摘　要：对国内变电站自动化技术的发展历程作了回顾，提出了在全分散式变电站自动化系统宜重点关注的技术关键。同时亦介绍了国外变电站自动化技术的发展和现状。还着重提出了今后变电站自动化新技术动向，以供探讨。
关键词：自动化；综述；变电站
分类号：TM63；TM76　文献标识码：B
文章编号：1006-6047(2000)01-0038-05

ASummaryofSubstationAutomationTechnology

ZHAOZu-kang
（NanjingAutomationResearchInstitute，Nanjing210003,China）
XUShi-ming
（NanjingAutomationResearchInstitute，Nanjing210003,China）

Abstract：ThedevelopmentofsubstationautomationtechnologyinChinaispresented,andsomekeytechniquesinthisfieldareputforward.Thesituationofsubstationautomationabroadisalsointroduced.Thenewtechnicalorientationofsubstationautomationasafocalpointisprovided.
Keywords：automation;summary;substation▲

0　引言

　　迎接新世纪到来的今天，面对今后大量变电站建设改造的任务，研究和分析国内外变电站自动化技术是很有必要的。变电站自动化自20世纪90年代以来一直是我国电力行业中的热点之一。其所以成为热点，一是建设的需要，二是市场的因素。目前全国投入电网运行的35～110kV变电站约18000座(不包括用户变)，220kV变电站约有1000座，则500kV变电站大约有50座。而且每年变电站的数量以3～5的速度增长，也就是说每年都有千百座新建电站投入电网运行。同时根据电网的要求，每年又有不少变电站进行技术改造，以提高自动化水平。近十年来我国变电站自动化技术，无论是从国外引进的，还是国内自行开发研制的系统和设备，在技术和数量上都有显著的发展。

1　国内变电站自动化技术

　　当前“变电站自动化”是将变电站中的微机保护、微机监控等装置通过计算机网络和现代通信技术集成为一体化的自动化系统。它取消了传统的控制屏台、表计等常规设备，因而节省了控制电缆，缩小了控制室面积。传统的35kV以上电压等级的变电站的二次回路部分是由继电保护、当地监控、远动装置、故障录波和测距、直流系统与绝缘监视及通信等各类装置组成的，以往它们各自采用独立的装置来完成自身的功能且均自成系统，由此不可避免地产生各类装置之间功能相互覆盖，部件重复配置，耗用大量的连接线和电缆。80年代由于微机技术的发展，远动终端、当地监控、故障录波等装置相继更新换代，实现了微机化。这些微机化的设备虽然功能各异，但其数据采集、输入输出回路等硬件结构大体相似，因而统一考虑变电站二次回路各种功能的集成化自动化系统，自然受到人们的青睐。但当时的变电站自动化系统实际上是在RTU基础上加上一台微机为中心的当地监控系统(见图1)，不但未涉及继电保护，就连原有的传统的控制屏台仍予保留。这可以说是国内变电站自动化技术的第一阶段。

图1　以RTU为基础的变电站自动化系统

　　90年代数字保护技术(即微机保护)的广泛应用，使变电站自动化取得实质性的进展。90年代初研制出的变电站自动化系统是在变电站控制室内设置计算机系统作为变电站自动化的心脏，另设置一数据采集和控制部件用以采集数据和发出控制命令。微机保护柜除保护部件外，每柜有一管理单元，其串行口和变电站自动化系统的数据采集和控制部件相连接，传送保护装置的各种信息和参数，整定和显示保护定值，投/停保护装置，此类集中式变电站自动化系统可以认为是国内变电站自动化系统的第二阶段。图2是此类系统的典型框图。

图2　集中式变电站自动化系统典型框图

　　90年代中期，随着计算机技术、网络技术及通信技术的飞速发展，同时结合变电站的实际情况，各类分散式变电站自动化系统纷纷研制成功和投入运行。分散式系统的特点是各现场输入输出单元部件分别安装在中低压开关柜或高压一次设备附近，现场单元部件可以是保护和监控功能的二合一装置，用以处理各开关单元的继电保护和监控功能，亦可以是现场的微机保护和监控部件分别保持其独立性。在变电站控制室内设置计算机系统，对各现场单元部件进行通信联系。通信方式可以采用常用的串行口如RS-232C，RS-422/485。但近年推出的分散式变电站自动化系统更多地采用了网络技术，如LonWorks(LocalOperationNetwork)或CAN(ControlAreaNetwork)等现场总线型网，至于变电站自动化的功能，则将遥测遥信采集及处理，遥控命令执行和继电保护功能等均由现场单元部件独立完成，并将这些信息通过网络送至后台主计算机。而变电站自动化的综合功能均由后台主计算机系统承担。此类分散式变电站自动化系统可视为第三阶段。
　　上述各类变电站自动化系统的推出，由于技术的发展，虽有时间先后，但并不存在前后替代的情况，各类系统可根据变电站的实际情况，予以选配。如以RTU为基础的变电站自动化系统可用于已建变电站的自动化改造，而分散式变电站自动化系统更适用于新建高压变电站。
　　在国内变电站自动化技术发展过程中，尤其是全分散式变电站自动化系统，以下技术关键是应该予以重点关注的。
1.1　现场单元功能与性能
　　在全分散式变电站自动化系统中，特点之一是以变电站一次设备(如高低压开关等)为单位，在一次设备现场配置监控和保护的现场输入输出单元。如前节所述，现场单元可以是监控和保护二合一装置，亦可以保持相对独立，但有一点是共同的，就是现场单元要求能独立完成监控和保护的功能。
　　监控现场单元的基本功能为遥测量采集及计算，遥信采集及处理，电能脉冲采集及累计，遥控命令接收与执行，对关键芯片的定时自检，与保护单元的通信(当与保护单元保持相对独立时)，当地显示。
　　保护现场单元的基本功能为根据安装单位的继电保护配置完成保护功能，接收与执行后台机下发的保护定值修改，自检功能，发送保护装置的工作信息、告警信息、动作信息、自检信息，与上级对时，接收与发送上级对保护装置整定值和测量值的查询，保护装置复归，当地显示。
　　根据各变电站实际情况，现场单元有安装在现场户内开关室内的，亦有安装在户外开关附近小室或露天封闭箱内的，环境条件较控制室内严峻，因此现场单元的性能必须满足在现场条件下安全稳定的运行。
　　为此，其性能要求为户外环境温度可按A类-20℃～ 60℃,B类-40℃～ 85℃(目前国际尚未制订)，湿度为0～95相对湿度，防止电磁感应，防止雷电流，防开关开合时振动影响(如接点抖动，连接松动等)，MTBF>10000h，与外部电气回路应有光电隔离。
1.2　网络结构与通信
　　在变电站自动化系统中常用的串行通信接口RS-232C，RS-422/485虽有接口标准化、规范化和多数智能单元IED接口方便的优点，但不足之处是RS-232C通信有效距离短(15m)，而RS-485总线为主从结构，主接点工作繁忙时，影响系统性能和可靠性。
　　因此在变电站自动化向分散式系统发展时，采用计算机网络的优点来替代传统串口通信成为一种趋向。计算机网络内计算机之间是相互独立的和平等的(PeertoPeer)，目前国内推出的系统采用较多的是现场总线型通信方式，如CAN及LonWorks。现场总线网是一种多点共享的广播通信信道网，较点对点通信信道网(星形网)为优，各结点连在一条总线上(亦可采用冗余总线)，不象星形网二结点间通信需通过中心结点。当然总线型网要有控制机构解决两个以上结点同时发送信息的冲突。现场总线网还可以设置信息传输优先级，安排信息传输的先后，这与变电站各类信息有不同传输响应时间的要求是相适应的。
　　至于通信，针对变电站自动化系统安装于这样一个高电压、大电场的开关站内，尤其是分散式系统，变电站控制室内后台计算机和现场单元之间的站内通道，必需考虑电磁影响，目前光纤通信已经得到比较广泛的采用。

2　国外变电站自动化技术

　　国外变电站自动化技术的发展是从80年代开始的。以德国西门子公司为例，该公司于1985年投运了第一套变电站自动化系统LSA-678，此后陆续在德国及欧洲投运的该型变电站自动化系统达300多套。在中国，1995年亦投运了该公司的LSA-678变电站自动化系统。
　　LSA-678的系统结构有两类，一类是全分散式的系统，另一类是集中与分散相结合的系统。该两类系统均由6MB测控系统，7S/7U保护系统，8TK开关闭锁系统三部分构成。
　　控制主单元6MB51是6MB测控系统的心脏，选用高档32位386/486芯片，它管理I/O单元6MB52，并通过6MB52和7S/7U数字保护单元通信。而6MB52一般分散安装在中低压开关柜上，完成开关量、测量值、脉冲量的采集，执行主单元的开关操作命令，对交流采样值进行P，Q计算等。系统框图见图3。

图3　全分散式LSA678系统框图

　　另一类集中与分散相结合的系统采用了站控单元6MB55，它既有6MB51的功能又有RTU的功能，一般用于扩建的变电站，对已建部分采用集中方式，而对扩建部分则采用上述全分散式通过6MB52I/O单元对各开关单元进行监控和保护。
　　日本在90年代亦新建和扩建了多座高压变电站，采用了以计算机监控系统为基础的运行支援系统。其主要特点是继电保护装置下放至开关现场，并设置微机控制终端，采集测量值和开关接点信息，通过光缆传输至主控制室的后台计算机系统，开关及隔离开关操作命令亦由主控制室通过光缆下达至终端执行。主控制室计算机系统采用双以太网，配置有2台主计算机和1台培训用计算机。
　　保护下放有直接置于各高压开关旁密闭箱内的，内有除湿用加热器，但不设空调降温；有置于开关附近保护室内的。
　　至于美国变电站自动化目前投运的大体有三类。一是以RTU为基础进行实时数据采集，配置微机作当地功能，并和上级调度中心通信；二是以通用计算机为数据采集设备，不但采集实时数据而且建立历史数据库，并通过计算机网(以太网)与远程工作站联络；三是采用MODBUS-PLUS(1Mbit/s),保护监控I/O等部件均通过规约转换器(gateway)接入该网，并通过RTU与调度中心联系，网上标准计算机建立实时、历史数据库和提供人机联系画面等。
　　总的看来国外变电站自动化技术的发展趋势和国内发展趋势基本上是一致的，技术差距不大。积极发展国内变电站自动化技术，进入国际市场是指日可待的。

3　变电站自动化技术新动向

　　变电站自动化系统无论国内国外均是向全分散式系统发展，并与计算机技术、网络技术和通信新技术紧密联结，未来变电站自动化新技术动向主要表现在以下几个方面。
3.1　系统结构
　　从变电站自动化系统的设计思想角度来看，设计者对变电站测控的看法已实现从局部到整体的转化。目前的变电站自动化系统中，面向对象技术已成为一个十分流行的趋势，即不单纯考虑某一个量，而是为某一设备配备完备的保护和监控功能装置，以完成特定的功能，从而保证了系统的分布式开放性。从技术发展的趋势看，将来的测控设备还将和一次设备完全融合，即实现所谓的智能一次设备，每个对象均含有保护、监控、计费、操作、闭锁等一系列功能及信息库，面向自动化的仅是一对通信双绞线，该双绞线以网络方式和计算机相连。
　　设计思想的发展导致了系统结构的发展，原先的自动化系统基本只能集中配屏，由于面向对象设计思想的深入以及一次设备的整体化设计，系统结构将由集中式向部分分散式或全分散式发展，变电站内可能将不再具有规模庞大的测控屏以及大量连接信号源和测控屏之间的铜芯电缆，全部测控装置下放在就地，实现所有功能，而在控制室，取而代之的是一个计算机显示器甚至仅为一台临时监视、操作使用的便携机。
　　完全分散式的实现依托于如今发展很快的计算机及网络技术，特别是现场总线技术。这一技术的使用已使得自动化系统的实现简单得多，性能上也大大优于以往的系统，并可解决以往系统中RS-485链路信息传输的实时性问题，以及信号传输的容量问题。
3.2　通信及规约
　　一个典型的变电站自动化系统，可分为三个层次，(如图4所示)。三个层次分别为：①现场I/O层，用于和现场一次设备的信号和控制相连；②通信层，完成上位机(Workstation)和数据终端设备(DCU)的数据和命令传输；③计算机管理层，完成相应的SCADA及变电站管理功能以及其它相应的辅助功能。由图可见，通信层在这里起着举足轻重的作用。网络技术的普及化更使自动化系统发生了根本的变化，这些变化将集中表现在以下几个方面。

图4　典型的变电站自动化系统

3.2.1　在测控单元和通信单元之间
　　首先是将引入现场总线技术，由于分散式系统的推出，成百个CPU将在变电站之内运行，传统的RS-485通信已不能胜任此项任务，而现场总线技术不仅具有高速(达1MHz及以上)传输特征，并且具备“多路侦听，自动上送”的功能，解决了多CPU系统的信息传输及突发事件优先传输的问题。目前的现场总线有CAN，LonWorks，HART，Profibus，FF等。而FF现场总线(FoundationFieldbus)在过程自动化领域中得到最广泛支持，是具有良好发展前景的技术，它集中了全球150多个厂商的智慧而制定的WorldFIP协议，是未来现场总线的优选方案。国内变电站自动化已大规模推广并已有大量变电站实现无人值班，作为“枢纽工程”的通信系统，必须采用双网络来提高系统的可靠性。在通信媒介方面，光纤是较为理想的通信媒介，但由于价格及施工方便等方面的因素，双绞线仍将被普遍采用；在通信协议上，目前国内已制订了IEC60870-5-103规约用于测控单元和通信单元间的通信，但此协议仅适用于RS-485链路，不能适用于目前的各现场总线传输。随着FF现场总线的推广，有可能给大家提供一个统一的数据传输协议。
3.2.2　在当地计算机和通信单元方面
　　由于利用变电站自动化来实现无人值班，因此其传递的信息容量将很大(不仅要传递监控、保护的信息，还要传递数字电量、录波及其它安全自动装置的信息)。这样大容量的信息用RS-485来传输显然已不行，而事实上，计算机(工作站)及LAN技术已十分成熟，利用LAN来传输信息已成为近距离计算机通信的优选方案。因此在通信单元和当地计算机间将用以太网来连接，遵循IEE802.3标准，按TCP/IP协议以10MHz/100MHz的速率传输信息。当地计算机可用PC或工作站，软件建立在同一TCP/IP协议上，可互相通用。从系统整体的可靠性考虑，配备双通信单元、双以太网、双计算机实现信息的传输及管理。一般来说，该方案的通信媒介大多采用双绞线。
3.2.3　与多个控制中心的连接
　　与控制中心(远方计算机)的连接突出地表现在通道和通信协议上。在通信通道上，有传统的微波、载波、光纤、卫星等传输链路，这些通道基本上是专线或临时专线。而近年来发展的网络技术可为其提供一个或多个虚拟通道，尤其是国家电力一级数据网的建立，为这种数据传输方式提供了强有力的手段；在通信协议上，传统意义上的RS-232链路已有国家标准IEC60870-5-101支持；在实时数据网上，可利用TCP/IP协议数据上网，上网方式可以是RS-232标准，亦可能按IEE802.3标准。
　　可见，变电站自动化的信息传输已逐渐向网络方向发展，并将由局域网互联向广域网互联发展，由此而带来的电力系统信息共享的益处将是巨大的。
3.3　系统性能
　　由于变电站自动化已大量应用于各电压等级的变电站，且已有大量变电站实现无人值班，因此在可靠性方面的研究将是持久的。可将可靠性分为二部分：一部分是系统本身的，如控制器工作的电磁兼容性、软件容错技术、软件冗余技术、工艺结构等；另一方面是对外界因素的抵抗能力，如雷电、过流、过压、强震以及高低温、湿度等环境因素。
　　早期的变电站自动化系统仅是实现基本四遥功能对基本的变电管理功能，而将来的变电站自动化系统将赋予一些新的功能。
　　目前的变电站自动化系统测控技术已基本成熟，并且已使用网络技术将变电站之内的许多智能装置进行互联及实现信息共享。但系统之内的许多资源远没有充分利用(如：用于测控的CPU的速率都很高，还远未发挥其作用；共享的资源十分丰富，却仅作一些统计之用)。因此，充分利用资源将是今后关心的问题，如在实时数据的基础上实现电压无功控制、小电流接地判别、防误操作、事故应急处理方案、多台主变的经济运行方案优化、线路同期、设备寿命管理、录波等功能。
　　当然，随着城网、农网配电自动化的开展，变电站自动化亦将辅以一些配电自动化的功能要求。

4　结束语

　　本文对国内外变电站自动化技术的发展过程和现状作了论述和分析。提出了变电站自动化新技术动向。变电站自动化技术在城农网建设改造工作中，无论从其技术性、重要性、投资数和任务量占有相当的地位，为此阐写本文与读者探讨。■

作者简介：赵祖康，男，教授级高工，长期从事电力系统自动化和配电自动化的科研工作；
　　　　　徐石明，男，高级工程师，从事电力系统自动化和变电站自动化的科研工作。
作者单位：赵祖康（国家电力公司电力自动化研究院，江苏　南京　210003）
　　　　　徐石明（国家电力公司电力自动化研究院，江苏　南京　210003）