变 配 电 站 综 合 自 动 化 系 统 的 应 用 与 发 展
上世纪九十年代后期变配电站综合自动化系统在我国电力系统开始应用，2000年开始已经得到普遍推广，常规保护与晶体管保护在电力系统变配电站已不再采用。我国自行开发与生产的变配电站综合自动化装置已进入第三代，并达到国际先进水平。由于产品不断改进，价格不断下降，工业与民用建筑变电站也开始推广变电站综合自动化系统。
1 定义
1.1变配电站继电保护及自动化
继电保护是电力系统安全可靠运行的重要保证，选择性、快速性、灵敏性与可靠性是电力系统对继电保护的基本要求。备用电源互投、母线测量电压自动切换、有载调压、无功补偿与远方调度是电力系统自动化的主要内容。
1.2变配电站综合自动化系统定义
变配电站综合自动化系统是以一个配电回路为单元由一台变配电站综合自动化装置（计算机）完成继电保护、就地监控与远方调度功能。变配电站内部所有变配电站综合自动化装置联网后形成一个变电站综合自动化系统。
2变电站综合自动化系统的特点
变配电站综合自动化系统（微机保护）的可靠性与动作正确率高，容易获得各种附加功能，保护功能容易得到改善。使用灵活、维护与调试方便，具有自诊断与远方监控功能。保护越复杂性能价格比越好。
3 变配电站综合自动化系统的基本要求
3.1集保护、测量、监视、控制和通信于一个分层分布式系统中。
3.2软件与硬件设计中保护与监控相互独立，又要相互协调。
3.3串行总线或现场总线接口。
3.4满足无人值班要求。
3.5先进、合理与统一的通信协议。
3.6高可靠性与高抗干扰能力。
3.7扩展性、适应性与兼容性好。
3.8标准化和开放性好，符合国家或部颁标准，接近国际标准。
3.9利用数字通信技术，实现数据共享。
3.10开发研制工作统一规划，统一指挥。
4 变配电站综合自动化系统的基本特征
4.1功能综合化。
4.2测量显示数字化。
4.3操作监视屏幕化。
4.4结构分层分布。
4.5通信局域网络化。
4.6运行管理智能化。
5 变配电站综合自动化系统的主要功能
5.1继电保护功能
5.1.1按照保护对象有：
发电机保护、变压器保护、电源进线保护、分段断路器保护、线路（出线）保护、高压电动机保护、高压电容器保护等。
5.1.2按照保护性质分为电量与非电量保护：
电量保护有无延时速断、带延时速断、定时限过电流、定时限过负荷、反时限过电流、反时限过负荷、距离、方向、差动、单相接地、过电压、低电压、励磁等。
非电量保护有轻瓦斯、重瓦斯、高温、超高温等。
5.2自动化控制功能
备用电源自投、重合闸与低周波减负荷等。
5.3监控功能
5.3.1测量：电流、电压与频率测量，有与无功功率、功率因数、有与无功电能计算等。
5.3.2信号：位置信号有断路器，隔离刀闸、接地刀闸、手车运行位置等。报警信号有轻瓦斯、重瓦斯、高温、超高温等。
5.3.3控制：遥控合分闸，保护跳闸、有载调压、自动并网等。
5.3.4记录：操作记录、预告与事故记录与故障录波等，
5.3.5谐波分析。
6 产品发展过程
6.1关键技术
交流采样是变配电站综合自动化装置的关键技术，交流电压与电流通过电压与电流互感器将高电压与大电流转换为统一的0～100V与0～5A交流电压与电流。变配电站综合自动化装置内部再将0～100V电压与0～5A电流经过电压与电流变换器（小互感器）转换为统一的交流电压信号，经过硬件电路将交流电压信号过零点定在A/D转换直流5V电源的2.5V，幅值调整在2.5V以内。由于计算机A/D转换的速度越来越快，一个周波可以采集20点以上，采集到各点瞬时值数据之后就可以由软件通过各种算法算出电流与电压有效值，算法有富里埃、微分法、极值法与平均值（积分）算法等，然后再计算出有功与无功功率、功率因数与电能。
6.2第一代产品
第一代产品出现于上世纪九十年代初期，CPU以51系列为主，外加A/D转换、开关量输入与输出以及通信等外部电路组成一个变配电站综合自动化装置或单元简称综保装置或单元。第一代产品抗干扰性能存在一定问题。
6.3第二代产品
上世纪九十年代中后期产品升级到第二代。CPU芯片选用80C196、80C551、80C552等，有些产品开始采用DSP信号处理芯片。变配电站综合自动化系统产品抗干扰性能有很大提高，已进入成熟阶段，开始在电力系统普遍推广应用。
6.4第三代产品
随着单片机技术的发展，上世纪末出现了以嵌入式CPU为核心的第三代产品，采用液晶显示,结构设计上注意信号数据流向,外部接口分为模拟量输入，开关量输入与输出以及电源与通信三大部分,所有信数据直接引向CPU，中间无交叉,开关量输入电压提高为交直流220V,有些还采取了两级光电隔离。嵌入式CPU又称无总线CPU，集成度与工作速度大大提高,程序与数据存储器、A/D转换与通信芯片全部集成于CPU芯片内，程序固化采用电擦除（Flash），便于开发.第三代产品体积减少，抗干扰性能强，加工量减少，成品率提高，价格降低，功能也有所加强。
6.5变配电站综合自动化系统发展的最新技术
6.5.1数字化变电站是变配电站综合自动化系统（微机保护）发展的最新技术。电流与电压互感器以及各种操动机构全部为智能化与数字化单元，由双路光纤与两套计算机组成全数字化变配电站综合自动化系统（微机保护）。
6.5.2现场总线技术的出现是工业自动化控制领域的又一次革命。各单元之间可以相互交换信息，并可以独立运行，上位计算机只负责管理。电气设计只剩下单元选择与通信网络设计，设计工作量大为减少。数字化变电站就是现场总线技术在变配电站综合自动化系统（微机保护）中的具体应用。
6.5.3数字化变电站采用无铁心的新型电流与电压互感器，以及智能化断路器；目前只适用于户外变配电站，对于采用开关柜的户内变配电站，还难以实现。但有些控制方法与设计思路可以用于备用电源互投与保护选择性连锁等，以简化外部电缆设计。
6.5.4国外有无外部电源的微机保护装置，其电源由电流互感器在短路后提供，类似于交流操作的电流脱扣器。在正常显示与调试上，还有不少问题需要研究。
7存在问题
7.1算法
富里埃算法要在半个或一个周波内完成采样后再进行处理，再加上出口继电器动作时间，一般无延时速断保护输出时间为35ms，有些产品采用突变量启动来提高继电保护出口动作时间，它通过高速A/D采集来的数据,判别电流采样值的突变量。
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突变量超过规定值后，只运行保护采样、计算与处理程序，可以提高继电保护的出口速度，但在抗干扰方面硬件与软件都要采取一定措施，最大值启动也是研究的一个方向，它可以在半个周波之内完成继电保护动作值处理，在抗干扰处理上也相对简单可靠。
7.2功能
采用计算机之后，保护功能大大加强，一个装置可以完成各种保护。所以保护功能越复杂，其优越性越大，但现有产品多以电力系统继电保护要求来设计，对于终端站,特别是用户站许多功能用不上，给继电保护整定造成一些困难。备用电源自投与母线测量电压自动切换尽量由软件来完成，可以简化或取消外部接线。
7.3二次接线设计
现有产品国家尚无统一的产品制造标准，不仅功能不统一，端子排列与定义与外形尺寸差别很大，产品说明书标注不规范,给二次接线设计造成很大困难。
8发展中需解决的问题
8.1产品标准
国家应尽快制定产品标准，在功能,结构,特别是在端子定义上尽量统一，也可以按用途分为几类产品，制定出不同标准。
8.2开发应关注的问题。
8.2.1硬件应采用通用型，方便设计选用。
8.2.2结构采集及处理与显示应分为两体，便于安装接线。
8.2.3软件按照保护种类组态，便于保护设置与整定。
8.2.4软件设置并运行多套保护定值，便于保护选择性配合，减小或消除保护死区。
8.2.5利用通信技术，实现保护选择性连锁、备用电源互投等。防止越级跳闸，可取消外部控制与信号电缆
8.3设计规范
设计规范也应结合变配电站综合自动化的功能作一些必要的修改，在保护整定值计算上也应有较为统一的规定。
8.4二次电路标准图设计
现在国家还没有统一的变配电站综合自动化系统二次电路设计标准图，在产品逐步统一以及设计规范修订的基础上，尽快完成标准二次电路设计。
9二次电路设计
9.1二次电路设计的内容
变配电站综合自动化系统二次电路设计可以分为测量回路，保护与控制回路、信号回路以及变配电站综合自动化装置的供电电源等几个部分。有计算机时还需要设计通信线与集中报警信号线，无计算机时只需要设计分路报警的信号线。除继电保护功能必须保证外，有备用电源自投，母线测量电压自动切换等自动化要求时，也应在二次电路设计中来完成。
9.2测量回路
测量回路涉及到的问题主要有两电流互感器与三电流互感器，电压互感器为V/V或Y/Y/△型，有无零序电流互感器或采用零序滤序器，有无电能表与指示仪表。220/380V低压系统有无剩余电流测量等。
9.3保护与控制回路
保护与控制回路涉及到的问题主要有防跳电路，进线与母联连锁，手车柜手车位置以及固定柜隔离刀闸位置信号，备用电源互投与来电自恢复，保护出口连接片以及弹簧储能与永磁操动机构合分闸与防跳回路设计，电磁操动机构基本上不再采用。对于电动机以及集中组屏还要考虑两地操作问题。
9.4信号回路
信号回路设计首先要弄清楚信号回路电压为直流弱电还是与控制回路电压一致的交流220V，直流220V或110V。对于变压器重瓦斯与超高温跳闸以及电动机现场故障跳闸是否通过信号回路，由软件进行跳闸。信号回路有断路器位置，手车柜的手车位置，固定柜的隔离刀闸位置，接地刀闸位置以及弹簧储能与永磁操动机构的储能位置，变压器的瓦斯与温度信号与高压电动机的运行与事故信号等。
9.5操作电源
操作电源采用不接地系统并加绝缘监测。操作电压有直流220V，110V与交流220V三种，弹簧储能与永磁操作机构合分闸电流较小，采用直流操作时最好选用110V电压，以减少蓄电池串联个数，蓄电池容量在不考虑站内事故照明时可选10～38AH。交流操作应选用UPS或EPS电源，输出应加隔离变压器，切换时间不大于20mS。
10备用电源备自投
变配电站综合自动化装置都具有备用电源备自投功能，有些单独为一个装置，外部线路设计复杂。应优先选用电源进线具有备用电源备自投功能的变配电站综合自动化装置，并充分发挥其软件功能,减少一个装置，外部线路设计也简单。220/380V低压监控也应增加备用电源备自投功能，以简化二次电路设计。
11母线测量电压切换
变配电站综合自动化系统的电压互感器测控装置，应具有母线测量电压自动切换功能，有高压电动机或电能表比较多时，需要设计母线测量电压自动切换。自动切换二次电路设计要简单可靠。
12变电站电缆平面图设计
变配电站一定要设计电缆表，否则会给工程施工与调试造成一定困难，电缆表中包括从直流屏或交流电源屏到开关柜的各种电缆。开关柜之间的各种连锁电缆，变配电站综合自动化装置到变压器与电动机的电缆，开关柜到信号屏与模拟屏之间的电缆以及到计算机系统的通信电缆等。有了电缆表可以不再设计电缆平面图，但引出电缆的电缆应预埋好电缆套管，或敷设好电缆桥架。
