西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第6页 LonWOrkS、CAN等现场总线转变为高速以太网。 3.保护监控及信息共享从逻辑上和物理上进行结合。 4.系统逐步走向不配备专门“五防”系统，而是结合综合防误操作功能，利用保护 测控设备的逻辑判断灵活实现网络级的防误闭锁。 5.系统设计遵循EC61850等开放式国际标准，设计尽可能简单可靠，扩展性强，满 足未来变电站规模与功能扩充需要。 6.系统由标准化软硬件构成，配备标准串口及就地/O口，使得系统兼容性好。 2.2常规变电站自动化系统结构分析 2.2.1集中式变电站自动化系统结构 集中式变电站自动化系统结构在变电站控制室设置监控主机，并单独设置数据采 集及控制模块采集数据并发出控制命令。这种结构的自动化系统易受计算机硬件水平 限制，在早期自动化系统和老旧变电站改造中得到较多的应用。如图2-1所示，为一 个集中式变电站自动化系统典型框图： 显示器 键盘 打印机 监控主机 鼠标 保护 调度中心 数据采集及控制 微机保护 Modem 管理单元 部件 交直流采样 开关微采集 电能表脉冲采集 开关控输出 图2-1集中式变电站自动化系统典型框图 集中式变电站自动化系统的主要优点四： 1)实时采集变电站模拟量、开关量，完成变电站数据采集和实时监控； 2)结构紧凑、体积小，占地面积少，造价低： 集中式变电站自动化系统存在的问题： 1)监控主机任务重、引线多，形成了信息“瓶颈”，系统对监控主机性能要求高，在 监控主机故障时，将失去当地及远方所有信息及功能： 2) 软件复杂，组态不灵活，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，调试复杂； 3)集中式保护不直观，调试和维护不方便，只适合保护算法较简单的情况：
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第6页 illli'"li i IIiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii LonWOrkS、CAN等现场总线转变为高速以太网。 3．保护监控及信息共享从逻辑上和物理上进行结合。 4．系统逐步走向不配备专门“五防”系统，而是结合综合防误操作功能，利用保护 测控设备的逻辑判断灵活实现网络级的防误闭锁。 5．系统设计遵循IEC61850等开放式国际标准，设计尽可能简单可靠，扩展性强，满 足未来变电站规模与功能扩充需要。 6．系统由标准化软硬件构成，配备标准串口及就地I／O口，使得系统兼容性好。 2．2常规变电站自动化系统结构分析 2．2．1集中式变电站自动化系统结构 集中式变电站自动化系统结构在变电站控制室设置监控主机，并单独设置数据采 集及控制模块采集数据并发出控制命令。这种结构的自动化系统易受计算机硬件水平 限制，在早期自动化系统和老旧变电站改造中得到较多的应用。如图2．1所示，为一 个集中式变电站自动化系统典型框图【1】： 保护 部件 图2．1集中式变电站自动化系统典型框图 集中式变电站自动化系统的主要优点112]： 1)实时采集变电站模拟量、开关量，完成变电站数据采集和实时监控； 2)结构紧凑、体积小，占地面积少，造价低； 集中式变电站自动化系统存在的问题： 1)监控主机任务重、引线多，形成了信息“瓶颈”，系统对监控主机性能要求高，在 监控主机故障时，将失去当地及远方所有信息及功能； 2)软件复杂，组态不灵活，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，调试复杂； 3)集中式保护不直观，调试和维护不方便，只适合保护算法较简单的情况；
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第7页 2.2.2分层分布式变电站自动化系统 分散分布式变电站自动化系统面向电气一次回路设计，应用计算机及网络技术， 按照变电站二次设备分布、变电站控制层次和对象，在逻辑上分为变电站层、网络层、 间隔层，也有将变电站自动化系统分为变电站层和间隔层二层，功能优化，结构合理， 如图2-2所示为分层分布式变电站自动化系统结构图，12。 控制中心 技术服务 站控层单元 层 站控层至控制 站控层至保护 其他间隔控 隔 制/位表单元 测控单元 保护单元 远方保护单元 层 模拟量 控制至 模拟量 保护至 过 采样 开关站 采样 开关站 TATV 断路器 TATV 断路器 隔离开关 隔离开关 图2-2分层分布系统结构图 1、变电站层 变电站层主要进行当地监控和保护信息管理，大致包括站控系统、监视系统、工 程师站及与调度通信的RTU。 I)站控系统SCS(Substation Control System)：具有快速信息响应能力及相应的信息 分析处理能力，完成站内运行管理及控制，例如事件记录、断路器/隔离开关控制 及SCADA数据采集功能。 2)监视系统MS(Monitoring System):对站内运行设备进行监测，为站控系统提供 运行状态及异常信息，提供全面运行信息。 3)工程师站ES(Engineer Station):对站内设备运行状态检查、参数整定、调试校验 等功能进行就地及远端维护。可根据功能及信息特征在一台站控计算机上实现，也 可以两台互为备用，实现数据共享和多任务实时处理。 2、间隔层 间隔层主要是保护、测量和控制设备层，对相关一次设备进行保护、测量和控制， 响应变电站层、远方主站操作要求，对采集的信息处理并上送，并在变电站层、远方 主站控制失效时仍能完成保护、测量和控制功能。 间隔层按站内一次设备（变压器或线路等）面向对象分布式配置，本着功能尽量 下放的原则，在本间隔可以就地完成的功能决不依赖通信网或主站。间隔层一般将数
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第7页 i — i _ i? i -hi i iiiiiii 2．2．2分层分布式变电站自动化系统 分散分布式变电站自动化系统面向电气一次回路设计，应用计算机及网络技术， 按照变电站二次设备分布、变电站控制层次和对象，在逻辑上分为变电站层、网络层、 间隔层，也有将变电站自动化系统分为变电站层和间隔层二层，功能优化，结构合理， 如图2．2所示为分层分布式变电站自动化系统结构副1，121。 图2．2分层分布系统结构图 1、变电站层 变电站层主要进行当地监控和保护信息管理，大致包括站控系统、监视系统、工 程师站及与调度通信的R1哪。 1)站控系统SCS(Substation Control System)：具有快速信息响应能力及相应的信息 分析处理能力，完成站内运行管理及控制，例如事件记录、断路器／隔离开关控制 及SCADA数据采集功能。 2)监视系统MS(Monitoring System)：对站内运行设备进行监测，为站控系统提供 运行状态及异常信息，提供全面运行信息。 3)工程师站ES(Engineer Station)：对站内设备运行状态检查、参数整定、调试校验 等功能进行就地及远端维护。可根据功能及信息特征在一台站控计算机上实现，也 可以两台互为备用，实现数据共享和多任务实时处理。 2、间隔层 间隔层主要是保护、测量和控制设备层，对相关一次设备进行保护、测量和控制， 响应变电站层、远方主站操作要求，对采集的信息处理并上送，并在变电站层、远方 主站控制失效时仍能完成保护、测量和控制功能。 间隔层按站内一次设备(变压器或线路等)面向对象分布式配置，本着功能尽量 下放的原则，在本间隔可以就地完成的功能决不依赖通信网或主站。间隔层一般将数 站控层一 问隔层一 过程层
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第8页 据采集、保护和监控合为一个装置，装置间相互独立，每个回路对应一个装置，彼此 通过光纤或电缆相连，由监控主机网络对这些设备进行管理。 分层分布变电站自动化系统代表了现代变电站自动化技术发展的趋势，相比集中 式系统具有以下优点： 1)可靠性提高，在遵循数据信息共享、减少硬件重复配置的原则下，做到继电保护相 对独立和一定程度的冗余，任一部分设备故障只影响局部。站级系统或网络的故障， 只影响监控部分，保护、控制功能则能在间隔层继续运行，间隔层任一智能单元损 坏不会引起全站通信中断。 2)系统的扩展性和开放性好，利于工程设计及应用。 3)变电站内二次设备所需电缆大大减少，电磁干扰得到有效控制。 4)大量节约投资，减少系统调试维护工作量。 2.2.3常规变电站自动化系统存在的不足 目前国内采用较多的是传统分布式变电站自动化系统，这种系统采用传统电磁互 感器，二次部分采用间隔布置，装置间相互独立，装置间缺乏整体协调和功能优化， 信息不能共享，接线复杂，系统扩展难，主要有以下缺点凹。 一、采用传统电磁式互感器 目前变电站自动化系统的信息采集来源于电磁式电流/电压互感器，变电站ED必 须经二次变换将电流/电压互感器输出信号转化为适合微机处理的低电压信号，通过电 缆线将测量值传送到对应保护、测控和计量设备，不同设备则需要配置不同特性电流 互感器，增加了系统复杂性。 二、信息共享困难 变电站自动化系统所需信息主要包括：电网运行的电流、电压等信息：变电站运 行时设备投退、状况等状态信息：变电站设备异常信息：断路器、保护动作等电网故 障信息，这些信息采集都来自不同TA或其他测量设备，然而保护、测控等系统信息应 用分属不同部门，变电站自动化系统、变电站与控制中心之间的通信以及控制中心不 同层次之间的信息缺乏统一建模规范，形成“信息孤岛”，造成来自不同信息采集单 元的信息无法共享。 三、设备之间不具备互操作性 变电站二次设备缺乏统一的功能和接口规范，缺乏统一通信标准，不同厂家在规 约和标准的理解、实现上存在差异，因此不同厂家正D设备之间缺乏互操作性，这是对 变电站自动化系统进行长期运行维护的一大障碍。 四、系统可扩展性差
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第8页 | II I I II—E III III IIII I——--iii 据采集、保护和监控合为一个装置，装置间相互独立，每个回路对应一个装置，彼此 通过光纤或电缆相连，由监控主机网络对这些设备进行管理。 分层分布变电站自动化系统代表了现代变电站自动化技术发展的趋势，相比集中 式系统具有以下优点： 1)可靠性提高，在遵循数据信息共享、减少硬件重复配置的原则下，做到继电保护相 对独立和一定程度的冗余，任一部分设备故障只影响局部。站级系统或网络的故障， 只影响监控部分，保护、控制功能则能在间隔层继续运行，间隔层任一智能单元损 坏不会引起全站通信中断。 2)系统的扩展性和开放性好，利于工程设计及应用。 3)变电站内二次设各所需电缆大大减少， 电磁干扰得到有效控制。 4)大量节约投资，减少系统调试维护工作量。 2．2．3常规变电站自动化系统存在的不足 目前国内采用较多的是传统分布式变电站自动化系统，这种系统采用传统电磁互 感器，二次部分采用间隔布置，装置间相互独立，装置间缺乏整体协调和功能优化， 信息不能共享，接线复杂，系统扩展难，主要有以下缺点flj。 一、采用传统电磁式互感器 目前变电站自动化系统的信息采集来源予电磁式电流／电压互感器，变电站匹D必 须经二次变换将电流／电压互感器输出信号转化为适合微机处理的低电压信号，通过电 缆线将测量值传送到对应保护、测控和计量设备，不同设备则需要配置不同特性电流 互感器，增加了系统复杂性。 二、信息共享困难 变电站自动化系统所需信息主要包括：电网运行的电流、电压等信息；变电站运 行时设备投退、状况等状态信息；变电站设备异常信息；断路器、保护动作等电网故 障信息，这些信息采集都来自不同TA或其他测量设备，然而保护、测控等系统信息应 用分属不同部门，变电站自动化系统、变电站与控制中心之间的通信以及控制中心不 同层次之间的信息缺乏统一建模规范，形成“信息孤岛"，造成来自不同信息采集单 元的信息无法共享。 三、设备之间不具备互操作性 变电站二次设备缺乏统一的功能和接口规范，缺乏统一通信标准，不同厂家在规 约和标准的理解、实现上存在差异，因此不同厂家也D设备之间缺乏互操作性，这是对 变电站自动化系统进行长期运行维护的一大障碍。 四、系统可扩展性差
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第9页 由于设备间互操作性和信息模型等原因，现有变电站自动化系统在系统扩展或设 备更新时需要支付很大的额外成本。变电站增加间隔或更新保护、测控装置，由于通 信接口和协议差异往往需要增加规约转换器，现场调试或数据库更新验证困难，造成 系统扩展性差。 五、二次电缆影响系统可靠性 现有变电站自动化系统虽然实现了设备智能化，但是这些正D之间及ED与一次设 备和变电站自动化系统之间仍采用电缆连接。二次系统安全性取决于ED具有的抗电磁 干扰能力，而实际运行中由于各种原因，二次设备运行经常发生由于电缆遭受电磁干 扰或一次设备传输过电压引起的异常动作，在二次电缆较长情况下，电容耦合干扰也 会造成保护误动作，二次电缆实际构成了变电站安全运行的主要隐患。 2.3基于1EC61850的数字化变电站系统结构 随着非常规互感器逐步在工程中代替传统电磁互感器运行，EC61850标准的颁布 及其对信息的统一建模，高速以太网技术构建的变电站数据采集及传输系统的应用、 智能化断路器技术的发展等，使得数字化变电站及数字化电网橱念正被逐步提出， 2.3.1数字化变电站系统技术特征 数字化变电站是指变电站二次系统数字化，其主要技术特征体现在以下几点叫。 一、信息采集数字化 数字化变电站的一个重要标志就是采用非常规互感器即电子或光电式电压/电流互 感器对电流、电压进行采集，并直接输出数字量，实现了一、二次系统的有效电气隔 离，为实现信息集成提供前提，同时实现与二次设备直接进行数字化接口。 二、系统分层分布化 EC61850根据变电站自动化系统所要完成的监视、控制和继电保护功能，提出信 息分层概念，将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层，并定义了层与层之 间通信的接口。 三、系统结构紧凑化 在数字化变电站中，智能化一次设备一般都集成了保护、测控及其他自动装置的 /O接口，如AD变换、光电隔离、控制回路等，在低压变电站中，甚至将保护、测控 小型化、紧凑化，安装在开关柜上实现机电一体化设计使得隔离开关、接地刀闸数量 明显减少，站内其他元件及设备数量少、布置灵活紧凑、占地面积少，大量节约土建 成本，大大减少现场安装、调试的工作量
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第9页 iiiiiiiiiiF't t' Ii 由于设备间互操作性和信息模型等原因，现有变电站自动化系统在系统扩展或设 备更新时需要支付很大的额外成本。变电站增加间隔或更新保护、测控装置，由于通 信接口和协议差异往往需要增加规约转换器，现场调试或数据库更新验证困难，造成 系统扩展性差。 五、二次电缆影响系统可靠性 现有变电站自动化系统虽然实现了设备智能化，但是这些IED之间及IED与一次设 备和变电站自动化系统之间仍采用电缆连接。二次系统安全性取决于IED具有的抗电磁 干扰能力，而实际运行中由于各种原因，二次设备运行经常发生由于电缆遭受电磁干 扰或一次设备传输过电压引起的异常动作，在二次电缆较长情况下，电容耦合干扰也 会造成保护误动作，二次电缆实际构成了变电站安全运行的主要隐患。 2．3基于I E061 850的数字化变电站系统结构 随着非常规互感器逐步在工程中代替传统电磁互感器运行，IEC61850标准的颁布 及其对信息的统一建模，高速以太网技术构建的变电站数据采集及传输系统的应用、 智能化断路器技术的发展等，使得数字化变电站及数字化电网概念正被逐步提出． 2．3．1数字化变电站系统技术特征 数字化变电站是指变电站二次系统数字化，其主要技术特征体现在以下几点111。 一、信息采集数字化 数字化变电站的一个重要标志就是采用非常规互感器即电子或光电式电压／电流互 感器对电流、电压进行采集，并直接输出数字量，实现了一、二次系统的有效电气隔 离，为实现信息集成提供前提，同时实现与二次设备直接进行数字化接口。 二、系统分层分布化 IEC 61850根据变电站自动化系统所要完成的监视、控制和继电保护功能，提出信 息分层概念，将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层，并定义了层与层之 间通信的接口。 三、系统结构紧凑化 在数字化变电站中，智能化一次设备一般都集成了保护、测控及其他自动装置的 I／O接口，如A／D变换、光电隔离、控制回路等，在低压变电站中，甚至将保护、测控 小型化、紧凑化，安装在开关柜上实现机电一体化设计使得隔离开关、接地刀闸数量 明显减少，站内其他元件及设备数量少、布置灵活紧凑、占地面积少，大量节约土建 成本，大大减少现场安装、调试的工作量
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第10页 四、系统建模标准化 IEC6l850标准采用基于面向对象技术的统一建模语言UML(Unified Modeling Language)。这种标准模型使得电力系统各种应用不再依赖信息的内容表示，公用一种 语言，各种异构系统集成将简单有效。 五、信息交互网路化 数字化变电站系统信息的采集、处理、传输主要通过网络实现，站内设备之间通 信全部采用高速以太网实现信息共享，因此，信息流量控制和信息同步十分重要，提 高网络速度并制定合适通信协议将是实现数字化变电站的关键。 六、信息应用集成化 变电站自动化系统集成就是将间隔层保护、控制、故障录波、事件记录等的数据 处理功能集成在一个统一多功能数字装置内，间隔内、间隔间及间隔层同站级间的通 信用少量光纤总线实现，取消传统硬接线。 七、设备检修状态化 数字化变电站信息采集、二次设备状态、操作命令下达与执行，完全可通过光纤 实现信息有效检测，变电站可有效获取电网运行数据、各ED故障动作信息，监测控 制与信号回路状态和设备状态采集没有盲区，实现状态检修，提高系统可用率。 八、设备操作智能化 高压断路器发展的趋势是实现断路器智能化，在断路器内嵌入电压、电流变换器， 作为智能控制元件输入，系统的智能性由微机控制单元、智能型接口装置及控制软件 实现。保护和测控命令通过光纤网络实现与断路器操作机构的数字化接口
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 0页 四、系统建模标准化 IEC61850标准采用基于面向对象技术的统一建模语言UML(Unified Modeling Language)。这种标准模型使得电力系统各种应用不再依赖信息的内容表示，公用～种 语言，各种异构系统集成将简单有效。 五、信息交互网路化 数字化变电站系统信息的采集、处理、传输主要通过网络实现，站内设备之间通 信全部采用高速以太网实现信息共享，因此，信息流量控制和信息同步十分重要，提 高网络速度并制定合适通信协议将是实现数字化变电站的关键。 六、信息应用集成化 变电站自动化系统集成就是将间隔层保护、控制、故障录波、事件记录等的数据 处理功能集成在一个统一多功能数字装置内，间隔内、间隔间及间隔层同站级间的通 信用少量光纤总线实现，取消传统硬接线。 七、设备检修状态化 数字化变电站信息采集、二次设备状态、操作命令下达与执行，完全可通过光纤 实现信息有效检测，变电站可有效获取电网运行数据、各lED故障动作信息，监测控 制与信号回路状态和设备状态采集没有盲区，实现状态检修，提高系统可用率。 八、设备操作智能化 高压断路器发展的趋势是实现断路器智能化，在断路器内嵌入电压、电流变换器， 作为智能控制元件输入，系统的智能性由微机控制单元、智能型接口装置及控制软件 实现。保护和测控命令通过光纤网络实现与断路器操作机构的数字化接口