關于變電站智能設備分析的論文
摘要：本文根據國、內外變電站自動化技術發展及應用現狀，從實際工程應用的角度，闡述了變電站智能化設備的必要性以及智能設備的構成和特點，探討了從系統設計出發的集成思路，同時對變電站智能設備的進一步發展提出了一些設想。
關鍵詞：變電站自動化數據通信智能設備系統集成計算機網絡
引言
近年來，計算機芯片及網絡等新技術的不斷采用，從根本上改變了傳統變電站二次設備的基本面貌，全數字化的設備、以網絡構成的系統，輔以成熟的調度自動化系統，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備及運行狀態的監測發展到整個變電站設備監控的集成的自動化系統，已基本做到了自動化應能實現的功能，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實際運行中出現的問題和需要，無人值班變電站及變電站自動化系統已基本被用戶接受并使用。在實際應用中，國內、外不同的專業廠家分別推出了具有不同特點的系統，基本上都能滿足系統的運行要求，但在不同程度上，由于開發的背景、運行經驗及技術水平的限制，仍有相當一部分系統存在者功能重復設置，沒有做到信息資源共享，從而導致了現場接線復雜、系統的各部分接口的通信規約不一致，增加了投資并影響了系統的可靠性，這就大大影響了整個系統的開放性及可擴展性。出現這些問題的主要原因便是缺乏系統設計及在系統設計思路指導下的各組成部分（智能單元）的開發。由于以往變電站二次部分的開發是分保護、測量、監控等各專業獨立開發、功能相對獨立設置的，由此為滿足系統的功能配置要求而在“搭系統”，從而導致要么底層控制單元無法投入系統，信息傳送不上來，就是系統要求的功能底層控制設備單元不具備。針對上述問題，本文試圖從整體系統設計思想入手，討論對變電站內智能化設備的基本要求及其構成、系統集成的基本思想，以供同行討論參考。
1變電站自動化的特點及智能設備的構成
國內變電站二次產品早期開發過程是按保護、測量、控制和通信部分分類獨立開發，隨著技術的進步以及電力系統自動化的要求，變電站自動化工作的開展首先從遠動、自動化及通信專業開始，初期開展的工作只是對站內的部分狀態量及模擬量數據采集并處理的微機監視或監控系統，隨著調度自動化及微機保護的成熟及應用，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展狀況大致存在集中式及分布式兩種系統結構，由于電力系統管理方式及二次產品開發的歷史原因，大多數系統仍采用的是按功能“拼湊”的方式開展，沒有按工程的實際需要及正確的系統設計指導思想進行，從而導致系統的性能指標下降以及出現許多無法解決的工程問題。從對分布、開放性以及系統整體的發展趨勢來看，采用分布式測控、保護、自動裝置及計算機局域網的結構方式顯然比較優越。采用分布、開放性的網絡拓撲結構和計算機局域網技術的變電站自動化系統，各現場單元可完全脫離系統獨立運行，單個裝置的故障不影響系統的正常運行，從而達到“分散布置、集中管理”的目的，加強了系統的可靠性和可擴充性。這種構成模式正越來越被我國電力系統所接受，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、硬件和系統資源，并且利用通信網絡代替大量的控制信號電纜，避免設備重復設置，多次投資。
根據IEC國際電工委員會電力系統控制與通信技術委員會的劃分以及變電站自動化系統的特點，變電站內的設備可劃分為如下三個層次。
設備層：包括各種一次設備象開關、線路、變壓器、電容器、CT/PT等。
間隔層：是各種二次設備包括采集、測量、控制、保護、自動裝置、故障濾波等，它們大多能獨立完成某種功能，且具有與外部進行數據交換的能力。
變電站管理層：對整個變電站進行安全監視、控制、操作，并與變電站外部進行數據交換，如當地監控微機、與控制中心通信的網關等。
上圖標示了變電站內的三個層次和它們之間的數據交換。從對變電站電能傳輸、分配進行檢測、控制和管理的觀點出發，可以認為變電站由母線、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提供數據，接收二次系統的控制命令。根據每一個基本元件自身的特性和檢測、控制要求，并按照基本元件內部數據采集及故障檢測和隔離由元件自身解決的原則，設計每一種基本元件對應一種硬件結構即智能電子設備（IED）。
從圖中還可以看出，在設備層和間隔層之間的數據交換量不大，主要是設備間向間隔層提供運行中的各種I/O信號，間隔層向設備發出控制信號等。
在間隔層和變電站管理層之間，存在大量的數據交換，一方面，間隔層內的各種智能設備需要把采集到的信息及時上傳至當地監控系統和通過通信處理機送到遠方控制中心，不僅數據量大，而且要求具有很高的實時性，象站內的事件順序記錄需達到毫秒級，測量值及信號的刷新時間需在3秒之內完成。另一方面，變電站層的系統時鐘、控制與調節命令、運行參數的整定命令，也要快速下發至各智能設備。
間隔層的各智能設備之間，也存在著部分數據交換，但這種交換量不大，對實時性要求也不高。而且由于保護設備大都是獨立的設備，故與其它裝置的數據交換很少。其它智能設備，也存在一定量的數據交換。
基于以上情況，設計中的變電站自動化系統考慮了在間隔層橫向按站內一次設備分布式的配置，有條件時，還可將間隔層設備安裝在開關柜上；各間隔設備相對獨立，僅通過站內通信網互聯，并同變電站層設備進行快速通訊。
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就地完成的功能絕不依賴通訊網完成，這樣構成的系統同以往的集中式系統相比有著明顯的優點：可靠性提高、可擴展性和靈活性提高以及站內二次電纜簡化、節省投資。
2智能設備的集成
在變電站自動化中存在一些促使設備集成的動力。首先，變電站自動化要求采用較少的設備完成更多的功能，其解決方法之一是安裝具有集成功能的智能電子設備。最基本的繼電保護IED就是一個例子，它集成了保護、測量、控制、錄波、事件順序記錄以及通信等功能。用一個設備完成所有這些功能，這樣就實現了設備整體費用的優化，減少資金和運行維護費用。
另一個向集成化發展的動力是先進的自適應能力和系統控制性能。在這些先進的性能中系統知識是非常有用的，它允許繼電保護IED動態改變運行參數。具有核心級的系統知識可以使系統的穩定性和潮流都得到控制。
技術進步也是向集成化發展的主要動力。微處理器、計算機通信及應用軟件技術的飛速發展促成了集成系統的開發，將來的重點可能由硬件IED發展為“智能化”軟件。
還有一個動力是為客戶服務。經濟的快速發展要求越來越少的停電時間，電力公司內部也經常為自身設定顧客電量利用率的目標。對于這個目標，系統集成給操作員和工程師提供了更多的信息，如在什么情況下允許系統快速恢復等。與有用的信息一起集成化的另一個好處是對誤操作的辨認分析，對于由繼電保護或系統設計帶來的問題可以高效跟蹤和修改，從而可以提高整個系統的可靠性和可用性。
3局域網絡通信技術
變電站內智能電子設備的集成化設計策略采用了分布式功能配置的概念，因為分布式體系結構可使任何規模的變電站具有可擴充性。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。
在設計信息及數據通信的策略中，幾乎每一個制造商設計的IED都有以電氣工業協會（EIA）的RS-232或RS-485標準為基礎的物理層接口，并在數據鏈路層和應用層用軟件完成系統與任何一個IED設備的連接，但隨著計算機局部網絡（LAN）技術的發展，越來越多的制造商把注意力集中在LAN上。采用計算機局域網技術可實現數據高速、可靠傳輸，可將過去集中處理的功能分散到各個節點去處理，并可以傳送大批量的數據，如故障錄波數據和圖像數據等。在變電站自動化系統中，采用局域網技術，將變電站內的數據采集部分的各智能單元分別掛網運行，站內自動化系統通過變電站層控制中心與各IED進行數據通信，以取得對現場IED設備的控制權，如斷路器的分/合、自動重合閘的開/閉、繼電保護裝置的參數設置、故障診斷、遠程抄表等控制命令。這就要求IED設備滿足局域網標準，I/O設備作為局域網上的一個節點。在實際采用計算機局域網的標準上，一般存在著采用“工業以太網”和“現場總線”兩種不同的做法。
在90年代中期，國內外曾掀起一場聲勢不小的“現場總線熱”，國家有關部門也撥款幾千萬元組成攻關課題。但在實際應用中，還有許多共同的疑問。其中最主要是其標準問題。現場總線有多種標準有兩個原因，首先是技術上的原因，即適用場合和用戶習慣原因。廣義的現場總線包括傳感器執行器總線，亦稱I/O總線，其特點是信息簡單但傳輸速度快，其典型代表有基于CAN的DeviceNet,interbus-s等；另外還有設備總線可用于控制，其信息量大而且復雜，傳輸較慢，如基金會總線FF、HART、LonWorks和Profibus。而狹義的現場總線僅指后者。除此外不同行業有其傳統使用習慣。對價格和技術完善性有不同要求，再有是不同的總線標準往往和某些公司或公司集團有內在的商業利益關系。所以說最終現場總線標準也不會形成一統天下的局面。就目前情況來看，在過程控制領域，基金會總線FF將占有最大的份額，而在其它離散控制領域尚不十分明朗。
如何在眾多的總線標準中，選擇一種合適的總線，既能滿足大數據量、傳輸速度快的要求，又要兼顧那些通訊相對少、實時性不很高的設備，以有效減少網絡負載。LonWorks在可靠性和傳輸速率上顯然達不到要求，HART用戶支持較少，不宜選擇；作為傳輸最快的總線Profibus在網絡拓撲、數據吞吐量均表現出色，但其作為歐洲標準，在世界范圍特別是中國的支持不夠，尚不能普遍采用，FF雖然得到世界范圍內的廣泛認同，但所欠標準化進程仍遙遙無期。
以太網（Ethernet）經過若干年的發展，技術上已經十分成熟。隨著適合于工業現場應用的嵌入式以太網微處理器的發展，以太網已可十分便利的應用于變電站自動化場合。首先10M以太網具有目前國內變電站自動化系統采用的網絡不可比擬的'高速特點，可將系統信息快速交換；同時以太網在長期發展中以公認的可靠性、安全性、靈活性著稱，如網絡節點均帶耐高壓的網絡隔離變壓器，網絡拓撲結構靈活，支持多種通信媒介，可根據變電站的實際情況確定網絡結構及選用通信媒介。在自動化系統升級時可將系統通信網絡結構及媒介稍加改動甚至不改動的情況下平滑地使通信系統升級，節省開支，如升為100M快速以太網。
下面為美國和歐洲一些國家普遍采用的變電站自動化系統的通信結構。
傳統的變電站自動化產品供應商們通過擴充他們的RTU的通信能力，即具有多個串行通信口的增強式RTU來接收各種形式的智能變電站設備（IED），包括計量表計、故障記錄和繼電保護等設備。現代的變電站智能設備通過局域網建立了一個規模較大的變電站控制系統，以太網由于其優越的性能被用做變電站LAN，變電站內不同制造商的IED產品可以通過規約轉換器（networkinterfacemodulesNIM）進行連接，還有一部分IED產品可以直接掛網運行。NIM與底層的IED可以通過廉價的RS485方式相連，規約采用標準的IEC870-5-103變電站內繼電保護配套規約，IEC870-5-103規約在歐洲和其他一些受IEC影響的國家被普遍采用，我國國家電力公司也把該規約作為變電站內的配套標準規約。
4智能電子設備的發展目標和變電站自動化的趨勢展望
變電站自動化系統與其它工業自動化領域一樣，正沿著“分布化、智能化、集成化、可視化和協調化”的方向發展。這就給智能電子設備提出了更高的目標，這主要體現在以下幾點：
1）、可互操作性：當前和將來都可以與任意一個生產廠家的IED進行通信。
2）、即插即用：所有連在LAN上的設備將由系統自動識別。
3）、可靠性/安全/可信性：這是基本的繼電保護特性，目的是使整個系統達到同一水平。
4）、開放性：提供一個變電站自動化系統的平臺。
5）、冗余度；任何單一的部件故障不會影響整體系統性能。
6）、智能化：提供一個人工智能的應用平臺；通過這個功能實現故障分析、選擇性的數據和電力系統配合。
7）、自動化：通過嵌入算法軟件或按用戶定義的控制順序提供未來的自動控制功能。對于繼電保護設備，可通過用戶自定義的計算方法和動作次序支持未來的自適應繼電保護功能。
8）、靈活性/可擴充性：對于當前的硬、軟件系統設計要考慮到將來的擴充，應當易于修改。
智能電子設備的采用，將徹底改變常規繼電保護、自動裝置及測量儀表等的單一功能結構，變為包括繼電保護、過程自動化、錄波、計量、測控等多功能智能化設備的變電站自動化系統。由于現場設備的高智能、多功能，使得主控系統的負擔得以分散，實現了徹底的分散控制保護及自動化，由此可極大提高控制、保護、自動化系統的可靠性、自治性、靈活性。
由分布式的智能設備構成的變電站自動化系統帶來的另一個好處是可以取消常規變電站所使用的控制屏、中央信號屏等集中控制設備。對于35kV及以下的電壓等級的現場智能設備可以集合安裝于開關柜上；對于110kV及以上電壓等級的現場智能設備可以按各個控制對象即變電站內一次電氣設備元件按單元安裝在各電壓等級的開關場地內或“保護小間”。現代技術已解決了電磁干擾、振動、溫度、灰塵等對IED的影響，只需用計算機通信網絡把它們聯起來再與變電站層的主系統連接，這樣做可大量減少控制信號電纜，也減少了組屏建筑面積。
智能電子設備的采用還使得變電站一、二次設備結合成為現實。如果把現場智能設備的控制保護的一次設備對象的CT、PT，開關、刀閘等的操作機構箱、主變壓器等設備也采用網絡通信方式相連，就可以取消控制信號電纜，僅僅保留開關操作機構跳、合閘所需的高壓交、直流電源的動力電纜，從而可以使現場智能設備采用低壓電源，提高了設備的抗干擾能力；另外通信網還可以將設備豐富的信息及數據上傳，便于事故分析和狀態監視，還可構成網絡式的防誤閉鎖和安全保障系統，從而提高整個分布式變電站自動化系統的可靠性、先進性和優越性。
計算機網絡通信、交換技術的發展，還使得變電站內部的LAN可以與廣域的WAN相連，WEB瀏覽技術使得電力系統的用戶在任何地方可以監控變電站的運行情況。變電站自動化系統適應Internet/Intranet網絡技術的發展，就可以逐步實現開放式的通信體系結構。
以上針對我公司在開發變電站智能裝置以及相應組成的變電站自動化系統的一些實踐經驗，談了作者對變電站智能設備的集成與發展的一些理解和建議。其中有些建議和設計目標還只是在設想階段，但相信現代計算機技術和網絡技術的飛速發展一定會為實現上述目標提供最大的支持。
參考文獻
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