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再论超高压变电站自动化系统的发展策略

　　摘要：本文的目的在于通过对超高压变电站自动化系统中集中模式、相对分散模式、分层分布分散模式等主要结构模式的介绍以及几个典型工程的实践经验
关键词：超高压变电站自动化系统模式方案策略
　　本文的目的在于通过对超高压变电站自动化系统中集中模式、相对分散模式、分层分布分散模式等主要结构模式的介绍以及几个典型工程的实践经验，提出在系统集成、面向对象、标准化、通信通道、抗干扰等方面需要注意的问题，并总结了一种综合考虑了可靠性、灵活性、经济性、可维护性等因素的典型系统方案，该结构模式能够适应目前绝大多数工程的需要。同时，本文还对超高原变电站自动化系统的体系结构、总线结构、系统安全和通信方式等相关技术发展的新动向，以及发展超高压变电站自动化系统应采取的策略进行了探讨。
概述
　　电力工业是国民经济的基础和命脉，我国对电力工业的发展一直非常重视。目前,两网改造接近尾声，取得了显着的效果；已经启动的为西部大开发和东部经济建设服务的“西电东送”，又掀起了新一轮的电力建设高潮；三峡工程建设正如火如荼；以330KV/500KV为主网架的大区电网已经形成，全国联网的序幕已经拉开，更高电压等级的输电线路正在紧张地规划和前期准备。我国电力建设已经进入一个全新的建设和发展阶段。
　　在这些电力建设工程中，超高电压等级变电站自动化系统占有重要的地位。有关部门对此也极为重视，专门出台了超高电压等级变电站自动化系统的模式化方案并推广实施。笔者在模式化方案实施的基础上，结合实施过程中的经验体会和有关技术的最新发展，通过对改进方案的说明，试图对超高压变电站自动化系统在以后的发展模式再作探讨。
　　关于超高压变电站自动化包含的内容、应具备的主要功能、实施的原则等内容，笔者在《简论超高压变电站自动化系统的发展策略》[1]一文中已作过说明，在此不再赘述。
2、目前超高压变电站自动化系统采用的主要模式
　　超高压变电站自动化系统的结构模式从早期的以集中为主，发展到现在的以相对分散和分层分布分散为主，经历了一个探索、改进和完善提高的过程，在模式设计和实际的工程建设中都有应用。
　　所谓集中模式，指的是保护、监控、通信等自动化功能模块均在控制室集中布置，各模块从物理上联系较弱甚至毫无联系。早期的系统，包括许多引进的产品，主要采用这种结构模式，目前仍有为数不少的这样的系统在运行。
　　相对分散模式，指的是自动化系统设备按站内的电压等级或一次设备布置区域划分成几个相对独立的小区，在该小区内建设相应的设备小室，保护、监控等设备安装于设备小室中，主站通信控制器、直流、录波等设备仍集中安装在控制室，各小室之间以及与控制室之间均通过工业总线网络互联。这种模式从90年代后期开始得到大量应用。
　　分层分布分散模式亦即全监控，指的是参照中低压变电站综合自动化的结构模式，除主变、母线和高压线路的保护测控、中央信号、通信仍采用集中组屏外，出线、电容器的保护、监控等设备完全按设备间隔安装于就地的设备小室或直接安装在一次设备上，各模块之间采用标准局域总线和通信规约互联。当然，也可按集中组屏的方式安装这些模块。这种模式在最近有迅速发展的势头。
　　随着新技术的发展、新标准的制订、新应用需求的提出，还会出现与之相适应的新的系统结构模式。
3、超高压变电站自动化系统建设中需注意的问题
　　根据工程实践，笔者认为在超高电压变电站自动化系统的建设中，需要对以下几个方面给予特别的注意。
　　在系统集成方面，应更强调功能集成、模块协调，实现数据、资源共享，除了因可靠性要求外，要减少一切不必要的冗余，以提高系统的运行可靠性和性价比。
　　对减少建设投资的考虑，应从减少占地、减少二次连接电缆、减少装置数量、减少每个装置中所用元器件数量、减少人员、降低后续的维护费用等方面综合考虑，才能全面反映出采用新型设备所取得的经济效益。
　　对于面向对象问题，需对对象有统一明确的定义。面向变电站、面向电压等级、面向设备间隔、面向物理监控对象等不同的基点，会产生不同的设计思想，从而会引起系统结构的完全不同。
　　关于系统的标准化问题，不仅通信接口硬件、通信规约要标准化，而且模块的物理结构尺寸、接线端子也要尽量标准化，以利于系统未来的扩容升级改造。
　　对于系统的诊断，需要诊断软件能够迅速定位和隔离故障，并增加设置专用“黑盒子”，避免再出现类似二滩电厂那样的大事故却无法追踪的尴尬局面。
　　直接采用数字载波、数字微波、光纤等高速数据通信通道，彻底避免数字通道模拟使用、高速通道低速使用的弊端。光纤通道由于具有：可靠性高、抗干扰能力强、传输频带宽、通信容量大、传输衰耗小、通信距离远、传输速度快、体积小、重量轻、敷设方便等优点应优先考虑采用。
　　关于变电站自动化系统中保护压板的设置问题，应考虑尽量减少硬压板而采用软压板，保护投退可全部采用软压板。当然，保护出口回路仍必须采用硬压板。
　　低周减载功能应智能化，结合时间定值、负荷性质、负荷容量等从系统级综合考虑。
　　对小电流接地选线功能，若完全分散完成则降低了选线的准确性，传统的完全集中又过多地占用了硬件资源，所以应采用数据共享法来保证准确性和低造价。
　　电压无功综合控制功能，应由系统完成，而不考虑另配置专门的功能单元。
　　系统设备的维护问题，应提倡现场模块级维护，对故障模块进行更换，尽量避免现场的元件级维护。
　　系统干扰主要有辐射干扰和传导干扰，长导线易引起传导干扰，所以要尽量减少电缆长度，要符合电器设备电磁兼容性国际标准国家标准行业标准。辐射干扰对系统的影响则比较有限。
　　直流电源的配置方式需给以充分考虑。保护监控就地分散安装后，直流电源供电电缆成了主要的传导干扰源，因此其配置方式就成了抗干扰的瓶颈。
　　SCADA实时数据、电量计费数据、保护数据、故障录波数据等尽量统一规约，统一通道，统一时标。
　　事故总信号最好由保护系统的中心管理模块统一集中产生，
　　保护远方复归-自动化系统须考虑远方复归功能，但运行单位可根据当地的规定选择投入或退出以及屏蔽。
　　主变主保护高中低压后备保护非电量保护从硬件上应结合成一体，由于共用一套出口回路，如果分开设置相互之间连线太多，而且操作箱出口故障时后备也起不到后备作用。
　　当然，在工程建设中还会出现一些新的问题，需要进一步探讨解决。
　　4、一种典型的超高压变电站自动化系统方案
　　按照全国电力调度“十五”规划的要求，电力自动化系统要实现主干通道光纤化、信息传输网络化、电网调度智能化、运行指标国际化、管理手段现代化的目标。在此总的要求下，结合多种模式站的优点，提出一种超高压变电站自动化系统的实现方案，简述如下，其结构见图一。
　　由于综合考虑可靠性、灵活性、经济性、可维护性等因素，超高压变电站主接线形式一般按500KV进线采用3/2接线、200KV出线采用双母线单分段带旁路接线、35KV出线采用单母线的结构。本方案即是基于这种接线方式而总体考虑的，当然也能适应其各种变形。系统结构框图如图一所示。
　　整个系统的设计思想是分布分散或相对分散，即220KV/35KV的测控保护可按设备间隔或电压等级分散安装，当然也可以集中布置。系统的设计目标是最大限度地提高抗干扰能力，尤其是防止由传导引起的干扰。
　　整个系统采用三级总线结构。站级总线采用标准高速以太网络，10MB/100MB/1GB自适应，并兼容即将推出的10GB以太网总线结构，提供了高速的当地人机交互手段和完善的SCADA功能；设备级采用标准10MB以太网，比传统的现场总线从传输速率上提高了几个数量级，为模块间提供了通畅的数据高速公路，为多个上级调度中心提供了充裕的数据通道，且为直接接入广域网提供了便利手段；间隔级采用已经业界验证过的QSPAN总线，这是一种增强的PCI总线，既满足可靠性要求，又照顾了通用性。各级总线网络通信协议均采用TCP/IP。
　　系统的通信管理模块DEP-MTU采用主备结构，CPU为MOTOROLA的68360，另配置大容量的ROM/RAM，最多可配置32个RS-232/422/485串口，能够同时处理数十种不同类型的通信规约。
　　系统的测控模块DEP-GTU直接通过单/双以太网通信，2个以太网接口，2个RS-232接口，1个RS-485接口，CPU采用摩托罗拉公司的高性能32位68360，并配置2MB Flash EPROM和8MB DRAM，交流采样采用TI公司的高级DSP芯片，模块除具备测量、信号、控制、调节、脉冲累加、网络通信、串口通信等常规功能外，还专门考虑了处理和电流的功能，完全适应3/2接线的要求，无须再作其它特殊考虑。仅修改设置参数，就可配置成同期单元，无需另配专门模块。
　　系统“黑盒子”采用专门设计的模块，CPU采用摩托罗拉公司的高性能32位68360，并配置16MB EPROM、32MB DRAM存贮器，能够保存最近的30000条完整的系统访问记录。同时，它还具有极强的物理特性，防火、防水、防震、防尘、抗砸、抗压、抗10000伏高电压长时间冲击。
5、超高压变电站自动化系统发展的新动向
　　随着微电子技术、计算机软硬件技术的发展，近年来超高压变电站自动化系统在以下几个方面都有不同程度的进展。
5．1系统体系结构：
　　由传统的单一的集中模式向与相对分散式、分层分布分散式多种体系结构模式转变，由传统的面向单个测量、控制对象向面向电网元件转变，由各功能单独考虑向系统功能综合考虑转变，由一味强调功能全面向更强调功能实用和高可靠性转变。
5．2总线结构：
　　无论是模块级、间隔级还是站级，均由专用、低速向通用、标准化、高速转变，原来采用的位总线、LonWorks、CAN、FF等现场总线统一向以太网转变，这从国际电工委员会即将推出的IEC 61850系列正式标准中也可看到这个趋势。
　　传统的PLC技术不能满足日趋增长的对分布式实时控制性能的要求，传统现场总线技术也是如此。经长期实践证明，在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择，主要原因是
　　它充分考虑了今后的发展需要，具有高传输速率和自适应，目前能达到10MB/100MB/1GB的速率，10GB以太网也即将面世；
　　高传输安全性和可靠性以及集线器技术的完善和确定性；
　　几乎不需考虑网络的拓扑结构，非常灵活；
　　传输物理介质多样，:双绞线、光纤、同轴电缆甚至无线通道都可容纳；
　　集线器的应用可不需考虑网络的扩展；
　　以太网的应用已经建立起一种业界的标准，亦即一个新的工控总线标准；
　　全面与最前沿的IT技术接轨，出现了被称之为“世界标准”的TCP/IP技术的应用；
　　能满足低成本高性能面向未来的开发的需要。
5．3信息共享度：
　　保护监控功能以及数据共享从逻辑上的结合越来越紧密，物理上的结合也将随着光电传感技术的不断发展和完善而更加紧密。
5．4防误功能：
　　逐步走向不再配备专门的“五防”闭锁硬件系统，而是把范围更广的综合防误操作功能结合在系统中，利用监控设备的智能逻辑来灵活实现网络级的防误操作。
5．5安全性：
　　随着技术开放度的提高、网络功能的渗透、以及国内外形势的复杂化，系统的安全性更显得特别重要。因此，除加强传统的安全机制外，还应专门配置变电站自动化系统“黑盒子”来记录自动化系统中的所有操作与通信的状况，该模块与飞机上的黑盒子类似，具有极大的存贮容量和极强的物理性能，能忠实地记录下一定时间的所有内外部操作记录。为防止黑客攻击和人为的破坏，必须与其它网络从物理上隔离，数据单向传输。如果采用网络数据传输，还须考虑适当的防火墙、物理隔离、数据加密、数据备份、数字认证、多级网管等网络安全措施。
5．6新型就地数字化互感器：
IEC 新标准草案推荐使用，这使得部分设备级与间隔级的分界产生了变化。
5．7通信方式：
　　不管是站内模块与设备间的互联还是与主站系统之间的通信，均采用最新的通信技术，如无线、宽带、高速通道，彻底防止数字通道模拟使用、高速通道低速使用的弊端。特别值得一提的是与主站系统通信采用基于TCP/IP协议的广域网/INTERNET技术，站内各功能单元之间则采用“蓝牙技术”，避免复杂的接线和通信协议，减少了屏上接线端子，从而可以使设备更灵活地布置和具有更大的输入输出容量。
　　所谓蓝牙技术，实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化智能通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化这些设备与因特网之间的通信，从而使这些设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙技术使得现代一些便携的移动通信设备、电脑设备等不必借助电缆就能实现无线网络连接，其实际应用范围还可以拓展到各种测量设备计量设备保护设备监控设备维护设备接口设备，组成一个巨大的无线通信网络“蓝牙”技术属于一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案，因此，目前无线通信的“蓝牙”已经引起了业界的密切关注。蓝牙技术产品采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频的传输，其传输速率最高为每秒1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10米左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。蓝牙产品采用的是跳频技术，能够抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性；采用前向编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用的ISM频段，省去了申请专用许可证的麻烦；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠；“蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙；“蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。“蓝牙”的每一个话音通道支持64kb/s的同步话音，异步通道支持的最大速率为721kb/s、反向应答速率为/s的非对称连接，或者/s的对称连接。在电力自动化系统中有广阔的应用前景。
6、我国发展超高电压等级变电站自动化系统应采取的策略
　　为了使我国电力自动化系统的发展与国际同步，应时刻跟踪最新的技术发展动向和应用情况，迅速全面等同采用相关的国际标准，相机出台相应的指导性和规范性文件，有针对性地解决在实际工作中遇到的问题。同时，也要利用进入WTO的良机，吸收采用国际先进技术成果，借鉴国内外成功的经验，设计开发出性能优越、运行可靠、价格合理的完全具有自主知识产权的超高电压等级变电站自动化系统。实现这个目标，已经具备了必要的条件和基础，有关部门应给予必要的重视和相应的支持。
7、结束语
　　我国的变电站自动化已走过了一个漫长而曲折的过程，目前逐步趋向成熟和理性，这为超高压变电站自动化系统的发展创造了空前的良机。全面采用技术先进、运行可靠、结构合理、性能价格比高的自动化系统，必将为我国的电网运行带来可观的经济效益和社会效益。
　　变电站自动化系统正在向着随着功能结构的标准化和开放度的提高，系统安全问题变得非常突出，必须给予足够的重视。本典型方案中的“黑盒子”即为系统提供了一种跟踪手段。此外，通信协议的通用化标准化、通信通道的数字化高速化、通信结构的网络化、设备抗干扰能力的提高等方面也取得了明显的进展。
　　时代在进步，技术在发展。如何采用先进技术、设计开发出具有自主产权的实用可靠的超高压变电站自动化系统，需要业内人员付出巨大的精力。相信随着电力建设的迅速发展，超高压变电站自动化系统也会随之迈上一个新的台阶。
参考资料
1、 刘清瑞，简论超高压变电站自动化系统的发展策略，电网技术，1999年第2期，77-80页
LIU Qingrui, Preliminary Discussion on the Development Strategy of Automation System for Super High Voltage Substation, Power System Technology, Vol. 23 No. 2 Feb. 1998, 77-80
2、 宋继成， 220－500KV变电所二次接线设计，北京：中国电力出版社，1996年
SONG Jicheng, Secondary Wiring Design for 220-500KV Substations, Beijing: China Electric Power Press, 1996
3、 四川省电力工业局、四川省电力教育协会编，500KV变电所，北京：中国电力出版社，2000年9月
Sichuan Electric Power Administration & Sichuan Electric Power Education Association, 500KV Substations, Beijing: China Electric Power Press, 2000