变电站综合自动化系统

　　变电站综合自动化系统是指通过执行规定功能来实现某一给定目标的一些相互关联单元的组合，变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量。

　　简介

　　变电站综合自动化系统是指：通过执行规定功能来实现某一给定目标的一些相互关联单元的组合，变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量1。

　　变电站综合自动化系统发展方向

　　1 系统结构的转变

　　变电站综合自动化系统的结构将从集中控制、功能分散逐步向分散型网络发展。传统的系统结构是按功能分散考虑的, 发展趋势将从一个功能模块管理多个电气单元或间隔单元向一个模块管理一个电气单元或间隔单元、地理位置高度分散的方向发展。这样, 自动化系统故障时对电网可能造成的影响大大地减小了, 自动化设备的独立性、适应性更强。

　　(1) 智能电子装置( IED) 的发展

　　(2)光电互感器的应用

　　2. 监控系统的发展

　　监控系统的发展主要表现在两方面, 即变电站遥视系统的逐步应用和人工智能在故障诊断应用中的不断完善。

　　(1)遥视系统的应用

　　(2)人工智能技术的发展应用

　　通信方式的发展

　　(1) 工业以太网的发展应用

　　与现场总线相比, 工业以太网是统一的总线网络技术, 存在通用优势, 而且具有价格低、速度快、易于组网等优点。工业以太网有两种模型: 一种是混合模型( 以太网和其它总线相连) ; 另一种是所谓的”透明工厂”型, 即从高层到底层都采用统一的工业以太网的通信协议。混合型工业以太网的技术已经十分成熟, ”透明工厂”型工业以太网是工业控制领域的研究热点, 国内外已经提出了多种解决方案, 每种方案也都有许多学者在研究, 在不断地发展、完善中, 相信未来的一段时期, 工业以太网会给变电站自动化系统带来新的活力。

　　(2 )蓝牙技术的发展应用

　　蓝牙技术是一种无线数据与语音通信开放性全球规范, 它是一种以低成本的近距离无线连接为基础、为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术, 解决了以太网用于变电站自动化布线难的问题。该技术具有小功率、微型化、低成本以及与网络时代相适应的特点。蓝牙技术是一项发展中的技术, 其应用正处于起步阶段, 但蓝牙技术标准统一、知识产权共享的优势是非常明显的, 其未来的发展不可限量。可以预见, 变电站内许多设备间采用无线方式通信在不久的将来就可以实现3。

　　结构模式

　　从国内、外变电站综合自动化的开展情况而言，大致存在以下几种结构：

　　1）分布式系统结构

　　按变电站被监控对象或系统功能分布的多台计算机单功能设备，将它们连接到能共享资源的网络上实现分布式处理。这里所谈的‘分布’是按变电站资源物理上的分布（未强调地理分布），强调的是从计算机的角度来研究分布问题的。这是一种较为理想的结构，要做到完全分布式结构，在可扩展性、通用性及开放性方面都具有较强的优势，然而在实际的工程应用及技术实现上就会遇到许多难以解决的一系列问题，如在分散安装布置时，恶劣运行环境、抗电磁干扰、信息传输途径及可靠性保证上存在的问题等等，技术还不够十分成熟，一味地追求完全分布式结构，忽略工程实用性是不必要的。

　　2）集中式系统结构

　　系统的硬件装置、数据处理均集中配置，采用由前置机和后台机构成的集控式结构，由前置机完成数据输入输出、保护、控制及监测等功能，后台机完成数据处理、显示、打印及远方通讯等功能。前国内许多的厂家尚属于这种结构方式，这种结构有以下不足：前置管理机任务繁重、引线多，是一个信息‘瓶颈’，降低了整个系统的可靠性，即在前置机故障情况下，将失去当地及远方的所有信息及功能，另外仍不能从工程设计角度上节约开支，仍需铺设电缆，并且扩展一些自动化需求的功能较难。在此值得一提的是这种结构形成的原由，变电站二次产品早期开发过程是按保护、测量、控制和通信部分分类、独立开发，没有从整个系统设计的指导思想下进行，随着技术的进步及电力系统自动化的要求，在进行变电站自动化工程的设计时，大多采用的是按功能‘拼凑’的方式开展，从而导致系统的性能指标下降以及出现许多无法解决的工程问题。4

　　3）分层分布式结构

　　按变电站的控制层次和对象设置全站控制级（站级）和就地单元控制级（段级）的二层式分布控制系统结构。

　　站级系统大致包括站控系统（SCS）、站监视系统（SMS）、站工程师工作台（EWS）及同调度中心的通信系统（RTU）：

　　站控系统（SCS）：应具有快速的信息响应能力及相应的信息处理分析功能，完成站内的运行管理及控制(包括就地及远方控制管理两种方式)，例如事件记录、开关控制及SCADA的数据收集功能。

　　站监视系统（SMS）：应对站内所有运行设备进行监测，为站控系统提供运行状态及异常信息，即提供全面的运行信息功能，如扰动记录、站内设备运行状态、二次设备投入/退出状态及设备的额定参数等。

　　站工程师工作台（EWS）：可对站内设备进行状态检查、参数整定、调试检验等功能，也可以用便携机进行就地及远端的维护工作。

　　上面是按大致功能基本分块，硬件可根据功能及信息特征在一台站控计算机中实现，也可以两台双备用，也可以按功能分别布置，但应能够共享数据信息，具有多任务时实处理功能。

　　段级在横向按站内一次设备（变压器或线路等）面向对象的分布式配置，在功能分配上，本着尽量下放的原则，即凡是可以在本间隔就地完成的功能决不依赖通讯网，特殊功能例外，如分散式录波及小电流接地选线等功能的实现5。

　　发展历程

　　变电站综合自动化建设的发展历程:

　　全国第一套微机保护装置----1984华北电力大学

　　全国第一套分布式综合自动化系统----1994大庆

　　全国第一套就地安装保护装置----1995 CSL200A

　　全国第一套220kV综合自动化变电站----1996珠海南屏

　　全国第一套全下放式220kV综合自动化变电站----1999丹东

　　全国第一套全国产500kV综合自动化变电站----1999南昌

　　全国第一套将专家系统应用到变电站综合自动化系统中--2000

　　国内第一家引进现场总线LonWorks (由华北电力大学教授,工程院院士杨奇逊老师创办)5

　　一般程序

　　自动：在一个限定任务内自行动作（无需操作人员）。

　　自动化：采用自动装置改进设备以减少人的干预。

　　控制：在系统中，为某一特定目的而执行的操作。在变电站中控制包括：断路器、隔离开关的操作、变压器分接头的调节、保护定值修改、特殊控制。

　　监控：通过对系统或设备进行连续或定期的监测来核实功能是否被正确执行，并使它们的工作状况适应于变化的运行要求。

　　自动控制：无需人去直接或间接操作执行装置的控制方式。

　　自动控制装置：由一个或多个继电器或逻辑元件组合在一起，预定完成某项规定自动化功能的设备。

　　自动切换装置：在变电站中按照规定的程序预定起动操作断路器和或隔离开关的自动控制装置。

　　信息：人们根据表示数据所用的约定而赋于数据的意义。

　　信息容量：调度中心、主站或子站可处理的各种远动信息的总和。

　　状态信息：双态或多态运行设备所处状态的信息。

　　监视信息：将子站设备的状态或状变传送到主站的信息。

　　事件信息：有关运行设备状态变化的监视信息。

　　遥信信息：指发电厂、变电站中主要的断路器和隔离开关的位置状态信号，重要继电保护与自动装置的动作信号，以及一些运行状态信号等。

　　遥控信息：指通过远程指令遥控发电厂或变电站中的各级电压回路的断路器、投切补偿装置、调节主变压器分头、自动装置的投入和退出、发电机的开停等。

　　通信：在信息源和受信者之间交换信息。

　　串行通信：两台设备之间(或称点对点之间)通过单一通道串行传输信息的一种方式

　　并行通信：两台设备之间(或称点对点之间)通过多个通道并行传输信息的一种方式

　　光纤通信：在光导纤维中传送信息的一种有线通信方式。

　　告警：当发生某些不正常状态，需提醒人们注意而使用的信息。

　　总告警：全部单独告警汇总成的告警。

　　成组告警：若干单独告警汇总成的告警。

　　遥测：指运用通信技术传输所测变量之值。

　　遥信：指对状态信息的远程监视。

　　遥控：指具有两个确定状态的运行设备进行的远程操作。

　　遥调：指对具有不少于两个设定值的运行设备进行的远程操作。

　　遥视：指运用通信技术对远方的运行设备状态进行远程监视。

　　遥脉：指运用通信技术对远方的运行设备的脉冲量(如电能量)进行远程累计。

　　监视：用比较的方法对系统或其某一部分的运行进行观察。在综合自动统中通过彩色显示器(大屏幕)上调看主接线图、系统图、棒图、表格等，查看变电站运行实时数据、设备状态、事件记录等。

　　帧：指含有信息、控制和校验区，并附有帧定界符的比特序列。

　　报文：以一帧或多帧组成的信息传输单元。

　　远动：应用通信技术，完成遥测、遥信、遥控和遥调等功能的总称。

　　远动系统：对广阔地区的生产过程进行监视和控制的系统。

　　远程命令：应用通信技术，完成改变运行设备状态的命令。

　　远动网络：若干远动站通过传输链路，彼此进行通信联系的整体。

　　通道：在数据传输中，传输信号的单一通路或其一段频带。

　　远动控制中心：控制远动网络的所在地。

　　远方控制端：指设置在与无人值班变电站相关的调度机构或某中心变电站一个独立的集中控制中心的远方控制装置。

　　远方监控终端：指设置在被监控变电站内的远方监控装置，包括信息采集、处理、发送，命令接受、输出和执行的设备。

　　主站:控制站：对子站实现远程监控的站。

　　子站:被控站：受主站监视和控制的站。

　　远方终端(RTU)：指在微机远动装置构成的远动系统中，装在变电站内的远方数终端装置。在变电站综合自动化系统中指：由主站监控的子站，按规约完成远动数据采集、处理、发送、接收以及输出执行等功能的设备。

　　馈线远方终端：安装在配电网馈线回路的柱上和开关柜等处，并具有遥信、遥测、遥控和故障电流检测(或利用故障指示器检测故障)等功能的远方终端，称为 FTU；安装在配电网馈线回路的开闭所和配电所等处，具有遥信、遥测、遥控和故障电流检测(或利用故障指示器检测故障)等功能的远方终端，称为DTU。

　　配电变压器远方终端；用于配电变压器的各种运行参数的监视、测量的远方终端，称为TTU。

　　配电自动化系统远方终端：用于配电网中的各种馈线远方终端、配电变压器远方终端以及中压监控单元(配电自动化及管理系统子站)等设备的统称。

　　前置机：对进站或出站的数据，完成缓冲处理和通信控制功能的处理机。

　　后台机：对本站设备的数据进行采集及处理，完成监视、控制、操作、统计、报表、管理、打印、维护等功能的处理机。

　　调制：为了使信号便于传输、减少干扰和易于放大，使一种波形(载波)参数按另一种信号波形(调制波)变化的过程。

　　解调：从调制的载波信号中复原原调制信号的过程。

　　调制解调器：对远动设备所传送的信号进行调制和解调的设备。

　　数据终端设备：数据站的一种功能单元，它具有向计算机输入和接收计算机输出数据的能力；与数据通信线路连接的通信控制能力。

　　采样(电气传动的)：在有限的时间间隔内(通常是相等的时间间隔)测量一个物理量的过程。

　　实时数据：指在线运行时实时记录和监视的物理量。

　　历史数据：指在线运行时按规定的间隔或时间点记录的物理量。在变电站中历史数据指按指定时间间隔或特殊要求保存下来的运行实时数据、各记录和报表、曲线等。

　　变电站运行实时参数：指为监测和控制变电站运行所需的各种实时数据。主要有：母线电压、系统周波；馈线电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量；主变压器电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量、温度；保护定值，直流电源电压；变电站设备运行状态等

　　变电站设备运行状态：指各馈线断路器、隔离开关的实际运行状态(合闸、分闸)；

　　主变压器分头实际位置、主变压器状态，压力、气体继电器是否报警；保护运行状态；被监控变电站系统状态；监控系统运行状态。

　　事件记录：指记录变电站运行过程中计算机监测的各种越限、异常、报警、断路器变位、设备状态变化以及通过计算机系统执行的各种控制操作事件。事件记录主要包含事件名称、相关设备名称、事件发生时间及内容等。事件记录类型有：事件顺序记录：断路器信号变位记录；变位断路器编号、变位状态、变位时间。操作记录，断路器控制：操作时间、操作性质、操作人、监护人；保护定值修改：保护名称、修改时间、操作人、监护人；越限记录，越限起止时间、越限值；设备运行记录，设备名称、设备状态启停时间等。

　　事件顺序记录：事件顺序记录又称SOE，特指在电网发生事故时，以比较高的时间精度记录的下列一些数据：发生位置变化的各断路器的编号(包括变电站名)、变位时刻，变位时刻，动作保护名称，故障参数、保护动作时刻等。

　　报警：变电站运行参数越限，断路器变位或保护动作时，计算机将弹出窗口(登录窗或报警窗口)显示事件内容并进行报警，报警类型分为：不报警、普通报警、预告报警、事故报警等。

　　不报警：正常拉合闸或人工禁止报警，遥信画面闪烁，遥测数值变色。

　　普通报警：计算机发出一次音响，其它与“不报警”相同

　　预告报警：计算机发出N次音响，其它与“不报警”相同

　　事故报警：打印机启动打印，计算机持续音响直至人工解除，其它与“预告报警”相同

　　打印：将计算机中储存的信息打印成文档。打印可分为：报表打印、事件打印、人工打印等。

　　报表打印：日报表、月报表、年报表等，打印时间可设定。

　　事件打印：遥信变位、保护投退/复归、遥测越限/复归、设备启停。

　　人工打印：人工选择(召唤)报表、画面、各种记录打印、拷贝。

　　双机切换：含义是在双机(主副机)配置的情况下，当主机(值班机)发生故障时,副机也可在人工干预下转为主机，主机转为副机。多机配置情况与双机类似，当主机发生故障时，任一副机可在人工干预下转为主机。

　　通道监视及切换：通道监视是指计算机系统通过通信控制器，统计与变电站测控装置、保护或其他变电站自动化系统、电网调度自动化系统通信过程中接收数据错误和长时间无应答的情况。根据通道监视情况，系统可以告警或采取相应控制措施。如果通道配置有冗余，即某厂站有双通道的情况下，当一个通道故障时，系统可自动转到另一个通道上进行通信。

　　前景点(图元)：前景点指的是可以在线运行时能发生变化的点，大部分的前景点都是和数据库里具体的点时对应的，即在线时随实时数据的变化而变化。

　　背景点(图元)：背景点是在线运行时不会发生变化，只是代表一些特定的物理意义。

　　数值量：能反映数据断续变化的量，如断路器、隔离开关分/合，保护动作等。

　　模拟量：能反映数据连续变化的量，通常可以反映到的小数点后的变化。在线运时可反映的物理量有电压、电流、温度、功率、频率等。

　　模拟信号：以连续变量形式出现的信号。

　　数字信号：在数字和时间上均是断续的电信号。

　　脉冲量：反映累计变化的量，物理上对应的是有功电能、无功电能等。

　　操作点：操作点是系统里一个特殊功能的图元，它可以调画面、作遥控、按钮功能等。

　　人工置数：改变前景点现有的数值但并不下发这个命令，做一个模拟操作用。

　　复选框和单选框：复选框是指在一组选择里可以同时选择几个命令，而单选框只能选用一个。单选框通常是小圆圈，复选框通常是小正方形。

　　配置文件：配置文件用来规定一些程序在启动时读入设定，给用户提供了一种修改程序设置的手段。

　　导航图：在线运行时，每一个图都有设置导航图的功能，若当前图太大，就可以通过缩小了的导航图来寻找位置。

　　事故追忆：对事件发生前后的运行情况进行记录。

　　间隔层：由智能I/O单元、控制单元、控制网络和保护等构成，面向单元设备的就地控制层。

　　站控层：由主机和操作员、工程师站、远动接口设备等构成，面向全变电站进行运行管理的中心控制层。

　　数据采集：将现场的各种电气量及状态信号转换成数字信号，并存入计算机系统。

　　数据采集与监控系统(SCADA)：对广域生产过程进行数据采集、监视和控制的系统。

　　数据处理：对相关设备的各种数据进行系统化操作，用于支持系统完成监测、保护控制和记录等功能。

　　接口：指两个不同系统或实体间的界面或连接设备。由功能特征、通用的物理互联特征、信号特征和其他特征等定义。

　　规约：在通信网络中，为了通信双方能正确有效可靠的进行数据传输，在通信的发送和接收过程中有一系列的规定，以约束双方正确，协调的工作。

　　通信规约：启动和维持通信所必要的严格约定，即必须有一套信息传输信息格式和信息内容等约定。

　　链路：站与站之间的数据传输设施。

　　链路层：链路是开放系统互连参考模型的一个层次，借助链路规约执行并控制规定的传输服务功能。

　　协议转换器：．连接两个通信网络的智能电子装置。它能够按一种协议接收一个网络的信息，进行转换后，按第二个协议向另一个网络转发，或相反。

　　远方通信接口：经远方通信网络链路与远方控制中心相连的接口。

　　以太网：IEC TC57推荐使用的变电站通信网络，局域网的一种

　　IP：互联网协议，TCP/IP标准协议。IP定义了数据包，该数据包作为非连接数据包递交的基础。它包括控制和差错报文协议、提供与网络服务、ISO参考模型第三层等价的功能。

　　LAN局域网：一般限于一栋建筑物内或小型工业系统的一种通信网络。这里特指变电站区域内通信网。

　　同步传输：一种数据传输方式，代表每比特的信号出现时间与固定时基合拍。

　　异步传输：一种数据传输方式，每个字符或字符组可在任意时刻开始传输。

　　广播命令：向远动网络的部分或全部子站同时发出的命令。

　　地址：报文的部分，用以识别报文来源或报文目的地。

　　波特：数字信号的传输速率单位，等于每秒传输的状态或信号码元数。

　　电磁骚扰：使器件、设备或系统性能降低的任何电磁现象。

　　电磁干扰(EMI)：由电磁骚扰所引起的设备、传输通道或系统性能的降低。

　　抗扰性：器件、设备或系统在电磁骚扰存在时，不降低性能运行的能力。

　　电磁兼容（EMC）：设备或系统在其所处的电磁环境中正常工作，并要求不对该环境中其他设备造成不可承受的电磁骚扰的能力。

　　无人值班变电站：站内不设置固定运行、维护值班人员，运行监测、主要控制操作由远方控制端进行，设备采取定期巡视维护的变电站。

　　电气二次设备室：电气二次设备室是一个综合性房间，用于布置不宜设置在配电装置和主变压器现场的电气二次设备。如远动终端及相应设备、通信设备、交直流电源、不停电电源、继电保护、测控、计量和其他自动装置等。与控制室相比，主要差别是不适宜作为长期有人值班的监控场所。

　　继电小室：位于配电装置内或附近，安装继电保护、自动装置、变送器、电能计算及及录仪表、辅助继电器屏、就地控制层设备的独立小间。

　　工厂验收测试：包括用户认可的、使用特定应用的参数，特别制造的变电站自动化系统或变电站自动化系统部件的功能测试。

　　现场验收测试：现场验收测试是对变电站自动化系统的每一个数据、每个控制点、功能正确性进行验证。现场测试验收还包括对变电站自动化系统与其周围运行环境条件测试，使用最终参数对全部安装的设备的测试。现场验收为变电站自动化系统做运行准备5。

　　功能实现

　　1、微机保护:是对站内所有的电气设备进行保护,包括线路保护,变压器保护,母线保护,电容器保护及备自投,低频减载等安全自动装置。

　　2、数据采集:包括状态数据(断路器状态,隔离开关状态,变压器分接头信号及变电站一次设备告警信号等),模拟数据(各段母线电压、线路电压、电流、功率值、频率、相位等电量和变压器油温,变电站室温等非电量),和脉冲数据(脉冲电度表的输出脉冲等)。

　　3、事件记录和故障录波测距:事件记录应包含保护动作序列记录,开关跳合记录。

　　4、控制和操作闭锁:操作人员可通过后台屏幕对断路器,隔离开关,变压器分接头,电容器组投切进行远方操作。操作闭锁包括:电脑五防及闭锁系统,断路器、刀闸的操作闭锁等。

　　5、同期检测和同期合闸。

　　6、电压和无功的就地控制:一般采用调整变压器分接头,投切电容器组,电抗器组等方式实现。数据处理和记录:历史数据的形成、存储。

　　7、人机联系。

　　8、系统的自诊断功能:系统内各插件应具有自诊断功能,自诊断信息也象被采集的数据一样周期性地送往后台机和远方调度中心或操作控制中心。

　　9、与远方控制中心的通信:远动“四遥”及远方修改整定保护定值、故障录波与测距信号的远传等。系统应具有通信通道的备用及切换功能,保证通信的可靠性,同时应具备同多个调度中心不同方式的通信接口,且各通信口MODME应相互独立。保护和故障录波信息可采用独立的通信与调度中心连接,通信规约应适应调度中心的要求,符合国标及工CE标准。

　　10、防火、保安系统。

　　本词条内容贡献者为:

　　王宁 - 副教授 - 西南大学