变电站综合自动化系统的结构形式

从变电站综合自动化系统的发展过程来看，其结构形式有集中式、分层分布式、分散集中式、完全分散分布式；从物理安装位置上来划分，有集中组屏、分层组屏和分散在一次设备间隔设备上安装等形式。

（1）集中式变电站综合自动化系统

集中式结构的变电站综合自动化系统，指采用不同档次的计算机扩展其外围接口电路，集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。集中结构也并非由一台计算机完成保护、监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控与调度等通信的功能也是由不同的微机完成的，只是每台微机承担的任务多一些。例如，监控机要担负数据采集、数据处理、开关操作、人机联系等多项任务；担任微机保护任务的计算机，可能一台微机要负责几回低压线路的保护等。这种结构形式主要出现在变电站自动化系统发展初期，如图3-1所示。

图3-1　集中式变电站综合自动化系统结构示意图

这种结构形式按变电站的规模配置相应容量、功能的微机保护装置和监控主机及数据采集系统，它们安装在变电站主控室内。主变压器、各种进出线路及站内所有电气设备的运行状态经电缆传送到主控制室的保护装置或监控计算机上，并与调度中心的主计算机进行数据通信。当地监控计算机完成当地显示、控制和制表打印等功能。

集中式综合自动化系统的缺点是：

①计算机的功能较集中，如果一台计算机出故障，影响面大，因此必须采用双机并联运行的结构才能提高可靠性。

②集中式结构软件复杂，修改工作量大，调试难度大。

③动态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须另行设计，工作量大，因此影响了批量生产，不利于推广。

④集中式保护与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直观，不符合运行和维护人员的习惯，调试和维护不方便，程序设计麻烦。

因此，集中式综合自动化系统适用于小型变电站的新建或改造。

（2）分层分布式结构集中组屏的变电站综合自动化系统

随着微机技术和通信技术的发展，特别是在20世纪80年代后期，单片机的性能价格比越来越高，给变电站综合自动化系统的研究和开发工作注入了新的活力，使研制者有条件将微机保护单元和数据采集单元按一次回路进行设计。

所谓分布式结构是在结构上采用主从CPU协同工作方式，各功能模块之间采用网络技术或串行方式实现数据通信。多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了集中式结构独立CPU计算处理的瓶颈问题，方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。

按照IEC61850变电站通信网络和系统协议，变电站通信体系分为三层：变电站层、间隔层、设备层。这就是所谓的分层式结构。在变电站综合自动化系统中，通常把继电保护、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能综合在一起的装置称为保护单元，而把测量和控制功能综合在一起的装置称为控制单元，两者通称为间隔层单元。

设备层主要是指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及辅助触点、电流互感器、电压互感器等一次设备。图3-2是分层分布式变电站综合自动化系统的结构示意图。

间隔层按一次设备组织，一般按断路器的间隔划分，包括测量、控制和继电保护部分。测量、控制部分负责单元的测量、监视、断路器的操作控制和连锁及事件顺序记录等；保护部分负责该单元线路或变压器或电容器的保护、各种录波等。因此，间隔层本身是由各种不同的单元装置组成，这些独立的单元装置直接通过总线接到变电站层。

变电站层由一台或多台微机组成，这种微机操作简单方便，界面汉化。

图3-2　分层分布式变电站综合自动化系统结构示意图

（3）中/小型变电站的分层分布式集中组屏结构

分层分布式集中组屏结构是把整套综合自动化系统按其功能组装成多个屏（柜），例如主变压器保护屏（柜）、线路保护屏、数据采集屏、出口屏等。一般来说，这些屏都集中安装在主控室中，我们把这种结构称为分布集中式结构，其系统结构如图3-3所示。

图3-3　中/小型变电站分层分布式集中组屏结构示意图

图3-3所示的系统采用按功能划分的分布式多CPU系统，每个功能单元基本上由一个CPU组成，也有一个功能单元由多个CPU完成的，例如主变压器保护，有主保护和多种后备保护，因此由两个或两个以上CPU完成不同的保护功能。这种按功能设计的分散模块化结构具有软件相对简单、调试维护方便、组态灵活、系统整体可靠性高等特点。

由图3-3可知，在综合自动化系统的管理上，采取分层（级）管理的模式，即各保护功能单元由保护管理机直接管理。一台保护管理机可以管理多个单元模块。它们之间可以采用总线连接，如RS-485总线、CAN总线等，而交流采样由数采控制机负责管理，开关屏和控制屏分别处理开入、开出的信息。保护管理机和数采控制机以及控制处理机等处于单元层的第二层结构。正常运行时，保护管理机监视各保护单元的工作情况，一旦发现某一保护单元本身工作不正常，立即报告监控机并报告调度中心。如果某一保护单元有保护动作信息，也通过保护管理机将保护动作信息送往监控机，再送往调度中心。调度中心或监控机也可通过保护管理机下达修改保护定值等命令。数采控制机和开关量采集处理机则将数采单元和开关单元采集的数据和开关状态传送给监控机，并送往调度中心，接受由调度或监控机下达的命令。总之，这第二层管理机可明显减轻监控机的负担，协助监控机承担对间隔层的管理。

变电站的监控主机或称上位机，通过局域网络与保护管理机和数采控制机以及控制处理机通信。监控机在无人值班变电站，主要负责与调度中心的通信，使变电站综合自动化系统具有RTU的功能，完成“四遥”的任务；在有人值班的变电站，除了仍然负责与调度中心通信外，还负责人机联系，使综合自动化系统通过监控机完成当地显示、制表打印、开关操作等功能。(www.xing528.com)

（4）大型变电站分层分布式集中组屏结构

用于大型变电站的综合自动化系统则在变电站管理层可能设有通信控制机，专门负责与调度中心通信，并设有工程师机，负责软件开发与管理功能。另外在功能间隔层可能还有各种录波装置等。

（5）新型的综合自动化系统结构

分散分布式与集中式相结合的综合自动化系统结构是目前国内外最为流行、结构最为合理、比较先进的一种综合自动化系统。它是采用面向对象即面向电气一次回路中各数据或电气间隔（如一条出线、一台变压器、一组电容器等）的方法进行设计的，间隔层中各数据采集、监控单元和保护单元在一起，设计在同一机箱中，并将这种机箱就地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近。这样，各间隔单元的设备相互独立，通过光纤或电缆网络由站控机对它们进行管理和交换信息，这是将功能分布和物理分散两者有机结合的结果。通常，能在间隔层内完成的功能一般不依赖通信网络，如保护功能本身不依赖于通信网络，这就是分散式结构。

而完全分散式的综合自动化系统结构是另一种正在发展的新技术。硬件结构为完全分散式的综合自动化系统，是以变压器、断路器、母线等一次主设备为安装单位，将保护、控制、输入/输出、闭锁等单元就地分散安装在主设备的开关柜上，安装在主控制室的主控单元通过现场总线与分散的单元进行通信，主控单元通过网络与监控主机联系。其结构如图3-4所示。

图3-4　完全分散式综合自动化系统结构示意图

这种完全分散式结构的综合自动化系统在实现模式上可分为两种：一种是保护相对独立，测量和控制合二为一；另一种是保护、测量、控制完全合一，实现变电站自动化的高度综合。

目前变电站综合自动化系统的功能和结构都在不断地向前发展，完全分散式的结构一定是今后发展的方向，主要是因为：

①分层分散式的自动化系统有突出的优点。

②新设备、新技术的发展，如电－光传感器和光纤通信技术的发展，使得原来只能集中组屏的高压线路保护装置和主变压器保护装置也可以考虑安装于高压设备附近，并能利用日益发展的光纤技术和局域网技术，将这些分散在开关柜的保护和集成功能模块联系起来，构成一个全分散化的综合自动化系统，为变电站实现高水平、高可靠性和低造价的无人值班创造了更有利的技术条件。

（6）变电站综合自动化系统的要求及功能

根据变电站综合自动化系统的特点，变电站综合自动化系统应满足以下要求：

①变电站综合自动化系统与其他自动化系统间应有接口。变电站内反映系统运行状况的实时信息应能通过变电站综合自动化系统采集并传送到调度自动化系统，调度中心向变电站发遥控、遥调命令和修改各种定值，都要求变电站综合自动化系统与其他自动化系统建立通信。

②变电站综合自动化系统应能采集多种类型的信息。如正常运行和操作时供操作人员了解的一些稳态信息，它反映的是工频量的有效值，采样周期相对较长；继电保护用于事故分析和故障检测需要的暂态信息，它反映的是工频量的波形变化和瞬时值，其中含有负序、零序和高次谐波分量，采样频率和精度高；另外，还有一些温度、瓦斯值、压力、流量等信号。

③变电站综合自动化系统应能简化运行操作。通过变电站综合自动化系统简化控制命令，识别必要条件，从而实现闭锁、连续和顺序等协调操作，减少误操作，加速和简化事故处理，提高运行的安全性和可靠性。

④变电站综合自动化系统应能灵活地改变控制策略。由于一次设备或二次设备的变更，运行方式发生变化，需要改变操作规则和保护配置方案等。

⑤变电站综合自动化系统某些环节的故障对有效控制变电站的影响程度要小。设计控制方案应顾及某个环节失效而自动采取相应对策，允许人工干预。

⑥变电站综合自动化系统应具有先进性。基本功能应能满足现场提出的检测、控制及通信的要求，在确定功能时要结合需要与可能两个方面，在技术容许的条件下力求达到先进水平，充分发挥微机的作用和潜力。

变电站综合自动化系统应具有以下功能：

①微机保护功能包括馈线保护、母线保护、变压器保护、备用电源自投等。这是变电站综合自动化系统首要实现的功能，对于保证变电站正常运行起着重要的作用。

②数据采集包括状态量、模拟量和脉冲量的采集。状态量包括断路器的状态、隔离开关的状态和接地刀闸的状态。模拟量包括各段母线的各相电压，各进线、出线回路的电流值、功率值、频率与相位等电量参数以及变压器的瓦斯值、温度、压力等非电量参数。脉冲量指的是电度量的采集。

③事故记录和故障录波。事故记录包括保护动作的序列记录、开关跳合记录，时间分辨率一般都是毫秒级。当出现电网故障（如接地短路故障）时，能记录故障发生前后一段时间的电流、电压波形，供事故分析。

④远方整定保护定值。对各种微机保护装置，可在当地或者远方设置一组或多组保护定值，并可在当地或者远方显示、切换整定值。

⑤控制和操作。可对断路器和隔离开关的分、合进行操作，对变压器分接头进行调节控制，对电容器组进行切换。

⑥与远方调度中心通信，实现远动装置常规的遥测、遥信、遥控功能，即将采集的模拟量、状态量以及脉冲量实时地传送到调度中心，并接受上级调度中心的控制和调节操作命令。若有事故发生，如发生开关变位事故或数字量越限时，则插入优先发送，及时向调度中心报警。此外，还可将故障录波和其他继电保护信息送往调度中心，同时接受调度中心发来的修改继电保护整定值的修改命令等。

⑦用微机保护装置替代了由分列元件组成的继电保护屏，取消了常规的控制屏、远动屏和中央信号系统。变电站的综合自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站的综合应用。变电站的综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。