摘要：綜述了國(guó)內(nèi)變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、工作模式，提出了變電站自動(dòng)化技術(shù)和運(yùn)行模式的發(fā)展策略。

引 言
變電站自動(dòng)化和無(wú)人值班是當(dāng)今電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化領(lǐng)域的熱門課題，其發(fā)展勢(shì)頭正方興未艾。國(guó)外有一種觀點(diǎn)認(rèn)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(gè)不可靠因素。確實(shí)有不少事故是由人為誤操作引起的，從這個(gè)角度看，無(wú)人值班確實(shí)可以提高運(yùn)行可靠性。例如鄭州地調(diào)早在1959年就開(kāi)始采用遙控技術(shù)，30多年來(lái)從未發(fā)生誤操作；又如深圳供電局實(shí)現(xiàn)變電站無(wú)人值班后，誤操作事故率降低了60％。
變電站自動(dòng)化是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。國(guó)外在八十年代已有分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)問(wèn)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(dòng)化系統(tǒng)LSA678早在1985年就在德國(guó)漢諾威投入運(yùn)行，至1993年初已有300多套系統(tǒng)在德國(guó)及歐洲的各種電壓等級(jí)的變電站運(yùn)行。我國(guó)的變電站自動(dòng)化工作起步較晚，大約從九十年代開(kāi)始，初始階段主要研制和生產(chǎn)集中式的變電站自動(dòng)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(kāi)始研制分散式變電站自動(dòng)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(guó)外先進(jìn)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(shè)計(jì)、基建和運(yùn)行部門在學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，正結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況共同努力繼續(xù)開(kāi)發(fā)更加符合我國(guó)國(guó)情的變電站自動(dòng)化系統(tǒng) [3,4,6~12] ?？梢灶A(yù)計(jì)，今后其發(fā)展和推廣的速度會(huì)越來(lái)越快，與國(guó)外的差距會(huì)逐步縮小。
為了加快我國(guó)變電站自動(dòng)化技術(shù)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(dòng)化的設(shè)計(jì)原則、工作模式和發(fā)展策略，以期達(dá)成共識(shí)。
一、設(shè)討原則
a. 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)作為電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的一個(gè)子系統(tǒng)，應(yīng)服從電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的總體設(shè)計(jì)，其配置、功能包括設(shè)備的布置應(yīng)滿足電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(hù)、備用電源自投、電壓控制等，無(wú)須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)去完成。220kV樞紐站及220kV電壓等級(jí)以上的變電站，其網(wǎng)絡(luò)層和站級(jí)層宜采用雙重化、冗余配置，以提高系統(tǒng)可靠性。
c. 按我國(guó)的實(shí)際情況，目前變電站還不大可能完全無(wú)人值守，即使是無(wú)人值守，也有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、調(diào)試和應(yīng)急處理的問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮遠(yuǎn)方與就地控制操作并存的模式。同樣，保護(hù)單元亦應(yīng)具有遠(yuǎn)方、就地投切和在線修改整定值的功能，以遠(yuǎn)方為主，就地為輔，并應(yīng)從設(shè)計(jì)、制造上保證同一時(shí)間只允許其中一種控制方式有效。
d．站內(nèi)自動(dòng)化及無(wú)人值班站的接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)從技術(shù)上保證站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件接口滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的支撐軟件符合ISO開(kāi)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(luò)協(xié)議的定義、格式、編程、地址等與相應(yīng)的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)保持一致，以適應(yīng)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(hù)、測(cè)量、控制一體化設(shè)計(jì)，確保保護(hù)功能的相對(duì)獨(dú)立性和動(dòng)作可靠性。分布式系統(tǒng)的SOE分辨率可通過(guò)保護(hù)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。保護(hù)、測(cè)量、控制原則上可合用電壓互感器(TV)，對(duì)電量計(jì)費(fèi)、功率總加等有精度要求的量可按量測(cè)電流互感器(TA)，供監(jiān)測(cè)用的量可合用保護(hù)TA。
f. 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先采用交流采樣技術(shù)，減輕TA,TV的負(fù)載，提高測(cè)量精度。同時(shí)可取消光字牌屏和中央信號(hào)屏，簡(jiǎn)化控制屏，由計(jì)算機(jī)承擔(dān)信號(hào)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(shí)時(shí)性、可靠性，節(jié)約占地空間，減少屏柜，二次電纜和設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)工作量。
g，目前無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的分散式變電站自動(dòng)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(luò)，如總線型網(wǎng)(介質(zhì)共享型)，即網(wǎng)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可與網(wǎng)上其他節(jié)點(diǎn)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(nèi)存在強(qiáng)大的電磁場(chǎng)干擾。從抗電磁干擾角度考慮，在選擇通信介質(zhì)時(shí)可優(yōu)先采用光纖通信方式，這一點(diǎn)對(duì)分散式變電站自動(dòng)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(hù)復(fù)雜及費(fèi)用相對(duì)較高，因此配電站宜以電纜為通信介質(zhì)。
二．工作模式
2．1變電站分類
變電站按電壓等級(jí)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(jí)。
變電站按在電網(wǎng)中的地位可分為樞紐站、終端站和中轉(zhuǎn)站三種類型。樞紐站：在電網(wǎng)中無(wú)論是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)還是負(fù)荷水平都處于舉足輕重的位置；終端站：只有高壓進(jìn)線，位于電網(wǎng)的線路末端；中轉(zhuǎn)站：有2路高壓進(jìn)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(diào)度中心控制，并對(duì)其周圍子站負(fù)有調(diào)度操作任務(wù)；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(yùn)行模式劃分為有人值班：這是目前最常見(jiàn)的運(yùn)行模式；無(wú)人值班：沒(méi)有固定的運(yùn)行值班人員，僅保留個(gè)別守衛(wèi)人員，負(fù)責(zé)站內(nèi)的安全保衛(wèi)工作及事故異常情況的緊急處理：無(wú)人值守：真正意義上的無(wú)人站，在一些發(fā)達(dá)的西方國(guó)家，如美國(guó)、加拿大等較常見(jiàn)。
2．2變電站自動(dòng)化系統(tǒng)模式
2.2.1傳統(tǒng)模式
這種模式就是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最普遍的遠(yuǎn)方終端裝置(RTU)加上當(dāng)?shù)乇O(jiān)控(監(jiān)視)系統(tǒng)(又稱當(dāng)?shù)毓δ?，再配上變送器、遙信轉(zhuǎn)接、遙控執(zhí)行，UPS等屏柜(見(jiàn)圖1）。當(dāng)采用交流采樣RTU時(shí)，可省去變送器屏柜。站內(nèi)保護(hù)裝置的信息可通過(guò)遙信輸入回路(即硬件方法)進(jìn)入RTU，亦可通過(guò)串行口按約定的規(guī)約通信(即軟件方法)進(jìn)入RTU。此模式適合于 35kV~500kV的各種電壓等級(jí)不同規(guī)模的變電站。根據(jù)用戶不同層次的要求，其當(dāng)?shù)毓δ艿呐渲每蔀?1臺(tái)PC機(jī)，也可是一個(gè)完整的雙前置、雙主機(jī)、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(shí)現(xiàn)了220kV升壓站的網(wǎng)控系統(tǒng)自動(dòng)化。該模式保留了RTU的功能和二次回路設(shè)計(jì)。

2.2.2老站改造模式
采用RS-485星形結(jié)構(gòu)，構(gòu)成分布式的RTU。其特點(diǎn)是不增加屏柜位置，無(wú)需改動(dòng)原有二次回路，適用于老站改造。這類產(chǎn)品有GR-90,TG5-700和 MWY-C3A等分布式RTU等(見(jiàn)圖2)。


2.2.3集中配屏模式
這種模式在目前國(guó)內(nèi)新建變電站中應(yīng)用最多，并已取得了較成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。大部分廠家的產(chǎn)品均屬此類，其中應(yīng)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(hào)、測(cè)量、電能計(jì)費(fèi)、通信等功能分別組屏，而由1個(gè)或 2個(gè)總控單元通過(guò)串行通信口(RS232，RS422， RS485)與各功能單元(屏柜)以及微機(jī)保護(hù)、故障錄波、上位機(jī)等通信(見(jiàn)圖3)。其特點(diǎn)是將控制、保護(hù)兩大功能作為一個(gè)整體來(lái)考慮，二次回路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。

2.2.4全分散式
該模式主要特點(diǎn)是以一次主設(shè)備如開(kāi)關(guān)、變壓器、母線等為安裝單位，將控制、I／O、閉鎖、保護(hù)等單元分散，就地安裝在一次主設(shè)備(屏柜)上。站控單元(在主控室內(nèi))通過(guò)串行口(光纖通信)與各一次設(shè)備屏柜(在現(xiàn)場(chǎng))相連，并與上位機(jī)和遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信。具體實(shí)施又分為兩種模式：保護(hù)相對(duì)獨(dú)立，控制和測(cè)量合一，如SIEMENS等公司的產(chǎn)品；保護(hù)、控制和測(cè)量合一，如ABB，GE，MERLIN GERIN等公司的產(chǎn)品。
SIEMENS的LSA678系統(tǒng)是采用保護(hù)相對(duì)獨(dú)立模式的典型，在全世界已有數(shù)百套的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，近幾年來(lái)在國(guó)內(nèi)亦已有不少應(yīng)用實(shí)例(例如蘇州新加坡工業(yè)園區(qū)、廣西柳州供電局等)。國(guó)內(nèi)廠家近年來(lái)亦先后推出全分散式系統(tǒng)，如DISA-2，BJ-F3， CSC-2000，DCAP3200等(見(jiàn)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(chǎng)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(diǎn)，采用了分散式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而控制和保護(hù)仍集中配屏。通常將集中配屏安裝在分散的設(shè)備小間內(nèi)。設(shè)備小間在一次設(shè)備附近，根據(jù)變電站的電壓等級(jí)和規(guī)?？稍O(shè)數(shù)個(gè)設(shè)備小間，就近管理，節(jié)省電纜。此模式可用于各種電壓等級(jí)的變電站，尤其適用于500kV及大型220kV站。此類產(chǎn)品有DISA-3，F(xiàn)DK，iES-70等 (見(jiàn)圖5)。


三、發(fā)展策略
在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的具體實(shí)施過(guò)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(shí)施方法：一種主張站內(nèi)監(jiān)控以遠(yuǎn)動(dòng)(RTU)為數(shù)據(jù)采集和控制的基礎(chǔ)，相應(yīng)的設(shè)備也是以電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化為基礎(chǔ)，保護(hù)相對(duì)獨(dú)立；另一種則主張站內(nèi)監(jiān)控以保護(hù)(微機(jī)保護(hù))為數(shù)據(jù)采集和控制的基礎(chǔ)，將保護(hù)與控制、測(cè)量結(jié)合在一起，國(guó)內(nèi)已有這一類產(chǎn)品，如CSC-2000等。后者正在成為一種發(fā)展趨勢(shì)和共識(shí)，因此設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、管理部門要打破專業(yè)界限，逐步實(shí)現(xiàn)一體化。這一點(diǎn)對(duì)110kV及以下的變電站尤為必要。
誠(chéng)然，從我國(guó)目前的運(yùn)行體制、人員配備、專業(yè)分工來(lái)看，前者無(wú)疑占有較大優(yōu)勢(shì)。因?yàn)闊o(wú)論從規(guī)劃設(shè)計(jì)、科研制造、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等各方面，控制與保護(hù)都是相互獨(dú)立的兩個(gè)不同專業(yè)，因此前者更符合我國(guó)國(guó)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(shí)還不易被運(yùn)行部門接受。但從發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)合理性及減少設(shè)備重復(fù)配置、簡(jiǎn)化維護(hù)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(hù)(包括故障錄波等)和控制、測(cè)量的信息源都是來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)TA，TV二次測(cè)輸出，只是要求不同而已。保護(hù)主要采集一次設(shè)備的故障異常狀態(tài)信息，要求TA，TV測(cè)量范圍較寬，通常按10倍額定值考慮，但測(cè)量精度要求較低，誤差在3％以上。而控制和測(cè)量主要采集運(yùn)行狀態(tài)信息，要求TA，TV測(cè)量范圍較窄，通常在測(cè)量額定值附近波動(dòng)，對(duì)測(cè)量精度有一定的要求，測(cè)量誤差要求在1％以內(nèi)。
總控(CPU)單元直接接受來(lái)自上位機(jī)(當(dāng)?shù)?或遠(yuǎn)方的控制輸出命令，經(jīng)必要的校核后可直接動(dòng)作至保護(hù)回路，省去了遙控輸出、遙控執(zhí)行等環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了設(shè)備，提高了可靠性。
從無(wú)人值班角度看，不僅要求簡(jiǎn)化一次主接線和主設(shè)備，同時(shí)也要求簡(jiǎn)化二次回路和設(shè)備，因此保護(hù)和控制，測(cè)量的一體化有利于簡(jiǎn)化設(shè)備和減少日常維護(hù)工作量，對(duì) 110kV及以下，尤其是 1 0kV配電站，除了電量計(jì)費(fèi)、功率總加等有測(cè)量精度要求而須接量測(cè)TA,TV外，其他量測(cè)僅作監(jiān)視運(yùn)行工況之用，完全可與保護(hù)TA，TV合用。此外，在局域網(wǎng)(LAN)上各種信息可以共享，控制、測(cè)量等均不必配置各自的數(shù)據(jù)采集硬件。
變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和無(wú)人值班運(yùn)行模式的實(shí)施，在很大程度上取決于設(shè)備的可靠性。這里指的設(shè)備不僅是自動(dòng)化設(shè)備，更重要的是電氣主設(shè)備。根據(jù)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)，建議主管部門制定出有關(guān)設(shè)備制造、接口的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)化設(shè)備制造廠商應(yīng)與電氣主設(shè)備制造廠商加強(qiáng)合作，提供技術(shù)合一的產(chǎn)品，以方便設(shè)計(jì)、運(yùn)行部門選型。
對(duì)數(shù)量較多的10kV配電站，由于接線簡(jiǎn)單，對(duì)保護(hù)相對(duì)要求較低，為簡(jiǎn)化設(shè)備節(jié)省投資，建議由 RTU來(lái)完成線路保護(hù)及雙母線切換(備自投)等保護(hù)功能。為此需在RTU軟件中增加保護(hù)運(yùn)行判斷功能，如備用電源自投功能，可通過(guò)對(duì)相應(yīng)母線段失壓和相關(guān)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)的邏輯判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。
今后變電站自動(dòng)化的運(yùn)行模式將從無(wú)人值班，有人值守逐步向無(wú)人值守過(guò)渡。因此遙視警戒技術(shù) (防火、防盜、防漬、防水汽泄漏及遠(yuǎn)方監(jiān)視等)將應(yīng)運(yùn)而生，并得到迅速發(fā)展。
隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，站內(nèi)RTU／LTU或保護(hù)監(jiān)控單元將直接上網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái) (上位機(jī))及工作站通信。取消傳統(tǒng)的前置處理機(jī)環(huán)節(jié)，從而徹底消除通信“瓶頸”現(xiàn)象。
四、結(jié) 論
a．對(duì)超高壓變電站以及220kV,110kV樞紐站或集控站來(lái)說(shuō)，宜采用有人值班的自動(dòng)化模式，仍宜以電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化為基礎(chǔ)，保護(hù)相對(duì)獨(dú)立。而對(duì) 10kV配電站宜采用無(wú)人值班模式，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)可考慮以站內(nèi)自動(dòng)化為基礎(chǔ)，即保護(hù)與控制、測(cè)量一體化的方案，當(dāng)?shù)毓δ芸珊?jiǎn)化以至取消，代之以面板上的人機(jī)對(duì)話窗口功能。
b.全分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)新課題，需要規(guī)劃設(shè)計(jì)、一次設(shè)備、二次設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備的制造廠家以及基建、安裝、運(yùn)行部門密切配合，統(tǒng)籌安排。由于國(guó)產(chǎn)一次設(shè)備的制造工藝、材料、結(jié)構(gòu)以及保護(hù)、控制、測(cè)量單元下放后的防震、防干擾、使用環(huán)境等均存在問(wèn)題，應(yīng)予以充分重視。并積極穩(wěn)妥地開(kāi)展推廣工作。
c．設(shè)計(jì)制造上應(yīng)確保具備一次設(shè)備的防誤操作措施、保護(hù)的當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)方投切(軟壓板)、修改整定值、復(fù)歸自動(dòng)裝置以及當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)方控制操作一次設(shè)備的能力，并保護(hù)遠(yuǎn)方與當(dāng)?shù)乜刂疲谕粫r(shí)間只允許其中一種模式有效。
d．對(duì)全分散式的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，宜選用 LAN方式，特別是平等網(wǎng)絡(luò)，如總線型(介質(zhì)共享)網(wǎng)，網(wǎng)上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能與任一其他節(jié)點(diǎn)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(qiáng)糾錯(cuò)、高抗噪聲、載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)／沖撞的CSMA／CD方式，可給重要信息加權(quán)，保證重要信息的實(shí)時(shí)性，提高通信效率。
e．隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和無(wú)人值班站運(yùn)行模式的進(jìn)一步推廣，保護(hù)和自動(dòng)化的專業(yè)性也在相互滲透，結(jié)合也逐步密切，原有的專業(yè)分工將會(huì)打破，從而引起科研、設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行部門的專業(yè)設(shè)置、人員配備上的重新調(diào)整組合，以適應(yīng)保護(hù)、控制、測(cè)量一體化的變電站自動(dòng)化模式。
f．建議對(duì)大中專院?，F(xiàn)有專業(yè)設(shè)置做相應(yīng)調(diào)整，以利于培養(yǎng)既熟悉繼電保護(hù)又掌握電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)的專業(yè)人才。在科研設(shè)計(jì)、制造和安裝運(yùn)行管理部門亦應(yīng)避免專業(yè)分工過(guò)細(xì)、缺乏統(tǒng)籌考慮的局限性。