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摘要摘要 本论文是对变电站综合自动化系统的研究。变电站综合自动化技术 是应用计算机技术、通信技术、检测技术和控制技术等，将变电站中传 统的继电保护系统、测量系统、调节系统、信号系统和远动系统等多个 独立的功能系统，经优化组合为一套智能化的综合系统。 本论文在第一章中主要是分析了变电站综合自动化系统的由来和发 展概况；第二章主要是分析变电站综合自动化系统的基本内容、功能和 设计变电站综合自动化时要遵循的设计原则；第三章中主要是分析变电 站综合自动化系统硬件结构形式；第四章中分析综合自动化系统内部以 及对外信息传输的通信原理与技术；第五章是本论文的主体部分，主要 是以南瑞公司生产的 NS2000 变电站综合自动化为主体进行分析研究，并 通过对组成 NS2000 系统的各重要部件进行分析，进一步阐述变电站综合 自动化系统的工作流程。 关键词关键词：变电站综合自动化系统 通信技术 人机界面。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 1 - Summary This thesis is a research that synthesizes the automation to the transformer substation.Transformer substation comprehensive automation up transformer substation the comprehensive automation technique applies in the computer technique, corresponds by letter the technique and examines the technique and controls the technique.etc., protecting transformer substation in traditional after the electricity system, measure the system, regulate the system, the signal system and far move the system etc. several function system of independence, through excellent turn the combination for comprehensive system that a set of intelligence turn. This thesis is in chapter 1 mainly is to analyze the comprehensive automation of transformer substation since and development general situation;Chapter 2 mainly is an analytical transformer substation synthesize the basic contents, function and the design transformer substations of the automation comprehensive automation hour want the design principle for follow;Mainly is an analytical transformer substation in chapter 3 comprehensive utomation hardware structure form;Analytical comprehensive utomation in chapter 4 inner part and outward the correspondence principle and techniques that information deliver;Chapter 5 is the corpus part of this thesis, is mainly transformer substation of NS2000 that produces with the Nanrui company comprehensive change into the corpus to carry on the analytical research automatically, and pass to carry on the analysis to each important parts of constitute the system of NS2000, further elaborating that the transformer substation synthesizes the workflow of the automation. Keyword：Comprehensive automation of transformer substation, correspondence technique, man-machine interface. 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 2 - 目录目录 前言前言.- - 2 2 - - 1 1 绪论绪论.- - 3 3 - - 1.1 变电站综合自动化的优越性 .- 3 - 1.2 变电站综合自动化系统的发展阶段.- 4 - 2 2 变电站综合自动化系统的内容、功能和要求变电站综合自动化系统的内容、功能和要求.- - 8 8 - - 2.1 变电站综合自动化系统的主要内容.- 8 - 2.2 变电站综合自动化的基本功能.- 9 - 2.3 变电站综合自动化系统的设计原则与要求.- 9 - 3 3 变电站综合自动化变电站综合自动化系系统统的硬件结构的硬件结构.- - 1212 - - 3.1 变电站综合自动化系统的结构形式.- 12 - 3.2 变电站综合自动化系统硬件.- 13 - 3.2.1 模拟量输入/输出回路 .- 14 - 3.2.2 开关量输入及输出电路 .- 16 - 3.2.3 人机对话硬件 .- 18 - 3.2.4 键盘响应 .- 18 - 3.2.5 屏幕显示电路.- 19 - 3.2.6 打印机的接口电路.- 19 - 4 4 变电站综合自动化系统的通信变电站综合自动化系统的通信.- - 2020 - - 4.1 变电站综合自动化系统通信传输方式 .- 20 - 4.1.1 综合自动化系统与控制中心通信 .- 21 - 4.1.2 变电站内的信息传输 .- 22 - 4.2 变电站综合自动化系统通信的特点.- 22 - 4.3 基于 CAN 总线的变电站通信网络 .- 23 - 4.3.1 变电站综合自动化系统通信 .- 23 - 4.3.2 变电站综合自动化通信结构单元 .- 24 - 5 5 NS2000NS2000 变电站综合自动化系统变电站综合自动化系统 .- - 2727 - - 5.1 NS2000 综合自动化系统特点 .- 27 - 5.1.1、主要功能 .- 29 - 5.1.2 NS2000 系统构成.- 30 - 5.1.3 通信网络 .- 32 - 5.2 NS2000 变电站综合自动化计算机监控系统 .- 34 - 5.2.1 系统结构及软硬件配置 .- 39 - 5.2.2 系统软件运行环境.- 42 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 3 - 5.2.3 支撑平台系统.- 44 - 5.2.4 数据采集和监控系统（SCADA）功能.- 46 - 5.3 NSC200 系列通信控制器 .- 48 - 5.3.1 NSC200 通信控制器硬件结构及原理.- 49 - 5.4 NSD200 系列通用测控装置 .- 53 - 5.4.1 NSD200 系列通用测控装置硬件结构.- 53 - 5.4.2 NSD200 组态软件.- 57 - 5.4.3 NSD100/500 系列测控装置.- 57 - 5.5 NSR500 系列微机保护装置 .- 58 - 5.5.1 NSR530 系列变压器保护装置.- 59 - 5.5.2 NSR540 系列备自投装置.- 60 - 5.5.3 NSR550 系列通信管理机及其它辅助装置.- 61 - 5.5.4 NSR570 系列线路、馈线保护装置.- 61 - 5.5.5 NSR580 系列电容器保护装置.- 61 - 结束语结束语.- - 6363 - - 致谢致谢.- - 6464 - - 参考文献参考文献.- - 6565 - - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 4 - 前言前言 变电站是电力网中的线路连接点，是用以变换电压、交换功率和汇 集、分配电能的设施。变电站中有不同电压的配电装置、电力变压器、 控制、保护、测量、信号和通信设施以及二次回路电源等。有些变电站 中还由于存在无功平衡、系统稳定和限制过电压等因素，需要装设同步 调相机、并联电容器、并联电抗器、静止补偿装置、串联补偿装置等。 另外，随着用电负荷的不断增长和负荷密度的加大，变电站的电压等级 和容量不断提高，对供电可靠性的要求也越来越高，为此需要提高变电 站的自动化水平。 变电站综合自动化技术应用计算机技术、通信技术、检测技术和控 制技术等，将变电站中传统的继电保护系统、测量系统、控制系统、调 节系统、信号系统和远动系统等多个独立的功能系统，经优化、组合为 一套智能化的综合系统。这一技术的应用，提高了对变电站电气设备和 电力系统进行监视、控制和保护的自动化、智能化水平，提高了保护、 控制的可靠性和电力系统的安全运行水平，社会经济效益十分显著。此 论文是以 NS2000 变电站综合自动化系统主体的变电站综合自动化系统研 究。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 5 - 1 1 绪论绪论 变电站综合自动化是将变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系 统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计,利 用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术,实现对 变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机 保护,以及与调度通信等的综合性的自动化功能。 1.11.1 变电站综合自动化的优越性变电站综合自动化的优越性 由于传统变电站存在着安全性及可靠性不高、供电质量缺乏科学性、 不适应电力系统快速计算和实时控制、维护工作量大且设备可靠性差的 特点，在新建变电站中大都采用变电站综合自动化系统，增加了四遥功 能，提高了变电站的自动水平，实现无人值班和调度自动化管理。 变电站实现综合自动化的优越性主要有以下几个方面。 1 提高变电站的安全，可靠运行水平。有的自控装置兼有监视其控 制对象工作是否正常的功能，一旦发现其工作不正常，能及时发出告警 信息。更为重要的是，微机保护装置和微机型自动装置具有故障自诊断 功能，这是综合自动化系统比其常规的自动装置或“四遥”装置突出的 特点，可使得采用综合自动化系统的变电站一、二次设备的可靠性大为 提高。 2提高了供电质量，提高电压合格率。由于在变电站综合自动化系 统中包括有电压，无功自动控制功能，对于具备有载调压变压器和无功 补偿电容器的变电站，可以大大提高电压合格率，保证电力系统主要设 备和各种负荷电器设备的安全，使无功潮流合理，降低网损，节约电能。 简化了变电站二次部分的硬件配置。在变电站综合自动化系统中， 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 6 - 对某个电气量只需要采集一次便可以供全系统共享。 提高电力系统的运行、管理水平。变电站实现自动化后，监视、 测量、记录、抄袭等工作都是由计算机自动完成，既提高了测量的精度， 又避免了人为的主观干预。运行人员只要通过观看CRT屏幕，对变电站 主要设备和各输、配电线路的运行工况和运行参数便一目了然，大大提 高运行管理水平。 缩小变电站占地面积，减少总投资。一方面，由于变电站综合自 动化采用微机和通信技术，可以实现资源共享，同时由于硬件电路多数 采用大规模集成电路，机构紧凑、体积小、功能强，与常规的二次设备 相比，可以大大缩小变电站的占地面积。另一方面，随着微处理器和大 规模集成电路的不断降价，微计算机性能/价格比逐步上升，使综合自动 化系统的造价也逐渐降低，而性能和功能则逐步提高，因而可以减少变 电站的总投资。 6减少维护工作量，减少值班员劳动量。由于综合自动化系统中， 各子系统有故障自诊断功能，系统内部有故障时能自检出故障部位，缩 短了维护时间。微机保护和自动装置的定值又可在线读出检查，可节约 定期核对定值的时间。而监控系统的抄表、记录自动化，值班员可不必 定时抄表、记录。如果配置了与上级调度的通信功能，能实现遥测、遥 信、遥控、遥调，则完全可实现无人值班，达到减人增效的目的。 7有利于提高变电站无人值班管理水平。综合自动化系统可以采集 比常规运动装置更多的变电站运行信息和设备状态信息，这些信息可以 迅速发往上级调度中心。综合自动化系统还能将二次设备的运行状态和 故障自诊断的信息向调度主站报告，这些都是常规的变电站所没有办法 达到的。因此，采用综合自动化系统不仅可以全面提高无人值班变电站 的技术水平，也可提高其可靠性。 正是由于变电站综合自动化系统具有以上优点，现在，变电站综合 自动化系统已经开始广泛应用与新建变电站中，对传统的变电站也进行 着综合自动化系统改造。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 7 - 1.2 变电站综合自动化系统的发展阶段变电站综合自动化系统的发展阶段 1、国外变电站综合自动化发展概况 20 世纪 70 年代末，英国、意大利、法国、西德、澳大利亚等国新 装的运动装置都是微型机的个别有用 16 位小型计算机的，布线逻辑的远 动装置已经开始淘汰。供电网的监控功能正以综合自动化为目标迅速发 展，除“三遥”外，还增加了：（1）寻找并处理单相接地故障；（2） 作为保护拒动或短路器拒动的补充保护；（3）负荷管理；（4）成组数 据记录，其中包括负荷曲线、最大需量、运行数据、事故及事件顺序记 录等；（5）自动重合闸及继电保护。 20 世纪 80 年代以后，研究变电站综合自动化系统的国家和大公司 越来越多，包括德国西门子公司、ABB 公司、AEC 公司、美国 GE 公司、 西屋公司，法国阿尔斯通公司等。这些公司都有自己的综合自动化系统 产品。 1985 年，西门子公司在德国汉诺威正式投运第一套变电站自动化 系统 LSA67B，至 1993 年已经有 300 多套同类型的系统在德国本土及欧 洲其他国家不同电压等级的变电站投入运行。 国际电工委员会第 57 次技术委员会成立了“变电站控制和保护接口” 工作组，负责起草该接口的通信标准。该工作组由 12 个国家（主要集中 在北美和欧洲，亚洲有中国，非洲有南非）2000 位成员参加。从 1994 年 3 月到 1995 年 4 月举行了四次讨论会，与 1995 年 2 月向 IEC 秘书处 提交了保护通信伙伴标准 IEC60870-5-103，为控制与保护之间的通信提 供了一个国际标准。 2、 我国变电站综合自动化的发展过程 我国变电站综合自动化研究开始于 20 世纪 80 年代中期。1987 年， 清华大学电机工程系研制成功第一个符合要求的变电站综合自动化系统， 在山东威海望岛变电站成功地投入运行。该系统主要由 3 台微机及其外 围接口电路组成。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 8 - 20 世纪 80 年代后期，不少高等院校、研究单位和生产厂家投入到 变电站综合自动化的研究中。90 年代，召开了规模很大全国变电站综合 自动化研讨和技术经验交流会。规模比较大的单位有南瑞公司、四方公 司等，变电站综合自动化系统的产品种类越来越多。 近几年来，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，网络技术、 现场总线等的出现，为提高变电站综合自动化技术水平提供了技术支持。 90 年代中，变电站综合自动化已经成为电力系统自动化最重要的装置， 其功能和性能也不断完善。变电站综合自动化已成为新建变电站的主导 技术。 3、 综合自动化系统的发展趋势 随着电力工业的发展，以及微机通信技术的广泛使用，变电站综合 自动化技术也取得了巨大进步。从 20 世纪 80 年代起，我国先后开展了 变电站综合自动化工作，到 90 年代初，结合变电站技术改造和变电站无 人值班工作的开展，出现了多种结构、功能不一的变电站综合自动化系 统。现在，这项技术正向纵深发展。 1由功能分散向单元分散发展 早期的变电站综合自动化系统，通常将微机保护、微机监控、故障 录波、微机运动等按功能分散考虑，一个功能模块管理很多个设备、多 个单元。现在更多地考虑分散性，让一个综合模块去管理一个电气系统， 这种综合模块既可分散安装在电气单元附近，也可适当集中到一个控制 小间。这种单元分散式模块的独立性很强，硬件故障不会波及到其他单 元。 2由集中控制向分散方式网络发展 早期的变电站综合自动化系统是由传统自动化发展起来的，大多数 采用集中控制方式，硬件上采用总线插槽中插入功能模块。这种结构一 方面要将设备单元的信息通过电缆集中；另一方面数据通信处理能力受 到限制，系统可靠性不高。采用网络结构，特别是分布式的网络结构， 可从根本上克服了集中控制的缺点。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 9 - 3由功能向多功能发展 变电站综合自动化系统所能完成的功能是逐步增加的。早期的变电 站综合自动化系统仅是传统功能的简单集中，现在则在多个面增加功能、 增强其综合性。例如、从测量、监控、保护相对独立发展到测量、监 控、保护一体化。故障录波由微机保护兼容，省去了故障录波装置。 电压无功综合控制纳入变电站综合自动化系统。操作闭锁已成为变 电站综合自动化系统的功能之一。变电站中原来未能实现独立自动化的 功能正在逐步由变电站综合自动化系统来完成。 4向测量数据完全共享发展 变电站综合自动化数据完全共享是指继电保护所需的输入信息和测 量信息完全共享。测量信息完全共享的优点是：保护和测量可以共用同 一个 CPU 和共用相同的模拟量输入通道，即同一个功能单元既完成保护 的功能，也完成测量的功能，因此可减小测控单元体积，降低设备造价. 。 变电站综合自动化向规范化方向发展 变电站综合自动化技术的迅猛发展和良好前景，吸引了越来越多行 业技术力量的参与。随着变电站综合自动化系统产品制造商越多，技术 规范和标准的制定和实施等更为重要。国际电工委员会第 57 技术委员会 （IEC TC57）已经颁布了与此相关的 IEC 60870-5 系列标准，我国也陆 续推出了与之配套的相关标准 DL/T634-1997，DL/T667-1999，DL/T719- 2000 等。变电站综合自动化系统的开发商都按照标准组织生产，将有利 于系统的集成，有利于变电站综合自动化技术的推广和发展，有利于变 电站综合自动化技术水平的提高。 变电站综合自动化更深层次的发展，必然使变电站综合自动化系统 的功能更加强大，其应用范围也必然更为全面。变电站综合自动化深层 次，宽范围的发展，必然能极大促进电力系统的长足发展。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 10 - 2 2 变电站综合自动化系统的内容、功能和要求变电站综合自动化系统的内容、功能和要求 变电站综合自动化系统具有强大的功能，无论监控控制功能还是微 机保护方面都是常规模式所不能比拟的。完善的操作性能、强大而趋于 完善的功能，正是变电站综合自动化系统独特的性能。 2.12.1 变电站综合自动化系统的主要内容变电站综合自动化系统的主要内容 变电站综合自动化的内容主要包括变电站电气量的采集和电气设备 （如断路器等）的状态监视、控制和调节。通过变电站综合自动化技术， 实现变电站正常运行的监视和操作，保证变电站的正常运行和安全。当 发生事故时，由继电保护和故障录波等完成瞬态电气量的采集、监视和 控制，并迅速切除故障，完成事故后的恢复操作。 由于变电站有多种电压等级，在电网中所起的作用不同，变电站综 合自动化在实现的目标上可分为以下两种情况： 对220kV及以下中、低压变电站，采用自动化系统，利用现代计 算机和通信技术，对变电站的二次设备进行全面的技术改造，取消常规 的保护、监视、测量、控制屏，实现综合自动化，以全面提高变电站的 技术水平和运行管理水平，并逐步实行无人值班或减少人增效。 对220kV以上的变电站，主要是采用计算机监控系统提高运行管 理水平，同时采用新的保护技术和控制方式，促进各专业在技术上的协 调，达到提高自动化水平和运行、管理水平的目的。 此外，变电站综合自动化的内容还应包括监视高压电器设备本身的 运行（如断路器、变压器和避雷器等的绝缘和状态监视等） ，并将变电站 所采集的信息传送给调度中心，必要时送给运行方式科和检修中心等， 以便为电气设备监视和制定检修计划提供原始数据。 变电站实现综合自动化的基本目标是提高变电站的技术水平和管理 水平，提高电网和设备安全、可靠、稳定运行水平，降低运行维护成本， 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 11 - 提高供电质量，并促进配电系统自动化。 2.22.2 变电站综合自动化的基本功能变电站综合自动化的基本功能 变电站综合自动化的基本功能包括下面几个方面： 1、监视和控制功能 、数据采集。 模拟量的采集； 状态量的采集； 脉冲量的采集。 事件顺序纪录SOE。 事故纪录、故障录波和故障测距。 操作控制功能。 安全监视功能。 人机联系功能。 打印功能。 数据处理与纪录功能。 谐波分析与监视。 2、微机保护功能。 微机保护的功能。高压输电线路的主保护和后备保护； 主变 压器的主保护和后备保护； 无功补偿电容器组的保护；母线保护； 配电线路的保护； 不完全接地系统的单相接地选线。 电压、无功综合控制。包括集中控制、分散控制、关联分散控制。 低频减负荷控制。 备用电源自投控制。 通信功能。 时钟功能。 自诊断功能。 2.32.3 变电站综合自动化系统的设计原则与要求变电站综合自动化系统的设计原则与要求 变电站综合自动化包含了变电运行、继电保护、测量监控、运动和 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 12 - 通信等多个方面。随着变电站综合自动化系统的技术水平的提高，体系 结构的不断改进，为了达到变电站综合自动化的总体目标，在设计变电 站综合自动化系统时，必须考虑以下原则要求： （1）系统运行的安全性。变电站微机保护的软件、硬件设置，既 要与监控系统相对独立，又要相互协调，即在系统运行中，继电保护的 动作行为仅与保护装置有关，不依赖于监控系统的其它环节，保证综合 自动化系统中任何其他环节故障只影响局部功能的实现，不影响保护子 系统的正常工作。但微机保护与监控系统要保持紧密通信联系。 （2）信息共享。必须充分利用数字通信的优势，实现数据共享。 数据共享应该是综合自动化系统发展的趋势，只有实现数据共享，才能 简化自动化系统的结构、减少设备的重复、低造价。 （3）充分体现综合性。变电站综合自动化系统应该能全面代替常 规的二次设备，并提供良好的操作控制。综合自动化系统应该集变电站 的继电保护、测量、监视、运行控制和通信于一体，形成一个由监视控 制、微机保护子系统、测量子系统、各种功能的控制子系统、通信子系 统等组成的分级分布的系统。该系统应该能代替常规的继电保护、仪表、 中央信号、模拟屏、控制屏和运行控制装置。为了提高变电站的技术水 平和可靠性，一般要求的故障录波及测距功能由保护系统完成，在有特 殊较高要求时，可专门设置独立完成，并将其状态信息传送给监控系统。 （4）技术先进性。变电站综合自动化系统的功能和配置，应满足 无人值班的总体要求，随着我过电力工业进入大电网，大机组的时代， 无人值班变电站的实施已经成为电网调度自动化深入发展的必然趋势， 是电网管理的发展方向。无论从可靠性、测量精度、传输速率和技术水 平等方面衡量，传统的“四遥”装置都不能满足现代电网调度和管理的 要求。变电站综合自动化系统的功能设计，要从电力系统的安全、稳定 运行、提高经济效益等综合指标以及提高电网基础自动化水平的综合要 求出发，其软、硬件的配置必须具备 RTU 的全部功能，必须具备与上级 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 13 - 调度通信的能力，以便满足和促进变电站无人值班的实施。 （5）结构上的灵活性。在电力系统中，新建变电站和对老变电站 改造是常见的，它们的自动化水平要求各不相同，需要有不同规模和不 同技术等级、技术先进、功能可选、性能价格比高的自动化系统可供选 用。根据实际情况，可采用集中式结构，分层分布式结构，完全分散式 结构等系统。 （6）通信的可靠性。在变电站综合自动化系统内，许多信息需要 快速交换。各个功能模块之间宜采用网络方式，便于接口功能的扩充。 网络可选用星形、总线形或环行等结构。网络介质一般采用电缆或光缆。 系统应支持标准的或合理的通信协议。 （7） 运行模式的适应性。变电站综合自动化系统应能灵活地提供 监控操作手段，满足有人或无人值班的需要。 （8）很强的抗干扰能力。变电站安全运行是变电站综合自动化系 统设计的基本要求，为此，在考虑提供的总体结构时，要注意主、次分 清。对关键环节，要有异地能够的冗余。各子系统应具有独立的故障自 诊断和自恢复功能，任何一部分发生故障时，应同志监控主机发出警告 指示，并能迅速将自诊断信息送往控制中心。 （9）标准化和开放性。所设计的变电站综合自动化应尽量符合国 家或部颁标准，使系统开放性能好，便于升级。 在变电站综合自动化系统的设计中，各公司都遵循以上原则，从而 保证了在系统运行中信息共享，也能体现各子系统在系统运行中能达到 良好的配合。这些设计原则与要求，大大提高了变电站运行的可靠性和 方便性。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 14 - 3 3 变电站综合自动化系统的硬件结构变电站综合自动化系统的硬件结构 电子技术、微机技术、通信技术和网络技术的迅速发展，推动了变 电站综合自动化技术的发展，同时，也促使变电站综合自动化系统的体 系结构发生相应的变化。变电站综合自动化系统的结构形式通常可分为 传统改造式、集中组屏式、分层分布式、完全分散式和分散集中结合式 等五种类型。本论文研究中主要以南瑞集团生产的 NS2000 变电站综合 自动化系统为主体进行研究，它采用的分层分布式结构，如图 3-1 所示。 图 3-1 分层分布式结构图 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 15 - 3.13.1 变电站综合自动化系统的结构形式变电站综合自动化系统的结构形式 在分层分布式结构的变电站综合自动化系统中，将整个变电站的一、 二次设备分为 3 层，即变电站层、单元层（间隔层）和设备层。在所分 的 3 层中，变电站层成为 2 层，单元层为 1 层，设备层为 0 层。每一层 由不同的设备或不同的子系统组成，完成不同的功能。 设备层主要指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点， 也包括电流互感器、电压互感器等一次设备。 单元层一般按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部 件。测量、控制部分完成该单元的测量、监视、操作控制、闭锁及事件 顺序记录等功能；保护部分完成该单元线路或变压器或电容器的保护、 故障记录等功能。因此，单元层本身是由各种不同的单元装置组成的， 这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联系；也 可能没有数采管理机或保护管理机，分别管理各测量、监视单元和各保 护单元，然后集中由数采管理机和保护管理机与变电站层通信。单元层 本身实际上就是两级系统的结构。 变电站层包括站级监控主机、运动通信机等。变电站层设现场总线 或局域网，供各主机之间和监控主机与单元层之间交换信息。变电站综 合自动化系统主要位于 1 层和 2 层。 变电站层的有关自动化设备一般安装于控制室，而单元层的设备宜 安装于靠近现场，以减少控制电缆长度。至现场通信技术在变电站的成 熟使用前，单元层的设备仍宜安装在变电站的控制室，从而形成了分层 分布式系统集中组屏的结构。 分层分布式有以下特点： （1） 分层分布式的配置 （2） 继电保护相对独立。 （3） 具有与控制中心通信功能。 （4） 可靠性高。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 16 - （5） 维护管理方便。 （6） 需要电缆较多。 3.23.2 变电站综合自动化系统硬件装置变电站综合自动化系统硬件装置 变电站综合自动化系统是按照模块化设计的，各部件都是由若干模 块组成。它们的硬件部分大都是由模拟量输入/输出回路、微机系统、开 关量输入/输出回路、人机对话接口回路、通信回路和电源等部分组成。 这些部分是综自系统的基础。系统典型的部件硬件结构如下图 3-2-1。 图 3-2-1 变电站综合自动化系统各部件硬件结构图 3.2.1 模拟量输入/输出回路 来自变电站的电压、电流信号都是模拟信号，是随时间连续变化的 物理量。由于微机系统是一种数字电路设备，只能接收数字脉冲信号， 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 17 - 识别数字脉冲信号，所以就需要将来自 TA、TV 的电流、电压类型的模拟 信号转换为相应的微机系统能接收的数字脉冲信号。同时，为了实现对 生产过程的控制，还需要输出模拟信号，去驱动模拟调节执行机构工作， 这就需要模拟量的输出回路。 根据模/数变换原理不同，综合自动化装置中模拟量输入电路有两种 方式：一是基于逐次逼近型 A/D 转换方式（ADC） ，是直接将模拟量转变 为数字量的变换方式；二是利用电压/频率变换（VFC）原理进行模/数变 换的方式，它是将模拟量电压先转换为频率脉冲量，通过脉冲计数变换 为数字量的一种变换形式。但逐次逼近式 A/D 变换过程中，CPU 要使采 样保持、多路转换开关及 A/D 变换器三个芯片之间协调好，接口电路非 常复杂。而且 ADC 芯片结构也很复杂，成本高。现在许多微机应用系统 都采用电压-频率变换技术进行 A/D 变换。 1、V/F 转换的原理 电压-频率变换技术的原理是将输入的电压模拟量 u 线性地变换为 i 数字脉冲的频率 f，是产生的脉冲频率正比于输入电压的大小，然后在 固定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数，供 CPU 读入。原理图如下 图 3-2-2 所示。 图 3-2-2 V/F 转换原理图 图中 VFC 可采用 AD654 芯片，计数器可采用 8031 或内部计数器。 CPU 每隔一个采用间隔时间 t 读取计数器的脉冲值，并根据比例关系算 s 出输入电压 u对应的数字量，从而完成了模/数转换。 in VFC 型的 A/D 变换方式及接口简单，CPU 几乎不需要对 VFC 芯片进 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 18 - 行控制。保护装置采用 VFC 型的 A/D 变换，建立了一种新的变换方式， 为微机系统带来很多好处。 2、模拟量的输出回路原理 模拟量的输出电路的作用是把微机系统输出的数字量转换成模拟量输 出，这个任务主要由数/模变换器来完成。由于 D/A 转换器需要一定的转 换时间，在转换期间，输入待转换的数字量应该保持不变，而微机系统 输出的数据在数据总线上稳定的时间很短，因此在微机系统与 D/A 转换 器之间必须用锁存器来保持数字量的稳定。经过 D/A 转换器得到的模拟 信号，一般要经过低通滤波器，使输出波形平滑，同时为了能驱动受控 设备，可以采用功率放大器作为模拟量输出的驱动电路。如图 3-2-3 所 示。 图 3-2-3 模拟量输出回路原理 数/模转换器的作用是将二进制的数字量转换为相应的模拟量。它 的主要部件是电阻开关网络。在运算放大电路中，当放大器的放大倍数 足够大时，其输出电压 u和输入电压 U 关系为 U=-U ，式中 Rdid R RF I 为运算放大器的反馈电阻；R 为输入端输入电阻。数/模变换的原理正 F 是利用了这个原理。 3.2.2 开关量输入及输出电路 开关量输入/输出回路由并行接口、光电耦合及有触点的中间继电器 等组成，主要用于人机接口、发跳闸信号、本地和后台机处的告警信号 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 19 - 及闭锁信号等。输出电路主要是将 CPU 送出的数字信号或数据进行显示、 控制或调节。图 3-2-4 是开关量输入电路配置图。 图 3-2-4 开关量输入电路配置图 由图可知，开关量输入电路由信号调节电路、控制逻辑电路、驱动 电路、地址译码电路、隔离电路组成。开关量输出电路与输入电路基本 一致。 1、 光电隔离。为防止电磁干扰对计算机的影响，在设计中采用光电 隔离技术。光电隔离是利用光电耦合器实现现场开关量与计算机总线之 间的完全隔离。光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管组成。发光二 极管和光敏三极管之间是绝缘的，两者都封装于同一芯片中。接线如图 3-2-5 所示。 图 3-2-5 输出为低电平 输出为高电平 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 20 - 在综合自动化系统中，主要运用中断控制方式来控制输入/输出。中 断是通过硬件来改变 CPU 程序运行的方向。微机系统在执行程序过程中， 由于 CPU 以外的某种原因，有必要尽快中断当前程序的执行，而执行相 应的处理程序，待处理结束后，在回来继续执行被中止的原程序。 3.2.3 人机对话硬件装置原理 在变电站综合自动化系统中，人机对话的主要内容有： 1、显示画面与数据：包括时间日期、单线图状态、报警画面与提 示信息等。 2、输入数据：包括运行人员的代码和密码、手动/自动设置。 3、人工控制操作：包括断路器及隔离开关操作、变压器分接头顺 序控制；控制闭锁与允许等。 4、诊断与维护：包括故障数据纪录显示；诊断检测功能的启动等。 3.2.4 键盘响应原理 键盘响应电路如图 3-2-6 所示 该电路采用非编码矩阵式键盘，设 有 16 个按键，按照 4 行 4 列构成，在行与列交叉处接入开关式按键。其 中按键的行号由并行口 8256 的 P2 口的 P2.4-P2.7 来提供，列号由经过 双向数据缓冲器与微处理器数据总线的低四位相连来提供。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 21 - 图 3-2-6 键盘响应电路原理图 3.2.5 屏幕显示电路 屏幕显示器即 CRT 显示器，是微机实现人机对话的重要工具，能够 把各种数据和信息变成直观的文字和图像，帮助操作人员随时了解变电 站的实时接线图以及各种运行参数等。显示电路的简化结构如图 3-2-7 CRT 显示器为了得到一幅图像，必须用水平和垂直两种扫描信号。 字符在屏幕上由点阵的光点组成，电子束自左至右和自上到下地逐行扫 描。画面至少以每秒 50 次的频率重复扫描才能得到稳定的图像。所以， 要使 CRT 显示出一幅稳定的图像，要有图像信号、同步信号和消隐信号。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 22 - 图 3-2-7 屏幕显示电路图 3.2.6 打印机的接口电路 打印机作为一种输出设备，在人机联系构成中有着重要的作用。在 调试方式下，输入键盘操作命令，微型机装置可以通过打印机将执行结 果打印出来，以便于使用者了解装置是否正常运行；在运行方式下，电 力系统发生故障后，打印机可以将有关的故障信息、保护动作行为和采 样报告打印输出，为事故分析提供保护动作信息。 4 4 变电站综合自动化系统的通信变电站综合自动化系统的通信 在变电站综合自动化系统运行时，为了监视和控制变电站运行状况， 需要将各种信息及时采集并，送到调度或监控中心，并由调度或控制中 心发送调度或控制命令。而各种信息的传输过程，就是变电站综合自动 化的通信过程。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 23 - 4.14.1 变电站综合自动化系统通信传输方式变电站综合自动化系统通信传输方式 现在通信传输主要有两种形式，一是分布式，另一种是现场总线式。 面向对象分布式系统，通常在每一现场设备上(开关柜)安装一台多 功能(综合)单元(面向对象设置的现场单元 FU )， 它的优点是可靠性增加，电缆减少，以至达到可取消原控制室。但 此方法构造的控制系统，目前多采用主从方式来完成控制主机与各现场 单元间的通信，各现场单元间不相互联系，并且通信协议多为自定，难 以支持不同厂商的现场单元。若采用公认标准的现场总线技术，则可方 便地解决上述问题。 而现场总线的应用则能很好地解决分布式系统存在的缺点。它能更 好地对系统实施控制。现场总线控制系统具有以下特点： (l)互操作性好 具有现场总线接口的设备不仅在硬件上标准化，而且在软件上也标 准化。用户也优选不同厂家的产品集成为个符合自己实际情况的自动化 系统。 (2)现场总线的通讯网络为开放式网络 以前，由于不同厂家的自动化设备通讯协议不同，要实现不同厂家 同类型产品互连困难，给用户带来许多不便，甚至要增加投资。而现场 总线为开放式的互连网络，所有的技术和标准全是公开的，所有