（电机与电器专业论文）应用以太网的变电站自动化系统研究.pdf

采南大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tt h er e s e a r c ho f u s i n ge t h e m c ti ns u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mt or e b u i l do l d k r 2 0 0 0a u t o m a t i o ns y s t e mf u rt h es e c o n dg e n e r a t i o n b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fs u b s t a t i o n a u t o m a t i n nc o m m u n i c u t i o as y s t e ma n d t h ea t t a l y s eo f e t h e r n e ta n d t c p i pp r o t o c o l ，t h ep a p e rb r i n g s o u tas c h e m eu s i n ge t h e r n e ta n ds e r ia ie o r m n t m i c a t l o nt e c h n o l o g y , t l a ew o r km a i n l yc o n t a i n st w o o a r t s f i r s t l y , t h e p a p e r i sa b o u t t h ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o n m a n a g o l n e r o m a c h i n eu s e d i n t h e s e c o n dv e r s i o no fk t 2 0 0 0s 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 hc o m b i n i n gi h ee t h e m e ta n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g a n dt h ed e b u g g i n go ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r es y s t e m u s i n gt h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o m es o f t w a r em o d u l e s ，a c c o r d i n gt o c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h em u i g f u n e t i o n a lm e t e r , t h et h e s i sd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to f a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n ga p p a r a t u s ，m a dt h es o f t w a r eo f t b ea p p a r a t u si sa n a l y s e dc a r e f u l l y s e c o n d l y , t h ep a p e ri sa b o u tt h ed e s i g no fs u b s i a f i o nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e ， a n dt h ed e v e i o p m e n to fa c f i v e xc o n i r 0 1u s e dt oc o m m u n i c a t ew i t hc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t m a c h i n ea n da u t o m a t i cm e t e rr e a d i n ga p p a r a t u st h ep r o g r a mf l o wa n dp r i n c i p l eo ft w oc o n t r o li s a n a l y s e dp a r t i c u l a r l yi nt h i st h e s i s n o w , t h es e c o n dv e r s i n no f k t 2 0 0 0s u b s t a t i o na u t o 础o ns y s t e mi sp u ti n t op r a e t i o et h er e a l r u n n i n go fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mw h i c hi n c l u d i n gt h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tm a c h i n e ， a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n ga p p a r a t u sa n dt h et w oa c t i v e xc o n t r o l ，w o r k sw e l l k e y w o r d ：s u b s t a t i o na a t o m a t o n ，s u b s t a t i o n m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r e ，e t h e m e t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，s i n g l e 。c h i pm i c r o c o m p u t e r ，a c t i v e ) ：，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n ga p p a r a t u s 第2 页 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里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 究袋栗。尽我掰麴，除了文中特窝鸯妥戳标注和致瀣豹逢方辨，论文中不怠含萁谴人 己缀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 正书丽使掰过的辑辫。与我一同工作的同患对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并褒示了谢意。 研究生签名：互酗： 日 期：迦耸立2 z 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、国家图书馆有权保整本人所送交学位论 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 文档的虎容和纸质论文的内褰提一致。除在曝密期癍的保密淦文终，龛许论文蔹查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部戚部分内容。论文的公布( 包括刊登) 援投末枣大学磅究生陵办理。 研究生签名：二辑导师签名：寥麟尽甥：龟! 篁2 妙 东南大学硕士学位论文 摘要 本论文是关于以太网在变电站自动化系统中应用的研究，对原k t 2 0 0 0 自动化系统进行改 造，开发出改进版。主要工作分为两个部分，第一部分是研制该改进型系统中的通信管理机， 开芨出将以太网通信技术和串行通信技术相结合的通信管理机，包括通信管理机的软硬件系统 的设计和调试，另外一个部分是设计变电站监控系统软件结构，使用a c t i v e x 控件技术开发出 与通信管理机通信控件和自动抄表控件。 论文在对变电站自动化系统中通信网络的要求和发展趋势，以及以太网技术性能和相关网 络协议进行分析的基础上，确定了以一个以太网接口和4 个串行通信接口结合的通信管理机实 现方案。通信管理机采用了模块化的硬件设计，调试方便；软件设计采用了分层分模块的设计 方法，结构清晰，代码可复用性强。论文中根据系统中对抄表自动化的需要，利用已有的通信 管理机的硬件系统和部分软件模块，根据部颁多功能电能表通信规约，设计和开发出集中抄表 装置。论文对通信管理机和集中抄表装置内的软件处理流程，进行了详细介绍。 论文在分析了变电站监控系统功能和需求的基础上，运用软件工程理论，对监控软件系统 的结构进行了合理的划分和设计。论文介绍了软件开发的多线程技术和a c t i v e x 控件技术，运 用这些技术使用设计开发出与通信管理机通信的控件和自动抄表控件，论文中详细说明了这两 个控件的运行和处理流程。 目前k t 2 0 0 0 改进型系统已经完成调试投入实际运用，通过实际运行，证明通信管理机和集 中抄表装置，与通信管理机通信的控件和自动抄表控件工作情况良好。 【关键词】 变电站自动化，监控软件，以太网，串行通信，单片机，a c t i v e x ，自动化集 中抄表装置 第1 页 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tt h er e s e a r c ho fu s i n ge t h e r n e ti ns u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mt or e b u i l do l d k t 2 0 0 0a u t o m a t i o ns y s t e mf o rt h es e c o n dg e n e r a t i o n b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dt h ea n a l y s eo f e t h e m e ta n dt c p i pp r o t o c 0 1 t h ep a p e r b r i n g s o u tas c h e m eu s i n ge t h e r n e ta n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ew o r km a i n l yc o n t a i n st w o p a r t s f i r s t l y , t h ep a p e ri sa b o u t t h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tm a c h i n eu s e di nt h e s e c o n dv e r s i o no fk t 2 0 0 0s 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 hc o m b i n i n gt h ee t h e r n e ta n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n dt h ed e b u g g i n go ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r e s y s t e m u s i n g t h eh a r d w a r e s y s t e m a n ds o m es o f t w a r e m o d u l e s ，a c c o r d i n g t o c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h em u l t i - f u n c t i o n a lm e t e r , t h et h e s i sd e s c r i b e st h e d e v e l o p m e n to f a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n ga p p a r a t u s ，a n d t h es o f t w a r eo f t h e a p p a r a t u s i sa n a l y s e d c a r e f u l l y s e c o n d l y ，t h ep a p e ri s a b o u tt h ed e s i g no fs u b s t a t i o nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e ， a n dt h ed e v e l o p m e n to fa c t i v e xc o n t r o lu s e dt oc o m m u n i c a t ew i t hc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t m a c h i n ea n da u t o m a t i cm e t e rr e a d i n ga p p a r a t u s t h ep r o g r a mf l o wa n dp r i n c i p l eo ft w oc o n t r o li s a n a l y s e dp a r t i c u l a r l yi nt h i st h e s i s n o w , t h es e c o n dv e r s i o no fk t 2 0 0 0s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi sp u ti n t op r a c t i c e t h er e a l r u n n i n go fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mw h i c hi n c l u d i n gt h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tm a c h i n e ， a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n ga p p a r a t u sa n dt h et w oa c t i v e xc o n t r o l ，w o r k sw e l l k e y w o r d ：s u b s t a t i o na u t o m a t o n ，s u b s t a t i o n m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r e ，e t h e m e t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，s i n g l e 。c h i pm i c r o c o m p u t e r ，a c t i v e x ，a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n ga p p a r a t u s 第2 页 东南大学硕士学位论文 第一章绪论- 硎 1 1 变电站自动化技术概述 1 1 1 变电站自动化的基本概念 变电站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。变电站自动化系统，即利用多台微型计算 机和大规模集成电路组成的自动化系统，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，改变常规的继电保护装置不能与外界 通信的缺陷。因此，变电站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 域的综合应用。变电站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起行和操作；变电站自动化系 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。 1 1 2 变电站自动化技术的特点 变电站自动化是一个广泛采用微机保护和微机远动技术，并对变电站的模拟量、脉冲量、 开关状态量及一些非电量信号分别进行采集，经过功能的重新组合，并按照预定的程序和要求 对变电站实现自动化监视、测量、控制的集合体和全过程。变电站自动化最明显的特征表现在 以下四个方面： ( 1 ) 功能综合化。变电站自动化技术是建立在计算机硬件技术、数据通信技术、模块化软 件上发展起来的，它取代了变电站电磁式保护，监控装置综合了仪表屏、操作屏、模拟屏、变 送器、远动装置、有载调压无功补偿、中央信号系统和光字牌。微机保护和监控装置一起还综 合了故障录波和故障测距、小电流接地等装置。 ( 2 ) 结构微机化。自动化系统内主要部件是微机化的、分布式结构，网络总线连接，将微 机保护、数据采集、控制等环节的c p u 同时并行运行。 ( 3 ) 操作监视屏幕化。不管有人值班还是无人值班，操作人员不是在变电站内就是在主控 站内，面对彩色大屏幕显示器进行变电站的全方位监视与操作。常规方式下的指针表读数被屏 幕数据取代；常规庞大的模拟屏被c r t 屏幕上的实时接线画面取代；常规在操作屏上完成的跳 合闸操作被c r t 屏幕上光标操作取代。简而言之，面对计算机的彩色屏幕可以监视整个变电站 内的瞬变万化。 ( 4 ) 运行管理智能化。变电站自动化另一特征是运行管理智能化。智能化不仅表现在常规 的自动化功能上，如自动报警、自动报表、电压无功自动调节、小电流接地选线、事故判别与 处理等方面，还表现在能够在线自诊断，并不断将自诊断的结果送向远方的主控端。 第5 页 东南大学硕士学位论文 1 1 3 变电站自动化技术的优越性 变电站实现自动化的优越性主要有以一v j l 方面： ( 1 )提高供电质量，提高电压合格率。由于在变电站自动化系统中包括有电压、无功自动 控制功能，故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电器设备的安全，使无功潮流合理，降低网损，减少电能损耗。 ( 2 )提高变电站的安全、可靠运行水平。变电站自动化系统中的各子系统，绝大多数都是 由微机组成的，它们多数具有故障诊断功能。除了微机保护能迅速发现被保护对象的故障并切 除故障外，有的自控装置并兼有监视其控制对象工作是否正常的功能，发现其工作不正常及时 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，这是当 今的自动化系统比其常规的自动装置或四遥装置突出的特点，这使得采用自动化系统的变电站 一、二次设备的可靠性大大提高。 ( 3 )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、抄表等 工作都由计算机自动进行，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c r t 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。自 动化系统具有与上级调度通信功能，可将检测到的数据及时送往调度中心，使调度员能及时掌 握各变电站的运行情况，也能对它进行必要的调节与控制，且各种操作都有事件顺序记录可供 查阅，大大提高运行管理水平。 ( 4 )缩小变电站占地面积，降低造价，减少总投资。变电站自动化系统，由于采用微计算 机和通信技术，可以实现资源共享和信息共享，同时由于硬件电路多数采用大规模集成电路， 结构紧凑、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，而且 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，发展的趋势是自 动化系统的造价会逐渐降低，而性能和功能会逐步提高，因而可以减少变电站的总投资。 ( 5 )减少维护工作量，减少值班员劳动，实现减人增效。由于自动化系统中，各子系统有 故障自诊断功能，系统内部有故障时能白检出故障部位，缩短了维修时间。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，可实现少人值班，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，提高劳动生产率， 同时也减少了人为误操作的可能。 1 1 4 变电站自动化技术的发展过程 ( 一) 国外变电站自动化的技术发展概况 1 ) 国外变电站自动化系统概况 国外从7 0 年代末、8 0 年代初就开始进行保护和控制自动化系统的新技术开发和试验研究 工作。如由美国诬屋电气公司和美国电力科学研究院( e p r i ) 联合研制的s p c s 变电站保护和 控制自动化系统，由日本关西电子公司与三菱电气公司共同研制的s d si 、i i 保护和控制自动 化系统从1 9 7 7 1 9 7 9 年进行了现场试验及试运行，8 0 年代初已交付商业应用。目前，日本日 立、三菱、东芝公司，德国西门子公司( s i e m e n s ) 、a e g 公司，瑞士a b b 公司，美国通用 电气公司( o e ) 、西屋电气公司( w e s t i n g h o u s e ) 。法国阿尔斯通公司( a l s t h o m ) 等国际著 名大型电气公司均开发和生产了变电站自动化系统( 或称保护与控制一体化装置) ，并取得了较 为成熟的运行经验。其主要特点为：系统一般采用分层分布式，系统由站控级和元件，间隔级组 第6 页 查壹奎兰堡主兰堡笙苎 成，大部分系统在站控级和元件司隔级的通信采用星形光纤连接，继电保护装置下放到就地， 主控制室与各级电压配电装置之间仅有光缆联系，没有强电控制电缆进入主控制室，这样节约 了大量控制电缆，大大减少对主控制室内计算机系统及其他电子元器件的干扰，提高了运行水 平和安全可靠性。 2 ) 国外在制定变电站自动化技术规范方面的进展 国外变电站自动化系统制造厂商颇多，但他们彼此之间一开始就十分注意系统的技术规范 和标准的制定及协调，以避免各自为政造成的不良后果，以便于这门新技术能够迅速发展和广 泛的应用。目前，许多国际性组织或权威机构都在进行这项工作，如国际电工委员会( 1 e c ) 、 国际大电网会议( c i g r e ) 、德国电力事业联合会( v d e w ) 和电工供货商机构( z v e i ) 、美国 电力科学研究院( e p r i ) 和i e e e 的电力工程学会( i e e e 、p e s ) 都正在制订或已制订了某些 标准。 德国电力事业联合会( v d e w ) 和电工供货商机构( z v e i ) 制定的关于数字式变电站保 护控制系统的推荐草案。该草案于1 9 8 7 年公布，成为i e c t c 5 7 在起草保护与控制之间接口标 准的参考。德国的3 大电气公司s i e m e n s 、a b b 、a e g 基本上是按照这一推荐规范设计和开发 自己的产品。该草案把变电站的结构规定为站控级( s t a t i o n l e v e l ) 和元件间隔级( b a y l e v e l ) 。 对于系统的硬件、软件、参数化、资料、测试、验收和现场调试等都做出了具体而详尽的规定。 该推荐草案的公布不仅对德国国内变电站自动化的发展而且对整个欧州地区都起了一定的促进 和规范作用。 美国电力科学研究院关于变电站控制与保护工程的系统规范。该规范由美国电力科学研 究院( e p r i ) 委托西屋电气公司研究起草，于1 9 8 3 年8 月发表，1 9 8 9 年1 1 月对该规范作了进 一步的修改与增补。该规范定义出了变电站自动化系统的范畴，同时列出了该系统应具备的功 能菜单，规定了每一种功能应具备的内容及基本要求。它反映了变电站自动化的基本要求，总 共逐个规定了2 6 种功能。普遍认为，任何一种装置的功能都不可能超出上述功能清单之外。 国际电工委员会( i e c ) 及国际大电网会议( c i g r e ) 在变电站控制和保护接口方面的 工作。i e c 有t c 9 5 ( 继电器和保护设备) 和t c 5 7 ( 电力系统远动、远方保护及有关的通信) 2 个技术委员会在进行这项工作。t c 9 5 的第6 工作组w g 0 6 ( 工作组名称：保护通信接口) 经过 几年的工作已提出一个国际标准( i e c l 7 3 3 保护通信接口) 草案的第1 、2 部分，即总则和电气 装置通信标准总体结构。该标准计划分8 部分，除以上2 部分外，还有通信基本服务、系统功 能、操作员功能、设备库、计算和功能、文本和传输层等。 i e c t c 5 7 于1 9 9 4 年成立了专门工作组a h w g 进行“变电站控制和保护接口”的工作。其 于1 9 9 5 年2 月向i e c 秘书处提交了保护通信伙伴标准i e c 8 7 0 5 1 0 3 。为避免工作重复和标准 内容不一致，t c 5 7 和t c 9 5 成立了联合工作组共同进行这项工作，标准编号挂在t c 9 5 的名下。 c i g r e 的第3 4 ( 继电保护) 研究委员会组织了工作组w g 3 4 0 3 研究变电站内数据传输的 通信要求，内容包括保护、控制、监视、测量、扰动记录等。w g 3 4 0 3 已提出报告高压变电 站数据通信；保护和控制功能接7 1 。这些研究结果已作为i e c 标准的基础。 ( 二) 我国变电站自动化的发展过程 我国变电站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自动化系统，在山东威海望岛变电站成功地投入运行。望岛变电站 是一个3 5 k v 的城市变电站，具有两回3 5 k v 进线，两回3 5 k v 出线两台主变压器，8 回1 0 k v 馈电线路和两组无功补偿电容器。该变电站的自动化系统主要由三台微机组成，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 ) 安全监控子系统。安全监控系统由台微型计算机系统及其外围接1 2 1 电路组成，完成当 第7 页 查堕查兰婴主兰竺笙苎 地的监控功能其中包括： ( 1 ) 测量。对全站主要设备( 变压器、电容器、全部输、配电线路) 的电压、电流、有功 功率、无功功率、主变压器温度进行采集和处理。 ( 2 ) 监视。对所采集的电压、电流、主变压器温度等不断进行超限判断，若有超限，则发 警告信号，同时对全站断路器状态进行监视。 ( 3 ) 记录。记录继电保护动作信息，并记录保护动作前、后的短路电流值。 ( 4 ) 显示。通过c r t 显示器显示全站的实时主接线图和各开关状态，并以不同画面显示 全部巡回检测的量；自动显示保护动作性质和保护动作前后的电流值。 ( 5 ) 制表打印。可定时打印报表，可召唤打印实时检测数据，自动打印越限值和越限时刻， 事故记录打印。 2 ) 微机保护子系统。微机保护子系统的主要功能包括如下4 项： ( 1 ) 全部进线和馈电线路的微机保护与自动重合闸和后加速跳闸。 ( 2 ) 主变压器保护。 ( 3 ) 电容器保护。 ( 4 ) 单相接地自动选线、相。 3 ) 电压、无功控制子系统。电压、无功控制子系统由一台微机组成，可对两台带负荷调压 变压器的分接开关和无功补偿电容器进行综合自动控制。 4 ) 中央信息系统。由各子系统直接发出报警信号和预告信号，直接触发发光管，显示故障 性质和发出故障音响，简化了常规的中央信号系统。其中担负微机保护的计算机和担负电压、 无功控制的计算机的软、硬件配置相同，可互为备用。在正常运行情况下，各自完成自己的主 任务。后者同时监视保护机的工作状态，一旦发现保护机故障，则在4 m s 内，控制机立刻停止 执行电压、无功控制程序而转去担负保护机的任务，确保了保护子系统的可靠性。 该系统于1 9 8 7 年成功地投入运行，1 9 8 8 年通过技术鉴定。鉴定结论为国内首创，填补了 国内一项空白，并达国际8 0 年代先进水平。其运行结果表明：微机技术可以全面、系统、可靠 地应用于变电站的自动化工程中。同时也证明了变电站自动化对提高变电站的运行、管理水平 及技术水平、缩小占地面积、减少值班员抄表和记录，以及减少维修工作量等方面有显著的优 越性。虽然由于当时计算机水平和投资水平的限制，又是全国第一个实现自动化的变电站，研 制者没有可借鉴的，因此在功能和结构方面，不如9 0 年代的同类产品，但当时它确是吸引了许 多电力系统的同行和科研工作者，连续5 、6 年内，全国各地不少人前往参观，并得到有益的启 发。它的运行成功，也证明中国完全可以自行研究、制造出符合国情的自动化系统。因此8 0 年代后期，投入变电站自动化研究的高等院校、研究单位和生产厂家逐步增加。8 0 年代，变电 站自动化已成为热门话题，研究单位和产品如雨后春笋般蓬勃发展。规模比较大的有南瑞公司、 四方公司等。 变电站自动化系统的研究和生产工作之所以会引起这么多的科技工作者和生产厂家的注 意，其根本原因在于变电站实现自动化，能够全面提高变电站的技术水平，提高运行的可靠性 和管理水平。近几年来，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，给变电站自动化技术水 平的提高，注入了新的活力。1 6 位、3 2 位单片机及p e n t i u m 微处理器的问世，活跃了计算机市 场；网络技术、现场总线等的出现，给广大科技工作者创造了大显才能的条件。因此，近几年 来研究变电站自动化进入了高潮，其功能和性能也不断完善。变电站自动化将成为今后新建变 电站的主导技术。 综上所述，我国与国外在变电站自动化技术的发展方面还有很多一定的差距，但近几年发 展相当迅速，是我国变电站技术发展的主要方向。因此，大力开展这方面的研究具有重要理论 第8 页 东南大学硕士学位论文 意义和广阔应用前景。 1 2 变电站内通信网络 1 21 变电站内通信网络的基本概念 1 2 1 1 变电站内的通信层次 根据国际电工委员会( i e c ) 制定的关于变电站通信网络和系统系列标准- - i e c 6 1 8 5 0 草案， 变电站自动化系统的功能在逻辑上可划分为三个层次，分别是变电站层，间隔层或单元层以及 过程层，过程层包括开关、变压器、c t p t 等一次设备。间隔层或单元层，包括保护设备、监 控设备等。在变电站自动化系统中可由独立的保护及i o 单元组成，也可由监控保护合二为一 的智能设备构成。变电站层通常为站级计算机，实现变电站内功能的协调、优化控制，并实现 与远方调控中心的通信。 在具有变电站层间隔层过程层的分层分布式自动化系统中，需要传输的信息有如 下几种： ( 一) 间隔层与过程层间的信息交换 过程层的智能设备可能有智能传感器和执行器件，可以自由地与间隔层的装置交换信息。 间隔层的设备大多数需要从过程层的电压和电流互感器采集正常和事故情况下的电压值和电流 值，采集设备的状态信息和故障诊断信息，这些信息包括：断路器和隔离开关位置、主变压器 分头位置，变压器、互感器、避雷器的诊断信息以及断路器操征信息等。 ( 二) 间隔层内部的信息交换 在一个间隔层内部相关的功能模块间，即继电保护和控制、监视、测量之间的数据交换。 这类信息有测量数据、断路器状态、器件的运行状态、同步采样信息等。 ( 三) 问隔层和变电站层的通信 单元层和变电站层的通信内容很丰富，概括起来有以下3 类。 ( 1 ) 测量及状态信息正常和事故情况下的测量值和计算值，断路器、隔离开关、主变压 器分接开关位置、各单元层运行状态、保护动作信息。 ( 2 ) 操作信息断路器和隔离开关的分、合命令，主变压器分接头位置的调节，自动装置 的投入与退出等。 ( 3 ) 参数信息微机保护和自动装置的整定值等。 ( 四) 变电站层的内部通信 变电站层的不同设备之间的通信，要根据各设备的任务和功能的特点，传输所需的测量信 息、状态信息和操作命令等。 目前，过程层、间隔层之间还不具备普遍意义上的通信，仅是通过二次电缆传送模拟信号和开关 信号，因此站内通信网络实际上只牵涉到间隔、变电站层。 1 2 12 通信的特点与要求 ( 一) 通信网络的要求 由于数据通信在自动化系统内的重要性，经济、可靠的数据通信成为系统的技术核心，而 由于变电站的特殊环境和自动化系统的要求，使变电站自动化系统内的数据网络具有以下特点 和要求。 第9 页 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 快速的实时响应能力变电站自动化系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信 息和操作控制信息。在电力工业标准中对系统数据传送都有严格的实时性指标要求，因此网络 必须很好地保证数据通信的实时性。 ( 2 ) 很高的可靠性电力系统是连续运行的，数据通信网络也必须连续运行通信网络的 故障和非正常工作会影响整个变电站自动化系统的运行，设计不合理的系统，严重时甚至会造 成设备和人身事故、造成很大的损失，因此变电站自动化系统的通信子系统必须保证有很高的 可靠性。 ( 3 ) 优良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 等强电磁干扰和地电位差干扰，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。 ( 二) 信息传输响应速度的要求 不同类型和特性的信息要求传送的时间差异很大，其具体内容如下。 ( 1 ) 经常传输的监视信息。为监视变电站的运行状态，需要传输母线电压、电流、有功 功率、无功功率、功率因数、零序电压、频率等测量值，这类信息需要经常传送，响应时间需 满足s c a d a 的要求，一般不宜大于1 2 s ；为计量用的信息，如有功电能量和无功电能量。 这类信息传送的时间可以较长，传送的优先级可以较低；为刷新变电站层的数据库，需定时 采集断路器的状态信息，继电保护装置和自动装置投入和退出的工作状态信息，可以采用定时 召唤方式，以刷新数据库：为监视变电站的电气设备的安全运行所需要的信息，例如变压器、 避雷器等的状态监视信息。 ( 2 ) 突发事件产生的信息。系统发生事故的情况下，需要快速响应的信息，例如：事 故时断路器的位置信号，这种信号要求传输时延最小，优先级最高；正常操作时的状态变化 信息( 如断路器状态变化) 要求立即传送，传输响应时间要小，自动装置和继电保护装置的投 入和退出信息，要及时传送；故障情况下，继电保护动作的状态信息和事件顺序记录，这些 信息作为事故后分析事故之用，不需要立即传送，待事故处理完再送即可；故障发生时的故 障录波，带时标的扰动记录的数据，这些数据量大，传输占用时间较长，也不必立即传送。 12 2 变电站内通信网络的现状 变电站自动化技术尤其是变电站内的通信技术在我国发展很快，从9 0 年代初变电站内开 始搞自动化以来，先后发展三类通信方案：( 1 ) 采用传统的b i t b u s 、r s 4 2 2 4 8 5 实现低速总 线；( 2 ) 采用现场总线技术实现中等速度的连接，常见的有l o n w o r k s 及c a n 两种通信总线： ( 3 ) 采用局域网络技术实现高速的通信连接，主要是以太网( e m b e d e de t h e r n e t ) 技术实现站 内设备分布式连接。 12 2 1 基于b i t b u s 或r 8 4 8 5 技术的方案 最初用r s 4 8 5 总线将保护设备联在一起用主从方式通信，这种方式较简单，实际上是串 行点对点通信，随着变电站电压等级升高和变电站规模变大，这种方案在实际应用中出现的技 术上缺陷很多：只能有一个主站，无法实现多主站信息互为备份的冗余设计；从站无法主动上 传重要信息，实时性较差；各从站之间无法直接通信，只能通过主站中继才能相互通信；对较 小规模的系统实时性可以得到保证，但随着系统规模的扩大，系统的实时性能将会急剧降低； 抗干扰及纠错能力较差，一般只适合在控制室内部使用，不能用于开关场合或开关间隔内，即 不太适用于分散安装的变电站自动化系统。 第l o 页 查堕查兰堡主堂笪堡苎一 基于现场总线技术的方案 为了解决b i t b u s 或r s 4 8 5 总线系统中存在的问题，各种现场总线技术被引入国内，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，以构成变 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c a n 。 1 2 2 2 基于l o n w o r k s 总线技术的网络方案 l o n w o r k s 网络是一种“面向数据”的网络技术，由美国e c h e l o n 公司推出并由它与m o t o r o l a 、 t o s h i b a 公司共同倡导，于1 9 9 2 年正式公布而形成。它采用完全符合i s o o s i 参考模型七层协 议的开放式网络通信协议- - l o n t a l k 协议，提供i s o o s i 参考模型所定义的全面七层服务，并 支持不同介质分段的网络，包括双绞线、同轴电缆、电力线以及光纤等，通信速率可达1 2 5 m b p s ， 直接通信距离最长可达2 7 0 0 米( 7 8 k b p s ，双绞线介质) 。l o n t a l k 协议介质访问控制方法采用 l e e 8 0 2 3 所定义的c s m a c d 标准，并在此基础上做了进一步改进，能自动根据网络上信息发 送的频繁程度，调整在发生冲突时各节点随机等待时间，减少网络上发生冲突的机率。另外， l o n t a l k 协议还能设置优先级，允许用户认为重要的信息优先发送，并具有完善的网络功能和 诊断服务功能。 l o n w o r k s 网络通信采用面向对象的设计方法，它采用网络变量，使网络通信的设计简化成 参数设置，不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。在此基础上，e c h e l o n 公司还提供一种简单n e u r o nc 语言，可简易地开发基于网络的应用系统。该语言对不同节点上 所定义的变量都可简单地作为本地变量一样使用，只是在系统联调时给予绑定( b i n d ) 即可， 这种方式大大简化了网络应用，使开发人员几乎感觉不到是在网络环境下编程。 采用l o n w o r k s 技术的变电站内i e d 均可以被视为l o n w o r k s 网络上的一个节点或子站。由 于l o n w o r k s 网络本身的特点，每个节点的投入或退出均不会影响系统的运行，并且网络上的节 点平等整个系统可拥有多个主站，物理上各节点之间可以直接通信，同时由于可以设置优先 级，可以保证网络中重要信息传输的实时性。这样就能真正做到整个变电站自动化系统中的保 护控制综合单元既能面向对象，又能协调一致。l o n w o r k s 完善的网络功能，简单可靠的硬件， 使其在变电站内通信网络中显示了广阔的应用前景 1 2 2 3 基于c a n 总线技术的网络方案 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 即控制器局域网络，由于其高性能、高可靠性及独特的设 计，越来越受到人们的重视，国外已有许多公司的变电站自动化系统( s a s ) 采用了这种技术。 c a n 最初是由德国的b o s c h 公司为汽车监测、控制系统设计的，现在世界上一些著名的汽车 制造商都开始采用c a n 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。由 于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车工业，正在向过程控制、机械工 业、纺织工业、机器人及传感器等领域发展，并被纳入了国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) ，很多半导体 厂商推出的c p u 中都内置了c a n 控制器。 c a n 被公认为几种最有前途的现场总线之一，其特点可概括如下： 多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息， 而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息，利用这一特点可方便地构成多机各份 系统； 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时性要求： 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点 会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲 第1 i 页 东南大学硬圭学僻论文 突f i 裁的时间； 兔需邋过报文滤波即可蜜现点对赢、一点对多点及全届广搔等通信方式： 直接邋信距离最远可达1 0 k i n ( 速率小于5 k b p s ) ，通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通 信距离最长为4 0 m ) ；嬲络节点数主要取次予总线驱动毙力，嚣兹可j 鑫1 1 0 令；摄文标识可达 2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的撤文标识几乎不受限制； 采用娥帧结构，传输时间短，受干扰率低，具有极好的检错效果； 在变电菇爨动伲系统中，翔暴采囊c a n 总线技术，实瑷方案的祷煮魏下： 易于实现双网备用： 易于与i o 单元、保护单元集成； 蕊络静虢效率嵩，信意优先级剐丰富，可戳确保紧急信息静实时性； 抗干扰能力强： 1 ，2 2 ，4 嵌入蔑叛太潮援求薛方案 用现场总线来做通信网，从工程实践寒番是较成功的。倦随着变电站叁动怯扶跌嚣的35 k v 、1l0 k v 等中、低鹾变电站商220 k v 、330 k v 甚至5 0 0 k v 商压、超离压大型凌电站 发展，现场总线的一些局限性逐渐爆露出来，不能满足高压、超高压大测变电站自动化系统的要 求。隧赣计算撬较、硬馋技术鳇发矮，工敛控毒l 领域窭理了嵌入式技术。这往浚诗者在 芟诗交 电站自动化系统内部通信网时有了新的选择，利用嵌入式技术的软、硬件，设计者可以在单片机 系统上实现以太