（电气工程专业论文）厂用电综合自动化系统的应用研究.pdf

a p p l i c a t i o na n d r e s e a r c ho f i n t e g r a t e da u t o m a t i o no f e l e c t r i c a la u x i l i a r ys y s t e mi np o w e r p l a n t a b s t r a c t w 油t h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yo fp o w e r e n t e r p r i s e ，a n dt h ep r o p u l s i o no ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t , i ti sb e c o m i n gt h em o s t p o p u l a rt o p i c sf o rp o w e re n t e r p r i s e st oa d o p tm o r ea d v a n c e da u t o m a t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dp r o d u c t s ，e n h a n c et h el e v e lo fo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to fp o w e r p l a n ta u t o m a t i o n ，s a v ee n e r g ya n dr e d u c ec o n s u m p t i o n , a n ds t r e n g t h e n t h e c o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e s t oe n h a n c et h em a n a g e m e n tl e v e lo ft h ep o w e rp l a n ta u t o m a t i o na n do p e r a t i o n s ， i n t e g r a t e da u t o m a t i o no fe l e c t r i c a la u x i l i a r ys y s t e ms y n t h e t i c a l l ya p p l i e s t h e a d v a n c e dc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h ep r o t e c t i o no fc o m p u t e rm o n i t o r i n ga n d c o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g ya n ds o 0 1 1 ，r e a l i z e st h ef u n c t i o n so fo p e r a t i o n ，p r o t e c t i o n , c o n t r o la n df a u l ti n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec o u r s eo fh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c p o w e rp l a n tc o n t r o l ，f o c u so nt h ea p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a l e t h e m e tt e c h n o l o g y ， c o m m u n i c a t i o n sm i d d l e w a r et e c h n o l o g y ，r e a l t i m ei n i t i a t i v ed a t ap u s ht e c h n o l o g y c o t ，c o n s i d e r sf u l l yt h ef u n c t i o nd i v i s i o na n dt h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lb e t w e e nt h e a u t o m a t i o ns y s t e ma n dt h ed c ss y s t e m ，p r o p o s e st h er e a s o n a b l es o l u t i o n a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fe l e c t r i c a l a u x i l i a r ys y s t e m ，t h ed e s i g ni d e a sa n ds o l u t i o n so ft h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o no f e l e c t r i c a la u x i l i a r ys y s t e mt h a tb a s e do ni n d u s t r i a le t h e r n e th a sb e e np r o p o s e d a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n c eo ft h eu n i tc a p a c i t ya n dt h es c a l e ，t h es t a n d a r d c o n f i g u r a t i o na n dt h ee c o n o m yc o n f i g u r a t i o nh a v eb e e nd e s i g n e d ，a n df o c u so nt h e m o n i t o r i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r eo ft h em a i ns t a t i o n f i n a l l y ，t h r o u g ht h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，t h ef e a s i b i l i t y ，r a t i o n a l i t ya n da d v a n c e do f t h es y s t e mh a sb e e nv e r i f i e d k e yw o r d s ：e l e c t r i c a la u x i l i a r ys y s t e m ；i n t e g r a t e da u t o m a t i o n ；i n d u s t r i a le t h e m e t 插图清单 图1 1 集中模式3 图1 2 分层分布式模式4 图3 1 通讯中间件1 6 图4 1 典型配置18 图4 2 站控层标准配置1 9 图4 3 站控层经济配置2 0 图4 4 监控平台2 1 图5 1l c s 6 0 0 0 系统结构图2 7 图5 2 遥控操作2 9 图5 3 典型系统运行界面3 0 图5 4 告警界面3 2 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及取得的研究成果。 据我所知，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 金目巴王些太堂 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已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：占 签字日期：如g 年f 月f 乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权厶i = 1 胆王些太堂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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名占磁 签字日期黼年f , e l 弘e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： pv 鹇 签字日期0 ，矿踔6 月1 3 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师孙鸣教授的精心指导下完成的，论文的选题、研究工作的 每一个进展无不倾注着导师的心血，值此论文完成之际，特向恩师孙鸣教授致 以衷心的感谢。恩师严谨的治学风格和执着的敬业精神使我受益匪浅，永生难 忘。 在论文的完成过程中，我还得到了王磊老师、孟老师对我的关心和爱护关 心，感谢他们为我创造了一个充满友爱、互助、真诚的生活和工作环境。是他 们为我艰苦的求学生涯带来了众多的乐趣。 最后，感谢所有关心我的亲人、朋友，在整个研究生学习期间，他们一直 理解、关心、支持着我，本论文的完成是和他们的无私奉献分不开的。 作者：吕强 二o o 八年三月十日 第一章概述 i i 背景和意义咖阳s 1 随着电力企业自动化、信息化技术的发展及电力市场的推进，采用更加先 进的自动化控制技术及其产品，提高火电厂自动化运行和管理水平，节能降耗， 增强企业竞争力，成为发电企业的热门课题。 在这种背景下，国内新建机组或者老机组的改造中已广泛采用了分散控制 系统( d c s ) ，d c s 作为机组运行监视和控制的主要手段，己逐步取代了操作盘 上一对一的硬手操方式，实现了在集中控制室内对机组各项参数的集中监视、 控制和事故处理，形成了数据采集( d a s ) 、模拟量控制( m c s ) 、顺序控制( s c s ) 、 锅炉炉膛安全监控( f s s s ) 四大相互协调的系统，从而使得发电厂热工自动化 的监控水平跃上了一个新的台阶。 向对于d c s 自动化技术水平的高速发展，电气系统监控的自动化水平发展缓 慢。尽管目前国内许多大型机组电气部分已进入机组d c s 分散控制系统，但火力 发电厂的d c s 大都侧重于机炉控制，对电气系统考虑较少，电气系统自动化控制 发展相对滞后。尤其是厂用电电气系统的控制，相当一部分仍停留在传统的表 计、光字牌、手操站，控制逻辑通过继电器用硬接线方式实现的水平，或者虽 然电气的继电保护装置、安全自动装置等已逐步实现了微机化，但其自动化的 整体水平一直未能实现质的飞跃，无法满足机、炉、电统一协调发展。主要表 现为： ( 1 ) 厂用电电气系统的微机装置种类繁多、复杂； ( 2 ) 电气系统中，保护装置、安全自动装置基本独立运行，与d c s 间通过硬接点 方式进行有限的控制和信号交换； ( 3 ) 电气系统的控制，基本上采用常规控制手段，电气系统的测量、保护动作、 定值整定、事故追忆、电量和潮流报表等电气运行参数在d c s 系统无法完整反应。 因此，尽管厂用电电气系统个体装置的自动化程度已达到一定水平，但从 电气系统的整体自动化水平来看，还有待进一步提高。 厂用电系统作为整个发电厂中的一个组成部分，其电气控制方式能否与热 工d c s 控制方式相协调，直接影响到火电厂建设的投资效益和电厂运行的综合经 济效益。厂用电系统为发电机组提供工作电源和动力，它的安全、稳定运行在 发电厂起着至关重要的作用。厂用电电气控制能否与热i d c s 控制方式相协调， 在全厂统一指挥和协调下，实时采集厂用电系统运行信息、设备状态，实现监 视、控制、计量和设备管理等功能，直接影响火电厂建设的投资效益和电厂运 行的综合经济效益。因此，提高厂用电电气自动化控制水平的要求日益增加， 发展厂用电综合自动化成为迫切需求。 厂用电综合自动化是将厂用电的二次设备( 包括测量仪表、信号系统、继电 保护、和自动装置等) 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，实时采集厂用电系统运行信息、设备 状态，实现对厂用电系统主要设备和馈线的自动监视、测量、自动控制、微机 保护和设备管理，以及与d c s 、s i s 等系统的协调自动化功能，其目的是降低运 行费用、减轻运行人员劳动强度，提高厂用电系统的可靠性，保障电厂的安全、 稳定、可靠运行。 厂用电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， 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。 当今世界网络技术的不断提高促进国民经济的飞速发展，而网络技术与计 算机技术相结合也引起工业控制领域技术上的飞跃。以太网是目前应用最广泛 的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。由于以太网具有远程i o 能力、具有 各类现场总线所无法比拟的互操作性、具有l o m b p s 一- - - 1 0 0 0 m b p s 或甚至更高的通 讯速率、网络通性接口卡价格十分便宜和很强的资源共享能力使得以太网技术 为基础的企业内部网互联在企业中大量建立。 将高速的以太网运用于控制系统，己经成为当前国内外流行的测控模式。 本课题就是基于工业以太网技术来构建厂用电综合自动化系统。所选课题即有 一定的学术价值，又有很大的实际应用价值。 1 2 厂用电电气系统控制发展历程1 m 1 6 1 自从上世纪8 0 年代开始，随着发电机组向着大容量、高参数发展，火电厂 的自动化程度越来越受到重视，并随着计算机技术的发展而不断地改进和提高。 目前，我国1 0 0m w 及以上容量机组的热工控制已全面采用分散控制系统( d c s ) 实现自动化运行和控制管理。 9 0 年代以前，传统上电厂电气控制模式采用仪表控制，对发电厂厂用电设 备的监测、检修与运行维护基本采用人工记录抄表、人为规定定期检修更换的 方式，处于较落后的水平，已经无法满足减人增效及科学的现代化电厂的管理 要求。 9 0 年末，中国电力规划总院组织开展燃煤电厂设计模式的技术革新，明确 要求火电厂电气系统应采用计算机控制手段接入d c s 系统，实现了从强电控制到 计算机监控的发展，这成为厂用电综合自动化系统( e c s ) 发展的里程碑。 厂用电系统接入d c s 的模式，实质上是e c s 的系统架构的设计研究。近1 0 年 来，围绕这个课题，众多的研究机构、生产厂家和用户都给与了高度的热情和 投入，开展了大量的探索、研究，提出了各种切实可行的方案，并得到了应用。 2 从技术实现上来划分，这些方案基本上分为集中式和分层分布式两种模式，前 者是通过硬接线方式，即将电气模拟量和开关量信号采用电缆硬接线一对一接 至d c s 的i o 通道，这种方式类似于变电站自动化最初的“变送器+ 远程终端单元 ( r t u ) ”模式；后者是采用现场总线技术，通过数字通信方式，将各种微机型智 能保护测控装置接入d c s ，这是真正意义上的厂用电综合自动化系统，已成为当 前设计的主流。以下详细分析总结这两种模式的原理、特点。 1 2 1 集中模式 1 2 1 1 原理 d e s 生姑 蓐锭啦控主蛄 饥太一 l d p uz | ，0d p u v o i l i 蓬 甓 蓬 耄 送 o嚣嚣暑 图1 1 集中模式 集中模式也就是传统的硬接线方式，将强电信号转变为弱电信号，采用空接 点方式和4 - 2 0m a 标准直流信号，通过电缆硬接线将电气模拟量和开关量信号 一对一接至d c s 的i o 模件柜，进入d c s 进行组态，实现对电气设备的监控。这 种模式又分为直接i o 接入方式和远程i o 接入方式两种，前者是将电缆接至电 子间集中组屏，后者是在数据较集中且离主控室较远的电气设备现场设立远程 i o 采集柜，然后通过通信方式与d c s 控制主机相连，两者具有相同的实现技术， 本质上没有区别。该模式如图1 1 所示。 1 2 1 2 优点 电气量的采集集中组屏，便于管理，设备运行环境好；硬接线方式成熟， 响应速度快。 1 2 1 3 缺点 ( 1 ) 由于配置大量的变送器，主控室到设备之间需铺设大量电缆，二次接线复杂， 电缆安装工程量大，改造周期长，造价高； ( 2 ) 长距离电缆引进的干扰影响d c s 的可靠性，精度不高，比如受c t 精度和采集 单元精度限制，电动机、厂变等设备在d c s 上显示数据与就地电度表的数据不相 符； ( 3 ) d c s 系统按“点”收费，投资大：而且只有重要的电气量才能进入d c s ，系 统监测的电气信息不完整； ( 4 ) 电气控制逻辑( 如厂用电自动切换等) 速度要求高，d c s 硬件和软件本身的 特性不太适用于此类控制；d c s 对电气量的i o 采集方式，算法实时性较差，不 易满足电气要求。 ( 5 ) 所有信息量均要集中汇总至d c s 系统，风险集中，影响系统可靠性； ( 6 ) 由于d c s 调试一般是最后进行，采用集中模式通常难以满足倒送厂用电的要 求； ( 7 ) 电气保护、测控设备和自动装置都已实现微机化，但d c s 不能与这些设备实 现通讯，共享数据，不能实现对保护测控装置的智能化管理，减少了监控信息 的采集，从而降低了系统的自动化运行水平。 ( 8 ) 没有独立的电气监控主站系统，无法完成较为复杂的电气运行管理工作( 如 防误、事故追忆、继电保护运行与故障信息自动化管理、录波分析等高级应用 功能) ，不能实现电气的“综合自动化； ( 9 ) 系统中不包含电度计量功能。 1 2 2 分层分布式模式 1 2 2 1 原理 分层分布式模式从逻辑上将e c s 划分为三层，即站级监控层、通信层和间隔 层( 间隔单元) ，间隔层由终端保护测控单元组成，利用面向电气一次回路或电 气间隔的方法进行设计，将测控单元和保护单元就地分布安装在各个开关柜或 其他一次设备附近。网络层由通讯管理机、光纤或电缆网络构成，利用现场总 线技术，实现数据汇总、规约转换、转送数据和传控制命令的功能。站级监控 层通过通信网络，对间隔层进行管理和交换信息。该模式如图1 2 所示。 图1 2 分层分布式模式 1 2 2 2 优点 ( 1 ) 间隔层测控终端就地安装，减少占用面积，各装置功能独立，组态灵活，可 4 靠性高： ( 2 ) 模拟量采用交流采样，节省二次电缆，降低了成本，抗干扰能力增强，系统 采集的数据精度大大提高； ” ( 3 ) 系统采集的数据量提高，监控信息完整，能实现在远方对保护定值的修改及 信号复归，运行维护方便； ( 4 ) 分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块( 部件) 正常运 行； ( 5 ) 设置独立的电气监控主站，便于分步调试和投运，满足倒送电的要求，同时 有利于厂用电系统的运行、维护、检修。 1 2 2 3 缺点 现场总线是专为小数据量工业控制领域的通信设计的廉价网络，当作为厂 用电综合自动化的主干网时，总体性能随节点数的增长迅速下降。由于强调专 用性而牺牲了通用性，长期缺乏统一的国际标准。在通信节点多，通信数据量 大的系统中，现场总线存在以下不足： ( 1 ) 当系统通信节点超过一定数量后，响应速率下降到不能接受的水平，不能适 应大型系统对通信的要求： ( 2 ) 有限的带宽使录波等大量数据的传输延迟大到不能令人满意的程度； ( 3 ) 由于标准不统一，许多网络设备和软件需专门设计，因而厂用电综合自动化 的通信网络标准很难开放，目前的状况是各厂家都有自己定义的通信协议； ( 4 ) 通信网络的抗干扰能力受到严峻挑战，其电磁兼容性能值得关注。 1 3 本课题的主要工作 本文针对厂用电自动化的现状，提出了厂用电综合自动化系统的设计方案。 重点研究以下几个方面的内容： - ( 1 ) 厂用电综合自动化系统的关键技术，包括基于工业以太网技术、通信中间件 技术和实时数据主动推送技术等。 ( 2 ) 提出厂用电综合自动化系统的设计思路和方案。 ( 3 ) 将此思路和方案成功应用于山东黄岛发电厂2 , 6 6 0 m w = 期工程中。 5 第二章厂用电综合自动化系统的设计思想 2 1 引言 厂用电综合自动化系统是把厂用电系统的微机保护、测控、备投及其他智 能装置通过局域网络联网实现智能化管理，并通过通信方式实现与d c s 系统、 s i s 系统的信息交换。这样不仅大大提高厂用电系统运行的安全性、可靠性、经 济性和自动化水平，也为故障定位、故障分析提供了充分的资源。 2 2 厂用电系统监控范围及其特点m 1 0 4 1 2 2 1 厂用电系统的监控范围 厂用电系统监控范围包括高压厂用电源系统、高压启备变电源系统、低压 厂用电源系统、4 0 0 vp c 和m c c 、高低压电动机等，只作为监测范围的有柴油发 电机组和保安电源、直流系统和u p s 系统。 2 2 2 厂用电系统的特点 在布置方式和数量上，厂用电设备分散安装于各配电室和电动机控制中心， 元件数量众多，运行管理信息量大，检修维护工作复杂。 与热工系统相比较，电气设备操作频率低，有的系统或设备运行正常时， 几个月或更长时间才操作一次；电气设备保护自动装置要求可靠性高，动作速 度快，比如保护动作速度要求在4 0 m s 以内完成。 在电气设备本身构造上，其具有联锁逻辑较简单、操作机构复杂的特点。 在控制方式上，厂用电系统的主要设备监控需要接入d c s 系统，但在两台机 组共用一台起备变的情况时，由于一台机组的检修不能影响另一台机组的正常 运行，因此需要考虑两台机组d c s 电气控制的模式，确保对其控制权的唯一性。 总结以上特点，在构建厂用电综合自动化系统时，其系统结构、与d c s 的联 网方式是确保系统高可靠性的关键。既要实现正常起停和运行操作外，又要实 现实时显示异常运行和事故状态下的各种数据和状态，并提供相应的操作指导 和应急处理措施，保证电气系统在最安全合理的工况下工作。 2 3 厂用电综合自动化系统设计原则u 6 7 1 m m 9 2 2 1 2 s 1 2 6 1 2 7 1 厂用电综合自动化系统是电厂运行不可或缺的一部分，综合自动化系统提 供了继电保护功能和保护信息管理功能，对于厂用电部分的操作运行人员，既 可以在综合自动化系统的运行工作站上也可以在d c s 的监控c r t 上实现系统监 控，电厂生产是由众多的动态控制环节构成，其中一个环节的故障都会影响全 局，系统遵循以下设计原则： ( 1 ) 系统的开放性设计原则 6 从间隔层到站控层的各个环节设计中，除了保持自身的系统性和完整性以 外，还要具备与其他智能设备互相连接的和可互操作的能力。采用工业以太网， 使用开放的t c p i p 的协议，方便组网。通讯规约采用电力行业标准i e c 一6 0 8 7 0 ， 对于不同制造商，实现完全开放。 本系统同时为d c s 等系统提供外部数据接口，拓宽和完善了d c s 系统的监控 范围和自动化程序。实现不同系统间的资源共享和无缝集成，实现发电厂机、 炉、电系统的监控一体化。并实现与发电厂m i s 和s i s 的无缝连接，从而提高 发电厂电气系统的自动化及运行管理水平，提高电厂在发电市场上的竞争能 力。 ( 2 ) 系统的分层分布式设计原则 系统由站控层、网络、间隔层三层设备结构构成，功能齐全、配置灵活、 具有极高的可靠性。间隔层设备按一次设备为对象布置，电气设备保护测控功 能分散就地实现，完成保护、控制、监视、测量和报警等功能，并通过网络层 与站控层主站系统通信。 ( 3 ) 系统的可靠性设计原则 保护测控装置的高可靠性满足i e c 6 0 2 5 5 2 2 、i e c 6 0 2 5 5 2 5 、i e c 6 1 0 0 0 3 和 i e c 6 1 0 0 0 4 标准的相关要求，重要设备和关键环节考虑冗余设计，通讯网络采 用双网，网络具有自诊断和纠错功能。测控保护装置的保护测控功能不依赖于 后台系统，且自诊断信息丰富，提高了整个厂用电系统的可靠性； ( 4 ) 系统的大容量设计原则 系统采用大容量实时数据库，满足大容量数据采集的要求。 ( 5 ) 系统的实时性设计原则 保护测控装置采高性f l 邑3 2 位处理器，通信网络选用高速工业以太网，通讯 主控单元选用实时多任务操作系统，确保了系统的实时性。 ( 6 ) 系统的灵活性设计原则 配置的灵活性、组态的灵活性、扩充的灵活性使系统的实施和维护简单灵 活。 2 4 厂用电综合自动化系统的基本要求1 0 1 3 n 4 6 1 3 1 1 3 2 1 厂用电综合自动化系统的具体功能要求主要决定于厂用电系统在火电厂中 的地位、作用和机组的规模及一次设备状况。高主要功能要求概括起来有3 个方 面：控制系统：运行人员监视与控制、自动控制、故障录波与事件记录、测量 与计量、自动数据分析；保护系统：电动机、厂变保护、线路保护及各自投； 运行支持系统：设备维修支持、设备非正常状态的恢复支持。每个厂用电综 合自动化的功能将随原来系统的运行经验、成本和性能的要求不同而变化，但 它们都要适应以下基本要求： 7 ( 1 ) 当厂用电系统发生故障时，继电保护系统准确检测故障，跳开相应开关，迅 速切除故障，不造成故障连锁反应，使故障造成的影响限制在尽可能小的范围； ( 2 ) 收集、处理各种设备的运行信息和数据，按要求发送到后台主站和d c s 系统， 满足集控中心对厂用电系统的监视、控制和运行操作： ( 3 ) 收集设备的状态数据，支持设备的状态维修和可靠性为中心的维修系统，提 高设备可用率和使用寿命； 针对以上基本要求，在做厂用电综合自动化系统设计时，可靠、实用、技 术先进和利于推广是系统设计的基本指导思想。在设计过程中，可靠性与系统 总体设计及软硬件结构和工艺关系密切，考虑软硬件总体方案时，可靠性必须 放在第一位。其次应强调性能价格比这个重要指标，机型选择、硬件配置上， 应从应用对象实际情况出发，特别重视性能价格比。同时还应考虑操作方便， 具有完备的防误提示和措施。 2 4 1 保护系统功能 保护装置作为综合自动化系统的重要组成部分，要求和自动化系统保持相 对独立，一般要求保证电磁兼容指标，设置专用电源回路( 3 5 k v 电压等级以上) ， 保护t a 与测量t a 分开，可远方投退压板和控制字，在线修改定值，带简短的事 故采样数据和动作记录等当监控系统异常或失去联系时，保护系统能够独立地 完成它的使命。从功能上可分为电动机保护、馈线保护、变压器保护及备用电 源自投等。 微机保护应具有与监控系统通信的功能，包括：接受监控系统查询，若返回 正确应答信号，则表明保护装置通信接口完好；若超时无应答或应答错误，则 表明通信接口或保护装置本身出现故障；传送事件报告，包括跳闸时间( 分辨率 2 m s ) 、跳闸元件、相别、故障波形等，且掉电后信息能保留；传送自检报告， 包括装置内部自检和对输入信号的检查；修改时钟及对时，目前至少要有通信 广播对时及分秒中断对时，并能c p s # b 部对时；修改保护定值，定值要经过上传、 下装、反校、确认等环节后，保护装置才予以修改；接受投退保护命令，保护 信号应具有掉电自保持，能够远方或就地复归：接受查询定值并送出定值；实行 显示保护主要状态( 功能投入情况输入量值等) 。与监控系统通讯，主动上传故 障信息、动作信息、动作值及自诊断信息，接受监控系统命令上传整定值及历 史事件，与监控系统通讯应采用标准规约。 2 4 2 监控系统功能 2 4 2 1 数据采集 系统由数据采集装置采集现场所有状态量、模拟量及脉冲量，并可从各保 护装置采集保护运行状态、保护动作信息、保护定值信息、保护故障信息、保 护电源及保护装置自检信息。 8 ( 1 ) 状态量采集 包括断路器状态、隔离开关状态、接地刀闸状态等，这些信号大部分采用 光电隔离方式的开关量中断输入。对重要的状态量( 如断路器位置) 采用双位置 接点进行采集，即1 1 ，0 0 分别表示二个状态，以保证正确无误地反映断路器位 置，防止继电器触点的失效与抖动而引起的状态误报。 ( 2 ) 模拟量采集 采样各段母线电压、各进出线回路的电流和功率值、频率与相位等电量参 数以及变压器的瓦斯值、温度、压力等非电量参数。目前各种电量参数在综合 自动化系统中均采用交流采样，直接采集由电流互感器与电压互感器提供的交 流参数。 ( 3 ) 脉冲量采集 采集由全电子电能表输出的电量脉冲值，也可直接采集电能量。 ( 4 ) 继电保护数据采集 包括保护动作信号、保护状态、保护定值等。 2 4 2 2 事件记录及故障录波 事件记录包括保护动作序列记录s o e ( s e q u e n c eo fe v e n t s ) ，开关跳合记录， 事件分辨率可根据不同要求确定，一般为l 3 m s ，能存放1 0 0 个以上的事件顺序 记录。当出现故障时( 如接地短路故障) ，能记录故障前2 0 0 m s 以及故障后2 0 0 m s 的波形，供事故分析。 2 4 2 3 远方整定保护定值 对各保护装置，可在监控主站设置一组或多组保护定值，并可在当地或远 方显示、切换整定值。此功能应具有远方、当地闭锁，操作权限闭锁措施。 2 4 2 4 控制和操作闭锁 可对断路器，隔离开关的分、合进行操作，对变压器分接头进行调节控制。 这些控制和操作可在后台监控系统的c r t 及键盘上发命令完成( 具有操作密码和 操作者及操作内容归档功能) ，也可在装置面板上进行操作，以保证系统的更高 的使用灵活性。为确保操作的准确可靠，操作步骤按“选择一返送一校核一执 行”来进行，并具备逻辑闭锁功能，每次操作均有打印输出。 操作闭锁应包括以下内容： ( 1 ) 操作出口应具有跳、合闭锁功能。 ( 2 ) 操作出口应具有并发性操作闭锁功能。 ( 3 ) 根据实时信息，实现断路器、刀闸操作闭锁功能。 ( 4 ) c r t 屏幕操作闭锁功能。只有输入正确的操作和监护口令才有权进行操作控 制 2 4 2 5 与d c s 通信 具备以c d t 、i e c8 7 0 - 5 - 1 0 1 、i e c8 7 0 - 5 - 1 0 4 、m o d b u s 等远动规约d c s 系统、 9 m i s 系统转发数据的功能。实现远动装置的常规的四遥功能，即将采集的数字量 和状态量实时地送往d c s 系统，并接受d c s 调度系统的控制和调节操作命令。 2 4 2 6 数据处理和统计记录 系统将采集来的状态量、数字量和脉冲量按规定的要求进行处理，送往当 地监控系统的后台机。这些数据主要有：线路、变压器的电流、有功和无功，母 线电压定时记录的最大值、最小值及其时间等；整点数据的日报表：每日的峰 值和谷值，并标以时间；断路器动作次数、断路器切除故障时的故障电流和跳 闸操作次数统计；控制操作及修改整定值的记录及有关操作者；独立负荷有功 无功每天的峰值、最大值及其时间，并保存归档历史数据在监控系统的后台机 内至少能保存1 年以上。 2 4 2 7 人机联系功能 操作人员的人机联系界面是c r t 屏幕与键盘或鼠标器，可实现下列主要功 能： ( 1 ) c r t 屏幕上可显示各种画面、数据和表格，包括主接线图、开关状态、潮流 信息、报誉画面与提示信息、事故记录s o e 、负荷曲线、系统的配置和工作情况、 保护整定值、日运行报表等，并可将显示画面和表格拷贝打印记录下来。 ( 2 ) 实施远方控制和操作，包括保护装置的投入和退出、断路器以及隔离开关的 操作、变压器分接头位置控制等。输入或修改数据，包括远方操作的密码、操 作人员的代码及密码、保护定值的设置和修改、报苦值设置和修改、远方当地 操作的设置、控制闭锁与允许等 ( 3 ) 显示系统各设备的诊断自检结果。 2 4 2 8 系统的自诊断检测功能 系统的各装置如保护装置、数据采集装置、控制装置等都具有自诊断功能， 所有数据采集、控制0 保护等主要单元模块故障，应能自诊断出故障部位：具 有失电保护、失电自检、自复位至原运行状态的能力。当数据采集出现非法错 误时，应能输出出错信息，进行报警和闭锁故障单元，保证其它部分的正常工 作。 当系统在线诊断出故障时，应能自动报警，并将故障内容及发生时间登录 在事件一览表中。 诊断结果周期性地送当地监控系统的后台机，故系统中各装置的状态一目 了然，无需定期检修。 2 4 2 9 对时系统 对时要求是厂用电综合自动化系统的最基本要求。要求系统具有g p s 对时功 能，能够对变电站层设备和间隔层i e d 设备( 包括全电子电能表等) 实现g p s 对时， 并具有时钟同步网络传输校正措施。 1 0 第三章厂用电综合自动化系统涉及的关键技术 3 1 工业以太网技术的应用研究啪枷 本系统安装工作于高电压、大电场的环境，工作环境恶劣、电磁干扰大， 因而通信网络是系统的关键组成部分，通信网络的性能直接影响着自动化监控 系统的整体性能。 通信管理层是间隔层和站控层之间的桥梁，系统设计中一般采用双冗余的 设计思想，按照通信管理机双机热备用或双通道备用原则配置，当数据通信网 络中出现问题时，系统能自动切换至冗余装置或通道，以提高系统可靠性。 近几年来，以太网技术特别是工业以太网技术凭借其传输速度高、容量大、 低成本、开放性好、网络拓扑结构灵活等优势不仅在局域网应用领域成为唯一 占主导作用的网络，而且己从办公商业领域进入工业控制领域。据美国权威调 查机构a r c ( a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o m p a n y ) 报告指出，今后e t h e r n e t 不仅继续 垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也必将领导未 来现场总线的发展，e t h e r n e t 和t c p i p 将成为器件总线和现场总线的基础协 议。 工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。随着以 太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通信确定性 问题的解决提供了技术基础，从而为以太网直接应用于工业现场设备间通信提 供了技术可能。 利用嵌入式软、硬件，在单片机系统上实现工业以太网技术又称为嵌入式 以太网，嵌人式以太网是电气综合自动化系统间隔层网络通信的必然发展方向。 本系统成功地将嵌人式以太网应用于的微机保护测控装置，大大提高了网络通 信的实时性、可靠性和开放性，真正实现了自动化系统的无缝通信。 3 1 1 工业以太网技术发展现状 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网( o pl e e e 8 0 2 3 标准) 兼 容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互 操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。 随着互联网技术的发展与普及推广，e t h e r n e t 技术也得到了迅速的发展， e t h e r n e t 传输速率的提高和e t h e r n e t 交换技术的发展，给解决e t h e r n e t 通信的 非确定性问题带来了希望，并使e t h e r n e t 全面应用于工业控制领域成为可能。 目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面： ( 1 ) 通信实时性和确定性 确定性是指网络中任何节点、在任何负载情况下都能在规定的时间内得到 数据发送的机会，任何节点都不能独占传输媒介。而实时性主要通过响应时间 和循环时间来反映。 以太网虽然在商业领域得到了广泛的应用，但用标准的u d p 或t c p i p 协议与 e t h e r n e t 一起来构建实时控制网络是困难的。这主要是因为以太网的媒介访问 控制协议c s m a c d 碰撞检测方式有无法预见的延迟特性。当实时数据与非实 时数据在普通以太网上同时传输时，由于实时数据与非实时数据在源节点的竞 争以及与来自其它节点的实时与非实时数据的碰撞，实时数据将有可能经历不 可预见的大延时，甚至长时间发不出去的情况。以太网的整个传输体系并没有 有效的措施及时发现某一节点故障而加以隔离，从而有可能使故障节点独占总 线而导致其它节点传输失效，工业控制响应的实时性问题就不能得到解决。 然而，以太网技术有了飞速进步。交换技术、全双工通信、快速以太网、 千兆以太网、v l a n 、i g m p 、端口优先级等网络技术的出现使得以太网有了实时 性，成为一个确定性的网络，使这一应用成为可能。首先，e t h e r n e t 的通信速 率从i o m ，l o o m 增大到如今的1 0 0 0 m ，1 0 g ，在数据吞吐量相同的情况下，通信速 率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大 下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。e t h e r n e t 交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能 够得到缓冲，不再发生碰撞； 同时工业以太网交换机( s w i t c h ) 还可对网络上传 输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行， 而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网 的网络负荷。再次，全双工通信又使的端口间两对双绞线( 或两根光纤) 上分别 同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工 通信，可使网络卜的冲突域不复存在( 全双工通信) ，或碰撞机率大大降低( 半双 工) ，因此使e t h e r n e t 通信确定性和实时性大大提高。 ( 2 ) 网络弹性 网络弹性是指以太网应用于工业现场控制时，必须具有较强的网络可用 性。工业以太网的网络弹性包括以下几个方面： ( a ) 可靠性。在基于以太网的控制系统中，网络成为关键性设备，系统和网 络的结合使得可靠性成为设计重点。高可靠重负荷设计的工业以太网能最好地 满足这种要求。在i e e e 8 0 2 3 a f 标准中，对e t h e r n e t 的总线供电规范也进行了定 义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，对于重要的网段还可采用 冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。 ( b ) 可恢复性。当网络系统中任一设备或网段发生故障而不能正常工作时， 系统能依靠事先设计的自动恢复程序将断开的网络重新链接起来，并将故障进 行隔离，使任一局部故障不会影响整个系统的正常运行。工业以太网通常使用 光纤环网作为链路冗余，以此保证系统的不间断运行。 ( c ) 可维护性。工业以太网通过使用网管软件进行故障定位和自动报警，使 故障能够得到及时处理：同时网管软件还可以进行性能管理、配置管理、变化 管理等内容。工业以太网使用卡轨式安装或模块化来满足维修更换的快速性和 便捷性。 ( d ) 网络安全性。工业以太网把传统的三层网络系统( 信息层、控制层、设 备层) 合为一体，使各层网络之间的数据能够“透明 地传输，数据传输的速 率更快、实时性更高，同时还可以方便地接入i n t e r n e t ，实现数据共享。在这 种情况下，网络安全就显得尤为重要。对此，可采用网络隔离的办法，如采用网 关或路由器将内部网络与外部网络分开。 3 1 2 工业以太网协议 由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而 且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外，往 往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网 络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足 开放系统的要求，满足互操作条件。 路层：而在其之上的网络层和传输层协议，目前以t c p t p 协议为主( 己成为 以太网之上传输层和网络层“事实上的 标准) 。而对较高的层次如会话层、 表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过f t p ( 文件 传送协议) ，t e l n e t ( 远程登录协议) 、s u p ( 简单邮件传送协议) 、h t t p ( w w w 协议) 、 s n m p ( 简单网络管理协议) 等应用层协议进行信息透明访问的，它们如今在互联 网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用 于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。 为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在e t h e r n e t + t c p i p 协议之上， 建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工 业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和 用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线 组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和t c p i p 技 术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议， 如h s e ，p r o f i n e t ，e t h e r n e t i p 等。 3 1 3 工业以太网技术的发展趋势 由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应 用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理 层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的 趋势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造 执