（电工理论与新技术专业论文）变电站实时数据通信的设计与实现.pdf

a b s t r a c t ： t h e r ea mh i g h 盯a n dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h et e c h n i c a li m p r o v e a n e n t so nc i t y - w e b a n dc o u n t r y - w e bs i n c ef a c t o r ya n dw e bh a sb e e ns e p a r a t e da c c o r d i n gt ot h en e wr u l e so f e l e c t r i cp o w e rs y s t e mi no u rc o u n t r y t h es m a l l - s c a l es u b s t a t i o nh a st h es p e c i a la d v a n t a g ei n t h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m ，s oi ti sw i d e l ya c c c p t e da n du s e di ne l e c t r i c a lp o w e r s y s t e m h e r e , w em a k et h ed e t a i lr e s e a r c h e sn o to n l yo nt h i sp o i n t , b u to nt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ec o n c e r n e da sw e l l t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r ef u n c t i o no ft h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o n s y s t e mi nt h es m a l l s c a l es u b s t a t i o n c e n t r a l i z e dc o n f i g u r a t i o ni su s e di nt h es y s t e md u et o t h e s h o r td i s t a n c eb e c w e c nh i g h - l o wv o l t a g es w i t c hc a b i n e ta n dt h ec o n t r o lr o o m a n dt h e i n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e ri su s e da st h em a s t e ro n ei no r d e rt om e e tt h es o u n dr e l i a b i l i t ya n d g o o dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n de x p a n s i o n w eu s et h ei n d u s t r y c o n t r o l l e dc a r da n dm o d u l e w i t hp e r f e c tf u n c t i o n , w h i c h 黜s u p p o r t e db ym a n u f a c t u r e s v bu n d e rw i n d o w se n v i r o n m e n t c a no p e nu pt h ea p p l i c a t i o ns y s t e mw i t hg r a p h i c a li n t e r f a c e s ，a n dt h es y s t e mw r i t e sp r o g r a m s t h a t 啪d or e a l - t h n ed a ma c q u i s i t i o na n di n s p e c t - c o n t r o lt ot h es m a l l s c a l es u b s t a t i o ni nt h e w a yo fb a c k s t a g ea n dt h a ta l s os e t su pu s e r - i n t e r f a c e i no r d e rt om a k et h er e m o t ed a t a t r a n s m i s s i o nb e t w e e ns u b s t a t i o n s ，c o m m u n i c a t i o np r o g r a m sa r e d a s i g n e do nab a s i so f w i n s o c kc o n t r o l l e ri nv 1 s l m lb a s i c , w h i c hs e tl | dt h el o c a ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb a s e do n t h ea g r e e m e n t so f t c p i p t h i sr e s e a r c h - m a k i n gh a sb e e no nt h ee x p e r i m e n t a lf i a to f 3 5 k vs u b s t a t i o ns i m u l a t e d s a e e n ，p r o v i d e db ys c h o o lo f e l e c t r i ca n da u t o m a t i ce n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：s u b s t a t i o na u t o m a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ，c o m m u n i c a t i o n 果。 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新，的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了 谢意。 作者签名：筮：i ：数 日 飙粤阻 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权 保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质 版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位 论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 绍：3 ：躯。 日 期：- 乒盟幽l 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展和人民物质文化生活的不断提高，电力用户对电能的 需求越来越大，对供电质量的要求也越来越高。过去的几年里，全国的电力投资达到了 一个新的高峰，遍及全国各地的各种电压等级的变电站，如何保证供电质量，保证电力 系统运行的安全性、可靠性和经济性，是电力部门非常关注的问题。电子和微电子技术 的飞速发展，电子计算机和微型计算机技术硬件和软件技术成果日新月异，为电力系统 通讯技术的发展提供了有力的技术支持。近年来变电站综合自动化系统在全国如雨后春 笋般地发展起来，并建成了一批能够实现综合自动化功能的局域性网络。 第1 i 节变电站自动化技术在国内外的发展及其研究现状 变电站是输配电系统中的重要环节，随着电压等级的提高，供电范围的扩大及输配 电容量的增大，采用传统的变电站一次及二次设备越来越难以满足以下两个方面的要 求：l 、降低变电站造价，减少新建变电站的投资；2 、提高变电站的安全与经济运行水 平，减少变电站的运行值班人员并逐步对2 2 0 k v 及以下电压等级的变电站实行无人值班。 如何提高变电站全面的技术水平和管理水平，提高安全、可靠、稳定运行水平，降低运 行维护成本，提高经济效益，提高供电质量，促进配电系统自动化? 无疑变电站综合自 动化是实现以上目标的一项重要技术措施，为此研制和开发以计算机技术和网络通信技 术为基础的、各种电压等级的变电站自动化系统，取代、更新和改造传统变电站的二次 系统成为8 0 年代之后国内外各大电气公司纷纷努力的目标。下面简要介绍以下国内外主 要公司的变电站自动化系统。 1 1 1 国外变电站自动化系统介绍 1 西门子公司变电站自动化系统 i 西l - j 子公司t - 1 9 8 5 年在德国汉诺威正式投运了第一套分散式变电站自动化系统 l s a 7 6 8 。该系统基本上是按照德国电力行业协会( v d e w ) 和电子制造商协会( z v z i ) 听推荐的规范开发和设计的，其结构有两种方式：一种是完全分散式，如图1 1 所示： 另一种是集中与分散相结合式，如图1 2 所示。以上两种方式都包括三个组成部分：6 m b 则控系统、7 s 7 u 数字保护系统、$ t k 开关闭锁系统。 上级调度中心 站控中心 远动通道i 十l 计算机l f i r s t 远方评估中心 无线电时钟、ri 士 t 电话透道 lilli 控制主单元6 1 f b s l ： ： 千 爱 开关闭镄主单y r 2 l x 2站保护7 s s 5 、 ；l?。 一。 j 、r + 开关闭锁单元8 t g li 0 单元8 k i b 5 2数字保护7 s 7 t i ，”j ej e ， 变电站内设鲁 卜+ 串行光纤接口辱= = 冷并行接口 图1 i 全分散式l s a 7 6 8 系统配置图 上级调度中心 站撞中心 远动薯遵l l 计算机li 打印机i 远方评估中心 无线电时钟ti+士 + 电话通道 lli 控制主单元自 b 5 1i 。? 暖 开关闭锁主单元8 t 趾i 墙子捧 站保护7 s s s 解耦模件 f - t 书 ；3 l 开关闭镇单元8 1 敷宇保户7 s 7 l l i o t 元5 2 t，j e ， ，r 世 变电站已建部分 ：变电站扩建部分 卜+ 行光纤接口c = = 冷并行接口 图l - 2 集中与分散相结合的l s a 7 6 8 系统配置图 ( 1 ) l s a 7 6 8 的6 m b 测控系统 该系统由测控主单元6 m b 5 1 ( 全分散式) 或6 m b 5 5 ( 集中与分散相结合式) 和测控 i o 单元6 m b 5 2 构成。主单元为变电站级单元，测控f o 单元为间隔级单元( b a y 2 c o m p o n e n t ) ( 2 ) l s a 7 6 8 的7 s 7 u 数字保护系统 西门子公司的数字保护系统仍然参照v d e w ，z v e i 规范，其结构与i o 单元6 m b 5 2 相 似，其中有过流过负荷保护7 s j 5 11 5 1 2 、距离保护7 s a 5 11 5 1 3 、差动保护7 s d 5 11 5 1 2 、 变压器和发电机保护7 u t 5 1 ，7 呱衢l 等，这些保护设备同i o 单元具有标准的光纤接口 ( 3 ) l s a 7 6 8 的开关闭锁系统g t k 该系统为开关操作防误闭锁系统，这套系统为操作开关提供了可靠的保护，增加了 设备和人身两方面的安全性。 2 a b b 公司变电站自动化系统 a b b 公司的变电站自动化系统有s c s l 0 0 、s c s 2 0 0 两种。s c s l 0 0 适用于中、低压变 电站，s c s 2 0 0 适用于高压变电站。 s c s l 0 0 系统配置如图1 3 所示，其功能和特点同西门子公司的l s a 大同小异，不同 之处主要在硬件配置上，它的计算机、n e t 部件、s r i o 单元在功能上类似于西门子公司 l s a 的6 m b 站控级主单元，而问隔级的s p a c o m 模块类似于西门予公司l s a 的i o 单元和 保护单元。s p a c o m 模块单元种类较多。组态灵活，在硬件结构上将保护、控制、闭锁 等集成一体。 图1 - 3s c s l 0 0 系统j e 置图 s c s 2 0 0 系统配置如图1 4 所示，整个变电站的监视和控制由站级控制系统完成，而 每条线路、每台变压器等一次设备的保护、控制和监视功能由段级单元完成。站级控制 包括3 个独立的单元：人机对话系统、管理全站公用功能的站级计算机、与远方控制系 统通信的规约转换器。段级单元管理与某一段( 或串) 有关的功能，它们彼此独立由 于最重要的功能在本单元中，因此即使站级系统发生故障，段上设备仍可维持运行 远墙控翻 羁罄震 图1 - 4s c s 2 0 0 系统配置图 3 美国g e 公司变电站自动化系统 美国g e 公司的变电站自动化系统由g - 眦t 站控级、数字式线路保护d l p 和数字式线 路监视单元d l m 组成。为了克服r s - 2 3 2 通信电缆长度的限制，采用光纤将继电器同d l m 和站控级相连，每个装置都用3 根光纤同站控级通信，一根用于发送，一根用于接收， 第三根光纤用于时间同步信号站控级使用了工业p c 机 其它公司，如法国施耐德公司、美国西屋电气公司、法国阿尔斯通公司、瑞士 l a n d i s & g y r 公司都有其变电站自动化系统，这里就不一一介绍了 国外系统在站控级与间隔级之间的通信一般使用星型光纤连接，也有的采用l a n ， i e e e 8 0 2 3 和i e e e s 0 2 4 标准，这些系统完全可以用于无人值班变电站 1 1 2 国内变电站自动化系统介绍 国内有关单位从8 0 年代末开始研究变电站自动化技术。9 0 年代初，我国电力企业开 始实行中、低压变电站无人或少人值守、减员增效的措施，这对变电站的远方监视、控 制功能提出了更高的要求，为了实现这一目标，利用计算机技术和网络通信技术实现变 电站自动化成为必要，极大地促进了变电站自动化技术在中国的发展和推广我国开展 变电站自动化的研究与开发工作，主要包括如下两方面内容： 1 对2 2 0 k v 及以下中、低压变电站，采用自动化系统，利用现代计算机和通信技术， 对变电站的二次设备进行全面的技术改造，取消常规的保护、监视、测量、控制屏，实 现综合自动化，以全面提高变电站的技术水平和运行管理水平，并逐步实行无人值班或 4 减人增效。 2 对2 2 0 k v 以上的变电站，主要是采用计算机监控系统以提高运行管理水平。同时 采用新的保护技术和控制方式，促进各专业在技术上的协调，达到提高自动化水平和运 行，管理水平的目的。 现在国内已经有多个厂商能够成套提供变电站自动化系统，其中比较典型的系统 有： 1 | t 京哈德威四方保护与控制设备有限公司研制的c s c 2 0 0 0 自动化系统 该系统用了先进的单片机硬件系统、计算机网络( l o n w o r k s 网) 、分层分布式体系 结构的设计思想。在充分保证继电保护独立和可靠运行的基础上，也综合考虑了变电站 的各种功能要求，尽可能地共享软硬件及各种信息资源。变电站“四遥”的智能化设备组， 使变电站的二次设计结构大大简化，从而提高了电站的安全运行和管理水平 2 电力自动化研究院深圳自动化研究所研制的i s a 1 变电站自动化系统 该系统主要是为中低压变电站而设计的，其突出的特点是其每个保护柜设立一套管 理系统，运行时通过串行口与本柜各套保护通讯，监视它们的运行状况，如有事件发生 除在保护单元面板上信号灯和数码管有显示外，还有管理系统经过串行口将有关信息上 报给微机监控系统。i s a - i 型变电站成套微机保护集成度高，一个典型变电站里的所有 保护可装在3 4 个柜里该装置推出后迄今已在全国2 0 多个省市自治区得到广泛应用， 有一百多座变电站投入实际运行。现又在原有基础上作了全新改进j 使其性能和功能大 为提高。具体体现在：推出全新1 2 8 x 6 4 智能大屏幕全汉化人机界面；增加了保护运行 中在线检查定值功能；增加了保护运行中在线校验功能；增加了保护运行中在线检索保 护软件的运行信息功能：增加了硬件实时时钟电路并可远方对时：增加了数据采集系统 自校准功能；增加了历史运行追忆功能并带时标。 3 南京电力自动化研究院电网控制公司研制的d i s a 变电站自动化系统 该系统能保持继电保护设备的相对独立性，同时以通信手段将其与监控系统构成一 个有机整体。( 1 ) 保护装置的内部工况、测量值、运行定值等参数可通过通讯电缆送 到监控系统与所采集的其它信息组合成完整的变电站运行数据库，同时调度通过监控系 统可以远方投切保护或重新整定保护的运行定值；( 2 ) 采用多计算机系统分布式原则 设计，使各c p u 负载均衡合理，充分发挥每个c p u 的处理能力，又不使负载过重，以达 到最佳的系统总体性能指标及较高的系统可靠性；( 3 ) 支持适应现场不同的接1 ：3 要求， 支持r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 、c a n b u s 以太网等接口，最大可提供1 4 个串行口；( 4 ) 支持 充分的后备措施，以保证在取消变电站返回式控制屏后，在紧急情况下仍有信号系统及 控制能力；( 5 ) 大屏幕汉字显示，可靠的薄膜键盘，完善的菜单技术，特别适用于现 场调试及维护；( 6 ) 利用高可靠的进口接插件，彻底消除接触不良的隐患：( 7 ) 支持 远方系统自诊断功能，可通过电话网得到及时的系统在线维护 4 8 9 3 分布智能网络 d a s ( d a t aa q u i s i t i o ns y s t e m ) 系统是发电厂和变电站进行数据采集与 处理的计算机监视系统，它是伴随着电子技术特别是计算机技术的发展而产生的一种先 进而且实用的生产实时检测系统。随着发电机组单机容量越来越大，机组和变电站监视 测点和控制对象成倍增加，d a s 系统尤其是分散式计算机监视系统的优越性越来越显示 出来，并逐步取代常规仪表，实现系统的启动、停止、正常运行及事故工况监视，并通 过c r t ( 显示器) 和打印机向运行人员提供生产过程中各种实时信息，大大提高了系统 的安全、经济运行水平8 9 3 分布智能网络监视系统，采用总线式结构，系统由实时通 讯网络、数据采集站、运行员监视站和工程师站等组成。采用i r m xf o rw i n d o w s 实时操 作系统，实时通讯网络采用令牌方式管理，通讯速率可达1 m b s ，通过网关可以直接与 生产网、管理网连接。系统8 9 3 分布智能网络具有以下特点： ( 1 ) 分散系统的数据采集站采用8 9 3 智能采集前端，系统构成采用了模块化的结 构，易于扩展，提高了使用的灵活性 ( 2 ) 数据采集功能被分散到3 1 个8 9 3 i d c b 智能数据采集前端，实现了功能分散、 危险分散，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 实时通讯网络采用令牌方式管理，通讯速率达1 m b s ，通过网关站可与管理 网连接，构成全厂的m i s 管理信息系统 ( 4 ) 采用屏幕显示和键盘操作方式，用c r t 代替繁多的常规指示仪表，可提供丰 富、直观的各种显示画面，便于运行人员集中监视及操作本系统的显示、打印均采用 汉字，便于使用。 ( 5 ) 具有完善的组态生成软件，系统配置及修改方便灵活。用户可以根据实际需 要生成自己的模入测点、开入测点文件及各种显示画面及图表软件可维护性好具有 软硬件自诊断及恢复功能，发现故障有自动报警及显示 变电站综合自动化系统改变了传统的二次设备模式，信息共享，简化了系统，减少 了连接电缆，减少占地面积，减轻了值班员的操作量。减少了维修工作量，并且便于各 级调度中心及时掌握电网及变电站的运行情况，集中控制、操作，提高劳动生产率，减 少人为误操作的可能，全面提高运行的可靠性和经济性。 第1 2 节变电站综合自动化简介 变电站综合自动化就是通过监控系统的局域网通信，将微机保护、微机自动装置、 微机远动装置采集的模拟量、开关量、状态量、脉冲量及一些非电量信号，经过数据处 理及功能的重新组合，按照预定的程序和要求，对变电站实现综合性的监视和调度因 此，综合自动化的核心是自动监控系统，而综合自动化的纽带是监控系统的局域通信网 络，它把微机继电保护、微机自动装置、微机远动功能综合在一起形成一个具有远动功 6 能的自动监控系统。变电站自动化最明显的特征有以下几方面： 1 功能的综合化 变电站综合自动化系统是个技术密集、多种专业技术相互交叉、相互配合的系统 它是建立在计算机硬件和软件技术、数据通信技术的基础上发展起来的它综合了变电 站内除一次设备和交、直流电源以外的全部二次设备。微机监控子系统综合了原来的仪 表屏、操作屏、模拟屏和变送器柜、远动装置、中央信号系统等功能；微机保护子系统 代替了电磁式或晶体管式的保护装置；还可根据用户的需要，微机保护子系统和监控子 系统结合，综合了故障录波、故障测距和小电流接地等子系统的功能 2 结构分布、分层化 综合自动化系统是一个分布式系统、微机化的系统结构内各子系统和各功能模块由 不同配置的单片机或微型计算机组成，采用分布式结构，通过网络、总线将微机保护、 数据采集、控制等各子系统联接起来，每个子系统可能有多个c p u 分别完成不同功能， 这样一个由庞大的c p u 群构成了一个完整的、高度协调的有机综合( 集成) 系统这样 的综合自动化系统可以有十几个甚至几十个微处理器同时并行工作，实现各种功能。另 外，按照变电站物理位置和各子系统功能分工的不同，综合自动化系统的总体结构又按 分层原则来组成。按i e c ( 国际电工委员会) 标准，典型的分层原则是将变电站自动化 系统分为两层，即变电站层和间隔层，由此有构成分散( 层) 分布式综合自动化系统。 3 测量显示数字化 长期以来，变电站采用指针式仪表作为测量仪器，其准确度低、读数不方便采用 微机监控系统后，彻底改变了原来的测量手段，常规指针式仪表全被c r t 显示器上的数 字显示所代替，直观、明了。而原来的人工抄表记录则完全由打印机打印、报表所代替 这不仅减轻了值班员的劳动，而且提高了测量精度和管理的科学性 4 操作监视屏幕化 变电站实现综合自动化后，不论是有人值班，还是无人值班，操作人员不是在变电 站内，就是在主控站或调度室内，面对彩色屏幕显示器，对变电站的设备和输电线路进 行全方位的监视与操作。常规庞大的模拟屏被c r t 屏幕上的实时主接线画面取代：常规 在断路器安装处或控制屏上进行的跳、合闸操作，被c r t 屏幕上的鼠标操作或键盘操作 所代替：常规的光字牌报警信号，被c r t 屏幕画面闪烁和文字提示或语言报警所取代， 即通过计算机上的c r t 显示器，可以监视全变电站的实时运行情况和对各开关设备进行 操作控制。 5 运行管理智能化 变电站综合自动化的另一个最大特点是运行管理智能化。智能化的含义不仅是能实 现许多自动化的功能，例如：电压、无功自动调节，不完全接地系统单相接地自动选线， 自动事故判别与事故记录，事件顺序记录，制表打印，自动报警等：更重要的是能实现 故障分析和故障恢复操作智能化，而且能实现自动化系统本身的故障自诊断、自闭锁和 自恢复等功能。这对于提高变电站的运行管理水平和安全可靠性是非常重要的。也是常 7 规的二次系统所无法实现的。常规的二次设备智能监视一次设备，由于它本身不具备自 诊断能力，所以本身的故障必须靠维护人员去检查。 6 通信局域网络化、光缆化 计算机局域网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中的到普遍应用。因此系统 具有较高的抗电磁干扰的能力，能够实现高速数据传送，满足实时性要求，组态更灵活， 易于扩展，可靠性大大提高，而且大大简化了常规变电站繁杂量大的各种电缆，方便施 工。 第1 3 节变电站综合自动化系统的功能 结合我国的情况，具体来说，变电站综合自动化系统的基本功能体现在下述的功能 中。 1 监控子系统的功能 监控系统应取代常规的测量系统，取代指针式仪表；改变常规的操作机构和模拟盘，取 代常规的告警、报警、中央信号、光字牌等；取代常规的远动装置等等包括： ( 1 ) 实施数据采集与处理；( 2 ) 事件顺序记录s o e ( s e q u e n c eo f e v e n t s ) ；( 3 ) 故障记录、 故障录波和测距；( 4 ) 操作控制功能；( 5 ) 安全监视功能；( 6 ) 人机联系功能；( 7 ) 打印功能；( 8 ) 数据处理与记录功能；( 9 ) 谐波分析与监视；( 1 0 ) 运行的技术管理 功能；( 1 1 ) 自诊断、自恢复和自动切换功能 2 微机保护子系统 微机保护装置在我国投入运行已有l o 多年的历史，并且越来越受到继电保护人员和 运行人员的普遍欢迎。这是因为，它显示出比常规的继电器或晶体管型保护装置有不可 比拟的优越性，突出表现在以下几方面： ( 1 ) 灵活性强；( 2 ) 综合判断力强；( 3 ) 性能稳定，可靠性高；( 4 ) 微机保护 利用微机的记忆功能，可明显改善保护性能，提高保护的灵敏性：( 5 ) 微机保护利用 微机的智能，可实现故障自诊断、自闭锁和自恢复；( 6 ) 体积小、功能全，由软件可 实现多种保护功能，可大大简化装置的硬件结构：( 7 ) 运行维护工作量小，现场调试 方便，可在线修改或检查保护定值，不必停电校验定值。 微机保护应包括全变电站主要设备和输电线路的全套保护，具体有：( 1 ) 高电压 输电线路的主保护和后备保护：( 2 ) 主变压器的主保护和后备保护；( 3 ) 无功补偿电 容器组的保护； ( 4 ) 母线保护：( 5 ) 配电线的保护；( 6 ) 不完全接地系统的单相接 地选线。 3 自动控制装置功能 变电站综合自动化系统必须具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自动控制功 8 能。为此，典型的变电站综合自动化系统都配置了相应的自动控制装置，如电压、无功 综合控制装置、低频率减负荷控制装置、备用电源自投控制装置、小电流接地选线装置 等 4 远动及数据通信功能 变电站综合自动化的通信功能包括系统内部的现场级间的通信和自动化系统与上 级调度的通信两部分。 ( 1 ) 综合自动化系统的现场级通信，主要解决自动化系统内部各子系统与上位机 ( 监控主机) 和各子系统间的数据和信息交换问题，它们的通信范围是变电站内部对 于集中组屏的综合自动化系统来说，实际上是在主控室内部；对于分散安装的自动化系 统来说，其通信范围扩大至主控室与子系统的安装地，最大的可能是开关柜间，即通信 距离加长了。 ( 2 ) 综合自动化系统必须兼有r t u 的全部功能，应该能够将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；同时应该能够接收调度端下达的各种操 作、控制、修改定值等命令，即完成新型r t u 等全部四遥功能 第1 4 节本课题所做的主要工作 1 结合课题作了题目为“数据采集”的专题研究； 2 焊接了一个数据采集板卡a - - 8 1 2 p g 的外围测试电路； 3 本课题的全部研究工作是在“实验平台3 5 k v 变电站模拟屏”上完成所做的工 作： ( 1 ) 对各段母线电压、线路电压、电流、有功功率、无功功率，主变压器电流、 电压、有功功率和无功功率，电容器的无功功率，馈出线的电流、电压、功率以及频率、 相位、功率因数等模拟量进行实时采样； ( 2 ) 对断路器的状态、隔离开关状态等开关量进行实时采样、转换； ( 3 ) 在自动控制的状态下能对断路器进行远程测控； ( 4 ) 实现变电站与其他自动化装置交换信息和与调度控制中心或集控中心通信等 项功能； 4 利用v b 软件进行编程，实现了变电站现场的监控界面和信息传输 9 第二章系统结构及方案 第2 1 节变电站综合自动化系统的结构形式及方案选择 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。从国内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、分布集中式、分散与集中相结合等类型。 2 1 1 集中式的结构形式 集中式结构的综合自动化系统，指采用不周档次的计算机，扩展其外围接口电路， 集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，分别完成微 机监控、微机保护和一些自动控制等功能，集中式结构也并非指由一台计算机完成保护、 监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控和调度等通信的功能也是由不 同的微型计算机完成的，只是每台微计算机承担的任务多些例如监控机要负担数据采 集、数据处理、开关操作、人机联系等多项任务 我国变电站综合自动化的研究工作开始于8 0 年代中期随着微处理器技术的发展， 研究微机自动化装置的单位逐渐增加，生产出了一些微机型r 1 m 到9 0 年代初，研究变 电站综合自动化系统的单位也逐渐增加。这一阶段都以集中式结构为主导，如图2 1 所 示。 图2 - l集中式结构的综合自动化系统框图 i o 这种集中式的结构是根据变电站的规模，配置相应容量的集中式保护装置、监控主 机及其数据采集系统( 也有的采用集中式的微机型r 1 ) ，它们安装在变电站中央控制 室内 主变压器和各进出线及站内所有电气设备的运行状态，通过t a 、t v 经电缆传送到 中央控制室的保护装置和监控主机( 或远动装置) 继电保护动作信息往往是取保护装 置的信号继电器的辅助触点，通过电缆送给监控主机( 或远动装置) 这种系统的主要功能及特点是： 1 能实时采集变电站中各种模拟量、开关量，完成对变电站的数据采集和实时监控、 制表、打印、事件顺序记录等功能 2 完成对变电站主要设备和进、出线的保护任务。 3 集中式结构紧凑、体积小，可大大减少占地面积。 4 造价低，尤其是对3 5 k v 或规模较大的变电站更为有利。 5 实用性好。 6 符合国情。 2 1 2 分层( 级) 分布式系统集中组屏的结构形式 随着单片机技术和通信技术的发展，单片机于8 0 年代后期引入我国，其性能价格比 越来越高，给自动化系统的研究工作注入了新的活力，因此，科技工作者有条件将微机 保护单元和数据采集单元按回路设计。到了9 0 年代，研究综合自动化系统的单位越来越 多，逐步形成百花齐放的局面，出现了多种不同的结构形式，但归纳起来，其实质属于 分层( 级) 分布式的多c p u 的体系结构每一层完成不同的功能，每一层由不同的设备 或不同的子系统组成。一般来说，整个变电站的1 二次设备可分为3 层，即变电站层、单 元层( 或称间隔层) 和设备层图2 - 2 为变电站1 二次设备分层结构示意图，从图中可以 看出变电站层为2 层，单元层为l 层，设备层为0 层 运掣 l 判 ii 离i 毒丛! 稠国 苴 i 一 层兀 晨 ，lll 冉冉1 j + + l + 0 设n ，l 褂t u 宣备个v 断t v 断 图2 - 2 变电站的1 二次设备分层结构示意图 设备层主要指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，电流、电压互 感器等一次设备。变电站综合自动化系统主要位于1 层和2 层。 单元层一般按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部件测量、控制 部件负责该单元的测量、监视、断路器的操作控制和联锁及事件顺序记录等：保护部件 负责该段线路或变压器或电容器的保护、故障记录等。因此，单元层本身是由各种不同 的单元装置组成，这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联系； 也可能设有数采管理机或保护管理机，分别管理各测量、监视单元和各保护单元，然后 集中由数采管理机和保护管理机与变电站层通信。 变电站层包括全站性的监控主机、远动通信机等变电站层设现场总线或局域网， 供各主机之间和监控主机与单元层之间交换信息 分层分布式系统集中组屏的结构是把整套综合自动化系统按其不同的功能组装成 多个屏( 或称柜) ，例如：主变压器保护屏( 柜) 、线路保护屏、数采屏、出1 3 屏等 一般来说，这些屏都集中安装在主控室中，为简单起见，我们把这种结构形式简称为“分 布集中式结构”，其系统结构框图如图2 - 3 所示 图2 - 3 分级分布式系统集中组屏的综合自动化系统结构框图 图2 3 , 9 保护用的微机大多数采用1 6 位或3 2 位单片机，保护单元是按对象划分的， 即一回线或一组电容器各用一台单片机，再把各保护单元和数采单元分别安装于各保护 屏和数采屏上，由监控主机集中对各屏( 柜) 进行管理，然后通过调制解调器与调度中 心联系。 分层分布式系统集中组屏结构的特点如下： 1 层( 级) 分布式的配置； 2 电保护相对独立： 3 有与系统控制中心通信功能； 4 块化结构，可靠性高： 5 内工作环境好，管理维护方便 2 1 3 分布分散式与集中相结合的结构 1 分布分散式与集中相结合的结构特点 由于分布集中式的结构，虽具备分级分布式、模块化结构的优点，但因为采用集中 组屏结构，因此需要较多的电缆。随着单片机技术和通信技术的发展，特别是现场总线 和局部网络技术的应用，以及变电站综合自动化技术的不断提高，有条件考虑全微机化 的变电站二次系统的优化设计问题。一种发展的趋势是按每个电网元件( 例如：一条出 线、一台变压器、一组电容器等) 为对象，集测量、保护、控制为一体，设计在同一机 箱中对于6 3 5 k v 的配电线路，可以将这个一体化的保护、测量、控制单元分散安装 在各个开关柜中，然后由监控主机通过光纤或电缆网络，对它们进行管理和交换信息， 这就是分散式的结构。至于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍可采用集中组屏安 装在控制室内。实际上，各国的习惯不同，西欧国家习惯于将保护装置安装在控制楼中， 理由是环境好，检修方便。这种将配电线路的保护和测控单元分散安装在开关柜内，而 高压线路保护和主变压器保护装置等采用集中组屏的系统结构，称为分布和集中相结合 的结构，其框图如图2 - 4 所示，这是当前综合自动化系统的主要结构形式。 当地调试 或监控 电能臂理机 丁磊矗 打印机( 可选) 主控机 ( 或双机) 调度所控制操作中心 光缆或电缆 保护管理机 现场总线或其他总线 l 智 i 能 i 电 i 能 i 衰 线路 开关柜1 1 阿 监控单元 什杭出 t 杏口 信回 号路 t v 状出 t 杏口 信匾 号路 主变压嚣 保护屏 阿 单元 t v 扶出 t 志口 信回 号路 高压线路 保护屏 1 陌 簟元 t v 状出 t 志口 信回 号路 鲁用 电潭 自动 投入 装i 图2 4 分散与集中相结合的变电站综合自动化系统结构框圈 图2 4 所示的系统结构有如下特点： ( 1 ) 1 0 3 5 k v 馈线保护采用分散式结构，就地安装，节约控制电缆，通过现场总线 与保护管理机交换信息。 ( 2 ) 高压线路保护和变压器保护采用集中组屏结构，保护屏安装在控制室或保护室 中，同样通过现场总线与保护管理机通信，使这些重要的保护装置处于比较好的工作环 境，对可靠性较为有利。 ( 3 ) 其他自动装置中，备用电源自投控制装置和电压、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。 为了保证电能计量的准确性，屯能计量可采用如下两种方法解决 ( 1 ) 采用脉冲电能表，由电能管理机采集各电表的脉冲量，计算出电能量，然后送给 监控主机，再转发给监控中心 ( 2 ) 采用带串行通信接口的智能型电能计量表，通过串行总线，由电能管理机将采集 的各电能量送往监控机，再传送给控制中心 2 分层分散式结构的优越性 分层分散式结构的变电站综合自动化系统突出的优点如下： ( 1 ) 简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积。由于配电线路的保护 和测控单元，分散安装在各开关柜内，因此主控室内减少了几面保护屏，加上采用综合 自动化系统后，原先常规的控制屏、中央信号屏和站内模拟屏可以取消，因此使主控室 面积大大缩小，也有利于实现无人值班。 ( 2 ) 减少了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 1 4 厂前已有厂家安装和调试完毕，再加上敷设电缆的数量大大减少，因此现场施工、安装 和调试的工期随之缩短 ( 3 ) 简化了变电站二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆。 ( 4 ) 分层分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便分层分散式结构，由于分散安 装，减小了t a 的负担各模块与监控主机问通过局域网络或现场总线连接，抗干扰能 力强，可靠性高。 综上方案比较，在选用变电站综合自动化系统的结构形式时考虑到集中式结构紧 凑、体积小并且造价低，所以本课题系统的结构选择了集中式结构。 第2 2 节变电站综合自动化系统微型机的方案选择 2 2 1 方案比较 计算机控制系统中使用的计算机按其结构可分为以下几类： 1 中小型计算机：它们的功能较强、计算速度快、设备丰富、但价格较贵，常用 于各种大型过程控制。 2 微型计算机系统：它是指现成的个人计算机、工作站或类似的微型计算机系统， 可分为两种类型： ( 1 ) 通用微型机，例如常用的i b m - p c 或兼容机它的优点是使用方便、开发速度快、 软件丰富、价格适中；缺点是实时性差、连续工作可靠性差、对环境要求较高、需加接 控制用扩展板 ( 2 ) 控制用的微型计算机，即专门用于工业控制用的工控微机它的优点是实时性好 ( 一般配有多个实时任务操作系统) 、可靠性高、使用方便、功能强。 3 专用控制微机，即用微处理机( m p u ) 或微计算机( m c u ) 芯片、存储器芯片、 i o 接1 2 1 芯片等设计构成的专用的控制微机系统。它的优点是价格最低、可靠性高、体 积小；缺点是开发时间长、工作量大 ( 1 ) 近年来，单片机从工业测控对象、环境、接1 3 特点出发，向着增强控制功能，提 高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成、应用计算机系统的界面接口的方向得到了极 大的发展。单片机芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时，计数器、 看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a ，d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要 功能和外设。 在工业控制中，常需要将单片机采集到的数据传送给p c 机处理、显示，并且根据处 理结果给单片机发送控制命令。串行通信虽然传送速度相对较慢，但是传送成本低，对 实现监视和控制，具有足够的带宽，并且没有过于复杂的编解码，实现自定义的协议也 不复杂。因而在工业自动化、通信和军事等领域的应用十分广泛下位机( 单片机系统) 完成信号检测、a d 转换和简单的控制功能，上位机采用个人计算机，采用r s 2 3 2 的传 输方式。 ( 2 ) p l c 口- j 编程逻辑控制器因其可靠性高、编程简单、抗干扰强等优点在工业控制领 域得到了广泛应用。但p l c 在人机交互性能方面较弱，而个人计算机具有良好的人机界 面及控制决策能力 因此，将二者结合起来可有效实现整个生产过程的综合控制。一般系统采用上下位 机主从式结构，p l c 作为下位机完成工业现场数据的实时采集和分站控制功能，通信方 式采用串行通信，采用r s 2 3 2 非平衡方式或采用r s 4 8 5 平衡差动式进行数据传输上位 机采用个人计算机实现数据的显示、报警等功能。整个系统可实现过程中的模拟显示、 故障报警、实时控制等。 综上方案比较，本课题系统的检测控制采用工业控制机 2 2 2 工控机的结构和特点 1 工控机的结构 工业控制机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算 机，简称工控机工业控制机由计算机基本系统和过程i o 系统组成，计算机基本系统 由系统总线、主机模板、存储器板、人机接口板与c r t 、磁盘机、打印机等通用外设组 成。过程i o 系统由输入信号调理板和a d 转换器，将现场传感器测量的物理信号转变为 电信号，模拟量经模数转换( a i d 转换器) ，变成数字量输入计算机，计算机输出信号经 数模转换和输出调理( 隔离放大) 成执行机构的功率驱动信号控制执行机构 硬件系统一般有运行操作台，可放计算机、c r t 、外设、主机柜、i 0 机柜( 机箱、 电源、接线端子板、接地保护装置等) 。 图2 - 5 工业控制机的硬件组成结构 外部总线 总线 软件系统由实时操作系统、实时数据库及应用软件、数据采集与处理软件、各类控 制软件( p i d ) 直接数字控制、先进控制软件组成。 与商用及个人机比较，工业控制机的特点是有强大的过程输入输出能力，高可靠性 与实时性。 2 ，工控机的特点 1 6 ( 1 ) 可靠性：工业p c 具有在粉尘、烟雾、高低温、潮湿、震动、腐蚀和快速诊断 和可维护性，其m t t r ( m e a nt i m et or e p a i r ) 一般为5 m i n ，m t t f l 0 万小时以上，而 普通p c 的m t t f 仅为1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 d 、时 ( 2 ) 实时性：工业p c 对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化 给予快速响应，及时进行采集和输出调节，( 看门狗功能这是普通p c 所不具有的) 遇险 自复位，保证系统的正常运行 ( 3 ) 扩充性：工业p c 由于采用底板+ c p u 卡结构，因而具有很强的输入输出功能， 最多可扩充2 0 个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡如与道控制器、视频监控系统、 车辆检测仪等相连，以完成各种任务。 ( 4 ) 软硬件兼容性：能同时利用i s a 与p c i 及p i c m