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蔣超萍
江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405
摘 要：變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是將變電站內(nèi)的二次設(shè)備經(jīng)過(guò)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)、通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全變電站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、控制、保護(hù)、并與上級(jí)調(diào)度通信的綜合性自動(dòng)化功能。為了掌握變電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究成果，結(jié)合變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展歷程、對(duì)Acrel-1000安科瑞變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要功能進(jìn)行闡述， 并總結(jié)目前該變電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)了解我國(guó)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀，可以為該系統(tǒng)后續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：變電站；信號(hào)處理技術(shù)；調(diào)度通信；綜合自動(dòng)化系統(tǒng)
變電站是電力網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，它連接線路輸送電能。綜合變電站自動(dòng)化技術(shù)在變電站中應(yīng)用，將先進(jìn)的電子通訊技術(shù)、智能控制技術(shù)、信號(hào)處理等技術(shù)進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的合理、智能化控制，進(jìn)一步提高了供電系統(tǒng)的可靠性。盡管我國(guó)在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)方面取得了一定的成績(jī)，但我們對(duì)其核心技術(shù)掌握還不夠深入，且在其應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)選型不完善、不合理現(xiàn)象。因此，對(duì)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行深入研究與分析，進(jìn)一步研究變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展提供參考，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)與能量循環(huán)利用。
變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是指完成以下基本功能：
l 從當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)方獲取電力系統(tǒng)信息；
l 支持當(dāng)?shù)厥謩?dòng)和自動(dòng)功能；
l 在變電站自動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。
變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段；
1）歷上，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(yuǎn)方終端單元（RTU）。RTU是一個(gè)集中單元，含有大量的輸入與輸出，基本沒(méi)有當(dāng)?shù)毓δ埽蔷哂信c遠(yuǎn)方網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的通信功能。結(jié)構(gòu)上僅是站級(jí)概念，現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)重要信息（如保護(hù)動(dòng)作信息等）通過(guò)硬接點(diǎn)送給RTU裝置，變電站的監(jiān)測(cè)量一般經(jīng)變送器變換后送給RTU，開關(guān)量監(jiān)測(cè)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(qiáng)、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(dòng)化系統(tǒng)以不同程度的分散結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述基本功能，通過(guò)這些功能可對(duì)變電站進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)從線路隔離與接地到收集狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等所有自動(dòng)化功能。RTU的通信功能在變電站自動(dòng)化發(fā)展中變?yōu)橥ㄐ沤涌?，由通信網(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(dòng)化分布式智能電子設(shè)備中存儲(chǔ)的信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳送給SCADA主站與遠(yuǎn)方調(diào)度電網(wǎng)管理系統(tǒng)。
3）隨著信息技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步到可以實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)，依靠協(xié)調(diào)防御計(jì)劃來(lái)保護(hù)整個(gè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，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(guò)程層設(shè)備，兩網(wǎng)分別是指站控層網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)。間隔層包括數(shù)字式保護(hù)、計(jì)量、監(jiān)控等二次設(shè)備，負(fù)責(zé)間隔內(nèi)信息的運(yùn)算處理與控制，以及與過(guò)程層和站控層之間的網(wǎng)絡(luò)通信工作；過(guò)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和對(duì)系統(tǒng)的操作控制。三層設(shè)備之間通過(guò)分層、分布、開放式的兩層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接，兩層網(wǎng)絡(luò)物理上相互獨(dú)立，站控層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為全站統(tǒng)一的MMS網(wǎng)，過(guò)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(jī)等過(guò)程層設(shè)備，使得整體動(dòng)作延時(shí)增加、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。
圖1 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展歷程圖
Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用一臺(tái)或兩臺(tái)監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)變電站的所有繼電保護(hù)、測(cè)量監(jiān)視、操作控制、信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)集中信息采集、集中處理運(yùn)算、集中展示交互。具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
圖2 Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)鋱D
Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)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(jī)保護(hù)裝置配置整套主變保護(hù)屏，實(shí)現(xiàn)主變的差動(dòng)保護(hù)、后備保護(hù)、非電量保護(hù)及主變溫度監(jiān)測(cè)與檔位控制；其他回路及回路就地配置AM5SE系列微機(jī)保護(hù)裝置。實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣量采集和對(duì)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(shí)，由微機(jī)保護(hù)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(gè)變電站的斷路器、二次設(shè)備及監(jiān)控主機(jī)等重要設(shè)備運(yùn)行提供穩(wěn)定可靠的電源。
在通信室配置一臺(tái)時(shí)鐘同步裝置，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)所有微機(jī)保護(hù)裝置、監(jiān)控主機(jī)、規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、廠站采集終端的時(shí)鐘同步。
在通信室配置一套變電站綜自自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置采集站內(nèi)UPS、直流屏數(shù)據(jù)，通過(guò)光纖組網(wǎng)與分散的各區(qū)域變電所通信實(shí)現(xiàn)變電站綜合自動(dòng)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(guò)專用通道點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式實(shí)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(jī)、縱向加密裝置、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)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(duì)該電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)，廠站采集終端實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的總電能計(jì)量與所用變計(jì)量。
l 進(jìn)線保護(hù)：
35kV進(jìn)線柜各配置一臺(tái)線路保護(hù)AM5SE-F（如需光纖差動(dòng)保護(hù)，則配置AM6-LD，與對(duì)側(cè)保持一致），當(dāng)回路故障時(shí)，用于跳開本柜斷路器，切斷故障。35kV進(jìn)線柜各配置一臺(tái)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置APView500，監(jiān)測(cè)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(dòng)與閃變等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、電壓暫升/暫降/短時(shí)中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到電能質(zhì)量異常時(shí)，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(hù)：
為了實(shí)時(shí)觀察和集中管理降壓變壓器運(yùn)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(hù)可靠性和靈敏性，35kV/10kV 主變壓器回路采用整套主變保護(hù)裝置集中組屏方式，配置一臺(tái)主變保護(hù)屏。屏柜設(shè)立在電氣監(jiān)控室，屏柜上裝設(shè)1臺(tái)差動(dòng)保護(hù)裝置AM5SE-D2、1臺(tái)高后備保護(hù)裝置AM5SE-TB、1臺(tái)低后備保護(hù)裝置AM5SE-TB、1臺(tái)高側(cè)測(cè)控裝置AM5SE-K、1臺(tái)低側(cè)測(cè)控裝置AM5SE-K、1只變壓器溫控儀ARTM-8、1臺(tái)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(dòng)保護(hù)裝置：作為降壓變壓器內(nèi)部及引出線短路故障的主保護(hù)，動(dòng)作后跳降壓變壓器高低兩側(cè)斷路器；高后備保護(hù)裝置：作為35kV側(cè)的后備保護(hù)以及變壓器的非電量保護(hù)，動(dòng)作后跳降壓變壓器高低兩側(cè)斷路器；低后備保護(hù)裝置：作為10kV側(cè)的后備保護(hù)，動(dòng)作后跳降壓變壓器高低兩側(cè)斷路器；高側(cè)測(cè)控裝置：用于監(jiān)測(cè)35kV側(cè)測(cè)量電流、測(cè)量電壓；低側(cè)測(cè)控裝置：用于監(jiān)測(cè)10kV側(cè)測(cè)量電流、測(cè)量電壓；變壓器溫控器：監(jiān)測(cè)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(cè)量及有載調(diào)壓。
l 母聯(lián)保護(hù)：
母聯(lián)柜配置一臺(tái)備自投保護(hù)裝置AM5SE-B，用于實(shí)現(xiàn)兩進(jìn)線和母聯(lián)之間的自動(dòng)投切（進(jìn)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(shí)實(shí)現(xiàn)母聯(lián)保護(hù)功能。
l PT保護(hù)：
PT柜配置一臺(tái)PT并列及監(jiān)測(cè)裝置AM5SE-UB，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)PT柜間的切換以及監(jiān)測(cè)，當(dāng)回路電壓出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。
l 開關(guān)柜綜合測(cè)控及電氣節(jié)點(diǎn)測(cè)溫：
35kV各開關(guān)柜配置一臺(tái)智能操控?zé)o線測(cè)溫裝置ASD320，其中PT柜采用3點(diǎn)電池型測(cè)溫傳感器ATE400，用于監(jiān)測(cè)母排溫度；其他柜子均采用12點(diǎn)測(cè)溫傳感器ATE400，用于監(jiān)測(cè)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(hù)：
進(jìn)線柜配置一臺(tái)弧光保護(hù)主控單元ARB5-M，母聯(lián)柜配置一臺(tái)弧光保護(hù)擴(kuò)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(shí)，弧光保護(hù)主控單元及時(shí)跳開被保護(hù)母線的進(jìn)線、母聯(lián)和其他電源支路斷路器。
變電站綜合自動(dòng)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(cè)、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(dòng)化分布式智能電子設(shè)備中存儲(chǔ)的信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳送給SCADA主站。
為了加強(qiáng)變電站綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)，抵御黑及惡意代碼等對(duì)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(hù)方案。
項(xiàng)目實(shí)施需配置變電站綜合自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)
變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用系統(tǒng)組態(tài)軟件Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，配置一臺(tái)監(jiān)控后臺(tái)主機(jī)兼操作員站。主要實(shí)現(xiàn)變電站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制功能，以監(jiān)測(cè)控制計(jì)算機(jī)為主體，加上檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被監(jiān)測(cè)控制的對(duì)象（生產(chǎn)過(guò)程）共同構(gòu)成的整體。在這個(gè)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)直接參與被監(jiān)控對(duì)象的檢測(cè)、監(jiān)督和控制，采用IEC104規(guī)約、端口號(hào)2404，并實(shí)時(shí)與地調(diào)自動(dòng)化主站系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)和轉(zhuǎn)送電站關(guān)口表采集和生成的計(jì)量計(jì)費(fèi)信息的裝置。裝置通過(guò)與電度表通信，收集電度表采集和生成的計(jì)量計(jì)費(fèi)信息。采集器通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與計(jì)量計(jì)費(fèi)主系統(tǒng)通信，地調(diào)接入網(wǎng)上傳通信端口為1020，上報(bào)所采集和生成的的計(jì)量計(jì)費(fèi)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等實(shí)時(shí)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(jì)運(yùn)行的重要手段。一般由路由器、交換機(jī)、縱向加密裝置、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)裝置、橫向隔離裝置、防火墻裝置組成。
Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)人機(jī)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(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動(dòng)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(hào)。其中，配電系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)的開關(guān)量主要有：斷路器分、合閘信號(hào)，手車工作、試驗(yàn)位置信號(hào)，遠(yuǎn)方/就地切換位置信號(hào)、彈簧儲(chǔ)能狀態(tài)信號(hào)、接地刀合分信號(hào)、變壓器超溫跳閘信號(hào)、高溫報(bào)警信號(hào)，保護(hù)跳閘信號(hào)和事故預(yù)告信。
圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主界面圖
在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細(xì)電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能等，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢(shì)曲線。
圖4 電參量查詢界面圖
能查詢各回路或設(shè)備指時(shí)間的運(yùn)行參數(shù)，報(bào)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(wú)功功率、正向有功電能等。
圖5 電參量運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表界面圖
能夠?qū)b信變位，保護(hù)動(dòng)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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢界面圖
具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來(lái)任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況，即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，也可通過(guò)棒狀圖形式展示分時(shí)電度信息。
圖7 分時(shí)電度界面圖
系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)能自動(dòng)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?fù)鋱D
可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。配電系統(tǒng)維護(hù)人員可以通過(guò)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(shí)執(zhí)行調(diào)度系統(tǒng)或站內(nèi)相應(yīng)的操作命令。
圖9 遙控操作界面圖
隨著通信媒介、通信能力、處理能力的進(jìn)步，變電站綜合自動(dòng)化需求會(huì)大大增加，變電站間的通信也會(huì)產(chǎn)生更高的安全性，因此邁向變電站自動(dòng)化是大勢(shì)所趨，變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化和運(yùn)維管理現(xiàn)代化，提高電網(wǎng)的安全和可靠運(yùn)行水平起到了很大的作用。
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