变电站智能设备的集成技术

摘 要：本文根据国、内外变电站自动化技术发展及应用现状，从实际工程应用的角度，阐述了变电站智能化设备的必要性以及智能设备的构成和特点，探讨了从系统设计出发的集成思路，同时对变电站智能设备的进一步发展提出了一些设想。

关键词：变电站自动化 数据通信 智能设备 系统集成 计算机网络

0引言

近年来，计算机芯片及网络等新技术的不断采用，从根本上改变了传统变电站二次设备的基本面貌，全数字化的设备、以网络构成的系统，辅以成熟的调度自动化系统，正在不断地提高变电站运行的自动化程度和可靠性，从原来的分部分的变电站设备及运行状态的监测发展到整个变电站设备监控的集成的自动化系统，已基本做到了自动化应能实现的功能，即不再是好看不好用的花架子，而是真正可以解决和满足生产实际运行中出现的问题和需要，无人值班变电站及变电站自动化系统已基本被用户接受并使用。

在实际应用中，国内、外不同的专业厂家分别推出了具有不同特点的系统，基本上都能满足系统的运行要求，但在不同程度上，由于开发的背景、运行经验及技术水平的限制，仍有相当一部分系统存在者功能重复设置，没有做到信息资源共享，从而导致了现场接线复杂、系统的各部分接口的通信规约不一致，增加了投资并影响了系统的可靠性，这就大大影响了整个系统的开放性及可扩展性。出现这些问题的主要原因便是缺乏系统设计及在系统设计思路指导下的各组成部分(智能单元)的开发。由于以往变电站二次部分的开发是分保护、测量、监控等各专业独立开发、功能相对独立设置的，由此为满足系统的功能配置要求而在“搭系统”，从而导致要么底层控制单元无法投入系统，信息传送不上来，就是系统要求的功能底层控制设备单元不具备。针对上述问题，本文试图从整体系统设计思想入手，讨论对变电站内智能化设备的基本要求及其构成、系统集成的基本思想，以供同行讨论参考。

1变电站自动化的特点及智能设备的构成

国内变电站二次产品早期开发过程是按保护、测量、控制和通信部分分类独立开发，随着技术的进步以及电力系统自动化的要求，变电站自动化工作的开展首先从远动、自动化及通信专业开始，初期开展的工作只是对站内的部分状态量及模拟量数据采集并处理的微机监视或监控系统，随着调度自动化及微机保护的成熟及应用，变电站自动化及无人值班运行模式便成为实际的需要和急待解决的课题。变电站自动化近几年的发展状况大致存在集中式及分布式两种系统结构，由于电力系统管理方式及二次产品开发的历史原因，大多数系统仍采用的是按功能“拼凑”的方式开展，没有按工程的实际需要及正确的系统设计指导思想进行，从而导致系统的性能指标下降以及出现许多无法解决的工程问题。

从对分布、开放性以及系统整体的发展趋势来看，采用分布式测控、保护、自动装置及计算机局域网的结构方式显然比较优越。采用分布、开放性的网络拓扑结构和计算机局域网技术的变电站自动化系统，各现场单元可完全脱离系统独立运行，单个装置的故障不影响系统的正常运行，从而达到“分散布置、集中管理”的目的，加强了系统的可靠性和可扩充性。这种构成模式正越来越被我国电力系统所接受，其最大特点就是尽可能地充分利用软、硬件资源，并尽可能地共享软、硬件和系统资源，并且利用通信网络代替大量的控制信号电缆，避免设备重复设置，多次投资。

根据IEC国际电工委员会电力系统控制与通信技术委员会的划分以及变电站自动化系统的特点，变电站内的设备可划分为如下三个层次。

设备层：包括各种一次设备象开关、线路、变压器、电容器、CT/PT等。

间隔层：是各种二次设备包括采集、测量、控制、保护、自动装置、故障滤波等，它们大多能独立完成某种功能，且具有与外部进行数据交换的能力。

变电站管理层：对整个变电站进行安全监视、控制、操作，并与变电站外部进行数据交换，如当地监控微机、与控制中心通信的网关等。

上图标示了变电站内的三个层次和它们之间的数据交换。从对变电站电能传输、分配进行检测、控制和管理的观点出发，可以认为变电站由母线、变压器、线路、电容器等基本元件组成;一个基本元件通过一个或多个间隔向二次系统提供数据，接收二次系统的控制命令。根据每一个基本元件自身的特性和检测、控制要求，并按照基本元件内部数据采集及故障检测和隔离由元件自身解决的原则，设计每一种基本元件对应一种硬件结构即智能电子设备(IED)。

从图中还可以看出，在设备层和间隔层之间的数据交换量不大，主要是设备间向间隔层提供运行中的各种I/O信号，间隔层向设备发出控制信号等。

在间隔层和变电站管理层之间，存在大量的数据交换，一方面，间隔层内的各种智能设备需要把采集到的信息及时上传至当地监控系统和通过通信处理机送到远方控制中心，不仅数据量大，而且要求具有很高的实时性，象站内的事件顺序记录需达到毫秒级，测量值及信号的刷新时间需在3秒之内完成。另一方面，变电站层的系统时钟、控制与调节命令、运行参数的整定命令，也要快速下发至各智能设备。

间隔层的各智能设备之间，也存在着部分数据交换，但这种交换量不大，对实时性要求也不高。而且由于保护设备大都是独立的设备，故与其它装置的数据交换很少。其它智能设备，也存在一定量的数据交换。

基于以上情况，设计中的变电站自动化系统考虑了在间隔层横向按站内一次设备分布式的配置，有条件时，还可将间隔层设备安装在开关柜上;各间隔设备相对独立，仅通过站内通信网互联，并同变电站层设备进行快速通讯。

在功能分配上，采用可以下放的功能尽量下放的原则。凡是可以在本间隔内就地完成的功能绝不依赖通讯网完成，这样构成的系统同以往的集中式系统相比有着明显的优点：可靠性提高、可扩展性和灵活性提高以及站内二次电缆简化、节省投资。

2智能设备的集成

在变电站自动化中存在一些促使设备集成的动力。首先，变电站自动化要求采用较少的设备完成

变电站内智能电子设备的集成化设计策略采用了分布式功能配置的概念，因为分布式体系结构可使任何规模的变电站具有可扩充性。通过共享冗余得到了高可靠性、简化的布线以及可选择的性能升级能力。

在设计信息及数据通信的策略中，几乎每一个制造商设计的IED都有以电气工业协会(EIA)的RS-232或RS-485标准为基础的物理层接口，并在数据链路层和应用层用软件完成系统与任何一个IED设备的连接，但随着计算机局部网络(LAN)技术的发展，越来越多的制造商把注意力集中在LAN上。采用计算机局域网技术可实现数据高速、可靠传输，可将过去集中处理的功能分散到各个节点去处理，并可以传送大批量的数据，如故障录波数据和图像数据等。在变电站自动化系统中，采用局域网技术，将变电站内的数据采集部分的各智能单元分别挂网运行，站内自动化系统通过变电站层控制中心与各IED进行数据通信，以取得对现场IED设备的控制权，如断路器的分/合、自动重合闸的开/闭、继电保护装置的参数设置、故障诊断、远程抄表等控制命令。这就要求IED设备满足局域网标准，I/O设备作为局域网上的一个节点。在实际采用计算机局域网的标准上，一般存在着采用“工业以太网”和“现场总线”两种不同的做法。