摘 要：本文根據(jù)國、內(nèi)外變電站自動化技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，從實際工程應(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，探討了從系統(tǒng)設(shè)計出發(fā)的集成思路，同時對變電站智能設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展提出了一些設(shè)想。

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

0引言

近年來，計算機(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)度自動化系統(tǒng)，正在不斷地提高變電站運行的自動化程度和可靠性，從原來的分部分的變電站設(shè)備及運行狀態(tài)的監(jiān)測發(fā)展到整個變電站設(shè)備監(jiān)控的集成的自動化系統(tǒng)，已基本做到了自動化應(yīng)能實現(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)實際運行中出現(xiàn)的問題和需要，無人值班變電站及變電站自動化系統(tǒng)已基本被用戶接受并使用。

在實際應(yīng)用中，國內(nèi)、外不同的專業(yè)廠家分別推出了具有不同特點的系統(tǒng)，基本上都能滿足系統(tǒng)的運行要求，但在不同程度上，由于開發(fā)的背景、運行經(jīng)驗及技術(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，沒有做到信息資源共享，從而導(dǎo)致了現(xiàn)場接線復(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系統(tǒng)的開放性及可擴(kuò)展性。出現(xiàn)這些問題的主要原因便是缺乏系統(tǒng)設(shè)計及在系統(tǒng)設(shè)計思路指導(dǎo)下的各組成部分(智能單元)的開發(fā)。由于以往變電站二次部分的開發(fā)是分保護(hù)、測量、監(jiān)控等各專業(yè)獨立開發(fā)、功能相對獨立設(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法投入系統(tǒng)，信息傳送不上來，就是系統(tǒng)要求的功能底層控制設(shè)備單元不具備。針對上述問題，本文試圖從整體系統(tǒng)設(shè)計思想入手，討論對變電站內(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變電站自動化的特點及智能設(shè)備的構(gòu)成

國內(nèi)變電站二次產(chǎn)品早期開發(fā)過程是按保護(hù)、測量、控制和通信部分分類獨立開發(fā)，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及電力系統(tǒng)自動化的要求，變電站自動化工作的開展首先從遠(yuǎn)動、自動化及通信專業(yè)開始，初期開展的工作只是對站內(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)度自動化及微機(jī)保護(hù)的成熟及應(yīng)用，變電站自動化及無人值班運行模式便成為實際的需要和急待解決的課題。變電站自動化近幾年的發(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”的方式開展，沒有按工程的實際需要及正確的系統(tǒng)設(shè)計指導(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)許多無法解決的工程問題。

從對分布、開放性以及系統(tǒng)整體的發(fā)展趨勢來看，采用分布式測控、保護(hù)、自動裝置及計算機(jī)局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)方式顯然比較優(yōu)越。采用分布、開放性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和計算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)的變電站自動化系統(tǒng)，各現(xiàn)場單元可完全脫離系統(tǒng)獨立運行，單個裝置的故障不影響系統(tǒng)的正常運行，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)成模式正越來越被我國電力系統(tǒng)所接受，其最大特點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電纜，避免設(shè)備重復(fù)設(shè)置，多次投資。

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

設(shè)備層：包括各種一次設(shè)備象開關(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、測量、控制、保護(hù)、自動裝置、故障濾波等，它們大多能獨立完成某種功能，且具有與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力。

變電站管理層：對整個變電站進(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)的三個層次和它們之間的數(shù)據(jù)交換。從對變電站電能傳輸、分配進(jìn)行檢測、控制和管理的觀點出發(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;一個基本元件通過一個或多個間隔向二次系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，接收二次系統(tǒng)的控制命令。根據(jù)每一個基本元件自身的特性和檢測、控制要求，并按照基本元件內(nèi)部數(shù)據(jù)采集及故障檢測和隔離由元件自身解決的原則，設(shè)計每一種基本元件對應(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行中的各種I/O信號，間隔層向設(shè)備發(fā)出控制信號等。

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上傳至當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)和通過通信處理機(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時性，象站內(nèi)的事件順序記錄需達(dá)到毫秒級，測量值及信號的刷新時間需在3秒之內(nèi)完成。另一方面，變電站層的系統(tǒng)時鐘、控制與調(diào)節(jié)命令、運行參數(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，對實時性要求也不高。而且由于保護(hù)設(shè)備大都是獨立的設(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)計中的變電站自動化系統(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，還可將間隔層設(shè)備安裝在開關(guān)柜上;各間隔設(shè)備相對獨立，僅通過站內(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：可靠性提高、可擴(kuò)展性和靈活性提高以及站內(nèi)二次電纜簡化、節(jié)省投資。

2智能設(shè)備的集成

在變電站自動化中存在一些促使設(shè)備集成的動力。首先，變電站自動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)計策略采用了分布式功能配置的概念，因為分布式體系結(jié)構(gòu)可使任何規(guī)模的變電站具有可擴(kuò)充性。通過共享冗余得到了高可靠性、簡化的布線以及可選擇的性能升級能力。

在設(shè)計信息及數(shù)據(jù)通信的策略中，幾乎每一個制造商設(shè)計的IED都有以電氣工業(yè)協(xié)會(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IED設(shè)備的連接，但隨著計算機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的制造商把注意力集中在LAN上。采用計算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、可靠傳輸，可將過去集中處理的功能分散到各個節(jié)點去處理，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)運行，站內(nèi)自動化系統(tǒng)通過變電站層控制中心與各IED進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以取得對現(xiàn)場IED設(shè)備的控制權(quán)，如斷路器的分/合、自動重合閘的開/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)上的一個節(jié)點。在實際采用計算機(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)場總線”兩種不同的做法。