有關(guān)無人值守變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究論文
建設(shè)改造項(xiàng)目已全面鋪開， 在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的各種技術(shù)發(fā)展十分迅速的情況下， 建設(shè)高度可靠、有效可控的現(xiàn)代化無人職守變電站勢在必行。
關(guān)鍵詞:變電站 自動(dòng)化系統(tǒng) 通信網(wǎng)絡(luò)
1 常規(guī)自動(dòng)化系統(tǒng)
常規(guī)自動(dòng)化系統(tǒng)是指采用常規(guī)遠(yuǎn)動(dòng)方式，充分利用原有的二次設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無人值守的模式。這種系統(tǒng)中保護(hù)和遠(yuǎn)動(dòng)相對獨(dú)立，結(jié)構(gòu)簡單，便于遠(yuǎn)動(dòng)和維護(hù)，節(jié)省資金。主要適用于城農(nóng)網(wǎng)改造中老舊變電站的無人值守改造。常規(guī)的有人職守變電站改造為無人值守變電站，需對傳統(tǒng)的常規(guī)變電站二次系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上作如下改進(jìn):①取消中央信號(hào)系統(tǒng)。②取消控制屏，在開關(guān)柜和保護(hù)屏上只保留控制開關(guān)及紅綠燈，并增加當(dāng)?shù)亍⑦h(yuǎn)方切換開關(guān)。③取消當(dāng)?shù)販y量儀表。④取消光子牌，把各種預(yù)告、事故信號(hào)通過RTU上傳，送往調(diào)度中心。⑤保護(hù)裝置的運(yùn)作信號(hào)和本身狀態(tài)信號(hào)通過無源觸點(diǎn)接入RTU，以供遙信用。⑥所有斷路器、主變壓器分接頭均可在就地和遙控兩種狀態(tài)下進(jìn)行控制。⑦新設(shè)遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備，如RTU屏等。這種變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的缺點(diǎn)是系統(tǒng)不具備自診斷能力，對二次系統(tǒng)本身的故障無法檢測。
2 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)
變電站綜合自動(dòng)化是將變電站的二次設(shè)備(包括測量儀表、信號(hào)系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和遠(yuǎn)動(dòng)裝置等)經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對全變電站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動(dòng)監(jiān)視、測量、自動(dòng)控制和微機(jī)保護(hù)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動(dòng)化功能。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，即利用多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路組成的自動(dòng)化系統(tǒng)代替了常規(guī)的測量和監(jiān)視儀表，代替常規(guī)的控制屏、中央信號(hào)系統(tǒng)和遠(yuǎn)動(dòng)屏，用微機(jī)保護(hù)代替常規(guī)的繼電保護(hù)屏，改變常規(guī)的繼電保護(hù)裝置不能與外界通信的缺陷。通過變電站各種設(shè)備間相互交換信息，數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)對變電站運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)視、管理、協(xié)調(diào)和控制，提高了變電站保護(hù)和控制性能，使變電站運(yùn)行更為可靠，改善和提高了電網(wǎng)的控制水平。同時(shí)也使變電站設(shè)計(jì)合理、布局緊湊、運(yùn)行更加安全可靠。目前，國內(nèi)外變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)上大體可分為四種結(jié)構(gòu)形式:集中式、分布集中式、集中與分散式相結(jié)合和分散式。
2.1 集中式:集中式結(jié)構(gòu)是將設(shè)備按其不同功能進(jìn)行歸類劃分，形成若干個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)分別采用集中裝置來完成自身的功能。集中式結(jié)構(gòu)一般由一個(gè)或兩個(gè)CPU實(shí)現(xiàn)對整個(gè)變電站的保護(hù)、監(jiān)視、測量、遠(yuǎn)動(dòng)的集中控制。其優(yōu)點(diǎn)是:構(gòu)成較簡單、主機(jī)控制系統(tǒng)集中、便于分配調(diào)度各種實(shí)時(shí)任務(wù)、響應(yīng)速度快、節(jié)省投資；其缺點(diǎn)是:主機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷繁重、主機(jī)單CPU可靠性不高。為了提高可靠性，一般采用雙系統(tǒng)互為備用；軟件復(fù)雜，修改工作量大，系統(tǒng)調(diào)試麻煩；組態(tài)不靈活，對不同主接線或規(guī)模不同的變電站，軟、硬件都必須另行設(shè)計(jì)，工作量大；集中式保護(hù)與長期以來采用一對一的常規(guī)保護(hù)相比，不直觀，不符合運(yùn)行和維護(hù)人員的習(xí)慣，調(diào)試和維護(hù)不方便，程序設(shè)計(jì)麻煩，只適合于保護(hù)算法比較簡單的情況。
2.2 分布集中式:將整個(gè)變電站的一、二次設(shè)備分為3層，即變電站層、單元層和設(shè)備層。變電站層稱為2層，單元層為1層，設(shè)備層為0層。設(shè)備層主要指變電站內(nèi)的變壓器，斷路器、隔離開關(guān)及其輔助接點(diǎn)，電流、電壓互感器等一次設(shè)備。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要位于1層和2層。單元層一般按斷路器間隔劃分，具有測量、控制部件或繼電保護(hù)部件。單元層本身是由各種不同的單元裝置組成，這些獨(dú)立的單元裝置直接通過局域網(wǎng)絡(luò)或串行總線與變電站層聯(lián)系；也可能設(shè)有數(shù)采管理機(jī)或保護(hù)管理機(jī)，分別管理各測量、監(jiān)視單元和各保護(hù)單元，然后集中由數(shù)采管理機(jī)和保護(hù)管理機(jī)與變電站層通信。單元層本身實(shí)際上就是兩級系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。變電站層包括全站性的監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)通信機(jī)等。變電站層設(shè)現(xiàn)場總線或局域網(wǎng)，供各主機(jī)之間和監(jiān)控主機(jī)和單元層之間交換信息。
2.3 集中與分散結(jié)合式:隨著單片機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)場總線和局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，一種發(fā)展趨勢是按每個(gè)電網(wǎng)元件(如:一條出線，一臺(tái)變壓器、一組電容器等)為對象，集測量、保護(hù)、控制為一體，設(shè)計(jì)在同一機(jī)箱中。至于高壓線路保護(hù)裝置和變壓器保護(hù)裝置，仍可采用集中組屏安裝在主控室內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)方式介于集中式與分散式兩種結(jié)構(gòu)之間，形式較多。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是分散式結(jié)構(gòu)集中式組屏。
這種結(jié)構(gòu)方式具有分散式結(jié)構(gòu)的全部優(yōu)點(diǎn)，由于采用了集中式組屏，有利于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝與維護(hù)管理。因而具有以下特點(diǎn):①就地安裝，節(jié)約控制電纜，通過現(xiàn)場總線與保護(hù)交換機(jī)交換信息。②高壓線路保護(hù)和變壓器保護(hù)采用集中組屏結(jié)構(gòu)，保護(hù)屏安裝在控制室或保護(hù)室內(nèi)，同樣通過現(xiàn)場總線與保護(hù)管理機(jī)通信，使這些重要的保護(hù)裝置處于比較好的工作環(huán)境，對可靠性較為有利。③其他自動(dòng)裝置中，備用電源自投裝置和電壓、無功綜合控制裝置采用集中組屏結(jié)構(gòu)，安裝于控制室或保護(hù)室中。④電能計(jì)量。采用電能管理機(jī)采集各脈沖電表的脈沖量，計(jì)算出電能量，然后送給監(jiān)控主機(jī)，再轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心；或采用帶串行通信接口的智能型電能計(jì)量表，通過串行總線，由電能管理機(jī)將采集的各電能量送往監(jiān)控機(jī)，再傳送給控制中心。因?yàn)橹械蛪鹤冸娬镜囊淮卧O(shè)備比較集中，所以此種結(jié)構(gòu)方式比較適用于中低壓變電站。
2.4 分散式:分散式結(jié)構(gòu)是今后的發(fā)展方向。原因很顯然，一方面是分級分散式的自動(dòng)化系統(tǒng)，具有前面所述的突出優(yōu)點(diǎn)，另一方面，隨著電—光傳感器和光纖通信技術(shù)的發(fā)展，為分散式的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的研制和應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。這種結(jié)構(gòu)方式一般是按一次回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先將設(shè)備按一次安裝單位劃分成若干單元，將控制單元、微機(jī)保護(hù)單元、數(shù)據(jù)采集單元安裝在戶外高壓斷路器附近或戶內(nèi)開關(guān)柜內(nèi)。然后將各分布單元用網(wǎng)絡(luò)電纜互聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)完整的分散式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是:各個(gè)功能單元上既有通信聯(lián)系，又能相對獨(dú)立，便于系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)管理，當(dāng)某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí)，不至于相互影響；此外，它的抗電磁干擾性強(qiáng)、可靠性高，在二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)上能最大限度地減少二次設(shè)備的占地面積并節(jié)省大量電纜及接線。
3 變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)
構(gòu)建一個(gè)快速、穩(wěn)定、可靠和富有彈性的站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求，也是整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行管理自動(dòng)化的根本前提。在早期的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，廣泛采用簡單串行通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。簡單串行通信技術(shù)具有以下不足:①通信速率低、一般不超過9.6kbps。②在采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)站點(diǎn)的功能的擴(kuò)展困難。③若使用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于不能實(shí)現(xiàn)平衡傳輸，只能運(yùn)行poling規(guī)約，傳輸速率和效率均不能令人滿意，在大規(guī)模的變電站中情況更為嚴(yán)重。④不能在通信網(wǎng)中設(shè)置一個(gè)以上的主機(jī)，因而不能享有多主機(jī)技術(shù)帶來的各種優(yōu)越性能⑤由于性能低下，要實(shí)現(xiàn)完整的功能，通信網(wǎng)的規(guī)模和復(fù)雜性令人生畏。
由于基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)場總線無論在通信速率和實(shí)時(shí)性上，還是在可靠性和組網(wǎng)的靈活性上均遠(yuǎn)高于簡單的串行通信技術(shù)，在很短時(shí)間內(nèi)便成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的主流通信技術(shù)，同時(shí)也使變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)的變化。現(xiàn)場總線是專為小數(shù)據(jù)量工業(yè)控制領(lǐng)域的通信設(shè)計(jì)的廉價(jià)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)作為變電站自動(dòng)化的主干網(wǎng)時(shí)，總體性能隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增長迅速下降。由于強(qiáng)調(diào)專用性而犧牲了通用性，長期缺乏統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。在通信節(jié)點(diǎn)多，通信數(shù)據(jù)量大的變電站中，現(xiàn)場總線存在以下局限性:①當(dāng)變電站通信節(jié)點(diǎn)超過一定數(shù)量后，響應(yīng)速率迅速降低，不能適應(yīng)大型變電站對通信的要求；②有限的帶寬使錄波等大量數(shù)據(jù)的傳輸延遲；③網(wǎng)絡(luò)的任一點(diǎn)故障時(shí)均可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。
可見，變電站自動(dòng)化通信，更需要帶寬、通用性和符合國際標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在帶寬、可擴(kuò)展性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、通用性等方面的綜合評估中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中通信技術(shù)發(fā)展的趨勢。局域網(wǎng)的典型特征是:①高數(shù)據(jù)傳輸速率，0.1～100Mbps；②短距離，0.1～25km；③非常低的誤碼率，達(dá)千萬分之一以下。
常用的幾種局域網(wǎng)絡(luò):TOKENRING令牌環(huán)；RCNET網(wǎng)絡(luò)；ETHERNET(以太網(wǎng))。后者采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同軸電纜為傳輸媒介，媒體訪問方式為載波監(jiān)聽多路訪問沖突檢測方式，不支持帶優(yōu)先級的實(shí)時(shí)訪問。這種網(wǎng)絡(luò)有很多商業(yè)化的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，具有以下優(yōu)點(diǎn):①可靠性高。由于采用總線型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不象環(huán)形網(wǎng)那樣中間任一節(jié)點(diǎn)失效便對全網(wǎng)造成危害，因而可靠性較高。②靈活性好。網(wǎng)上增減節(jié)點(diǎn)非常方便，任一節(jié)點(diǎn)的退出不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的正常通信。③傳輸速率高，可達(dá)10～100Mbps。④軟硬件支持性好。硬件如Novell、3Com公司的NE2000，3C503等。軟件如Netware、WindowsNT、Windows95以上版本等均支持ETHERNET。因此，變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的局域網(wǎng)宜采用ETHERNET網(wǎng)絡(luò)。
4 結(jié)語
無人職守變電站采用變電站自動(dòng)化系統(tǒng)具有明顯優(yōu)越性；分層分布式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)有利于系統(tǒng)擴(kuò)展的方便性和靈活性；現(xiàn)場總線技術(shù)適合于城市電網(wǎng)和農(nóng)村電網(wǎng)中新建的小型無人職守變電站；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是應(yīng)推廣的一種通信系統(tǒng)發(fā)展模式，特別適合于通信數(shù)據(jù)量大的變電站建設(shè)項(xiàng)目。
參考文獻(xiàn)：
[1]黃益莊.變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)[M].北京:中國電力出版社.2004.
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