散与集中相结合结构的特点

分布分散式与集中相结合的变电站自动化系统有如下特点：

（1）10～35kV 馈线保护采用分散式结构，就地安装，节约控制电缆，通过现场总线与保护管理机交换信息。

（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中，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，备用电源自投控制装置和电压、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，检修方便。

4 结语

变电站自动化系统的应用全面提高了变电站的运行和管理水平，但其仍然存在不足之处。电网互联以后，实时监视并快速控制联络线的功率变得更为迫切，对与联络线较为紧密的变电站来说，保护和控制的性能及可靠性指标要求更严格；电力市场环境下，电网潮流变化加剧，FACTS 技术的使用加剧了运行状态的多变性，这种情况下对变电站的监视、控制和保护提出了新的要求。

为满足上述要求，从变电站自动化系统的结构上来看，全分散式的结构一定是今后发展的方向，纠其原因，主要是由于新设备、新技术的进展如电一光传感器和光纤通信技术的发展，使得原来只能集中组屏的高压线路保护装置和主变压器保护也可以考虑安装于高压场附近，并利用日益发展的光纤技术和局域网技术，将这些分散在各开关柜的保护和集成功能模块联系起来，构成一个全分散化的综合自动化系统，为变电站实现高水平、高可靠性和低造价的无人值班创造更有利的技术条件。

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