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有關無人值守變電站自動化系統設計的研究論文
建設改造項目已全面鋪開， 在現代電力系統的各種技術發展十分迅速的情況下， 建設高度可靠、有效可控的現代化無人職守變電站勢在必行。
關鍵詞:變電站 自動化系統 通信網絡
1 常規自動化系統
常規自動化系統是指采用常規遠動方式，充分利用原有的二次設備，實現無人值守的模式。這種系統中保護和遠動相對獨立，結構簡單，便于遠動和維護，節省資金。主要適用于城農網改造中老舊變電站的無人值守改造。常規的有人職守變電站改造為無人值守變電站，需對傳統的常規變電站二次系統在設計上作如下改進:①取消中央信號系統。②取消控制屏，在開關柜和保護屏上只保留控制開關及紅綠燈，并增加當地、遠方切換開關。③取消當地測量儀表。④取消光子牌，把各種預告、事故信號通過RTU上傳，送往調度中心。⑤保護裝置的運作信號和本身狀態信號通過無源觸點接入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下進行控制。⑦新設遠動設備，如RTU屏等。這種變電站自動化系統的缺點是系統不具備自診斷能力，對二次系統本身的故障無法檢測。
2 變電站綜合自動化系統
變電站綜合自動化是將變電站的二次設備(包括測量儀表、信號系統、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等)經過功能的組合和優化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信號處理技術，實現對全變電站的主要設備和輸、配電線路的自動監視、測量、自動控制和微機保護，以及與調度通信等綜合性的自動化功能。變電站綜合自動化系統，即利用多臺微型計算機和大規模集成電路組成的自動化系統代替了常規的測量和監視儀表，代替常規的控制屏、中央信號系統和遠動屏，用微機保護代替常規的繼電保護屏，改變常規的繼電保護裝置不能與外界通信的缺陷。通過變電站各種設備間相互交換信息，數據共享，實現對變電站運行進行自動監視、管理、協調和控制，提高了變電站保護和控制性能，使變電站運行更為可靠，改善和提高了電網的控制水平。同時也使變電站設計合理、布局緊湊、運行更加安全可靠。目前，國內外變電站自動化系統設計上大體可分為四種結構形式:集中式、分布集中式、集中與分散式相結合和分散式。
2.1 集中式:集中式結構是將設備按其不同功能進行歸類劃分，形成若干個獨立系統，各個系統分別采用集中裝置來完成自身的功能。集中式結構一般由一個或兩個CPU實現對整個變電站的保護、監視、測量、遠動的集中控制。其優點是:構成較簡單、主機控制系統集中、便于分配調度各種實時任務、響應速度快、節省投資；其缺點是:主機系統負荷繁重、主機單CPU可靠性不高。為了提高可靠性，一般采用雙系統互為備用；軟件復雜，修改工作量大，系統調試麻煩；組態不靈活，對不同主接線或規模不同的變電站，軟、硬件都必須另行設計，工作量大；集中式保護與長期以來采用一對一的常規保護相比，不直觀，不符合運行和維護人員的習慣，調試和維護不方便，程序設計麻煩，只適合于保護算法比較簡單的情況。
2.2 分布集中式:將整個變電站的一、二次設備分為3層，即變電站層、單元層和設備層。變電站層稱為2層，單元層為1層，設備層為0層。設備層主要指變電站內的變壓器，斷路器、隔離開關及其輔助接點，電流、電壓互感器等一次設備。變電站綜合自動化系統主要位于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部件。單元層本身是由各種不同的單元裝置組成，這些獨立的單元裝置直接通過局域網絡或串行總線與變電站層聯系；也可能設有數采管理機或保護管理機，分別管理各測量、監視單元和各保護單元，然后集中由數采管理機和保護管理機與變電站層通信。單元層本身實際上就是兩級系統的結構。變電站層包括全站性的監控主機、遠動通信機等。變電站層設現場總線或局域網，供各主機之間和監控主機和單元層之間交換信息。
2.3 集中與分散結合式:隨著單片機技術和通信技術的發展，特別是現場總線和局部網絡技術的應用，一種發展趨勢是按每個電網元件(如:一條出線，一臺變壓器、一組電容器等)為對象，集測量、保護、控制為一體，設計在同一機箱中。至于高壓線路保護裝置和變壓器保護裝置，仍可采用集中組屏安裝在主控室內。這種結構方式介于集中式與分散式兩種結構之間，形式較多。目前國內應用較多的是分散式結構集中式組屏。
這種結構方式具有分散式結構的全部優點，由于采用了集中式組屏，有利于系統的設計、安裝與維護管理。因而具有以下特點:①就地安裝，節約控制電纜，通過現場總線與保護交換機交換信息。②高壓線路保護和變壓器保護采用集中組屏結構，保護屏安裝在控制室或保護室內，同樣通過現場總線與保護管理機通信，使這些重要的保護裝置處于比較好的工作環境，對可靠性較為有利。③其他自動裝置中，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構，安裝于控制室或保護室中。④電能計量。采用電能管理機采集各脈沖電表的脈沖量，計算出電能量，然后送給監控主機，再轉發給控制中心；或采用帶串行通信接口的智能型電能計量表，通過串行總線，由電能管理機將采集的各電能量送往監控機，再傳送給控制中心。因為中低壓變電站的一次設備比較集中，所以此種結構方式比較適用于中低壓變電站。
2.4 分散式:分散式結構是今后的發展方向。原因很顯然，一方面是分級分散式的自動化系統，具有前面所述的突出優點，另一方面，隨著電—光傳感器和光纖通信技術的發展，為分散式的綜合自動化系統的研制和應用提供了有力的技術支持。這種結構方式一般是按一次回路進行設計。首先將設備按一次安裝單位劃分成若干單元，將控制單元、微機保護單元、數據采集單元安裝在戶外高壓斷路器附近或戶內開關柜內。然后將各分布單元用網絡電纜互聯，構成一個完整的分散式綜合自動化系統。其優點是:各個功能單元上既有通信聯系，又能相對獨立，便于系統擴展和維護管理，當某一環節發生故障時，不至于相互影響；此外，它的抗電磁干擾性強、可靠性高，在二次系統設計上能最大限度地減少二次設備的占地面積并節省大量電纜及接線。
3 變電站內通信網絡
構建一個快速、穩定、可靠和富有彈性的站內通信網絡是變電站自動化系統的基本要求，也是整個電力系統運行管理自動化的根本前提。在早期的變電站自動化系統中，由于當時技術條件的限制，廣泛采用簡單串行通信技術來實現通信網絡。簡單串行通信技術具有以下不足:①通信速率低、一般不超過9.6kbps。②在采用星型拓撲結構時，系統站點的功能的擴展困難。③若使用總線式拓撲結構，由于不能實現平衡傳輸，只能運行poling規約，傳輸速率和效率均不能令人滿意，在大規模的變電站中情況更為嚴重。④不能在通信網中設置一個以上的主機，因而不能享有多主機技術帶來的各種優越性能⑤由于性能低下，要實現完整的功能，通信網的規模和復雜性令人生畏。
由于基于網絡技術的現場總線無論在通信速率和實時性上，還是在可靠性和組網的靈活性上均遠高于簡單的串行通信技術，在很短時間內便成為變電站自動化系統的主流通信技術，同時也使變電站自動化系統的整體結構發生了本質的變化�，F場總線是專為小數據量工業控制領域的通信設計的廉價網絡，當作為變電站自動化的主干網時，總體性能隨節點數的增長迅速下降。由于強調專用性而犧牲了通用性，長期缺乏統一的國際標準。在通信節點多，通信數據量大的變電站中，現場總線存在以下局限性:①當變電站通信節點超過一定數量后，響應速率迅速降低，不能適應大型變電站對通信的要求；②有限的帶寬使錄波等大量數據的傳輸延遲；③網絡的任一點故障時均可能導致整個系統崩潰。
可見，變電站自動化通信，更需要帶寬、通用性和符合國際標準的網絡技術。在帶寬、可擴展性、可靠性、經濟性、通用性等方面的綜合評估中，計算機網絡技術必將成為變電站自動化系統中通信技術發展的趨勢。局域網的典型特征是:①高數據傳輸速率，0.1～100Mbps；②短距離，0.1～25km；③非常低的誤碼率，達千萬分之一以下。
常用的幾種局域網絡:TOKENRING令牌環；RCNET網絡；ETHERNET(以太網)。后者采用總線型拓撲結構，同軸電纜為傳輸媒介，媒體訪問方式為載波監聽多路訪問沖突檢測方式，不支持帶優先級的實時訪問。這種網絡有很多商業化的網絡產品，具有以下優點:①可靠性高。由于采用總線型的網絡拓撲結構，不象環形網那樣中間任一節點失效便對全網造成危害，因而可靠性較高。②靈活性好。網上增減節點非常方便，任一節點的退出不會影響其他節點的正常通信。③傳輸速率高，可達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，變電站綜合自動化系統中的局域網宜采用ETHERNET網絡。
4 結語
無人職守變電站采用變電站自動化系統具有明顯優越性；分層分布式綜合自動化系統有利于系統擴展的方便性和靈活性；現場總線技術適合于城市電網和農村電網中新建的小型無人職守變電站；計算機網絡技術是應推廣的一種通信系統發展模式，特別適合于通信數據量大的變電站建設項目。
參考文獻：
[1]黃益莊.變電站綜合自動化技術[M].北京:中國電力出版社.2004.
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