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摘 要：變電站綜合自動化系統是將變電站內的二次設備經過功能的組合和優化設計，利用先進的計算機技術、通信技術、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、控制、保護、并與上級調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研究成果，結合變電站綜合自動化系統發展歷程、對Acrel-1000安科瑞變電站綜合自動化系統主要功能進行闡述， 并總結目前該變電站自動化控制系統存在的問題及發展趨勢。通過了解我國變電站綜合自動化系統的現狀，可以為該系統后續的優化改進提供參考依據。
關鍵詞：變電站；信號處理技術；調度通信；綜合自動化系統
1.概述
變電站是電力網絡的節點，它連接線路輸送電能。綜合變電站自動化技術在變電站中應用，將先進的電子通訊技術、智能控制技術、信號處理等技術進去，實現對相關設備的合理、智能化控制，進一步提高了供電系統的可靠性。盡管我國在變電站綜合自動化系統方面取得了一定的成績，但我們對其核心技術掌握還不夠深入，且在其應用過程中經常出現選型不完善、不合理現象。因此，對變電站綜合自動化系統進行深入研究與分析，進一步研究變電站綜合自動化技術的發展提供參考，實現物質與能量循環利用。
變電站綜合自動化系統是指完成以下基本功能：
l 從當地和遠方獲取電力系統信息；
l 支持當地手動和自動功能；
l 在變電站自動化系統和電網管理系統之間，提供與開關設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備（IED）不同程度的組合來實現。
變電站綜合自動化系統的發展主要經歷了三個階段；
1）開關設備和網絡管理系統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，基本沒有當地功能，但是具有與遠方網絡控制系統的通信功能。結構上僅是站級概念，現場有關重要信息（如保護動作信息等）通過硬接點送給RTU裝置，變電站的監測量一般經變送器變換后送給RTU，開關量監測是直接引至RTU，RTU的控制輸出一般經遙控執行柜發出控制命令。整體系統功能不強、硬件設備重復、整體性能指標低、適合于老系統改造。
2）相比與RTU，變電站自動化系統以不同程度的分散結構實現上述基本功能，通過這些功能可對變電站進行管理，實現從線路隔離與接地到收集狀態監測數據等所有自動化功能。RTU的通信功能在變電站自動化發展中變為通信接口，由通信網關執行，根據所用的通信協議，網關將規約雙向轉換（即規約轉換器），在變電站自動化分布式智能電子設備中存儲的信息通過網關傳送給SCADA主站與遠方調度電網管理系統。
3）隨著信息技術已經進步到可以實現廣域保護，依靠協調防御計劃來保護整個電力系統，以及IEC61850作為《變電站通信網絡和系統》的新國際標準，數字化變電站將以三層兩網式部署，三層分別是指站控層設備、間隔層設備和過程層設備，兩網分別是指站控層網絡和過程層網絡。間隔層包括數字式保護、計量、監控等二次設備，負責間隔內信息的運算處理與控制，以及與過程層和站控層之間的網絡通信工作；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、智能終端，該層主要實現信號的采集和對系統的操作控制。三層設備之間通過分層、分布、開放式的兩層網絡實現連接，兩層網絡物理上相互獨立，站控層網絡構建為全站統一的MMS網，過程層網絡則包括GOOSE網和SV網。但數字化變電站設置了大量的智能終端、交換機等過程層設備，使得整體動作延時增加、網絡復雜。
圖1 變電站綜合自動化系統發展歷程圖
Acrel-1000變電站綜合自動化系統采用一臺或兩臺監控主機實現變電站的所有繼電保護、測量監視、操作控制、信號數據通信和事件記錄打印等功能，采用模塊化軟件連接來實現集中信息采集、集中處理運算、集中展示交互。具有工作可靠、結構簡單、性價比高等優點。
Acrel-1000變電站綜合自動化監控系統采用集中式監控方案，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，實現主變的差動保護、后備保護、非電量保護及主變溫度監測與檔位控制；其他回路及回路就地配置AM5SE系列微機保護裝置。實現對電氣量采集和對電氣設備（如斷路器）的狀態監視、控制和調節，發生故障時，由微機保護裝置完成瞬態電氣量的采集、監視和控制，迅速切除故障設備和完成事故后的恢復操作。
為總變配置1套DC220V/100AH柜式交直流電源，各區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、二次設備及監控主機等重要設備運行提供穩定可靠的電源。
在通信室配置一臺時鐘同步裝置，實現變電站內所有微機保護裝置、監控主機、規約轉換裝置、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，通過規約轉換裝置采集站內UPS、直流屏數據，通過光纖組網與分散的各區域變電所通信實現變電站綜合自動化監控與管理。
在通信室配置一面通訊屏、一面調度數據網屏，通過專用通道點對點方式實現變電站與調度端通訊。調度數據網屏配置數據路由器、交換機、縱向加密裝置、網絡安全監測裝置等設備，提供變電站內數據調度上傳通道，并對該電力調度數據網進行網絡安全監測，廠站采集終端實現站內的總電能計量與所用變計量。
電氣設備安全防護
在35kV、10kV配電系統中配置AM5SE系列微機保護裝置，其中35kV主變配置整套主變保護屏，實現主變的差動保護、后備保護、非電量保護及主變溫度監測與檔位控制；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，與對側保持一致），當回路故障時，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量監測裝置APView500，監測電能質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態數據、電壓暫升/暫降/短時中斷暫態數據，當檢測到電能質量異常時，觸發故障錄波與數據記錄，為后續的電能質量分析提供數據支撐。
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，方便降壓變壓器二次監控設備的安裝和檢修，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。屏柜設立在電氣監控室，屏柜上裝設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臺高側測控裝置AM5SE-K、1臺低側測控裝置AM5SE-K、1只變壓器溫控儀ARTM-8、1臺檔位變送器UP858-19AN及轉換開關、壓板、空氣開關等其他控制設備。差動保護裝置：作為降壓變壓器內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斷路器；高后備保護裝置：作為35kV側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斷路器；低后備保護裝置：作為10kV側的后備保護，動作后跳降壓變壓器高低兩側斷路器；高側測控裝置：用于監測35kV側測量電流、測量電壓；低側測控裝置：用于監測10kV側測量電流、測量電壓；變壓器溫控器：監測降壓變壓器內部繞組溫度；檔位變送器：用于降壓變壓器檔位測量及有載調壓。
l 母聯保護：
母聯柜配置一臺備自投保護裝置AM5SE-B，用于實現兩進線和母聯之間的自動投切（進線備自投/母聯備自投/聯切備自投/自適應備自投），同時實現母聯保護功能。
l PT保護：
PT柜配置一臺PT并列及監測裝置AM5SE-UB，實現兩臺PT柜間的切換以及監測，當回路電壓出現異常時，及時發出告警信號。
l 開關柜綜合測控及電氣節點測溫：
35kV各開關柜配置一臺智能操控無線測溫裝置ASD320，其中PT柜采用3點電池型測溫傳感器ATE400，用于監測母排溫度；其他柜子均采用12點測溫傳感器ATE400，用于監測母排、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，母聯柜配置一臺弧光保護擴展單元ARB5-E，各開關柜母線室配置一只弧光傳感器ARB5-S，當母線室發生弧光故障時，弧光保護主控單元及時跳開被保護母線的進線、母聯和其他電源支路斷路器。
變電站綜合自動化系統需采集站內設備信息集中分析管理，根據數據類型主要分為遙測、遙信、電能三類數據，網關將規約雙向轉換（即規約轉換器），在變電站自動化分布式智能電子設備中存儲的信息通過網關傳送給SCADA主站。
為了加強變電站綜合自動化監控系統安全防護，抵御惡意代碼等對監控系統發起的惡意破壞和攻擊，以及其它非法操作，防止電力監控系統癱瘓和失控，和由此導致的變電站一次系統事故和其他事故，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、電能量采集裝置、調度數據網系統。
l 變電站綜合自動化系統
變電站綜合自動化系統采用系統組態軟件Acrel-1000變電站綜合自動化監控系統，配置一臺監控后臺主機兼操作員站。主要實現變電站的數據采集、監視和控制功能，以監測控制計算機為主體，加上檢測裝置、執行機構與被監測控制的對象（生產過程）共同構成的整體。在這個系統中，計算機直接參與被監控對象的檢測、監督和控制，采用IEC104規約、端口號2404，并實時與地調自動化主站系統進行數據傳輸。
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、存儲和轉送電站關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。采集器通過調度數據網非實時業務與計量計費主系統通信，地調接入網上傳通信端口為1020，上報所采集和生成的的計量計費信息。
l 調度數據網系統
調度數據網系統是一種為電力調度生產服務的專用廣域數據網絡，是電力調度生產部門之間及電力調度生產部門與發電廠、變電站之間計算機監控系統等實時和準實時數據通信的基礎設施，是確保電網安全、穩定、經濟運行的重要手段。一般由路由器、交換機、縱向加密裝置、網絡安全監測裝置、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，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，配電系統中監測的開關量主要有：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告信。
圖3 實時監測主界面圖
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、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
能查詢各回路或設備時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。
圖5 電參量運行統計報表界面圖
能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
圖6 歷史數據查詢界面圖
具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表，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
系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。
圖8 站內設備系統網絡拓撲圖
可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。配電系統維護人員可以通過監控系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。
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對實現電網調度自動化和運維管理現代化，提高電網的安全和可靠運行水平起到了很大的作用。
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