摘要：綜述了國內變電站自動化技術的發(fā)展現(xiàn)狀，總結了變電站自動化系統(tǒng)的設計原理、工作模式，提出了變電站自動化技術和運行模式的發(fā)展策略。

引 言
變電站自動化和無人值班是當今電網(wǎng)調度自動化領域的熱門課題，其發(fā)展勢頭正方興未艾。國外有一種觀點認為，人容易受環(huán)境、情緒、性格、疾病等諸多因素影響，因此本身就是一個不可靠因素。確實有不少事故是由人為誤操作引起的，從這個角度看，無人值班確實可以提高運行可靠性。例如鄭州地調早在1959年就開始采用遙控技術，30多年來從未發(fā)生誤操作；又如深圳供電局實現(xiàn)變電站無人值班后，誤操作事故率降低了60％。
變電站自動化是在計算機技術和網(wǎng)絡通信技術的基礎上發(fā)展起來的。國外在八十年代已有分散式變電站自動化系統(tǒng)問世，以西門子(SIEMENS)公司為例，該公司第1套全分散式變電站自動化系統(tǒng)LSA678早在1985年就在德國漢諾威投入運行，至1993年初已有300多套系統(tǒng)在德國及歐洲的各種電壓等級的變電站運行。我國的變電站自動化工作起步較晚，大約從九十年代開始，初始階段主要研制和生產集中式的變電站自動化系統(tǒng)，例DISA- 1型[1] ，BJ-1型[2] ，iES-60型， XWJK-1000A型，F(xiàn)D-97等。九十年代中期開始研制分散式變電站自動化系統(tǒng)，如DISA-2型， DISA-3型[3，4] ，BJ-F3,CSC-2000型[5] ，DCAP3200型，F(xiàn)DK型等，與國外先進水平相比，大約有十年的差距。許多高校、科研單位、制造廠家以及規(guī)劃設計、基建和運行部門在學習和借鑒國外先進技術的同時，正結合我國的實際情況共同努力繼續(xù)開發(fā)更加符合我國國情的變電站自動化系統(tǒng) [3,4,6~12] 。可以預計，今后其發(fā)展和推廣的速度會越來越快，與國外的差距會逐步縮小。
為了加快我國變電站自動化技術發(fā)展步伐，創(chuàng)造更大的效益，有必要論述和探討變電站自動化的設計原則、工作模式和發(fā)展策略，以期達成共識。
一、設討原則
a. 變電站自動化系統(tǒng)作為電網(wǎng)調度自動化的一個子系統(tǒng)，應服從電網(wǎng)調度自動化的總體設計，其配置、功能包括設備的布置應滿足電網(wǎng)安全、優(yōu)質、經(jīng)濟運行以及信息分層傳輸、資源共享的原則。
b. 分散式系統(tǒng)的功能配置宜采用下放的原則，凡可以在間隔層就完成的功能如保護、備用電源自投、電壓控制等，無須通過網(wǎng)絡和上位機去完成。220kV樞紐站及220kV電壓等級以上的變電站，其網(wǎng)絡層和站級層宜采用雙重化、冗余配置，以提高系統(tǒng)可靠性。
c. 按我國的實際情況，目前變電站還不大可能完全無人值守，即使是無人值守，也有一個現(xiàn)場維護、調試和應急處理的問題，因此設計時應考慮遠方與就地控制操作并存的模式。同樣，保護單元亦應具有遠方、就地投切和在線修改整定值的功能，以遠方為主，就地為輔，并應從設計、制造上保證同一時間只允許其中一種控制方式有效。
d．站內自動化及無人值班站的接入系統(tǒng)設計應從技術上保證站內自動化系統(tǒng)的硬件接口滿足國際標準。系統(tǒng)的支撐軟件符合ISO開放系統(tǒng)規(guī)定，系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)、通信規(guī)約及網(wǎng)絡協(xié)議的定義、格式、編程、地址等與相應的電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)保持一致，以適應電力工業(yè)信息化的發(fā)展要求。
e．要積極而慎重地推行保護、測量、控制一體化設計，確保保護功能的相對獨立性和動作可靠性。分布式系統(tǒng)的SOE分辨率可通過保護單元來實現(xiàn)。保護、測量、控制原則上可合用電壓互感器(TV)，對電量計費、功率總加等有精度要求的量可按量測電流互感器(TA)，供監(jiān)測用的量可合用保護TA。
f. 變電站自動化系統(tǒng)設計中應優(yōu)先采用交流采樣技術，減輕TA,TV的負載，提高測量精度。同時可取消光字牌屏和中央信號屏，簡化控制屏，由計算機承擔信號監(jiān)視功能，使任一信息做到一次采集、多次使用，提高信息的實時性、可靠性，節(jié)約占地空間，減少屏柜，二次電纜和設計、安裝、維護工作量。
g，目前無論國內還是國外的分散式變電站自動化系統(tǒng)各部件之間的聯(lián)系絕大部分采用串行口通信方式(RS232C,RS422,RS485總線等)，其通信速率和資源共享程度均受到限制，故建議采用局域網(wǎng) (LAN)通信方式，尤其是平等(peer to peer)網(wǎng)絡，如總線型網(wǎng)(介質共享型)，即網(wǎng)上每個節(jié)點都可與網(wǎng)上其他節(jié)點直接通信，例CSC-2000型采用的 Lon Works網(wǎng)，DISA-2，DISA-3型采用的 CANnet(control area network)網(wǎng)等[3-5] 。
h．變電站內存在強大的電磁場干擾。從抗電磁干擾角度考慮，在選擇通信介質時可優(yōu)先采用光纖通信方式，這一點對分散式變電站自動化系統(tǒng)尤為適用。例LSA678，DISA-2，DISA-3型等均采用了光纖通信方式。但鑒于光纖安裝、維護復雜及費用相對較高，因此配電站宜以電纜為通信介質。
二．工作模式
2．1變電站分類
變電站按電壓等級可分為特高壓、超高壓、高壓及中低壓四種類型。特高壓變電站：1000kV， 750kV；超高壓變電站：550kV,330kV；高壓變電站： 220kV，110kV,35kV；中低壓變電站(又稱配電站)： 10kV及以下電壓等級。
變電站按在電網(wǎng)中的地位可分為樞紐站、終端站和中轉站三種類型。樞紐站：在電網(wǎng)中無論是網(wǎng)架結構還是負荷水平都處于舉足輕重的位置；終端站：只有高壓進線，位于電網(wǎng)的線路末端；中轉站：有2路高壓進線，位于線路中間。
變電站按控制方式可分為集控站(又稱基地站)和受控站(又稱子站)。前者受調度中心控制，并對其周圍子站負有調度操作任務；后者與終端站類似，但有可能處于環(huán)形電網(wǎng)之中，受集控站控制。
變電站按運行模式劃分為有人值班：這是目前最常見的運行模式；無人值班：沒有固定的運行值班人員，僅保留個別守衛(wèi)人員，負責站內的安全保衛(wèi)工作及事故異常情況的緊急處理：無人值守：真正意義上的無人站，在一些發(fā)達的西方國家，如美國、加拿大等較常見。
2．2變電站自動化系統(tǒng)模式
2.2.1傳統(tǒng)模式
這種模式就是目前國內應用最普遍的遠方終端裝置(RTU)加上當?shù)乇O(jiān)控(監(jiān)視)系統(tǒng)(又稱當?shù)毓δ?，再配上變送器、遙信轉接、遙控執(zhí)行，UPS等屏柜(見圖1）。當采用交流采樣RTU時，可省去變送器屏柜。站內保護裝置的信息可通過遙信輸入回路(即硬件方法)進入RTU，亦可通過串行口按約定的規(guī)約通信(即軟件方法)進入RTU。此模式適合于 35kV~500kV的各種電壓等級不同規(guī)模的變電站。根據(jù)用戶不同層次的要求，其當?shù)毓δ艿呐渲每蔀?1臺PC機，也可是一個完整的雙前置、雙主機、雙工作站的監(jiān)控系統(tǒng)。如華東電網(wǎng)某主力電廠即采用 RD-800系統(tǒng)和GR-90型RTU實現(xiàn)了220kV升壓站的網(wǎng)控系統(tǒng)自動化。該模式保留了RTU的功能和二次回路設計。

2.2.2老站改造模式
采用RS-485星形結構，構成分布式的RTU。其特點是不增加屏柜位置，無需改動原有二次回路，適用于老站改造。這類產品有GR-90,TG5-700和 MWY-C3A等分布式RTU等(見圖2)。


2.2.3集中配屏模式
這種模式在目前國內新建變電站中應用最多，并已取得了較成熟的運行經(jīng)驗。大部分廠家的產品均屬此類，其中應用較多的有DISA-3型、BJ- 1型、iES、XWJK—1000A等。該模式與傳統(tǒng)模式相比，最大的區(qū)別在于將RTU的遙控、信號、測量、電能計費、通信等功能分別組屏，而由1個或 2個總控單元通過串行通信口(RS232，RS422， RS485)與各功能單元(屏柜)以及微機保護、故障錄波、上位機等通信(見圖3)。其特點是將控制、保護兩大功能作為一個整體來考慮，二次回路設計大為簡化。

2.2.4全分散式
該模式主要特點是以一次主設備如開關、變壓器、母線等為安裝單位，將控制、I／O、閉鎖、保護等單元分散，就地安裝在一次主設備(屏柜)上。站控單元(在主控室內)通過串行口(光纖通信)與各一次設備屏柜(在現(xiàn)場)相連，并與上位機和遠方調度中心通信。具體實施又分為兩種模式：保護相對獨立，控制和測量合一，如SIEMENS等公司的產品；保護、控制和測量合一，如ABB，GE，MERLIN GERIN等公司的產品。
SIEMENS的LSA678系統(tǒng)是采用保護相對獨立模式的典型，在全世界已有數(shù)百套的運行經(jīng)驗，近幾年來在國內亦已有不少應用實例(例如蘇州新加坡工業(yè)園區(qū)、廣西柳州供電局等)。國內廠家近年來亦先后推出全分散式系統(tǒng)，如DISA-2，BJ-F3， CSC-2000，DCAP3200等(見圖4)，此模式較適合于要求節(jié)省占地面積和二次電纜的場合，例如城市 (市區(qū))變電站。

2.2.5局部分散式
此模式綜合了集中式與分散式的特點，采用了分散式的系統(tǒng)結構，而控制和保護仍集中配屏。通常將集中配屏安裝在分散的設備小間內。設備小間在一次設備附近，根據(jù)變電站的電壓等級和規(guī)模可設數(shù)個設備小間，就近管理，節(jié)省電纜。此模式可用于各種電壓等級的變電站，尤其適用于500kV及大型220kV站。此類產品有DISA-3，F(xiàn)DK，iES-70等 (見圖5)。


三、發(fā)展策略
在變電站自動化系統(tǒng)的具體實施過程中，由于受現(xiàn)有專業(yè)分工和管理體制的影響而有不同的實施方法：一種主張站內監(jiān)控以遠動(RTU)為數(shù)據(jù)采集和控制的基礎，相應的設備也是以電網(wǎng)調度自動化為基礎，保護相對獨立；另一種則主張站內監(jiān)控以保護(微機保護)為數(shù)據(jù)采集和控制的基礎，將保護與控制、測量結合在一起，國內已有這一類產品，如CSC-2000等。后者正在成為一種發(fā)展趨勢和共識，因此設計、制造、運行、管理部門要打破專業(yè)界限，逐步實現(xiàn)一體化。這一點對110kV及以下的變電站尤為必要。
誠然，從我國目前的運行體制、人員配備、專業(yè)分工來看，前者無疑占有較大優(yōu)勢。因為無論從規(guī)劃設計、科研制造、安裝調試、運行維護等各方面，控制與保護都是相互獨立的兩個不同專業(yè)，因此前者更符合我國國情。而后者因難以提供較清楚的事故分析和處理的界面而一時還不易被運行部門接受。但從發(fā)展趨勢、技術合理性及減少設備重復配置、簡化維護工作量等方面考慮，后者又有其優(yōu)越性。
從信息流的角度看，保護(包括故障錄波等)和控制、測量的信息源都是來自現(xiàn)場TA，TV二次測輸出，只是要求不同而已。保護主要采集一次設備的故障異常狀態(tài)信息，要求TA，TV測量范圍較寬，通常按10倍額定值考慮，但測量精度要求較低，誤差在3％以上。而控制和測量主要采集運行狀態(tài)信息，要求TA，TV測量范圍較窄，通常在測量額定值附近波動，對測量精度有一定的要求，測量誤差要求在1％以內。
總控(CPU)單元直接接受來自上位機(當?shù)?或遠方的控制輸出命令，經(jīng)必要的校核后可直接動作至保護回路，省去了遙控輸出、遙控執(zhí)行等環(huán)節(jié)，簡化了設備，提高了可靠性。
從無人值班角度看，不僅要求簡化一次主接線和主設備，同時也要求簡化二次回路和設備，因此保護和控制，測量的一體化有利于簡化設備和減少日常維護工作量，對 110kV及以下，尤其是 1 0kV配電站，除了電量計費、功率總加等有測量精度要求而須接量測TA,TV外，其他量測僅作監(jiān)視運行工況之用，完全可與保護TA，TV合用。此外，在局域網(wǎng)(LAN)上各種信息可以共享，控制、測量等均不必配置各自的數(shù)據(jù)采集硬件。
變電站自動化系統(tǒng)和無人值班運行模式的實施，在很大程度上取決于設備的可靠性。這里指的設備不僅是自動化設備，更重要的是電氣主設備。根據(jù)變電站自動化系統(tǒng)的特點，建議主管部門制定出有關設備制造、接口的規(guī)范標準。自動化設備制造廠商應與電氣主設備制造廠商加強合作，提供技術合一的產品，以方便設計、運行部門選型。
對數(shù)量較多的10kV配電站，由于接線簡單，對保護相對要求較低，為簡化設備節(jié)省投資，建議由 RTU來完成線路保護及雙母線切換(備自投)等保護功能。為此需在RTU軟件中增加保護運行判斷功能，如備用電源自投功能，可通過對相應母線段失壓和相關開關狀態(tài)信號的邏輯判斷來實現(xiàn)。
今后變電站自動化的運行模式將從無人值班，有人值守逐步向無人值守過渡。因此遙視警戒技術 (防火、防盜、防漬、防水汽泄漏及遠方監(jiān)視等)將應運而生，并得到迅速發(fā)展。
隨著計算機和網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展，站內RTU／LTU或保護監(jiān)控單元將直接上網(wǎng)，通過網(wǎng)絡與后臺 (上位機)及工作站通信。取消傳統(tǒng)的前置處理機環(huán)節(jié)，從而徹底消除通信“瓶頸”現(xiàn)象。
四、結 論
a．對超高壓變電站以及220kV,110kV樞紐站或集控站來說，宜采用有人值班的自動化模式，仍宜以電網(wǎng)調度自動化為基礎，保護相對獨立。而對 10kV配電站宜采用無人值班模式，在規(guī)劃設計時可考慮以站內自動化為基礎，即保護與控制、測量一體化的方案，當?shù)毓δ芸珊喕灾寥∠悦姘迳系娜藱C對話窗口功能。
b.全分散式變電站自動化系統(tǒng)是一個新課題，需要規(guī)劃設計、一次設備、二次設備和自動化設備的制造廠家以及基建、安裝、運行部門密切配合，統(tǒng)籌安排。由于國產一次設備的制造工藝、材料、結構以及保護、控制、測量單元下放后的防震、防干擾、使用環(huán)境等均存在問題，應予以充分重視。并積極穩(wěn)妥地開展推廣工作。
c．設計制造上應確保具備一次設備的防誤操作措施、保護的當?shù)睾瓦h方投切(軟壓板)、修改整定值、復歸自動裝置以及當?shù)睾瓦h方控制操作一次設備的能力，并保護遠方與當?shù)乜刂疲谕粫r間只允許其中一種模式有效。
d．對全分散式的變電站自動化系統(tǒng)，宜選用 LAN方式，特別是平等網(wǎng)絡，如總線型(介質共享)網(wǎng)，網(wǎng)上每一個節(jié)點都能與任一其他節(jié)點直接通信，從而從根本上消除了主從方式中的瓶頸現(xiàn)象。配以多主式CANnet網(wǎng)或LonWorks網(wǎng)及強糾錯、高抗噪聲、載波監(jiān)聽多路訪問／沖撞的CSMA／CD方式，可給重要信息加權，保證重要信息的實時性，提高通信效率。
e．隨著變電站自動化技術的發(fā)展和無人值班站運行模式的進一步推廣，保護和自動化的專業(yè)性也在相互滲透，結合也逐步密切，原有的專業(yè)分工將會打破，從而引起科研、設計、制造、安裝和運行部門的專業(yè)設置、人員配備上的重新調整組合，以適應保護、控制、測量一體化的變電站自動化模式。
f．建議對大中專院校現(xiàn)有專業(yè)設置做相應調整，以利于培養(yǎng)既熟悉繼電保護又掌握電網(wǎng)調度自動化技術的專業(yè)人才。在科研設計、制造和安裝運行管理部門亦應避免專業(yè)分工過細、缺乏統(tǒng)籌考慮的局限性。