丁书文 罗仲远 张承学
文 摘 变电站实现自动化已是电网技术发展的必然趋势。目前，变电站综合自动化系统的研究、开发已形成热潮。为此，对变电站综合自动化系统设计中二次系统模式配置、电力监控仪的选用及局域网的选用等问题，进行分析与讨论，并提出设计中应采用的策略。
关键词 综合自动化 变电站 设计
所谓变电站综合自动化，就是广泛采用微机保护和微机远动技术，分别采集变电站的模拟量、脉冲量、开关状态量及一些非电量信号，经过功能的重新组合，按照预定的程序和要求实现变电站监视、测量、协调和控制自动化的集合体和全过程，从而实现数据共享和资源共享，提高变电站自动化的整体效益。变电站综合自动化系统能够大大地提高整个电网运行的安全性和经济效益已经形成共识。并且目前变电站综合自动化系统的研究和开发已经形成热潮。在此热潮中，由于庞大的市场需求，各种新技术、新产品大量涌现，在产品的设计、开发中应重视变电站综合自动化系统的特殊问题，不然会影响产品的性能和电力自动化的发展。为此对变电站综合自动化系统的几个主要问题进行了分析、讨论，提出了相应的处理方法。
1. 确立变电站二次系统的设计原则
由于受变电站现场实际运行设备的限制，许多人的思想观点是：在原来设备配置的基础上，增加计算机管理功能，按变电站的规模配置相应容量、功能的微机保护装置和微机远动装置，安装在变电站主控制室内；主变压器、各进出线路及站内所有设备的运行状态通过电流互感器、电压互感器或相应变送器，经电缆传送到主控制室的微机保护装置和微机远动装置，经初步处理后送到前置机预处理，并与调度端的主计算机进行数据通信。上位计算机完成当地显示、控制和制表打印功能，这样就构成了变电站综合自动化系统。
现阶段，在变电站综合自动化设计中拥有上述观点的还不少，且有些变电站的改造也是在这种指导思想下实施的。但变电站综合自动化系统的目标应是实现变电站的小型化、无人化的高可靠性。针对上述的集中式控制系统的诸多不足已暴露无遗，如：系统信息过于集中处理问题；中央控制计算机故障，整个二次系统瘫痪问题；需要敷设大量电缆问题；投资和工程量大问题；系统内信号采集后以模拟量传输为主，系统精度低，易受干扰信号的影响问题；集中式装置系统调试麻烦，维护工作量大问题；扩容灵敏性差且信息传输速度低等问题。
所以，必须确立分布式控制系统的地位。即把整个生产过程的控制功能、管理功能分散开，让控制系统由不同规模、不同功能的控制计算机连接而成；为每个被控制设备配备专用的底层前置控制计算机，并把它们安装在被控设备旁。统一设置一台上位控制计算机来进行人机联系及信息向上级调度远传。如图1为以局域网络构造成的分布式综合自动化系统。
图1 分布式综合自动化系统框图
从图1可知，各前置机按照规定的功能全面地管理系统被控设备，由于在空间上紧邻被控设备，因此就地取得了有关信息(如PT、CT、辅助接点、断路器分、合闸线圈等)。这些信息被前置机加工后通过局域网与上位计算机连接。在上位机上可以使用各前置机送来的数据构造各种画面、图像、图表、曲线等信息。前置机不仅可以根据所取得的实时数据计算结果对被控设备实行必要的调节和控制，而且上位计算机也可直接通过前置机对被控设备进行调节和控制。
由于采用分散安装技术，大大节省了控制室面积，节省了大量电缆和安装费用，降低系统造价，提高系统可靠性，使分布式变电站综合自动化系统的优点明显地体现出来：①不同电气设备均单独安装对应的前置机，其任一装置出现故障，均不影响系统其它部分正常运行；②系统内装置间信息的传送均为数字信号，所以系统抗干扰能力增强；③分布式系统为多CPU工作方式，各装置均有一定的数据处理能力，从而大大减轻了主位计算机的负担；④系统扩充灵活、方便。因此，为了提高变电站综合自动化系统的可靠性和性能价格比，在设计时就应采用分布式的变电站综合自动化系统配置模式。
2. 用电力综合监控仪，弃变送器及RTU
设计分布式的变电站综合自动化系统，就有对应与之配套的电力综合监控仪和分布式微机保护装置。电气监控仪是变电站分布式自动化系统的底层前置机，其功能主要有：①就地采集被控设备的有关模拟量(电流、电压、温度等)，通过高速运算产生其它所需的参量(如功率、频率、谐波等)，作为对被控设备的调节与控制依据，并通过通信口传送给上位机。②就地采集被控设备的状态(开关量)除传送给上位控制机外，还作为对被控设备调节及控制的逻辑判断依据。③就地输出对被控设备的控制命令和报警信号，也可通过通信接口接受上位控制机的控制。从上述可知，电力综合监控仪可完全取代变送器及RTU，从而省去了一块块变送器屏和大量变送器的校验工作，其优越性是显而易见的。
这里介绍一种3720ACM电力监控仪［1］。这是一个专作监控电气设备(发电机、变压器、线路等)用的电力监控仪。一般安装在被控设备的开关柜或断路器端子箱内，就地将PT、CT、开关辅助接点及一路非电量(如温度、压力等)连接到输入端子，作为原始数据。3路控制输出可连接到断路器的分、合闸线圈或其它被控对象上。每个设备单独配备一块电力监控仪，通过对采集的电压与电流的瞬时值进行高速运算，即可获得所有相关电气量，甚至包括63次以上的谐波分量，这些计算出来的电气量既可以在监控仪的面板上显示，也可通过串行口送到上位控制机去。由于是智能化仪表，因此它不仅取代了所有变送器，省去了控制电缆、还有控制保护、故障录波、事件顺序记录、极值记录、远动等多种功能。可以说电力监控仪取代了变送器、RTU全部仪表、部分继电保护、运动、故障录波、事件记录等大量常规设备，具有很高的性能/价格比。
3. 应用计算机局域网
分布式控制系统由于应用场合不同，对网络的要求也不同，因而网络的协议、拓扑结构、传输媒体等也不相同，所以，首先应针对变电站这一特殊场合选择一种满足要求的网络。
鉴于计算机局域网(LAN)的迅速发展，将这一技术应用于变电站综合自动化已是一种发展趋势。
常见的局域网有总线型网络(以太网)、令牌网和令牌总线网［2］。由于这些网络均是按照国际标准化组织的开放相同互连标准(ISO)所规定的7层模型而设计的，故不同厂家的兼容性较好，应用软件不必考虑所用的硬件是哪家生产的，只要按标准设计即可共用。
这些常用网络中，最为流行的当推总线型网络，任何一点发送信息到公共的通信总线上，目的点均可以收到，同时也可为其它所有的点接收，它不存在信息通路阻塞问题，可靠性高，因此总线型结构已成为工业控制局部网络的主流拓扑结构。在电力系统自动化应用中，我国四方公司开发的第三代微机保护装置引进了美国Echelon公司推出的Lonworks网络技术，它非常适合于总线型结构，网络功能极强。此外，我国其它一些公司引进开发的用于变电站综合自动化控制的还有现场总线基金会(简称FF)开发的FF现场总线标准、德国Bosch公司推出的CAN总线标准等，这些都属于连接变电站智能化设备与自动控制系统的全数字化、多变量、双向、多点、多站的通信网络产品。它是计算机、通信和控制三种技术从控制室发展到工业现场的技术结果。由于发电厂和变电站的基层控制已广泛采用基于微型计算机的智能电子器件和现场总线的一系列特点和优点，现场测控网络采用现场总线是一种发展趋势。
根据国际上对变电站综合自动化的发展趋势及近年来IEC制定的关于变电站二次设备信息接口的配套标准，结合我国的实际情况，针对局域网的选型应以以太网较合适。
4. 保证上位监控机的运行可靠性
在变电站综合自动化系统中，上位监控机充当站内的保护、测量、控制及通信装置与变电站运行人员之间的接口，它能正确及时地转换和传输变电站的运行状态信息以及运行人员的控制命令，是整个系统正常运行的前提，地位重要。因此，可靠性是上位计算机的首要指标。而上位监控机的资源平衡水平对其可靠性产生很大影响，是衡量上位监控机运行可靠性的一个重要指标。
在分布式变电站综合自动化系统中，上位监控机主要完成两项任务：①接收并解释站内保护、测量等装置发送的上行报文，并将结果通过友好、直观的人机界面反映给变电站的运行人员；②接收并解释运行人员通过人机界面下达的控制命令，随后通过局域网将其下达到保护及控制装置。
由于在变电站正常运行时，站内的保护及测量等装置只是定时上送遥测、遥信报文。而这些报文处理较简单，丢弃一些报文并不会丢失变电站一些状态的变化，因此在正常运行时上位监控机的工作负载较小，实时性的要求也相对较低，对资源的要求就比较有限。但在发生故障时，有可能会引起多个装置一起上送报文，诸如保护动作报文、保护告警报文及相应设备状态信息报文上送，其处理过程比较复杂，而且这些报文相对于遥测及遥信报文有较高的优先级，必须迅速、准确地将故障信息通知运行人员，这就使得上位监控机的工作负载较变电站正常运行时大大加重，对实时性的要求也较高，对资源的需求水平大大提高了。在这种情况下如何使上位监控机可靠工作将是一个关键问题。
为保证上位监控机可靠工作，需要确定在变电站正常运行时上位监控机占用的系统资源。这要依据下面三个原则：①在变电站发生故障时，上位计算机所收到的上行报文的数量是变电站正常运行时的2倍以上［3］，而且对于故障报文的处理也比遥测、遥信等报文的处理复杂，所以可以估算上位监控机在变电站发生故障时的工作负载是正常运行时的3倍；②上位监控机需要将故障信息及时打印出来；③考虑到操作系统的稳定性以及系统管理的需要，上位监控机必须保留有一定的裕度，而不能长期满负荷运行。基于此，在确定上位监控机系统资源时，应以下列标准，即在变电站发生故障时，上位监控机处理上行报文所占用的CPU资源不能超过75，这样，一方面可得到比较满意的微机运行效果及打印机打印效果，另一方面又保证有一定的稳定裕度。因此，在变电站正常运行时，设计上位监控机CPU负载水平应为25左右，不能超过30。以这样的标准平衡上位监控机资源较合适。
5. 系统可靠性和工程造价方面的建议
针对变电站综合自动化系统的设计，就目前我国实际状况，在选用新技术、新设备的同时，还应从系统的可靠性和工程造价等方面综合考虑。
如何降低变电站综合自动化系统的工程造价，建议从三个途径入手：①采用面向现场的分散布置设计，用极少量的通信电缆取代大量的长距离信号电缆，用软件闭锁取代或简化二次闭锁回路，节约大量电缆和相应的施工及调试工作量；②采用分散布置，可以取消传统的大控制室设计，节约用地和建筑面积；③综合自动化设计的软件化，使得传统上大量复杂的现场点对点调试工作主要由供应厂家的软件组态来代替，此时，现场基建和工厂验收可并行进行，以加快工程的整体进度，降低工程造价。
如何提高变电站综合自动化系统安全可靠性，建议从三个途径入手：①微机保护装置替代传统的继电保护装置单元，使保护装置经常处于在线自检状态(包括监视温度)，一有异常立即报警。不象传统的保护装置那样，只能定期校验，实际动作正确与否只有故障后才知道。②传统的保护装置一般只提供一套整定值，而基于微机的保护单元可以提供多套整定值，可供运行方式改变时远方选用，并提供在动态过程中定值修改的可能性，而这种定值修改既可靠又安全。③基于微机的保护单元，较易实现小电流接地系统单相接地选线、故障测距、故障录波等功能。
当然，变电站综合自动化系统是否能降低投资成本和提高安全可靠性，除设备本身的水平和变电站二次系统的合理设计外，还与投运后的运行机制有关。
