摘要：电网的安全经济运行程度以及供电的可靠性在很大程度上取决于电力系统调度自动化水平的高低。变电所是电力系统的一个重要环节，变电所自动化程度的水平亦体现出整个电力系统调度自动化的水平，而变电所的自动化程度的高低取决于其二次系统的组成结构，或者说是二次设备的先进程度。
关键字：变电所；二次系统设计；综合自动化
变电所综合自动化系统就是将变电所内的二次设备利用各种先进的技术条件，诸如微机技术，电力电子技术，通信技术以及信息处理技术等，进行功能的重组和结构的优化设计，以实现对变电所所有电气设备和主要配电线路的自动控制、自动监视、精确测量和保护，并实现与上级调度管理即时通信功能。由此可见，变电所综合自动化系统是微机技术、通信技术、信息技术等现代高科技在电力系统中的综合应用。利用准确的信息处理技术，变电所综合自动化系统可以及时的采集到完整的信息和数据，再利用微型计算机的高速计算和判断能力，就可以方便地实现对变电所内各种电气设备及线路的监控。
简言之，变电所综合自动化是集保护、测量、控制、远动等功能为一体，通过数字通信及网络技术来实现信息共享的一套微机化的二次设备系统。
1. 传统变电所存在的问题
变电所是电力系统中必不可少的关键环节，时时刻刻的保障着电网的安全、稳定、经济运行。在整个系统中，变电所的主要任务是：电网之间的桥梁；实现电能转换；分配电能。近年来电力系统的规模愈来愈大，则系统运行中的安全性和稳定性更加难以控制，因此传统的变电所运行模式（监视、抄表、操作、记录、汇报等程序皆由人为）必然无法满足现有系统的需求，电力系统现代化管理模式也难以实现。
由于采用了传统、冗余的变电所二次系统设计方案，传统变电所主要存在以下几种问题：
（1）供电质量不能得到科学的保证。随着科技以及国民经济的高速持续发展，人民开始逐渐追求高品质的生活水平，各种中高级家用电器大量涌入到家家户户，这些高端的用电设备使得老百姓对电能质量的要求愈来愈高。衡量电能的好坏我们可以参考电压、频率以及波形三个标准，目前在我国基本上从电压和频率两方面来改善电能的质量。
在电网正常运行中，电压的频率主要由发电厂调节来保证，而合格的电压不能仅仅依靠发电厂来解决，各变电所，特别是枢纽变电站应该装设相应的设备，承担起电压的调节作用。但目前大多数的传统变电所，没有装设自动调压的设备。保证波形的质量，主要靠遏制谐波的污染来实现，目前还没有采取有力的解决措施。
（2）与现代电力系统要求的快速计算、实时控制脱节。电力系统必须随时掌握系统的运行参数，遇到故障时才能及时采取一系列的自动控制和调节手段，保证系统的安全、稳定、经济运行。然而，传统的变电所，其调度中心不能随时获取系统的运行参数。例如，传统远传设备的功能不全，遥测和遥信参数无法实时的传送到调度中心，调度中心无法及时获知一次系统的实际运行状态，另外，对于系统参数的采集也缺乏准确性、完整性。因此传统变电所很难实现实时控制的要求，对电力系统的安全稳定运行极其不利。
（3）设备可靠性差，增大了维护工作量，影响管理和自动化水平。传统变电所多采用电磁型或晶体管型电子产品作为其继电保护及自动化装置，由于其结构复杂，保护性能差，必须经常维护，而且电磁型或晶体管型设备本身不具备故障自诊断能力，为了保证它能安全可靠运行，就必须定期对设备进行停电检查。每次停电检查项目很多，工程量较大，因此停电时间较长，给居民生活带来很大不便。另外，由于结构原理所限，自动装置较少，对于提高自动化水平有很大限制性。
（4）传统的变电所一般占地面积较大。我国是一个人口大国，特别对于一些人口密集的大、中型城市，土地显得尤为珍贵。目前，为满足人们群众对用电量的需求，大、中城市变电所的数量增加很快，而随着城市建设的发展，土地价格更是增长迅速，相应变电所的土地征用投资也在增加。
2.变电所实现综合自动化的优越性
与传统变电所冗余的二次系统设计相比，变电所综合自动化系统有更为优越的管理性、可靠性、便捷性。具体体现在以下几个方面：
（1）提高电能质量，提高电压合格率。在变电所的综合自动化系统中包括有电压无功自动调节装置，通过对变压器分接头的调节和无功补偿电容器的投切，可以大大提高电压合格率，使无功分布合理，减小电能损耗。
（2）提高整个变电所的安全、可靠运行水平。在变电所综合自动化系统中，其子系统大部分是由微型计算机组成的，它们具有故障诊断能力。微机保护装置不但能迅速反应被保护设备的故障并切除故障外，还有监视其控制对象工作状态是否正常的功能，当发现其工作异常时，及时发出告警信号。更为重要的是，微机保护和自动装置具有自身故障诊断能力，可以及时发现装置内部发生的异常，大大缩短故障的排除时间，减少维护检修的工作量，缩短停电时间，这是常规继电保护装置所无可比拟的。正是这些优点很大程度上提高了变电所综合自动化系统的一、二次设备的可靠性。
（3）提高整个电力系统的运行管理水平。在变电所综合自动化系统中，设备的监视、仪表数据的测量以及抄表记录等繁琐的工作都可由微机自动进行，微机操控不仅可以提高测量的精确度，还可以避免人为的主观干预。操作人员只需在控制室观看显示器的动态显示，便可对变电所内的大部分设备和输配电线路的实时状态了如指掌。如果需要对某一个设备进行操作，只需通过鼠标和键盘，就可完成操控。变电所综合自动化系统实现了与上级通信，使调度中心的调度员及时根据传送来的数据和信息，实时的进行必要的调节和控制。对于这样的调度控制管理，综合自动化系统会做全程的事件记录以供查阅，大大提高了运行管理水平。
（4）变电所集中控制，实现减员增效。由于变电所的综合自动化系统可以实现遥控、遥信、遥测、遥调的四遥功能，变电所可以实现无人值班。将一个地区的几座甚至十几座变电所设一个集控中心，集中进行运行监控，将大大减少人 员设置，实现减员增效。
（5）缩小了变电所占地面积，降低造价，减少总投资。实现了综合自动化的变电所，一次设备选用了 GIS 组合电器，二次设备选用了微机保护装置及综合自动化系统，高压电气室、主控制室、继电保护室的占地面积大大减小，相应地整个变电所的占地面积都在减小，使变电所在选址上的投资大大缩小。
概况来讲，采用了变电所综合自动化技术，简化了变电所二次系统的硬件配置，及其系统设计，避免了重复；简化了变电所二次设备之间的相互接线，减轻了安装施工和维护工作量；减小了占地面积，降低了工程总造价；为电力企业的减员增效提高劳动生产率、实现变电所无人值班、提高了管理水平，创造了良好的技术条件。
3.变电所综合自动化系统的应用
变电所综合自动化系统的应用，不仅能够使得变电所的技术管理水平提高，而且可确保系统更安全可靠稳定运行。与此同时，也缩减了运行维护成本，提高电能质量以及电力调度和配电系统的自动化程度。
对变电所综合自动化系统的基本功能要求如下：随时在线监视正常运行情况的运行参数及设备运行状况；自检、自诊断设备本身的异常运行；发现电网设备异常变化或装置内部异常时，立即自动报警并闭锁相应的动作出口，以防止事态扩大。电网出现事故时，应快速采样、判断、决策，迅速消除事故，使故障限制在最小范围。完成电网在线计算、储存、统计、分析报表，远传和保证电能质量的自动监控调整工作。
整个变电所综合自动化系统由功能完全独立的各子系统构成。用一台工业控制主机来统一管理全所的各子系统。各子机间通过串行通信，联成一个完整的计算机局部网络，任何一个自己系统都可独立运行。为了实现上述基本功能，变电所综合自动化系统设置的子系统包括为：继电保护子系统、监视控制子系统、低频减载子系统、电压无功综合控制系统、备用电源自投子系统。
3.1继电保护子系统
变电所综合自动化系统二次回路的继电保护是以微型计算机为核心，也称微机保护子系统。它是利用微型计算机的智能化信息处理功能，对检测到的反映电力系统运行状态的电气量进行分析和计算，根据计算结果来实现对输电线路或电气元件的保护。因此，为了使微型计算机获取电力系统运行的信息，必须配备反映电力系统运行状态的数据采集系统、反映被保护电气设备状态的开关量输入电路和发出控制命令的开关量输出电路。此外还要配置人机对话系统，向微机继电保护装置送入有关的计算和操作程序。继电保护整定值、输出有关继电保护动作的信息，使继电保护人员进行定期的整定值校验和传动试验，对继电保护的动作进行分析。
微机继电保护装置的硬件电路一般由五个功能单元构成，即微型计算机、数 据采集系统、开关量输入输出电路、人机对话系统和工作电源，如图 5.1 所示。
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图 5.1 微机继电保护装置构成框图
（1）微型计算机系统
微型计算机是微机继电保护系统的核心部分，在微机保护中有两种配置方式：单CPU 系统和多 CPU 系统。两者的区别在于微处理器个数的不同，多 CPU 系统的微处理器在两个级以上。正是由于 CPU 个数的不同，单 CPU 系统的各保护程序是以串行方式依次进行的，而多 CPU 系统的各保护程序可以以并行模式在多个 CPU 中同时进行，大大缩短了保护程序的执行时间，因而得到广泛应用。
（2）数据采集系统
微机只能接受数字量，因此，必须配置相应的硬件电路将互感器二次侧的模拟信号转换为数字信号，才能送入计算机中，供继电保护功能程序使用。
（3）开关量输入、输出接口电路
开关量输入、输出接口电路是微机保护装置与外部设备联系的窗口。这些电路主要是用来接收来自外部设备的开关量信号和向外部设备发送开关量信号，用以实现微机保护装置与外部设备之间的控制逻辑。
（4）工作电源
微机保护工作电源的可靠性直接关系到整个微机继电保护装置运行的可靠性。因此，其电源必须要求具有独立性，不受系统电压变化影响。
（5）人机对话系统
利用该系统，工作人员可以随时设定继电保护的程序、参数等，并且还可以把电力系统的故障信息通过专用的通信接口输送到在线计算机，实现了数据远传通信功能。微机保护子系统是变电所综合自动化系统的关键部分，它的功能很大程度上决定了整个系统的性能，因此在设计微机保护子系统时必须给予足够的重视。微机保护除应实现整个变电所内主要设备和输电线路的全套保护外，还应具备以下附加功能：故障自诊断与恢复、故障记录、数据通信等功能。微机继电保护实现上述功能有如下特点：
1）逻辑判断清楚
2）微机保护比常规继电保护具备更优良的保护性能
3）调试维护方便
4）运行可靠性高
5）能够提供更多的系统运行的信息量
3.2监视控制子系统
监控系统功能就是当地自动化功能，包括：
（1）数据采集与显示；
变电所采集的数据有包括三种：模拟量、开关量和电能量。
（2）事件顺序记录；
事件顺序记录包括断路器跳合闸记录、保护及自动装置动作记录、各种异常告警记录等。记录以事件发生时间的先后顺序自动进行。
（3）故障记录
故障记录所记录的是当发生故障时，继电保护动作前后，与此故障相关的电流及母线电压，记录时间范围从故障发生前的 2 个周波一直延续到故障发生后的 10 个周波，这样就可以完整记录发生故障的整个过程，并且可以清楚地观察到故障前后短路电流和相关母线电压是如何变化的。
（4）操作控制功能
具有综合自动化系统的变电所，操作人员可以在变电所、集控中心或调度中心，通过显示器，键盘或鼠标，操作断路器、隔离开关的分、合闸，调控变压器分接头位置，投入、切除电容器等。为防止综合自动化系统故障时无法操作被控设备，在设计中都保留了就地手动直接进行跳、合闸操作的功能。
（5）安全监视功能
监控系统对采集的电流、电压、频率、主变压器温度等模拟量，设定警告限位，在运行过程中不断进行越限监视。一旦发现参数超过设定的限位值，立即进行报警，并记录下越限值和越限时间。另外，监控系统还要监视继电保护及自动装置工作电源是否正常，各子系统之间、各自动装置之间的通信是否正常。
（6）数据统计与处理功能
1）运行数据计算和统计。统计的内容包括：电量累加、分时统计、运行日报、月报、最大值、最小值、负荷率、电压合格率。
2）遥信信号监视和处理。遥信变位次数统计、变位告警。
3）限值监视和报警处理。多种限值、多种报警级别、多种告警方式（声响、语音）、告警闭锁和解除。
（7）打印功能
在监控中心配备打印机，可以完成以下打印记录功能：
①定时打印报表和运行日志；
②打印断路器操作记录；
③打印事件顺序记录；
④越限打印；
⑤召唤打印；
⑥抄表打印；
⑦事故追忆打印。
3.3 低频减载子系统
频率是衡量电能质量最重要的标准之一。电力系统的频率必须维持在恒定值，我国电网频率为 50Hz，满足要求的频率浮动范围为±0.1~0.2Hz。如果系统频率浮动过大，电力系统中的各种设备都会受到不同程度的影响，轻则导致设备不能正常运行，重则直接损毁设备，甚至使整个电力系统发生崩溃。
频率是反映系统有功功率是否平衡的重要指标。如果系统的有功功率有剩余时，频率就会升高；如果系统的有功功率不足时，频率就会随之下降，低于额定值。系统频率的降低会导致用户终端设备的生产效率。有运行经验表明，当系统频率下降 4~5Hz 时，系统的电压也会受到严重的影响。因此，当系统发生故障导致有功功率缺额时，应迅速有序地、有计划地、适当地切断负荷，以将切除负荷后会造成的损失减少到最低。实现低频减负荷的方法关键在于测频，以往我国使用的是常规的低频减负荷装置，但是随着计算机在变电所自动装置中的广泛应用，许多厂家生产了各种功能完善的微机低频减负荷装置，使系统的低频降负荷性能大大提高。目前，微机低频减载装置的实现方式有两种：
（1）通过专设的低频减载装置。此装置将所有的馈电线路分为 1~8 轮和特殊轮，根据系统频率的降低情况对线路切除。
（2）将减载控制装在各馈线回路的保护装置中。由于现代微机保护装置在每条回路中都设置了一套保护装置，因此，只需在线路的保护中增加测频环节，便可实现频率降低时切除负荷的控制。
另外，具有保证供电的安全性、可靠性和提高电能质量功能的电压无功综合控制系统，保证配电系统供电连续性的备用电源自投控制系统等也是变电所综合自动化系统的组成，在此不再做分析。
4.本章小结
由于传统变电所的二次系统设计技术落后，自动化水平很低，已经逐渐地被社会所淘汰，取而代之的是新型的变电所综合自动化系统。变电所综合自动化系统将保护、监控及远方调度管理等功能分散到就地完成，仅由一根普通的通信电缆与主机联络，避免了以往将测量、控制、保护、信号线都接入主控室，极大简化了二次接线，提高了系统可靠性及可维护性，减少了事故隐患。
随着电子技术、微机技术、通信技术和网络技术等高科技的不断发展，变电所综合自动化系统与时俱进，不断被改革创新，形成了多种不同的结构体系，向着更加安全、可靠、经济持续发展，为整个电网调度的自动化、配电的自动化以及管理的现代化打下了坚实的基础。