摘　要：对国内变电站自动化技术的成长历程作了回首，提出了在全涣散式变电站自动化系统宜重点关注的技术关头。同时亦介绍了国外变电站自动化技术的成长和现状。还着重提出了从此变电站自动化新技术动向，以供探讨。
关头词：自动化；综述；变电站
分类号：TM63；TM76　文献标识码：B
文章编号：1006-6047(2000)01-0038-05

ASummaryofSubstationAutomationTechnology

ZHAOZu-kang
（NanjingAutomationResearchInstitute，Nanjing210003,China）
XUShi-ming
（NanjingAutomationResearchInstitute，Nanjing210003,China）

Abstract：ThedevelopmentofsubstationautomationtechnologyinChinaispresented,andsomekeytechniquesinthisfieldareputforward.Thesituationofsubstationautomationabroadisalsointroduced.Thenewtechnicalorientationofsubstationautomationasafocalpointisprovided.
Keywords：automation;summary;substation▲

0　引言

　　迎接新世纪到来的今天，面临从此年夜变电站建设改造的使命，研究和分析国内外变电站自动化技术是很有需要的。变电站自动化自20世纪90年月以来一直是我国电力行中的热门。其所以成为热门，一是建设的需要，二是市场的身分。今朝全国投进电网运行的35～110kV变电站约18000座(不包括用户变)，220kV变电站约有1000座，则500kV变电站年夜约有50座。而且每一年变电站的数目以3～5的速度增加，也就是说每一年都有千百座新建电站投进电网运行。同时凭据电网的要求，每一年又有很多变电站进行技术改造，以提高自动化水平。近十年来我国变电站自动化技术，不管是从国外引进的，仍是国内自行开发研制的系统和装备，在技术和数目上都有显著的成长。

1　国内变电站自动化技术

　　当前“变电站自动化”是将变电站中的微机庇护、微机监控等装配经由过程计较机网络和现代通讯技术集成为一体化的自动化系统。它取消了传统的控制屏台、表计等常规装备，因而节省了控制电缆，缩小了控制室面积。传统的35kV以上电压品级的变电站的二次回路部门是由继电庇护、当地监控、远动装配、故障录波和测距、直流系统与尽缘监视及通讯等各类装配组成的，以往它们各自采用自力的装配来完成自身的功能且均自成系统，由此不成避免地发生各类装配之间功能相互笼盖，部件重复设置装备摆设，耗用年夜的毗连线和电缆。80年月由于微机技术的成长，远动终端、当地监控、故障录波等装配相继更新换代，实现了微机化。这些微机化的装备虽然功能各异，但其数据收集、输进输出回路等硬件结构年夜体相似，因而统一斟酌变电站二次回路各类功能的集成化自动化系统，自然遭到人们的青睐。但那时的变电站自动化系统现实上是在RTU根蒂根基上加上一台微机为中心确当地监控系统(见图1)，不单未触及继电庇护，就连原本的传统的控制屏台仍予保留。这可以说是国内变电站自动化技术的阶段。

图1　以RTU为根蒂根基的变电站自动化系统

　　90年月数字庇护技术(即微机庇护)的普遍运用，使变电站自动化取得实性的进展。90年月初研制出的变电站自动化系统是在变电站控制室内设置计较机系统作为变电站自动化的心脏，另设置一数据收集和控制部件用以收集数据和发出控制饬令。微机庇护柜除庇护部件外，每柜有一经管单元，其串行口和变电站自动化系统的数据收集和控制部件相毗连，传送庇护装配的各类信息和参数，整定和显示庇护定值，投/停庇护装配，此类集中式变电站自动化系统可以认为是国内变电站自动化系统的第二阶段。图2是此类系统的典型框图。

图2　集中式变电站自动化系统典型框图

　　90年月中期，随着计较机技术、网络技术及通讯技术的飞速成长，同时连系变电站的现实情况，各类涣散式变电站自动化系统纷纷研制成功和投进运行。涣散式系统的特点是各现场输进输出单元部件划分安装在中低压开关柜或高压一次装备四周，现场单元部件可所以庇护和监控功能的二合一装配，用以处置各开关单元的继电庇护和监控功能，亦可所以现场的微机庇护和监控部件划分连结其自力性。在变电站控制室内设置计较机系统，对各现场单元部件进行通讯联系。通讯方式可以采用经常使用的串行口如RS-232C，RS-422/485。但近年推出的涣散式变电站自动化系统更多地采用了网络技术，如LonWorks(LocalOperationNetwork)或CAN(ControlAreaNetwork)等现场总线型网，至于变电站自动化的功能，则将远测远信收集及处置，远控饬令执行和继电庇护功能等均由现场单元部件自力完成，并将这些信息经由过程网络送至后台主计较机。而变电站自动化的综合功能均由后台主计较机系统承当。此类涣散式变电站自动化系统可视为第三阶段。
　　上述各类变电站自动化系统的推出，由于技术的成长，虽有时间前后，但其实不存在前后替换的情况，各类系统可凭据变电站的现实情况，予以选配。如以RTU为根蒂根基的变电站自动化系统可用于已建变电站的自动化改造，而涣散式变电站自动化系统更适用于新建高压变电站。
　　在国内变电站自动化技术成长进程中，尤其是全涣散式变电站自动化系统，以下技术关头是应当予以重点关注的。
1.1　现场单元功能与性能
　　在全涣散式变电站自动化系统中，特点是以变电站一次装备(如凹凸压开关等)为单元，在一次装备现场设置装备摆设监控和庇护的现场输进输出单元。如前节所述，现场单元可所以监控和庇护二合一装配，亦可以连结相对自力，但有一点是配合的，就是现场单元要求能自力完成监控和庇护的功能。
　　监控现场单元的基本功能为远丈收集及计较，远信收集及处置，电能脉冲收集及累计，远控饬令接收与执行，对关头芯片的按时自检，与庇护单元的通讯(当与庇护单元连结相对自力时)，当地显示。
　　庇护现场单元的基本功能为凭据安装单元的继电庇护设置装备摆设完成庇护功能，接收与执行后台机下发的庇护定值修改，自检功能，发送庇护装配的工作信息、告警信息、动作信息、自检信息，与上级对时，接收与发送上级对庇护装配整定值和丈值的查询，庇护装配复回，当地显示。
　　凭据各变电站现实情况，现场单元有安装在现场户内开关室内的，亦有安装在户外开关四周小室或露天封锁箱内的，情况条件较控制室内严肃，是以现场单元的性能必需知足在现场条件下平安稳定的运行。
　　为此，其性能要求为户外情况温度可按A类-20℃～ 60℃,B类-40℃～ 85℃(今朝还没有制定)，湿度为0～95相对湿度，避免电磁感应，避免雷电流，防开关开应时振动影响(如接点发抖，毗连松动等)，MTBF>10000h，与外部电气回路应有光电隔离。
1.2　网络结构与通讯
　　在变电站自动化系统中经常使用的串行通讯接口RS-232C，RS-422/485虽有接口尺度化、规范化和大都智能单元IED接口利便的点，但不足的地方是RS-232C通讯有用距离短(15m)，而RS-485总线为主从结构，主接点工作忙碌时，影响系统性能和靠得住性。
　　是以在变电站自动化向涣散式系统成长时，采用计较机网络的点来替换传统串口通讯成为一种趋向。计较机网络内计较机之间是相互自力的和平等的(PeertoPeer)，今朝国内推出的系统采用较多的是现场总线型通讯方式，如CAN及LonWorks。现场总线网是一种多点同享的广播通讯信道网，较点对点通讯信道网(星形网)为，各结点连在一条总线上(亦可采用冗余总线)，不象星形网二结点间通讯需经由过程中心结点。固然总线型网要有控制机构解决两个以上结点同时发送信息的冲突。现场总线网还可以设置信息传输先级，放置信息传输的前后，这与变电站各类信息有分歧传输响应时间的要求是相顺应的。
　　至于通讯，针对变电站自动化系统安装于这样一个高电压、年夜电场的开关站内，尤其是涣散式系统，变电站控制室内后台计较机和现场单元之间的站内通道，必需斟酌电磁影响，今朝光纤通讯已获得比力普遍的采用。

2　国外变电站自动化技术

　　国外变电站自动化技术的成长是从80年月起头的。以德国西门子公司为例，该公司于1985年投运了套变电站自动化系统LSA-678，尔后陆续在德国及欧洲投运的该型变电站自动化系统达300多套。在中国，1995年亦投运了该公司的LSA-678变电站自动化系统。
　　LSA-678的系统结构有两类，一类是全涣散式的系统，另外一类是集中与涣散相连系的系统。该两类系统均由6MB测控系统，7S/7U庇护系统，8TK开关闭锁系统三部门组成。
　　控制主单元6MB51是6MB测控系统的心脏，选用32位386/486芯片，它经管I/O单元6MB52，并经由过程6MB52和7S/7U数字庇护单元通讯。而6MB52一般涣散安装在中低压开关柜上，完成开关、丈值、脉冲的收集，执行主单元的开关操作饬令，对交流采样值进行P，Q计较等。系统框图见图3。

图3　全涣散式LSA678系统框图

　　另外一类集中与涣散相连系的系统采用了站控单元6MB55，它既有6MB51的功能又有RTU的功能，一般用于扩建的变电站，对已建部门采用集中方式，而对扩建部门则采用上述全涣散式经由过程6MB52I/O单元对各开关单元进行监控和庇护。
　　日本在90年月亦新建和扩建了多座高压变电站，采用了以计较机监控系统为根蒂根基的运行支援系统。其主要特点是继电庇护装配下放至开关现场，并设置微机控制终端，收集丈值和开关接点信息，经由过程光缆传输至主控制室的后台计较机系统，开关及隔脱离关操作饬令亦由主控制室经由过程光缆下达至终端执行。主控制室计较机系统采用双以太网，设置装备摆设有2台主计较机和1台培训用计较机。
　　庇护下放有直接置于各高压开关旁密闭箱内的，内有除湿用加热器，但不设空调降温；有置于开关四周庇护室内的。
　　至于美国变电站自动化今朝投运的年夜体有三类。一是以RTU为根蒂根基进行实时数据收集，设置装备摆设微机作当地功能，并和上级调剂中心通讯；二是以通用计较机为数据收集装备，不单收集实时数据而且建立历史数据库，并经由过程计较机网(以太网)与远程工作站联络；三是采用MODBUS-PLUS(1Mbit/s),庇护监控I/O等部件均经由过程规约转换器(gateway)接进该网，并经由过程RTU与调剂中心联系，网上尺度计较机建立实时、历史数据库和提供人机联系画面等。
　　总的看来国外变电站自动化技术的成长趋向和国内成长趋向基本上是一致的，技术差距不年夜。积极成长国内变电站自动化技术，进进市场是指日可待的。

3　变电站自动化技术新动向

　　变电站自动化系统不管国内国外均是向全涣散式系统成长，并与计较机技术、网络技术和通讯新技术慎密联络，未来变电站自动化新技术动向主要浮现在以下几个方面。
3.1　系统结构
　　从变电站自动化系统的设计思想角度来看，设计者对变电站测控的看法已实现从局部到整体的转化。今朝的变电站自动化系统中，面向对象技术已成为一个十分流行的趋向，即不单纯斟酌某一个，而是为某一装备配备完整的庇护和监控功能装配，以完成特定的功能，从而保证了系统的散布式开放性。从技术成长的趋向看，未来的测控装备还将和一次装备完全融合，即实现所谓的智能一次装备，每一个对象均含有庇护、监控、计费、操作、闭锁等一系列功能及信息库，面向自动化的仅是一对通讯双绞线，该双绞线以网络方式和计较机相连。
　　设计思想的成长致使了系统结构的成长，原先的自动化系统基本只能集中配屏，由于面向对象设计思想的深进和一次装备的整体化设计，系统结构将由集中式向部门涣散式或全涣散式成长，变电站内可能将不再具有规模庞年夜的测控屏和年夜毗连旌旗灯号源和测控屏之间的铜芯电缆，全数测控装配下放在就地，实现所有功能，而在控制室，取而代之的是一个计较机显示器甚至仅为一台姑且监视、操作使用的便携机。
　　完全涣散式的实现依托于现在成长很快的计较机及网络技术，出格是现场总线技术。这一技术的使用已使得自动化系统的实现简单得多，性能上也年夜年夜于以往的系统，并可解决以往系统中RS-485链路信息传输的实时性问题，和旌旗灯号传输的容问题。
3.2　通讯及规约
　　一个典型的变电站自动化系统，可分为三个条理，(如图4所示)。三个条理划分为：①现场I/O层，用于和现场一次装备的旌旗灯号和控制相连；②通讯层，完成上位机(Workstation)和数据终端装备(DCU)的数据和饬令传输；③计较机经管层，完成响应的SCADA及变电站经管功能和其它响应的辅助功能。由图可见，通讯层在这里起着举足轻重的作用。网络技术的普及化更使自动化系统发生了基本的变化，这些变化将集中浮现在以下几个方面。

图4　典型的变电站自动化系统

3.2.1　在测控单元和通讯单元之间
　　首先是将引进现场总线技术，由于涣散式系统的推出，成百个CPU将在变电站之内运行，传统的RS-485通讯已不能胜任此项使命，而现场总线技术不仅具有高速(达1MHz及以上)传输特征，而且具有“多路侦听，自动上送”的功能，解决了多CPU系统的信息传输及突发事务先传输的问题。今朝的现场总线有CAN，LonWorks，HART，Profibus，FF等。而FF现场总线(FoundationFieldbus)在进程自动化领域中获得普遍支持，是具有秀成长前景的技术，它集中了150多个厂商的智慧而制定的WorldFIP协议，是未来现场总线的选方案。国内变电站自动化已年夜规模推行并已有年夜变电站实现无人值班，作为“枢纽工程”的通讯系统，必需采用双网络来提高系统的靠得住性。在通讯前言方面，光纤是较为理想的通讯前言，但由于价格及施工利便等方面的身分，双绞线仍将被普遍采用；在通讯协议上，今朝国内已制定了IEC60870-5-103规约用于测控单元和通讯单元间的通讯，但此协议仅适用于RS-485链路，不能适用于今朝的各现场总线传输。随着FF现场总线的推行，有可能给年夜家提供一个统一的数据传输协议。
3.2.2　在当地计较机和通讯单元方面
　　由于哄骗变电站自动化来实现无人值班，是以其传递的信息容将很年夜(不仅要传递监控、庇护的信息，还要传递数字电、录波及其它平安自动装配的信息)。这样年夜容的信息用RS-485来传输显然已不行，而事实上，计较机(工作站)及LAN技术已十分成熟，哄骗LAN来传输信息已成为近距离计较机通讯的选方案。是以在通讯单元和当地计较机间将用以太网来毗连，遵循IEE802.3尺度，按TCP/IP协议以10MHz/100MHz的速度传输信息。当地计较机可用PC或工作站，软件建立在统一TCP/IP协议上，可相互通用。从系统整体的靠得住性斟酌，配备双通讯单元、双以太网、双计较机实现信息的传输及经管。一般来说，该方案的通讯前言年夜多采用双绞线。
3.2.3　与多个控制中心的毗连
　　与控制中心(远方计较机)的毗连突出地浮现在通道和通讯协议上。在通讯通道上，有传统的微波、载波、光纤、卫星等传输链路，这些通道基本上是线或姑且线。而近年来成长的网络技术可为其提供一个或多个虚拟通道，尤其是国家电力一级数据网的建立，为这类数据传输方式提供了强有力的手段；在通讯协议上，传统意义上的RS-232链路已有国家尺度IEC60870-5-101支持；在实时数据网上，可哄骗TCP/IP协议数据上网，上网方式可所以RS-232尺度，亦可能按IEE802.3尺度。
　　可见，变电站自动化的信息传输已逐渐向网络标的目的成长，并将由局域网互联向广域网互联成长，由此而带来的电力系统信息同享的益处将是庞大的。
3.3　系统性能
　　由于变电站自动化已年夜运用于各电压品级的变电站，且已有年夜变电站实现无人值班，是以在靠得住性方面的研究将是持久的。可将靠得住性分为二部门：一部门是系统自己的，如控制器工作的电磁兼容性、软件容错技术、软件冗余技术、工艺结构等；另外一方面是对外界身分的抵当能力，如雷电、过流、过压、强震和凹凸温、湿度等情况身分。
　　早期的变电站自动化系统仅是实现基本四远功能对基本的变电经管功能，而未来的变电站自动化系统将赋予一些新的功能。
　　今朝的变电站自动化系统测控技术已基本成熟，而且已使用网络技术将变电站之内的许多智能装配进行互联及实现信息同享。但系统之内的许多资本远没有充实哄骗(如：用于测控的CPU的速度都很高，还远未阐扬其作用；同享的资本十分丰硕，却仅作一些统计之用)。是以，充实哄骗资本将是从此关心的问题，如在实时数据的根蒂根基上实现电压无功控制、小电流接地判别、防误操作、事故应急处置方案、多台主变的经济运行方案化、线路同期、装备寿命经管、录波等功能。
　　固然，随着城网、农网配电自动化的展开，变电站自动化亦将辅以一些配电自动化的功能要求。

4　竣事语

　　本文对国内外变电站自动化技术的成长进程和现状作了论述和分析。提出了变电站自动化新技术动向。变电站自动化技术在城农网建设改造工作中，不管从其技术性、重要性、投资数和使命据有相当的地位，为此阐写本文与读者探讨。■

作者简介：赵祖康，男，教授级高工，持久从事电力系统自动化和配电自动化的科研工作；
　　　　　徐石明，男，工程师，从事电力系统自动化和变电站自动化的科研工作。
作者单元：赵祖康（国家电力公司电力自动化研究院，江苏　南京　210003）
　　　　　徐石明（国家电力公司电力自动化研究院，江苏　南京　210003）