陳 服

（國網(wǎng)浙江省電力公司瑞安市供電公司，浙江 瑞安 325200）

0 引言

變電站作為電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的核心，其綜合自動化技術(shù)一直在變電站控制中得到廣泛應(yīng)用，變電站綜合自動化系統(tǒng)不僅可以有效地解決傳統(tǒng)變電站存在的問題，還能將現(xiàn)有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、信號處理技術(shù)、通信技術(shù)等技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)對一二次設(shè)備有效的、合理的、智能化的控制，從而進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性[1-2]。我國變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展要晚于西方國家，雖然近些年變電站綜合自動化系統(tǒng)也取得了長足的進(jìn)步[3-4]，但是我國在計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)方面仍然落后于發(fā)達(dá)國家，在應(yīng)用過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)由于器件選型不合理導(dǎo)致變電站綜合自動化系統(tǒng)穩(wěn)定性和適從性較差的問題。因此，該文對變電站綜合自動化系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，以期為進(jìn)一步研究該技術(shù)提供一定的參考[5]。

1 變電站綜合自動化系統(tǒng)的一般模型

1.1 集中式結(jié)構(gòu)模型

早在20 世紀(jì)80 年代，我國就開展了變電站綜合自動化系統(tǒng)方面的研究，由于受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)和電力電子技術(shù)的限制，主要采用的是集中式結(jié)構(gòu)模型，以RTU 為主控制器，并將現(xiàn)場總線與保護(hù)裝置、現(xiàn)場總線、顯示裝置、打印裝置物理的聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)其對各裝置的合理調(diào)控[6-7]。結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，本地監(jiān)控主機(jī)和總控制器通過現(xiàn)場總線與開關(guān)柜保護(hù)測量裝置進(jìn)行連接，主控制器通過發(fā)送指令實(shí)時(shí)采集各個(gè)開關(guān)柜的關(guān)鍵參數(shù)，本地監(jiān)控主機(jī)將采集到的開關(guān)柜參數(shù)實(shí)時(shí)送到顯示裝置，對需要重點(diǎn)研究的參數(shù)，人工通過打印設(shè)備打印出來后，供現(xiàn)場工程師分析。

圖1 集中式結(jié)構(gòu)模型

1.2 分散式結(jié)構(gòu)模型

由于集中式結(jié)構(gòu)模型在通信方面尤其是冗余方面較為復(fù)雜，系統(tǒng)難以定位到具體的故障點(diǎn)，配置起來也不夠靈活。隨著電力電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，我國在集中式結(jié)構(gòu)模型上開展了分散式結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)，利用分散式結(jié)構(gòu)對變電站綜合自動化系統(tǒng)進(jìn)行了拆分，更進(jìn)一步地細(xì)化分類，有效地提高了系統(tǒng)各模塊的性能[8]。分散式結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示，在這種結(jié)構(gòu)模式中，系統(tǒng)模型主要分為3 段，第一段是保護(hù)和測控裝置，分散地安裝在各個(gè)設(shè)備間隔中，通過第二段的總線層連接到第三段的主控系統(tǒng)層，第三段主控系統(tǒng)層負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控工作，各類數(shù)據(jù)通過第二段的現(xiàn)場總線與總控系統(tǒng)連接，再通過工業(yè)以太網(wǎng)與主監(jiān)控系統(tǒng)通信。

圖2 分散式結(jié)構(gòu)模型

1.3 集散式結(jié)構(gòu)模型

集散式結(jié)構(gòu)模型集合了集中式結(jié)構(gòu)模型和分散式結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著地減少設(shè)備接線和設(shè)備重復(fù)安裝，相應(yīng)地減少二次設(shè)備的配置場地。由于是集散式結(jié)構(gòu)模型，所以二次設(shè)備之間的耦合度有了明顯的降低，故障分析和日常維護(hù)的工作量也大幅減少。但集散式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)也就顯而易見了，配置更加困難，方案設(shè)計(jì)的難度也大大提高，如圖3所示，變電站綜合自動化系統(tǒng)的集散式結(jié)構(gòu)模型，該模型將綜合自動化系統(tǒng)分成2 類模塊，一類是以本地監(jiān)控主機(jī)為主的監(jiān)控系統(tǒng)，另一類是以微控制器為主的保護(hù)控制系統(tǒng)，每類是按集中式結(jié)構(gòu)模型搭建，兩類之間以分散式結(jié)構(gòu)模型搭建。本地監(jiān)控主機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)中，本地監(jiān)控主機(jī)通過I/O 接口模塊與開關(guān)柜關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)字量和模擬量等被控量連接，將實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)送到顯示設(shè)備，并將參數(shù)打印供現(xiàn)場工程師分析排查異常。微控制器為主的控制系統(tǒng)通過I/O 接口模塊與主變壓器、輸電線路、電容等裝置連接，根據(jù)主監(jiān)控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，由現(xiàn)場工程師決策是否啟動相應(yīng)的保護(hù)。從該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上來看，該模型是集成了集中式結(jié)構(gòu)模型和分散式結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)點(diǎn)，將監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)分開，分別控制測量終端和保護(hù)終端，一定程度上解耦了二次設(shè)備，在日常維護(hù)和故障分析上，能夠更快更便捷地解決問題。

圖3 集散式結(jié)構(gòu)模型

1.4 多層次分布式結(jié)構(gòu)模型

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)階段的變電站綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用分層分布式結(jié)構(gòu)模型，如圖4 所示。該模型是按照設(shè)備所屬功能層級進(jìn)行分類，根據(jù)分類完成的配置。主要分為3 層：第一層是變電站層，該層利用站級主控制器及其外圍監(jiān)控裝置構(gòu)成主控層，完成信息的監(jiān)控、調(diào)度、處理。第二層為通信層也稱為總線層，該層主要是利用通信單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。第三層為間隔層，該層是利用了多個(gè)保護(hù)單元和輸入輸出單元來對一次設(shè)備進(jìn)行合理控制。多層次分布式結(jié)構(gòu)模型以變電站一次設(shè)備的結(jié)構(gòu)作為配置的依據(jù)，該模型設(shè)計(jì)的綜自系統(tǒng)綜合了集散式結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)，并兼顧了系統(tǒng)整體的保護(hù)與控制功能，二次回路的結(jié)構(gòu)一定程度上得到了簡化。軟件調(diào)試維護(hù)相對容易，配置靈活，系統(tǒng)整體可靠性高。

圖4 多層次分布式結(jié)構(gòu)模型

2 基于多層次分布分析法綜自優(yōu)化方案的研究

2.1 變電站綜合自動化系統(tǒng)優(yōu)化方案模型搭建

在變電站綜合自動化系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)過程中，要綜合考量變電單位制定方案時(shí)的關(guān)鍵指標(biāo)，通常情況下，主要需要考慮停電方式和時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)定等級、施工安全等。該文提出一種基于多層次分布分析法的綜合自動化系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)優(yōu)選模型及方法，以期在施工方案選取時(shí)提供實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值。

2.2 評判指標(biāo)體系構(gòu)建原則

2.2.1 評估體系的全面性

變電站綜合自動化系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)中，需要具體考慮到施工過程中可能出現(xiàn)的問題，通常這類問題多且涉及面廣，需要綜合考慮多目標(biāo)對象以及多指標(biāo)要求。

2.2.2 評估體系的科學(xué)性

變電站綜合自動化系統(tǒng)方案的評估主要由衡量指標(biāo)和

關(guān)鍵數(shù)據(jù)作為支撐，包括具有層次性的評價(jià)框架和客觀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2.3 評估體系的可實(shí)現(xiàn)性

變電站綜合自動化系統(tǒng)的評價(jià)體系構(gòu)建必須要滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)可采集、輸送、存儲的要求，并具備統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義。

2.3 評判指標(biāo)體系模型構(gòu)建

變電站運(yùn)行維護(hù)的4 大基本原則：可靠性、經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)性、實(shí)用性原則，結(jié)合傳統(tǒng)老舊變電站綜合自動化系統(tǒng)優(yōu)化改造的需求和特點(diǎn)，該文構(gòu)建了1 個(gè)兩級指標(biāo)評價(jià)模型，該兩級指標(biāo)評價(jià)體系包括4 個(gè)一級指標(biāo)點(diǎn)和9 個(gè)二級指標(biāo)點(diǎn)，如圖5 所示。

圖5 變電站綜合自動化系統(tǒng)建設(shè)方案評判指標(biāo)體系模型

2.4 基于多層次的分布分析法的優(yōu)化原理

在多要素、多目標(biāo)、多影響因素的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)和決策中，通常情況下，要素、目標(biāo)、影響因素并非完全獨(dú)立，而是相互耦合。在不同的實(shí)施過程中，往往會呈現(xiàn)出不同問題，因此，在優(yōu)化方案決策時(shí)往往難以憑借要素去選擇。在這樣的情形下，該文在變電站保護(hù)綜自改造方案評價(jià)優(yōu)選時(shí)，引入基于數(shù)據(jù)分析的評價(jià)優(yōu)選方法——多層次分布分析法，幫助決策者選取到最優(yōu)的變電站綜自改造方案。

多層次分布分析法的基本原則如下：首先，決策組根據(jù)特征點(diǎn)將整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)拆分為多個(gè)層級；其次，將各個(gè)層級的相關(guān)影響要素枚舉出來；再則，在每個(gè)層級內(nèi)，各個(gè)影響要素利用特定的標(biāo)度法進(jìn)行評分；最后，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)算式得出各個(gè)影響因素的權(quán)重。為選擇最優(yōu)方案提供更加合理、科學(xué)的決策依據(jù)。

2.5 基于多層次的分布分析法的優(yōu)化流程

多層次分布分析法的執(zhí)行策略可以分為以下5 個(gè)步驟，具體如下：1）構(gòu)建評判指標(biāo)體系。評價(jià)指標(biāo)體系作為評價(jià)系統(tǒng)的核心，可以全面有效地衡量方案所涉及的主要指標(biāo)點(diǎn)，搭建指標(biāo)評價(jià)體系必須要包括目標(biāo)層、標(biāo)準(zhǔn)層以及二級指標(biāo)點(diǎn)。2）依照九標(biāo)度法判定矩陣。將復(fù)雜問題拆解為多層級要素，利用九標(biāo)度法搭建多層次要素的判斷矩陣。3）計(jì)算特征向量并校驗(yàn)其一致性。通過計(jì)算該模型的特征向量，并校驗(yàn)其一致性，從而確保設(shè)計(jì)的模型合理有效[9]。4）計(jì)算特征值并校驗(yàn)整體一致性。通過計(jì)算該模型的組合特征向量，并利用歸一化數(shù)學(xué)處理方法整合系統(tǒng)所有的特征值，最后得到所有特征指標(biāo)值的權(quán)重，并再次檢驗(yàn)整體一致性。5）計(jì)算綜合得分并確定最優(yōu)方案。根據(jù)備選方案的指標(biāo)數(shù)值和權(quán)重系數(shù)，綜合計(jì)算各個(gè)備選方案，并根據(jù)綜合得分的高低確定最優(yōu)方案。

2.6 優(yōu)化方案應(yīng)用

如前所述，該文以瑞安市供電公司轄區(qū)的某110kV 變電站為例，開展綜合自動化系統(tǒng)方案優(yōu)化改造工作，制定改造施工方案。采用“主變+對應(yīng)高壓室”的電氣設(shè)備停電轉(zhuǎn)為檢修的分隔輪流停電的施工方式，例如#1 主變電停電改造期間，其饋線的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到#2 的高壓室，由#2 主變保持供電，同時(shí)與用電客戶或者負(fù)載協(xié)商停電，確定停電時(shí)間后逐個(gè)進(jìn)行饋線停電改造，其他“主變+高壓室”以此類推，可以保證用電負(fù)荷不間斷供電，也能保證綜合自動化系統(tǒng)優(yōu)化方案能夠切實(shí)執(zhí)行。

3 結(jié)論

該文充分研究和分析了變電站綜合自動化系統(tǒng)方案的發(fā)展歷程和發(fā)展歷程中的基本模型結(jié)構(gòu)，提出了一種基于多層次的分布分析法在變電站綜合自動化系統(tǒng)方案優(yōu)化上的模型及其方法，該模型較為深入地研究了集中式結(jié)構(gòu)模型、分散式結(jié)構(gòu)模型、集散式結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上搭建了多層次分布式結(jié)構(gòu)模型，該模型較為全面、科學(xué)且具備較好的可實(shí)施性，并在模型的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的評價(jià)體系，基本上能夠涵蓋電網(wǎng)運(yùn)行的4 個(gè)一級風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和其對應(yīng)的9個(gè)二級風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。并在該基礎(chǔ)上，對轄區(qū)內(nèi)某110kV 變電站綜合自動化系統(tǒng)的改造提出了實(shí)施方案，可以為決策者在現(xiàn)場工程建設(shè)中提供一定的實(shí)際指導(dǎo)作用。