（机械工程专业论文）基于以太网技术的冶金行业变电站综合自动化应用研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着我国冶金工业的迅速发展，尤其是近几年大型钢铁联合企业中链式生产工艺的 兴起及设备智能化程度的不断提高，对冶金企业供电能力和供电质量提出了更新、更高 的要求。供电网络中任一点的供电失败都可能带来无法挽回的经济损失，所以对于网络 中的重要环节变电站而言，异常情况下的自我调节能力，故障情况下的自我恢复能 力，事故情况下的快速反应能力及事后的自诊断功能显得尤为重要。在这种实际情况下， 引进变电站综合自动化技术，提升变电站的自动化、智能化水平具有重要意义。 本文针对冶金系统用电负荷的特殊性，通过对冶金供电网络的实地考察并经与电力 系统供电网络及国外冶金行业供电网络对比分析，提出了综合自动化技术应用于冶金行 业变电站的总体解决方案。在对现有综合自动化技术的发展历程、基本功能、常规设计 模式及通信网络组成等方面进行深入分析研究的基础上，建立了一套基于以太网技术的 冶金行业变电站综合自动化系统。在设计过程中，经过大量的理论分析和相关技术的研 究对比，在控制模式、系统结构、系统功能等方面制定了科学可靠、安全方便的技术方 案，并在抗干扰及防止通讯拥塞等应用过程中的关键技术上进行了详细的方案设计。为 满足当今冶金电力技术要求提供了保障，为综合自动化技术在冶金系统变电站中推广使 用奠定了技术基础。 关键词：冶金工业；变电站；综合自动化 基于以太网技术的冶金行业变电站综合自动化应用研究 a p p l i c a t i o n a n ds t u d yo f t h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o nb a s e do ne t h e m e t t e c h n o l o g yi ns u b s t a t i o no f m e t a l l u r g i c a lt r a d e a b s t r a c t w 曲t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r yi no u rc o u n t r y ，e s p e c i a l l yt h e s 1 1 r l r i s eo fc h a i n - b a s e dp r o d u c t i o np r o c e s sa n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ee q u l p m e mi n t e l l i g e n t d e g r e ei n t h el a r g e s i z e di r o n & s t e e lu n i o ne n t e r t a i n m e n t ，t h e n e w e ra n dh i g h e r r e q u i r e m e n t sa l ep o s e d t ot h ea b i l i t ya n dt h eq u a l i t yo ft h ep o w e rs u p p l yi l lt h em e t a l l u r g i c a l e n t e r p r i s e s b e c a u s et h ep o w e rs u p p l yf a i l u r ei na n yp o i mo ft h ee l e c t r i cp o w e rn e t w o r k m a y b eb r i n gf a t a le c o n o m i cl o s s e s s ot h ef o l l o w i n ga b i l i t i e sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h e s u b s t a t i o n , t h ei m p o r t a n tp a r ti nt h en e t w o r k , c o n t r o l l i n gi t s e l fi nt h eu n m o r a ls i t u a t i o n , r e c o v e r i n gf r o mt h et r o u b l e ，m a k i n gar a p i dr e s p o n s ei nt h ea c c i d e n ta n da d j u s t i n ga f t e rt h e a c c i d e m i nt h i sc o n d i f i o n , i ti sv e r yi m p o r t a n tt oi n t r o d u c es u b s t a t i o ns y n t h e t i ca u t o m a t i o n t e c h n o l o g ya n di m p r o v et h ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c el e v e l o fs u b s t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a r i t yo f m e t a l l u r g i c a ls y s t e ml o a d ，t h r o u g ht h ei n s p e c t i o no nt h e s p o to ft h em e t a l l u r g i c a lp o w e rs u p p l yi n t e m e ta n d t h ec o n t r a c ta n a l y s i sb e t w e e nt h ep o w e r s u p p l yi n t e m e to fo u r e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n dm e t a l l u r g i c a lt i l d ea b r o a d ，t h et o t a ls o l u t i o n s c h e m ei sp r o v e d ，t h i si n t e g r a t e da u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h es u b s t a t i o no f m e t a u u r g i c a lt r a d e o nt h ef o u n d a t i o no fd e e pa n a l y s i si nt h ea s p e c t so ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s 。m a i n f i m c t i o n , c o m r f l o nd e s i g nm o d eo f t h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o m p o s i t i o n o fc o r r e s p o n d e n c ei n t e m e t as e to fi n t e g r a t e da u t o m a t i o nt e c h n o l o g ys y s t e mb a s e do n e t h e r n e ti ns u b s t a t i o no fm e t a l l u r g i c a lt r a d ei sb u i l tu p o nt h ep r o c e s so ft h ed e s i g n ，a f t e r m u c ht h e e r e t i c a la n a l y s i sa n dc o n t r a s tt ot h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g y ，t h et e c h n o l o g ys c h e m ei s m a d eu po nt h ea s p e c to fc o n t r o lm o d ea n ds y s t e ms t r u c t u r e ，i ti ss c i e n t i f i c ，r e l i a b l e ，s a f ea n d c o n v e n i e n t n 坞d e t a i l e ds c h e m ei sp r o v e de s p e c i a l l yi n t h ec r i t i c a lt e c h n o l o g yo nt h e a n t i i n t e r f e r e n c ea n dp r e v e n t i n gt h eb u s yc o m m u n i c a t i o ni nt h ep r o c e s so fa p p l i c a t i o n 日1 e 咖 a n c e sa r eg i v e nt om e e tt h en o w a d a y sr e q u i r e m e m so nm e t a l l u r g i c a le l e c t r i cp o w e r t e c h n o l o g y , t h et e e h n o l o g i c mf o u n d a t i o ni sp r o v i d e dt os p r e a dt h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o n t e c h n o l o g yi ns u b s t a t i o no f m e t a l l u r g i c a ls y s t e m k e yw o r d s ：m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y ；s u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：纽日期；毫! 学 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签 盖纽 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 变电站综合自动化技术的发展历程 1 1 1 变电站综合自动化技术的由来 所谓变电站综合自动化就是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信 息处理技术等实现对变电站二次设备( 包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、 自动装置及远动装置等) 的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情 况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统【i 】。 变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算 能力和逻辑判断功能，可方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。变电站综 合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征 【2 】。 1 1 2 国外变电站综合自动化技术的发展概况 国外变电站综合自动化的研究工作始于二十世纪7 0 年代。根据1 9 8 1 年5 月在英国召 开的第六届国际供电会议资料报道，英国、意大利、法国、西德、澳大利亚等国新装的 远动装置都是微机型的日本关西电子公司和三菱电气公司于1 9 7 9 年9 月开发出用于配 电变电站的数字控制系统( 称为s d c s - 1 ) ，同年1 2 月在那须其竹里克变电站安装并进行现 场试验。s d c s - 1 是以1 3 台微处理机为基础的系统，它具有对一个7 7 k v 6 6 k v 的配电变电 站的全部保护和控制功能。 二十世纪8 0 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。例如： 德国西门子公司、a b b 公司、 e g 公司，美国g e 公司、西屋公司，法国阿尔斯通公司都先 后研制出自己的变电站综合自动化系统的产品。 西门子公司于1 9 8 5 年在德国汉诺威正式投运其第一套变电站自动化系统l s a 6 7 8 ，至 1 9 9 3 年己有3 0 0 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，至1 9 9 5 年，该公司在中国也陆续得到十几个工程项日，基本上是i i o k v 城市变 电站。 a b b 公司的变电站综合自动化系统s c s l 0 0 ，在芬兰生产，用于中、低压变电站；s c s 2 0 0 在瑞典生产，用于高压变电站 虽然国外的变电站综合自动化系统厂商很多，但他们彼此间一开始就十分注意这一 邻域的技术规范和标准的制定与协调，避免各自为政造成不良后果。 基于以太网技术的冶金行业变电站综合自动化应用研究 德国电力行业协会( v d e w ) 为电子制造协会( e v e i ) 制定的关于数字式变电站控制系 统的推荐草案于1 9 8 7 年公布，成为i e ct c5 7 在起草保护与控制标准时的参考，内容非 常丰富。德国三大电气公司( s i e m e n s ，a b b ，a e g ) 基本上是按这一推荐规范设计和开发 自己的产品。 国际电工委员会第5 7 次技术委员会( e e ct c5 7 ) 为了配合变电站综合自动化方面的 进展，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 组共有1 2 个国家2 0 0 0 位成员参加。该组织于2 0 0 2 年1 月向i e c 秘书处提交了变电站内通信 规约i e c 6 1 8 5 0 - 4 ，为变电站内控制与保护之间的通信提供了一个国际标准【3 4 5 脚 1 1 3 国内变电站综合自动化技术的发展概况 我国变电站综合自动化的研究工作开始于8 0 年代中期。1 9 8 7 年，清华大学电机工程 系研制成功第一个符合国情的变电站综合自动化系统，在山东威海望岛变电站成功投入 运行。该变电站的综合自动化系统主要有三台微机组成，分成三个子系统，担负了变电 站安全监控、微机保护、电压无功控制、中央信号等全部任务。 1 9 8 8 年由华北电力大学研制的第1 代微机保护投入运行，1 9 9 0 年4 月该校研制的第2 代微机保护投入运行并于同年1 2 月通过部级鉴定。至此，微机保护、微机远动、微机故 障录波、微机监控装置开始在电网全面推广应用。 1 9 9 0 年，清华大学在研制鞍山公园变电站综合自动化系统时，首先提出了将监控系 统和r t u 合二为一的设计思想。 1 9 9 2 年5 月，电力部组织召开的“全国微机继电保护可靠性研讨会”指出：微机保 护与r t u 、微机就地监控、微机录波器的信息传送、时钟、抗千扰接地等问题应统一规 划并制定统一标准，微机保护的联网势在必行。由南京电力自动化研究院研制的第1 套 适用于综合自动化系统的成套微机保护装置i s a 于1 9 9 3 年通过部级鉴定以后，各地电网 逐步开始大量采用变电站综合自动化系统。 1 9 9 4 年中国电机工程学会继电保护及自动化专业委员会在珠海召开了“变电站综合 自动化分专业委员会”的成立大会，这标志着对变电站综合自动化的深入研究和应用进 入了一个新阶段u 捌 9 0 年代中后期，变电站综合自动化己成为热门话题，研究单位和产品如雨后春笋般 蓬勃发展典型产品有北京爱劳高科技有限公司引进法国施耐德电气公司s e p h m 系列数 字保护设备开发的a r r o w s y s 变电站综合自动化系统。它把保护、控制、测量、p l c 、r t u 及计算机融为一体，做到数据信息统一，减少控制电缆敷设，优化二次系统设计。用p l c 的独特功能解决了诸如变压器分接头的自动调整、电容器组的自动投切、变压器冷却风 一2 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 扇的自动控制、低周减载及负荷控制等自动控制闯题。将微机保护、控制和测量单元组 合在一起，由通信控制器负责管理整个二次设备，并将信息送给监控计算机和管理计算 机。监控计算机负责变电站的当地功能和远动功能。其他做得比较好的公司还有南京南 瑞、北京四方、许继电气等。 变电站综合自动化系统的研究和开发之所以会引起这么多的科技工作者和企业的 注意，其根本原因在于有广大的市场需求。近几年来，随着网络技术的突飞猛进和现场 总线技术的出现，给变电站综合自动化技术水平的提高，注入了新的活力。变电站综合 自动化的研发已进入了一个高潮期，其功能和性能也在不断完善之中。变电站综合自动 化将成为今后新建变电站的主导技术。 1 2 变电站综合自动化基本功能的研究与分析 在变电站综合自动化系统的研究和开发过程中，对变电站综合自动化系统应包括哪 些功能和要求，曾经有不同的看法。国际大电网会议w g 3 4 0 3 工作组在研究变电站的 数据流时，分析了变电站综合自动化需要完成的功能大约有6 3 种，按其功能分类可归 纳为控制与监视功能、自动控制功能、测量表计功能、继电保护功能、与继电保护有关 功能、接口功能、系统功能等7 种【9 】。实践验证，变电站综合自动化功能由电网安全稳 定运行和变电站建设、运行维护的综合经济效益要求所决定。变电站在电网中的地位和 * 作用不同，变电站自动化系统有不同的功能。但总体上看，综自系统的功能可分为两部 分，即监控系统的功能和微机保护系统功能。 1 2 1 监控子系统的功能分析 监控子系统应取代常规的测量系统，取代控制屏上的指针式仪表；改变常规的操作 机构和模拟盘，取代常规的中央信号系统中预告报警信号，事故音响报警信号，取消光 字牌【1 0 】。监控子系统功能有： ( 1 ) 数据采集 模拟量的采集。 主要包括各段母线电压，母联及分段断路器的电流，线路及馈线电压、电流，有功 功率和无功功率，电容器和并联电抗器电流，直流系统电压，站用电电压、电流，频率， 功率因数等。另外，还有少量非电量，如变压器温度保护、气体保护等。 对模拟量的采集，有直流采样和交流采样两种方式。直流采样即将交流电压、电流等信 号经变送器转换为适合于a d 转换器输入电平的直流信号；交流采样，则是指输入给 a d 转换器的是与变电站的电压、电流成比例关系的交流电压信号【1 1 】在变电站综合自 动化系统中，直流采样主要用于变压器温度、气体压力等非电量数据的采集。 基于以太网技术的冶金行业变电站综合自动化应用研究 开关量的采集。 该部分主要采集断路器、隔离开关和接地开关的状态，有载调压变压器分接开关的 位置，同期检测状态、继电保护动作信号，运行告警信号等，这些信号都以开关量的形 式，通过光隔离电路输入计算机。 电能计量。 电能计量指对电能( 包括有功和无功电能) 的采集，并能实现分时累加、电能平衡 等功能。 ( 2 ) 数据库的建立与维护 监控子系统建立实时数据库，存储并不断更新来自i o 单元及通信接口的全部实时 数据；建立历史数据库，存储并定期更新需要保存的历史数据和运行报表数据。 ( 3 ) 顺序事件记录及事故追忆 顺序事件记录包括：断路器跳合闸记录，保护及自动装置的动作顺序记录，断路器、 隔离开关、接地开关、变压器分接头等操作顺序记录，模拟输入信号超出正常范围等。 事故追忆范围为事故前l m i n 到事故后2 m i n 的所有相关模拟量值，采样周期与实时 系统采样周期一致。 ( 4 ) 故障记录功能 ( 5 ) 操作控制功能 运行人员可通过鼠标或键盘对断路器、允许远方电动操作的隔离开关和接地开关进 行分、合操作；对变压器及站用变压器分接头位置进行调节控制；对补偿装置进行投、 切控制。 ( 6 ) 安全监视功能 监控系统在运行过程中，对采集的电流、电压、主变压器温度、频率等量要不断进 行越限监视，如发现越限，立即发出告警信号，同时记录和显示越限时间和越限值，另 外，还要监视保护装置是否失电，自控装置是否正常等。 人机联系功能 变电站采用微机监控系统后，无论是有人值班还是无人值班，最大的特点之一是操 作人员或调度员只要面对c r t 显示器的屏幕，通过操作鼠标或键盘，就可以对全站的 运行工况、运行参数一目了然，可对全站断路器和隔离开关等进行分、合操作，彻底改 变了传统的依靠指针和模拟屏或操作屏等进行操作。 作为变电站人机联系的主要桥梁手段的c r t 显示器，不仅可以取代常规的仪器、 仪表，而且可实现许多常规仪表无法完成的功能。其可显示采样和计算的实时运行参数 ( u 、i 、p 、q 、c o s 巾、有功电能、无功电能及主变压器温度t 、系统频率f 等) 、实 一4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 时主接线图、事件顺序记录、越限报警、值班记录、历史趋势、保护定值和自控装置的 设定值、故障记录和设备运行状态等。 另外运行人员可以通过鼠标或键盘输入电流互感器和电压互感器变比、保护定值和 越限报警值、自控装置的设定值、运行人员密码。 ( 8 ) 打印功能 定时打印报表和运行日志；断路器、隔离开关操作记录；事件顺序记录；越限；召 唤；抄屏；事故追忆等。 ( 9 ) 数据处理与记录功能 在监控系统中，数据处理和记录也是很重要的环节。历史数据的形成和储存是数据 处理的主要内容。此外，为了满足继电保护专业人员和变电站管理的需要，必须进行一 些数据统计，主要有；记录母线电压日最高值和最低值以及相应的时间；主变压器及各 条线路的功率、功率因数及电能的计算和统计；计算配电电能的平衡率；统计断路器、 避雷器、重合闸的动作次数；统计断路器切除故障电流和跳闸次数的累计数；记录控制 操作和定值的修改；事件顺序记录及事故追忆等。 ( 1 0 ) 谐波的分析与监视 电能质量的一个重要指标是其谐波要限制在国标规定的范围内。随着非线性元件和 设备的广泛使用，使电力系统的谐波成份明显增加，并且其影响程度越来越严重，目前 谐波“污染”已成为电力系统的公害之一。因此，在综合自动化系统中，必须重视对谐 波含量的分析和监视。对谐波“污染”严重的变电站，要采取适当的抑制措施，降低谐 波含量。 ( 11 ) 报警处理 报警处理内容包括：设备状态异常、故障；测量值越限及计算机监控系统的软，硬件、 通信接口及网络故障等。 ( 1 2 ) 画面生成及显示 画面显示的信息包括；日历时间、经编号的测点、表示该点的文字或图形、该点实 时数据或历史数据、经运算或组合后的各种参数等。由画面显示的内容包括：全站生产 运行需要的电气接线图、设备配置图、运行工况图、电压棒形图、实时参数曲线图、各 种信息报告、操作票、工作票及各种运行报表等。 ( 1 3 ) 在线计算及制表功能 综自系统能对变电站运行的各种常规参数进行统计及计算，如：日、月、年中的最 大值、最小值及其出现的时间、电压合格率、变压器负荷率、全站负荷及电能平衡率等。 基于以太网技术的冶金行业变电站综合自动化应用研究 同时还能对变电站主要设备的运行状况进行统计及计算，如：断路器正常操作及事 故跳闸次数、变压器分接头调节的次数、档次、停运时间等。 最后利用以上数据生成不同格式的生产运行报表。并按要求方式打印输出。 ( 1 4 ) 电能量处理 电能量处理包括变电站各种方式采集到的电能量进行处理、对电能量进行分时段的 统计计算以及当运行方式的改变而自动改变计算方法并在输出报表上予以说明等。 ( 1 5 ) 远动功能 监控子系统能实现d l5 0 0 2 - 1 9 9 1 地区电网调度自动化设计技术规程、d l 5 0 0 3 1 9 9 1 电力系统调度自动化设计技术规程中与变电站有关的全部功能，满足电 网电能实时性、安全性和可靠性。 ( 1 6 ) 运行管理功能 运行管理功能包括：运行操作指导、事故记录检索、在线设备管理、操作票开列、 模拟操作、运行记录及交接班记录等。 除上述功能外还具有：时钟同步、防误闭锁、同步、系统自诊断与恢复以及与其他 设备接口等功能。 1 2 2 微机保护系统功能分析 微机保护系统功能是变电站综合自动化系统的最基本、最重要的功能，它包括变电 站的主设备和输电线路的全套保护：高压输电线路保护和后备保护；变压器的主保护、 后备保护以及非电量保护；母线保护；低压配电线路保护；无功补偿装置保护；所用变 保护掣1 2 1 。 各保护单元，除应具备独立、完善的保护功能外，还应具有以下附加功能： ( 1 ) 具有事件记录功能。事件记录包括发生故障、保护动作出口、保护设备状态等重 要事项的记录。 ( 2 ) 具有与系统对时功能。以便准确记录发生事故和保护动作的时间。 ( 3 ) 具有储存多种保护定值功能。 ( 4 ) 具备当地人机接口功能。不仅可显示保护单元各种信息，还可通过它修改保护定 值。 ( 5 ) 具备通信功能。提供必要的通信接口，支持保护单元与计算机系统通信协议。 ( 6 ) 具备故障自诊断功能。通过自诊断，及时发现保护单元内部故障并报警。对于严 重故障，在报警的同时，应可靠闭锁保护出口。 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 7 ) 各保护单元满足上述功能要求的同时，还应满足保护装置的快速性、选择性和灵 敏性要求。 1 2 3 后备控制和紧急控制功能分析 当地后备控制和紧急控制功能包括人工操作控制、低频减负荷、备用电源自动投和 稳定控制等。 1 3 变电站综合自动化系统设计原则的研究 1 3 1 常规系统设计原则分析 ( 1 ) 变电站综合自动化系统应能全面代替常规的二次设备。综合自动化系统应集变电 站的继电保护、测量、监视、运行控制和通信于一个分级分布式的系统中，此系统由多 个微机保护子系统、测量子系统、各种功能的控制子系统组成，应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，能在很大程度上提高变电站的 技术水平和可靠性1 1 3 】。 ( 2 ) 变电站微机保护的软、硬件设置既要与监控系统相对独立，又要相互协调。微机 保护是综合自动化系统中很重要的关键环节，因此其软、硬件配置要相对独立，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他环节，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，但与监控系统要保持紧密通信联系【1 4 】。 毹1 ( 3 ) 微机保护装置应具有串行接口或现场总线接口，向计算机监控系统或r t u 提供 保护动作信息或保护定值等信剧阍。 ( 4 ) 交电所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。随着我国电力 工业进入大电网、大机组的时代，无人值班变电所的实施已成为电网调度自动化深入发 展的必然趋势，是电网调度管理的发展方向。传统的四遥装置，无论从可靠性、测量精 度、传输速率还是技术水平等方面，都不能满足现代化电网调度、管理的要求【垌。变电 所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 指标和提高电网基础自动化水平的综合要求出发，其软、硬件的配置必须考虑具备与上 级调度通信的能力，必须具备r t u 的全部功能，以便满足和促进变电所无人值班的实 施。变电站实行无人值班可以提高运行的可靠性，减少人为事故，保障系统安全，降低 运行管理费用，从而推动电力行业的科技进步 r r j 。 ( 5 ) 要有可靠、先进的通信网络和合理的通信协议。 基于以太网技术的冶金行业变电站综合自动化应用研究 ( 6 ) 必须保证综合自动化系统具有高的可靠性和强的抗干扰能力。为此，在考虑系统 的总体结构时，要注意主、次分清。对关键环节，要有一定的冗余。综合自动化系统中 的各个子系统要相对独立，一旦系统中某部分出现故障，应尽量缩小故障影响的范围并 能尽快修复故障。为此，各子系统应具有独立的故障自诊断和自恢复功能，任一部分发 生故障时，应通知监控主机发出警告指示，并能迅速将自诊断信息送控制中心。 ( 7 ) 系统的可扩展性和适应性要好。 ( 8 ) 系统的标准化程度和开放性能要好。便于升级。 ( 9 ) 要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，才能降 低造价。 本着以上原则，选用比较实用的系统结构和高质量、高可靠性的元器件单元，做到 各单元独立运行、双网相互切换、电气连接尽可能减少，同时要做到软件的稳定性高、 操作简单、维护方便。 1 3 2 系统结构基本形式的研究 变电站综合自动化系统的发展过程与集成电路技术、微计算机技术、通信技术和网 络技术密切相关。随着这些高科技的不断发展，综合自动化系统的体系结构也不断发生 变化，其性能和功能以及可靠性等也不断提高。从国外变电站综合自动化系统的发展过 程来看，其结构形式有集中式、分层分布式和分散与集中相结合等三种类型【1 8 】，国内 通常分为集中式、分散与集中相结合式和全分散式。 ( 1 ) 集中式 该结构的变电站自动化系统采用不同档次的计算机扩展其外围接口电路，集中采集 变电站的模拟量、开关量和数字信息，再进行集中计算与处理，分别完成微机控制，保 护和一些自动控制等功能。这种系统结构紧凑、体积小、占地面积小、造价低，其主要 特征是不以一次设备作为二次设备分割的依据，而是综合这个变电站作为一个单元【埘， 适用于3 5 k v 或规模较小的变电站，但运行可靠性较差，组态不灵活。 ( 2 ) 分散与集中相结合式 该结构的变电站自动化系统是指将线路的保护和测控单元分散安装在开关柜内，而 将高压线路和变压器保护测控装置等采用集中组屏的系统结构，其特点如下： 3 s k v 馈线保护采用分散式结构，就地安装，可节约控制电缆。 高压线路和变压器保护采用集中组屏结构，保护安装在控制室或保护室中，使这 些重要的保护装置处于较好的环境中，对可靠性有利 2 0 l 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 其他自动化装置，备用电源自投装置和电压、无功综合控制装置采用集中组屏结 构，安装于控制室或保护室中。 ( 3 ) 全分散式 该结构是以一次主设备如开关、变压器、母线为安装单位，将控制、i 0 、闭锁、 保护等单元分散，就地安装在一次主设备屏柜上。其特点如下： 简化变电站二次装置，大大缩小了控制室面积。 减小施工和设备安装工程量。由于安装在开关柜的保护和测控单元在开关柜出厂 前已由厂家安装、调试完毕，再则加上敷设电缆的数量大大减少，因而现场施工、安 装和调试的工期随之缩短。 简化变电站二次设备之间的主连接，节省了大量连接电缆。 全分散结构可靠性较高、组态灵活、检修方便，且抗干扰能力强、可靠性高。 3 种形式的变电站自动化系统结构各有特点，可根据变电站的实际情况选择。 1 4 变电站综合自动化系统通信模型的研究 变电站综合自动化系统的通信，包括两方面的内容：一是系统内各子系统的信息交换； 另一是变电站与控制中心间的通信【2 l 】。 变电站自动化系统要求站内设备的信息可充分共享，并可通过远动通信接口实现与 外部系统的信息共享。构建一个快速、稳定、可靠和富有弹性的通信网络是变电站自动 化系统的基本要求，也是整个供电系统运行管理自动化的根本前提。 。 1 4 1 变电站内通信网络模型研究 ( 1 ) 功能要求 通信网络的根本任务是解决综合自动化系统内部以及与其他系统之间的实时信息 交换，而网络是不可或缺的功能载体，那么构建一个可靠、实时、高效的网络体系是通 信系统的关键之一，2 0 0 0 年国际大电网会议第3 4 组保护与控制组讨论和介绍了交电站 自动化及其通信系统，其基本一致的思想就是通信技术是变电站自动化系统的关键阎。 通信网络是连接站内各种智能电子设备( m o ) 的纽带，因此它必须能支持各种通信接 口，满足通信网络标准化。 随着变电站的无人化以及自动化信息量的不断增加，通信网络必须有足够的空间和 速度来存储和传送事件、电量、操作、故障以及录波等数据圆。为改善电压运行质量， 无人值班变电站要求通信网络具有电压无功自动调节功能、系统对时功能等。另外自诊 断、自恢复以及远方诊断，在线状态检测是针对运行维护提出的几项功能要求。 基于以太网技术的冶金行业变电站综合自动化应用研究 ( 2 ) 性能要求 通信网络的性能要求主要体现在以下几个方面： 快速的实时响应能力。因测控数据、保护信号、遥控命令等都要求实时传送，虽 然正常工作时，站内数据流不大，但出现故障时要传送大量的数据，要求信息能在站内 通信网络上快速传送。要保证严格的时限要求，规定在特定时间内完成特定的任务( 如 测量、保护、控制、事件记录的报文传输) ，确保极坏情况下报文响应时间是可确定性 的。 很高的可靠性。由于电力生产的连续性和重要性，站内通信网络的可靠性是第一 位的，应避免一个装置损坏导致站内通信中断。特别是数字、图像信息的多媒体技术的 应用，我们会更加依赖通信网络，因此，一个可靠的通信网络是首要条件。 良好的开放性。站内通信网络为调度自动化的一个子系统，除了保证站内i e d 设 备互连、便于扩展外，它还应服从电力调度自动化的总体设计，硬件接口应满足国际标 准，选用国际标准的通信协议，方便用户的系统集成。 支持优先级传输。数据有轻重缓急之分，重要的数据须优先于其它数据传输，要 求支持优先级调度，以提高时间紧迫性任务的信息传输可确定性。 良好的电磁兼容性能。变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存在电源、雷击、 跳闸等强电磁干扰，通信环境恶劣，数据通信网络必须注意采取相应的措施消除这些干 扰的影响洲。 1 4 2 现场总线技术的局限性分析 在变电站自动化发展过程中，先后出现过几类通信方案。最初用r s 4 8 5 总线将保护 设备连在一起采用主从方式通信，这种方式较简单，实际上是串行点对点通信，技术上 缺陷很多，后来各种现场总线技术被引入国内，现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 对现场总线的定义为：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、 多分支结构的通信网络。美国仪表学会i s a 0 n s t r u m c n ts o c i e t yo fa m e r i c a ) 下属的标准 实施( s t a n d a r da n dp r a c t i c e ) 第5 0 小组o s a s p - 5 0 ) 对现场总线的定义是：现场总线是一种 用于制造过程环境的最终控制设备与高层自动化控制设备( 控制室设备) 之间的任何双 向串行通信链路。国际电工委员会( 砸c ) 提出的现场总线概念是：现场总线是连接工业现 场的仪表与设置在控制室内控制设备的数字化、串行、双向、多变量、多节点的通信网 络 2 s 2 6 期。由于其具有简单易用、组网方便、抗干扰能力强等特点，很快被电力自动化 设备业界采用来构成变电站内的通信网。现场总线种类较多，用得较多的是l o n w o r k s 和a 蝌。用现场总线来做通信网从工程实践来看是较成功的，但是随着变电站自动化 大连理工大学专业学位硕士学位论文 技术的不断发展，引发了很多新的技术问题，其中主要的一个问题是：使用新的、高性能 的通信网络以满足不断增长的技术要求。 首先，随着变电站从以前的3 5 k v ，1 1 0 k v 等中低压变电站向2 2 0 k v 甚至5 0 0 k v 高压 超高压大型变电站发展，系统的通信量大为增加【2 叼，这是因为，一方面，交电站自动化 系统要监视和控制的对象数目剧增。另一方面，高压、超高压变电站自动化系统会使用 比中、低压系统更多的数字式继电保护等智能化电子设备( i e d ) ，这些设备需要通过内 部通信网络传输大量的遥测、故障录波1 2 9 1 等信息，特别是在发生故障时需要传输的信息 量会更大。因此高压、超高压变电站自动化系统对内部通信网提出了更新、更高的技术 要求，目前在变电站自动化系统中广泛使用的现场总线通信网络由于速度和带宽上的限 制，满足不了这些要求，必须使用新的通信技术，研制出高性能的通信网络来满足高压、 超高压变电站自动化系统发展的需要。 其次，目前工业测控领域所使用的现场总线技术，都是自成体系，互不开放的。国 际上对现场总线技术也长期争议不休，i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准包括了8 种不同的类型 现场总线，它们采用不同的通信协议，要使它们互相兼容和互可操作几乎是不可能的a 因此，现场总线这类专用实时通信网络在速度、带宽、兼容性以及互操作性等方面 的缺陷制约了它的发展。随着计算机技术和通信技术的发展，系统网络化和体系开放性 成为工控技术发展的趋势，以太网技术顺应这种趋势，正被引入变电站自动化系统过程 层的采集、测量单元和间隔层的保护、控制单元中，构成基于网络控制的分布式变电站 自动化系统。 1 4 3 工业以太网技术研究 ( 1 ) 以太网技术 以太网( e t h e m e t ) 是一种流行的分组交换局域网，在7 0 年代早期发明，i e e e 以号码 8 0 2 3 发布了与这个标准兼容的版本，之后这个标准被国际标准化组织( i s o ) 接受为国标 标准。目前在所有的网络连接中8 0 都是基于以太网的，以太网的销售量比其他局域网 的销售量要多得多，以太网是目前使用最广泛的局域网技术。在9 0 年代，以太网在速 度方面一再革新，先后推出了1 0 0 m b p s 和1 0 0 0 m b p s 以太网。 以太网是一种具有尽最大努力投递含义和分布式接入控制的广播网络，所有结点共 享同一通信信道，所有收发器都能收到每次发送的数据。以太网定义了一种4 8 位寻址 方式，每台连到以太网上的计算机都被分配一个唯一的4 8 位数字，即它的以太网地址， 以太网硬件制造商从i e e e 购买以太网地址块，在生产以太网接口硬件时按顺序分配。 基于以太网技术的冶金行业变电站综合自动化应用研究 因为以太网地址属于硬件设备，所以有时也称作硬件地址或物理地址，当把硬件接口移 到新机器或替换失败的硬件接口将改变机器的物理地址 以太网是节点之间的链路级连接，因此把被传输的数据看作一帧( f r a m e ) 。图1 1 显示了以太网的帧格式，包括前同步码、目的物理地址、源物理地址、帧类型、帧数据 以及c r c 。以太网帧的长度是可变长度的，但不能小于6 0 字节或大于1 5 1 4 字节f 目的 物理地址、源物理地址与帧类型之和) 。 8 个字节6 个字节6 个字节2 个字节4 6 1 5 0 0 个字节4 个字节 图1 1 以太网数据帧 f i g 1 1e t h e r n e td a t af r a m e 以太网采用最大努力投递机制，是因为硬件没有向发送者通过任何信息来判断所要 发送的分组是否己被接受。上层协议族采取了一系列措施来适应尽最大努力投递的硬 件。以太网的介质访问控制机制使用的是一种被称为具有冲突检测的载波侦听多路访问 ( c s m a c d ) 协议 以太网多个节点可以同时访问以太网，在向网络发送数据帧时具有相同的优先级， 并且可以在任何时候尝试访问信道，这就是多重访问的含义。当某节点要发送一个分组 时，它首先执行载波监听，如果信道空闲站点就利用以太网帧或包的形式向网上发送数 据。当一个以太网节点的数据帧被发送到共享的信号信道或介质时。所有与信道相连的 以太网接口都读入该帧。并且查看该帧的第一个4 8 比特地址字段，其中包含有目的地 址。各个接口把帧的目的地址与自己的4 8 比特地址进行比较。如果与自己的地址相同， 则该以太网节点将继续读入整个帧，并将它送给计算机中正在运行的网络软件。如果与 自己的地址不同，就会停止读入信息帧。 当发送器开始发送时，信号并不同时达到网络各处，而是大约以光速的8 0 的速率 在电缆上传输。这样就可能有两个收发器同时探测到网络空闲，并同时开始发送。当这 两个信号交汇时，它们混杂在一起，每个信号都失去了意义，这种事件叫做冲突。发生 这种情况时，连接在共享信道上的以太网设备就会侦听到信号的“冲突”，并告知以太 网接口停止信号传送，接口将各自选择一个随机的重新发送时间，并重新发送数据帧。 ( 2 ) 工业以太网协议模型 大连理工大学专业学位硕士学位论文 虽然现场总线的应用改善了变电站综合自动化系统的通信功能，但这并不意味着这 一新生事物没有问题。现场总线技术发展至今，己形成了4 0 余种各具特色的现场总线 协议，这些协议分属不同的国家和跨国公司些现场总线之间的互连互通一直是难以解决 的问题。o p c 技术来解决异种总线的互操作，但这种互操作只能在各自的主机间进行， 不能在彼此的现场仪表间进行，由于缺乏控制的实时性这种所谓互操作是没有实际意义 的。 当现场总线的发展遇到障碍时，人们开始把目光投向当今世界使用最广的局域网技 术以太网。以太网在办公自动化领域已成功运行了二十多年，随着i n t e m e t 的迅猛 发展，以太网己成为事实上的工业标准，t c p i p 的简单实用已深入人心，为广大用户所 接受。目前不仅在办公自动化领域内，而且各个企业的管理网络也都广泛使用以太网。 在工业控制领域，随着仪器仪表智能化的提高和工业管理自动化的深入，系统传输的信 息量必将增加，未来传输的数据可能已不满足于几十个字节，甚至可以是w e b 网页， 所以网络传输的大容量在工业控制中越来越重要，而以太网可以满足工业控制的这种需 求。控制界的工程师开始意识到只要对以太网标准加以改进，使之满足工业现场的需要， 以太网技术也能进入工业控制领域。现在，人们在以太网前面加上“工业”二字，新的 工业控制网络便应运而生了p ”2 j 。 目前，无论是从国内还是国际的发展来看，工业以太网的研究才b j b j i 开始，其国际 统一