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摘要：本文的目的在于通過對超高壓變電站自動化系統中集中模式、相對分散模式、分層分布分散模式等主要結構模式的介紹以及幾個典型工程的實踐經驗

關鍵詞：超高壓變電站自動化系統模式方案策略

本文的目的在于通過對超高壓變電站自動化系統中集中模式、相對分散模式、分層分布分散模式等主要結構模式的介紹以及幾個典型工程的實踐經驗，提出在系統集成、面向對象、標準化、通信通道、抗干擾等方面需要注意的問題，并總結了一種綜合考慮了可靠性、靈活性、經濟性、可維護性等因素的典型系統方案，該結構模式能夠適應目前絕大多數工程的需要。同時，本文還對超高原變電站自動化系統的體系結構、總線結構、系統安全和通信方式等相關技術發展的新動向，以及發展超高壓變電站自動化系統應采取的策略進行了探討。

1、概述

電力工業是國民經濟的基礎和命脈，我國對電力工業的發展一直非常重視。目前,兩網改造接近尾聲，取得了顯著的效果；已經啟動的為西部大開發和東部經濟建設服務的“西電東送”，又掀起了新一輪的電力建設高潮；三峽工程建設正如火如荼；以330KV/500KV為主網架的大區電網已經形成，全國聯網的序幕已經拉開，更高電壓等級的輸電線路正在緊張地規劃和前期準備。我國電力建設已經進入一個全新的建設和發展階段。

在這些電力建設工程中，超高電壓等級（220KV/330KV/500KV，以及將出現的750KV）變電站自動化系統占有重要的地位。有關部門對此也極為重視，專門出臺了超高電壓等級變電站自動化系統的模式化方案并推廣實施。筆者在模式化方案實施的基礎上，結合實施過程中的經驗體會和有關技術的最新發展，通過對改進方案的說明，試圖對超高壓變電站自動化系統在以后的發展模式再作探討。

關于超高壓變電站自動化包含的內容、應具備的主要功能、實施的原則等內容，筆者在《簡論超高壓變電站自動化系統的發展策略》[1]一文中已作過說明，在此不再贅述。

2、目前超高壓變電站自動化系統采用的主要模式

超高壓變電站自動化系統的結構模式從早期的以集中為主，發展到現在的以相對分散和分層分布分散為主，經歷了一個探索、改進和完善提高的過程，在模式設計和實際的工程建設中都有應用。

所謂集中模式，指的是保護、監控、通信等自動化功能模塊均在控制室集中布置，各模塊從物理上聯系較弱甚至毫無聯系。早期的系統，包括許多引進的產品，主要采用這種結構模式，目前仍有為數不少的這樣的系統在運行。

相對分散模式，指的是自動化系統設備按站內的電壓等級或一次設備布置區域劃分成幾個相對獨立的小區，在該小區內建設相應的設備小室，保護、監控等設備安裝于設備小室中，主站通信控制器、直流、錄波等設備仍集中安裝在控制室，各小室之間以及與控制室之間均通過工業總線網絡互聯。這種模式從90年代后期開始得到大量應用。

分層分布分散模式亦即全監控，指的是參照中低壓變電站綜合自動化的結構模式，除主變、母線和高壓線路的保護測控、中央信號、通信仍采用集中組屏外，出線、電容器的保護、監控等設備完全按設備間隔安裝于就地的設備小室或直接安裝在一次設備上，各模塊之間采用標準局域總線和通信規約互聯。當然，也可按集中組屏的方式安裝這些模塊。這種模式在最近有迅速發展的勢頭。[2]

隨著新技術的發展、新標準的制訂、新應用需求的提出，還會出現與之相適應的新的系統結構模式。

3、超高壓變電站自動化系統建設中需注意的問題

根據工程實踐，筆者認為在超高電壓變電站自動化系統的建設中，需要對以下幾個方面給予特別的注意。

（1）在系統集成方面，應更強調功能集成、模塊協調，實現數據、資源共享，除了因可靠性要求外，要減少一切不必要的冗余，以提高系統的運行可靠性和性價比。

（2）對減少建設投資的考慮，應從減少占地、減少二次連接電纜、減少裝置數量、減少每個裝置中所用元器件數量、減少人員、降低后續的維護費用等方面綜合考慮，才能全面反映出采用新型設備所取得的經濟效益。

（3）對于面向對象問題，需對對象有統一明確的定義。面向變電站、面向電壓等級、面向設備間隔、面向物理監控對象等不同的基點，會產生不同的設計思想，從而會引起系統結構的完全不同。

（4）關于系統的標準化問題，不僅通信接口硬件、通信規約要標準化，而且模塊的物理結構尺寸、接線端子也要盡量標準化，以利于系統未來的擴容升級改造。

（5）對于系統的診斷，需要診斷軟件能夠迅速定位和隔離故障，并增加設置專用“黑盒子”，避免再出現類似二灘電廠那樣的大事故卻無法追蹤的尷尬局面。

（6）直接采用數字載波、數字微波、光纖等高速數據通信通道，徹底避免數字通道模擬使用、高速通道低速使用的弊端。光纖通道由于具有：可靠性高、抗干擾能力強、傳輸頻帶寬、通信容量大、傳輸衰耗小、通信距離遠、傳輸速度快、體積小、重量輕、敷設方便等優點應優先考慮采用。

（7）關于變電站自動化系統中保護壓板的設置問題，應考慮盡量減少硬壓板而采用軟壓板，保護投退可全部采用軟壓板。當然，保護出口回路仍必須采用硬壓板。

（8）低周減載功能應智能化，結合時間定值、負荷性質、負荷容量等從系統級綜合考慮。

（9）對小電流接地選線功能，若完全分散完成則降低了選線的準確性，傳統的完全集中又過多地占用了硬件資源，所以應采用數據共享法來保證準確性和低造價。

（10）電壓無功綜合控制功能，應由系統完成，而不考慮另配置專門的功能單元。

（11）系統設備的維護問題，應提倡現場模塊級維護，對故障模塊進行更換，盡量避免現場的元件級維護。

（12）系統干擾主要有輻射干擾和傳導干擾，長導線易引起傳導干擾，所以要盡量減少電纜長度，要符合電器設備電磁兼容性國際標準國家標準行業標準。輻射干擾對系統的影響則比較有限。

（13）直流電源的配置方式需給以充分考慮。保護監控就地分散安裝后，直流電源供電電纜成了主要的傳導干擾源，因此其配置方式就成了抗干擾的瓶頸。

（14）SCADA實時數據、電量計費數據、保護數據、故障錄波數據等盡量統一規約，統一通道，統一時標。

（15）事故總信號最好由保護系統的中心管理模塊統一集中產生，

（16）保護遠方復歸-自動化系統須考慮遠方復歸功能，但運行單位可根據當地的規定選擇投入或退出以及屏蔽。

（17）主變主保護高中低壓后備保護非電量保護從硬件上應結合成一體，由于共用一套出口回路，如果分開設置相互之間連線太多，而且操作箱出口故障時后備也起不到后備作用。

當然，在工程建設中還會出現一些新的問題，需要進一步探討解決。

4、一種典型的超高壓變電站自動化系統方案

按照全國電力調度“十五”規劃的要求，電力自動化系統要實現主干通道光纖化、信息傳輸網絡化、電網調度智能化、運行指標國際化、管理手段現代化的目標。在此總的要求下，結合多種模式站的優點，提出一種超高壓變電站自動化系統的實現方案，簡述如下，其結構見圖一。

由于綜合考慮可靠性、靈活性、經濟性、可維護性等因素，超高壓變電站主接線形式一般按500KV進線采用3/2接線、200KV出線采用雙母線單分段帶旁路接線、35KV出線采用單母線的結構。[3]本方案即是基于這種接線方式而總體考慮的，當然也能適應其各種變形。系統結構框圖如圖一所示。

整個系統的設計思想是分布分散或相對分散，即220KV/35KV的測控保護可按設備間隔或電壓等級分散安裝，當然也可以集中布置。系統的設計目標是最大限度地提高抗干擾能力，尤其是防止由傳導引起的干擾。

整個系統采用三級總線結構。站級總線采用標準高速以太網絡，10MB/100MB/1GB自適應，并兼容即將推出的10GB以太網總線結構，提供了高速的當地人機交互手段和完善的SCADA功能；設備級采用標準10MB以太網，比傳統的現場總線從傳輸速率上提高了幾個數量級，為模塊間提供了通暢的數據高速公路，為多個上級調度中心提供了充裕的數據通道，且為直接接入廣域網提供了便利手段；間隔級采用已經業界驗證過的QSPAN總線，這是一種增強的PCI總線，既滿足可靠性要求，又照顧了通用性。各級總線網絡通信協議均采用TCP/IP。

系統的通信管理模塊DEP-MTU采用主備結構，CPU為MOTOROLA的68360，另配置大容量的ROM/RAM，最多可配置32個RS-232/422/485串口，能夠同時處理數十種不同類型的通信規約。

系統的測控模塊DEP-GTU直接通過單/雙以太網通信，2個以太網接口，2個RS-232接口，1個RS-485接口，CPU采用摩托羅拉公司的高性能32位68360，并配置2MBFlashEPROM和8MBDRAM，交流采樣采用TI公司的高級DSP芯片，模塊除具備測量、信號、控制、調節、脈沖累加、網絡通信、串口通信等常規功能外，還專門考慮了處理和電流的功能，完全適應3/2接線的要求，無須再作其它特殊考慮。僅修改設置參數，就可配置成同期單元，無需另配專門模塊。

系統“黑盒子”采用專門設計的模塊，CPU采用摩托羅拉公司的高性能32位68360，并配置16MBEPROM、32MBDRAM存貯器，能夠保存最近的30000條完整的系統訪問記錄。同時，它還具有極強的物理特性，防火、防水、防震、防塵、抗砸、抗壓、抗10000伏高電壓長時間沖擊。

5、超高壓變電站自動化系統發展的新動向

隨著微電子技術、計算機軟硬件技術的發展，近年來超高壓變電站自動化系統在以下幾個方面都有不同程度的進展。

5．1系統體系結構：

由傳統的單一的集中模式向與相對分散式、分層分布分散式多種體系結構模式轉變，由傳統的面向單個測量、控制對象向面向電網元件（如進線、出線、變壓器、母線、電容器等）轉變，由各功能單獨考慮向系統功能綜合考慮轉變，由一味強調功能全面向更強調功能實用和高可靠性轉變。

5．2總線結構：

無論是模塊級、間隔級還是站級，均由專用、低速向通用、標準化、高速轉變，原來采用的位總線、LonWorks、CAN、FF等現場總線統一向以太網轉變，這從國際電工委員會（IEC）即將推出的IEC61850系列正式標準中也可看到這個趨勢。

傳統的PLC技術不能滿足日趨增長的對分布式實時控制性能的要求，傳統現場總線技術也是如此。經長期實踐證明，在所有的網絡技術中，以太網技術是至今最理想的選擇，主要原因是：

（1）它充分考慮了今后的發展需要，具有高傳輸速率和自適應，目前能達到10MB/100MB/1GB的速率，10GB以太網也即將面世；

（2）高傳輸安全性和可靠性以及集線器技術的完善和確定性；

（3）幾乎不需考慮網絡的拓撲結構，非常靈活；

（4）傳輸物理介質多樣，:雙絞線、光纖、同軸電纜甚至無線通道都可容納；

（5）集線器的應用可不需考慮網絡的擴展；

（6）以太網的應用已經建立起一種業界的標準，亦即一個新的工控總線標準；

（7）全面與最前沿的IT技術接軌，出現了被稱之為“世界標準”的TCP/IP技術的應用；

（8）能滿足低成本高性能面向未來的開發的需要。

5．3信息共享度：

保護監控功能以及數據共享從邏輯上的結合越來越緊密，物理上的結合也將隨著光電傳感技術的不斷發展和完善而更加緊密。

5．4防誤功能：

逐步走向不再配備專門的“五防”閉鎖硬件系統，而是把范圍更廣的綜合防誤操作功能結合在系統中，利用監控設備的智能邏輯來靈活實現網絡級的防誤操作。

5．5安全性：

隨著技術開放度的提高、網絡功能的滲透、以及國內外形勢的復雜化，系統的安全性更顯得特別重要。因此，除加強傳統的安全機制外，還應專門配置變電站自動化系統“黑盒子”來記錄自動化系統中的所有操作與通信的狀況，該模塊與飛機上的黑盒子類似，具有極大的存貯容量和極強的物理性能，能忠實地記錄下一定時間的所有內外部操作記錄。為防止黑客攻擊和人為的破壞，必須與其它網絡從物理上隔離，數據單向傳輸。如果采用網絡數據傳輸，還須考慮適當的防火墻、物理隔離、數據加密、數據備份、數字認證、多級網管等網絡安全措施。

5．6新型就地數字化互感器：

IEC新標準草案推薦使用，這使得部分設備級與間隔級的分界產生了變化。

5．7通信方式：

不管是站內模塊與設備間的互聯還是與主站系統之間的通信，均采用最新的通信技術，如無線、寬帶、高速通道，徹底防止數字通道模擬使用、高速通道低速使用的弊端。特別值得一提的是與主站系統通信采用基于TCP/IP協議的廣域網/INTERNET技術，站內各功能單元之間則采用“藍牙技術”，避免復雜的接線和通信協議，減少了屏上接線端子，從而可以使設備更靈活地布置和具有更大的輸入輸出容量。

所謂藍牙（Bluetooth）技術，實際上是一種短距離無線電技術，利用“藍牙”技術，能夠有效地簡化智能通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化這些設備與因特網之間的通信，從而使這些設備與因特網之間的數據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍牙技術使得現代一些便攜的移動通信設備、電腦設備等不必借助電纜就能實現無線網絡連接，其實際應用范圍還可以拓展到各種測量設備計量設備保護設備監控設備維護設備接口設備，組成一個巨大的無線通信網絡“藍牙”技術屬于一種短距離、低成本的無線連接技術，是一種能夠實現語音和數據無線傳輸的開放性方案，因此，目前無線通信的“藍牙”已經引起了業界的密切關注。藍牙技術產品采用低能耗無線電通信技術來實現語音、數據和視頻的傳輸，其傳輸速率最高為每秒1Mb/s，以時分方式進行全雙工通信，通信距離為10米左右，配置功率放大器可以使通信距離進一步增加。藍牙產品采用的是跳頻技術，能夠抗信號衰落；采用快跳頻和短分組技術，能夠有效地減少同頻干擾，提高通信的安全性；采用前向糾錯編碼技術，以便在遠距離通信時減少隨機噪聲的干擾；采用2.4GHz的ISM（即工業、科學、醫學）頻段，省去了申請專用許可證的麻煩；采用FM調制方式，使設備變得更為簡單可靠；“藍牙”技術產品一個跳頻頻率發送一個同步分組，每組一個分組占用一個時隙，也可以增至5個時隙；“藍牙”技術支持一個異步數據通道，或者3個并發的同步語音通道，或者一個同時傳送異步數據和同步語音的通道。“藍牙”的每一個話音通道支持64kb/s的同步話音，異步通道支持的最大速率為721kb/s、反向應答速率為57.6kb/s的非對稱連接，或者432.6kb/s的對稱連接。在電力自動化系統中有廣闊的應用前景。

6、我國發展超高電壓等級變電站自動化系統應采取的策略

為了使我國電力自動化系統的發展與國際同步，應時刻跟蹤最新的技術發展動向和應用情況，迅速全面等同采用相關的國際標準，相機出臺相應的指導性和規范性文件，有針對性地解決在實際工作中遇到的問題。同時，也要利用進入WTO的良機，吸收采用國際先進技術成果，借鑒國內外成功的經驗，設計開發出性能優越、運行可靠、價格合理的完全具有自主知識產權的超高電壓等級變電站自動化系統。實現這個目標，已經具備了必要的條件和基礎，有關部門應給予必要的重視和相應的支持。

7、結束語

我國的變電站自動化已走過了一個漫長而曲折的過程，目前逐步趨向成熟和理性，這為超高壓變電站自動化系統的發展創造了空前的良機。全面采用技術先進、運行可靠、結構合理、性能價格比高的自動化系統，必將為我國的電網運行帶來可觀的經濟效益和社會效益。

變電站自動化系統正在向著隨著功能結構的標準化和開放度的提高，系統安全問題變得非常突出，必須給予足夠的重視。本典型方案中的“黑盒子”即為系統提供了一種跟蹤手段。此外，通信協議的通用化標準化、通信通道的數字化高速化、通信結構的網絡化、設備抗干擾能力的提高等方面也取得了明顯的進展。

時代在進步，技術在發展。如何采用先進技術、設計開發出具有自主產權的實用可靠的超高壓變電站自動化系統，需要業內人員付出巨大的精力。相信隨著電力建設的迅速發展，超高壓變電站自動化系統也會隨之邁上一個新的臺階。

參考資料

1、劉清瑞，簡論超高壓變電站自動化系統的發展策略，電網技術，1999年第2期，77-80頁

LIUQingrui,PreliminaryDiscussionontheDevelopmentStrategyofAutomationSystemforSuperHighVoltageSubstation,PowerSystemTechnology,Vol.23No.2Feb.1998,77-80

2、宋繼成，220－500KV變電所二次接線設計，北京：中國電力出版社，1996年

SONGJicheng,SecondaryWiringDesignfor220-500KVSubstations,Beijing:ChinaElectricPowerPress,1996

3、四川省電力工業局、四川省電力教育協會編，500KV變電所，北京：中國電力出版社，2000年9月

SichuanElectricPowerAdministration&SichuanElectricPowerEducationAssociation,500KVSubstations,Beijing:ChinaElectricPowerPress,2000