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变电站综合自动化系统设计
作者：王树学，张帆 浏览量：796
0 引言
变电站综合自动化是一项提高变电站安全、可靠稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，为用户提供高质量电能服务的一项措施。随着自动化技术、通信技术、计算机和网络技术等高科技的飞速发展，一方面综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统已经成为必然趋势；另一方面，保护本身也需要自检查、故障录波、事件记录、运行监视和控制管理等更强健的功能。发展和完善变电站综合自动化系统，是电力系统发展的趋势。
1 变电站综合自动化系统存在的问题
变电站综合自动化是对变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）进行功能组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。因此，变电站综合自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站领域的综合应用。变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。变电站综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。
当前我国大多数变电站已经实现了供电的自动化系统，包括一些高压开关设备的继电保护设备也已经使用了微机保护。不过由于种种原因，我国变电站综合自动化系统还处在比较低级的水平，主要表现在：
（1）传统二次设备、继电保护、自动和远动装置等大多采取电磁型或小规模集成电路，缺乏自检和自诊断能力，其结构复杂、可靠性低；
（2）二次设备主要依赖大量电缆，通过触点、模拟信号来交换信息，信息量小、灵活性差、可靠性低；
（3）传统变电站占地面积大、使用电缆多，电压互感器、电流互感器负担重，二次设备冗余配置多。
（4）远动功能不够完善，提供给调度控制中心的信息量少、精度差，且变电站内自动控制和调节手段不全，缺乏协调和配合力量，难以满足电网实时监测和控制的要求。
（5）传统的二次系统中，各设备按功能配置，彼此之间相关性甚少，相互之间协调困难，需要值班人员较多地干预，难以适应现代化电网的控制要求。另外，需要对设备进行定期的试验和维修，即便如此，仍然存在设备故障（异常运行）不能及时发现的现象，甚至这种定期检修也可能引起新的问题，出现由试验人员过失引起的故障。
2 变电站综合自动化系统的结构形式
2.1集中式控制系统
变电站的集中式结构如图1所示，指集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，再分别完成微机监控、微机保护和自动控制等功能。
图1集中式结构的变电站综合自动化系统框图
2.2分散式和集中式结合的控制系统(DCS)
DCS结构在我国电力行业得到了广泛的应用。传统的DCS为4层结构：I/O层、控制器层、人机接口层、企业信息系统层。除后二层之间采用以太网外，其它都是专用网路。变电站DCS控制结构如图2所示。
图2DCS系统结构
DCS系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因此它是一种模拟/数字混合系统。在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互联在一起，难以实现互换和互操作，无法组成更大范围信息共享的网络系统，因此其设备间连接的网路是专用的，控制设备与软件也是专用的，开放程度不够，给系统维护及升级带来不便。
DCS在设备配置上还要求网络、控制器、电源，甚至模件都为冗余结构，支持无忧切换和带电插拔。由于设计上的高要求，因此DCS成本很高。
2.3现场总线控制系统(FCS)
FCS是近年来正在迅速发展的一种控制系统结构，它克服了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现造成的缺陷，把不同厂商的设备按照同一协议进行规范，通过现场总线网络连接成系统，来实现综合自动化的各项功能。它把控制功能彻底下放到了现场，依靠智能设备本身实现基本控制功能，因此FCS比DCS具备更优越的系统结构。FCS系统与DCS系统最本质的区别是取消了比较大的集中式测控单元，将测量、控制、传感器划分成更小的单元，并集成到被控对象中去，将计算处理能力向对象分散，并利用集中的上级计算机完成系统的协调。
在FCS系统的概念下，系统设备的连接都是统一的、开放的、标准的，具备设备间的互操作性、现场设备的智能化与功能自治和对现场环境的适应性。因此，在设计FCS系统结构时，不再考虑各设备功能的差异，只需严格按照IEC/TC-57标准，把变电站内的设备通过现场总线进行连接即可。其结构可划分成3个层次。
（1）生产过程层，包括变压器、开关、TA/TV等一次设备。
（2）分散控制层，包括保护设备、数据采集与控制设备、指示仪表等。在分散式综合自动化系统中，该层是由独立的保护及I/O组成的。
（3）通常为站级计算机，实现变电站级的协调、优化控制，并实现与远方调度中心的联系。
按照这3个层次的划分，变电站的FCS系统结构可以简化为图3的形式。
图3变电站的FCS系统结构
3 变电站综合自动化系统结构的选择
比较上述3种方式，集中式由于其采用的通信方式限制了设备之间信息交换的速度，不能适应当前自动化技术发展的方向，在自动化控制领域中所占的比重正在急剧减小；DCS系统在变电站综合自动化中所占的比重仍然较大，但其与一次设备打交道的过程测控单元仍是集中的，现场信号的检测、传输与控制还是采用4~20 mA的模拟信号，加之为保证可靠性的冗余设计，使其系统设计复杂、硬件投资大；FCS系统由于其开放性、互操作性、高度的分散性，在工业自动化领域受到广泛的青睐，但现场总线技术受集团利益的影响，离形成单一标准还有一定的距离，同时FCS还需得到分散在现场的传感器及执行器的技术支持，以取代传统的DCS数字/模拟混合系统，只有解决了此难题，FCS才能比DCS有更大的技术及成本优势。
目前的情形是，由于受相关设备的影响，完全的FCS还难以实现，国内的变电站综合自动化仍属于DCS。但由于FCS系统具备DCS不可比拟的各种优点：一对N结构；数字信号传输，可靠性高；开放性，表现为互换性和互操作性；所有设备间的连接简单、灵活。所以FCS产品正在逐渐渗透到变电站综合自动化领域。在以后相当长的时间内，变电站综合自动化的可行方案是FCS-DCS结合的控制系统模式：局部采用FCS，总体仍属于DCS。这种模式采用智能I/O模件作为仪表上网的桥梁，节省成本；使用现场总线网路，适应分布式、开放式的发展趋势；使用开放式的组态软件代替DCS中专用的控制器；保留DCS的冗余技术及组态技术等优点，使用标准的开放性网路，以以太网作为站级网路，而不是DCS专用网路。
4 结语
总之，变电站综合自动化对于实现电网调度自动化和现场运行管理现代化，提高电网的安全和经济运行水平起到了很大的促进作用，它能大大加强电网一次、二次系统的效能和可靠性，对保证电网安全稳定运行具有重大的意义。随着技术的进步和硬件软件环境的改善，它的优越性必将进一步体现出来。
收稿日期：2013-08-03
参考文献
[1]曾一凡，孙波，王家同．变电站RTU及远动信道故障诊断监测系统设计[J]．电网技术，2005，29（8）
[2]丁书文，黄训诚，胡起宙．变电站综合自动化原理及应用[M]．北京：中国电力出版社，2003
