自動化系統作為智能變電站的核心環節，其功能分布、網絡結構、和調度間的信息交換方式對于智能變電站的建設至關重要。為適應智能電網的發展要求，有必要認真思考智能變電站自動化系統的功能分布、網絡冗余、信息共享、遠程交互等技術，探索新型智能變電站自動化系統體系架構，促進智能變電站技術的進一步發展。
1）系統安全可靠需求
目前智能變電站保護、測控功能實現環節較多，整體響應時間較長，可靠性和速動性相對于傳統保護和測控略有下降，不同功能之間還存在部分橫向耦合。另外，通信環節可靠性直接影響著整個變電站自動化系統的穩定和安全運行，需要研究新的雙網冗余機制，實現標準化的、無縫網絡切換。
2）信息全網共享
限于遠動通信規約傳輸容量和調度系統數據容量，智能變電站無法遠傳所有數據。現有主子站信息交互方式已成為提高電網運行監視及控制水平的瓶頸。
3）分布式應用支撐
目前國內外已開展了一些分布式應用的研究，但由于調度與變電站長期以來一直分立建設，缺少統一設計，使得分布式應用的應用策略、交互接口等不統一，造成智能變電站的現有應用尚未與調度主站相應應用實現廣域協同。
4）系統維護可視化
智能變電站網絡虛回路，缺乏直觀有效的展示手段，運維人員無法掌握全站的二次虛回路、物理鏈路和裝置間的關聯關系。二次回路故障定位也較困難，給緊急處理的快速性和檢修的效率帶來一定影響。
1.新的系統架構
1.1架構示意圖
為實現上述需求，本文探討了一種新型變電站自動化系統實現方案。該系統可以減少功能實現環節、減少虛端子數量、提升網絡冗余性能，提升變電站對各級調控主站的支撐能力。典型的220kV智能變電站自動化系統結構如圖1所示，線路間隔的間隔層設備和過程層設備進行了縱向集成整合，系統網絡采用并行冗余網絡協議（PRP）實現雙網，監控功能實現面向服務統一設計。
圖1220kV新型智能變電站自動化系統架構示意圖
1.2縱向集成的間隔設備
縱向集成的間隔設備是將線路、母聯等間隔的過程層合并單元、智能終端功能和間隔層保護、測控功能進行集成，在一套裝置中實現采集、保護邏輯或測控計算、出口輸出。該裝置通過MMS協議和站控層設備進行通信，向變電站其他設備輸出采樣值報文和GOOSE報文，并接收變電站其他設備的GOOSE控制報文，進行出口控制。如此，可以減少保護、測控功能實現環節，提高就地保護速動性和可靠性。站域保護、備自投、安全穩定控制裝置等跨間隔的二次設備，則通過過程層接口，以網絡方式接收由間隔縱向集成裝置采集的開關量和模擬量，并通過過程層光口，以網絡方式將控制輸出傳輸至面向間隔的保護或測控裝置中，實現對間隔的跳合閘和控制操作。
如圖2是一個典型的110kV線路間隔縱向集成裝置配置示意圖。其集成了本間隔合并單元、智能終端、保護、測控功能，實現保護、測控所需的電氣量的采集，實現與保護和測控相關的開關量采集和控制輸出，并通過過程層接口與其它裝置通訊，實現SV發送和GOOSE信息交互，站控層接口不變。
圖2110kV線路間隔縱向集成裝置示意圖
220kV及以上的高壓線路間隔一般要求保護、測控在不同裝置中實現。可以將保護、測控功能進行解耦，分別研制新型多功能保護裝置和多功能測控裝置。新型保護裝置集成保護相關的合并單元和智能終端功能，測控裝置集成自動化相關過程層功能。如此可以實現保護、測控功能解耦，便于運維管理。
1.3并行冗余的通信網絡
并行冗余協議（PRP）是ABB公司首先提出，IEC62439-3規定它的實現方式，其使用遵從PRP協議的雙連接節點(DANP)執行冗余。PRP的網絡冗余，是在鏈路層實現，可以實現雙網的無縫切換，同時易于實現標準化，利于不同廠家設備的互操作。IEC61850第二版核心標準和技術報告都推薦推薦采用PRP實現雙網冗余，ABB、西門子等國際知名公司已經進行了多次互操作試驗。
1.4面向服務的監控功能
面向服務的監控功能統一設計了標準化的底層平臺，改變以往調度與變電站系統的單一性交互手段，設計了各種交互服務，并采用面向服務的廣域服務總線，實現縱向的服務靈活調用和信息互聯互通，為調度與變電站系統的各類分布式應用協同提供了支撐，提高調度與變電站的標準化、一體化和互動化水平。在此架構基礎上，對目前智能變電站的應用功能進行分析和總結，按照分布式一體化原則來設計和開發面向服務的變電站應用功能，實現調度與變電站之間廣域協同的分布式一體化應用。系統架構具有良好的動態可伸縮性，既有能力支撐已有的應用，也可以方便地支撐新的業務功能，適應未來發展的新需求。
系統面向調度與變電站之間的信息按需共享和分布式應用信息交互需求，建立了面向調度的變電站各類支撐交互服務，包括狀態估計服務、順序控制服務、智能告警服務、遠程畫面瀏覽服務、模型服務、歷史數據查詢服務、安全認證服務等，支撐調度主站全網狀態估計、綜合智能告警、遠方順序控制、遠程瀏覽、歷史數據查詢等應用功能，為調度與變電站的廣域應用協同奠定技術基礎，支撐調度主站對變電站的全景觀測。
2關鍵技術
2.1面向間隔的縱向集成裝置實現技術
縱向集成裝置集成了合并單元、智能終端的功能，對裝置的硬件、軟件提出了更高的要求。需要研究高性能微處理器和可編程邏輯器件，提高數據運算和處理速度。同時需要研究裝置內部不同智能模塊間高速數據交換技術，基于LVDS的同步傳輸技術、基于SERDES的串行傳輸技術和基于標準以太網的交換式傳輸技術各具特色，可以根據實際需求選擇其中一種方案。
針對220kV及以上縱向集成裝置，需要解決220kV間隔的合并單元、智能終端、保護功能的整合方法，以及如何利用最短最優的信息流路徑，充分提高采樣和動作響應速度，提高裝置可靠性和設備性能。針對110kV及以下縱向集成裝置，需要集成具有采集、控制、測量、計量、監測及保護功能，還需研究高精度量測算法的整合方法，以滿足計量和監測的數據精度要求。
2.2基于PRP協議的網絡冗余技術
對于裝置類設備，需要研究基于PRP協議的網絡接口模塊，實現DANP節點功能；對于站控層服務器類設備，需要研制支持PRP協議的PCIe接口插卡。
在PRP網絡中不易實現基于IEEE1588的精確對時。IEC62439-3給出了基于PRP的1588實現原理，對于硬件及軟件要求較高。需要研究基于PRP協議的1588對時機理，研究基于FPGA技術的精確對時實現方式。
目前國內的智能變電站中220kV及以上電壓等級的過程層設備及網絡廣泛采用雙套冗余方式，考慮建設成本不必采用PRP實現網絡冗余。在站控層網絡實現PRP協議只需改造間隔層設備的網絡接口，同時將站控層服務器類設備的網卡改為基于PCIe的PRP插卡，對建設成本影響不大。
2.3基于服務的主子站遠程交互技術
參考目前網省調主站之間的服務總線通信，主子站遠程交互可采用基于面向服務架構（SOA）的廣域服務總線，設計上需要滿足調度主站與變電站之間電力實時監控環境要求，縱向上能夠貫通各級調度和變電站系統，橫向上能夠貫穿變電站三個安全分區，以實現縱向和橫向的服務靈活調用和信息互聯互通，為各類一體化協同應用服務的研發提供支撐。基于服務的主子站遠程交互在變電站側要建立各種主站需要的基本服務和應用服務，而主站側不僅要建立各種服務調用，還要建立各種服務管理，負責變電站各種服務的注冊、定位以及監控的統一管理。
安全性也是主子站遠程交互的重要方面，特別是遠方操作與運維的安全能否保證已成為支撐變電站無人值班的關鍵問題。在傳統縱向加密認證的基礎上，需要進一步研究主子站一體化縱深安全認證策略，建立主子站間數字簽名、權限認證等二次安全防護機制，保障主子站遠程交互安全。
2.4變電站遠方全景觀測技術
變電站遠程全景觀測技術可分為站端全景數據的統一采集、處理和分析，以及調度主站按需調閱方法和機制兩方面。站端全景數據的統一采集、處理和分析是實現遠方全景觀測的基礎，全景數據應包含變電站有人值班時運行監視相關的所有數據。隨著智能變電站建設的深入發展，變電站全景數據將在站端實現統一采集和存儲，但由于變電站全景數據量過大，還需要進一步研究站端一、二次設備狀態監測技術，對全景數據進行統一地分析和預處理，平常只傳輸設備運行狀態分析結果信息至遠方，而不是直接傳輸全部的全景數據。
另一方面是研究設備故障時遠方按需調閱變電站全景數據的方法。基于廣域服務總線技術，研究變電站歷史數據查詢服務、遠程畫面瀏覽服務等各類支撐服務，支持遠方按需調閱。
2.5電網分布式應用技術
分布式應用策略需要統一設計才能發揮優勢，要既能利用變電站的數據冗余性和快速處理能力，又能利用調度主站的全局性和經濟性，形成主子站應用的互補，而不是簡單的重復處理。例如分布式狀態估計，可以在變電站建立拓撲錯誤辨識服務，充分利用站內多源冗余的三相量測，快速辨識修正錯誤的開關位置遙信，為調度狀態估計提供正確的網絡拓撲，從而提高全網狀態估計結果的可信度和準確性。
基于分布式應用策略，電網分布式應用還要重點研究建立主子站應用交互機制，通過建立子站端應用服務，與調度主站應用通過廣域服務總線實現協同。根據具體策略進行應用信息交互接口設計，如訂閱發布接口、請求響應接口等。
2.6系統維護可視化技術
為了方便調試人員對新型二次設備和系統進行調試操作，利于觀察調試過程和結果，可視化技術需要運用在仿真調試的過程之中，讓調試人員能夠方便地啟動調試、實時觀察數據，以及調試過程中出現的異常情況。最終達到仿真調試操作步驟簡單，各種顯示效果簡潔直觀，功能實用的效果。
為了檢查二次裝置是否發出了GOOSE報文以及報文內容是否正確，需要對GOOSE報文進行在線監聽。為提高調試的智能化水平，需要在解析報文的基礎之上，根據模型數據，進行報文數據正確性的判斷，并對錯誤數據給出提示，幫助調試人員快速查找錯誤。
有時在聯調階段會出現裝置或調試儀器不能及時到位的情況，為了保證調試進度，可以利用計算機軟件作為替代，仿真裝置發送GOOSE報文。若是基于模型數據，則調試人員可根據調試需要，方便地設定需要仿真的若干裝置所發送的報文內容。
在對SV9-2報文進行監聽時，由于缺乏與模型數據等實際調試情況的關聯性，現有計算機軟件分析SV9-2報文的結果不夠直觀。為了更有利于調試人員觀察數據，可以在解析報文的基礎之上，結合模型數據和調試設置，顯示報文數據，包括各個被監聽通道的幅值、相位差，品質等信息。
3應用與展望
目前，縱向集成裝置已在中低壓等級得到推廣應用。在新一代智能變電站建設中，35kV及以下多合一裝置已實現了面向間隔的縱向功能集成，融合了保護、測控、合并單元和智能終端功能，并已在國家電網公司6座新一代智能變電站示范工程中應用，并將在國家電網公司50座新一代智能變電站擴大示范工程中推廣應用。
智能變電站與調度主站之間的信息共享和應用協同問題已引起廣泛重視，國家電網公司正在制定相關的服務接口規范。隨著相關標準規范的發布，監控面向服務的變電站二次系統將得到廣泛應用，為調控一體提供堅實的技術支撐。
采用縱向集成的間隔設備、并行冗余的通信網絡、面向服務的監控功能等新技術的新型變電站自動化系統符合智能電網的需求，符合智能變電站的發展趨勢，具有廣闊的應用前景。
本文提出的變電站自動化系統新方案的推廣應用還需要探討以下問題：
1）縱向集成裝置的安裝方式。集成裝置的安裝有戶外柜、預制艙、小室等方式，各有利弊。戶外柜占地少、電纜短，裝置運行環境相對較差，運維不便。智能變電站合并單元、智能終端普遍采用戶外柜安裝方式，本文介紹的縱向集成裝置和它們類似，可以采用該安裝方式。預制艙占地較少，環境防護能力好，運維條件也相對好一些。小室安裝電纜相對較長，裝置運行條件最好，便于維護。考慮二次設備在全站的成本比重、重要程度、及全壽命周期可用性，小室安裝也值得考慮采用。目前，國家電網公司正在開展就地化無防護安裝設備的關鍵技術研究，目標是實現二次設備的無防護安裝與更換式檢修，為縱向集成裝置的就地化安裝提供了一種新的解決方案。
2）母差保護和間隔縱向集成裝置的關系。該方案母差保護依賴于間隔集成裝置，其采樣值輸入和狀態量輸入來自集成裝置，控制輸出發給間隔集成裝置執行。它們的關系類似于母差保護和合并單元、智能終端的關系。需要探討的是間隔線路保護檢修對于母差保護的影響。110kV線路通常采用保護單套配置，線路主保護檢修一般會將線路停電，母差保護只需要將該間隔置檢修標志即可。220kV線路通常采用保護雙套配置，其中一套線路主保護檢修時，如果不停線路，則需要退出對應的那套母差保護，另一套母差保護仍然可以正常運行。因此，縱向集成裝置對于母差保護的影響和目前智能變電站合并單元、智能終端對于母差保護的影響類似。國內也有專家提出為母差保護設置獨立的間隔子單元的方案，它和間隔集成裝置獨立，實現母差保護的過程層輸入輸出功能，可以實現母差和線路間隔保護功能的相互獨立，但需要增加設備。