（电气工程专业论文）电力系统测控装置的研究.pdf

摘要 随着计算机技术、电力电子技术的快速发展，各种智能设备越来越多的应用 于变电站之中，尤其是高电压等级变电站，各种智能设备得到大量应用，新的变 电站自动化模式也不断推出，传统的r t u 模式越来不适应当今电力监控系统要 求，电力系统测控装置正朝着以面向对象并集多种功能于一体的方向发展，已不 单单是传统意义上的测控装置，而是一个信息收集和处理的中心。 本文以新型高电压等级变电站测控装置的开发为目的，全面总结了目前高电 压等级变电站测控装置的现状及其发展方向，系统的分析了变电站测控装置原理 及相关新技术。分析了高电压等级变电站对测控装置的各种新的功能需求，并提 出了相应的解决方法和实施方案。 新装置设计中大量应用多项新技术，测控装置的软、硬件设计开发中完全采 用国际标准，使装置的开放性得以保证，同时对测控装置的可靠性提出了解决方 法，完全满足未来变电站的要求。站内所有智能装置的数据在本测控装置中得到 整合，让所有有需要的用户得到利用，通过增加提高适用性并最终降低用户造价 等许多新功能使变电站自动化解决方案得到增强。多种实用的新功能都集成于单 个测控装置，包适可编程程序控制器、变电站l a n 结点、各种智能装置的网关、 电能计量、电能质量监测、故障录波等。本测控装置还可以在大型分布式变电站 中灵活的组成各种集测量、控制、设备管理、通信一体化的测控系统，经过各项 软硬件功能测试，结果表明新的测控装置各项技术指标完全达到了设计要求。 关键词：测控装置；灵活性：可靠性 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i d l yd e v e l o p m e n to fm i c r o c o m p u t e ra n dp o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g yi ne l e c t r i c i t y , v a r i o u sl e dd e v i c eh a sb e e nu s e di ns u b s t a t i o n e s p e c i a l l yi n h i g hv o l t a g ec l a s ss u b s t a t i o n n e wm o d eo fs u b s t a t i o na u t o m a t i o nh a sb e e nm o r ea n d m o r ea p p l i e d t r a d i t i o n a im o d eo fr e m o t et e r m i n a lu n i ti sn o ta d a p t a b l et ot h e d e m a n do ft o d a y se l e c t r i cs u p e r v i s o r ys y s t e m m e a s u r ea n dc o n t r o ld e v i c ei s d e v e l o p i n gt oo b j e c t - o r i e n t e da n di n t e g r a t i n gm a n yf u n c t i o n st o g e t h e r t h ed e v i c ei s n o to n l yat r a d i t i o n a lm e a s u r ea n dc o n t r o ld e v i c e b u ta l s oai n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g a n dm a n a n g i n gc e n t e r t h ep a p e rb e g i n sw i t ha n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cm e a s u r ea n dc o n t r o l d e v i c ei ne l e c t r i cp o w e ra u t o m a t i o ns y s t e m c o m p r e h e n s i v es u mu pt h ea c t u a l i t yo f m e a s u r ea n dc o n t r o jd e v i c ei nh i g hv o l t a g es u b s t a t i o n s y s t e m a t i c a l l ya n a l y s et h e p r i n c i p l ea n dr e l e v a n tn e wt e c h n o l o g y ，a n dp u tf o r w a r dt h er e s o l u t i o nr e s o v l i n g m e t h o da n di m p l e m e n t i n gp r o j e c t i nd e s i g nm a n yn e wt e c h n o l o g i e sw e r ea p p l i e d ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea c c o r d i n gt oi n t e m a t i o n a ls t a n d a r d w h i c hm a d et h eo p e n i n go fd e v i c ew a s g u a r a n t e e d ，a tt h es a m et i m e ，a d v a n c e dt h er e s o l v e n to fr e l i a b i l i t yo fd e v i c em e e tf u t u r e p h y s i c a la n df u n c t i o n a ls t a t i o nr e q u i r e m e n t s a l ls u b s t a t i o nd e v i c ed a t ai si n t e g r a t e d c o o r d i n a t e da n dm a d ea v a i l a b l et oa sm a n yh o s ts y s t e m so ru s e r sa sn e e d e d s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns o l u t i o n sh a se n h a n c e di t sm u l t i f u n c t i o nf o rs u b s t a t i o nc o n t r o l b ya d d i n gs e v e r a ln e wf e a t u r e st h a ti n c r e a s et h ef l e x i b i l i t yo ft h ea p p l i a n c e ，i m p r o v e p e r f o r m a n c ea n du l t i m a t e l yr e d u c el i f e t i m eo w n e r s h i pc o s t sf o rt h ee n du s e r t h e a d d i t i o no ft h en e wf e a t u r e s c o m b i n e ss e v e r a ln e wf e a t u r e st h a ta r en o wa v a i l a b l ei n a s i n g l es u b s t a t i o n c o n t r o l l e ：i tf u n c t i o n sa sap r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r , s u b s t a t i o nl a nn o d e i e dg a t e w a y , r e v e n u ec l a s sm e t e lp o w e rq u a l i t ym o n i t o ra n d f a u l f f e v e n t ( w a v e f o r m ) r e c o r d e r t h ep r o d u c th a sc o m p l e t ef l e x i b i l i t yt ob u i l da r e l i a b l e ，p o w e r f u la n dv e r s a t i l es y s t e mc a p a b l eo fh a n d l i n gm o n i t o r i n g ，c o n t r o l ， a u t o m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n si nt h ed i s t r i b u t i o ns u b s t a t i o nt ot h el a r g e s t t r a n s m i s s i o ns t a t i o n t h ef u n c t i o nt e s t sb yu s i n gt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n d i c a t e t h a tt h ef u n c t i o n so fd e v i c ec o m p l e t e l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so fd e s i g n k e yw o r d s ：m e a s u r ea n dc o n t r o ld e v i c e ；r e l i a b i l i t y ；f l e x i b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 勿签字日期：7 仍7 年夕月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名多于铞；少 签字日期：力叼7 年夕月厂日 导师签名： 量绣以 签字日期： 卅年7 月f 日 第一章绪沦 1 1 课题研究的意义 1 1 1 我国电力发展现状 第一章绪论 随着我国社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们生产、生活的各种活 动无不与电紧密联系在一起，而电力工业也是同民经济的重要部门，国家的经济 发展对电力的依赖性也越来越强，因此在我国当前的形势下电力工业的发展必须 优于其它工业部门，才能确保我国经济高速增长。由于我国经济的迅猛发展，电 力供应不足问题显得较为突出，与经济的快速增长显得不合节拍，甚至成为经济 发展的瓶颈。电力稳定性、可靠性以及电力自动化水平要求也越来越高。但目前 电源建设远远赶不上用电需求的增加，并且电网建设本身也存在一定缺陷，电力 自动化水平也处于较低水平，这就造成用电效率不高，电力调度优化不尽合理。 所以逐步改造我国城网、农网，提高整体自动化水平，合理准确的调度电力的分 配，提高用电效率就是不用进行大规模的投资建设电厂等基础设施而改善用电效 率的捷径i lj ，对我国这样一个能源紧缺型国家有重要意义，也符合我国节约能源 战略和环境保护战略。因此如何提高电力自动化水平已经成为我国电力系统亟待 解决的一个问题。 1 2 新型测控装置研究的意义 变电站测控装置是电力系统中极其重要的一部分，起着承上启下的作用，既 要把变电站的各种数据上传至调度中心供调度中心进行处理决策，也要把调度中 心的各种信息和命令传达给变电站的各种设备。 对于2 2 0 k v 以上高电压等级变电站来说，由于其重要性，因此其各种设备 的自动化装置要求独立而互不干扰，象保护、测控、五防、消防、电能计量等都 各自有自己的独立系统，各系统之间也不是完全孤立的，它们之间也有通信联系， 也可以信息共享，这样做的好处也是显而易见的，各系统独立运行，其中一个系 统出现问题不会影响到其它的系统，既提高了可靠性，又提高了可维护性。 随着计算机技术和电子信息技术的发展，其在电力建设中的应用越来越广泛 和深入，尤其是现场总线、以太网等网络技术和微电子技术的发展产生了大量高 第一章绪论 集成度的各种采集芯片和新型电力一二次设备，也使电力测控装置有了一个质的 飞跃。目前，变电站测控装置在这一领域的应用已走在了前沿。 电力自动化技术也由模拟技术的初级阶段发展到数字技术时代，同时微处理 器技术和各种新型的一二次设备的应用，使各个子系统形成管理系统成为可能。 此后，每次计算机技术和通信技术以及控制技术的进步，便带动电力自动化技术 的一次进步。 现在的测控装置采用分布式结构、集中分布混合结构等结构形式，它们各 具特点，不但丰富了自动化系统集成方案，同时也取得了比传统方式好的效益。 分布式结构是与集中式结构相对的一种结构，其抛弃了集中式结构中所有计算和 住处处理都由主机完成的模式，把系统功能分成多个部分，分散到系统中不同位 置的主机进行处理，各个主机各司其职独立工作，这样就大大的提高了系统的吞 吐量，同时可以用软件和硬件冗余的方法实现互为备用。提高了系统的鲁棒性， 这种结构扩展起来也比较容易。集中混合结构是结合两种模式的优点，把部分 功能分散化的一种结构。 人工智能技术、通讯技术、信息处理技术使得电力自动化进入到一个新的阶 段。计算机技术、通信技术、功率电子技术和控制技术的日新月异标志着电力自 动化度过了个新的时期，这些新技术逐渐地由理论和实验阶段进入应用领域，对 电力自动化技术产生了巨大的冲击作用，一些新的观点和理论应运而生，解决了 电力工业许多一直没有解决的问题。 g p s 相量测量装置与常规r t u 相结合，使调度中心的e m s 功能从稳态向 动态转变，也使电力系统的全局稳定和恢复控制成为可能 随着我国电网建设的发展和安全要求的不断提高，自动化技术、产品的开发 要适应这种新形势下的要求，加强新技术、新思想的研究，努力开发具有自主知 识产权的产品，提高市场竞争力，加强变电站计算机监控系统运行的可靠性与稳 定性，保障实时数据的准确性和及时性，要积极采用硬、软件成熟、可靠的产品， 变电站的建设也要朝无人值守和少人看守的方向发展【2 1 。所以一种能够满足现代 变电站要求的新型测控装置的研究就显得非常重要。 1 2 课题内容相关研究的现状综述 变电站测控装置在国内的发展，已经走过了近3 0 年的历史，从早期的集控 台方式、全集中式、功能分布式，到目前以设备间隔为对象的分散、分层、分布 式变电站测控装置。8 0 年代及以前，是以r t u 为基础的远动装置及当地监控为 代表。9 0 年代初期，随着计算机、网络、通信技术的发展，变电站监控系统在 2 第一章绪论 功能和可靠性方面的逐渐完善和提高，采用分层分布式结构，按间隔设计，扩充 性好，安装比较方便，各种控制电缆直接到继电保护小室，小窜内i o 单元通过 现场总线连接，并与站控层通过光纤连接，抗干扰能力强，大大地减少了控制电 缆的使用和敷设数量。9 0 年代中期，随着计算机技术、网络及通信技术的飞速 发展，采用按间隔为对象设计测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成真正 意义上的分层分布式自动化系统。 1 2 1 国内相关产品与技术概况 目前国内生产常规远动终端设备的厂家很多，较有代表性的有南瑞电网控制 公司的d i s a 系统、东方电子信息产业集团的d f l 0 0 0 系列r t u 和山东大学积成 公司的i e s r 7 0 分散远动分站系统。 南瑞电网控制公司d i s a 系统：d i s a 2 、d i s a 3 是最早采用双网结构的分散式 变电站综合自动化系统，并迅速使双网结构成为高电压等级变电站监控系统的流 行模式，同时d i s a 系统增加了微机保护功能，可很方便地实现变电站综合自动 化功能。 山大积成的i e s - r 7 0 远动分站系统：i e s r 7 0 分布式远动分站，以一体化工控 机为核心，基于c a n 网络，采用按线路间隔分散的智能模块构成系统，面向 l1 0 - 5 0 0 大型变电站应用。i e s r 7 0 s 分布式远动分站以嵌入式控制器为核心，采 用c a n 网络。 北京四方公司c i s 2 0 0 e 具有双以太网接入；可直接采集直流；1 4 位a d ，3 6 点每周波；可显示主接线图，显示方式灵活；y x 2 4 可扩至4 8 ；y k l 4 付接点输 出；5 路温度、直流；a c y c 8 u 4 i 或6 u 6 1 ；m t b f 大于4 万小时。 国电南自p s r 6 5 9 具有以下特点：c a n 网；2 个以太网口；交流采集；直流采 集：开关量输入；开关量输出；同期功能。主模块3 2 位m o t o r o l a ，子模块 采用6 8 h c 0 8 ；交采用d s p ；g p s 硬对时；电磁兼容三级，两串口。 许继电气f c k 8 0 0 ：装置主要特点如下：采用3 2 位高性能浮点d s p 数字信号处 理器和1 6 位a d 转换器芯片。采用可编程逻辑芯片c p l d 。开关量输入采用直 流2 2 0 v 1 1 0 v 光电隔离输入。人机界面采用3 2 0 x 2 4 0 点阵的晶显示器。软件内 核采用国际上成熟的嵌入式实时多任务操作系统。支持r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、e t h e m e t 等多种通信接口。 1 2 2 国外相关产品与技术概况 国外引进的r t u 因其具有较高生产工艺和可靠性，在国内也有一定的应用， 但国外引进的r t u 产品一般价格高昂。典型的有以下几种： 3 第一章绪论 g e ： g r 9 0 ：采用分布式模块接口，通信网络为单网，主要以按功能分布为主，最新 产品中有线路综合监控模块。通信口8 个。可支持多种规约通信，操作系统采用 实时多任务操作系统p s o s ，支持双机冗余。 m i c r o l cr t u ： 通常称为m b 8 8r t u ，美国v a l m e t 公司产品，集中式结构，采用1 6 位的 n e cv 2 5 微处理器作为主处理机，扩展的模块挂在并行总线上。基本配置为3 个串行口，其中一个串行口配置为b e l l 2 0 2m o d e m ，不支持电力载波通道的 上音频传送。 p m l 3 7 x x 系列r t u ： 加拿大p m l 公司产品，全分散式模块( 嵌入式安装) 结构，均为线路综合 监控模块，功能丰富，如p l c 控制及故障录波等。通信采用r s 4 8 5 异步方式， 速率较低，必须由台式微机负责信息处理及转发，缺点是通信能力不强。 d s s 系列r t u ： 加拿大c a e 公司的产品，有集中式模块m r t u 和分散式模块p r t u 两种结 构方式，其中m r t u 模块之间通信采用e t h e r n e t 网以t c p i p 协议通信， e t h e r n e t 可配置成双网冗余模式，m r t u 可通过r 4 8 5 接多个p r t u ，通信为 单网方式，采用r s 4 8 5 网络。 1 3 本文的主要工作 本文主要做了以下工作： 1 提出了新型测控装置的设计原则，总结归纳了 新型测控装置所应遵守的各种标准和规范，提出了能够满足现代变电站的新型测 控装置的各种功能要求；2 进行了新型测控装置的硬件设计，包括中央处理器单 元及其外围芯片的设计、数字信号处理器d s p 的设计、c p u 与d s p 的接口设计、 a d 转换器设计、可编程逻辑单元设计、串行e e p r o m 设计、以太网设计、c a n 总线设计、b 格式对钟设计以及通讯口部分设计；3 进行了新型测控装置的软件 设计，包括软件设计原则、设计目标、功能设计、主要功能算法以及软件设计流 程；4 总结了新型测控装置可靠性设计，包括遥信、遥控、同期、五防以及电磁兼 容的可靠性设计等。 4 第二章电力系统测控装置的方案设计 第二章电力系统测控装置的方案设计 2 1 测控装置设计原则 1 变电站测控装置作为电网调度自动化的一个子系统，应服从电网调度自动化 的总体设计要求，其配置、功能包括设备的布置应满足电网安全、优质、经济运 行以及信息分层传输、资源共享的原则。 2 本着提高电网安全、经济运行水平、采用先进的计算机及网络技术，功能有 机集成、相互协调、提高自动化水平、减少变电站硬件的重复设置及投资费用， 满足变电站自动化及无人值守的工程需求。 3 构造按超高压枢纽变电站( 5 0 0 k v - - - - - 2 2 0 k v ) 设计，同时简化的结构模式应能使 用于中压变电站( 含2 2 0 k v 终端站和1 0 k v - - - 3 5 k v 站) 及低压配电站( 3 5 k v 、 1 0 k v 站) 的系统构造要求，同时兼顾考虑同保护配合。 4 系统用分层分布式系统结构，测控装置设计体现面向对象，功能有机集成， 系统各部分有机协调的思想。充分考虑工程的实用化( 分散、就地安装等模式) 。 分散式配置宜采用能下放的功能尽量下放的原则，凡可以在间隔层就地完成的功 能，无需通过网络及上位机完成。 5 采用代表国际技术发展先进潮流的、标准而成熟的通信网络技术。对于2 2 0 k v 枢纽站及3 3 0 k v 、5 0 0 k v 超高压变电站，其网络层及站控层宜采用双重化、冗 余配置，如双网网络、光纤双环冗余自愈系统等手段。采用国际标准通信规约协 议，充分考虑网络的开放性、可扩充性以及工程化的相关问题。同时具备双以太 网和双现场总线，信息传输更流畅，组网方式更灵活。 6 在系统设计时必须考虑同我国电力通讯网的接口问题，系统支撑软件符合i s o 开放系统规定，系统的各类数据、通信规约及网络协议的定义、格式、编程、地 址等与相应的电网调度自动化系统保持一致，以适应电力工业信息化的发展要 求。系统能适应电力通讯网的多种通讯方式，还要考虑同电网调度自动化系统、 配电自动化系统、电能计费系统等的接入问题。 7 站控层应能实现对全站进行监视、保护、控制以及设备检测功能的综合管理。 间隔层i e d 符合设计规范及技术指标要求，同时可以适应多种网络接口；采用 测量、控制一体化设计。 8 传统的变电站测控装置采用串形口通信方式，其通信速率和资源共享均受到 第二章电力系统测控装置的方案设计 限制。新系统采用总线型局域网络，其通信速率高，传输可靠。 9 变电站内，特别是高压小问内存在强大的电磁干扰。应充分考虑电磁干扰对 i e d ( 智能电子设备) 装置要求。另外在通信方式上优先采用光纤通信方式，同时 鉴于光纤安装、维护复杂及费用较高，在中低压变电站可选用屏蔽电缆为通信介 质。同时保证经济合理性及技术先进性1 3 7 1 。 l o 信息处理的实时性。 软件开发采用实时多任务操作系统p s o s ，该系统是经过美国f a a 、f d a 认证， 并在波音、麦道等客机上使用的高可靠性嵌入式实时多任务操作系统，将其应用 到变电站自动化系统中，必将提高软件系统的安全性和信息处理的实时性。 2 2 电力系统测控装置的标准遵循和引用的标准 测控装置遵循的标准和规范 下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出 版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用 下列标准最新版本的可能性。 i s o 标准国际标准化组织制定的标准 i e c 标准国际电子技术委员会制定的标准 s i 标准国际标准单位制 g b 标准中华人民共和国国家标准 d l 标准一中华人民共和国电力行业标准 i s 0 9 0 0 0 系列质量体系认证证书 c c i t t 国际电报电话咨询委员会标准 i e e e 美国电气电子工程师协会标准 a n s i 美国国家标准委员会标准 n f p a 美国国家防火委员会标准 其它国际通用标准 g b 2 8 8 7 8 9 计算站场地技术条件 g b t 13 7 2 9 9 2 远动终端通用技术条件 g b t 13 7 3 0 9 2 地区电网数据采集与监控系统通用技术条件 g b t i515 3 9 4 远动设备及系统工作条件环境和电源 g b t 1 4 4 2 9 9 3 远动设备及系统术语 g b t 6 5 9 2 9 6 电工和电子测量设备性能表示 g b 9 8i3 微型数字电子计算机通用技术条件 6 第二章电力系统测控装置的方案设计 g b 2 4 2 3 1 电工电子产品基本环境试验规程a 低温试验方法 g b 2 4 2 3 2 电工电子产品基本环境试验规程b 高温试验方法 g b 2 4 2 3 3 电工电子产品基本环境试验规程c 湿热试验方法 g b t l3 7 0 2 9 2 计算机软件分类与代码 g b t 1 5 5 3 2 1 9 9 5 计算机软件单元测试 g b 5 0 1 7 1 9 2 电气装置安装工程盘，柜及二次回路接线施工及验收规范 g b t 6 5 9 3 一l9 9 6电子测量仪器质量检测规则 g b 2 4 2 3 电工电子产品基本环境试验规程 s d j 9 19 9 9 电气测量仪器装置设计技术规程 s d j 2 8 8 ( ( 2 2 0 5 0 0 k v 变电所设计技术规程 d l g l 0 7 - 9 2 ( 5 0 0k v 变电所微机监控系统设计技术规定 d l 5 0 0 2 9 1 电力系统调度自动化设计技术规范 d l 5 0 0 3 - 9 2 电力系统调度自动化设计技术规程 d l 4 1 2 9 1 电力系统复用调制解调器6 0 0 b i t s 移频键控调制解调器技术要求 d l 4 7 6 9 2 电力系统实时数据通信应用层协议 d l 4 51 9 l 循环式远动规约 d l t6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地 d l t6 3 0 19 9 7 交流采样r t u 技术条件 d l t6 3 4 19 9 7 远动设备及系统传输规约基本远动任务配套标准 d l t6 6 7 19 9 9 远动设备和系统传输规约继电保护设备信息接口配套标准 i e c 5 2 9 防护等级 i e c 6 1 0 0 0 - 4 2 静电放电试验 i e c 6 l o o o - 4 3 辐射静电试验 i e c 610 0 0 4 - 4 快速瞬变干扰试验 i e c 6 1 0 0 0 4 5 浪涌抗扰性试验 i e c 8 7 0 1 远动设备和系统总则一般原理和指导性规范 i e c 8 7 0 2 远动设备和系统工作条件环境条件和电源 i e c 8 7 0 3 远动设备和系统接口( 电气特性) i e c 8 7 0 4 远动设备和系统传输规约 i e c 8 7 0 5 1 0 1 基本远动任务配套标准 i e c 8 7 0 5 一1 0 2 电力系统中传输电能脉冲计数量配套标准 i e c 8 7 0 5 一1 0 3 继电保护设备信息接口配套标准 i e c 8 7 0 5 10 4 远动网络传输规约 n d j g8 8 9 火力发电厂、变电所二次接线设计技术规定 7 第二章电力系统测控装置的方案设计 d l t6 5 9 19 9 8 火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程 中华人民共和国能源部实现无人值班对调度自动化系统的基本要求 c 3 7 9 0 1 1 9 7 4 抗浪涌能力( s w c ) 测试导则 c 3 7 1 1 9 8 7 用于监控、数据采集和控制系统的定义、技术规范和分析 2 3 技术要求 测控装置容量按满足变电站的一个独立对象设计，具有超强的通讯和数据处 理能力，技术超前，符合高电压变电站监控发展趋势。 双c p u 设计及其基本系统 测控装置为m c 6 8 3 6 0 + d s p 。双c p u 并行工作，双c p u 板之间通过双口r a m 交换数据。双c p u 分工合作，m c 6 8 3 6 0 主要完成通讯功能和遥控、遥信及p l c 逻辑的处理，d s p 主要完成模拟量的采集和全电量的计算、故障分析和录波功能、 g p s 相角测量功能和谐波分析功能。双c p u 并行可以保证在最复杂的工况下( 如 同期合闸) 测控装置的各项指标不受影响。 双现场总线网的应用 现场总线具有使用方便、简单、经济的特点，以太网具有网络标准、开放性 好、高速率、传输容量大的特点。但目前由于以太网在性能和应用特点上仍不能 完全替代现场总线，面向实时控制的工业以太网技术及标准正处于研究和制定过 程中，所以现场总线将会和以太网并存相当长时间。 目前采用的现场总线有：l o nw o r k s 、c a nb u s 等，速率为l 1 2 m b p s ；本设 计中使用了f d k - b u s 和c a n 两种不同性质的现场总线网络，优势互补，充分 发挥f d k b u s 对钟精度高和c a n 异常数据响应快的特点。在系统设计上，采用 独特的双网分流、故障切换的通信机制。在两个网络都正常运行的情况下，根据 系统分配的任务双网并列运行，从而达到动态的流量控制，最大限度地利用系统 带宽，提高了系统的实时性；当一个网络出现故障时，则把出现故障网络的任务 叠加到正常运行的网络上，保证了数据的完整性，提高了系统的可靠性。而当检 测到两个网络都正常后恢复到双网分流状态。c a n 网络主要用于各种过程监测 及控制的一种网络，c a n 网络可以采用多主从工作方式，可以方便地构成多机 备份系统；采用非破坏性总线仲裁技术，还具有在自动切除错误节点的功能；其 通信距离最远为l0 k m ( 5 k b s ) ，通信速率最高可达1m b s ( 4 0 m ) ，节点数目实际可 达l l o 个。c a n 的这些特点适于应用在变电站自动化监控系统中。f d kb u s 是 东方电子开发并推出的现场总线网，以在老的产品中稳定运行多年，速度快，在 2 0 0 0 米内通信速率达l8 7 5 k b p s ，采用同步方式，对钟精度高。在应用中拟采 第二章电力系统测控装簧的方案设计 用f d kb u s 和c a nb u s 两种不同类型的网络，优势互补，互为备用。两种网 的分流与备用配合的关系是研究的重点。两种不同性质的现场总线网的应用最大 限度地保持通信网络的可靠性，在国内监控系统的网络通信中处于领先地位。 p s o s 实时多任务操作系统的应用 p s o s 嵌入式实时多任务操作系统，其内核经过了美国f a a 及f d a 认证， 并已在波音飞机等上广泛应用，其可靠性完全可以信赖。本装置所有软件均建立 在p s o s 操作系统平台之上。充分利用了p s o s 的实时多任务调度机制，使各种 功能充分协调地完成。p s o s 提供各种标准的协议，如t c p i p 、p p p 、x 2 5 等， 使得与各种局域网及广域网的联网问题轻松解决。在p c 硬件平台和6 8 k 上的系 统软件的开发采用实时多任务操作系统p s o s ，p s o s 系统的应用将提高软件系 统的实时性和稳定性。 g p s ( 全球卫星定位系统) 相角自动监测系统 相角测量的功能由测控模块完成，g p s 模块内嵌于测控模块内部，通过g p s 模板输出的i p p s ( 秒脉冲信号) 作为同步采样信号，实现对电力系统各个结点 的电压相量同步采样。采用傅里叶变换算法得到每个秒信号时的电压相量的相 角。作为带时标的遥测量通过高速的现场总线传给主处理器模块，再由主处理器 模块通过以太网、电话线、微波等形式上传调度中心。 标准的通信规约库方便与各种智能设备的互连 采用国际国内的标准开发通信规约，使各规约完全符合各种国际标准，如 i e c 6 0 8 7 0 - 5 101 、i e c 6 0 8 7 0 5 10 2 、i e c 6 0 8 7 0 5 10 3 、 i e c 6 0 8 7 0 5 10 4 、d n p 、 c d t 9 2 、c d t 8 5 、r p 5 7 0 、r p 5 7 1 、8 8 9 0 、u 4 f 、m b 8 8 、m o d b u s 、s c i l 8 0 lv 6 、 i s a 、l f p 、x t 9 7 0 2 等，方便与各种调度主站以及各种站内智能设备的互连。 数据库变换方便灵活 提供了灵活多变的数据操作机制，系统支持双点遥信、b c d 码信息、s p i 变压器档位信息；支持各种虚拟遥信操作和虚拟遥控操作；支持功率总加、遥信 合并以及各种复杂的遥测计算和遥信计算和各种p l c 功能；支持各种智能设备 间的透明数据传输。 双以太网应用 目前大中型变电站对监控系统的要求越来越高，其典型模式是采用分散分布 式模块结构，安装方式为既可集中安装也可分散安装，模块间通信采用高速的网 络通讯。对于高电压等级的变电站，近年来对网络提出的新需求是采用双网的通 讯模式，即采用互为备用的两个通信网络，以提高通信的可靠性。监控系统与当 地后台机之间也最好采用双网方式通信。本项目欲开发一种的采用双嘲冗余技 术、具有抗强电磁干扰特性的分散分布式变电站监控系统，促进我国变电站自动 9 第二章电力系统测控装置的方案设计 化水平的发展和提高。 1 0 m 以太网2 个，由m c 6 8 3 6 0 的s c c i 和s c c 2 通道扩展，网卡采用背板方式， 2 个通道的网卡具有互换性。网卡提供r j 4 5 、同轴电缆和光纤三种。 电磁兼容性 超高压变电站的一次开关设备附近电磁干扰极为强烈，在其附近安装的计算 机监控设备必须具有极强的可靠性及电磁兼容性。应能满足i e c 6 1 0 0 0 4 中最严 酷等级的要求。为了开发出高稳定、高可靠、适合高电压等级变电站应用的分散 式监控模块，必须全面考虑，设计完备的抗电磁干扰措施。 遥信、遥脉功能 测控装置可以采集3 2 6 4 遥信量输入，模块到机柜端了输入回路信号电源采 用d c 2 4 v ，以1 6 为模共地，输入回路经过磁珠滤波和压敏电阻保护。所有遥信 量还可以用作脉冲计数。所有遥信量可以参加p l c 逻辑控制，实现电气连锁和 五防闭锁。 遥测功能 1 2 路模拟量采集。交流量采集，包括6 路电压、6 路电流，用于本间隔或安 装单元电流、电压、有功及无功功率测量。 直流量采集，接入变压器热敏电阻测温，1 路d c 2 2 0 v 5 v 输入。其中第1 路在 不测温时还可以测直流量( o - - 5 v ) 。电阻测温采用b b 公司的单芯片变送器。 面向对象的保护管理机： 具有4 个外接串口，用于现场智能设备接入。一个标准的r s 2 3 2 接口，工 作于9 6 0 0 b p s ，用于当地维护；其余三个串行口( r s 2 3 2 r s 4 8 5 ) 。模块内集成有 丰富的通信规约，每个串口可以配置不同的规约，用于以对象为单位接入单元内 相关的保护设备或其它智能设备，完成一个单元的保护管理机功能。 a g c 控制： 可配置4 路带隔离的模拟量输出，模拟量输出可以是电压型，也可以是电流 型。电压、电流可同时输出，电流输出带载能力为7 5 0q 。 遥控功能 遥控支持预置返校执行模式，具体遥控过程如下：m c 6 8 3 6 0 收到遥控命令 - m c 6 8 3 6 0 预置遥控对象和遥控性质遥控预置返校正确一m c 6 8 3 6 0 向d s p 发遥 控命令m c 6 8 3 6 0 等待遥控执行命令遥控执行。 强大的通讯功能 除具有双以太网，双现场总线( f d k + c a n ) 外，还具有三个串行通讯口和一 个维护口； f d kb u s1 个，18 7 5 k b p s ，由m c 6 8 3 6 0 的s c c 2 通道扩展，曼码在e p l d 中 1 0 第二章电力系统测控装置的方案设计 实现。 c a nb u s 由m c 6 8 3 6 0 的s p i 通道扩展。 串行口，3 个，用于接入其他智能设备。 检同期检无压操作： 可以实现双电源线路、母联、旁路、主变各侧断路器、1 个半接线断路器的 自动捕捉准同期操作或检无压操作。 电压无功自动控制： 根据变电站的规模，可以用作独立的v q c 控制装置；可实现面向变压器的 v q c 控制装置：面向控制单元的分布式v q c 控制模块。 防误闭锁： 可实现编程自定义逻辑，通过p l c 功能可方便地对其所有的输入和输出量进行 编程设置，由此完成一个电气安装单位的防误闭锁功能。 g p s 对钟： 支持g p s 对钟，可以接入卫星钟b 格式或秒脉冲，对钟精度都可达到l m s 。 接入b 格式，可直接译码出完整的时间信息；接入秒脉冲，秒以上的信息通过 网络对钟得到，秒以下的信息通过秒脉冲分频得到。 p l c 功能： 具备可编程逻辑功能，以梯形图的方式编程，通过串口下载参数。 全面的自检功能： 自检到芯片，包括程序存储器、数据存储器、串行e e p r o m 、a d 、控制输 出回路等，进行定时监测，发现问题，自动闭锁并通过网络传输故障信息。 液晶和键盘： 模块具有一个3 2 0 x 2 4 0 的点阵式图形显示液晶和9 个按键，可方便地就地 操作( 查看信息、系统设置、控制操作、同期操作) ，并可显示一次接线图及其 上面的装置的实时数据。 完善的自诊断功能： 上电自检、静态自检、动态自榆功能，一旦检查出故障，发告警信号；模块 瘫痪情况下能输出错误报警信号，不同模块间相互监督错误报警信号； 第二章电力系统测控装置的硬件设计 第三章电力系统测控装置的硬件设计 测控装置采用6 8 3 6 0 + d s p 的双c p u 结构，其中d s p 采用德州仪器公司的 t m s 3 2 0 f 2 0 6 ；测控模块具有双以太网与f d k b u s 、c a n b u s 现场总线接口， 因而它可以方便地组成双以太网。双以太网可采用全光纤连接。双网分流，故障 切换，互为备用。正常工作时双以太网间通信任务平均分配，现场总线用于故障 情况下的通信备份，双以太网通信通信信带宽，提高了对系统突发事件的处理能 力，确保了数据和命令传输的实时性和准确性【引5 1 ，增强了系统的可靠性。 根据所实现的功能，提出如下硬件设计方案，见图3 1 ： 图3 1 硬件系统框图 1 2 第三章电力系统测控装置的硬件设计 3 1 中央处理器单元及其外围芯片设计 3 1 1 主c p u 选择及性能介绍 中央处理器和程序存储器组成了中央处理器单元，该单元是整个测控模块的 中枢：因此，在设计中央处理器单元时，不仅考虑其功能的先进性，而且各个元 器件的连续运行时间、温度范围、抗静电能力等性能指标也是其考虑因素。 因测控模块是集交流采样、直流采样、数字量采集及输出、g p s 相角测量 等功能于一身的综合模块，这就需要选择一种高运算能力及精度，较强的控制能 力、具有高运行可靠性的c p u 。综合几种c p u 型号，最终选定m o t o r o l a 公 司生产的3 2 位工业级单片机m c 6 8 3 6 0 。主频2 4 5 7 6 m h z ；负责数据库处理和对 外通讯。 m c 6 8 3 6 0 具有功能强、运算精度高、功耗低、体积小、可靠性高等优点。 其接口方式灵活、支持通讯协议多、运行速度快、功能强大。同时该c p u 可在 p s o s 环境下运行。利用p s o s 进行系统开发，使得系统设计简单，程序开发方 便，故广泛应用于精密控制、航空航天等领域。m c 6 8 3 6 0 是3 2 位的集成化微控 制器，具有卓越的数据处理能力和强大外围子系统，它是积木式设计的单片机， 采用全静态、高速互补的c m o s 技术。 其主要特征如下： 外频为2 5 m 或者3 3 m ，在2 5 m 的情况下每秒可以执行4 5 m 条指令。 3 2 位数据总线，兼容8 位和1 6 位操作。 有3 2 条地址线，寻址空间最大可以达到4 g 。 支持s l a v e 模式，即被动模式操作。 直接存储芯片，最多可以达到8 个( 可以为s r a m 或d r a m ) ，可以给每 个b a n k 分配一个片选线c s 。 4 个1 6 位定时器或者2 个3 2 位定时器。 2 个独立的d m a 接口。 三个并行口，i o 口多达4 6 根。 7 个外部中断源。1 6 个内部中断源，可编程优先级。 4 个s c c ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r ) e l 。2 个s m c ( s e r i a lm a n a g e m e n t c o n t r o l l e r ) 口。 3 6 0 主要有三个内核组成：c p u 3 2 + 、s 1 m 6 0 及其c p m 。 c p u 3 2 + 是直接支持内部3 2 位总线的c p u 。允许字节、字，双字等操作方式。 并且可以在起始奇地址进行存取操作c p u 3 2 + 会自动完成对应需要的总线周 第二章电力系统测控装置的硬件设计 期。 s | m 6 0 负责总线控制，例如外