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王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：變電站綜合自動化系統(tǒng)是將變電站內(nèi)的二次設(shè)備經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設(shè)計，利用先進的計算機技術(shù)、通信技術(shù)、信號處理技術(shù)，實現(xiàn)對全變電站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動監(jiān)視、測量、控制、保護、并與上級調(diào)度通信的綜合性自動化功能。為了掌握變電站自動化控制系統(tǒng)研究成果，結(jié)合變電站綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展歷程、對Acrel-1000安科瑞變電站綜合自動化系統(tǒng)主要功能進行闡述， 并總結(jié)目前該變電站自動化控制系統(tǒng)存在的問題及發(fā)展趨勢。通過了解我國變電站綜合自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀，可以為該系統(tǒng)后續(xù)的優(yōu)化改進提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：變電站；信號處理技術(shù)；調(diào)度通信；綜合自動化系統(tǒng)
1.概述
變電站是電力網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，它連接線路輸送電能。綜合變電站自動化技術(shù)在變電站中應(yīng)用，將先進的電子通訊技術(shù)、智能控制技術(shù)、信號處理等技術(shù)進去，實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的合理、智能化控制，進一步提高了供電系統(tǒng)的可靠性。盡管我國在變電站綜合自動化系統(tǒng)方面取得了一定的成績，但我們對其核心技術(shù)掌握還不夠深入，且在其應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)選型不完善、不合理現(xiàn)象。因此，對變電站綜合自動化系統(tǒng)進行深入研究與分析，進一步研究變電站綜合自動化技術(shù)的發(fā)展提供參考，實現(xiàn)物質(zhì)與能量循環(huán)利用。
變電站綜合自動化系統(tǒng)是指完成以下基本功能：
l 從當(dāng)?shù)睾瓦h方獲取電力系統(tǒng)信息；
l 支持當(dāng)?shù)厥謩雍妥詣庸δ埽?/span>
l 在變電站自動化系統(tǒng)和電網(wǎng)管理系統(tǒng)之間，提供與開關(guān)設(shè)備的通信連接和接口。
這些功能可以由大量裝用的智能電子設(shè)備（IED）不同程度的組合來實現(xiàn)。
變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段；
1）開關(guān)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的接口是在各變電站的遠方終端單元（RTU）。RTU是一個集中單元，含有大量的輸入與輸出，基本沒有當(dāng)?shù)毓δ?，但是具有與遠方網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的通信功能。結(jié)構(gòu)上僅是站級概念，現(xiàn)場有關(guān)重要信息（如保護動作信息等）通過硬接點送給RTU裝置，變電站的監(jiān)測量一般經(jīng)變送器變換后送給RTU，開關(guān)量監(jiān)測是直接引至RTU，RTU的控制輸出一般經(jīng)遙控執(zhí)行柜發(fā)出控制命令。整體系統(tǒng)功能不強、硬件設(shè)備重復(fù)、整體性能指標(biāo)低、適合于老系統(tǒng)改造。
2）相比與RTU，變電站自動化系統(tǒng)以不同程度的分散結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上述基本功能，通過這些功能可對變電站進行管理，實現(xiàn)從線路隔離與接地到收集狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等所有自動化功能。RTU的通信功能在變電站自動化發(fā)展中變?yōu)橥ㄐ沤涌冢赏ㄐ啪W(wǎng)關(guān)執(zhí)行，根據(jù)所用的通信協(xié)議，網(wǎng)關(guān)將規(guī)約雙向轉(zhuǎn)換（即規(guī)約轉(zhuǎn)換器），在變電站自動化分布式智能電子設(shè)備中存儲的信息通過網(wǎng)關(guān)傳送給SCADA主站與遠方調(diào)度電網(wǎng)管理系統(tǒng)。
3）隨著信息技術(shù)已經(jīng)進步到可以實現(xiàn)廣域保護，依靠協(xié)調(diào)防御計劃來保護整個電力系統(tǒng)，以及IEC61850作為《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》的新國際標(biāo)準，數(shù)字化變電站將以三層兩網(wǎng)式部署，三層分別是指站控層設(shè)備、間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備，兩網(wǎng)分別是指站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。間隔層包括數(shù)字式保護、計量、監(jiān)控等二次設(shè)備，負責(zé)間隔內(nèi)信息的運算處理與控制，以及與過程層和站控層之間的網(wǎng)絡(luò)通信工作；過程層主要包括電子式互感器、合并單元、智能斷路器、智能開關(guān)、智能終端，該層主要實現(xiàn)信號的采集和對系統(tǒng)的操作控制。三層設(shè)備之間通過分層、分布、開放式的兩層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)連接，兩層網(wǎng)絡(luò)物理上相互獨立，站控層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為全站統(tǒng)一的MMS網(wǎng)，過程層網(wǎng)絡(luò)則包括GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)。但數(shù)字化變電站設(shè)置了大量的智能終端、交換機等過程層設(shè)備，使得整體動作延時增加、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。
圖1 變電站綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展歷程圖
Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)采用一臺或兩臺監(jiān)控主機實現(xiàn)變電站的所有繼電保護、測量監(jiān)視、操作控制、信號數(shù)據(jù)通信和事件記錄打印等功能，采用模塊化軟件連接來實現(xiàn)集中信息采集、集中處理運算、集中展示交互。具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高等優(yōu)點。
Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用集中式監(jiān)控方案，其中主變部分由AM5SE系列微機保護裝置配置整套主變保護屏，實現(xiàn)主變的差動保護、后備保護、非電量保護及主變溫度監(jiān)測與檔位控制；其他回路及回路就地配置AM5SE系列微機保護裝置。實現(xiàn)對電氣量采集和對電氣設(shè)備（如斷路器）的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)，發(fā)生故障時，由微機保護裝置完成瞬態(tài)電氣量的采集、監(jiān)視和控制，迅速切除故障設(shè)備和完成事故后的恢復(fù)操作。
為總變配置1套DC220V/100AH柜式交直流電源，各區(qū)域變電所在高壓柜配置DC220V/20AH分布式直流電源，為整個變電站的斷路器、二次設(shè)備及監(jiān)控主機等重要設(shè)備運行提供穩(wěn)定可靠的電源。
在通信室配置一臺時鐘同步裝置，實現(xiàn)變電站內(nèi)所有微機保護裝置、監(jiān)控主機、規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置、遠動裝置、廠站采集終端的時鐘同步。
在通信室配置一套變電站綜自自動化系統(tǒng)，通過規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置采集站內(nèi)UPS、直流屏數(shù)據(jù)，通過光纖組網(wǎng)與分散的各區(qū)域變電所通信實現(xiàn)變電站綜合自動化監(jiān)控與管理。
在通信室配置一面通訊屏、一面調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)屏，通過專用通道點對點方式實現(xiàn)變電站與調(diào)度端通訊。調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)屏配置數(shù)據(jù)路由器、交換機、縱向加密裝置、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置等設(shè)備，提供變電站內(nèi)數(shù)據(jù)調(diào)度上傳通道，并對該電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測，廠站采集終端實現(xiàn)站內(nèi)的總電能計量與所用變計量。
電氣設(shè)備安全防護
在35kV、10kV配電系統(tǒng)中配置AM5SE系列微機保護裝置，其中35kV主變配置整套主變保護屏，實現(xiàn)主變的差動保護、后備保護、非電量保護及主變溫度監(jiān)測與檔位控制；35kV其他回路及10kV各回路就地配置AM5SE系列微機保護裝置。
l 進線保護：
35kV進線柜各配置一臺線路保護AM5SE-F（如需光纖差動保護，則配置AM6-LD，與對側(cè)保持一致），當(dāng)回路故障時，用于跳開本柜斷路器，切斷故障。35kV進線柜各配置一臺電能質(zhì)量監(jiān)測裝置APView500，監(jiān)測電能質(zhì)量如電壓諧波與不平衡/電壓偏差/頻率偏差/電壓波動與閃變等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、電壓暫升/暫降/短時中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到電能質(zhì)量異常時，觸發(fā)故障錄波與數(shù)據(jù)記錄，為后續(xù)的電能質(zhì)量分析提供數(shù)據(jù)支撐。
l 主變壓器保護：
為了實時觀察和集中管理降壓變壓器運行狀態(tài)，方便降壓變壓器二次監(jiān)控設(shè)備的安裝和檢修，提高保護可靠性和靈敏性，35kV/10kV 主變壓器回路采用整套主變保護裝置集中組屏方式，配置一臺主變保護屏。屏柜設(shè)立在電氣監(jiān)控室，屏柜上裝設(shè)1臺差動保護裝置AM5SE-D2、1臺高后備保護裝置AM5SE-TB、1臺低后備保護裝置AM5SE-TB、1臺高側(cè)測控裝置AM5SE-K、1臺低側(cè)測控裝置AM5SE-K、1只變壓器溫控儀ARTM-8、1臺檔位變送器UP858-19AN及轉(zhuǎn)換開關(guān)、壓板、空氣開關(guān)等其他控制設(shè)備。差動保護裝置：作為降壓變壓器內(nèi)部及引出線短路故障的主保護，動作后跳降壓變壓器高低兩側(cè)斷路器；高后備保護裝置：作為35kV側(cè)的后備保護以及變壓器的非電量保護，動作后跳降壓變壓器高低兩側(cè)斷路器；低后備保護裝置：作為10kV側(cè)的后備保護，動作后跳降壓變壓器高低兩側(cè)斷路器；高側(cè)測控裝置：用于監(jiān)測35kV側(cè)測量電流、測量電壓；低側(cè)測控裝置：用于監(jiān)測10kV側(cè)測量電流、測量電壓；變壓器溫控器：監(jiān)測降壓變壓器內(nèi)部繞組溫度；檔位變送器：用于降壓變壓器檔位測量及有載調(diào)壓。
l 母聯(lián)保護：
母聯(lián)柜配置一臺備自投保護裝置AM5SE-B，用于實現(xiàn)兩進線和母聯(lián)之間的自動投切（進線備自投/母聯(lián)備自投/聯(lián)切備自投/自適應(yīng)備自投），同時實現(xiàn)母聯(lián)保護功能。
l PT保護：
PT柜配置一臺PT并列及監(jiān)測裝置AM5SE-UB，實現(xiàn)兩臺PT柜間的切換以及監(jiān)測，當(dāng)回路電壓出現(xiàn)異常時，及時發(fā)出告警信號。
l 開關(guān)柜綜合測控及電氣節(jié)點測溫：
35kV各開關(guān)柜配置一臺智能操控?zé)o線測溫裝置ASD320，其中PT柜采用3點電池型測溫傳感器ATE400，用于監(jiān)測母排溫度；其他柜子均采用12點測溫傳感器ATE400，用于監(jiān)測母排、斷路器上觸頭斷路器下出頭、電纜出線處的溫度。
l 弧光保護：
進線柜配置一臺弧光保護主控單元ARB5-M，母聯(lián)柜配置一臺弧光保護擴展單元ARB5-E，各開關(guān)柜母線室配置一只弧光傳感器ARB5-S，當(dāng)母線室發(fā)生弧光故障時，弧光保護主控單元及時跳開被保護母線的進線、母聯(lián)和其他電源支路斷路器。
變電站綜合自動化系統(tǒng)需采集站內(nèi)設(shè)備信息集中分析管理，根據(jù)數(shù)據(jù)類型主要分為遙測、遙信、電能三類數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)將規(guī)約雙向轉(zhuǎn)換（即規(guī)約轉(zhuǎn)換器），在變電站自動化分布式智能電子設(shè)備中存儲的信息通過網(wǎng)關(guān)傳送給SCADA主站。
為了加強變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)安全防護，抵御惡意代碼等對監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)起的惡意破壞和攻擊，以及其它非法操作，防止電力監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓和失控，和由此導(dǎo)致的變電站一次系統(tǒng)事故和其他事故，需制定電力安全防護方案。
項目實施需配置變電站綜合自動化系統(tǒng)、電能量采集裝置、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng)。
l 變電站綜合自動化系統(tǒng)
變電站綜合自動化系統(tǒng)采用系統(tǒng)組態(tài)軟件Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)，配置一臺監(jiān)控后臺主機兼操作員站。主要實現(xiàn)變電站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制功能，以監(jiān)測控制計算機為主體，加上檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)與被監(jiān)測控制的對象（生產(chǎn)過程）共同構(gòu)成的整體。在這個系統(tǒng)中，計算機直接參與被監(jiān)控對象的檢測、監(jiān)督和控制，采用IEC104規(guī)約、端口號2404，并實時與地調(diào)自動化主站系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸。
l 電能量采集裝置
配備一套廠站采集終端電能量采集裝置。電能量采集器是一種用于采集、存儲和轉(zhuǎn)送電站關(guān)口表采集和生成的計量計費信息的裝置。裝置通過與電度表通信，收集電度表采集和生成的計量計費信息。采集器通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)非實時業(yè)務(wù)與計量計費主系統(tǒng)通信，地調(diào)接入網(wǎng)上傳通信端口為1020，上報所采集和生成的的計量計費信息。
l 調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng)
調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng)是一種為電力調(diào)度生產(chǎn)服務(wù)的專用廣域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，是電力調(diào)度生產(chǎn)部門之間及電力調(diào)度生產(chǎn)部門與發(fā)電廠、變電站之間計算機監(jiān)控系統(tǒng)等實時和準實時數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)設(shè)施，是確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的重要手段。一般由路由器、交換機、縱向加密裝置、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置、橫向隔離裝置、防火墻裝置組成。
Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。其中，配電系統(tǒng)中監(jiān)測的開關(guān)量主要有：斷路器分、合閘信號，手車工作、試驗位置信號，遠方/就地切換位置信號、彈簧儲能狀態(tài)信號、接地刀合分信號、變壓器超溫跳閘信號、高溫報警信號，保護跳閘信號和事故預(yù)告信。
圖3 實時監(jiān)測主界面圖
在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能等，并可以查看24小時相電流趨勢曲線。
圖4 電參量查詢界面圖
能查詢各回路或設(shè)備時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應(yīng)包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。
圖5 電參量運行統(tǒng)計報表界面圖
能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢界面圖
具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表，也可通過棒狀圖形式展示分時電度信息。
圖7 分時電度界面圖
系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。
圖8 站內(nèi)設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖
可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進行遠程遙控操作。配電系統(tǒng)維護人員可以通過監(jiān)控系統(tǒng)的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預(yù)置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調(diào)度系統(tǒng)或站內(nèi)相應(yīng)的操作命令。
隨著通信媒介、通信能力、處理能力的進步，變電站綜合自動化需求會大大增加，變電站間的通信也會產(chǎn)生更高的安全性，因此邁向變電站自動化是大勢所趨，變電站綜合自動化系統(tǒng)對實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化和運維管理現(xiàn)代化，提高電網(wǎng)的安全和可靠運行水平起到了很大的作用。
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