隨著電力系統自動化技術的迅猛發展，各地區電網都在建設和實現無人值班變電站。變電站自動化系統是新建無人值班變電站的發展主流，且技術已日益成熟，特別是分層分散分布式變電站自動化系統更以其卓越的性能受到廣泛的歡迎，而且已經為電網的安全經濟運行發揮了巨大作用。本文以長沙馬王堆變電站為例，采用由法國施耐德電氣公司的Sepam數字式微機保護所組成的分層分布式變電站自動化系統，分析了該系統的結構特點，從應用設計、現場驗收、運行管理出發，論述了當今變電站自動化建設中的實情和發展趨勢。
1 Sepam系統的特點
1.1 系統的組成
Sepam系統由Sepam數字式微機保護單元和ISIS監控系統單元組成。ISIS監控系統的核心是ES1000監控系統軟件，其中ISIS監控系統主要由中央計算機系統、通信網絡和Sepam保護單元三大部分組成。Sepam系統的數字式微機保護單元，主要由Sepam2000，Sepam1000，Sepam100三大類型所組成，且每一種類型有多種可供選擇的型號，以適應不同電壓等級不同保護方式、保護類型的需要。Sepam2000主要用于主設備保護，Sepam1000主要用于母線保護(本例中110kV終端站未用母線保護功能)及電流互感器、電壓互感器測量監視，Sepam100用來實現模擬圖顯示和實現就地及遠方控制之間的切換用。
1.2 系統的特點
Sepam系統功能強大，可以完成各種電壓等級下的保護、控制、監控、PLC(可編程)、四遙、報警、事件記錄等功能。保護功能先進、可靠、全面。為了查找故障原因及了解故障的嚴重程度，能提供跳閘時每相及接地故障電流值；根據開關檢修及預試周期的特點，能記錄開關動作次數，以便及時查詢哪臺開關需要檢修。大屏幕高清晰度的液晶顯示，能顯示和查找各種電量參數和非電量信息；故障顯示通過每相跳閘電流的讀取和貯存顯示故障相。設置獨有的EMS(電磁兼容)板，即使在有強干擾的環境下(如HV變電站)也能安全可靠運行，全面符合IEC標準；使它能夠在變電站內采用高級的數字技術而不需要采用任何防護措施。帶電時每個端子之間都是互不連接的，維護簡單，定值整定和測試非常方便。控制邏輯功能強大，通過簡單的參數設定就能滿足多種應用模式的需要。特別是設有具有強大內置的PLC，使得變換設置更靈活。本系統具有連續動態自檢能力的智能電子裝置，輸入輸出接點的數量可通過加裝擴展板來實現，讀取數據可以帶有相位，給運行、維護人員帶來了極大的方便。由于通常保護CT需要大飽和倍數，正常測量精度不能滿足準確的控制、測量和報警的要求，而測量CT低飽和倍數難以滿足保護大過流倍數的要求，因此Sepam以基于特殊的Rogo Wski線圈原理制作的CSP線圈的電流互感器(無磁芯)，可以提供很寬的動態范圍和突出的線性度。ES1000軟件功能強大，圖形界面清晰，人機界面友好，實現對系統運行狀態和測量值的監視，具有實時和對過去運行趨勢曲線圖的自動跟蹤記錄等功能；運行過程中的報警顯示、顯示打印和運行報告登錄，對各部件進行遙控，故障后的網絡自動重構，根據用戶付費進行能量管理，對不同地點的用戶進行費用分配。
2 應用設計分析
2.1 系統設計思想
Sepam系統是一個完整的變電站自動化系統，除在各控制保護單元保留緊急手動操作跳、合閘手段外(本例用Sepam100作模擬圖功能顯示和實現就地及遠方切換)，其余全部的控制、監控、測量和報警功能均可通過計算機監控系統ISIS完成，變電站無需另設遠動終端設備(RTU)，監控系統完全滿足“四遙”的功能及無人值守的需要。
從系統設計的角度來看，該系統具有以下特征：
(1)分布式設計
系統采用模塊化，分布式開放結構，確保各控制保護功能的可靠性及系統的可升級性，各控制保護功能均分布在開關柜或盡量靠近開關的控制保護柜上，主變中的主、后備保護分離，備自投都集中組屏在控制室里，所有的控制、保護、測量、告警等信號均在就地單元內處理成數據信號后，經由RS-485通信接口，通過專用通信電纜傳輸至主控室的監控計算機，各就地單元相互獨立，不會相互影響，保護功能完全不依賴于監控計算機。增強了整個系統的可靠性和可用性，整個系統把各饋線、站用變、主變、直流電源系統、電容器綜合補償裝置、防火消防與監控計算機相聯，形成一個完整的計算機網絡系統。如圖1所示。
圖1 馬王堆110kV變電站網絡系統圖
Fig.1 Network system diagram of Mawangdui
110kV substation
(2)簡單可靠
由于采用可直接安裝于開關柜和靠近開關的控制保護柜上的集成化就地控制保護單元，簡化了二次接線，開關室或開關場與主控制室之間僅有通信屏蔽電纜連接，使控制電纜減少到最低限度，并有很強的抗電磁干擾能力。
(3)可擴展性
系統設計采用網絡系統結構方式，充分考慮今后變電站規模及功能擴充的需要，當變電站規模和系統擴大時，就容易通過增加就地控制保護單元的方法來實現，而且能通過網絡的拓展，使系統逐步擴充和完善。
(4)系統兼容性好
系統由標準化的軟、硬件組成，數據庫用類似于工業BASIC語言集成，數據庫函數功能強大靈活，并配有標準的RS-485串行通信接口，專用智能通信卡applicom，規約轉換器，調制解調器，Sepam數字式微機保護裝置用的通信聯接盒CCA609，通信保護鍵dongle，用戶可按照站內的需要靈活配置，組成一個監控網絡，系統軟件也能容易適應計算機技術的高速發展。
(5)經濟性
由于極大限度地簡化了二次接線和二次設備的配置，大大減少了主控室和保護室的面積，消除了控制電纜及電纜層，提高了系統的易維護性，因而可顯著地降低變電站的綜合造價。
2.2 系統的功能
系統與用戶之間的交互界面為視窗圖形化顯示，利用鼠標控制所有功能鍵等標準方式，使操作人員能直觀地進行各種操作，系統所用的程序菜單為樹狀結構，用戶利用菜單可以容易到達各個控制畫面，每個菜單的功能鍵上均有清楚的文字說明以及所要到達的畫面，所有系統的原數據，均為實時采集并來自現場的就地控制保護單元，經由串行通信接口傳送到監控計算機作處理顯示。為了防止誤操作，實現了權限管理，通過給予操作人員不同的登錄密碼，系統可把各用戶分成不同級別，不同級別用戶擁有不同的權限，系統應用程序的每一項功能均能按用戶要求及系統設計而改編，以便于修改和符合實際需要。
3 現場調試運行情況分析3.1 調試驗收初期情況
按照技術協議和系統設計特點，Sepam綜合自動化系統進入調試運行階段時發現了存在的問題。如Sepam2000中PLC芯片燒壞；開關作傳動試驗時，從一次側、二次側升流到過流狀態時，開關跳閘，其跳閘電流反應較慢；速斷動作時，電流在監控計算機上根本不顯示，且不能顯示故障屬于哪一段、哪一相等信息；保護控制回路電源與開關機構控制回路電源不獨立；電壓切換時或有極短暫的交流失壓時，監控計算機有死機現象。
根據這些現象，經過詳細認真的分析，發現Sepam2000中的PLC燒壞與開關的彈簧機構是否蓄能到位有關。因原設計中，只考慮到Sepam2000裝置中有ESB出口的PLC板，其中設有防跳繼電器和出口中間繼電器的功能，而實際情況是開關機構采用的是彈簧機構，由于彈簧機構在我國的應用不多，加之國產的工藝質量達不到完全可靠的要求，特別是蓄能變位靈敏性能不高，從彈簧蓄能到完全儲能具有明顯的時間差異，使得開關的輔助常開常閉觸點動作不能及時到位，最終靠Sepam2000中的PLC的電子觸點來斷弧，從而造成Sepam2000PLC芯片燒壞。
針對這種情況，提出了解決問題的兩種途徑：一是更換開關的彈簧機構，采用ABB公司的產品。這種辦法由于費用太高，不可取。二是采用外掛繼電器的辦法，增設1個防止跳躍的集成電路中間繼電器、1個檢測彈簧機構是否儲能的中間繼電器、1個跳閘繼電器和1個合閘繼電器。通過采用微機繼電保護綜合測試儀對每個開關保護單元做了傳動試驗，結果能滿足保護校驗規程的要求。改造設計后的裝置，經過一年多的操作和運行，證明是可靠的。
其余缺點是由于通信通道和通信程序的問題，以及Sepam2000數字式微機保護裝置中重合閘的時間計數器中各種時間參數設置不合理造成的，交流失壓在加裝UPS后恢復正常。
3.2 系統性能綜合缺陷
無瞬時報警畫面切換顯示。系統通信中采用1801polling方式與調度通信，并采用JBUS規約與當地兩臺applicom通信卡進行通信。由于1801規約的容量限制，不能傳送全部變位數據信息，只能折中地采用掛葫蘆的方式，程序中字節實施壓縮技術。通信接口采用RS-485。由于RS-485接口網絡上只能有一個主節點，無法構成多主冗余系統，導致系統可靠性差。數據通信方式是命令響應式，從節點只能在收到主節點的命令后才能響應，一些重要的變位信息得不到及時上送，使得系統靈活性差、實時性差、糾差能力也差。
3.3 運行狀況
經過一年多的運行，系統運行穩定，操作靈活可靠，實現了真正的無人值守，起到了城區110kV無人站示范作用，為今后變電站自動化和無人值守變電站的建設積累了經驗，培養了運行、檢修人員。
4 技術發展趨勢 變電站自動化系統隨著計算技術的發展而日新月異，基于電力系統技術的要求和特點，發展的趨勢是：
(1)對中、低壓變電站，保護和控制要求應盡量綜合統一；
(2)對高壓、超高壓中心樞紐站，保護和控制必須具有相對的獨立性；
(3)自動化系統應具有很強的軟、硬件兼容性和可升級性，以適應計算機技術、電力電子技術的高速發展，系統體系結構采用分散式、開放式系統的結構，并具有易于擴充的功能。
(4)采用和跟蹤基于ATM的通信網絡與交換技術，采用智能電子規約轉換器，以適應internet/intranet網絡技術的發展，逐步實現與國際規約IEC870-5系列國際標準相適應
