变电站自动化技术的发展现状及其在胜利油田企业电网中的应用

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摘 要：本文首先概述了我国变电站自动化技术发展的现状，以此为基础总结分析胜利油田目前胜利油田变电站自动化系统的模式，指出面向对象的分布式设计和采用数据通讯网及不同设备的通讯是油田电网变电站自动化改造今后研究的主要课题。

关键词：变电站自动化；数据通讯；保护

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1812-2485（2011）07-037-03

信息技术是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。信息、物质和能源一起构成了当今世界的三大资源。而信息又具有与其它资源所不同的显著特点，即在使用中不但不会损耗，反而通过交流增值。信息技术推广应用的显著成效，促使世界各国致力于信息化，而信息化的巨大需求又驱使信息技术高速发展。信息产业已成为我国的支柱产业，其规模居世界第二位，在提高我国企业效益，改善产业结构，加快企业技术改造中发挥着越来越重要的作用。在电力行业中信息化建设正在逐步走向成熟，在油田电网中采用计算机技术、网络技术、数据库技术及信息处理技术等，对推动科技进步、创建一流企业不仅必要而且迫切。

变电站自动化技术是当前以至今后变电站发展的重要一环，目前全国每年所新建的各等级变电站基本上都应用了自动化技术。另外对于老式变电站的技术改造，也基本上全部升级为自动化模式。在进行变电站自动化技术的应用过程中，对包括远动、控制、通讯、保护、计量等在内的二次系统的运行管理以及一、二次设备之间的配合提出了更高的要求。因此，变电站自动化技术是对传统电力系统中应用信息技术的一项重大创新，它系统地囊括了电力行业的各相关专业，并且涵盖了从设备生产、设计、施工、检验、运行管理等各相关部门，是现代科学技术和管理技术在电力系统内的成功应用。

近年来，变电站自动化技术在胜利油田电网改造中的应用取得显著效果。为电网安全、可靠、经济运行提供了重要支持。为进一步在新老设备并存的胜利油田电网中逐步推进电网自动化改造，有必要总结经验，使技术方案更加合理、经济、先进。

1 变电站自动化技术的发展现状

变电站自动化是利用先进的应用控制技术、计算机技术、通信技术和信息处理技术等，实现对变电站的功能进行优化设计，采用自动装置进行各种作业来减少或替代人工，对变电站设备的运行情况执行监视、控制、管理和协调的一种自动化系统。

目前我国有不少变电站采用国外引进的或国内自行开发研制的系统和设备进行提高自动化水平的技术改造，从整体上提高了变电站运行可靠性，减少了变电站电缆等其他方面的造价，降低了运行维护成本。

1997年国际大电网会议对变电站自动化系统这个系统工程进行分析，总结了该系统的7个功能组（共63种功能），分别是：

（1）系统功能

（2）控制、监视功能

（3）继电保护功能

（4）关于继电保护的记录预警功能

（5）系统通讯功能

（6）接口功能

（7）测量表计功能

1.1 当前变电站自动化系统的组态模式

变电站自动化系统的组态模式主要因技术发展的水平、设计思路以及变电站现场实际情况的不同而呈现出差异化。一般来说，当前对变电站自动化系统的组态模式的划分原则是：一方面可以从系统设计思路上划分为集中式RTU加常规保护模式、分布式测控装置加微机保护模式和分层分布式结构模式；另一方面也可以按照变电站自动化系统所在物理安装位置的差异将系统划分为集中安装、分层安装和分散安装等多种形式。

1.1.1 集中式：是一种按照功能划分的模式，以RTU加常规保护作为基础实现远动及就地监控。主要是在以往常规保护的基础上加装了RTU装置，系统各功能组件主要采用模块化软件连接的方式来实现功能，集中采集相关信息并进行集中处理运算，用以实现远方调度的遥测、遥信、遥控、遥调等功能。此类系统目前仍有使用，存在的缺点主要表现在系统扩展性、维护性较差方面，属于变电站自动化的早期模式。

1.1.2 分布式：主要为分布式微机测控装置加微机保护模式，保护模块和测控装置之间相对独立，在各功能模块之间主要采用网络技术以实现数据通信功能，在实际应用中往往采用多CPU协同工作方式以提高系统处理并行大数据量事件的能力。通过网络系统内部优先级的分配方式来解决数据传输中的瓶颈问题，可以有效地提高系统的实时性。这种方式因为采用了现场总线和网络技术，相对于上一种模式系统的扩展性和维护性更为便捷，由于各测控装置和保护模块独立运行，因此一旦系统发生局部的故障不至于影响到其他模块的正常运行。目前分布式测控装置加微机保护模式应用较为广泛。

1.1.3 分层（散）分布式：近年来，随着通信技术、网络技术和计算机硬件技术的不断发展，随之出现了面向间隔（对象）的分层分布式结构模式。这种模式以每个间隔为保护对象，按照级别高低自上而下将变电所自动化系统划分为变电所层和间隔层。在每一个间隔中，各种数据量的采集、控制和保护单元分别安装在本间隔内，各个单元的设备之间相互独立，并通过网络进行连接和通信。一般由本间隔层内的各功能模块完成所需功能而不依赖通信网络。目前在110kV以下电压等级的变电站，采用此类结构模式完全可以实现保护、测控装置的一体化；在110kV及以上电压等级的变电站中，采用此类结构模式时保护测控系统大多按照每个间隔分别进行设计。采用这种模式可以大量减少二次设备的数量，减少二次电缆的使用和土建工程量。这种模式由于采用了先进的网络通信技术和面向间隔（对象）的设计方式，较前两种模式来说系统配置更加灵活、扩展也更为方便，既可以分散安装在间隔层开关柜上，也可以在控制室、配电室内分别组屏。是现阶段变电站自动化系统所采用的各种结构中比较先进的一种模式。

1.2 无人值班变电站的发展与变电站自动化系统

无人值班变电站，是指在变电站内不设置固定运行、维护值班人员，运行监测、主要控制操作全部由远方控制端进行，只对站内设备采取定期巡视维护的变电站。近年来，网络技术、数字通信技术、自动化技术、电子计算机技术得到了飞速的发展；另一方面，伴随着国家电力行业的不断发展，电网规模的不断扩大，电网的结构也日趋复杂，对自动化系统的依赖程度越来越高。特别是进入九十年代以来，随着变电站自动化系统在电力行业的大规模应用，为无人值班变电站的推广提供了可靠的技术保证。无人值班变电站的建设可以节约变电站的占地面积，减少常规变电站建设中的配套设备、辅助设施方面的大量投资和高额的运行维护费用，增加企业的经济效益。正是因为具备这些传统有人值班变电站所不具备的优点，无人值班变电站的建设已成为今后的发展趋势。据统计，目前在我国城市无人值班变电站占总量的比例已达到70%以上，而在山东、广东等电力系统发展较快的地区无人值班变电站的比例已经达到85%以上。

2胜利油田当前变电站自动化技术应用情况

在“九五”、“十五”规划期间，胜利油田电力管理总公司以调度自动化和变电站自动化的推广应用为重点，积极推广和应用变电站自动化技术，并将其作为今后技术改进的重点。现在电力调度自动化系统已初步建成，调度通讯用电缆工程的规划建设也以进入系统规划建设阶段。无人值守变电站的逐步实施也在逐步进行。

目前胜利油田变电站自动化系统的几种模式如下：

2.1 对运行时间二十年及以上，设备老化严重的

一次设备的断路器更换为六氟化硫断路器，避雷器更换为氧化锌避雷器，设备的二次保护改为微机保护，并配备微机监控系统。为实现无人值守增加通信设备和信道。

2.2 对投产时间不长的

进行经济型改造，一、二次设备运行安全可靠的变电站仍保留常规保护，只对传统设备进行部分改进，改进或新增RTU部分，并为实现无人值守建设通信通道。主要改造有：

2.2.1 所有断路器、主变分接头实现就地控制和遥控。

2.2.2 各种测量数据、信号通过RTU传送至调度中心。

2.2.3 保护装置的本身状态信号和动作信号都接入RTU，供遥信用。

2.2.4在开关柜上增加当地和远方控制切换开关，替代控制屏。

2.2.5 建立通讯信道。

因这种模式常规保护不具备自检功能，为预防不可预见的设备故障会给整个变电所运行带来严重后果，需定期进行试验和调试。所以此种改造方式只能作为自动化改造进程的过渡。

2.3 对负荷较轻的偏远临时变电站（6kV出线通常不多于四回）

一次设备的断路器更换为户外六氟化硫断路器，避雷器更换为氧化锌避雷器。为实现无人值守使用RTU和微波通信。

3 变电站自动化新技术应用

近几年变电站自动化技术进步迅速，使用的单片机从8位发展到16位、32位；设计从集中式发展到分布式；通信方式从串行通讯发展为现场总线和以太网通信。

如今像南瑞、南自、许继、四方这些国内制造厂商为降低制造成本、提高产品的性能价格比，和科研院所一起进行研究开发。推出了如ISA系列（南瑞）、PS系列（南自）等这些采用以出线间隔为单元，体现面向对象的保护、监控一体化分布式设计。并以其独特的风格占据了我国主流市场。

3.1 双CPU配置

其特点是保护功能模件与监控功能模件均和32位微处理器且具有相同的标准硬件结构，依靠EOROM中的固化软件来完成不同功能。有多个独立的CPU，分别管理保护、控制和通信，这样做可增强CPU的处理能力，避免CPU负担过重，故可靠性并未降低。还可提供双重电源，互为热备用。

以南自的PS6000系列产品为例：PS6000系列纵向分为站级层和间隔层，各单元内保护和监控相互独立，单元之间和层与层之间均采用现场总线（Field Bus），各间隔单元相互独立，仅通过站内网络互联，并同站级层通信。各单元同时具有独立的保护和监控功能模块，使变电站的二次回路布线大为减少、屏柜数量大为减少，并通过在相应的单元装置上加上相应的操作开关和开关位置指示灯，作为开关的后备/应急操作和监视来替代常规的仪表屏、模拟屏、变送器屏和中央信号控制屏的功能。

3.2TCP/IP技术

Internet网的快速发展使TCP/IP协议得到了广泛应用，成为一种事实标准，几乎所有的计算机厂商和数据网络产品都将其作为基本协议。最近兴起的以太网的嵌入式应用，网络直接延伸至单元设备。如果将电网看成一个网络，变电站这个电网的信息源和主要监控点就是网络中的节点。

传统的远动信息传输是采用串行接口（RS－232C或RS－422）加调制解调器（MODEM）方式，速率为0.6－1.2kbit/s。随着电力通信网从电力载波、模拟微波到数字微波、光纤通道的发展，这种在高速（64kbit/s）数字信道上传输低速模拟信号方式，所采用的数字－模拟－数字的二重转换造成技术的不合理，不仅增加设备费用，又造成通道带宽资源的浪费和降低了传输可靠性，可谓事倍功半。

因此，RTU系统上网TCP/IP技术是顺应当今计算机网络技术发展潮流的明智选择。该模式要求变电站自动化系统在网络层和传输层支持TCP/IP协议，在应用层支持远动通信协议IEC60870－5－104或计算机数据通信协议IEC60807－6TASE.2（ICCP）协议，该模式适用于新建站的分布式自动化系统，目前国内外的知名厂商都在积极开展这方面的探索和试制工作，如南自、南瑞、Harris、CAE、ABB等均有支持TCP/IP技术和新一代产品面世。

3.3 开放性设计思想

与其他设备之间的相互连接和可互操作性是如今变电站自动化发展的一大趋势。对于大部分已投运的厂站，可采用在RTU上TCU/IP协议转换器的方式接入调度自动化系统,在基于以太网通信的同时，通过各种规约转换与各种保护或智能设备实现互联。各主站端的前置机系统支持上述网络通信技术和协议，这样原有的通信规约和RTU的结构可保持不变。使各相关主站可以共享厂站的实时信息，从根本上解决了困扰远动领域多年的信息转发和一发多收的问题。

4 结论

4.1 胜利油田电网作为国内最大的企业电网，变电站的自动化水平还相对较低，今后的发展方向将是最终在整个油田电网范围内实现变电站的无人值班。因此，不但需要对原有变电站进行自动化系统改造，同时还需要提升电网无人值班变电站远方监控中心的各项功能和配置。

4.2 当前，在变电站自动化的应用和改造过程中，为实现无人值班的目标，需要从前期可研、设计、施工、运行维护等各个环节统一规划。在变电站一、二次设备的选型、电网调度自动化的建设和通讯信道的规划设计中充分考虑，同时对采用的自动化技术要经过充分论证，如采用有载调压变压器、站用变自动投切、双数据通讯信道等配置,确保系统的兼容性、稳定性、经济性和先进性。

4.3 加强人员培训，特别是需要大力提高电力调度人员和检修人员的专业技能，通过改变现有管理模式，使人员结构更为合理，电网运行管理朝着各专业协调统一和站内无人值班模式发展。以满足下一步无人值班站在运行过程中的通讯、远动、保护等各专业的综合运行、检修需要。

参考文献

1 (德)Klanus-Peter Brand (德)Volker Lohmann (德)Wolfgang Wimmer 景雷, 范忠,苏斌.《变电站自动化》.中国电力出版社.

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