浅谈超高压变电站的自动化发展
摘要:在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现，
变电站自动化技术即将进入数字化新阶段。本文论述了超高压变电站自动化系统的特征、结构及功能划分，并探
讨了超高压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。
关扭词:超高压变电站自动化数字化智能化模式策略
1前言
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。以330KV巧ooKV
为主网架的大区电网己经形成，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。
同时，变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平，在我国城乡电网改造与建
设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班，而且在220kV及以上的超高压变电站建
设中也大量采用自动化新技术，从而大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调
度的可能性，降低了变电站建设的总造价，这己经成为不争的事实。然而，技术的发展是没有止
境的，随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作
培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对己有的变电站
自动化技术产生深刻的影响，全数字化的变电站自动化系统即将出现。
在这些电力建设工程中，超高电压等级(220KV及以上)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，结合实施过程中的经验体会和有关技术的最新发展，专门对超高压变
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。
2超高压变电站自动化系统的特点
2.1智能化的一次设备
一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了
常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换
言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控
制电缆被光电数字和光纤代替。
2.2网络化的二次设备
变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故
障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准
化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现
常规功能装置重复的FO现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源其享，常规的功能装置在
这里变成了逻辑的功能模块。
2.3自动化的运行管理系统
变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化;数据信息分层、
分流交换自动化;变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处
理意见;系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检
修”。
3超高压变电站自动化系统的结构
在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式互感器机电一体化设
备的出现，变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。在中低压变电站将保护、监控装置小型化、
紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计;而在高压和超高压变电站中，
则将保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的FO单元，如户JD变换、光隔离器件、控
制操作回路等割列出来作为智能化一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的数字化传感器、
数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的UO部分。
因此，超高压变电站自动化系统数字化的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和
网络化的二次设备;在逻辑结构上可分为三个层次，这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站
控层，，。
3.1过程层
过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。
过程层的主要功能分三类:
3.Ll电力运行实时的电气t检侧
与传统的功能一样，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测，其他电气量如有功、无
功、电能量可通过间隔层的设备运算得出。与常规方式相比所不同的是传统的电磁式电流互感器、
电压互感器被光电电流互感器、光电电压互感器取代;采集传统模拟量被直接采集数字量所取代，
这样做的优点是抗干扰性能强，绝缘和抗饱和特性好，开关装置实现了小型化、紧凑化。
3.LZ运行设备的状态参数检侧
变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器
以及直流电源系统。在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等
数据。
3.1.3操作控制执行与驭动
操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断路器、刀闸
合分控制，直流电源充放电控制。过程层的控制执行与驱动大部分是被动的，即按上层控制指令
而动作，比如接到间隔层保护装置的跳闸指令、电压无功控制的投切命令、对断路器的遥控开合
命令等。在执行控制命令时具有智能性，能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作
精度进行控制，能使断路器定相合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要
求操作时间限制在规定的参数内。又例如对真空开关的同步操作要求能做到开关触头在零电压时
关合，在零电流时分断等。
3.2间隔层
间隔层设备的主要功能是:(l)汇总本间隔过程层实时数据信息;(2)实施对一次设备保
护控制功能;(3)实施本间隔操作闭锁功能;(4)实施操作同期及其他控制功能;(5)对数据
采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制;(6)承上启下的通信功能，即同时高速
完成与过程层及站控层的网络通信功能。必要时，上下网络接口具备双口全双工方式，以提高信
息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。
3.3站控层
站控层又称为站级控制层，其主要任务是:(l)通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，
不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库;(2)按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中
心:(3)接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行;(4)具有在线可编程的
全站操作闭锁控制功能;(5)具有(或备有)站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打
印、报赞，甚至图像，声音等多媒体功能;(6)具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线
组态，在线修改参数的功能:(7)具有(或备有)变电站故障自动分析和操作培训功能。
4超高压变电站自动化系统中的网络选型
网络系统是超高压变电站自动化系统数字化的命脉，它的可靠性与信息传输的快速性决定了
系统的可用性。常规普通变电站自动化系统中单套保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是
在同一个CPU控制下进行的，使得同步采样、A了D转换，运算、输出控制命令整个流程快速，简
捷，而全数字化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成
的，如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出是一个复杂问题，其最基本的条件是网络的适
应性，关键技术是网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定。
如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任超高压变电站自动化的技术数字化要求。目前以
太网(ethemet)异军突起，已经进入工业自动化过程控制领域，固化051七层协议，速率达到
looMHz的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现，使超高压变电站自动化系统数字化的两级
网络全部采用10()MHz以太网技术是可行的。
5超高压变电站自动化系统发展中的主要问题
在三个层次中，超高压变电站自动化系统数字化的研究正在自下而上逐步发展。目前研究的
主要内容集中在过程层方面，诸如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究
开发。国外己有一定的成熟经验，国内的大专院校、科研院所以及有关厂家都投入了相当的人力
进行开发研究，并且在某些方面取得了实质性的进展。但归纳起来，目前主要存在的问题是:(l)
研究开发过程中专业协作需要加强，比如智能化电器的研究至少存在机、电、光三个专业协同攻
关;(2)材料器件方面的缺陷及改进;(3)试验设备、测试方法、检验标准。
6超高压变电站自动化系统发展的新动向
随着自动化技术的不断发展，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。
6.1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(如进线、出线、变压器、母线、电容器等)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。
6.2总线结构:
整个系统采用的三级总线结构(模块级、间隔级、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、LonW0rkS、CAN、FF等现场总线统一向以太网转变，这从国际
电工委员会(正C)的正C61850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:
(l)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10MBllooMB/IGB
的速率，10GB以太网也即将面世;
(2)高传输安全性和可靠性以及集线器技术的完善和确定性;
(3)几乎不需考虑网络的拓扑结构，非常灵活;
(4)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;
(5)集线器的应用可不需考虑网络的扩展;
(6)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;
(7)全面与最前沿的rr技术接轨，出现了被称之为“世界标准”的TC双P技术的应用:
(8)能满足低成本高性能面向未来的开发的需要。
6.3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。
6.4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。
6.5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。
6.6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。
6.7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TCPllP协议的广域网八NTERNET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。
蓝牙(Bluetooth)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。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。采用2.4GHz的ISM(即工业、科学、医学)频段，省去了申请专用许可证的麻烦。“蓝
牙”的每一个话音通道支持64kl时s的同步话音，异步通道支持的最大速率为72Ikbls、反向应答速
率为57.6kbls的非对称连接，或者432.6kbls的对称连接。在电力自动化系统中有广阔的应用前景。
七、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。但是，由于超高压变电站自动化是一个系统工程，
要实现全部超高压变电站自动化的功能，还有许多技术问题需要攻关解决。
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