摘 要：通过调研和工程设计的实践，阐述了变电站自动化系统的原理、特点，提出了当今城网和农网建设改造中无人值守变电站自动化系统的设计思路，指出了利用计算机网络技术组建的变电站自动化通信系统是建设高度可靠、有效可控的现代化变电站的发展趋势。
关键词：变电站自动化系统 无人值守 串行通信 现场总线 计算机网络
城市电网和农村电网建设改造项目已全面铺开，在现代电力系统的各种技术发展十分迅速的情况下，建设高度可靠、有效可控的现代化无人职守变电站已势在必行。无人职守变电站的测量、控制及电量采集均应由自动化系统来完成，应能方便地在远方完成对变电站的自动监控。满足这一要求的无人值班变电站的保护和监控系统的设计模式分为常规自动化系统和变电站自动化系统。
(1) 常规自动化系统：用常规的保护配合传统的监控设备，原有变电站的二次设备和RTU部分不需全部更换，只需部分改进，所需投资也较低，故特别适用于老旧变电站改造。
(2) 变电站自动化系统：必须用微机保护与监控系统配合，技术含量高，投资也较大，原有变电站的二次系统和RTU部分需全部更换，重新设计，因此适用于投资相对较大的新建变电站。
1 常规自动化系统
常规自动化系统是指采用常规远动方式，充分利用原有二次设备实现无人值守的模式。这种系统中保护系统和远动系统相对独立，结构简单，便于运行和维护，节省资金；主要适用于城农网改造中老旧变电站的无人值守改造。
常规的有人职守变电站改造为无人值守变电站，需对其二次系统在设计上作改进：
(1) 取消中央信号系统。
(2) 取消控制屏，开关柜和保护屏上只保留控制开关及红绿灯，并增加当地、远方切换开关。
(3) 取消当地测量仪表。
(4) 取消光字牌，把各种预告、事故信号通过RTU上传，送往调度中心。
(5) 保护装置的动作信号和本身状态信号通过无源触点接入RTU，以供遥信用。
(6) 所有断路器、主变压器分接头均可在就地和遥控两种状态下进行控制。
(7) 新设远动设备，包括RTU屏、遥控执行屏、遥测变送器屏、遥信转接屏等。
目前改造项目应用的常规型自动化系统，实际上主要是实现微机管理，是一种局部综合自动化系统的模式，这种变电站自动化系统有一个致命的缺点就是系统不具备自诊断能力，对二次系统本身的故障无法检测。为了预防这种故障需要频繁地对变电站二次设备进行定期试验和调试，而一旦出现不可预见的设备故障，便会给变电站甚至整个电网的安全运行带来严重后果。经济型自动化系统不利于变电站的安全运行和高新技术的推广运用，所以常规型自动化系统不适用于新建无人职守变电站。
2 变电站自动化系统
变电站自动化系统集变电站保护、测量、监视和远方控制于一体，替代了常规的变电站保护、仪表、中央信号、远动装置(RTU)等二次设备；通过变电站各种设备间相互交换信息、数据共享，实现对变电站运行的自动监视、管理、协调和控制，提高了变电站保护和控制性能，从而改善和提高了电网的控制水平；使变电站设计合理、布局紧凑、运行安全可靠。更为重要的是变电站综合自动化的发展，为电网综合自动化的发展和深入提供了广阔的天地。
目前，国内外变电站自动化系统设计上大体可分为以下3种结构形式：
(1) 集中式结构：集中式结构是将设备按其功能归类划分，形成若干个独立系统，各系统分别采用集中装置来完成自身的功能。集中式结构一般由1个或2个CPU实现对整个变电站的保护、监视、测量、远动的集中控制。集中式控制系统的优点是构成较简单、主机控制系统集中、便于分配调度各种实时任务、响应速度快、节省投资；缺点是主机系统负荷繁重、主机单CPU可靠性不高。为了提高可靠性，一般采用双系统互为备用。
该系统可采用前置主机和后台辅机相结合的配置方式。前置主机完成模拟量和开关量以及脉冲量的采样输入、变电站各种一次设备的保护功能、开关量输出控制(断路器跳合闸操作)与信号输出、向从机传送数据等功能。从机主要完成负荷显示、打印输出、远动通信和主机间的数据串行通信等功能。前置主机可采用STD总线工业控制机，后台辅机以管理为主，可采用PC机。为了提高系统可靠性，可采用双系统互为备用方案，2套STD系统通过管理器来协调运行。管理器采用可编程序控制器(PC机)，系统正常运行时，一套系统与PC机通信，PC机监视其运行是否正常，一旦发现异常立即由控制回路启动另一套系统，使之投入运行，同时退出故障系统。
(2) 分散式结构：这种结构方式一般是按一次回路进行设计。首先将设备按一次安装单位划分成若干单元，将控制单元、微机保护单元、数据采集单元安装在户外高压断路器附近或户内开关柜内。然后将各分布单元用网络电缆互联，构成一个完整的分散式综合自动化系统。其优点：各个功能单元上既有通信联系，又能相对独立，便于系统扩展，便于维护管理，当某一环节发生故障时，不至于相互影响；此外，它的抗电磁干扰能力强、可靠性高，在二次系统设计上能最大限度地减少二次设备的占地面积并节省大量电缆及接线。
(3) 集中与分散结合式结构：这种结构方式介于集中式与分散式两种结构之间，形式较多。目前国内应用较多的是分散式结构集中式组屏。这种结构方式具有分散式结构的全部优点，由于采用了集中式组屏，有利于系统的设计、安装与维护管理。因为中低压变电站的一次设备比较集中，宜采用此种结构方式。
3 变电站内通信网络
构建一个快速、稳定、可靠和富有弹性的站内通信网络是变电站自动化系统的基本要求，也是整个电力系统运行管理自动化的根本前提。国际大电网会议(CIGRE)WG34.03工作组根据变电站自动化领域的发展状况和信息技术的发展趋势，在《变电站内数据流通信要求》的报告中将变电站自动化系统完成的63种功能分为7组：远动功能；自动控制功能；测量表计功能；继电保护功能；与继电保护有关的功能；接口功能；系统功能。
在早期的变电站自动化系统中，由于受当时技术条件的限制，广泛采用简单串行通信技术来实现通信网络。由于简单串行通信技术通信速率低、性能低下，而用户对变电站自动化系统的功能要求不断提高，简单串行通信技术很快便被现场总线技术所取代。
基于网络技术的现场总线无论在通信速率和实时性，还是在可靠性和组网的灵活性上均远高于简单的串行通信技术，因此在很短时间内便成为变电站自动化系统的主流通信技术，同时也使变电站自动化系统的整体结构发生了本质的变化。
现场总线是专为小数据量工业控制领域的通信设计的廉价网络，当作为变电站自动化的主干网时，总体性能随节点数的增长迅速下降。由于强调专用性而牺牲了通用性，长期缺乏统一的国际标准。在通信节点多，通信数据量大的变电站中，现场总线存在以下局限性：
(1) 当变电站通信节点超过一定数量后，响应速率下降到不能接受的水平，不能适应大型变电站对通信的要求；
(2) 有限的带宽使录波等大量数据的传输延迟大到不能令人满意的程度；
(3) 总线型拓扑结构在网络的任一点故障时均可能导致整个系统崩溃。
现场总线技术的成功和不足让我们认识到，变电站自动化通信系统需要计算机网络技术，更需要带宽、通用性和符合国际标准的网络技术。在带宽、可扩展性、可靠性、经济性、通用性等方面的综合评估中，计算机网络技术必将成为变电站自动化系统中通信技术发展的趋势。
4 结束语
综上所述，本文对变电站自动化系统的设计思路进行了论述，指出了从设计思路上现代化无人职守变电站采用变电站自动化系统的优越性；分层分布式综合自动化系统有利于系统扩展的方便性和灵活性；新建无人职守变电站通信系统中现场总线技术适合于城市电网和农村电网中新建的小型变电站；计算机网络技术是应推广的一种通信系统发展模式，特别适合于通信数据量大的变电站建设项目。
