（电力电子与电力传动专业论文）大型变电站综合自动化系统的结构设计及其性能研究.pdf

东南大学工程硕士学位论文 摘璧 a b s t r a c t s u b s t a t i o ni sa ni m p o r t a n c ep a r ti nt h ep o w e rs y s t e m a sar e s u l to ff a s td e v e l o p i n gp o w e r t e c h n i q u ea n dm a n u f a c t u r em e t h o d ，s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mb e c a m eu n s a t i s f i e dm o r ea n dm o r e i no r d e rt os a t i s f i e dl a r g e rs c a l e ，b i g g e rc a p a c i t ya n dh i g h e rp a r a m e t e rp o w e re q u i p m e n t s s a f ea n d c r e d i b l er u n n i n g ，n e wt e c h n i q u eo f s a ss h o u l db es e e ka f t e r c o n f i g u r a t i o n so fi e c6 1 8 5 0l a r g es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，w h i c hi st h ea m e l i o r a t i o no f g e n e r a ls a s a r et h ee m p h a s e si nt h ep a p e r 1 1 1 en e ws y s t e mi sa p p l i e di n5 0 0 k vw u b e is u b s t a t i o n 。 a n dd o s eb e t t e ri nr e d u c i n gi n t e g r a t i o no fs u b s t a t i o n i n n e rd a t a , r e d u c i n gm u c he x p e n s e sa n d i n c r e a s i n gt h ef l e x i b i l i t yo f s y s t e m t h em a i nw o r k sa r ca sf o l l o w s ： a s u m m a r i z et h ed e v e l o p m e n t ，c o n f i g u r a t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs o m et y p i c a ls a s ，a n d c o m p a r et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b a c c o r d i n gt of a c t sa n dr u n n i n ge x p e r i e n c eo f l a r g es u b s t a t i o na n db a s a lf u n c t i o no f g e n e r a l s a s ，c o m p l e m e n t a r “i e sa r em a d et ob e t t e r t h ef u n c t i o no fl a r g es u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m c i n t r o d u c ei e c6 1 8 5 0t ol a r g es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，i e c6 1 8 5 0s a si ss c h e m e do u t i nt h ep a p e r , i n c l u d i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e d o m i n a n c e d t a k e5 0 0 k vw u b e is u b s t a t i o na sa ne x a m p l e , a i mt os a t i s f yt h es u b s t a t i o n st e c h n i q u e d e m a n d ，f u n c t i o nd e m a n da n dt e c h n i q u et a r g e t , i e c6 1 8 5 0s a si ss c h e m e do u t a n da p p l i e d i n5 0 0 k vw u b e is u b s t a t i o n k e y w o r d s ：l a r g es u b s t a t i o n ，s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ( s a s ) ，i n t e l l i g e n te l e c t r o nd e v i c e ，s y s t e m c o n f i g u r a t i o n ，i e c6 1 8 5 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：经3 丝日期：兰竺7 一声。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：塑：逝导师签名： 日期： 东南大学工程硕士学位论文第一帝 1 1 背景 第一章绪论 电力系统是一个连续运行的系统，电能的生产、传输、分配和消耗都是同时完成的。 变电站是电力系统正常运行的一个重要环节，它完成电能的传输、电压的变换和电能分配 等多方面的功能。在电力系统中起着十分重要的作用。 常规变电站的二次系统主要包括四个部分。即：继电保护、故障录波、当地监控以及远动 部分。这四个部分不仅完成的功能各不相同，其设备( 装置) 所采用的硬件和技术也完全不同。 传统的技术和管理方式，已越来越不适应变电技术发展的要求。其主要缺点是： 第一，继电保护、故障录波、当地监控和远动装置的硬件设备，基本上按各自的功能配置， 彼此之间相关性小，设备之间互不兼容。 第二，二次系统的硬件设备型号多、类别杂，很难达到标准化。 第三，大封电线电缆及端子排的使用，既加重了投资，又得花费人量人力从事众多装置间 联系的设计、配线，安装、调试、修改或扩充。 第四，常规二次系统是一个被动的系统，它不能正常地指示其自身内部故降，从而必须定 期对设备功能加以测试和校验，这不仅加重维护丁作量，更重要的是不能及时了解系统的i ：作 状态，有时甚至会影响对一次系统的监视和控制。 电子技术、计算机技术的迅猛发展，微机广泛的应用为电力系统自动化技术的发展奠定了 基础，先斤出现了微机型继电保护装置，微机型故障录波器、微机监控和微机远动装置。这些 微机装置尽管功能不一样，其硬件配置却大体相同，主要有微机系统状态量、模拟鼍的输入 和输出电路等组成。由于这些设备装置都是从变电站主设备和二次同路中采集信号，并对这些 信号进行检测和处理，这使得设备重复，增加了投资，并使接线复杂化，影响了系统的可铝性。 随着电力技术的发展，变电站无人值守化趋势明显；而且电力系统规模迅速扩大，容量人 参数高的电力设备被广泛使用为保证这些设备安全，可靠地运行，必须采用变电站自动化技 术。 1 2 变电站综合自动化 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，白动装 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，实现对全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，以及与调度通信等综合性的自动化功能 变电站综合自动化系统是利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，它代 替常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的 继电保护屏克服了常规的继电保护不能与外界通信的缺点。 变电站综合自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站领域的综台应 用。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。利用计算枫的高速计算能力和 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从当前实现的功能和技 术水平上衡量，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 东南大学工程硕土学位论文第一牵 管理智能化等特点 在变电站综合自动化的探索和实践中尤其是大型变电站综合自动化系统，人们逐渐认识 到一些共性问题尚待解决，主要有以下几个方面： l 、功能集中，可靠性低 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、微机远动等按功 能分散考虑。一个功能模块管理很多个设备，多个单元。模块的功能相对集中，可靠性低。变 电站综合自动化系统要更多地考虑分散性，让一个综合模块去管理一个电气单元这种综合模 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问。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它单元 2 、数据通信处理能力差 早期的变电站综合自动化系统由传统自动化发展起来，火多数采刚集中控制方式。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。 3 ，综合性能差 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，现在则在多个方面增加功能，增强其综合性。例如：从测鼙、监控、 保护相对独立发展到测量、监控，保护的一体化。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 4 ，数据不能共享 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，印取 同一个电流互感器t a 希i 同一个电压互感器丁v 的信号。测颦信息完全共享的优点是：保护和 测餐可以共_ i j 同一个c p u 和共川相同的模拟餐输入通道，即同一个功能单元既完成保护的功 能，也完成测鼙的功能因此可减小测控单元体积，降低设备造价。 5 、技术不规范，标准不统一 变电站综合自动化是一门新技术，已得到行业内认同，也吸引着越来越多行业外技术力量 的参与，变电站综合自动化系统产品制造商多，但技术不规范。标准不统一。为了提高变电站 自动化系统的整体水平。提高测量，监视和控制系统的性能指标，在变电站自动化控制系统的 所有设备间需要进行自由访问，方便、快速地交换信息，技术必需规范，标准必需统一 1 3 本文的主要工作 本文以大型变电站的综合自动化技术为研究核心，主要完成了如下工作： l 、结合变电站自动化技术的发展历程，归纳总结了几种典型的变电站自动化系统的结构， 特点，并进行各种结构自动化系统的利弊分析。 2 、根据大型变电站的实际情况和运行经验在常规变电站综合自动化的基本功能之上。 在对大型变电站综合自动化系统的功能需求进一步完善 3 ，引入先进的变电站通信网络和系统协议i e c6 1 8 5 0 ，设计出基于该标准的变电站自动化 系统。分析该结构的自动化系统具备的特点以及相对于常规变电站自动化系统的优势所在。 4 、以5 0 0 k vw b 变电站为_ j = 程实例。针对5 0 0 k v 的大型变电所的技术要求、功能要求以 及技术指标，分析了该5 0 0 k v 变电站自动化系统的结构和功能分布，并设计基丁二i e c 6 1 8 5 0 的 5 0 0 k vw b 变电站自动化系统。 2 东南人学t 程硕i ：学位论文 篇一帝 第二章变电站自动化系统典型结构及其特点 随着计算机、现代通信和智能控制等技术的发展，电力系统自动化，尤其是变电站自动化 技术得到了迅速发展。 变电站自动化系统( s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，s a s ) 。即利用计算机控制、网络，数 据库、现代通信等技术手段。对变电站所有二次设备进行功能组合和优化设计，从而实现对变 电站进行自动监视、测量，控制和协调，提高变电站运行效率和管理水平的一种综合性的自动 化系统。变电站自动化系统能够取代常规监视仪表，操作控制屏柜，模拟屏柜、中央信号系统、 变送器以及常规远动装置等设备，因此对变电站的安全与经济运行水平有显并提高。 自变电站应用电子技术、通信技术和微机技术以来。变电站白动化系统的结构已经经历了 如下几个阶段： 1 ) 第一阶段，按信息类型设计的全站集中式结构； 2 ) 第二阶段，按功能设计的分布式结构； 3 ) 第三阶段，按“面向对象”设计分散( 层) 分布式； 4 ) 第四阶段，基于工控网络的分层分布式的。 各个阶段由于设计目的、原理的不同，其结构也有显著区别，因此各种系统的监测和控制 水平也不尽相同。 2 1 全站集中式变电站自动化系统结构及特点 全站集中式变电站自动化系统，国内于6 0 年代推出。也是电子计算机刚开始用于屯力系 统控制的初期。由于受计算机硬件水平的限制。早期自动化系统中较多采用这种结构。 2 1 i典型结构 圈1 - 1 是一种较典型的集中式结构。该结构系统的功能模块与硬件无关，各功能模块的连 接通过模块化软件实现。信息是集中采集，处理和运算的。此类结构对监控主机的性能要求较 高，且系统处理能力有限，开发手段少，系统在开放性，扩展性和可维护性等方面较差，抗干 扰能力不强。 2 i 2 特点 该结构的s a s 是一种将变电站的全部信息输入到一套计算机系统中并由计算机系统进行 集中采集、集中处理和集中监控的系统，因此其主要特点是结构简单、成本低，但是系统内部 无通信。由于系统设计时无冗余。所以局部故障可能导致全系统瘫痪，可靠性极低过于集中 正是此型系统的致命缺点 东南大学工程硕士学位论文第一二章 图i - 1 全站集中式变电站自动化系统结构图 f i g 1 c o n f i g u r a t i o no fi n t e g r a t e ds a s 2 2 功能分布式变电站自动化系统结构及特点 功能分布式变电站自动化系统国外8 0 年代中期开始出现，国内于8 0 年代末推出。当时计 算机技术已经发展到以i b m p c 机以及8 0 5 i 、8 0 9 8 单片机为主导的阶段，涌现了大量的基丁：这 类计算机的站内微机化功能装置，如微机保护，微机故障录波、微机当地监控、微机r t u 、微 机电表计费，微机小电流接地选线装置等将这些微机化功能“组合拼装，即产生了所谓的按 功能分布式变电站综合自动化系统。 总 图1 2功能分布式变电站自动化系统结构图 f i g 1 - 2c o n f i g u r a t i o no f d i s t r i b u t i n gs a s 4 东南大学工程顶j ：学位论文第一二章 2 2 i 典型结构 该系统的典型结构如图1 - 2 所示。 分布式结构是按功能设计的，如按保护和监控等功能划分单元，分布实施，其结构采用主 从c p u 协同工作的方式，各功能模块如智能电子设备之间采用网络技术或串行方式实现数据通 信。 2 2 2 特点 分布式结构与全站集中式结构相比，按功能进行分布和由串行通信集中数据，已部分地克 服了后者过于集中的缺点，有助于系统扩展和维护可靠性较好，局部故障不会影响系统其它 模块正常运行 该类型的s a s 主要有两种安装方式：集中组羼和分层组屏。 按功能进行分布的特性方便了用户使用，但增加了系统的复杂性，存在下列不足： i ) 一次设备与功能装置之间，各功能装置之间的联结线相当复杂，二次电缆数量多，系 统安装调试以及运行维护困难，屏柜数鼍多，占地面积大。 2 ) 各功能装置可能由不同厂家生产，因而结构，操作方法、维护方法不尽相同，给调试， 运行和维护增加了很多不必要的麻烦 3 ) 一台功能装置兼管全站的该项功能，一旦该装置出故障，可能会导致全站丧失此功能， 因而这种分布式结构从实质上来说仍然功能集中。 4 ) 通信由前置机集中统一管理，因而对前置机的可靠性及容最提出很高要求。一口前置 机故障可能会影响全站远行。因此翁置机不仅要采蹦i ：控机之类的高可靠性微机而 且在人型变电站中往往还采用双机冗余技术，增加了系统的复杂性和开发费h j 。另外 在系统出现故障或特殊情况时，站内信息流量急增，前置机可能导致通信拥塞或丢失 的“瓶颈现象”。 5 ) 由于r s 4 2 2 r s 4 8 5 串行通信只能采用主从式对话方式通信，即每个节点只能依次与前 置机进行通信。当发生事故时，大量的信息会导致事故信息无法及时上送，严重影响 系统监控功能的实现。同时由于r s 4 2 2 r s 4 8 5 通信接口一般连接的节点数不超过3 2 个在变电站规模较大时，不能满足变电站自动化系统的要求。 2 3 基于工控网络的分散( 层) 分布式变电站自动化系统结构及特点 为解决分布式存在的问题，基于现场总线组网方式的分散( 层) 分布式变电站自动化系统 结构应运而生。所谓现场总线，就是一种全数字的双向多站点通信系统。其通信方式既可设置 为主从式，也可设置为平等对话式，即网络上任意一个节点可向其它多个节点发送信息。 2 3 i 典型结构 分散( 层) 分布式变电站自动化系统结构就是按照电气一次回路设备或电气间隔设备设计， 间隔层中数据、采集、控制单元( i o 单元) 和保护单元就地分散安装在开关柜上或一次设备 场地附近，相互之间通过通信网络相连，与监控主机通信目前，此种系统结构在自动化系统 中较为流行，主要原因是： 1 ) 现在的i e d 设备大多是按电气阃隔设备单元设计的，如专门的线路保护单元、主变保 护单元； 2 ) 二次设备就近安装，省去了大量二次接线，控制设备之间仅通过双绞线或光纤连接， 设计规范，变电站扩建方便： 3 ) 某一设备的损坏并不影响其它设备的正常工作。运行可靠性高。 东南大学工程烦l 学位论文 第二章 系统结构如图i - 3 所示。 图l - 3分散( 层) 分布式变电站自动化系统结构图 f i g 1 3c o n f i g u r a t i o no f d e c e n t r a l i z a t i o ns a s 2 3 2 特点 分散( 层) 分布式变电站自动化系统的主要特点是功能分散、管理集中。这种结构的s a s 相对于较早结构的s a s 的改进之处表现在： 1 ) 数据通信系统采用一i j 控网络( 现场总线) 。备间隔的测控保护设备及监控苫由1 ：控网络 相迮接，取消了前置机。这类结构中的l ：控网络一般为l o n w o r k s 网或c a n 网。采h j 总线网络结构，双绞线或光纤介质。 2 ) 对于电压等级较低的场合，打破保护装置相对独立于系统的传统观念采用先进的微 电子技术，将测控、录波等功能融进保护装置，形成统一的综合测控保护单元。由各 单元完成各自间隔内的全部功能，简化了间隔层设备的结构，缩小了体积，提高了该 部分的可靠性。 3 ) 系统分为间隔层和变电站层。间隔层装置负责对一次间隔设备进行保护、测鼙、控制 等 ：作，将采集的数据送入网络，变电站层从网络中获取数据，进行数据处理，实现 运行监控，操作、远动通信等高级功能。变电站层不直接面对现场设备，保证系统具 有很高的可靠性。此外。变电站层的数据处理单元可实现系统级的特殊功能，如小电 流选线、电压无功控制等功能。 与其他变电站自动化系统相比而言。这种结构的变电站自动化系统具有下面两个显著的特 点： i ) 由于采用了工控机数据通信网络间隔层采集的数据由通信网络实现全站共享，技术 先进。通信速率高，网络安全性好，可靠性高。由工控网络取代常规的串行通信是该 变电站自动化系统通信结构的本质进步 2 ) 总线式网络所联结的各节点设备地位完全平等。任一节点可以与其他节点进行通信， 通信方式灵活，不存在通信“瓶颈现象”，而且总线网络的节点数目理论上没有限制。 因而系统扩充容易，通用性好，移植方便。 但是，此毽系统在实际应用特别是在大型厂站的应用中还存在一些不足。例如，目前广泛 采用的l o n w o r k s 及c a n 网络属于总线式网络，这种工控网络与商用网络相比。通信速率明显 6 东南大学1 = 程硕卜学位论文 第一帚 偏低。数据流鼙偏小限制了系统在更高级数据处理功能方面的实现。此外，变也站自动化综合 测控单元通常是由保护装置扩充测控功能发展而来。结构偏重于保护装置，因此集成度不够高， 稳定和调试部比较复杂。 2 4 基于以太网的分散( 层) 分布式变电站自动化系统结构及特点 当今的变电站自动化系统已由传统的单一的集中模式向相对分散式、分层分布分散式多种 体系结构模式转变。由传统的面向单个测量控制对象向面向屯网元件( 如进线、出线、变乐 器，母线、电容器等) 转变，由各功能单独考虑向系统功能综合考虑转变，由一味强调功能全 面向更强调功能实用和高可靠性转变。在变电站自动化系统中，无论是模块级，间隔级还是站 级均由专用、低速向通用，标准化、高速转变。由位总线、l o n w o r k s 、c a n 、f f 等现场总线 统一向以太网转变 传统的p l c 技术不能满足日趋增长的对分布式实时控制性能的要求，传统现场总线技术也 是如此。长期实践证明，在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择。 以太网经过若干年的发展，技术上已经十分成熟。随着适合丁1 ：业现场应州的嵌入式以太 网微处理器的发展，以太网已可十分便利地应用于变电所自动化系统。l om 以太网具有l 控 网络不可比拟的高速特点，系统信息可快速变换。同时以太网具有很高的可靠性，安全性，灵 活性，如网络节点均带耐高压的网络隔离变压器，网络拓扑结构灵活，支持多种通信媒介。在 自动化系统升级时( 如升为1 0 0m 快速以太网) ，可在系统通信网络结构及媒介稍加改动甚至 不改动的情况下平滑地使通信系统升级，节省开支。 2 4 i特点 基于以太网的分层分布式监控系统结构如图l - 4 所示，它具有以下优点： 1 ) 它充分考虑了今后的发展需要，具有很高传输速率和自适应性，目前能达到1 0 m b 1 0 0 m b i g b 的速率，1 0g b 的以太网也即将面世： 2 ) 很高的传输安全性和可靠性； 3 ) 几乎不需考虑网络的拓扑结构，非常灵活，集线器的应用可不需考虑网络的扩展问题； 4 ) 传输物理介质多样性。双绞线、光纤，同轴电缆其至无线通道都可容纳； 5 ) 与最前沿的i t 技术全面接轨，出现了被称之为“世界标准”的t c p i p 技术的应用： 6 ) 能满足低成本、高性能、面向未来的需要。 7 苗薯kq暑回葺o o再盂葺o=霄zi；|i葺。嚣弓io葺o=嚣k；曲#=ou 霉姆螺帐鞑翊懈梧求哩隶g匿板_i|竹醐 叮h 匝 寸一嚣一每 囡 倒 匿 一翥 ： 捆! ； 。 锥_ 圆 ：鲁 世 h 霸 爿姑 门 f e l 一 辩倒 国 1 竺r 搿。 砖 ：2 制1 剧 凸 匿 h 一 ) l 一 引 圉 长 墨 引 鼷l 冈一一 蓁蠢 倒一一 蓄一 n 固 国 蚰u 冈 刨 啦 呔 卷 一 誉 越 。 谁 号冈 1 2 _ j 一唑嬉燃、一 二o o - 1 一哒谁魁o一一 n o o j 一哒斟辜巅一 n 一 - 1 一巡靼掣一 寸一o o - 1 粒_ 器 材嵇车知_l善群卜咎、r但 东南人学工程硕t 学位论文第三章 第三章大型变电站综合自动化系统的功能需求 变电站综合自动化系统具有功能综合化，结构监控微机化、操作监测屏幕化运行管理智 能化等特征。5 0 0 k v 的犬型变电站在电网中的地位十分重要冈此为提高可靠性而采用了人越 的技术先进的一次设备，如h g i s 和g i s 等，新设备的采用虽然一定程度上有助于提高变电站 可靠性，但是对大型变电站自动化系统的功能的要求也提高了因此，大型变电站的综合自动 化系统的功能需求也有所不同。所以，对于大型变电站，需要在以往的变电站自动化系统的基 础功能之上，结合大型变电站的实际情况。阐述大型变电站综合自动化系统的功能需求 3 1 继电保护功能 变电站综合自动化系统中具有很完善的继电保护功能。微机继电保护需要主要包括输电线 路的保护，电力电压器的保护，母线保护，电容器的保护、小电流接地系统自动选线自动重 合闸保护等，它是变电站综合自动化的关键环节之一 3 2 数据采集功能 变电站综合自动化系统实现对全站的数据采集和处理功能。通过采样电路，对各种状态晕 数据、模拟量数据( 电气茸及1 f 电气颦) 及脉冲彗数据采集并进行实时处理。电气弩数据采集 通常是经过变送器加a d 变换方式，也可以是交流采样方式。微机保护信息以微机通信方式采 集，非微机保护信息以接点方式直接送入数据采集装置，断路器及隔离开关位置信号人部分以 接点方式直接送入数据采集装置：对有载调压变压器分接头位置信号一般采用硬接线点对点直 接送入数据采集装置，也可采用b c d 码或模拟量接入数据采集装置。 3 3 事故顺序记录和事故记忆功能 事故顺序记录是指系统按照变电站内的继电器、自动装置，断路器等设备发生事故时动作 的先后顺序，把事件记录下来。事故记忆是指对变电站内在的一些主要模拟量，如线路，主变 压器各侧的电流，有功功率、主要母线电压等，在事故发生前后的一段时问内有连续测量记录。 3 4 运行监视功能 变电站综合自动化系统可以对变电站运行状况和设备状态进行自动监视，包括各种状态晕 变化监视和各种模拟量数值监视。其中状态量变化监视体现在各种断路器、隔离开关，接地开 关、变压器分接头位置以及动作情况、继电保护和自动装置动作情况等：模拟量数值监视体现 在正常测量、越过限定值报警、事故模拟量变化的追忆等 3 5 控制与安全操作闭锁功能 操作人员通常是通过c r t 屏幕对断路器，隔离开关及电动接地开关进行分，合操作，对 9 东南大学工程硕l = 学位论文第二帚 有载变压器及所用变压器分接头位置进行调节控制，对电容器组进行投切，以及所内其它重要 设备的启动，停止。 根据电力系统运行操作要求防误范围包括防止误分( 误合) 断路器、防止带负荷拉( 合) 隔离开关、防j e 带电挂( 合) 接地线( 接地开关) 、防止带地线( 接地开关) 合断路器( 隔离开 关) 、防止误入带电间隔，即所谓的“五防”。为了有效地防止电气误操作，要求凡有可能引起 电气误操作的高压电气设备，均应考虑防误措施。为了能实现智能化操作，变电所综合自动化 系统站控层实现面向全所设备的综合操作闭锁功能，间隔层实现各电气单元设备的操作闭锁功 能；站控层防误操作方式以综合全部信息进行逻辑判断和闭锁为主，间隔层防误操作以实时状 态检测、逻辑判断和输出回路闭锁等多种方式结合，充分保证对本单元一次设备的各种安全要 求。 3 6 统计功能 变电站综合白动化系统可实现对断路器动作次数统计变压器有载调压和投切电容器动作 次数统计、低频减载动作前后有功无功变化值统计、峰谷平电度值及最人电量统计，电压合格 率统计、最高及最低电压出现时间统计，用电率计算统计等。 3 7 数据处理及存储 目前能按照调度中心、变电工区及保护专业的管理要求进行各种数据处理及存储。变电站 自动化系统建立实时数据库，存储并不断更新来自f o 单元及通信接口的全部实时数据；同时 根据需要建立历史数据库。存储并定期更新需要保存的历史数据和运行报表数据，历史数据库 中的数据能根据需要进行选择和组合，转储至其它存储设备。通过在线维护，可以对数据库中 的数据项进行增加、减少以及修改。数据库具有极高的安全性，所有经采集的数据均不能修改。 3 8 人机联系功能 变电站综合自动化系统采用了计算机监控系统。操作人员只要面对c r t 显示屏幕通过鼠 标或键盘，就可对全站的运行情况和运行参数一目了然，并可对全站的断路器、隔离开关以及 一些设备进行分合操作。 3 9 远动与通信功能 变电站综合自动化系统的通信功能主要有两部分： i ) 系统内部的现场一级间的通信，主要解决自动化系统内部各子系统与监控主机和各子 系统间的数据信息交换问题。 2 ) 自动化系统与上级调度的通信，是指将系统所采集的模拟量和状态量信息，以及事件 顺序记录等远传至调度端，同时接受调度下达的各种操作、控制、修改定值等命令。 数据采集装置将各种实对信息送到调度中心，操作控制中心及变电站内的后台计算机系 统，并能接受操作控制中心及变电站内的后台计算机系统的下行信息。由于大型变电站综合自 动化系统各单元问交换的信息多，特别是目前己开始发展智能化变电站。 3 1 0 系统自诊断与与自恢复功能 1 0 东南大学1 = 程硕1 ：学位论文第二幸 变电站综合自动化系统具有在线诊断能力能对系统自身的软硬r i ：运行状况进行在线诊 断，发现系统异常运行时给予报警和记录。对一般性的软什出现故障时，系统可以自动恢复止 常运行状态。当设备有冗余配置时，在线设备发生软，硬件故障时。能自动切换剑备用设备， 使系统能在稳定、可靠的状态下运行。 3 1 1 智能化运行管理 在目前超高压变电站有人值班的模式下提高变电站智能化管理水平是电力系统发展的需 要，变电站智能化控制是新近出现的课题，目前变电站的操作虽通过c r t 执行，但仍然是依靠 操作人员分步操作完成，需开操作票、安措票，并进行审核、操作、监护等一系列工作，人_ i 二 操作不可避免地存在误操作的可能。变电站自动化系统的自动控制功能尽可能的减少了人工操 作，自动顺序控制按设定步骤进行操作，即将旁路代、倒母线等成组的操作在操作员站( 或调 度通信中心) 上预先选择，组合，经校验正确后，按要求发令自动执行。 3 1 2 设备检修的状态估计 随着电力系统对可靠性要求的不断提高和在线检测、模式识别及计算机技术的不断发展， 电气设备从计划检修向状态估计检修转变已成为必然趋势。设备的检修能否通过设备的历史运 行、检修及试验状态和连续监测数据，分析其趋势，加以预测，诊断，估计设备的寿命，然后 确定检修项目、频度与检修内容。 3 1 3 其他功能 i ) 数据显示及打印 目前运行人员能通过c r t 屏幕监视各种设备的运行状态及有关数据，并能进行定时和召 唤打印。主要内容有单线图的状态、潮流信息，报警画面与提示信息、事什顺序记录，事 故记录、趋势记录、装置工作状态、保护定值显示等 2 ) 数据输入 目前能进行各种参数的设定和修改。 东南人学工程硕士学位论文第叫章 第四章基于i e c6 1 8 5 0 大型变电站综合自动化系统的结构设计 4 1 常规大型变电站综合自动化系统的结构 随着电力系统的迅速发展，5 0 0 k v 系统逐步成为主网。为了提高5 0 0 k v 大型变电站的安全 经济运行水平，根据现代微机技术和网络通信技术的发展，对大型变电站的综合自动化系统需 要进行积极的探讨和研究。 以往的大型变电站的自动化系统实在r t u 设备基础上，利用计算机数据接口，设置当地 监视功能，为变电所的安全运行和调度员及时了解系统运行情况，提供了有力的帮助。 随着计算机技术和通信技术的发展，以增强型r t u 设备为主构成的计算机监测系统增加 了对一次设备的控制功能，在综合部分变电所自动化有关功能后，也能构成变电所自动化系统 ( 简称集中式系统) 。同时，国内外也推出了按电气间隔布置的分散分布式结构的变电所自动化 系统( 分散式系统) 。 集中式系统是从增强型r t u 发展起来的，为节约硬件成本，将模彳，| 按四遥功能分，井把 整个变电所作为监控对象。比较典型的做法是模件按功能分为开关量输入扳，开关草输山扳 模拟量输入板等。虽然投资较省，但却给扩建和日常维护带来一定困难，集中式系统和分散式 系统的比较如表4 1 所示。 表4 - 1集中式系统和分散式系统比较表 集中式系统分散式系统 没有明确的分层，模块功能依赖主处理机实现，独 立性差 所有功能在主处理机中处理，模块对主处理机依赖 性大，可靠性差 以整个变电所为监控对象，模件按功能分，按四遥 功能建立数据库，统一处理数据，造成主机负荷重， 且成为系统瓶颈 装置多采用大机架或大模板，公用电源 分为间隔层设备和站级设备两层，间隔层敬备可独 立处理本间隔的信息，独立性强 基本功能分散在间隔层，对站级设备依赖性小系 统的容错能力强，可靠性高 以独立的电气单元为监控对象，模件或装置( 间隔 层设备) 按电气单元分，可分散并行采集和处理数 据 装置( 间隔层设备) 采用紧凑的单元结构。独立箱 体和电源，能满足一个电气单元的输入输山颦要 求 电气联锁用其他独立设备实现或由主站软件实现间隔层的电气联锁可在间隔层设备实现，全站的电 气联锁在站级或间隔层实现 各模件间一般采用总线方式联接。总线外引导致装 置总体抗干扰能力弱 集中组屏。分散组屏有困难 一般采用直流2 4 v 或4 8 v 作为信号电源，误发信 较多 模拟量一般采用变送器测量。变送器输出经a d 转换为数字量 扩建对现有系统影响大 各装置之间一般采用网络通信，趋向于采用光纤作 为通信介质，抗干扰能力强 适于分散组屏，条件许可时可安装在一次设备酣 近节约大量电缆 采用所内直流2 2 0 v 或1 1 0 v 作为信号电源，误发 信较少 模拟量一般采用交流采样，直接转换为数字量 扩建对现有系统影响小 1 2 东南大学工程顾上学位论文 第叫章 通过表4 - l 可见，分散式系统的技术优越性是明显的，这也是某些传统的r t u 生产厂家推 出分散式系统的原因。 4 2i e c6 1 8 5 0 标准分析 为了提高变电站自动化系统的整体水平，提高测量，监视和控制系统的性能指标在变电 站自动化控制系统的所有设备间需要进行自由访问，方便、快速地交换信息。网络技术的迅猛 发展提供了通过网络交换数据的可能性。且能满足传输信息容量大大增加的实际需要。同时， 变电站的新技术不断涌现和运用要求变电站自动化系统能适应这种要求，因而要求系统是开放 式的、而且具有互操作性。为满足这些需求，变屯站通信网络平系统的国际标准i e c6 1 8 5 0 应 运而生。1 9 9 5 年i e c t c 5 7 为此成立了3 个工作组，负责制定i e c6 1 8 5 0 标准。1 9 9 9 年3 月，3 个工作组提出了i e c6 1 8 5 0 委员会草案版本，2 0 0 2 年正式通过了i e c6 1 8 5 0 变电站通信网络和 系统的国际标准。 i e c6 1 8 5 0 是迄今为止最为完善的关于变电站自动化系统的通信标准，它不仅能够适应目 前日新月异的通信技术的脚步、能够适应复杂多变的变电站自动化的功能需求、能够科学的评 估变电站自动化系统的通信性能，更重要的是能够适应变电站应用功能的分布式( d i s t r i b u t e d ) 实现和组合式( c o m p o s i t i o n ) 应用，因而是真正意义上支持了变电站自动化设备的且操作性 ( i n t e r o p e r a t i o n ) 。与以往通信标准相比，i e c6 1 8 5 0 为了实现互操作性，建立起完整的支持体 系，并对该体系作出严格的规定，因此它不再是一个传统的通信协议。 目前，国内开发商正积极将该标准运用于新一代的变电站臼动化系统中。 i e c6 1 8 5 0 标准具有以下特点： 一、信息分层 变屯站通信网络和系统协议i e c 6 1 8 5 0 标准提出了变电站内信息分层的概念无论从逻辑 概念上还是从物理概念上，都将变电站的通信体系分为3 个层次，即变电站层，间隔层和过程 层并且定义了层和层之间的通信接口。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接 口( a c s i ) 映射到制造报文规范( m m s ) 和基于以太网或光纤网的t c p i p 协议。在间隔层和 过程层之间的网络可采用多点传输的单向传输以太网结构。1 e c6 1 8 5 0 标准中，变电站内的智 能电子设备( i e d ) 采用统一的协议，通过网络进行信息交换。基于i e c6 1 8 5 0 的s a s 功能层 划分如图4 - l 所示。 远方控铆技术腰务 变电蛄层 问黼层 越理层 一次设鲁 图4 - l i e c6 1 8 5 0 变电站功能层划分 f 嘻4 1f u n c t i o nl e v e l i n gi ni e c6 1 8 5 0s a s 东南人学1 = 程坝i 学位论文第叫帚 二、面向对象的数据对象统一建模 i e c6 1 8 5 0 标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机服务器结构数据模型。每个 i e d 包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑 节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公埘数据类的命名实例。从通 信而言1 e d 同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过a c s i 和服务器通信访问数据对象， 如图4 - 2 所示。 图4 - 2服务器中典型数据模型分层结构 f i g 4 2c o n f i g u r a t i o no f t y p i e a ld a t am o d e li ns e r v e r 三、数据自描述 i e c6 1 8 5 0 标准采用“面向对象”而不是“面向点”的数据自描述。采用“面向点”的数 据描述方法，通信双方必须预先对数据库按协议进行约定，一切数据对号入座。如果要增加或 删除某些类型信息，就必须对协议进行修改。随着技术发展，变电站内需要传输的新信息不断 增加，这种“面向点”数据描述方法己不适应新功能的应用。 而面向对象的数据自描述，在数据源就对数据本身进行自我描述，接收方不需要再对数据 进行工群物理量对应、标度转换等工作，也简化了对数据的管理和维护工作。i e c6 1 8 5 0 标准提 供了一整套面向对象的自描述方法： 1 ) i e c6 1 8 5 0 对象名称标准定立了采用设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立对 象名的命名规则。 2 ) i e c6 1 8 5 0 通信服务标准采用面向对象的方法。定义了对象之间的通信等服务 四，抽象通信服务接口( a c s i ) i e c6 1 8 5 0 标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，设计了独立丁- 所采川网络和 应用层协议的a c s i 。在i e c6 1 8 5 0 7 2 中，建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模 型，包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型，数据模型和数据集模型。客户通过a c s i 由专用通信服务映射( s c s m ) 映射到所采用的具体协议栈，如制造报文规范( m a n u f a c t u r i n g m e s s a g es p e c i f i c a t i o n 。m m s ) 等。i e c6 1 8 5 0 标准使用a c s i 和s c s m 技术，解决了使用该标 准与未来网络技术发展之间的矛盾。即当网络技术发展时只要改动s c s m ，而不需要修改a c s i 。 4 3 基于i e c6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统结构设计 4 3 i 系统结构模型 1 4 东南人学工程硕j 1 学位论文第四帝 图4 - 3基于i e c6 1 8 5 0 的变电站综合自动化系统结构模型 f i g 4 - 3 c o n f i g u r a t i o no fi e c6 1 8 5 0s a s 变电站自动化系统的模型结构是与站内通信的方式直接相笑的，通信形式不同其结构也不 一样。前节已总结了变电站自动化系统的几种典型结构。除基于以太网的系统结构外，它们的 主要特点是通信标准不一样，智能设备之间不能方便交换信息因丽，不能实现正真意义上的 信息共享。图4 - 3 是按i e c6 1 8 5 0 标准提出的一种变电站自动化系统结构框图。在这种结构中 将系统分为3 个层次，分别为过程层，间隔层和变电站层。 4 3 2 系统各层的组成及其功能 变电站自动化系统的主要功能是监视、控制和保护。其系统结构与站内通信的方式直接相 关，通信形式不同其结构也不一样。大型变电站自动化系统的结构设计应为开放系统，并具有 互操作性。按i e c6 1 8 5 0 标准提出的一种变电站自动化系统结构将系统分为3 个层次，分别为 过程层间隔层和变电站层。 过程层由高压一次系统直接相连的电压互感器，电流互感器、状态餐采集点以及控制命令 执行机构组成。这一层将高电压大电流转换成l e d 直接采集的模拟量信号给出一次设备运 行的状态辅助接点信号，接收l e d 输出的控制信号，直接作用于一次系统。 间隔层由各种智能电子设备( i e d ) 组成。这一层的各种i e d 完成各自对象的保护和控制 功能，冈变电站包括母线，主变压器、馈线和电容器等多种对象，故l e d 数量多、类型多。变 电站二次设备的各种数据测量，事件记录、故障录波与控制等所有功能全部在二次设备控制中 实现，不依赖于站级计算机。 变电站层主要由多台计算机构成的局域网组成。这一层需完成的功能大体分为两个部分。