引言：
變電站自動化系統(tǒng)是利用多臺微型計算機和大規(guī)模集成電路組成的自動化系統(tǒng)，代替常規(guī)的測量和監(jiān)視儀表、控制屏、中央信號系統(tǒng)和遠動屏，用微機保護代替常規(guī)的繼電保護，改變常規(guī)的繼電保護裝置不能與外界通信的缺陷。
隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，整個系統(tǒng)的運行方式也越來越復雜，電力系統(tǒng)對自動化的要求也越來越高，因此促進了電力系統(tǒng)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的繼電保護裝置很難實現(xiàn)對機電保護裝置各方面特性的全面測試，難以滿足系統(tǒng)的要求，已不能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要。為了避免重復投資，實現(xiàn)信息資源的共享，應(yīng)對電力系統(tǒng)進行規(guī)范和綜合考慮。
1 變電站自動化系統(tǒng)的構(gòu)成
變電站自動化系統(tǒng)是利用多臺微型計算機和大規(guī)模集成電路組成的自動化系統(tǒng)，代替常規(guī)的測量和監(jiān)視儀表、控制屏、中央信號系統(tǒng)和遠動屏，用微機保護代替常規(guī)的繼電保護，改變常規(guī)的繼電保護裝置不能與外界通信的缺陷。因此，變電站自動化系統(tǒng)是自動化技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)在變電站的綜合應(yīng)用。變電站綜合自動化系統(tǒng)可以采集到比較齊全的數(shù)據(jù)和信息，利用計算機的高速計算能力和邏輯判斷能力，可方便地監(jiān)控變電站內(nèi)各種設(shè)備的運行和操作。
變電站自動化系統(tǒng)多采用由多臺微機組成的分層分布式控制系統(tǒng)。分層分布式控制系統(tǒng)在邏輯上可分為三個層次：變電站層、間隔層或單元層、過程層或設(shè)備層。
a. 第一層為變電站層，它通過間隔層得到實時數(shù)據(jù)，承擔著本站內(nèi)操作員與遠方監(jiān)視和維護工程師站的人機接口、監(jiān)視、管理、控制等變電站主控室功能，并負責與遠方調(diào)度中心通信。
b. 第二層為間隔層或單元層，負責對下層就地裝置和智能電子設(shè)備進行通信管理、控制，同時也承擔著通信規(guī)約解釋、轉(zhuǎn)換工作。
C. 第三層為過程層或設(shè)備屋，是模擬量、開關(guān)量和脈沖量數(shù)據(jù)采集、保護和控制操作出口。
因此在變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部，必須通過內(nèi)部數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)各層間和各層子系統(tǒng)間的信息交換和信息共享，以減少變電站二次設(shè)備的重復配置并簡化各子系統(tǒng)的互連，既減少了重復投資，又提高了系統(tǒng)的整體安全性和可靠性
2 變電站自動化系統(tǒng)的通信
變電站綜合自動化系統(tǒng)包括微機監(jiān)控、微機保護、電能質(zhì)量控制等多個子系統(tǒng)。在各子系統(tǒng)中，往往又由多個智能環(huán)節(jié)組成。例如：微機保護子系統(tǒng)由變壓器保護、電容器保護和各種線路保護等組成。因此在綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)部，必須通過內(nèi)部數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)各子系統(tǒng)內(nèi)部和各子系統(tǒng)問的信息交換和信息共享，這是常規(guī)的變電站二次設(shè)備所不能實現(xiàn)的。變電站是電力系統(tǒng)中電能傳輸、交換、分配的重要環(huán)節(jié)，它集中了變壓器、開關(guān)、無功補償?shù)劝嘿F設(shè)備。因此，對變電站綜合自動化系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力、工作靈活性和可擴展性要求很高，尤其是在無人值班的變電站中，不僅要求綜合自動化系統(tǒng)中所采集的測量信息，各斷路器、隔離開關(guān)的狀態(tài)信息和繼電保護動作信息等能傳送給地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度中心，而且也要能接收和執(zhí)行調(diào)度中心下達的各種操作和調(diào)控命令。因此，變電站綜合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，包括兩方面的內(nèi)容：一是系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的信息交換;二是變電站與調(diào)度中心間的通信。
2.1 變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)通信
在具有變電站層一單元層一設(shè)備層的分層分布式自動化系統(tǒng)中，需要傳輸?shù)男畔⒂腥缦聨追N。
2.1.1 問隔層與設(shè)備層間的通信
間隔層的設(shè)備有控制測量單元或繼電保護單元，或兩者都有。設(shè)備層的高壓斷路器可能有智能傳感器和執(zhí)行器，可以自由地與間隔層交換信息。間隔層的設(shè)備大多數(shù)需要從設(shè)備層的電壓和電流互感器采集正常和事故情況下的電壓值和電流值，采集設(shè)備的狀態(tài)信息和故障診斷信息，這些信息包括：斷路器和隔離開關(guān)位置，主變壓器分接頭位置，變壓器、互感器、避雷器的診斷信息以及斷路器操作信息。
2.1.2 間隔層內(nèi)部的通信
間隔層內(nèi)部的通信是在一個間隔層內(nèi)部相關(guān)的功能模塊間，即繼電保護和控制、監(jiān)視、測量之間的數(shù)據(jù)交換。這類信息有測量數(shù)據(jù)、斷路器狀態(tài)、器件的運行狀態(tài)、同步采樣信息等。
2.1.3 間隔層之間的通信
不同間隔層之間的數(shù)據(jù)交換有主、后備繼電保護工作狀態(tài)、互鎖，相關(guān)保護動作閉鎖，無功補償綜合控制等信息。
2.1.4 間隔層和變電站層的通信
間隔層和變電站層的通信內(nèi)容很豐富，概括起來有以下3類：
a. 測量及狀態(tài)信息。正常和事故情況下的測量值和計算值，斷路器、隔離開關(guān)、主變壓器分接開關(guān)位置，各間隔層運行狀態(tài)、保護動作信息等。
b. 操作信息。斷路器和隔離開關(guān)的分、合命令，主變壓器分接頭位置的調(diào)節(jié)， 自動裝置的投入與退出等。
c. 參數(shù)信息。微機保護和自動裝置的整定值等。
2.1.5 變電站層的內(nèi)部通信
變電站層的不同設(shè)備之間的通信.要根據(jù)各設(shè)備的任務(wù)和功能的特點，傳輸所需的測量信息、狀態(tài)信息和操作命令等。
2.2 變電站與調(diào)度中心的通信
變電站綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)具有與電力系統(tǒng)調(diào)度中心通信的功能，不另設(shè)獨立的遠動裝置，而由通信控制器執(zhí)行遠動功能，
把變電站所需測量的模擬量、電能量、狀態(tài)信息和SOE (事件順序記錄)等信息傳送至調(diào)度中心。變電站不僅要向調(diào)度中心發(fā)送測量和監(jiān)視信息，而且要從上級調(diào)度中心接收數(shù)據(jù)和控制命令，例如接收調(diào)度中心下達的開關(guān)操作命令、在線修改保護整定值、調(diào)整實時運行參數(shù)。變電站與調(diào)度中心的通信有助于調(diào)度員從全系統(tǒng)范圍考慮電能質(zhì)量、潮流和穩(wěn)定性控制等，這將給電力系統(tǒng)帶來很大效益。
3 變電站自動化系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)的要求
由于變電站的特殊環(huán)境和綜合自動化系統(tǒng)的要求.變電站通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備以下要求。
3.1 快速的實時響應(yīng)能力
變電站綜合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)要及時地傳輸現(xiàn)場的實時運行信息和操作控制信息。在電力工業(yè)標準中對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送都有嚴格的實時性指標，網(wǎng)絡(luò)必須保證數(shù)據(jù)通信的實時性。
3.2 高可靠性
電力系統(tǒng)是連續(xù)運行的，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)也必須連續(xù)運行，通信網(wǎng)絡(luò)的故障和非正常工作會影響整個變電站綜合自動化系統(tǒng)的運行。設(shè)計不合理的系統(tǒng)，嚴重時甚至會造成設(shè)備和人身事故、造成巨大的經(jīng)濟損失.因此變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)必須保證高可靠性。
3.3 良好的電磁兼容·陡能
變電站是一個具有強電磁干擾的環(huán)境，存在電源、雷擊、跳閘等強電磁干擾，通信環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)必須注意采取相應(yīng)的措施消除這些干擾的影響。
3.4 分層式結(jié)構(gòu)
這是由整個系統(tǒng)的分層分布式結(jié)構(gòu)決定的，也只有實現(xiàn)通信系統(tǒng)的分層，才能實現(xiàn)整個變電站綜合自動化系統(tǒng)的分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的各層次又具有特殊的應(yīng)用條件和性能要求，因此每一層都要有合適的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
4 不同級別變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是構(gòu)成變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的標準化是使變電站自動化邁向標準化的難點之一，受性能、價格、硬件、軟件、用戶策略等諸多因素的影響，目前在選擇“接口網(wǎng)絡(luò)”上很難達成一致。網(wǎng)絡(luò)特性主要由拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸媒介、媒介存取方式來決定。網(wǎng)絡(luò)的選擇應(yīng)符合國際國內(nèi)的有關(guān)標準;應(yīng)選擇當前的主流產(chǎn)品，應(yīng)得到實力雄厚的軟硬件商的支持：
產(chǎn)品應(yīng)滿足變電站運行要求;具有較高的性能價格比。
4.1 35 kV及以下變電站通信網(wǎng)絡(luò)
在小規(guī)模的35 kV變電站和l0 kV終端變電站，可考慮使用RS422或RS485組成的網(wǎng)絡(luò);當變電站規(guī)模較大時應(yīng)考慮選擇現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。RS422和RS485串VI傳輸速率，在1 000m 內(nèi)可達100 kbps，短距離傳輸速率可達10 Mbps。RS422串口為全雙工，RS485串口為半雙工，媒介訪問方式為主從問答式，屬總線結(jié)構(gòu)。這兩種網(wǎng)絡(luò)的不足在于接點數(shù)量比較少，無法實現(xiàn)多主冗余，有瓶頸問題。RS422的工作方式為點對點，上位機一個通信口最多只能接10個節(jié)點：RS485串15構(gòu)成一主多從，只能接32個節(jié)點;此外還有信號反射、中間節(jié)點問題。而LonWorks網(wǎng)上的所有節(jié)點是平等的，CAN網(wǎng)絡(luò)可以方便地構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)，不存在瓶頸問題，這兩種網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)比RS485擴大多倍，CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)理論上不受限制，一般可連接110個節(jié)點。
4.2 1 10 kV變電站通信網(wǎng)絡(luò)
中型1l0 kV樞紐變電站節(jié)點數(shù)一般為40個左右，多主冗余要求和節(jié)點數(shù)量增加使RS422和RS485難以勝任?，F(xiàn)場總線卻能得心應(yīng)手，現(xiàn)場總線將網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點連接在一起，可以方便地增減節(jié)點;具有點對點、一點對多點和全網(wǎng)廣播傳送數(shù)據(jù)的功能;常用的有LonWorks網(wǎng)、CAN網(wǎng)，這兩種網(wǎng)絡(luò)均為中速網(wǎng)絡(luò)，500 m時LonWorks網(wǎng)傳輸速率可達1 Mbps，CAN網(wǎng)在小于40 m時達1 Mbps，CAN網(wǎng)在節(jié)點出錯時可自動切除與總線的聯(lián)系。據(jù)近年國內(nèi)數(shù)百個站的經(jīng)驗。LonWorks網(wǎng)可作為目前一般中型110 kV樞紐變電站自動化通信網(wǎng)絡(luò)。
4.3 220 kV及以上變電站通信網(wǎng)絡(luò)
220～500 kV變電站節(jié)點數(shù)量多，站內(nèi)分布成百上千個控制器，數(shù)據(jù)信息流大，電力系統(tǒng)操作對速率指標要求高CONTROL ENGINEERING
China版權(quán)所有，例如在速率上，要求達到130 kbps。因此高電壓等級變電站對通信網(wǎng)絡(luò)的選擇要求也較高。隨著自動化行業(yè)標準《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》(IEC 61850)的提出， 國內(nèi)各主要廠家都已經(jīng)在工程中實施。目前大多是從110kV開始試點。然后向高電壓等級站推進，預計三年左右的時間IEC 61850將全面運用到220 kV及以上電壓等級的變電站。在110 kV及以下電壓等級的變電站， 因為這類站設(shè)備大多由同～
廠家提供，互連互通要求緊迫性稍弱.加上設(shè)備成本的考慮，發(fā)展會稍緩，預計3—5年后才會有應(yīng)用。
隨著上層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及IEC 61850標準的提出.目前對于高電壓等級變電站底層通信網(wǎng)絡(luò)的要求也逐漸提高。各大公司已經(jīng)提出了針對滿足IEC 61850標準的底層測控裝置設(shè)備的設(shè)計標準。而由于IEC 61850標準中嵌入式以太網(wǎng)通信技術(shù)的高速特性，數(shù)字化變電站要求底層通信裝置具有高速、可靠和實時等特性。具有以上特性的現(xiàn)場總線系統(tǒng)滿足底層通信網(wǎng)絡(luò)的需求。
5 工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于數(shù)字化變電站系統(tǒng)
5.1 工業(yè)以太網(wǎng)概述
根據(jù)IEC/SC65C (國際電工委員會SC65C工作組)的定義，工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動化環(huán)境.符合IEEE 802.3 (電氣與電子工程師協(xié)會以太網(wǎng)協(xié)議標準)，按照IEEE 802.1D(介質(zhì)訪問控制網(wǎng)橋規(guī)范)和IEEE 802.1Q (局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋規(guī)范)，對其沒有進行任何實時擴展的以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型是參考ISO/OSI RM (國際標準化組織/開放系統(tǒng)互連參考模型)制定的，結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)以太網(wǎng)基本相同。但由于傳統(tǒng)以太網(wǎng)不是為工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計的.因此在信息傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、確定性方面不能滿足現(xiàn)場要求控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，需要加以改進。另外CONTROL
ENGINEERING China版權(quán)所有，工業(yè)以太網(wǎng)在設(shè)備互操作性、網(wǎng)絡(luò)生存性、總線供電、本質(zhì)安全等方面r^ ]的研究也處于初期階段，需要不斷修改和完善?
傳統(tǒng)以太網(wǎng)的CSMA/CD 載波偵聽多路訪問/沖突檢測)機制帶來了傳輸延遲的不確定性，不能滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的實時性要求。因此，國內(nèi)外許多學者提出了各種改進方法來提高以太網(wǎng)的通信實時性，以使其能夠應(yīng)用到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。這些方法可分為兩類，一類是硬件實時改進方法，另一類是軟件實時改進方法。硬件實時方法是指通過設(shè)計適當?shù)挠布娐?限制節(jié)點訪問網(wǎng)絡(luò)的時問和速率，
以減少網(wǎng)絡(luò)沖突和排隊延遲，實現(xiàn)實時通信。但與目前廣泛使用的以太網(wǎng)標準相比，這種方法大大提高了節(jié)點的硬件成本，不利于大面積推廣應(yīng)用。軟件實時改進方法，是指在不增加節(jié)點硬件成本的同時，用軟件調(diào)度策略對CSMA/CD機制和BEB （二進制指數(shù)退避)算法進行改進，以提高以太網(wǎng)的通信實時性。
5.2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)字化變電站系統(tǒng)概述
IEC 61850是新一代變電站網(wǎng)絡(luò)通信標準體系，適用于分層的lED (智能電子設(shè)備)和變電站自動化系統(tǒng)。該標準制定了滿足實時信息傳輸要求的服務(wù)模型。它采用了抽象通信服務(wù)接口、特定通信服務(wù)映射等技術(shù)。此外，還采用了面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、面向設(shè)備建模和自我描述、配置語言和工具、定義和傳輸元數(shù)據(jù)、擴充數(shù)據(jù)和設(shè)備管理功能等。該標準還包括變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)總體要求、系統(tǒng)和工程管理、一致性測試等。
數(shù)字化變電站以新型互感器代替了常規(guī)繼電保護、測控等裝置的I/O部分;以交換式以太網(wǎng)和光纜組成的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)代替了以往的二次回路及其線纜;基于微電子技術(shù)的IED設(shè)備實現(xiàn)了信息的集成化應(yīng)用，以功能、信息的冗余代替了常規(guī)變電站裝置的冗余，
系統(tǒng)可實現(xiàn)分層分布設(shè)計;一次設(shè)備智能化技術(shù)的實現(xiàn)使得控制回路實現(xiàn)了數(shù)字化應(yīng)用，常規(guī)變電站部分功能可以直接在底層實現(xiàn)，整個變電站可以實現(xiàn)小型化、緊湊化的設(shè)計與布置。
數(shù)字化變電站采用低功耗、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。變電站內(nèi)設(shè)備之間通過高速網(wǎng)絡(luò)進行信息交互，二次設(shè)備不再出現(xiàn)功能重復的I/O接12I，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊。即通過采用標準以太網(wǎng)技術(shù)真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)及資源共享。網(wǎng)絡(luò)化的信息流如圖2所示，具體包括：
a. 過程層與間隔層之間的信息交換，即過程層的各種智能傳感器和執(zhí)行器可以自由地與間隔層的裝置交換信息;
b. 間隔層內(nèi)部的信息交換;
c. 間隔層之間的通信：
d. 間隔層與變電站層的通信：
e. 變電站層不同設(shè)備之間的通信。
信息交互網(wǎng)絡(luò)化的主要優(yōu)點表現(xiàn)在：①
能根據(jù)實際需要靈活選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，易于利用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)可靠性。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變不會影響變電站功能的實現(xiàn)。② 當過程層采用基于IEC 61850—9-2(《變電站通訊網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)第9—2部分：特定通訊服務(wù)映射一通過ISO/IEC 8802—3上的采樣值》)的過程總線時，
傳感器的采樣數(shù)據(jù)可利用多播(multicasting)技術(shù)同時發(fā)送至測控、保護、故障錄波及相角測量等單元，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。③ 利用網(wǎng)絡(luò)代替導線可大大減少變電站內(nèi)二次回路的連接線纜數(shù)量.從而提高系統(tǒng)的可靠性。
5.3 目前存在的問題
5.3.1 各層之間及層內(nèi)的通信系統(tǒng)不統(tǒng)一
由于各種原因。數(shù)字化變電站的各層之間及同層內(nèi)的通信系統(tǒng)不統(tǒng)一，造成多種通信系統(tǒng)混用的情況。這樣的系統(tǒng)不易維護且易發(fā)生通信故障。
5.3.2 工業(yè)以太網(wǎng)通信標準眾多且互不兼容
目前基于工業(yè)以太網(wǎng)的國際通信標準有十幾種之多，且相互不能兼容。因此如何選取合適的通信標準是一個重要問題。在數(shù)字化變電站自動化領(lǐng)域，采用統(tǒng)一的IEC
61850標準的呼聲很高，這對于變電站通信系統(tǒng)的發(fā)展是十分有利的。
5.3.3 IEC 61850標準有待完善
IEC 61850標準自誕生之日起就存在多個不同的版本，不同廠家基于IEC 61850標準的產(chǎn)品也不能100% 兼容。同時，IEC 61850自身也在不斷完善，不斷有新的版本推出。因此，盡快完善IEC 61850標準并使各廠家在統(tǒng)一的標準下開發(fā)相關(guān)設(shè)備是十分必要的。
5.4 應(yīng)用實例
某大型商業(yè)廣場智能化變配電綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括兩個大區(qū)，3個變配電室，每個變配電室包括l0 kV中壓系統(tǒng)和380V低壓系統(tǒng)。此系統(tǒng)兩區(qū)共有變壓器16臺，數(shù)據(jù)采集模塊200余個.低壓配電回路800多路。
低壓監(jiān)控回路部分每個回路完全獨立，出線回路采用4回路或6回路帶計量模塊，完全實現(xiàn)了電能的集中管理功能。
監(jiān)控中心分別設(shè)置在兩個配電室，通過工業(yè)以太網(wǎng)連接現(xiàn)場各類設(shè)備。該系統(tǒng)支持基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的多種通信協(xié)議。是一個擴展性強的穩(wěn)定系統(tǒng)。
6 總結(jié)與展望
變電站自動化系統(tǒng)經(jīng)過多年的變遷。逐漸在向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化方向發(fā)展。數(shù)字化變電站采用新型電流和電壓互感器，采用智能斷路器等技術(shù)，利用高速以太網(wǎng)構(gòu)成變電站數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，并實現(xiàn)基于IEC
61850標準的統(tǒng)一信息建模。因此。數(shù)字化變電站在常規(guī)變電站自動化技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了巨大的跨越。
IEC 61850標準是世界唯一的變電站網(wǎng)絡(luò)通信標準，也將成為電力系統(tǒng)中從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動化無縫自動化標準，該標準的發(fā)展方向是實現(xiàn)“即插即用”，而在工業(yè)控制上則是為了最終實現(xiàn)“一個世界、一種技術(shù)、一個標準”。
（轉(zhuǎn)載）
