回顧了國內(nèi)變電站自動化技術(shù)發(fā)展的過程，分析了國內(nèi)變電站自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，強調(diào)了繼電保護(hù)和監(jiān)控在技術(shù)和管理上的一體化發(fā)展，數(shù)字化變電站的發(fā)展，以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的趨勢。

1 引言

“變電站自動化系統(tǒng)”（Substation Automation System-SAS）名詞，國際電工委員會解釋為“在變電站內(nèi)提供包括通信基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的自動化系統(tǒng)（SAS-Substation Automation System： The SAS provides Automation in a Substation including the Communication infrastructure）”。在國內(nèi)，我們所說的變電站自動化系統(tǒng)，包含傳統(tǒng)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，繼電保護(hù)、自動裝置等設(shè)備，是集保護(hù)、測量、控制、遠(yuǎn)傳等功能為一體，通過數(shù)字通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)信息共享的一套微機化的二次設(shè)備及系統(tǒng)。

自20世紀(jì)90年代以來，變電站自動化技術(shù)一直是我國電力行業(yè)的熱點技術(shù)之一。目前全國已投入運行的35~500kV變電站約20000座（不包括用戶變），而且每年新增變電站的數(shù)量約為3%~5%，也就是說每年都有千百座新建變電站投入電網(wǎng)運行，新建變電站基本上都采用了自動化系統(tǒng)模式，同時每年還有許多老變電站的技術(shù)改造，也基本上以自動化系統(tǒng)模式為主。

在已采用自動化技術(shù)的變電站中，早期采用較多的國外產(chǎn)品有：如ABB、SIEMENS、GE等公司的產(chǎn)品。但隨著國內(nèi)廠家的產(chǎn)品技術(shù)含量、工藝水平的提高以及國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，目前220kV及以下電壓等級變電站的自動化大都采用了國產(chǎn)產(chǎn)品，330kV及以上電壓等級變電站也大量使用了國產(chǎn)產(chǎn)品。目前，國產(chǎn)產(chǎn)品廠家主要有：南瑞集團(tuán)、北京四方、許繼電氣、國電南自等。

2 變電站自動化技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 我國變電站自動化發(fā)展階段

變電站二次部分傳統(tǒng)按功能分為四大類產(chǎn)品：繼電保護(hù)、故障錄波、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和遠(yuǎn)動。按系統(tǒng)模式出現(xiàn)順序可將變電站自動化發(fā)展分為三個階段：

（1） 第一階段：面向功能設(shè)計的集中式RTU加常規(guī)保護(hù)模式

80年代及以前，是以RTU為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)動裝置及當(dāng)?shù)乇O(jiān)控為代表。該類系統(tǒng)實際上是在常規(guī)的繼電保護(hù)及二次接線的基礎(chǔ)上增設(shè)RTU裝置，功能主要為與遠(yuǎn)方調(diào)度通信實現(xiàn)“二遙”或“四遙”（遙測、遙信、遙控、遙調(diào)）；與繼電保護(hù)及安全自動裝置的聯(lián)結(jié)通過硬接點接入或串行口通信較多。此類系統(tǒng)稱為集中RTU模式，目前在一些老站改造中仍有少量使用，此階段為自動化的初級階段。

（2） 第二階段：面向功能設(shè)計的分布式測控裝置加微機保護(hù)模式

第二階段始于90年代初期，單元式微機保護(hù)及按功能設(shè)計的分散式微機測控裝置得以廣泛應(yīng)用，保護(hù)與測控裝置相對獨立，通過通信管理單元能夠?qū)⒏髯孕畔⑺偷胶笈_或調(diào)度端計算機。特點是繼電保護(hù)（包括安全自動裝置）按功能劃分的測控裝置獨立運行，應(yīng)用了現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)通信進(jìn)行信息交換。此系統(tǒng)電纜互聯(lián)仍較多，擴展性功能不強。

（3） 第三階段：面向間隔、面向?qū)ο螅∣bject-Oriented）設(shè)計的分層分布式結(jié)構(gòu)模式

第三階段始于90年代中期，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，采用按間隔為對象設(shè)計保護(hù)測控單元，采用分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成真正意義上的分層分布式自動化系統(tǒng)。目前國內(nèi)外主流廠家均采用了此類結(jié)構(gòu)模式。110kV以下電壓等級變電站，保護(hù)測控裝置要求一體化、110kV幾以上電壓等級保護(hù)測控大多按間隔分別設(shè)計，對超高壓變電站的規(guī)模比較大的系統(tǒng)，為減少中間環(huán)節(jié)，避免通信瓶頸，要求裝置直接上以太網(wǎng)與監(jiān)控后臺通信，甚至要求保護(hù)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)獨立組網(wǎng)，由于采用了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和面向?qū)ο笤O(shè)計，系統(tǒng)配置靈活、擴展方便。

2.2 分層分布式技術(shù)成為潮流

若按變電站自動化系統(tǒng)二次設(shè)備分布現(xiàn)狀可縱向分為三層：變電站層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層；也有廠家或?qū)W者將網(wǎng)絡(luò)層歸入變電站層進(jìn)行描述，即縱向分為變電站層、間隔層二層。

（1） 變電站層橫向按功能分布為當(dāng)?shù)乇O(jiān)控、保護(hù)信息管理及遠(yuǎn)方通信。變電站層功能分布的形式取決于網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)、變電站電壓等級以及用戶的實際需求。

當(dāng)?shù)乇O(jiān)控功能作為當(dāng)?shù)剡\行人員的人機交互窗口，以圖形顯示、報表打印、語音報警等各種方式實現(xiàn)當(dāng)?shù)氐摹八倪b”。通過“五防”系統(tǒng)聯(lián)鎖控制開關(guān)及刀閘的跳合，并對斷路器合閘操作自動檢同期， 按VQC原理調(diào)節(jié)變壓器檔位或投切電容器組，以及與MIS系統(tǒng)安全聯(lián)接實現(xiàn)信息共享。

保護(hù)信息管理功能作為當(dāng)?shù)乩^保人員的人機交互窗口，也可以圖形顯示、報表打印、語音報警等各種方式對繼電保護(hù)及安全自動裝置的運行狀況如裝置是否故障、定值是否改變、采樣是否準(zhǔn)確等進(jìn)行實時監(jiān)視，根據(jù)運行需要決定保護(hù)投退和定值修改，故障發(fā)生后通過故障錄波及保護(hù)動作信息進(jìn)行故障分析和診斷。

遠(yuǎn)方通信功能是將當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和保護(hù)信息管理功能通過通信在遠(yuǎn)方實現(xiàn)，是變電站實現(xiàn)無人值班的前提條件。遠(yuǎn)方監(jiān)控和保護(hù)信息管理功能同樣可以各自獨立即通過不同的通道和規(guī)約分別接至調(diào)度中心和保護(hù)信息管理主站，也可以合二為一即通過同一通道接至遠(yuǎn)方主站。

（2） 網(wǎng)絡(luò)層完成信息傳遞和系統(tǒng)對時等功能。通過信息交換，實現(xiàn)信息共享，減化變電站的設(shè)備配置，從整體上提高變電站自動化系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前國內(nèi)外產(chǎn)品流行兩種網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)：即雙層網(wǎng)和單層網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

目前采用的現(xiàn)場總線有：Lonworks、Canbus、WorldFIP、Profibus等，速率為1~12Mbps；以太網(wǎng)通信方式，速率大多為10Mbps/100Mbps自適應(yīng)?，F(xiàn)場總線具有使用方便、簡單、經(jīng)濟(jì)的特點，以太網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、開放性好、高速率、傳輸容量大的特點。但目前由于以太網(wǎng)在性能和應(yīng)用特點上仍不能完全替代現(xiàn)場總線， 面向?qū)崟r控制的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)正處于研究和制定過程中， 所以現(xiàn)場總線將會和以太網(wǎng)并存相當(dāng)長時間。

（3） 間隔層主要是繼保、監(jiān)控設(shè)備層。可集中組屏也可分布在各繼電保護(hù)小間內(nèi)或安裝在開關(guān)柜上。繼保、監(jiān)控既可以各自獨立也可以合二為一。它對相關(guān)一次設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、測量和控制，響應(yīng)就地層、變電站層、遠(yuǎn)方主站的操作要求，對采集的信息進(jìn)行處理上送，并在變電站層、遠(yuǎn)方主站控制失效的情況下仍能完成保護(hù)、測量和控制功能。

三層之間的關(guān)系。變電站層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層既相互獨立又相互聯(lián)系。變電站層功能的實現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡(luò)層和間隔層的完好性；但是間隔層功能的實現(xiàn)，特別是繼電保護(hù)及安全自動裝置的功能的實現(xiàn)決不能依賴于網(wǎng)絡(luò)層和變電站層；遠(yuǎn)方主站監(jiān)控功能的實現(xiàn)應(yīng)不依賴于變電站層設(shè)備。

2.3 運行管理模式與變電站綜合自動化

（1） 保護(hù)和遠(yuǎn)動專業(yè)管理模式對變電站綜合自動化技術(shù)發(fā)展的影響

由于變電站綜合自動化系統(tǒng)源于傳統(tǒng)的“四遙”并在微機保護(hù)、遠(yuǎn)動基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，保護(hù)和遠(yuǎn)動分屬不同的部門和專業(yè)，運行管理是分開的，隨著變電站自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是近階段，在中低壓站已經(jīng)采用保護(hù)和測控合一的綜合裝置， 許多廠家在研制高壓和超高壓站的裝置時，已經(jīng)考慮將保護(hù)、測控、故障錄波等功能綜合在一個裝置內(nèi)。因此，各自獨立運行的管理、思維方式已經(jīng)不能適應(yīng)變電站綜合自動化技術(shù)發(fā)展要求，有些供電企業(yè)已將兩專業(yè)合并為綜合自動化專業(yè)，在技術(shù)和管理上實現(xiàn)了保護(hù)和監(jiān)控的統(tǒng)一。

（2） 無人值班的運行管理模式與變電站自動化技術(shù)的關(guān)系

目前已實現(xiàn)無人值班的變電站，并不都是采用所謂的綜合自動化系統(tǒng)。但是應(yīng)該看到，自動化技術(shù)的發(fā)展，為無人值班或少人值班變電站提供了更先進(jìn)的技術(shù)支持，使變電站設(shè)計更加合理，布局緊湊，運行更加可靠，更利于無人值班的管理，新建的變電站甚至國內(nèi)第一個750kV變電站都將按無人值班的模式設(shè)計。

（3） 保護(hù)信息管理系統(tǒng)的出現(xiàn)是變電站當(dāng)前運行管理的需求

隨著微機保護(hù)、故障錄波器在電網(wǎng)中的普遍使用，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時使保護(hù)和故障錄波器具備了以數(shù)據(jù)方式向電網(wǎng)調(diào)度中心傳輸故障信息的可能。為了貫徹《國家電力公司電網(wǎng)二次系統(tǒng)“十五”規(guī)劃》的要求，切實提高電網(wǎng)安全運行的調(diào)度系統(tǒng)信息化、智能化水平，在電網(wǎng)發(fā)生故障時能為調(diào)度提供實時故障信息，有效地快速恢復(fù)系統(tǒng)，電機工程學(xué)會繼電保護(hù)運行技術(shù)分專委會特制定了《繼電保護(hù)、安全自動裝置和故障錄波器信息處理系統(tǒng)》技術(shù)規(guī)范，已有多個變電站自動化系統(tǒng)生產(chǎn)廠家研制出該類系統(tǒng)并投入電網(wǎng)使用。該系統(tǒng)是專為保護(hù)管理部門設(shè)計的，當(dāng)保護(hù)和故障錄波裝置在故障時，由于信息量較大原因而采用單獨組網(wǎng)模式。

2.4 繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展

談到變電站自動化，必須關(guān)注繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)注保護(hù)與監(jiān)控當(dāng)前及今后在自動化技術(shù)發(fā)展中的相互融合關(guān)系。

（1） 繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展史

從90年代初至今，不同原理、不同機型的微機線路和主設(shè)備保護(hù)各具特色，為電力系統(tǒng)提供了一批性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護(hù)裝置。隨著微機保護(hù)裝置的深入研究，在微機保護(hù)軟件、算法等方面也取得了很多理論成果。微機保護(hù)已成為電力系統(tǒng)保護(hù)、監(jiān)控、通信、調(diào)度自動化系統(tǒng)的重要組成部分。

（2） 繼電保護(hù)的現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)繼電保護(hù)的發(fā)展已達(dá)到甚至超過國外同行業(yè)的水平。在保護(hù)硬件構(gòu)成方面，國內(nèi)的微機保護(hù)經(jīng)歷了8位CPU、16位CPU等幾個階段，當(dāng)前已發(fā)展到利用DSP進(jìn)行信號處理、32位CPU冗余設(shè)計、高精度模數(shù)變換、裝置內(nèi)采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、硬件模塊化設(shè)計等先進(jìn)水平階段。在電磁兼容設(shè)計方面均有獨到之處，具有很高可靠性。

在保護(hù)的原理方面，國內(nèi)微機保護(hù)的水平很多方面已領(lǐng)先于國外的同類產(chǎn)品。尤其在高壓線路保護(hù)方面，經(jīng)多年研究，微機保護(hù)的性能比較完善，可以適應(yīng)復(fù)雜的運行及故障條件。由于通信通道技術(shù)的限制，早期的全線速動縱聯(lián)保護(hù)主要由專用閉鎖式或允許式縱聯(lián)方向保護(hù)和縱聯(lián)距離保護(hù)構(gòu)成。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，分相式光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)由于原理簡單可靠而廣泛應(yīng)用。主設(shè)備保護(hù)方面，與線路微機保護(hù)相比，雖然起步較晚，經(jīng)過多年的研究已克服了早期的元件微機型保護(hù)可靠性不高，靈敏度低，動作速度慢，TA飽和影響較大等缺點。

在110kV及以下電壓等級的變電站綜合自動化系統(tǒng)中，主變后備保護(hù)、線路（饋線）保護(hù)、電容器保護(hù)等繼電保護(hù)裝置普遍采用保護(hù)測控一體化技術(shù)，即所謂的四合一裝置。每個四合一裝置不但可完成繼電保護(hù)功能，而且還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，成為整個電力系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)上的一個智能設(shè)備。

3 變電站自動化技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用

IEC 61850是國際電工委員會TC57制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，為基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，也是國家電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。IEC 61850制定的思路是：

（1） 提高互操作性，工程實現(xiàn)方便；

（2） 面向?qū)ο螅疵嫦蛟O(shè)備；

（3） 滿足應(yīng)用技術(shù)迅猛發(fā)展要求；

（4） 應(yīng)對通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。

指導(dǎo)工作方向為：適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)水平的通信體系，實現(xiàn)完全的互操作，體系向下兼容，基于現(xiàn)代技術(shù)水平的標(biāo)準(zhǔn)信息和通信技術(shù)平臺， 通過標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交換接口實現(xiàn)開放式系統(tǒng)，例如該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于所有類型的分布式SCADA系統(tǒng)。IEC 61850不僅用于變電站內(nèi)通信，而且可用于變電站和控制中心通信。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多年的醞釀和討論，至2003年已正式發(fā)布大部分內(nèi)容。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是全世界唯一的變電站網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，也將可能成為電力系統(tǒng)中從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動化無縫通信標(biāo)準(zhǔn)，還可望成為通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的工業(yè)控制通信標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前， 生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品的國內(nèi)外各大公司都在圍繞IEC 61850 開展工作，并提出IEC 61850的發(fā)展方向是實現(xiàn)“即插即用”，在工業(yè)控制通信上最終實現(xiàn)“一個世界、一種技術(shù)、一個標(biāo)準(zhǔn)”。

為適應(yīng)未來數(shù)字化變電站發(fā)展的趨勢，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)按通信體系及設(shè)備功能將變電站自動化系統(tǒng)分為3層：變電站層、間隔層、過程層。變電站層設(shè)備由帶數(shù)據(jù)庫的計算機、操作員工作臺、遠(yuǎn)方通信接口等組成；間隔層設(shè)備由每個間隔的控制、保護(hù)或監(jiān)視單元組成；過程層設(shè)備典型的為遠(yuǎn)方I/O、智能傳感器和執(zhí)行器等。

3.2 變電站自動化系統(tǒng)向高集成化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化方向發(fā)展

隨著集成電路和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型的大規(guī)模集成電路將會進(jìn)一步應(yīng)用在繼電保護(hù)和測控裝置上，如32位CPU、數(shù)字信號處理芯片DSP、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌入式實時操作系統(tǒng)、大容量Flash、可編程邏輯器件CPLD、FPGA等。這些新器件的應(yīng)用將使保護(hù)和測控裝置的電路板更加小型集成化，裝置通信、數(shù)據(jù)存儲及處理能力更強。將間隔的控制、保護(hù)、故障錄波、事件記錄和運行支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理等功能，通過模塊化設(shè)計集成在一個統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置內(nèi)是可行的，間隔內(nèi)部和間隔間以及間隔同站級間的通信可統(tǒng)一用一層網(wǎng)即光纖以太網(wǎng)來實現(xiàn)。高集成化系統(tǒng)的發(fā)展，無疑能降低成本，提高系統(tǒng)可靠性，有利于實現(xiàn)統(tǒng)一的運行管理。目前在許多中低壓站已實現(xiàn)。

變電站自動化系統(tǒng)最終向數(shù)字化發(fā)展，指的是智能化電氣的發(fā)展，如智能開關(guān)設(shè)備、光電式電壓和電流互感器、智能電子裝置（IED）等的出現(xiàn)，使變電站自動化技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化階段。智能化一次設(shè)備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路逐漸取代傳統(tǒng)的一次回路， 使變電站層、間隔層、過程層最終用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來，并實現(xiàn)統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

總之，變電站自動化技術(shù)是伴隨著現(xiàn)代科技技術(shù)發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機軟、硬件技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步， 自動化系統(tǒng)以按對象設(shè)計的全分層分布式為潮流， 朝著二次設(shè)備功能集成化，一次設(shè)備智能數(shù)字化方向發(fā)展；運行管理朝著各專業(yè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一和站內(nèi)無人值班模式發(fā)展。同時經(jīng)濟(jì)性和可靠性也是變電站自動化技術(shù)發(fā)展所要考慮的實際問題。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的實施應(yīng)用，電能質(zhì)量監(jiān)測管理，一次設(shè)備的在線監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，數(shù)字式視頻圖像監(jiān)控技術(shù)，基于同步相量測量裝置的電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測， 以及如何融入變電站自動化系統(tǒng)， 都是變電站自動化技術(shù)發(fā)展所要研究的課題。
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