【正文】 通過對變電站自動化的概念和發(fā)展趨勢，以及變電站綜合自動化系統(tǒng)研究的意義和國內(nèi)外現(xiàn)在發(fā)展的狀況的論述，探討了變電站綜合自動化系統(tǒng)的功能，結(jié)構(gòu)，保護(hù)配置，并且進(jìn)一步討論了微機(jī)保護(hù)硬件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。通過對變電站綜合自動化系統(tǒng)通信方面的研究，介紹了當(dāng)前各種總線方式和最新的通信技術(shù)，將各種通信方式進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并將他們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，比較了各種方式的性價(jià)比。最后將變電站綜合自動化系統(tǒng)的繼電保護(hù)和綜自設(shè)備的設(shè)置進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。關(guān)鍵詞： 變電站綜合自動化，通信協(xié)議， 微機(jī)保護(hù)，硬件配置。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推動了電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)自動化技術(shù)的發(fā)展，變電站綜合自動化技術(shù)也日趨完善。通過對變電站綜合自動化系統(tǒng)的研究，對于電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠，保護(hù)和控制以及對變電站的設(shè)計(jì)更加的合理，布局更加緊湊都有很重要的意義。變電站的綜合自動化，是將變電站的二次設(shè)備經(jīng)過功能的重新組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動化技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對全變電站的主要設(shè)備和輸配電線路的自動監(jiān)視，測量，控制和微機(jī)保護(hù)，以及調(diào)度通信等綜合性的自動化功能。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(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力和邏輯判斷功能，可以方便的監(jiān)視和控制變電站內(nèi)的各種設(shè)備的運(yùn)行和操作，它具有功能綜合化，結(jié)構(gòu)微機(jī)化，操作監(jiān)視屏幕化，運(yùn)行管理智能化等顯著特點(diǎn)。變電站綜合自動化系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。（2）：可以方便的擴(kuò)充其他的輔助功能。體現(xiàn)在硬件比較通用，制造容易統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。（5）：使用靈活方便。微機(jī)保護(hù)裝置具有串行通信功能，與變電所微機(jī)監(jiān)空系統(tǒng)的通信聯(lián)絡(luò)使微機(jī)保護(hù)具有遠(yuǎn)方監(jiān)控特性。極大的提高了性能效率比。可靠性和穩(wěn)定性要求很高。目前的綜合自動化裝置都是安裝在低電壓的中置柜上和室內(nèi)的開關(guān)室內(nèi)，戶外的僅是一些實(shí)現(xiàn)簡單功能的柱上設(shè)備。這種方式最終將帶來無人值班變電站沒有建筑小室或僅設(shè)一個(gè)控制小室，它最多也就是一臺控制顯示終端。同時(shí)也極大的提高了變電站的運(yùn)行穩(wěn)定性，可靠性。(4) 就地通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化 強(qiáng)大的通訊接口能力，主要通訊部件雙備份冗余設(shè)計(jì)（雙CPU，雙電源等），采用光纖總線等等，使現(xiàn)代化的綜合自動化變電站的各種智能設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)統(tǒng)一的，互相協(xié)調(diào)工作的整體。全站統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一維護(hù)組態(tài)工具軟件，分類分單元下載參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。高技術(shù)的智能化開關(guān)。 國外變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展70年代末80年代初，國外開始了對于ISA技術(shù)的研究，這是由于電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，要求電網(wǎng)及變電站的控制和保護(hù)系統(tǒng)必須運(yùn)行安全、可靠、經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，采用無人值班管理模式，進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，減少人為誤操作的可能性，提高運(yùn)行可靠性，降低變電站的造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。世界發(fā)達(dá)國家率先研制出成熟系統(tǒng)，并推廣應(yīng)用，大大提高了變電站管理的自動化水平，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。Gyr公司等國際著名大型電氣設(shè)備制造公司都開發(fā)和生產(chǎn)了變電站綜合自動化系統(tǒng)（或稱保護(hù)與控制一體化裝置），并取得了較為成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)...... 我國變電站綜合自動化技術(shù)的發(fā)展我國變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展階段：變電站內(nèi)二次設(shè)備傳統(tǒng)按功能可分為五類：繼電保護(hù)，自動裝置, 故障錄波，當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和遠(yuǎn)動。該類系統(tǒng)是在常規(guī)的繼電保護(hù)及二次接線基礎(chǔ)上增設(shè)RTU裝置，功能主要為完成與遠(yuǎn)方調(diào)度主站通信實(shí)現(xiàn)“四遙”(遙測，遙信，遙調(diào)，遙控)，繼電保護(hù)及自動裝置與系統(tǒng)聯(lián)結(jié)采用硬接點(diǎn)狀態(tài)接入。 第二階段：面向功能設(shè)計(jì)的分布式測控裝置加微機(jī)保護(hù)模式90年代初期，微機(jī)保護(hù)及按功能設(shè)計(jì)的分布測控裝置得以廣泛應(yīng)用，保護(hù)與測控裝置相對獨(dú)立，通過通信管理單元能夠?qū)⒏髯孕畔⑺偷疆?dāng)?shù)乇O(jiān)控計(jì)算機(jī)或調(diào)度主站。該模式?jīng)]有做到面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，信息共享程度不高，另外系統(tǒng)的二次電纜互聯(lián)較多，擴(kuò)展性不好，不利于運(yùn)行管理和維護(hù)。該系統(tǒng)特點(diǎn)是針對110KV以下電壓等級的設(shè)備或間隔采用保護(hù)測控一體化設(shè)計(jì)的裝置，針對110KV及以上電壓等級的設(shè)備或間隔采用繼電保護(hù)裝置與測控裝置分別獨(dú)立設(shè)計(jì)但共同組屏的原則，故障錄波功能下放至各間隔或設(shè)備的繼電保護(hù)裝置中去，采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，系統(tǒng)配置靈活，擴(kuò)展方便，非常方便運(yùn)行管理和維護(hù)。（3）：減少維護(hù)工作時(shí)間，減少值班人員的勞動強(qiáng)度，并達(dá)到減員增效（4）：縮小變電站占地面積，減少總投資。對電力技術(shù)的發(fā)展來說，具有重要的意義，也是電力工業(yè)發(fā)展的顯著標(biāo)志。但由于在技術(shù)性能上的潛在能力，必將被廣泛的應(yīng)用于祖國各個(gè)城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)中。 小結(jié)本章先是介紹了什麼是電力系統(tǒng)綜合自動化，以及變電站綜合自動化系統(tǒng)研究的意義和發(fā)展趨勢。第2章 變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，功能與保護(hù)配置 變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 變電站綜合自動化系統(tǒng)的組成在結(jié)構(gòu)上主要可以分成：集中式，分布集中式，集中和分散式，分散式四種。變壓器。經(jīng)初步處理后送到I/O通信控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的變換，并將變電站所有保護(hù)，測量，信號和控制信息統(tǒng)一處理，與當(dāng)?shù)氐暮笈_機(jī)和遠(yuǎn)方調(diào)度中心進(jìn)行信息交換。它實(shí)際上是微機(jī)保護(hù)和微機(jī)遠(yuǎn)動的系統(tǒng)集成。如圖所示： 分散式綜合自動化系統(tǒng)：該系統(tǒng)按回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，每一個(gè)開關(guān)柜上或其他一次設(shè)備上就地安裝微機(jī)保護(hù)單元和單回路的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控單元，這樣不但可以節(jié)省大量的光電纜，同時(shí)也提高了抗干擾能力。分布式綜合自動化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)除了減少了大量的電纜，抗干擾能力增強(qiáng)，并大大的簡化了二次設(shè)備，減小了占地面積。 分布集中式綜合自動化系統(tǒng)：整個(gè)變電站的一，二次設(shè)備分為三層，變電站層，單元層和設(shè)備層。設(shè)備層主要是指變電站內(nèi)的變壓器，斷路器，隔離開關(guān)以及輔助接點(diǎn)，電流，電壓互感器等一次設(shè)備。單元層本身是有各種不同的單元裝置組成，這些獨(dú)立的單元裝置直接通過局域網(wǎng)絡(luò)或串行總線與變電站層聯(lián)系，也有可能設(shè)有數(shù)據(jù)采集管理機(jī)或保護(hù)管理機(jī)，分別管理各測量，監(jiān)視單元和各保護(hù)單元，然后集中由數(shù)采管理機(jī)和保護(hù)管理機(jī)與變電站層通信。變電站層包括全站性的監(jiān)控主機(jī)，遠(yuǎn)動通信機(jī)等。變電站綜合自動化系統(tǒng)主要集中在單元層和變電站層。至于高壓線路保護(hù)裝置和變壓器保護(hù)裝置，仍然可以按照集中組屏安裝在主控室內(nèi)。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是分散式結(jié)構(gòu)集中式組屏。但是這種結(jié)構(gòu)比較適合用于中低壓變電站。 監(jiān)測：綜合自動化系統(tǒng)通過對變電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，處理，顯示和打印，使運(yùn)行人員了解變電站的運(yùn)行工況，并采取相應(yīng)的措施。(1) 模擬量：變電站需要監(jiān)測的各種模擬量包括主變一次，二次和各線路的電流，各段母線及重要線路的電壓，各線路零序電流，母線零序電壓，主變溫度和室溫。(3) 脈沖量：變電站需要監(jiān)測的各種脈沖量，包括線路，主變一次和二次的有功電度量和無功電度量，電容器的無功電度量，所用電的有功電度量等。該系統(tǒng)還可以根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況自動控制開關(guān)或變壓器分接頭。操作方式分為手動操作和遙控執(zhí)行。正常時(shí)利用鍵盤操作，非正常時(shí)通過模擬屏把手操作或保護(hù)柜操作。遙控執(zhí)行：當(dāng)調(diào)度端發(fā)出遙控開關(guān)或遙調(diào)變壓器分接頭的命令后，該系統(tǒng)能可靠的執(zhí)行。分為有事故跳閘次數(shù)和手動跳閘次數(shù)兩種。也可利用功率方向法等其他方法來判別。確定后，主機(jī)報(bào)警，并顯示和打印。(3) : 無功電壓自動控制：根據(jù)電網(wǎng)無功，電壓計(jì)算和判斷是投切電容器，還是調(diào)節(jié)變壓器分接頭位置。在變壓器。或電網(wǎng)故障時(shí)不應(yīng)該誤動。 遠(yuǎn)傳： 當(dāng)變電站正常運(yùn)行或發(fā)生事故及報(bào)警等事件時(shí)，遠(yuǎn)傳機(jī)會實(shí)時(shí)的向上級調(diào)度傳送該站信息，使調(diào)度人員了解該站的運(yùn)行情況。其特點(diǎn)：(1) : 用鍵盤和八段顯示器（LED）顯示采樣值（電流，電壓，和開關(guān)狀態(tài)）和整定值，并可修改整定值。能夠記錄事故前后的線路電流和母線電壓。能夠?qū)ΡＷo(hù)柜包括主機(jī)在內(nèi)的各元件進(jìn)行在線檢查。雙回線方向橫差保護(hù)和低周減載保護(hù)。本體保護(hù)（重瓦斯，輕瓦斯，有載重瓦斯，有載輕瓦斯等），過流保護(hù)（包括低壓啟動，復(fù)合電壓啟動），過負(fù)荷保護(hù)。(3): 電容器保護(hù)：包括電流速斷保護(hù)，過流保護(hù)，反時(shí)限過流保護(hù)，相間過電壓保護(hù)，相間低電壓保護(hù)和零序過電壓保護(hù)。模擬屏主接線圖上安裝儀表和操作把手。(2) 控制臺式：再主控室前部設(shè)控制臺，無模擬屏?？刂婆_上或旁邊放主機(jī)顯示器CRT。模擬主接線，操作把手，必要的儀表和光字均安裝在控制臺面上。主控室后部設(shè)保護(hù)柜，變送器柜，監(jiān)控柜，電度表柜，交直流電源柜等設(shè)備。 硬件的配置原則綜合自動化系統(tǒng)硬件配置應(yīng)遵循下列原則：(1):各自獨(dú)立，相互配合。采用光電隔離和繼電器接點(diǎn)閑離的方法實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控部分在監(jiān)控機(jī)，電度機(jī)，采樣機(jī)，遠(yuǎn)傳機(jī)任一故障情況下，應(yīng)不影響其他機(jī)正常工作。各單元應(yīng)具有模塊化的主機(jī)板，開出板。(3)： 具有較強(qiáng)的抗干擾能力。微機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展大致可以分為以下幾個(gè)階段： 第一階段是以單cpu的硬件結(jié)構(gòu)為主，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，硬件和軟件的設(shè)計(jì)符合四統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其代表產(chǎn)品為微機(jī)高壓輸電線路保護(hù)裝置。第三階段以高性能的16位單片機(jī)構(gòu)成的硬件結(jié)構(gòu)為主，具有總線不需引出芯片，電路結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，抗干擾能力進(jìn)一步加強(qiáng)，并且完善了通信功能，為實(shí)現(xiàn)變電站自動化提供了方便。 變電站綜合自動化系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)(1) 處理器分為單片機(jī)和數(shù)字信號處理器兩種。使用單片機(jī)的微機(jī)保護(hù)具有較強(qiáng)的針對性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，整體性能和可靠性高，但通用性和可擴(kuò)展性相對較差。新型高性能的單片機(jī)性能得到了很大的提高。此保護(hù)采用了高集成度16位單片機(jī)，其內(nèi)部包含了124KEPROM， 4KRAM，接近10個(gè)內(nèi)部計(jì)數(shù)器，定時(shí)器和中斷口，2個(gè)全雙工的串行口，以及整個(gè)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器。高性能單片機(jī)包含了微機(jī)保護(hù)所需要的各種硬件功能，使新型微機(jī)保護(hù)的電路設(shè)計(jì)異常簡單可靠。大量使用單片機(jī)的微機(jī)保護(hù)在電力系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，也由于新型單片機(jī)的卓越性能，現(xiàn)階段使用單片機(jī)的微機(jī)保護(hù)仍將是我國微機(jī)保護(hù)的主流產(chǎn)品。DSP具有強(qiáng)大的處理功能，在相同的主頻率下，甚至比目前最先進(jìn)的個(gè)人計(jì)算機(jī)快10—50倍。DSP的突出特點(diǎn)是計(jì)算能力強(qiáng)，精度高，總線速度快，吞吐量大，尤其是采用專用硬件實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)和浮點(diǎn)加乘運(yùn)算，速度非常的快。濾序和傅立葉變換算法的主要時(shí)間，不但可以完成數(shù)據(jù)采集，信號處理的功能，還可以完成以往主要由COU完成的運(yùn)算功能，甚至完成獨(dú)立的繼電保護(hù)功能。(2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：變電站綜合自動化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為三種：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 電壓頻率轉(zhuǎn)換原理的計(jì)數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ① 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：早期的微機(jī)保護(hù)線路中，考慮到A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格昂貴，因此采用多個(gè)通道共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的方案。模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采用硬件電路控制記數(shù)自動進(jìn)位切換通道號。再同一時(shí)刻采樣的全部通道轉(zhuǎn)換完成并存入RAM后，才由DMA請求中斷，由CPU做出相應(yīng)的處理。② 電壓頻率轉(zhuǎn)換原理的計(jì)數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：第2代微機(jī)線路保護(hù)的VFC (電壓頻率保護(hù)) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集速度，每個(gè)模擬輸入通道都需要使用單獨(dú)的電壓頻率轉(zhuǎn)換/光耦合器，其輸出頻率信號送至可編程計(jì)數(shù)器8255進(jìn)行頻率測量，在每個(gè)數(shù)據(jù)采集周期由CPU讀取可編程計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并進(jìn)行標(biāo)度變換以獲得實(shí)際的采樣植。③ 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ：近幾年來。在變電站的母線保護(hù)，變壓器保護(hù)和發(fā)電機(jī)保護(hù)中，由于需要進(jìn)行采樣的電流通道很多，對采樣的速度也有很高的要求。因此，必須大大的壓縮數(shù)據(jù)采集的時(shí)間。當(dāng)保護(hù)裝置使用單片機(jī)時(shí)，目前使用的VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以滿足要求，必須對此單獨(dú)進(jìn)行考慮。采用這種專用數(shù)據(jù)采集芯片，將極大簡化單片機(jī)型微機(jī)保護(hù)裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)，調(diào)試方式，大大的提高其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力。對于高壓和超高壓輸電線路微機(jī)保護(hù)裝置，多單片機(jī)構(gòu)成的多CPU硬件結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)行的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。3個(gè)保護(hù)CPU分別完成高頻保護(hù)，距離保護(hù)，零序保護(hù)功能。通信控制，保護(hù)CPU運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能。 但是這種多CPU微機(jī)保護(hù)裝置采用了不完全冗余技術(shù)。如果模擬輸入通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生故障，那麼輸入3個(gè)CPU插件的故障數(shù)據(jù)將不在準(zhǔn)確，整套裝置不能正確工作；跳閘出口通道發(fā)生故障，整套裝置同樣不能正確工作。多CPU微機(jī)保護(hù)裝置除完成本線路的繼電保護(hù)功能外，同時(shí)還必須完成相鄰線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)功能。在距離保護(hù)CPU插件或者零序保護(hù)CPU插件發(fā)生故障時(shí)，即使線路的主保護(hù)可以正常工作，仍將失去遠(yuǎn)方后備保護(hù)的功能。② 微機(jī)元件繼電保護(hù)：微機(jī)元件保護(hù)的種類很多，硬件結(jié)構(gòu)也各有特色，基本的類型有單片機(jī)型和工控機(jī)型微機(jī)元件保護(hù)。比如采用了高壓線路保護(hù)類似的VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高性能單片機(jī)構(gòu)成的雙CPU系統(tǒng)，變壓器主保護(hù)與變壓器各側(cè)的后備保護(hù)分別采用不同的CPU完成保護(hù)功能。采用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)的微機(jī)保護(hù)，具有小型化，低成本，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)?？梢源蟠罂s短微機(jī)保護(hù)裝置的開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)微機(jī)繼電保護(hù)裝置的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，便于運(yùn)行部門的運(yùn)行維護(hù)，必將在微機(jī)保護(hù)的發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。采用“一對一：實(shí)現(xiàn)時(shí)，一套裝置負(fù)責(zé)一條線路或一臺變壓器的測量，保護(hù)和控制。它具有分布式結(jié)構(gòu)的全部優(yōu)點(diǎn)而且又便于設(shè)計(jì)安裝及運(yùn)行維護(hù)。 小節(jié) 本節(jié)介紹了變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，并介紹了各種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)；變電站綜合自動化系統(tǒng)主要包括監(jiān)測，監(jiān)控，遠(yuǎn)傳和保護(hù)四部分，介紹了各部分的主要功能。第3章 變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò) 通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展：目前，國內(nèi)變電站綜合自動化系統(tǒng)用的通信網(wǎng)絡(luò)主要是總線式網(wǎng)絡(luò)。近年來隨著新型現(xiàn)場總線CANBUS和LONWORKS的推出，變電站綜合自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信得到了新的發(fā)展，新型現(xiàn)場總線CANBUS是變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)性價(jià)比最好的一種。通常用于近距離傳輸，此時(shí)可將兩臺具有RS232接口的通信設(shè)備直接相連，如果要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，可以再加調(diào)制器即可。采用RS422標(biāo)準(zhǔn)，可以削弱干擾的影響，獲得更長的傳輸距離和允許更大的信號衰減。RS485為半雙工通信方式，在某一時(shí)刻，一個(gè)發(fā)送一個(gè)接受，當(dāng)用于多站互連時(shí)，可節(jié)省信號線，便于高速遠(yuǎn)距離的傳送。它的基本思想是將控制系統(tǒng)按局域網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)造，用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)代替局域網(wǎng)中的工作站，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝在監(jiān)