安科瑞虞佳豪
變電站綜合自動化系統(tǒng)是將變電站內的二次設備經過功能的組合和優(yōu)化設計，利用先進的計算機技術、通信技術、信號處理技術，實現(xiàn)對全變電站的主要設備和輸配電線路的自動監(jiān)視、測量、控制、保護、并與上級調度通信的綜合性自動化功能。為了掌握變電站自動化控制系統(tǒng)研究成果，結合變電站綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展歷程、對Acrel-1000安科瑞變電站綜合自動化系統(tǒng)主要功能進行闡述， 并總結目前該變電站自動化控制系統(tǒng)存在的問題及發(fā)展趨勢。通過了解我國變電站綜合自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀，可以為該系統(tǒng)后續(xù)的優(yōu)化改進提供參考依據(jù)。 變電站是指電力系統(tǒng)中對電壓和電流進行變換，接受電能及分配電能的場所。在發(fā)電廠內的變電站是升壓變電站，其作用是將發(fā)電機發(fā)出的電能升壓后饋送到高壓電網中。 (1)一類變電站。是指交流特高壓站，核電、大型能源基地（300萬kw及以上）外送及跨大區(qū)（華北、華中、華東、東北、西北）聯(lián)絡750/500/330kV變電站。 (2)二類變電站。是指除一類變電站以外的其他，750/500/330kV變電站，電廠外送變電站（100萬kW及以上、300萬kW以下）及跨省聯(lián)絡220kV變電站，主變壓器或母線停運、開關拒動造成四級及以上電網事件的變電站。 (3)三類變電站。是指除二類以外的220kV變電站，電廠外送變電站（30萬kW及以上、100萬kW以下），主變壓器或母線停運、開關拒動造成五級電網事件的變電站，為一級及以上重要用戶直接供電的變電站。 (4)四類變電站。是指除一、二、三類以外的35kV及以上變電站。 變電站是電力網絡的節(jié)點，它連接線路輸送電能。綜合變電站自動化技術在變電站中應用，通過先進的電子通訊技術、智能控制技術、信號處理等技術，實現(xiàn)對相關設備的合理、智能化控制，進一步提高了供電系統(tǒng)的可靠性。盡管我國在變電站綜合自動化系統(tǒng)方面取得了一定的成績，但我們對其核心技術掌握還不夠深入，且在其應用過程中經常出現(xiàn)選型不完善、不合理現(xiàn)象。因此，對變電站綜合自動化系統(tǒng)進行深入研究與分析，進一步研究變電站綜合自動化技術的發(fā)展提供參考，實現(xiàn)物質與能量循環(huán)利用。
02 變電站綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展過程 變電站綜合自動化系統(tǒng)是指完成以下基本功能： ● 從當?shù)睾瓦h方獲取電力系統(tǒng)信息； ● 支持當?shù)厥謩雍妥詣庸δ埽?/font> ● 在變電站自動化系統(tǒng)和電網管理系統(tǒng)之間，提供與開關設備的通信連接和接口。 這些功能可以由大量裝用的智能電子設備（IED）不同程度的組合來實現(xiàn)。 變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展主要經歷了三個階段： （1）歷史上，開關設備和網絡管理系統(tǒng)的接口是在各變電站的遠方終端單元（RTU）。RTU是一個集中單元，含有大量的輸入與輸出，基本沒有當?shù)毓δ埽蔷哂信c遠方網絡控制系統(tǒng)的通信功能。結構上僅是站級概念，現(xiàn)場有關重要信息（如保護動作信息等）通過硬接點送給RTU裝置，變電站的監(jiān)測量一般經變送器變換后送給RTU，開關量監(jiān)測是直接引至RTU，RTU的控制輸出一般經遙控執(zhí)行柜發(fā)出控制命令。整體系統(tǒng)功能不強、硬件設備重復、整體性能指標低、適合于老系統(tǒng)改造。 （2）相比于RTU，變電站自動化系統(tǒng)以不同程度的分散結構實現(xiàn)上述基本功能，通過這些功能可對變電站進行管理，實現(xiàn)從線路隔離與接地到收集狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等所有自動化功能。RTU的通信功能在變電站自動化發(fā)展中變?yōu)橥ㄐ沤涌冢赏ㄐ啪W關執(zhí)行，根據(jù)所用的通信協(xié)議，網關將規(guī)約雙向轉換（即規(guī)約轉換器），在變電站自動化分布式智能電子設備中存儲的信息通過網關傳送給SCADA主站與遠方調度電網管理系統(tǒng)。 （3）隨著信息技術已經進步到可以實現(xiàn)廣域保護，依靠協(xié)調防御計劃來保護整個電力系統(tǒng)，以及IEC61850作為《變電站通信網絡和系統(tǒng)》的新國際標準，數(shù)字化變電站將以三層兩網式部署，三層分別是指站控層設備、間隔層設備和過程層設備，兩網分別是指站控層網絡和過程層網絡。間隔層包括數(shù)字式保護、計量、監(jiān)控等二次設備，負責間隔內信息的運算處理與控制，以及與過程層和站控層之間的網絡通信工作；過程層主要包括電子式互感器、合并單元、智能斷路器、智能開關、智能終端，該層主要實現(xiàn)信號的采集和對系統(tǒng)的操作控制。三層設備之間通過分層、分布、開放式的兩層網絡實現(xiàn)連接，兩層網絡物理上相互獨立，站控層網絡構建為全站統(tǒng)一的MMS網，過程層網絡則包括GOOSE網和SV網。但數(shù)字化變電站設置了大量的智能終端、交換機等過程層設備，使得整體動作延時增加、網絡復雜。 ![]() 圖1 變電站綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展歷程圖 03 Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)解決方案 Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)采用一臺或兩臺監(jiān)控主機實現(xiàn)變電站的所有繼電保護、測量監(jiān)視、操作控制、信號數(shù)據(jù)通信和事件記錄打印等功能，采用模塊化軟件連接來實現(xiàn)集中信息采集、集中處理運算、集中展示交互。具有工作可靠、結構簡單、性價比高等優(yōu)點。 ![]() 圖2 Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)拓撲圖
方案綜述 Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用集中式監(jiān)控方案，其中主變部分由AM5SE系列微機保護裝置配置整套主變保護屏，實現(xiàn)主變的差動保護、后備保護、非電量保護及主變溫度監(jiān)測與檔位控制；其他回路及回路就地配置AM5SE系列微機保護裝置。實現(xiàn)對電氣量采集和對電氣設備（如斷路器）的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調節(jié)，發(fā)生故障時，由微機保護裝置完成瞬態(tài)電氣量的采集、監(jiān)視和控制，迅速切除故障設備和完成事故后的恢復操作。 為總變配置1套DC220V/100AH柜式交直流電源，各區(qū)域變電所在高壓柜配置DC220V/20AH分布式直流電源，為整個變電站的斷路器、二次設備及監(jiān)控主機等重要設備運行提供穩(wěn)定可靠的電源。 在通信室配置一臺時鐘同步裝置，實現(xiàn)變電站內所有微機保護裝置、監(jiān)控主機、規(guī)約轉換裝置、遠動裝置、廠站采集終端的時鐘同步。 在通信室配置一套變電站綜自自動化系統(tǒng)，通過規(guī)約轉換裝置采集站內UPS、直流屏數(shù)據(jù)，通過光纖組網與分散的各區(qū)域變電所通信實現(xiàn)變電站綜合自動化監(jiān)控與管理。 在通信室配置一面通訊屏、一面調度數(shù)據(jù)網屏，通過專用通道點對點方式實現(xiàn)變電站與調度端通訊。調度數(shù)據(jù)網屏配置數(shù)據(jù)路由器、交換機、縱向加密裝置、網絡安全監(jiān)測裝置等設備，提供變電站內數(shù)據(jù)調度上傳通道，并對該電力調度數(shù)據(jù)網進行網絡安全監(jiān)測，廠站采集終端實現(xiàn)站內的總電能計量與所用變計量。 功能需求 （1）電氣設備安全防護 在35kV、10kV配電系統(tǒng)中配置AM5SE系列微機保護裝置，其中35kV主變配置整套主變保護屏，實現(xiàn)主變的差動保護、后備保護、非電量保護及主變溫度監(jiān)測與檔位控制；35kV其他回路及10kV各回路就地配置AM5SE系列微機保護裝置。 ● 進線保護： 35kV進線柜各配置一臺線路保護AM5SE-F（如需光纖差動保護，則配置AM6-LD，與對側保持一致），當回路故障時，用于跳開本柜斷路器，切斷故障。35kV進線柜各配置一臺電能質量監(jiān)測裝置APView500，監(jiān)測電能質量如電壓諧波與不平衡/電壓偏差/頻率偏差/電壓波動與閃變等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、電壓暫升/暫降/短時中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)，當檢測到電能質量異常時，觸發(fā)故障錄波與數(shù)據(jù)記錄，為后續(xù)的電能質量分析提供數(shù)據(jù)支撐。 ● 主變壓器保護： 為了實時觀察和集中管理降壓變壓器運行狀態(tài)，方便降壓變壓器二次監(jiān)控設備的安裝和檢修，提高保護可靠性和靈敏性，35kV/10kV 主變壓器回路采用整套主變保護裝置集中組屏方式，配置一臺主變保護屏。屏柜設立在電氣監(jiān)控室，屏柜上裝設1臺差動保護裝置AM5SE-D2、1臺高后備保護裝置AM5SE-TB、1臺低后備保護裝置AM5SE-TB、1臺高側測控裝置AM5SE-K、1臺低側測控裝置AM5SE-K、1只變壓器溫控儀ARTM-8、1臺檔位變送器UP858-19AN及轉換開關、壓板、空氣開關等其他控制設備。差動保護裝置：作為降壓變壓器內部及引出線短路故障的主保護，動作后跳降壓變壓器高低兩側斷路器；高后備保護裝置：作為35kV側的后備保護以及變壓器的非電量保護，動作后跳降壓變壓器高低兩側斷路器；低后備保護裝置：作為10kV側的后備保護，動作后跳降壓變壓器高低兩側斷路器；高側測控裝置：用于監(jiān)測35kV側測量電流、測量電壓；低側測控裝置：用于監(jiān)測10kV側測量電流、測量電壓；變壓器溫控器：監(jiān)測降壓變壓器內部繞組溫度；檔位變送器：用于降壓變壓器檔位測量及有載調壓。 ● 母聯(lián)保護： 母聯(lián)柜配置一臺備自投保護裝置AM5SE-B，用于實現(xiàn)兩進線和母聯(lián)之間的自動投切（進線備自投/母聯(lián)備自投/聯(lián)切備自投/自適應備自投），同時實現(xiàn)母聯(lián)保護功能。 ● PT保護： PT柜配置一臺PT并列及監(jiān)測裝置AM5SE-UB，實現(xiàn)兩臺PT柜間的切換以及監(jiān)測，當回路電壓出現(xiàn)異常時，及時發(fā)出告警信號。 ● 開關柜綜合測控及電氣節(jié)點測溫： 35kV各開關柜配置一臺智能操控無線測溫裝置ASD320，其中PT柜采用3點電池型測溫傳感器ATE400，用于監(jiān)測母排溫度；其他柜子均采用12點測溫傳感器ATE400，用于監(jiān)測母排、斷路器上觸頭斷路器下出頭、電纜出線處的溫度。 ● 弧光保護： 進線柜配置一臺弧光保護主控單元ARB5-M，母聯(lián)柜配置一臺弧光保護擴展單元ARB5-E，各開關柜母線室配置一只弧光傳感器ARB5-S，當母線室發(fā)生弧光故障時，弧光保護主控單元及時跳開被保護母線的進線、母聯(lián)和其他電源支路斷路器。 （2）本地數(shù)據(jù)采集 變電站綜合自動化系統(tǒng)需采集站內設備信息集中分析管理，根據(jù)數(shù)據(jù)類型主要分為遙測、遙信、電能三類數(shù)據(jù)，網關將規(guī)約雙向轉換（即規(guī)約轉換器），在變電站自動化分布式智能電子設備中存儲的信息通過網關傳送給SCADA主站。 （3）電力系統(tǒng)安全防護 為了加強變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)安全防護，抵御黑客及惡意代碼等對監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)起的惡意破壞和攻擊，以及其它非法操作，防止電力監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓和失控，和由此導致的變電站一次系統(tǒng)事故和其他事故，需制定電力安全防護方案。 項目實施需配置變電站綜合自動化系統(tǒng)、電能量采集裝置、調度數(shù)據(jù)網系統(tǒng)。 ● 變電站綜合自動化系統(tǒng) 變電站綜合自動化系統(tǒng)采用系統(tǒng)組態(tài)軟件Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)，配置一臺監(jiān)控后臺主機兼操作員站。主要實現(xiàn)變電站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制功能，以監(jiān)測控制計算機為主體，加上檢測裝置、執(zhí)行機構與被監(jiān)測控制的對象（生產過程）共同構成的整體。在這個系統(tǒng)中，計算機直接參與被監(jiān)控對象的檢測、監(jiān)督和控制，采用IEC104規(guī)約、端口號2404，并實時與地調自動化主站系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸。 ● 電能量采集裝置 配備一套廠站采集終端電能量采集裝置。電能量采集器是一種用于采集、存儲和轉送電站關口表采集和生成的計量計費信息的裝置。裝置通過與電度表通信，收集電度表采集和生成的計量計費信息。采集器通過調度數(shù)據(jù)網非實時業(yè)務與計量計費主系統(tǒng)通信，地調接入網上傳通信端口為1020，上報所采集和生成的的計量計費信息。 ● 調度數(shù)據(jù)網系統(tǒng) 調度數(shù)據(jù)網系統(tǒng)是一種為電力調度生產服務的專用廣域數(shù)據(jù)網絡，是電力調度生產部門之間及電力調度生產部門與發(fā)電廠、變電站之間計算機監(jiān)控系統(tǒng)等實時和準實時數(shù)據(jù)通信的基礎設施，是確保電網安全、穩(wěn)定、經濟運行的重要手段。一般由路由器、交換機、縱向加密裝置、網絡安全監(jiān)測裝置、橫向隔離裝置、防火墻裝置組成。 04 系統(tǒng)功能 實時監(jiān)測 Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，配電系統(tǒng)中監(jiān)測的開關量主要有：斷路器分、合閘信號，手車工作、試驗位置信號，遠方/就地切換位置信號、彈簧儲能狀態(tài)信號、接地刀合分信號、變壓器超溫跳閘信號、高溫報警信號，保護跳閘信號和事故預告信。 ![]() 圖3 實時監(jiān)測主界面圖
電參量查詢 在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能等，并可以查看24小時相電流趨勢曲線。 ![]() 圖4 電參量查詢界面圖
運行報表 能查詢各回路或設備指定時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。 ![]() 圖5 電參量運行統(tǒng)計報表界面圖
歷史事件查詢 能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。 ![]() 圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢界面圖
電能數(shù)據(jù)展示 具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表，也可通過棒狀圖形式展示分時電度信息。 ![]() 圖7 分時電度界面圖
網絡拓撲圖 系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。 ![]() 圖8 站內設備系統(tǒng)網絡拓撲圖
遙控功能 可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。配電系統(tǒng)維護人員可以通過監(jiān)控系統(tǒng)的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統(tǒng)或站內相應的操作命令。 ![]() 圖9 遙控操作界面圖 05 結語 隨著通信媒介、通信能力、處理能力的進步，變電站綜合自動化需求會大大增加，變電站間的通信也會產生更高的安全性，因此邁向變電站自動化是大勢所趨，變電站綜合自動化系統(tǒng)對實現(xiàn)電網調度自動化和運維管理現(xiàn)代化，提高電網的安全和可靠運行水平起到了很大的作用。
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發(fā)表于 2023-4-25 13:55:34
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