摘 要：本文根據(jù)國(guó)、內(nèi)外變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，從實(shí)際工程應(yīng)用的角度，闡述了變電站智能化設(shè)備的必要性以及智能設(shè)備的構(gòu)成和特點(diǎn)，探討了從系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)的集成思路，同時(shí)對(duì)變電站智能設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展提出了一些設(shè)想。

關(guān)鍵詞：變電站自動(dòng)化 數(shù)據(jù)通信 智能設(shè)備 系統(tǒng)集成 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

0引言

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)芯片及網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的不斷采用，從根本上改變了傳統(tǒng)變電站二次設(shè)備的基本面貌，全數(shù)字化的設(shè)備、以網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的系統(tǒng)，輔以成熟的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，正在不斷地提高變電站運(yùn)行的自動(dòng)化程度和可靠性，從原來(lái)的分部分的變電站設(shè)備及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)發(fā)展到整個(gè)變電站設(shè)備監(jiān)控的集成的自動(dòng)化系統(tǒng)，已基本做到了自動(dòng)化應(yīng)能實(shí)現(xiàn)的功能，即不再是好看不好用的花架子，而是真正可以解決和滿足生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題和需要，無(wú)人值班變電站及變電站自動(dòng)化系統(tǒng)已基本被用戶接受并使用。

在實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)、外不同的專業(yè)廠家分別推出了具有不同特點(diǎn)的系統(tǒng)，基本上都能滿足系統(tǒng)的運(yùn)行要求，但在不同程度上，由于開(kāi)發(fā)的背景、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)水平的限制，仍有相當(dāng)一部分系統(tǒng)存在者功能重復(fù)設(shè)置，沒(méi)有做到信息資源共享，從而導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)接線復(fù)雜、系統(tǒng)的各部分接口的通信規(guī)約不一致，增加了投資并影響了系統(tǒng)的可靠性，這就大大影響了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)放性及可擴(kuò)展性。出現(xiàn)這些問(wèn)題的主要原因便是缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路指導(dǎo)下的各組成部分(智能單元)的開(kāi)發(fā)。由于以往變電站二次部分的開(kāi)發(fā)是分保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控等各專業(yè)獨(dú)立開(kāi)發(fā)、功能相對(duì)獨(dú)立設(shè)置的，由此為滿足系統(tǒng)的功能配置要求而在“搭系統(tǒng)”，從而導(dǎo)致要么底層控制單元無(wú)法投入系統(tǒng)，信息傳送不上來(lái)，就是系統(tǒng)要求的功能底層控制設(shè)備單元不具備。針對(duì)上述問(wèn)題，本文試圖從整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想入手，討論對(duì)變電站內(nèi)智能化設(shè)備的基本要求及其構(gòu)成、系統(tǒng)集成的基本思想，以供同行討論參考。

1變電站自動(dòng)化的特點(diǎn)及智能設(shè)備的構(gòu)成

國(guó)內(nèi)變電站二次產(chǎn)品早期開(kāi)發(fā)過(guò)程是按保護(hù)、測(cè)量、控制和通信部分分類獨(dú)立開(kāi)發(fā)，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及電力系統(tǒng)自動(dòng)化的要求，變電站自動(dòng)化工作的開(kāi)展首先從遠(yuǎn)動(dòng)、自動(dòng)化及通信專業(yè)開(kāi)始，初期開(kāi)展的工作只是對(duì)站內(nèi)的部分狀態(tài)量及模擬量數(shù)據(jù)采集并處理的微機(jī)監(jiān)視或監(jiān)控系統(tǒng)，隨著調(diào)度自動(dòng)化及微機(jī)保護(hù)的成熟及應(yīng)用，變電站自動(dòng)化及無(wú)人值班運(yùn)行模式便成為實(shí)際的需要和急待解決的課題。變電站自動(dòng)化近幾年的發(fā)展?fàn)顩r大致存在集中式及分布式兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于電力系統(tǒng)管理方式及二次產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的歷史原因，大多數(shù)系統(tǒng)仍采用的是按功能“拼湊”的方式開(kāi)展，沒(méi)有按工程的實(shí)際需要及正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想進(jìn)行，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能指標(biāo)下降以及出現(xiàn)許多無(wú)法解決的工程問(wèn)題。

從對(duì)分布、開(kāi)放性以及系統(tǒng)整體的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，采用分布式測(cè)控、保護(hù)、自動(dòng)裝置及計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)方式顯然比較優(yōu)越。采用分布、開(kāi)放性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，各現(xiàn)場(chǎng)單元可完全脫離系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，單個(gè)裝置的故障不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而達(dá)到“分散布置、集中管理”的目的，加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)充性。這種構(gòu)成模式正越來(lái)越被我國(guó)電力系統(tǒng)所接受，其最大特點(diǎn)就是盡可能地充分利用軟、硬件資源，并盡可能地共享軟、硬件和系統(tǒng)資源，并且利用通信網(wǎng)絡(luò)代替大量的控制信號(hào)電纜，避免設(shè)備重復(fù)設(shè)置，多次投資。

根據(jù)IEC國(guó)際電工委員會(huì)電力系統(tǒng)控制與通信技術(shù)委員會(huì)的劃分以及變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)，變電站內(nèi)的設(shè)備可劃分為如下三個(gè)層次。

設(shè)備層：包括各種一次設(shè)備象開(kāi)關(guān)、線路、變壓器、電容器、CT/PT等。

間隔層：是各種二次設(shè)備包括采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、自動(dòng)裝置、故障濾波等，它們大多能獨(dú)立完成某種功能，且具有與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力。

變電站管理層：對(duì)整個(gè)變電站進(jìn)行安全監(jiān)視、控制、操作，并與變電站外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如當(dāng)?shù)乇O(jiān)控微機(jī)、與控制中心通信的網(wǎng)關(guān)等。

上圖標(biāo)示了變電站內(nèi)的三個(gè)層次和它們之間的數(shù)據(jù)交換。從對(duì)變電站電能傳輸、分配進(jìn)行檢測(cè)、控制和管理的觀點(diǎn)出發(fā)，可以認(rèn)為變電站由母線、變壓器、線路、電容器等基本元件組成;一個(gè)基本元件通過(guò)一個(gè)或多個(gè)間隔向二次系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，接收二次系統(tǒng)的控制命令。根據(jù)每一個(gè)基本元件自身的特性和檢測(cè)、控制要求，并按照基本元件內(nèi)部數(shù)據(jù)采集及故障檢測(cè)和隔離由元件自身解決的原則，設(shè)計(jì)每一種基本元件對(duì)應(yīng)一種硬件結(jié)構(gòu)即智能電子設(shè)備(IED)。

從圖中還可以看出，在設(shè)備層和間隔層之間的數(shù)據(jù)交換量不大，主要是設(shè)備間向間隔層提供運(yùn)行中的各種I/O信號(hào)，間隔層向設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)等。

在間隔層和變電站管理層之間，存在大量的數(shù)據(jù)交換，一方面，間隔層內(nèi)的各種智能設(shè)備需要把采集到的信息及時(shí)上傳至當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)和通過(guò)通信處理機(jī)送到遠(yuǎn)方控制中心，不僅數(shù)據(jù)量大，而且要求具有很高的實(shí)時(shí)性，象站內(nèi)的事件順序記錄需達(dá)到毫秒級(jí)，測(cè)量值及信號(hào)的刷新時(shí)間需在3秒之內(nèi)完成。另一方面，變電站層的系統(tǒng)時(shí)鐘、控制與調(diào)節(jié)命令、運(yùn)行參數(shù)的整定命令，也要快速下發(fā)至各智能設(shè)備。

間隔層的各智能設(shè)備之間，也存在著部分?jǐn)?shù)據(jù)交換，但這種交換量不大，對(duì)實(shí)時(shí)性要求也不高。而且由于保護(hù)設(shè)備大都是獨(dú)立的設(shè)備，故與其它裝置的數(shù)據(jù)交換很少。其它智能設(shè)備，也存在一定量的數(shù)據(jù)交換。

基于以上情況，設(shè)計(jì)中的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)考慮了在間隔層橫向按站內(nèi)一次設(shè)備分布式的配置，有條件時(shí)，還可將間隔層設(shè)備安裝在開(kāi)關(guān)柜上;各間隔設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，僅通過(guò)站內(nèi)通信網(wǎng)互聯(lián)，并同變電站層設(shè)備進(jìn)行快速通訊。

在功能分配上，采用可以下放的功能盡量下放的原則。凡是可以在本間隔內(nèi)就地完成的功能絕不依賴通訊網(wǎng)完成，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)同以往的集中式系統(tǒng)相比有著明顯的優(yōu)點(diǎn)：可靠性提高、可擴(kuò)展性和靈活性提高以及站內(nèi)二次電纜簡(jiǎn)化、節(jié)省投資。

2智能設(shè)備的集成

在變電站自動(dòng)化中存在一些促使設(shè)備集成的動(dòng)力。首先，變電站自動(dòng)化要求采用較少的設(shè)備完成

變電站內(nèi)智能電子設(shè)備的集成化設(shè)計(jì)策略采用了分布式功能配置的概念，因?yàn)榉植际襟w系結(jié)構(gòu)可使任何規(guī)模的變電站具有可擴(kuò)充性。通過(guò)共享冗余得到了高可靠性、簡(jiǎn)化的布線以及可選擇的性能升級(jí)能力。

在設(shè)計(jì)信息及數(shù)據(jù)通信的策略中，幾乎每一個(gè)制造商設(shè)計(jì)的IED都有以電氣工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)的RS-232或RS-485標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的物理層接口，并在數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層用軟件完成系統(tǒng)與任何一個(gè)IED設(shè)備的連接，但隨著計(jì)算機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的制造商把注意力集中在LAN上。采用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、可靠傳輸，可將過(guò)去集中處理的功能分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)去處理，并可以傳送大批量的數(shù)據(jù)，如故障錄波數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)等。在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，采用局域網(wǎng)技術(shù)，將變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集部分的各智能單元分別掛網(wǎng)運(yùn)行，站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)變電站層控制中心與各IED進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以取得對(duì)現(xiàn)場(chǎng)IED設(shè)備的控制權(quán)，如斷路器的分/合、自動(dòng)重合閘的開(kāi)/閉、繼電保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)置、故障診斷、遠(yuǎn)程抄表等控制命令。這就要求IED設(shè)備滿足局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，I/O設(shè)備作為局域網(wǎng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際采用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)上，一般存在著采用“工業(yè)以太網(wǎng)”和“現(xiàn)場(chǎng)總線”兩種不同的做法。