第19卷　　　湖　南　电　力1999年第1期

国内外变电站综合自动化技术的现状与发展

汪觉恒　　湖南省电力勘测设计院(长沙410007)

摘　要　根据有关调研工作、设计实践,对国内外变电站综合自动化技术的现状和发展进行了总结和分析,并对当前应用变电站综合自动化技术提出了若干建议。关键词　变电站　综合自动化　现状与发展

自动化系统,由日本关西电力公司与三菱电气公司共同研制的SDS-Ⅰ、Ⅱ保护和控制综合自动化系统从1977～1979年进行了现场试验及试运行,80年代初已交付商业应用。目前,日本日立、三菱、东芝公司,德国西门子公司(SIEMENS)、AEG公司,瑞土ABB公司,美国通用电气公司(GE)、西屋电气公司(Wesinghouse),法国阿尔斯通公司(AL-STHOM),瑞士Landis&Gyr公司等国际著名大型电气公司均开发和生产了变电站综合自动化系统(或称保护与控制一体化装置),并取得了较为成熟的运行经验。其主要特点为:系统一般采用分层分布式,系统由站控级和元件/间隔级组成,大部分系统在站控级和元件/间隔级的通信采用星形光纤连接,继电保护装置下放到就地,主控制室与各级电压配电装置之间仅有光缆联系,没有强电控制电缆进入主控制室,这样节约了大量控制电缆,大大减少对主控制室内计算机系统及其他电子元件器的干扰,提高了运行水平和安全可靠性。

1.2　国外在制定变电站综合自动化技术规范方面的进展

国外变电站综合自动化系统制造厂商颇多,但他们彼此之间一开始就十分注意系统的技术规范和标准的制定及协调,以避免各自为政造成的不良后果,以便于这门新技术能够迅速发展和广泛的应用。目前,许多国际性组织或权威机构都在进行这项工作,如国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议(CIGRE)、德国电力事业联合会(VDEW)和电工供货商机构(ZVEI)、美国电力科学研究院(EPRI)和IEEE的电力工程学会(IEEE、PES)都正在制订或已制订了某些标准。

1.2.1　德国电力事业联合会(VDEW)和电工供货商机构(ZVEI)制定的关于数字式变电站保护控制系统的推荐草案。

0　引　言

　　常规变电站的二次设备主要由继电保护、就地监控(测量、控制、信号)、远动、故障录波等装置组成。随着微机技术的发展和在电力系统的普通应用,近年来,这些装置都开始采用微机型的,即微机保护、微机监控、微机远动等。这些微机装置尽管功能不一,但其硬件配置却大体相同,装置所采集的量和要控制的对象许多是共同的。但由于这些设备分属不同的专业,加上管理体制上的一些原因,在变电站上述各专业的设备出现了功能重复、装置重复配置、互连复杂等问题。这就迫切需要打破各专业分界的框框,从全局出发来考虑全微机化的变电站二次设备的优化设计,这便提出了变电站综合自动化的问题。国外从70年代末80年代初就开始进化行保护和控制综合自动化新技术的开发和试验研究工作。到目前为止,各大电力设备制造公司都陆续推出了系列化产品。90年代以来,世界各国新建变电站大部分采用了变电站综合自动化系统。我国在70年代初期便先后研制成电气集中控制装置和“四合一”集控台。随着微机技术在电力系统应用的日益成熟,80年代中期,我国亦开始研究变电站综合自动化技术。尤其是近年来,国内变电站综合自动化技术发展迅速,本文就国内外变电站综合自动化技术的现状与发展作一总结和分析。

1　国外变电站综合自动化技术发展概

况

1.1国外变电站综合自动化系统概况

国外从70年代末、80年代初就开始进行保护和控制综合自动化系统的新技术开发和试验研究工作。如由美国西屋电气公司和美国电力科学研究院(EPRI)联合研制的SPCS变电站保护和控制综合

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该草案于1987年公布,成为IECTC57在起草保护与控制之间接口标准的参考。德国的3大电气公司Siemens、ABB、AEG基本上是按照这一推荐规范设计和开发自己的产品。该草案把变电站的结构规定为站控级(StationLevel)和元件/间隔级(Bay对于系统的硬件、软件、参数化、资料、测Level)。

试、验收和现场调试等都做出了具体而详尽的规定。该推荐草案的公布不仅对德国国内变电站综合自动化的发展而且对整个欧州地区都起了一定的促进和规范作用。

1.2.2　美国电力科学研究院关于变电站控制与保护工程的系统规范

该规范由美国电力科学研究院(EPRI)委托西屋电气公司研究起草,于1983年8月发表,1989年11月对该规范作了进一步的修改与增补。该规范定义出了变电站综合自动化系统的范畴,同时列出了该系统应具备的功能菜单,规定了每一种功能应具备的内容及基本要求。它反映了变电站综合自动化的基本要求,总共逐个规定了26种功能。普遍认为,任何一种装置的功能都不可能超出上述功能清单之外。

1.2.3　国际电工委员会(IEC)及国际大电网会议(CIGRE)在变电站控制和保护接口方面的工作IEC有TC95(量度继电器和保护设备)和TC57(电力系统远动、远方保护及有关的通信)2个技术委员会在进行这项工作。TC95的第6工作组WG06(工作组名称:保护通信接口)经过几年的工作已提出一个国际标准(IEC1733保护通信接口)草案的第1、2部分,即总则和电气装置通信标准总体结构。该标准计划分8部分,除以上2部分外,还有通信基本服务、系统功能、操作员功能、设备库、计算和功能、文本和传输层等。

IEC/TC57于1994年成立了专门工作组AHWG进行“变电站控制和保护接口”的工作。其于1995年2月向IEC秘书处提交了保护通信伙伴标准IEC870-5-103。为避免工作重复和标准内容不一致,TC57和TC95成立了联合工作组共同进行这项工作,标准编号挂在TC95的名下。

CIGRE的第34(继电保护)研究委员会组织了工作组WG34.03研究变电站内数据传输的通信要求,内容包括保护、控制、监视、测量、扰动记录等。WG34.03已提出报告《高压变电站数据通信;保护和控制功能接口》。这些研究结果已作为IEC标准的基础。2　国内变电站综合自动化技术发展现

状和趋势

我国变电站综合自动化技术的起步发展虽比国外晚,但我国70年代初期便先后研制成电气集中控制装置和“四合一”装置(保护、控制、测量、信号)。如南京电力自动化设备厂制造的DJK型集中控制装置,长沙湘南电气设备厂制造的WJBX型“四合一”集控台。这些称之为集中式的弱电控制、信号、测量系统的研制成功和投运为研制微机化的综合自动化装置积累了有益的经验。70年代末80年代初南京电力自动化研究院率先研制成功以Motoro-la芯片为核心的微机RTU用于韶山灌区和郑州供电网,促进了微机技术在电力系统的广泛应用。1987年,清华大学在山东威海望岛35kV变电站用3台微型计算机实现了全站的微机继电保护、监测和控制功能。之后,随着1988年由华北电力学院研制的第1代微机保护(OI型)投入运行,第2代微机保护(WXB-11)1990年4月投入运行并于同年12月通过部级鉴定。较远动装置采用微机技术滞后且更为复杂的继电保护全面采用微机技术成为现实。至此,随着微机保护、微机远动、微机故障录波、微机监控装置在电网中的全面推广应用,人们日益感到各专业在技术上保持相对独立造成了各行其是,重复硬件投资,互连复杂,甚至影响运行的可靠性。1990年,清华大学在研制鞍山公园变电站综合自动化系统时,首先提出了将监控系统和RTU合而为一的设计思想。1992年5月,电力部组织召开的“全国微机继电保护可靠性研讨会”指出:微机保护与RTU,微机就地监控,微机录波器的信息传送,时钟、抗干扰接地等问题应统一规划并制定统一标准,微机保护的联网势在必行。由南京电力自动化研究院研制的第1套适用于综合自动化系统的成套微机保护装置ISA于1993年通过部级鉴定以后,各地电网逐步开始大量采用变电站综合自动化系统。1994年中国电机工程学会继电保护及自动化专委会在珠海召开了“变电站综合自动化分专业委员会”的成立大会,这标志着对变电站综合自动化的深入研究和应用进入了一个新阶段。

目前,国内有关研制和生产单位推出的变电站综合自动化系统及产品很多,根据该技术的发展过程及系统结构特点,归纳起来可分为3种典型类型。第1种类型为基于RTU、变送器及继电保护与自动装置等设备的变电站综合自动化系统,一般称为增

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强型RTU方式,也称集中式,或第1代综合自动化系统。该类系统实际上是在常规的继电保护及二次接线的基础上增设RTU装置以实现“四遥”。结构上仅是站级概念,有关重要信息(如保护动作信息等)通过硬接点送给RTU装置,变电所的监测量一般经变送器变换后送给RTU。开关监测量是直接引至RTU,RTU的控制输出一般经遥控执行柜发出控制命令。该类系统的特点是:系统功能不强,硬件设备重复,整体性能指标低,系统联接复杂,可靠性低,但其成本低,特别适合于老站的改造。实际上该类系统仅为变电站综合自动化的初级形式,尚不能称为综合自动化系统。

第2种类型为从硬件结构上按功能对装置进行了划分,摒弃了集中式单CPU结构而走向分散,系统由数据采集单元(模拟量、开关量、脉冲量),主机单元(总控单元)、遥控执行单元、保护单元组成。各功能单元(设备)通过通信网络等手段实现有机结合,构成系统。该类系统可替代常规的保护屏、控制屏、中央信号屏、远动屏、测量仪表等。它具有较强的在线功能。各种功能比较完善,且人机界面较好。但系统仍然比较复杂,联结电缆较多,系统可靠性不太高。这类系统虽然做到了一定程度上的分散(功能分散),但没有从整体上来考虑变电站综合自动化系统的结构,一般仅是监控系统和保护系统简单的相加。由于我国保护和远动分属不同的部门和专业。故我国目前的大多数综合自动化系统均属此类结构系统。这类系统一般称为分散式系统或第2代综合自动化系统,是一种过渡方案。

第3种类型系统是采用国际上成熟的先进设计思想,引入了站控级和间隔级概念,系统采用分层分布式结构。设备分变电站层设备(站控级)和间隔层设备(间隔级)。间隔层设备原则上按一次设备组织,例如1条线路、1台主变压器。每一间隔层设备包括保护、控制、测量、通信、录波等所有功能。设计的原则是:凡是可以在本间隔层设备完成的功能,尽量由间隔层设备就地独立处理,不依赖于通信网和变电站层设备。变电站层设备是通过间隔层设备了解和掌握整个变电站实时运行情况,并通过间隔层设备实现变电站控制,它还负责站内信息收集、分析、存储以及与远方调度中心的联系,这类系统实现了信息资源的共享以及保护、监控功能的综合化,大大简化了站内二次回路,它完全消除了设备之间错综复杂的二次电缆。由于间隔层设备可放在开关柜上或放置在一次设备附近,从而可大大缩小主控

制室面积,节省控制电缆,减少CT负担。同时大大提高了整个系统的可靠性、可扩展性,是综合自动化系统的发展方向。该类系统一般称为分层分布式系统,也称为第3代变电站综合自动化系统。目前已有南自变电站自动化公司、四方公司、南瑞电网控制公司等厂家推出了此类系统,并成功投入运行。

上述产品类型也很大程度上反映了目前在综合自动化技术领域上的2种技术观点。第1种技术观点认为:变电站综合自动化系统主要考虑“四遥量”的采集,以点为对象,面向“功能设计”,故变电站综合自动化系统应以传统RTU装置或在其基础上发展起来的数据采集装置、主控单元、遥控执行等装置组成的监控为基础组成,它与微机保护的联系只要通过装置上的串行口收集信息即可,并且特别强调保护的独立性,即两者不能有任何硬件上的融合。由于变电站综合自动化系统源于传统的“四遥”并且是在微机远动、微机保护基础上发展起来的,且保护和远动分属不同的部门和专业,故这种技术观点曾一度流行。而第2种技术观点认为:综合自动化技术是以先进可靠的微机保护为核心,以成熟的网络通信技术将测量控制与继电保护融为一体,共享数据资源,并十分强调系统的总体结构优化以及系统的可靠性。系统是以对应的一次设备为对象,面向“对象设计”。当然它也强调保护的相对独立性,主张在决不降低保护可靠性和功能的前提下,目前至少可以在低压上采用保护与测控合一的综合装置。第2种技术观点是在微机保护技术成熟并向网络化多功能方向发展的基础上形成的。如前所述,由于保护和远动分属不同的部门和专业,加之技术发展有个过程,开始持这类观点的人并不多,但随着技术的发展和按这一新概念设计的变电站综合自动化系统的成功投运,并加之这一技术观点与目前国际上先进的设计思想及推出的高品质系统如同一脉。因此,第2种技术观点正逐步成为大家的共识,它也成为了目前综合自动化技术发展的趋势和潮流。

综观目前国内变电站综合自动化技术的发展轨迹,我们可以看出如下发展趋势:a.在总体结构上引入国际上成熟的先进设计思想,采用分层分布式结构,并采用计算机局域网(LAN),通信规约向国际标准靠拢;b.通信媒介普遍采用光纤,因为光纤具有抗电磁干扰的突出优点;c.间隔层设备逐步采

用保护与测控合一的综合装置,对于配电线直接安装在开关柜上。

3　对推广应用变电站综合自动化技术

的若干建议

目前变电站综合自动化技术发展迅速,初估统计目前国内生产综合自动化系统的厂家达40多家以上。还有为数不少的国外厂商在争夺国内变电站综合自动化系统的市场,出现了百花齐放的局面。加之目前综合自动化系统尚无统一的技术规范,这就提出了一个如何推广应用变电站综合自动化技术最迫切的现实问题。笔者通过对国内外变电站综合自动化技术和产品的全面深入研究以及对采用变电站综合自动化系统的设计实践,特对当前如何推广应用变电站综合自动化技术提出如下建议。3.1　应选用的综合自动化系统

应优先选用分层分布式综合自动化系统。因为该类系统采用了一体化设计思想,不仅具有结构简明,可靠性高,还具有配置灵活、可扩充性强、便于检修等优点。这不仅为理论所证明,也为实践所佐证,从国外和国内推出运行的系统看,它是综合自动化系统的最佳结构模式。

3.2　计算机网络的选择和接口规约是关键我国目前对于变电站综合自动化尚无统一的技术规范,前已介绍国外在这方面的技术规范和标准都有详细的规定。我们国内一些大的制造厂家已注意开始向国际标准靠拢,以避免各自为政造成的不良后果。如果我们在选型时考虑不周,所选用的产品几年就可能成为淘汰产品,将会给以后带来巨大浪费或给扩建带来很大困难。事实已说明我们某些地区电网近年选用的110kV变电站综合自动化系统就成为淘汰产品。

网络的选择一定要可靠,即使有点问题也不应影响整体工作。从可靠性看,总线性网络和环形网络较星形网络可靠;从扩充性、灵活性看,总线型网络较环形网络易扩充,一般应优先选用总线型网,重要电压等级选有双总线型网络。网络产品一定要选择符合ISO国际标准的工业网。目前综合自动化系统采用符合ISO/IEC8802标准的局域网(LAN)有8802.3(CSMA/CD)、8802.4(令牌总线),其数据传送速度为10Mb/s。LONWORKS是符合ISO标准的工业网,其数据传送速度为1Mb/s,且LON网的抗干扰能力强,更适用于变电站强电磁干扰环境。选用靠近国际标准的网络,可避免短期内综合自动化产品的淘汰。

在变电站设计中,若有多个厂家出现,一定要对接口规约提出要求,我国已将IEC870-5-103标准

暂定为我国目前保护控制通信的标准。在选型时,在接口规约方面应注意有关的标准,不应选用已淘汰的产品。

3.3　不宜考虑选用的综合自动化系统

a.系统没有成熟运行经验的,这是因为综合自动化系统的软硬件并不是一蹴而就的,而是要在实际运行中经过无数次的修改和完善。

此项限制b.保护功能有缺陷或性能不稳定的。条件尤为重要。因为目前很大部分号称生产综合自动化系统的厂家,仅有从事计算机网络的技术人员,

而没有从事保护的技术人员和经验,而实际运行充分说明变电站实现综合自动化后对保护的可靠性等要求更高了,综合自动化系统中的保护子系统一旦出现误动或拒动,其后果均十分严重,且目前综合自动化系统出的问题大部分也出在保护子系统上。故在综合自动化系统选型时,必须着重考虑保护子系统的技术性能。保护装置没有经过鉴定的,没有运行经验的综合自动化系统应不予选用。

c.由生产监控系统和保护系统的2个厂家搭配起来的系统一般也不宜选用。这是由于这类系统常常存在着接口问题,同时现场调试难与配合,出现问题责任不明,难以快速有效处理。

d.厂家无技术开发能力、无技术支持保障、无完善售后技术服务的显而易见。特别值得注意的是综合自动化系统现场调试工作量相当大,需要解决的有关问题也较多,如果现场技术服务工作跟不上,则会严重影响综合自动化系统的投运或给投运后的系统遗留很多问题。因此厂家有无较强的售后技术服务能力是非常重要的。3.4　注意系统整体设计

综合自动化系统不同于常规设备的最大特点是整个系统由几十个乃至上百个CPU组成,在每个CPU所监控的范围之间有着大量的关系需在软件上进行多种密切的恰如其份的配合。因此在整个系统的设计中,要十分注意系统整体设计,由于我国目前尚无综合自动化系统的成熟的设计规范,加之实际情况千变万化,这需要使用单位和厂家进行多次协商才能将功能冻结。因此在设计前应尽可能讨论定出一份详尽的技术规范书(技术要求)给厂家,同时还要重视考虑无人值班时与远动的软接口的各种信息和变换方式。对“四遥”量一定要给出定量

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软件和开发工具进行,这是一个集成化的开发环境,包括数据库的建立、程序的开发,权限的设置和数据库的管理。程序的开发使用NOTES命令、NotesScripts和函数,还可以使用JAVA、JAVAScript等技术进行开发。

文档NOTES提供了大量的模板,如审批流程、

集、个人日志、讨论、邮件等等。使用模板可以非常方便、快捷地创建和应用数据库,使办公系统的开发工作量减小。

3.3.2　办公自动化功能。内容有公文管理、档案管理、会议管理、电网生产管理、综合办公、图书管理、个人办公、电子邮件、公共信息、公告板、焦点论坛等内容。这是一套以开放、先进的Intranet及消息传递和工作流管理技术为核心的新一代全方位无纸办公系统,覆盖各个科室、各类生产和管理,提供事务处理功能、信息管理功能和公共信息服务功能。

行、事务管理、日常办公、提高工作效率等诸方面显现出越来越大的作用。同时,我局已经建立的基于Internet/Intranet技术的企业信息网络平台,为以后各科室的子系统的建设打下了良好基础。因为同样采用Internet/Intranet技术开发的子系统能够无缝的集成到信息网络上来,随着各个子系统的逐步建立,企业的信息系统就象搭积木一样,内容会越来越丰富,功能会越来越完善。例如我局通信科正在建设通信监控系统,就是采用Internet/Intranet技术进行开发的,在其建成之时,我们只需要在综合查询系统中通信科的主页上设置一个链接,指向通信监控系统的页面,用户使用时,只要点击链接就可以直接跳转至通信监控系统的页面。从用户角度来看,他使用的仍是同一个浏览器,通信监控系统完全和管理信息系统的其他部分融为一体,共同构成企业的信息系统。

经过我局MIS的开发和使用,我们认为,由于Internet/Intranet技术本身的特点,以及它与传统的客户/服务器技术相比所具有的优势,Internet网络计算模式最终将取代传统的客户/服务器计算模式,成为企业信息系统的基本模式,这是一个不可避免的发展趋势。我们觉得Internet真正伟大的地方并不是技术如何先进,而是它给人们带来的一种思想上的变革:信息不再是孤立的,人们生活在一个信息化的社会,信息无处不在,信息垂手可得。我们应该抓住Internet带来的机遇和挑战,推动电力企业的信息化进程,为电力企业的发展和改革服务。

(收稿日期:1998-10-06)

4　总　结

　　湖南电力调度通信局新一代MIS的建设,是在数据调查、业务分析、技术讨论和总体设计的基础上,采用系统工程的结构化生命周期法和原型法相结合的开发方法,于1998年3月初开始,与一家专门的计算机公司联合开发。经过MIS开发小组的共同努力,8月初整个系统的大部分功能投入了试运行。该系统模式选择正确,开发周期短,实现了设计中的所有功能,达到了预期的工作目标。MIS系统从一开始使用,就受到了广大用户的青睐,给人一种“耳目一新、垂手可得”的感觉,并在我局的生产运

(上接第54页)

的标准,否则,极易因装置在系统集成前的硬件缺陷,给系统集成后带来难以修补的问题。3.5　专业设置的建议

变电站综合自动化技术的发展打破了各专业的分工与界限,面临着机构、专业重组和技术融合的

问题,主要表现在保护和远动的交叉和融合。笔者建议应由保护和远动专业为基础组成新的综合自动化专业,以承担这一新的技术变革,更好地推动变电站综合自动化技术的应用和发展。

(收稿日期:1998-08-25)