220kV变电站综合自动化系统的改造方案
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摘要：文章针对220kv某变电站的现状和运行中存在的问题，对变电站二次系统的网络结构、硬件配置、直流系统、对时系统等方面进行了改造，改造后的变电站综合自动化系统得到了完善，有利于变电站的安全运行。
关键词：变电站；综合自动化；对时系统；直流系统
中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）33-0141-03
变电站综合自动化系统是在现代科技的基础上发展起来的，综合了变电站内除一次设备和交直流电源以外的全部二次设备。变电站综合自动化系统是对变电站二次设备进行重新组合，优化设计，以实现对全站设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调。
在变电站综自系统出现之前，变电站二次设备的管理十分复杂、设计繁琐、智能化程度低、运行维护人员工作量大。变电站综合自动化的出现，将站内二次设备高度集合、集中管理，大大简化了变电站二次接线，是提高变电站安全稳定运行水平、降低运行维护成本、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技术措施。
一、变电站综合自动化系统概述
变电站综合自动化系统包括两部分：站控层和间隔层。站控层为全所设备监视、测量、控制、管理的中心，也是用户和二次设备进行沟通的平台。间隔层通过通讯介质与间隔层相连。
站控层主要包括操作员站、远动通信设备、GPS对时装置、网络通信设备、智能通信接口设备等设备。
间隔层主要设备包括测控单元、保护装置、通讯接口单元、网络通信设备等。
（一）变电站综合自动化系统的网络结构
分散分层分布式是变电站综合自动化系统的发展方向，选择一个可靠、高效的网络结构，是解决变电站综合自动化系统问题关键。目前，变电站综合自动化系统的网络可分为异步串行网络、现场总线网络、工业以太网。
1．异步串行网络。异步串行网络的工作方式为点对点方式，在小规模的35kV变电站和110kV终端变电站可考虑使用RS422和RC485组成的网络。RS422和RS485网络的缺陷在于接点数目比较少，存在瓶颈问题，且对于变电站的扩容不方便。早期的变电站综自系统采用异步串行网络方式组网。
2．现场总线网络。现场总线网络可适用于变电站规模较大，站内节点数较多的请客。现场总线网采用挂灯笼的方式将所有节点连接在一起，每个节点可方便地从系统中增加或者退出。
相对于早期的异步串行网络，现场总线网络具有抗干扰性强、效率高等优点，但也存在着自身无法克服的弊端：
（1）采用总线方式，带宽有限。有限的带宽传输较大数据时会有延迟，且总线方式的总体性能将随节点数的增长迅速下降，所以总线方式不能满足大型变电站综合自动化系统通信网络的要求。
（2）过于强调专用性，通用性不强，由于缺乏统一的国际标准，网络设备的硬件和软件需专门设计，导致产品更新换代困难，因此，总线方式不能满足变电站综合自动化系统标准化的要求。
（3）总线型拓扑结构存在较大的隐患，网络的任一处故障均可能导致整个系统崩溃，影响到整个变电站综合自动化系统的稳定运行。
3．工业以太网。以太网经过若干年的发展，技术上日臻成熟。随着嵌入式以太网微处理器的发展，以太网已十分便利地应用于变电站综合自动化系统。以太网具有高速、可靠、安全、灵活的特点，使其在变电站综合自动化系统中有广阔的应用前景。
（二）变电站综合自动化系统的发展瞻望
随着现代科技的发展，我国大力推行智能电网，变电站自动化技术又迎来了一次新的发展。变电站内光电电流、电压互感器将逐步取代传统的电磁式互感器。网络结构分成3层，即站控层、间隔层和过程层。变电站建设采用IEC-61850标准，系统结构更趋合理。过程层完成I/O、模拟量采集和控制命令的发送等,并完成与一次设备有关的功能，间隔层利用本间隔数据作用于本间隔的一次设备，更多的间隔层功能下放到过程层；替代模拟传统保护原理的自适应保护将出现；变电站自动化系统将涵盖设备在线监测、顺控、一体化电源等更多的功能。
二、变电站现状
（一）变电站一次系统现状及扩建方案
220kV某变电站目前基本结构为单线路变压器组接线方式。为满足用户“十一五”末“十二五”初期高速发展对负荷增长的需求，同时提高对用户供电的可靠性，需对220kV某变电站进行扩建，将原单线路变压器组接线方式改为单母线分段接线方式，新增一回220kV线路，扩建一台220kV变压器，并增加相应的中低压侧间隔设备。
（二）变电站二次系统现状
220kV某变电站前期已配置一套综合自动化系统，投产于2002年。变电所的控制、信号、测量、远动等功能均由综合自动化系统完成，间隔层设备上传数据至通讯管理机T6，后台及中调、地调均从通讯管理机T6取数据。保护装置通过保护管理机后与通讯管理机T6通讯，其他智能设备也是通过串口与通讯管理机T6通讯。
原有系统的拓扑图如图1所示：
由拓扑图可以看出，由于某变电站投产时间较早，限于当时变电站综合自动化技术的发展，站内的综合自动化系统为异步串行网络，单机单网方式，如果通讯管理机出现故障，整个系统就会陷入瘫痪。
根据现场收资，目前综自系统存在以下问题：
1．后台监控系统版本低，容量不能满足本期扩建新设备接入的要求。
2．前期综自系统采用RS485异步串行网络，网络存在多处瓶颈，且扩展性不强；前期通讯控制器及保护控制器容量不能满足本期扩建新增设备接入的要求。
3．同步时钟系统采用传统秒脉冲方式对时，不能满足新增设备IRIG-B码对时要求。
4．前期直流系统为一电一充，单母线接线，分为控制母线和合闸母线，共有馈线开关25回。直流系统不满足规范要求的两电两充要求，同时馈线开关数量不能满足扩建后二次系统要求。
5．五防监控主机运行时间已达十年，老化严重，主机已不能正常工作。
6．远动设备运行时间已达十年，老化严重，运行风险高。
7．二次系统没有配置防雷系统，运行风险高。
8．变电站内无火灾报警系统，存在安全隐患。
9．前期未配置保护信息管理子站系统、故障录波装置等设备，故障信息无法上传调度。
根据目前变电站的运行中反映出来的诸多问题，结合本期扩建工程的要求，我们考虑对综自系统进行改造。
1．综合自动化系统改造。将站控层升级为双网结构，采用以太网组网方式，配置两台操作员工作站、两台远动装置，改造后系统的拓扑图如图2所示：
通过对网络结构的改造，变电站综合自动化系统的网络构架由原来的异步串行网络串口通讯改为以太网通讯方式的开放的网络通讯方式。站控层设备和间隔层设备之间通过网络交互数据。网络中任一个设备出现问题，只需要退出对应设备即可，不会对其他设备的造成影响，更不会影响整个综合自动化系统的运行。远动主机改造为双主机运行方式，可满足安全稳定的向调度端传送数据的需求。
同时，改造后的变电站综自系统采用工业以太网，网络拓扑结构采用交换型。站控层监控网络按双网配置，可满足工程远期要求。网络具有足够的抗电磁干扰能力，对网络的工作状态能自动选择、协调、以及自动监测。间隔层采用双以太网连接方式，本期新增间隔层设备采用以太网直接与站控层设备通讯。考虑到前期的保护装置、测控装置、以及无法直接与以太网联接的其他智能设备如直流系统、火灾报警系统等，同时配置两台通讯管理机，前期及部分智能二次设备可通过本期通讯管理机与站控层设备交互信息。以后对前期的保护及测控装置改造升级后，可直接采用以太网方式与综自系统联接。
2．直流系统改造。直流系统应具有自动恢复、交流电源自动切换、过流过压保护、定期恒流补充充电、绝缘在线监测等功能。
220kV某变电站目前运行的直流系统为单充电单蓄电池方式，直流系统的主接线为单母线接线方式，全站二次设备均由这一段直流母线供电。若直流系统发生故障，将影响到整个变电站的二次设备的工作，对变电站的安全运行带来极大隐患。
根据新的规范要求，本期新增一电一充，完善直流系统为两电两充。并增加分段开关，改为单母线分段方式接线。
本期新增或改建的双重化保护设备分别接入两段直流母线，单套配置的保护控制设备则接入本期新增的二段直流母线。
改造后的直流系统具备两段母线，双套配置的保护装置分别从两段直流母线取电，任一段直流母线发生故障时，仍可以保证有一套保护正常带电运行。提高了整个系统的安全稳定性，为变电站可靠供电提供保障。
3．其他改造内容。根据220kV某变电站运行的情况，本期还考虑对五防系统、对时系统、火灾报警系统、二次防雷系统等进行建设或改造。
4．改造工作的实施。由于220kV某变电站为运行变电站，担负着向用户日常生产生活供电的任务，不可能将整个变电站长时间停下来，等全部工作改好了再送电，需制定细致可行的措施，保证将停电时间压缩至最短，降低停电给用户造成的损失。施工方案
如下：
（1）根据本期要求对新上站控层设备进行系统组网配置：包括本期新增设备和原有设备。
（2）接入并调试完成本期新增设备，在原来系统退出之前保持两个后台系统并联运行。
（3）停电时将原有设备逐步改接至新的系统，待所有设备均转至新的系统后，退出原后台系统。
选择合适的施工方案对变电站扩建工程至关重要，因为改扩建的对象一般都是正处于运行状态的变电站，停电时间过长，将极大影响到变电站辐射范围内的用户的生产生活。因此，如何缩短停电时间，采用最优的施工停电方案也是衡量变电站改扩建工程重要指标。
三、结语
通过对220kV某变电站综合自动化系统及其他辅助系统的改造，极大的改善了变电站综自系统的网络构架，提高了系统运行的安全可靠性，减少了日后大量的维护工作，为用户节省了人力、物力，具有较高的经济效益。
随着国内90年代末期以来投产的变电站综合自动化系统工作时间超过十年，变电站扩容，元器件老化等因素引起越来越多的变电站综自系统需进行升级改造。本文提出了一种将异步串行网络结构的变电站综自系统改为以太网结构的变电站综自系统的方案，解决了网络瓶颈，系统容量不够，软硬件老化等一系列问题，并为将来系统进一步改扩建打下了基础，对变电站的综自系统改造具有实际指导作用。
参考文献
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