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关于变电站综合自动化的综述摘要：本文主要介绍了变电站综合自动化系统的功能、原理、结构以及相关技术和应用，介绍了变电站综合自动化系统的重要性，提出了变电站综合自动化基本概念，并对系统结构、能实现的基本功能和输入输出系统、子系统、数据通信系统及变电站自动化的发展前景进行分析。引言：改革开放以来，随着我国国民经济的快速增长，电力系统也获得了前所未有的发展，传统的变电站已经远远不能满足现代电力系统管理模式的需求。因此变电站综合自动化技术在电力行业中引起了越来越多的重视，并逐渐得到了广泛的应用。一、概述变电站综合自动化是指利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对变电站主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、控制、保护以及调度通信等综合自动化功能。1.1变电站综合自动化发展过程（1）分立元件的自动装置阶段（2）微机型智能自动装置阶段（3）变电站综合自动化阶段1.2变电站综合自动化的优越性由于传统变电站随着社会的发展，不断出现新的问题，则采用更先进的技术改造变电站是一种必然趋势。这使得变电站综合自动化逐渐取代了传统的变电站，其优越性主要在于提高供电质量、提高电力系统的运行管理水平、降低造价减少总投资、促进无人值班变电站管理模式的运行。1.3变电站综合自动化的基本功能实现变电站综合自动化的目标是全面提高变电站的技术水平和管理水平，提高供电质量和经济效益，促进配电系统自动化的发展。要完成一系列指标则需要变电站综合自动化系统应该具有以下功能：（1）继电保护功能（2）操作控制功能（3）测量与监视功能（4）事件顺序记录与故障录波和测距功能（5）人机联系功能（6）电压、无功综合控制功能（7）低频减负荷控制功能（8）备用电源自投控制（9）通信功能1.4变电站综合自动化系统的特点变电站综合自动化系统的特点主要包括：功能自动化，分层、分布化结构，操作监视屏幕化，运行管理智能化，通信手段多元化，测量显示数字化。二、变电站综合自动化系统的结构根据综合自动化系统设计思想和安装的物理位置的不同，其硬件结构可以分为很多人类。但从国内外变电站综合自动化系统的发展过程来看，其结构形式大致可分为集中式结构形式、分层分布式系统集中组屛的结构形式、分散与集中相结合和分布分散式结构形式等几种。2.1集中式结构形式集中式结构的综合自动化系统采用不同档次的计算机，扩展其外围接口电路，集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算和处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。其主要功能和特点如下：（1）能及时采集变电站中各种模拟量、开关量，完成对变电站的数据采集、实时监控、制表、打印、事件顺序记录等功能。（2）能完成对变电站主要设备和进、出线的保护功能。（3）系统具有自诊断和自恢复功能。（4）结构紧凑，体积小，可大大节省占地面积。（5）造价低，实用性强，适合小型变电站的新建和改造。集中式结构也存在以下缺点：（1）每台计算机的功能较集中，如果一台计算机出现故障，影响面大。因此必须采用双机并联运行的结构才能提高可靠性。（2）所使用的软件复杂，修改工作量大，系统调试麻烦。（3）组态不灵活，对不同主接线或不同规模的变电站，软、硬件都必须另行设计，工作量大，不利于批量生产。（4）集中式保护与传统保护相比不直观，调试维护不方便，程序设计麻烦，只适合于保护算法比较简单的情况。2.2分层分布式系统集中组屛的结构形式分层分布式结构采用“面向对象”设计。所谓面向对象，就是面向电气一次回路设备或电气间隔设备，间隔层中数据、采集、控制单元(I/O单元)和保护单元就地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近，相互间通过通信网络相连，与监控主机通信。目前，此种系统结构在自动化系统中较为流行，主要原因是：现在的IED设备大多是按面向对象设计的，如专门的线路保护单元、主变保护单元、小电流接地选线单元等，虽然有将所有保护功能综合为一体的趋势，但具体在保护安装接线中仍是面向对象的；利用了现场总线的技术优势，省去了大量二次接线，控制设备之间仅通过双绞线或光纤连接，设计规范，设备布置整齐，调整扩建也很简单，成本低，运行维护方便；系统装置及网络鲁棒性强，不依赖于通信网和主机，主机或1台IED设备损坏并不影响其它设备的正常工作，运行可靠性有保证。系统结构的特点是功能分散，管理集中。分层分布有两层含义：其一，对于中低压电压等级，无论是I/O单元还是保护单元皆可安装在相应间隔的开关盘柜上，形成地理上的分散分布，如文献2所示的系统；其二，对于110kV及以上的电压等级，即使无法把间隔单元装在相应的开关柜上，也应集中组屏，在屏柜上明确区分相应间隔对应的单元，在物理结构上相对独立，以方便各间隔单元相应的操作和维护。变电站的一、二次设备分层结构示意图2.3分散与集中相结合和分布分散式结构形式按变电站被监控对象或系统功能分布的多台计算机单功能设备，将它们连接到能共享资源的网络上实现分布式处理。其结构的最大特点是采用主、从CPU协同工作方式，各功能模块如智能电子设备（IntelligentElectronicDevice，IED）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，将变电站自动化系统的功能分散给多台计算机来完成。各功能模块(通常是多个CPU)之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，选用具有优先级的网络系统较好地解决了数据传输的瓶颈问题，提高了系统的实时性。 分散与集中相结合的变电站综合自动化系统结构框图 分层分布式系统集中组屛的综合自动化系统结构框图 其结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。该模式在安装上可以形成集中组屏或分层组屏两种系统组态结构，较多地使用于中、低压变电站。分布式变电站综合自动化系统自问世以来，显示出强大的生命力。但目前，还存在在抗电磁干扰、信息传输及可靠性保证上的问题等。三、变电站综合自动化系统应能实现的功能3.1微机保护微机是对站内所有的电气设备进行保护，包括线路保护，变压器保护，母线保护，电容器保护及备自投，低频减载等安全自动装置。各类保护实现故障记录、存储多套定值、适合当地修改定值等功能。微机保护的优越性：1易于解决常规保护装置难于解决的问题，使保护功能得到改善；2灵活性强，可以缩短新型保护的研制周期；3综合判断力强；4性能稳定，可靠性高；5保护的灵敏性高；6体积小，功能全；7运行维护工作量小，现场调试方便。微机保护主要包括对输电线路的微机保护、变压器的微机保护、电力电容器微机保护。3.2数据采集状态量采集：状态量包括：断路器状态，隔离开关状态，变压器分接头信号及变电站一次设备告警信号等。目前这些信号大部分采用光电隔离方式输入系统，也可通过通信方式获得。保护动作信号则采用串行口（RS-232或RS485）或计算机局域网通过通信方式获得。模拟量采集：常规变电站采集的典型模拟量包括：各段母线电压，线路电压，电流和功率值。馈线电流，电压和功率值，频率，相位等。此外还有变压器油温，变电站室温等非电量的采集。模拟量采集精度应能满足SCADA系统的需要。脉冲量：脉冲量主要是脉冲电度表的输出脉冲，也采用光电隔离方式与系统连接，内部用计数器统计脉冲个数，实现电能测量。3.3事件记录和故障录波测距事件记录应包含保护动作序列记录，开关跳合记录。其SOE分辨率一般在110ms之间，以满足不同电压等级对SOE的要求。变电站故障录波可根据需要采用两种方式实现，一是集中式配置专用故障录波器，并能与监控系统通信。另一种是分散型，即由微机保护装置兼作记录及测距计算，再将数字化的波型及测距结果送监控系统由监控系统存储和分析。3.4控制和操作闭锁操作人员可通过CRT屏幕对断路器，隔离开关，变压器分接头，电容器组投切进行远方操作。为了防止系统故障时无法操作被控设备，在系统设计时应保留人工直接跳合闸手段。操作闭锁应具有以下内容：1.电脑五防及闭锁系统2.根据实时状态信息，自动实现断路器，刀闸的操作闭锁功能。3.操作出口应具有同时操作闭锁功能。4.操作出口应具有跳合闭锁功能。3.5同期检测和同期合闸该功能可以分为手动和自动两种方式实现。可选择独立的同期设备实现，也可以由微机保护软件模块实现。3.6电压和无功的就地控制无功和电压控制一般采用调整变压器分接头，投切电容器组，电抗器组，同步调相机等方式实现。操作方式可手动可自动，人工操作可就地控制或远方控制。无功控制可由专门的无功控制设备实现，也可由监控系统根据保护装置测量的电压，无功和变压器抽头信号通过专用软件实现。3.7数据处理和记录历史数据的形成和存储数据处理和记录历史数据的形成和存储是数据处理的主要内容，它包括上一级调度中心，变电管理和保护专业要求的数据，主要有：1.断路器动作次数2.断路器切除故障时截断容量和跳闸操作次数的累计数3.输电线路的有功、无功，变压器的有功、无功、母线电压定时记录的最大，最小值及其时间。4.独立负荷有功、无功，每天的峰谷值及其时间5.控制操作及修改整定值的记录，根据需要，该功能可在变电站当地全部实现，也可在远动操作中心或调度中心实现。3.8系统的自诊断功能系统内各插件应具有自诊断功能，自诊断信息也象被采集的数据一样周期性地送往后台机和远方调度中心或操作控制中心。3.9与远方控制中心的通信本功能在常规远动四遥的基础上增加了远方修改整定保护定值、故障录波与测距信号的远传等，其信息量远大于传统的远动系统。根据现场的要求，系统应具有通信通道的备用及切换功能，保证通信的可靠性，同时应具备同多个调度中心不同方式的通信接口，且各通信口及MODEM应相互独立。保护和故障录波信息可采用独立的通信与调度中心连接，通信规约应适应调度中心的要求，符合国标及IEC标准。四、输入输出系统4.1模拟量输入输出系统模拟量输入回路的作用是将来自变电站的模拟信号转换成微机系统能处理的数字信号。模拟量输出回路的作用是把微型计算机输出的数字量转换成模拟量，去驱动某些执行机构。模拟输入通道的组成有电压形成回路、模拟低通滤波、采样保持器、多路转换开关、A/D转换器；模拟输出通道主要由接口电路、锁存器、D/A转换器、放大驱动电路组成。电力系统中的模拟量有三种形式：其一是快速变化的交流电流、交流电压等交流量；其二是变化缓慢的控制母线及操作母线直流电压量；其三是变化缓慢的非电量。对这些不同类型的模拟量可采用不同的采样方式。一般来说，采样方式可分为直流采样和交流采样两种类型。直流采样是将现场不断连续变化的模拟量先转换成直流电压信号，再送至A/D转换器进行转换。4.1.1采样保持器采样保持器的基本电路如图所示，它由保持电容器Ch和输入输出缓冲放大器A1、A2以及控制开关S组成，它有采样模式和保持模式两种工作方式，可由模式控制信号选择。 采样期间，模式控制开关S闭合，A1是高增益放大器，它的输出通过开关S给保持电容器Ch快速充电，使采样保持器的输出随输入变化。S接通时，要求充电时间越短越好，以使Ch迅速达到输入电压值。S的闭合时间应该满足使Ch有足够的充电或放电时间。显然希望采样时间越短越好，因此应用A1，它的输入阻抗很大，而输出阻抗很低，使Ch上的电压能迅速跟踪输入端电压的变化。保持期间，模拟控制信号使开关S断开。为了提高保持能力，应用运放A2，它的输入阻抗高，输出阻抗低，理想情况下，电容器将保持充电时的最高值。采样保持器能使得在A/D转换期间，保持输入信号的大小不变。但对采样保持电路也有一定的要求。4.1.2多路转换开关在实际的数据采集模块中，被测量或被控制量往往可能是几路或几十路。对于反应两个量以上的继电保护，可以利用多路转换开关实现同时采样，依次A/D转换。多路转换开关有两种类型：一类是机械式的，另一类是电子式的。电子式开关速度高、体积小、寿命长；缺点是导通电阻大、驱动部分与开关原件不独立，影响小信号的测量精度。4.2数字量输入输出系统无论何种类型的信息，在计算机内部都是以二进制的形式存放在存储器中，可见数字量的输入输出是计算机的基本操作之一。对模拟量的处理，必须先转换成数字量CPU才能进行处理；断路器、隔离开关、继电器的触点、按钮和普通的开关、刀闸等都具有分、合两种工作状态，可用0、1表示。因此，对它们的工作状态的输入和控制输出信号，可以用表示为数字量的输入和输出。计算机的输入/输出，简称I/O。I/O接口是CPU和外设间信息交换的桥梁，通过接口电路计算机直接与外接设备进行信息交换。外部设备分为输入和输出设备，输入设备用于向计算机输入信息，输出设备用于输出程序和运算结果。A/D转换器和键盘属于输入设备，CRT（阴极射线管）和D/A转换器属于输出设备。由于CPU和外设间所传信息的性质、传输方式、传输速度和电平各不相同，因此CPU和外设间不是简单地直接相连，而必须借助I/O接口这个过渡电路才能协调起来。I/O接口的作用主要体现在三方面，其一是实现和不同外设的速度匹配，其二是信号变换，其三是电平转换。输入输出信息的传送方式有串行传送方式、并行传送方式。CPU对输入输出数据的控制方式有以下几种：（1）同步传递方式或无条件程序控制方式（2）异步传送方式又称查询传动或条件传送方式（3）中断传送方式（4）DMA传送方式查询传送方式输入程序流程图 查询传送方式输入接口电路I/O数据中断传送方式示意图 DMA控制器的原理框图五、变电站综合自动化系统中的子系统5.1微机保护子系统微机保护比常规的继电器型或经晶体管型保护装置有不可比拟的优越性，突出表现在以下几方面：（1）易于解决常规保护装置难于解决的问题，使保护功能得到改善（2）灵活性强，可以缩短新型保护的研制周期（3）综合判断力强（4）性能稳定，可靠性高（5）保护的灵敏性高（6）体积小、功能全（7）运行维护工作量小，现场调试方便微机保护是综合自动化系统的关键环节，它的功能和可靠性如何，在很大程度上影响了整个系统的性能，因此设计时必须给予足够的重视。微机保护子系统中的各保护单元，除了具有独立、完整的保护功能外，一般还具有一些附加功能。微机保护装置应满足快速性、选择性、灵敏性和可靠性的要求，它的工作不受监控系统和其他子系统的影响。为此，按被保护的电力设备单元（间隔）分别独立设置保护，要求保护子系统的软、硬件结构相对独立，而且各保护单元必须由各自独立的CPU组成模块化结构；主保护和后被保护由不同的CPU实现，重要设备的保护，最好采用双CPU的冗余结构，保证在保护子系统中一个功能部件模块损坏，只影响局部保护功能而不能影响其他设备的保护。微机保护的主要功能主要体现在以下几个方面：1） 进线和馈电线路的主保护和后备保护及自动重合闸；2） 主变压器的主保护和后备保护；3） 无功补偿电容器组的保护；4） 母线保护；5） 小接地系统的单相接地选线。附加功能：通信、故障记录、统一时钟、存储整定值、显示观察修改整定值、故障自诊断自闭锁和自恢复、自动重合闸功能。输电线路的微机保护配置：电流保护、距离保护、高频保护、光纤纵差保护、方向电流保护、零序电流保护。变压器的微机保护配置：比率制动式差动保护、本体重瓦斯、有载调压重瓦斯和压力释放保护、三段复合电压（方向）闭锁过电流保护、二段式零序过电流保护、间隙过电流过电压保护。电力电容器的故障及微机保护配置：过电流保护、电压保护、不平衡电压保护和不平衡电流保护。5.2监控保护子系统在变电站综合自动化系统中，监控子系统应能取代常规的测量系统，如变送器、录波器、指针式仪表；改变常规的操动机构，如操作盘、模拟盘、手动同期及手控无功补偿等在装置；取代常规的告警、报警装置，如中央信号系统、光字牌等；取代常规的电磁式和机械式防误闭锁设备；取代常规的运动装置等等。总之，其基本功能包括以下内容。1、数据采集功能变电站数据采集的对象主要包括开关量、模拟量和脉冲量。2、操作控制功能变电站综合自动化系统应能取代常规的操作机构，取代常规的电磁式和机械式防误闭锁设备；取代常规的运动装置等。无论是无人值班还是少人值班变电站，操作人员都可以通过CRT屏幕对断路器和隔离开关进行分、合操作，对变压器分接头位置进行调节控制，对电容器组和电抗器组进行投、切控制，同时，能接收遥控操作命令，进行远方操作。3、安全监视功能在变电站的运行过程中，监控系统对采集到的电压、电流、频率、主变压器油温等量不断进行越限监视，如有越限立即发出告警信号，同时记录和显示越限时间和越限值；出现TV或TA断线、差动回路电流过大、单相接地、控制回路断线等情况时也发出报警信号；另外，还要监视自控装置本身工作是否正常。4、事件顺序记录与故障录波和测距功能事件顺序记录SOE包括断路器合跳闸记录、保护动作顺序记录。变电站的故障录波记录和测距可以可采用两种方法实现：一是由微机保护装置兼作故障记录和测距，再将记录和测距的结果送监控系统存储及打印波形，或直接送调度站。另一种方法是配置专用的微机故障录波仪，并能与监控系统通信。5、数据处理与记录功能监控系统还应具有数据处理和记录功能。历史数据的形成和存储是数据处理的主要内容。此外，为满足上级调度中心、变电站管理和继电保护专业的需要，必须进行一些数据统计。6、人机联系功能变电站采用微机监控系统后，操作人员或调度员只要面对CRT显示器的屏幕，通过操作鼠标或键盘，则可观察和了解全站的运行工况和运行参数，对全站的断路器或隔离开关等进行分、合操作，彻底改变传统的监控方式，其主要内容是显示画面与数据、输入数据、控制操作。7、谐波分析与处理谐波污染已成为电力系统的公害之一。因此，在变电站综合自动化系统中，还应重视对谐波含量的分析与监视，对谐波污染严重的变电站采取适当的抑制措施。5.3电压无功控制子系统变电站综合自动化系统具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自动控制功能。电压和频率是电能质量的重要指标，因此电压、无功综合控制也是变电站综合自动化系统的一个重要组成部分。电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证用户的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一，造成电压质量下降的主要原因是系统无功不足或无功功率分布不合理，所以电压调整问题主要是无功功率的补偿与分布问题。系统的无功功率对电压水平影响极大，维持电网正常运行下的无功潮流的合理平衡，对提高供电质量，保证系统安全、可靠和经济运行有着重要意义。变电站调节电压和无功的主要手段是调节主变的分接头和投切电容器组。变电站电压无功管理调控原则（1）变电站电压允许偏差范围为：220kV变电站的110kV母线：106.7117.7kV；220kV、110kV变电站的10kV母线10.010.7kV。（2）补偿电容器的投退管理原则：以控制各电压等级母线电压在允许偏差范围之内，并实现无功功率就地平衡为主要目标，原则上不允许无功功率经主变高压侧向电网倒送，同时保证在电压合格范围内尽量提高电压。对电压、无功综合控制系统的基本要求主要包括以下几个方面。（1）应能自动对变电站的运行方式和运行状态进行监视并加以识别，从而正确地选择控制对象并确定相应的控制方法。（2）对目标电压、电压允许偏差范围、功率因数上下限等应能进行灵活整定。（3）变压器分接头控制和电容器组投切应能考虑各种条件的限制。（4）控制命令发出后应能自动进行检验，以确定动作是否成功；若不成功，应能做出相应的处理；每次动作应有打印的记录。（5）对变电站的运行情况，如各断路器状态、主接线运行方式、变压器分接头位置、母线电压、主变压器无功等参数应能清晰的予以显示，并设置故障录波器。（6）应具有自检、自恢复功能，做到硬件可靠、软件合理、维修方便且具有一定的灵活性和适应性。电压、无功的控制方法有单纯调控区、综合调控区。控制方式有集中控制方式、分散控制方式、关联分散控制方式。六、变电站综合自动化的数据通信系统数据通信的目的在于在信息源和受信者之间按传输路径传输、交换信息，实现信息源和受信者之间相互通信。其任务有两点，其一是完成综合自动化系统内部各子系统或各种功能模块的信息交换（站内信息传输）；其二是完成变电站与控制中心的通信任务（系统与调度的通信）。建立数据通信的要求有一下几点：1.快速的实时影响能力；2.很高的可靠性；3.优良的电磁兼容性能；4.分层式结构。通信系统的传输方式有并行通信和串行通信。其中并行通信是数据的各位同时传送；同时接收；特点是成本高，速度快，信道的利用率低；只适用于传输距离较短(小于10米）且传输速度较高的场合。串行通信是将待传送的二进制代码按由低到高位的顺序，依次发送；特点是成本低，利用率高，速度慢。适合长距离的信号传输；适合远距离的信号传输，传输距离可达数千公里。数据通信的工作方式有单工、半双工、全双工三种不同的工作方式。单工指信息只能按一个方向传送的工作方式；半双工指信息可以双方向传输，但两个方向的传输不能同时进行，只能交替传送；全双工指通信双方可以同时进行双方向传送信息的工作方式。在数据通信系统中需要调制解调器，调制解调器是一种计算机硬件，它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的脉冲信号，而这些脉冲信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的语言。此过程完成两台计算机间的通信。调制的方法有调幅、调频、调相。在数据通信中常用的检错方法有奇偶校验、纵向冗余校验、循环冗余校验CRC。CRC是一种常用的校验方法，它是对数据块进行校验，对随机或突发差错造成的帧破坏有很好的校验结果，它是利用编码原理，对传送的二进制码序列以一定的规则产生亿i的那个的校验码。七、变电站综合自动化的发展前景1.保护监控一体化这种方式在35kV及以下的电压等级中已普遍采用，今后在110kV及以上的线路间隔和主变三侧中采用此方式已是大势所趋。它的好处是高度地功能按一次单元集中化，以利于稳定信息采集和设备状态控制，极大地提高了性能效率比。其目前的缺点也是显而易见的：此种装置的运行可靠性必须极高，否则任何形式的检修维护都将迫使一次设备的停役。这也是目前110kV及以上的电压等级还采用保护和监控分离设置的原因之一。随着技术的发展，冗余性、在线维护性设计的出现，将使保护监控一体化成为必然。2.设备安装就地化、户外化综合自动化装置将和一次设备整合在一起。其电气的抗干扰性能，设备抗热寒、抗雨雪、防腐蚀等各项环境指标将达到一个极高的地步。目前的综合自动化装置都是安装在低电压的中置柜上，和室内的开关室内，户外的仅是一些实现简单功能的柱上设备。随着高电压等级的推广，其设备都将就地安装在户外的端子箱上，对环境条件要求不严。这种方式最终将带来无人值班变电站没有建筑小室或仅设一个控制小室，其内最多也就是一台控制显示终端。这将极大地减少整个变电站的二次电缆，使变电站的建设简化、快速，设备调试简单、易行，同时也极大提高变电站的运行稳定性、可靠性。3.人机操作界面接口统一化、运行操作设备无线化前面一点所提到的无人无建筑小室的变电站，变电运行人员如果在就地查看设备和控制操作，将通过一个手持式可视无线终端，边监视一次设备边进行操作控制，所有相关的量化数据将都显示在可视无线终端上，巡视操作非常简洁明了，并随时配合有软件防误操作的逻辑判断和语音提示，还可通过加配数字摄像头，将图象传给远方监护人员或技术分析人员。所有的这些人机界面数据来源，都将通过本变电站的一个无线网络节点，和整个变电站的数据网连在一起，并通过此变电站的远传广域接口，和整个电网的实时SCADA系统连接在一起，给远方监护诊断以条件，并在控制操作时可实现站间逻辑闭锁。目前在奥地利VATECH公司（原来的伊林