0 前言
最近幾年，我國(guó)變電站自動(dòng)化工作取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并已成為變電站電氣設(shè)計(jì)中不可缺少的一項(xiàng)，是保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的一個(gè)重要手段。當(dāng)前變電站自動(dòng)化的技術(shù)特點(diǎn)是新老交替、新老結(jié)合、新老并存。既有以常規(guī)遠(yuǎn)動(dòng)裝置為核心派生的老站改造模式，又有局部或完全分散的新站設(shè)計(jì)模式，更有保護(hù)、監(jiān)控、儀表、錄波、防誤操作等功能合一的一體化解決方案。運(yùn)行管理、設(shè)計(jì)基建、科研制造等不同部門在對(duì)變電站自動(dòng)化的意義和重要性的認(rèn)識(shí)上已基本達(dá)成共識(shí)。
電業(yè)部門(包括大型工礦企業(yè)的自備供用電系統(tǒng))為保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，將投入大量資金和人力物力，而科研制造廠商為順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展需要，更是投入大量開發(fā)經(jīng)費(fèi)，研制新產(chǎn)品。現(xiàn)在全國(guó)省、市、縣各級(jí)電業(yè)部門一般都設(shè)置了變電站改造項(xiàng)目的專用款項(xiàng)，保證了資金的來源。規(guī)劃設(shè)計(jì)部門經(jīng)過土建、占地面積、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備布置等多方面的方案優(yōu)化后也明確了變電站自動(dòng)化的工程概算。國(guó)家計(jì)劃在幾年內(nèi)投入二千多億巨資進(jìn)行城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造，其中相當(dāng)部分的資金將投向數(shù)以萬(wàn)計(jì)的變電站改造及新建項(xiàng)目。為此，為更快更好地實(shí)現(xiàn)更高層次的變電站自動(dòng)化，有必要認(rèn)真總結(jié)其發(fā)展現(xiàn)狀，探討今后的發(fā)展方向，以便更有效地使用人力、物力和資金，避免時(shí)間和資金的浪費(fèi)，爭(zhēng)取在較短的時(shí)間內(nèi)縮小與世界先進(jìn)水平的差距。
1 發(fā)展現(xiàn)狀
從變電站自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程來看可分為3個(gè)階段，第1階段由集中配屏以裝置為核心的方式向分散下放到開關(guān)柜以系統(tǒng)為核心的方式發(fā)展；第2階段由單一功能，相互獨(dú)立向多功能，一體化過渡；第3階段將由傳統(tǒng)的一次、二次設(shè)備相對(duì)分立向相互融合方向發(fā)展，這一點(diǎn)在35kV及10kV的配電系統(tǒng)中更為明顯。
1．1 500kV、330kV超高壓變電站
此類變電站數(shù)量較少，但在電網(wǎng)中的重要性是不言而喻的。因此其自動(dòng)化工作極為慎重，對(duì)老站改造通常傾向于采用傳統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)裝置(RTU)加上位機(jī) (即當(dāng)?shù)毓δ?來構(gòu)成系統(tǒng)，通常采用原裝進(jìn)口設(shè)備或進(jìn)口大散件國(guó)內(nèi)組屏的方式；對(duì)新建站則傾向采用全分散式模式如LSA 678，D 25及DISA，BJ，CSC 2000等。
1．2 220kV、110kV樞紐站
此類變電站數(shù)量較多，全國(guó)約有1 000多座，且部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。除老站改造外，新建站有集中配屏，局部分散和全分散3種模式。由于多為有人值班，對(duì)上位機(jī)(當(dāng)?shù)毓δ?的功能要求較高，系統(tǒng)已從具有單一的監(jiān)控功能擴(kuò)展到具有保護(hù)、儀表、信號(hào)及防誤操作、故障錄波、模擬培訓(xùn)、操作票管理、電壓無功控制、事故恢復(fù)供電、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、設(shè)備管理等功能。老站改造項(xiàng)目越來越少，今后的重點(diǎn)將放在新建站上。
1．3 110kV受控站、終端站及35kV站
此類變電站數(shù)量多達(dá)1萬(wàn)多座，由于受資金人力所限，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的比例較低，但卻是無人值班 (守)站的主要市場(chǎng)。眾所周知，變電站自動(dòng)化和無人值班是2個(gè)不同的概念，不能等同但又有聯(lián)系，無人值班必須以變電站自動(dòng)化為基礎(chǔ)，才能對(duì)操作、故障及突發(fā)事故應(yīng)付自如。今后將有更多的站向無人值班方式過渡。因此上位機(jī)功能逐漸淡化，模擬屏、光字牌、中央信號(hào)、常規(guī)表計(jì)等均可取消，代之以對(duì)間隔(Bay)級(jí)的電氣設(shè)備提出更高的可靠性、可操作性要求，并逐步采用遙視警戒技術(shù)，為無人值守創(chuàng)造條件。目前，尚有大批老站要改造，隨著城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造的實(shí)施，更大批量的新站要建，這是變電站自動(dòng)化繼續(xù)深化發(fā)展的重點(diǎn)。
1．4 10kV及以下變電站
這類變電站通常包括配電站和開閉所，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的比例很小，在大部分地區(qū)還是一片空白，但其數(shù)量卻是最大的，分布也是最廣的。其特點(diǎn)是一般不考慮上位機(jī)功能，按無人值班設(shè)計(jì)，一次、二次設(shè)備已無明顯界限，例上海浦東金藤開發(fā)區(qū)采用的 Schneider公司制造的10kV環(huán)網(wǎng)柜，就是集負(fù)荷開關(guān)、限流熔斷器／斷路器及饋線終端裝置(FFU)于一體的應(yīng)用實(shí)例。10kV配電站的設(shè)計(jì)制造和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的專業(yè)分工已不大明顯，最適合采用面向?qū)ο?/a>(間隔)的保護(hù)、監(jiān)控功能合一的一體化設(shè)計(jì)。
2 新技術(shù)應(yīng)用
2．1 面向?qū)ο蟮囊惑w化設(shè)計(jì)
保護(hù)、監(jiān)控合一(又稱二合一)，保護(hù)、控制、測(cè)量、信號(hào)合一(又稱四合一)實(shí)際上都是指的一體化設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)科研院校，制造廠商如南瑞、四方、清華紫光、南自及東方電子、許繼、阿繼等經(jīng)過多年的開發(fā)已形成了技術(shù)成熟，運(yùn)行可靠的系列化產(chǎn)品(例 DISA、BJ、CSC 900、CSC 2000、DCAD 3200及FDK等)，并取得了寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，得到了廣大用戶的肯定。特別是微機(jī)保護(hù)、監(jiān)控、防誤操作、故障錄波、小電流接地選線等功能的不斷完善，為一體化設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中許多商家也深感唯有一體化的設(shè)計(jì)才能大幅度降低成本，提高性能價(jià)格比，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，保持并擴(kuò)大市場(chǎng)份額。ABB、Merlin Gerin、GE、SIEMENS等外國(guó)公司早在幾年前就已推出一體化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)如四方、南瑞、南自等公司亦已先后推出一體化產(chǎn)品，并取得了成功。
2．1．1 雙CPU插件
以美國(guó)GE公司的DDS系列產(chǎn)品為例，其特點(diǎn)是保護(hù)功能模件與監(jiān)控功能模件均采用16位微處理器且具有相同的標(biāo)準(zhǔn)硬件結(jié)構(gòu)，依靠EPROM中的固化軟件來完成不同功能。如DDS系列中的 DMS有3個(gè)獨(dú)立的CPU，分別管理保護(hù)、控制和通信，這樣做可增強(qiáng)CPU的處理能力，避免CPU負(fù)擔(dān)過重，故可靠性并未降低。DMS還可提供雙重電源，互為熱備用。每個(gè)DMS最多可控制7個(gè)一次設(shè)備，可滿足各種復(fù)雜接線和聯(lián)鎖的要求。此外，DMS還可提供圖形LCD，可實(shí)時(shí)顯示本間隔各設(shè)備的狀態(tài)、測(cè)量值和報(bào)警信息，并對(duì)選中設(shè)備進(jìn)行操作。 DMS采用標(biāo)準(zhǔn)硬件結(jié)構(gòu)，類似PLC的模塊化設(shè)計(jì)，配置靈活，減少了備品備件，特別要指出的是間隔內(nèi)的聯(lián)鎖均可在本間隔的控制器(如DMS或微機(jī)保護(hù))中編程完成，因此，即使通信中斷也不會(huì)影響保護(hù)和當(dāng)?shù)乜刂乒δ艿膶?shí)現(xiàn)。DMS模件與典型間隔的聯(lián)接如圖1所示。
國(guó)內(nèi)類似產(chǎn)品有CSC 900系列等。CSC 900縱向分為2層：站級(jí)層和間隔層(見圖2)，各單元內(nèi)保護(hù)和監(jiān)控相互獨(dú)立，各間隔單元相互獨(dú)立，僅通過站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)(CANnet)互聯(lián)，并同站級(jí)層通信。由于各單元同時(shí)具有獨(dú)立的保護(hù)和監(jiān)控功能模塊，使變電站的二次回路布線大為減少，單元之間和層與層之間均采用現(xiàn)場(chǎng)總線(Field Bus)如CANnet網(wǎng)互聯(lián)，屏柜數(shù)量大為減少，此外常規(guī)的儀表屏，中央信號(hào)控制屏，模擬屏及變送器屏均可取消。而在相應(yīng)的單元裝置上加上相應(yīng)的操作開關(guān)和開關(guān)位置指示燈，作為開關(guān)的后備／應(yīng)急操作和監(jiān)視。
2．1，2 單CPU插件
每個(gè)單元中配一個(gè)CPU模件作為應(yīng)用處理器，在保證完成保護(hù)功能的前提下，同時(shí)兼顧監(jiān)控、通信


等功能。此類產(chǎn)品有CSC 2000系列等。其特點(diǎn)是對(duì) 220kV及以上系統(tǒng)，保護(hù)與監(jiān)控獨(dú)立配置。對(duì)10 kV的間隔層元件可將保護(hù)、測(cè)量和控制通過一個(gè)裝置來實(shí)現(xiàn)，同一間隔內(nèi)同一測(cè)量目的的裝置不再重復(fù)設(shè)置。
CSC 2000可在控制室集中組屏，也適用于間隔層設(shè)備分散在開關(guān)場(chǎng)保護(hù)小間或開關(guān)場(chǎng)柜。開關(guān)柜布置以間隔為單位，保護(hù)、測(cè)量和控制裝置統(tǒng)—組屏設(shè)計(jì)，更能體現(xiàn)分布式特點(diǎn)并發(fā)揮其一體化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。CSC 2000通信網(wǎng)絡(luò)采用Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線為基本測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，站級(jí)工作站之間采用以太網(wǎng)聯(lián)接，便于工作站的監(jiān)視和功能分配等。對(duì)于110kV站，建議采用單Lon網(wǎng)；對(duì)于220kV站建議采用雙Lon網(wǎng)加上—個(gè)故障錄波專用網(wǎng)； 對(duì)于 500kV站，建議采用間隔層測(cè)控裝置直接通過以太網(wǎng)與站級(jí)主站聯(lián)接方案(見圖3)。


2．2 采用SPDnet網(wǎng)通信
變電站足電網(wǎng)的信息源，也是電網(wǎng)的主要監(jiān)控點(diǎn)之—，從網(wǎng)絡(luò)概念出發(fā)，變電站就是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，因此隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與國(guó)家電力數(shù)據(jù)網(wǎng) SPDnet(Stale Powel Data network)的通信也提到了議事日程。
傳統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)信息傳輸是采用串行接口(RS-232C或RS-422)加調(diào)制解調(diào)器(MODEM)方式，速率為0．6-1．2 kbit／s。隨著電力通信網(wǎng)從電力載波、模擬微波到數(shù)字微波、光纖通道的發(fā)展，這種在高速(64kbit／s)數(shù)字信道上傳輸?shù)退倌M信號(hào)的方式，不僅是對(duì)通道帶寬資源的浪費(fèi)，而且數(shù)字-模擬-數(shù)字的二重轉(zhuǎn)換既造成技術(shù)的不合理，又增加了設(shè)備費(fèi)用，降低了傳輸可靠性。
國(guó)外在80年代未期開始變電站RTU上網(wǎng)的研究，并已得到應(yīng)用，我國(guó)在1997年因全國(guó)聯(lián)網(wǎng)工程的開展也開始了RTU上網(wǎng)的嘗試。RTU上網(wǎng)可根據(jù)其受控主站前臂系統(tǒng)(FE)和RTU的結(jié)構(gòu)及通信規(guī)約，采用以下2種模式。
2．2．1 PAD模式
PAD是分組交換網(wǎng)中的一種終端接口設(shè)備，支持異步方式遠(yuǎn)動(dòng)通信規(guī)約。該模式通過SPDnet建立一條透明的邏輯通道，RTU和FE不需作任何改動(dòng)，仍采用串行接口和原有的通信規(guī)約．按就近入網(wǎng)方式接入SPDnet節(jié)點(diǎn)，如圖4所示；優(yōu)點(diǎn)是原有硬件設(shè)備和通信規(guī)約不變，缺點(diǎn)是主站與廠站仍是一對(duì)—方式通信，該模式適用于老站改造項(xiàng)目。
2．2．2 TCP／IP模式
由：于Internet網(wǎng)的快速發(fā)展，TCP／IP協(xié)議得到了廣泛應(yīng)用，已成為一種事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有的計(jì)算機(jī)廠商和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品都將其作為基本協(xié)議。最近興起的廣域網(wǎng)IP技術(shù)更是為WAN的交換提供了快捷的解決途徑。因此，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(RTU)上網(wǎng)采用TCP／IP技術(shù)是順應(yīng)當(dāng)今計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展潮流的明智選擇。
該模式要求變電站自動(dòng)化系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸

層支持TCP／IP協(xié)議，在應(yīng)用層支持遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議 IEC60870-5-104或計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信協(xié)議IEC60870- 6TASE．2(ICCP)協(xié)議，該模式適用于新建站的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)，如圖5所示。目前國(guó)外的知名廠商如Harris、CAE、ABB和SIEMENS等均有支持 TCP/IP技術(shù)的新一代產(chǎn)品面世，國(guó)內(nèi)的廠商亦在積極開展這方面的探索和試制工作。
對(duì)于大部分已投運(yùn)的廠站，可采用在RTU上加裝TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換器的方式接入SPDnet，這樣原有的通信規(guī)約和RTU的結(jié)構(gòu)可保持不變。該模式要求各主站端的前置機(jī)系統(tǒng)支持上述網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和協(xié)議，從而使各相關(guān)主站可以共享廠站的實(shí)時(shí)信息，從根本上解決困擾遠(yuǎn)動(dòng)領(lǐng)域多年的信息轉(zhuǎn)發(fā)和一發(fā)多收問題。
變電站自動(dòng)化系統(tǒng)接入SPDnet的設(shè)備可選用 2Mbit／s帶寬，支持ATM／IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。國(guó)內(nèi)目前已建和將建的電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)其交換節(jié)點(diǎn)之間的中繼路由，基于微波電路的帶寬為2M~nx2Mbit／ s，基于光纖電路的帶寬可達(dá)155、622 Mbit／s甚至 2．5 Gbit／s，完全可滿足遠(yuǎn)動(dòng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。而數(shù)據(jù)網(wǎng)所具有的路由自動(dòng)選擇功能，亦大大提高了傳輸可靠性。據(jù)國(guó)內(nèi)某500kV站基于64 kbit／s帶寬，傳輸距離長(zhǎng)達(dá)1 000多km RTU上網(wǎng)測(cè)試結(jié)果表明，遙信傳輸為1．363s，遙測(cè)為1．556s，遙控為0．7 s，均比傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)傳輸方式時(shí)間短。
綜上所述，采用TCP／IP+IEC60870-104或TASE．2模式是今后變電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展方向，對(duì)老站改造可采用PAD或 TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換器方式，來解決數(shù)據(jù)網(wǎng)建成后遠(yuǎn)動(dòng)信息的接入。
我國(guó)現(xiàn)行的調(diào)度管理體制是按電壓等級(jí)而不是按地域分布來劃分其管轄范圍的，因此許多變電站的RTU需具有一發(fā)多收的功能，其中超高壓站還需配備主、備通道。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一座超高壓站用于自動(dòng)化的專用通道可多達(dá)6-7條，且都按變電站直接聯(lián)到主站的方式設(shè)計(jì)，占用了大量的信道資源。RTU上網(wǎng)將從根本上改變傳統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)傳輸模式，使一個(gè)廠站既可接受多個(gè)調(diào)度主站的監(jiān)控又可使多個(gè)調(diào)度主站共享同一廠站的實(shí)時(shí)信息，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。更重要的是徹底消除了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)造成的時(shí)延，從而保證了電網(wǎng)EMS應(yīng)用軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的同時(shí)性和一致性。


3 結(jié)淪
(1)變電站自動(dòng)化的實(shí)施正在促使變電站的管理結(jié)構(gòu)和規(guī)劃設(shè)計(jì)發(fā)生深刻的變化。無人值班方式必將逐步取代有人值班方式，并有從中、低壓站向高壓、超高壓站延伸，從城市站向郊外站發(fā)展的趨勢(shì)．建議對(duì)新建站優(yōu)先采用面向?qū)ο蟮囊惑w化設(shè)計(jì)，按無人值班方式設(shè)計(jì)，一步到位，避免二次建設(shè)。(2)變電站自動(dòng)化選用標(biāo)準(zhǔn)通用的軟、硬件環(huán)境和開放式結(jié)構(gòu)是大勢(shì)所趨，也是推廣普及的關(guān)鍵所在，建議制造廠商優(yōu)先采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的軟、硬件技術(shù)和通信協(xié)議，以便為國(guó)產(chǎn)設(shè)備進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)創(chuàng)造條件。(3)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)直接上以太網(wǎng)可使主站端取消傳統(tǒng)的前置系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的一發(fā)多收，資源共享，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)模式的一次革命，必將成為今后的發(fā)展方向。(4)從事變電站自動(dòng)化工作的規(guī)劃設(shè)計(jì)、開發(fā)制造、管理維護(hù)人員，將由單一專業(yè)、分工精細(xì)逐步向一專多能、專業(yè)淡化方向過渡，現(xiàn)有的運(yùn)行規(guī)程、管理法規(guī)等急需修訂，現(xiàn)有的管理體制急需改革，以適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展需要。