發布日期：2022-07-14 點擊率：72
引言：
變電站自動化系統是利用多臺微型計算機和大規模集成電路組成的自動化系統，代替常規的測量和監視儀表、控制屏、中央信號系統和遠動屏，用微機保護代替常規的繼電保護，改變常規的繼電保護裝置不能與外界通信的缺陷。
隨著電力工業的迅速發展，電力系統規模不斷擴大，整個系統的運行方式也越來越復雜，電力系統對自動化的要求也越來越高，因此促進了電力系統自動化技術的不斷發展。傳統的繼電保護裝置很難實現對機電保護裝置各方面特性的全面測試，難以滿足系統的要求，已不能適應技術發展的需要。為了避免重復投資，實現信息資源的共享，應對電力系統進行規范和綜合考慮。
1 變電站自動化系統的構成
變電站自動化系統是利用多臺微型計算機和大規模集成電路組成的自動化系統，代替常規的測量和監視儀表、控制屏、中央信號系統和遠動屏，用微機保護代替常規的繼電保護，改變常規的繼電保護裝置不能與外界通信的缺陷。因此，變電站自動化系統是自動化技術、計算機技術和通信技術在變電站的綜合應用。變電站綜合自動化系統可以采集到比較齊全的數據和信息，利用計算機的高速計算能力和邏輯判斷能力，可方便地監控變電站內各種設備的運行和操作。
變電站自動化系統多采用由多臺微機組成的分層分布式控制系統。分層分布式控制系統在邏輯上可分為三個層次：變電站層、間隔層或單元層、過程層或設備層。
a. 第一層為變電站層，它通過間隔層得到實時數據，承擔著本站內操作員與遠方監視和維護工程師站的人機接口、監視、管理、控制等變電站主控室功能，并負責與遠方調度中心通信。
b. 第二層為間隔層或單元層，負責對下層就地裝置和智能電子設備進行通信管理、控制，同時也承擔著通信規約解釋、轉換工作。
C. 第三層為過程層或設備屋，是模擬量、開關量和脈沖量數據采集、保護和控制操作出口。
因此在變電站自動化系統內部，必須通過內部數據通信，實現各層間和各層子系統間的信息交換和信息共享，以減少變電站二次設備的重復配置并簡化各子系統的互連，既減少了重復投資，又提高了系統的整體安全性和可靠性
2 變電站自動化系統的通信
變電站綜合自動化系統包括微機監控、微機保護、電能質量控制等多個子系統。在各子系統中，往往又由多個智能環節組成。例如：微機保護子系統由變壓器保護、電容器保護和各種線路保護等組成。因此在綜合自動化系統內部，必須通過內部數據通信，實現各子系統內部和各子系統問的信息交換和信息共享，這是常規的變電站二次設備所不能實現的。變電站是電力系統中電能傳輸、交換、分配的重要環節，它集中了變壓器、開關、無功補償等昂貴設備。因此，對變電站綜合自動化系統的可靠性、抗干擾能力、工作靈活性和可擴展性要求很高，尤其是在無人值班的變電站中，不僅要求綜合自動化系統中所采集的測量信息，各斷路器、隔離開關的狀態信息和繼電保護動作信息等能傳送給地區電網調度中心，而且也要能接收和執行調度中心下達的各種操作和調控命令。因此，變電站綜合自動化系統的數據通信，包括兩方面的內容：一是系統內各子系統的信息交換;二是變電站與調度中心間的通信。
2.1 變電站內的數據通信
在具有變電站層一單元層一設備層的分層分布式自動化系統中，需要傳輸的信息有如下幾種。
2.1.1 問隔層與設備層間的通信
間隔層的設備有控制測量單元或繼電保護單元，或兩者都有。設備層的高壓斷路器可能有智能傳感器和執行器，可以自由地與間隔層交換信息。間隔層的設備大多數需要從設備層的電壓和電流互感器采集正常和事故情況下的電壓值和電流值，采集設備的狀態信息和故障診斷信息，這些信息包括：斷路器和隔離開關位置，主變壓器分接頭位置，變壓器、互感器、避雷器的診斷信息以及斷路器操作信息。
2.1.2 間隔層內部的通信
間隔層內部的通信是在一個間隔層內部相關的功能模塊間，即繼電保護和控制、監視、測量之間的數據交換。這類信息有測量數據、斷路器狀態、器件的運行狀態、同步采樣信息等。
2.1.3 間隔層之間的通信
不同間隔層之間的數據交換有主、后備繼電保護工作狀態、互鎖，相關保護動作閉鎖，無功補償綜合控制等信息。
2.1.4 間隔層和變電站層的通信
間隔層和變電站層的通信內容很豐富，概括起來有以下3類：
a. 測量及狀態信息。正常和事故情況下的測量值和計算值，斷路器、隔離開關、主變壓器分接開關位置，各間隔層運行狀態、保護動作信息等。
b. 操作信息。斷路器和隔離開關的分、合命令，主變壓器分接頭位置的調節， 自動裝置的投入與退出等。
c. 參數信息。微機保護和自動裝置的整定值等。
2.1.5 變電站層的內部通信
變電站層的不同設備之間的通信.要根據各設備的任務和功能的特點，傳輸所需的測量信息、狀態信息和操作命令等。
2.2 變電站與調度中心的通信
變電站綜合自動化系統應具有與電力系統調度中心通信的功能，不另設獨立的遠動裝置，而由通信控制器執行遠動功能，
把變電站所需測量的模擬量、電能量、狀態信息和SOE (事件順序記錄)等信息傳送至調度中心。變電站不僅要向調度中心發送測量和監視信息，而且要從上級調度中心接收數據和控制命令，例如接收調度中心下達的開關操作命令、在線修改保護整定值、調整實時運行參數。變電站與調度中心的通信有助于調度員從全系統范圍考慮電能質量、潮流和穩定性控制等，這將給電力系統帶來很大效益。
3 變電站自動化系統對通信網絡的要求
由于變電站的特殊環境和綜合自動化系統的要求.變電站通信網絡應具備以下要求。
3.1 快速的實時響應能力
變電站綜合自動化系統的數據網絡要及時地傳輸現場的實時運行信息和操作控制信息。在電力工業標準中對系統的數據傳送都有嚴格的實時性指標，網絡必須保證數據通信的實時性。
3.2 高可靠性
電力系統是連續運行的，數據通信網絡也必須連續運行，通信網絡的故障和非正常工作會影響整個變電站綜合自動化系統的運行。設計不合理的系統，嚴重時甚至會造成設備和人身事故、造成巨大的經濟損失.因此變電站綜合自動化系統的通信網絡必須保證高可靠性。
3.3 良好的電磁兼容·陡能
變電站是一個具有強電磁干擾的環境，存在電源、雷擊、跳閘等強電磁干擾，通信環境惡劣，數據通信網絡必須注意采取相應的措施消除這些干擾的影響。
3.4 分層式結構
這是由整個系統的分層分布式結構決定的，也只有實現通信系統的分層，才能實現整個變電站綜合自動化系統的分層分布式結構，系統的各層次又具有特殊的應用條件和性能要求，因此每一層都要有合適的網絡系統。
4 不同級別變電站自動化系統的通信網絡構成
數據通信網是構成變電站自動化系統的關鍵環節，內部通信網絡的標準化是使變電站自動化邁向標準化的難點之一，受性能、價格、硬件、軟件、用戶策略等諸多因素的影響，目前在選擇“接口網絡”上很難達成一致。網絡特性主要由拓撲結構、傳輸媒介、媒介存取方式來決定。網絡的選擇應符合國際國內的有關標準;應選擇當前的主流產品，應得到實力雄厚的軟硬件商的支持：
產品應滿足變電站運行要求;具有較高的性能價格比。
4.1 35 kV及以下變電站通信網絡
在小規模的35 kV變電站和l0 kV終端變電站，可考慮使用RS422或RS485組成的網絡;當變電站規模較大時應考慮選擇現場總線網絡。RS422和RS485串VI傳輸速率，在1 000m 內可達100 kbps，短距離傳輸速率可達10 Mbps。RS422串口為全雙工，RS485串口為半雙工，媒介訪問方式為主從問答式，屬總線結構。這兩種網絡的不足在于接點數量比較少，無法實現多主冗余，有瓶頸問題。RS422的工作方式為點對點，上位機一個通信口最多只能接10個節點：RS485串15構成一主多從，只能接32個節點;此外還有信號反射、中間節點問題。而LonWorks網上的所有節點是平等的，CAN網絡可以方便地構成多主結構，不存在瓶頸問題，這兩種網絡的節點數比RS485擴大多倍，CAN網絡的節點數理論上不受限制，一般可連接110個節點。
4.2 1 10 kV變電站通信網絡
中型1l0 kV樞紐變電站節點數一般為40個左右，多主冗余要求和節點數量增加使RS422和RS485難以勝任。現場總線卻能得心應手，現場總線將網絡上所有節點連接在一起，可以方便地增減節點;具有點對點、一點對多點和全網廣播傳送數據的功能;常用的有LonWorks網、CAN網，這兩種網絡均為中速網絡，500 m時LonWorks網傳輸速率可達1 Mbps，CAN網在小于40 m時達1 Mbps，CAN網在節點出錯時可自動切除與總線的聯系。據近年國內數百個站的經驗。LonWorks網可作為目前一般中型110 kV樞紐變電站自動化通信網絡。
4.3 220 kV及以上變電站通信網絡
220～500 kV變電站節點數量多，站內分布成百上千個控制器，數據信息流大，電力系統操作對速率指標要求高ConTROL ENGINEERING
China版權所有，例如在速率上，要求達到130 kbps。因此高電壓等級變電站對通信網絡的選擇要求也較高。隨著自動化行業標準《變電站通信網絡和系統》(IEC 61850)的提出， 國內各主要廠家都已經在工程中實施。目前大多是從110kV開始試點。然后向高電壓等級站推進，預計三年左右的時間IEC 61850將全面運用到220 kV及以上電壓等級的變電站。在110 kV及以下電壓等級的變電站， 因為這類站設備大多由同～
廠家提供，互連互通要求緊迫性稍弱.加上設備成本的考慮，發展會稍緩，預計3—5年后才會有應用。
隨著上層網絡的發展及IEC 61850標準的提出.目前對于高電壓等級變電站底層通信網絡的要求也逐漸提高。各大公司已經提出了針對滿足IEC 61850標準的底層測控裝置設備的設計標準。而由于IEC 61850標準中嵌入式以太網通信技術的高速特性，數字化變電站要求底層通信裝置具有高速、可靠和實時等特性。具有以上特性的現場總線系統滿足底層通信網絡的需求。
5 工業以太網應用于數字化變電站系統
5.1 工業以太網概述
根據IEC/SC65C (國際電工委員會SC65C工作組)的定義，工業以太網是用于工業自動化環境.符合IEEE 802.3 (電氣與電子工程師協會以太網協議標準)，按照IEEE (介質訪問控制網橋規范)和IEEE (局域網虛擬網橋規范)，對其沒有進行任何實時擴展的以太網。工業以太網網絡模型是參考ISO/OSI RM (國際標準化組織/開放系統互連參考模型)制定的，結構上與傳統以太網基本相同。但由于傳統以太網不是為工業控制系統設計的.因此在信息傳輸的實時性、可靠性、確定性方面不能滿足現場要求控制工程網版權所有，需要加以改進。另外ConTROL
ENGINEERING China版權所有，工業以太網在設備互操作性、網絡生存性、總線供電、本質安全等方面r^ ]的研究也處于初期階段，需要不斷修改和完善?
傳統以太網的CSMA/CD 載波偵聽多路訪問/沖突檢測)機制帶來了傳輸延遲的不確定性，不能滿足工業網絡的實時性要求。因此，國內外許多學者提出了各種改進方法來提高以太網的通信實時性，以使其能夠應用到工業網絡領域。這些方法可分為兩類，一類是硬件實時改進方法，另一類是軟件實時改進方法。硬件實時方法是指通過設計適當的硬件電路.限制節點訪問網絡的時問和速率，
以減少網絡沖突和排隊延遲，實現實時通信。但與目前廣泛使用的以太網標準相比，這種方法大大提高了節點的硬件成本，不利于大面積推廣應用。軟件實時改進方法，是指在不增加節點硬件成本的同時，用軟件調度策略對CSMA/CD機制和BEB （二進制指數退避)算法進行改進，以提高以太網的通信實時性。
5.2 基于工業以太網的數字化變電站系統概述
IEC 61850是新一代變電站網絡通信標準體系，適用于分層的lED (智能電子設備)和變電站自動化系統。該標準制定了滿足實時信息傳輸要求的服務模型。它采用了抽象通信服務接口、特定通信服務映射等技術。此外，還采用了面向對象建模技術、面向設備建模和自我描述、配置語言和工具、定義和傳輸元數據、擴充數據和設備管理功能等。該標準還包括變電站通信網絡和系統總體要求、系統和工程管理、一致性測試等。
數字化變電站以新型互感器代替了常規繼電保護、測控等裝置的I/O部分;以交換式以太網和光纜組成的網絡通信系統代替了以往的二次回路及其線纜;基于微電子技術的IED設備實現了信息的集成化應用，以功能、信息的冗余代替了常規變電站裝置的冗余，
系統可實現分層分布設計;一次設備智能化技術的實現使得控制回路實現了數字化應用，常規變電站部分功能可以直接在底層實現，整個變電站可以實現小型化、緊湊化的設計與布置。
數字化變電站采用低功耗、數字化的新型互感器代替常規互感器，將高電壓、大電流直接轉換為數字信號。變電站內設備之間通過高速網絡進行信息交互，二次設備不再出現功能重復的I/O接12I，常規的功能裝置變成了邏輯的功能模塊。即通過采用標準以太網技術真正實現了數據及資源共享。網絡化的信息流如圖2所示，具體包括：
a. 過程層與間隔層之間的信息交換，即過程層的各種智能傳感器和執行器可以自由地與間隔層的裝置交換信息;
b. 間隔層內部的信息交換;
c. 間隔層之間的通信：
d. 間隔層與變電站層的通信：
e. 變電站層不同設備之間的通信。
信息交互網絡化的主要優點表現在：①
能根據實際需要靈活選擇網絡拓撲結構，易于利用冗余技術提高系統可靠性。網絡拓撲結構的改變不會影響變電站功能的實現。② 當過程層采用基于IEC 61850—9-2(《變電站通訊網絡和系統第9—2部分：特定通訊服務映射一通過ISO/IEC 8802—3上的采樣值》)的過程總線時，
傳感器的采樣數據可利用多播(multicasting)技術同時發送至測控、保護、故障錄波及相角測量等單元，進而實現數據共享。③ 利用網絡代替導線可大大減少變電站內二次回路的連接線纜數量.從而提高系統的可靠性。
5.3 目前存在的問題
5.3.1 各層之間及層內的通信系統不統一
由于各種原因。數字化變電站的各層之間及同層內的通信系統不統一，造成多種通信系統混用的情況。這樣的系統不易維護且易發生通信故障。
5.3.2 工業以太網通信標準眾多且互不兼容
目前基于工業以太網的國際通信標準有十幾種之多，且相互不能兼容。因此如何選取合適的通信標準是一個重要問題。在數字化變電站自動化領域，采用統一的IEC
61850標準的呼聲很高，這對于變電站通信系統的發展是十分有利的。
5.3.3 IEC 61850標準有待完善
IEC 61850標準自誕生之日起就存在多個不同的版本，不同廠家基于IEC 61850標準的產品也不能100% 兼容。同時，IEC 61850自身也在不斷完善，不斷有新的版本推出。因此，盡快完善IEC 61850標準并使各廠家在統一的標準下開發相關設備是十分必要的。
5.4 應用實例
某大型商業廣場智能化變配電綜合監控系統結構包括兩個大區，3個變配電室，每個變配電室包括l0 kV中壓系統和380V低壓系統。此系統兩區共有變壓器16臺，數據采集模塊200余個.低壓配電回路800多路。
低壓監控回路部分每個回路完全獨立，出線回路采用4回路或6回路帶計量模塊，完全實現了電能的集中管理功能。
監控中心分別設置在兩個配電室，通過工業以太網連接現場各類設備。該系統支持基于現場總線和工業以太網的多種通信協議。是一個擴展性強的穩定系統。
6 總結與展望
變電站自動化系統經過多年的變遷。逐漸在向數字化、網絡化、集成化方向發展。數字化變電站采用新型電流和電壓互感器，采用智能斷路器等技術，利用高速以太網構成變電站數據采集和傳輸系統，并實現基于IEC
61850標準的統一信息建模。因此。數字化變電站在常規變電站自動化技術的基礎上實現了巨大的跨越。
IEC 61850標準是世界唯一的變電站網絡通信標準，也將成為電力系統中從調度中心到變電站、變電站內、配電自動化無縫自動化標準，該標準的發展方向是實現“即插即用”，而在工業控制上則是為了最終實現“一個世界、一種技術、一個標準”。
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