第一节 变电站综合自动化的概念
一、变电站综合自动化概念
变电站综合自动化系统是指将变电站的二次设备（包括控制、信号、测量、保护、自动装置、远动等）利用计算机技术、现代通信技术、现代电子技术和信号处理技术，通过功能组合和优化设计，实现对全变电站的主要设备和输配电线路的自动监视、测量、控制、保护和调整，以及调度通信等功能的一种综合性自动化系统。该系统之所以冠名综合自动化系统，是为了区别于以往只实现局部功能的变电站自动化系统，如常规保护加远动装置（RTU）构成的变电站自动化系统。
变电站综合自动化系统实际上就是由智能电子装置（IED）和后台控制系统所组成的变电站运行控制系统，包括监控、保护、自动控制等多个子系统。各子系统中又由多个智能电子装置（IED）组成，如微机保护子系统包含线路保护、变压器保护、电容器保护、母线保护等。智能电子装置（IED）的含义是：包含一个或多个处理器，可接收来自外部源的数据，向外部发送数据或进行控制的装置，如电子多功能仪表、数字保护、控制器等。
某110kV变电站综合自动化系统如图11所示。图中主机/操作员工作站硬件平台使用工控机、服务器或PC机，可选择组屏安装或独立放置于主控台，主机对采集来的数据进行分类和处理，实现各种应用功能，同时兼作监控系统的人机界面，实现运行人员对全站电气设备的运行监视和操作控制；前置机采用嵌入式计算机，组屏安装在主机房，前置机实现数据收集、处理、存储和规约转换等功能；远动通信工作站实现与调度中心远动数据的处理和通信功能；总线集线器用来实现间隔层与站控层设备之间的通信；110kV线路和主变保护及测控装置分别组屏安装在控制室，10kV保护测控一体化装置分散安装在开关柜上，完成各间隔的保护、测量和控制等功能；公用信息工作站可采用工控机或PC机，功能是实现变电站内第三方通信信息的接入。
由此可见，变电站综合自动化系统是自动化技术、计算机技术和通信技术等在变电站
的综合应用。变电站综合自动化系统可以采集到全变电站的实时数据和信息，利用计算机的高速分析计算能力和逻辑判断功能，方便直观地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。图12为一套在线运行的变电站综合自动化系统实景图。
图11 某110kV变电站综合自动化系统网络图
图12 在线运行变电站综合自动化系统
（a）监控室；（b）微机保护室
二、变电站综合自动化系统的基本特征
变电站综合自动化通过监控系统的局域网通信，将微机保护、微机自动装置、微机远动装置采集的模拟量、开关量、状态量、脉冲量及一些非电量信号，经过数据处理及功能
的重新组合，按照预定的程序和要求，对变电站实现综合性的监视和调度。因此，综合自动化的核心是自动监控系统，纽带是监控系统的局域通信网络，它将微机保护、微机自动装置、微机远动装置综合在一起形成一个具有远方数据通信功能的自动监控系统。变电站综合自动化系统的基本特征主要包括以下内容。
1.系统功能综合化
变电站综合自动化系统综合了除交直流电源外的全部二次系统，这里的“综合”不是将变电站的功能进行简单地拼凑，不是简单的“1+1”，而是功能的重新划分和性能指标的最优化。
2.系统构成模块化和数字化
变电站综合自动化系统采用面向被控对象、模块化的设计，各功能模块如保护、控制、测量实现了微机化，并具有数字通信功能，以便通过通信网络将各模块连接起来，实现信息共享。模块化设计的另一优点是便于实现综合自动化系统的灵活组态，如按照变电站的实际出线按间隔配置，规模可大可小。
3.系统结构分层、分布、分散化
综合自动化系统结构从功能上采用分层设计，分为间隔层和变电站层，每层功能实现微机化、数字化，各子系统按分布式结构设计，每个子系统可由多个CPU分别完成不同的功能。这样，综合自动化系统往往有几十个甚至更多的CPU同时并列运行，由庞大的CPU群构成了一个完整的、高度协调的综合（集成）系统，以实现变电站自动化的所有功能。
随着综合自动化系统的发展，间隔层装置将分散安装在开关柜上或距离一次设备较近的保护小间内，由此构成分散分布式综合自动化系统。
4.操作监视屏幕化
变电站综合自动化系统的运用，使操作员通过彩色屏幕显示器即可完成对变电站的设备和输配电线路的监视和操作。此时，常规变电站的模拟屏被显示器上实时刷新的主接线图取代，把手控制操作被键盘鼠标操作取代，光字牌告警被计算机上的数字光字牌、文字提示及语音告警取代，指针显示被显示器的数字显示替代。从而，大大减少了操作员的工作量，也提高了变电站运行管理的水平。
5.通信网络化
常规变电站用于传输设备信息的是传输模拟量或硬接点状态量的电缆，数量庞大，而综合自动化系统采用以传输串行数字信号用的少量通信电缆或光缆。计算机局域网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中的普遍应用使得施工更为简单，组态和扩容更为灵活。
6.运行管理智能化
变电站综合自动化系统运行管理的智能化不仅表现在常规的自动化功能，如自动抄表，电压无功自动调压，小电流接地选线，故障隔离和恢复等方面，还体现在在线自动诊断、状态检修和智能告警上。简而言之，常规二次系统只能监测一次设备，而本身的故障必须靠维护人员去检查、发现，综合自动化系统不仅监测一次设备，还时刻检测自身是否
有故障，这就体现了综合自动化系统的智能化。另外，状态监测技术的应用，可对一次设备的运行状态进行在线评估，由此设备维护和检修从常规的大小修转为按设备实际情况安排检修，针对性更强。
三、变电站综合自动化系统的发展趋势
目前，变电站综合自动化技术在我国的应用范围，由电力系统的主干网、城市供电网、农村供电网扩展到企业供电网；电压等级由0.4kV到500kV，几乎覆盖了全部供电网络；技术涉及自动化控制、远动、通信、微机保护、计量、在线监测、信号等二次系统。所以，变电站综合自动化技术是一门新型的交叉学科。
虽然变电站综合自动化系统获得了良好的应用效果，但也有不足之处，主要体现在：一次和二次之间的信息交互还是采用传统的电缆接线模式，成本高，施工、维护不方便；二次的数据采集部分大量重复，浪费资源；信息标准化不够，信息共享度低，多套系统并存，设备之间，设备与系统之间互联互通困难，信息难以被综合应用；发生事故时，会出现大量的事件告警信息，缺乏有效的过滤机制，干扰值班运行人员对故障的正确判断。数字化变电站的出现解决了变电站综合自动化系统的这些不足之处。
数字化变电站是指信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变电站，其基本特征为一次设备智能化，二次设备网络化，运行管理自动化等。
一次设备智能化是指采用数字输出的电子式互感器、智能开关（或配智能终端的传统开关）等智能一次设备。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码交换采样值、状态量、控制命令等信息。
二次设备网络化是指二次设备之间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取消控制电缆。二次设备，如保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
运行管理自动化的含义是电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；故障诊断自动化，故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备由“定期检修”改变为“状态检修”。
数字化变电站的发展离不开全世界唯一的《变电站网络通信标准（IEC61850）》标准的制定。因为传统变电站自动化系统中广泛采用的是国际电工委员会（IEC）于1997年颁布的《继电保护信息接口配套标准》（IEC60870—5—103）规约，在以太网和智能数字化设备迅速发展的今天，其缺陷日益明显，如没有定义基于以太网的通信规范，没有标准的系统功能、二次智能设备的模型规范，缺乏权威的一致性测试，不支持元数据传送，没有统一的命名规范。这些缺陷直接导致变电站自动化系统在建设过程中不同厂家设备之间互操作性较差，不同厂家设备之间互联需要规约转换设备，需要进行大量的信息对点工作，变电站自动化系统集成工作量增加，系统信息处理效率低下。
因此不难看到，随着变电站二次设备及系统的发展，设备一体化、信息一体化已成为必然的趋势，迫切需要一个统一的信息平台实现整个自动化系统。为了统一变电站通信协议，统一数据模型，统一接口标准，实现数据交换的无缝连接，实现不同厂家产品的互操作，减少数据交换过程中不同协议间转换时的浪费，IECTC57组织制定了IEC61850———变电站通信网络和系统系列标准，并于2004年正式发布。
目前IEC61850标准已被等同引用为我国电力行业标准（DL/T860系列），作为电力系统中从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化无缝自动化标准，IEC61850的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界，一种技术，一个
标准”。