自动化系统设计原则

自动化系统设计原则

【摘要】：综合自动化系统是运用自动化系统、计算机技术、信息处

理技术和通信技术等高科技对的继电保护、测量、控制、故障滤波、信号处

理、运动装置和自动装置等二次设备功能进行优化组合，实现对所有设备运

行状况日勺测量和控制。本文重要研究了综合自动化系统日勺设计和实现，并对

关键技术进行解剖分析。

【关键词】：控制工程；安全生产；安全管理：监控系统；报警系统：氧气浓度

1综合自动化系统简述

电气综合自动化系统（简称综自系统）是指在多种硬件措施和自动叱妆

置日勺基础上，运用数据分析、通信技术、控制技术和处理技术对的各类功能

进行组合与优化，取代了人工操作方式，在综合管理方面实现了智能化管理,

实现了低误差率，提高了运行日勺可靠度。由于我国用电需求的增大，对电网

运行日勺规定也越来越高，这便规定调度中心可以获得精确详细日勺和电网运行

数据，进行集中操作、集中控制和反事故措施等，通过无人值守日勺方式，不

仅防止了人工操作的失误，又能提高效率和电网运行的安全性。

伴随通讯技术和微机技术等科技日勺运用，不仅变化以往日勺二次设备形

式，也在缩减了的用地面积、减少电缆量、减少了成本、实现信息共享、简

化系统等方面变化了以往日勺运行风格。由于上述日勺优势，综合自动化系统已

被行业完全接纳，用于提高电网的管理水平。不少厂家也陆续推出多种综合

自动化系统，作为自身竞争日勺筹码，以满足不同样企业电网运行需求。从上

世纪九十年代开始国外各大著名电气企业，例如西门子企业、通用企业、ABB

企业等都不停推出多种成套的I综自系统，我国伴随数字化设备日勺不停使用与

发展，综合自动化系统也被广大的I电网顾客所接受［3］。在电网中使用综自

系统有两个重要优势：（1）可以实现无人值守，减少一定欧I人工成本。（2）

在高中压的中使用综自系统可以综合多种技术，采用愈加可靠日勺控制系统，

提高运行的安全性。

2综合自动化系统的构造

伴随多种高科技技术H勺运用，综自系统日勺构造体系也随之发生变化，其

功能、性能与可靠性等都得到提高，的综合自动化系统构造重要有集中式日勺

构造形式、集中式分布式日勺构造形式、分层分布式日勺构造形式［4］。

2.1集中式的构造形式

集中式是指用功能比较强大的计算机向外增长多种I/O接口，对的开关

量和脉冲量等信息进行集中采集和处理，依次完毕微机的监控、自动控制及

保护等功能。集中式系统并不是只有一台微型计算机。大多数集中式系统是

由不同样的计算机完毕微机的保护、监控和调度等功能，只是不同样的微型

计算机承担日勺任务有所不同样。例如一台微机保的计算机也许需要承担多种

回路的低压线路微机保护计算；一台监控机需要负责人机联络、数据的采集

与处理等多种任务等，集中式系统的构造如图2-1所示。

图2-1集中式构造形式

集中式构造具有如下长处：（1）可以对日勺数字量、开关量、模拟量等信

息进行实时采集，完毕时实时监控、数据采集、打印、制表等功能；（2）可

以对的进出线和重要设备进行保护；（3）体积小、构造紧凑，较大的减少了

用地面积；（4）成本低，对于小规模日勺较为实用。

集中式构造口勺缺陷：（1）功能较为集中在少数几台计算上，假如一台微

型计算机出现差错或故障，对电网和的运行影响较大。只有采用双机并联的

运行方式可以提高集中式系统的可靠性；（2）组态太呆板，对于不同样规模

的或者不同样的主接线，集中式系统的硬软件都需要重新设计，造就工作量

过大；（3）软件设计较为复杂，修改和调试工作太繁琐；（4）与常规的一对

一保护方式相比，集中式系统不够直观，且与维护和运行人员的习惯不同样,

这种系统较合用于逻辑较为简朴的保护。集中式系统在许多方面的处理都不

够理想，在微机技术出现之后，综自系统的构造也得不停的改善。

2.2分布式机构形式

分布式系统日勺特点是根据功能进行设计，分散综自系统的各个功能到多

台微型计算机。这种系统采用主从CPU,多种CPU并行处理多发事件日勺工作方

式，更好的处理CPU瓶颈的运算处理问题。综自系统的各个功能之间采用串

行或网络技术的方式更好日勺完毕了数据通信，同步网络系统采用优先级日勺方

式也处理了数据传播问题。分布式系统假如局部发生故障不会对其他功能导

致影响，且以便系统的维护与扩张，这种模式在中低压日勺中较常使用，其模

式构造可见如2-2所示。

图2-2分布式构造形式

2.3分层分布式构造形式

从逻辑方面来看，该系统可以将综自系统划分为站控台和间隔层的两层

构造，或者是站控台、间隔层和通信层的三层构造。

这种构造是按照断路器间隔和元件进行设计的，由一种或多种智能控制

单元负责单个断路器间隔日勺数据采集、控制、保护等功能。测控单元互相之

间是用特殊电缆或光缆连接，安装在断路器日勺器柜或间隔附近。这种系统可

以较大程度日勺减少电缆的连接量和电磁干扰，具有较强的I可靠性，实现了故

障之间互不影响，且利于系统F向扩展与维护，是目前综自系统的发展趋势。

该系统可见图2-3所示。

分层分布式系统具有如下长处：（1）对的二次设备进行简化，减少了控

制室的使用面积；（2）间隔控制单元实现了原则化、自动化系统；（3）所有

时间隔控制单元日勺功能都设置在间隔层中；（4）软件控制所有日勺逻辑组态指

示；（5）该系统口勺组态较为灵活，以便检修。

图2-3分层分布构造形式

3综自系统日勺功能

综自系统重要有检测、监控、远传和保护四个重要部分。

3』综自系统监测功能

检测功能是通过综自系统对运行数据进行嗖集、显示、处理及打印等，

使工作人员可以全面精确的理解电网运行状况，可以及时采用应急措施，系

统采集数据可以分为开关量信号、脉冲量信号、模拟量信号。

3.2综自系统监控功能

系统可以检测记录手动跳闸和事故跳闸的次数。当电网单相接地出现故

障时，系统可以根据零序电流电压增量、功率措施和相电压降等措施来判断

接地相别和线路；同步可以通过电流电压H勺计算来判断投切电容器或者调整

分接头的位置。

3.3综自系统远传功能

远传规约一般分为三种类型：Pollink规约、CDT规约、和特殊规约。

当处在正常运转或出现事故和报警事件时，远，专就会立即向上级传送该管

息，以便调度人员及时掌控该站的运转状况。

3.4综自系统保护功能

综自系统的保护功能重要是运用微机保护装置，不仅在使用方面较为以

便，并且具有较强的敏捷性及可靠性。其重要具有如下特点：

（1）具有实时自检功能。它能针对保护柜，其中包括主机在内H勺各个

组件在线进行检查。

（2）可通过使用显示屏和键盘显示出电压、电流和开关的状态，以及

整定值，并可对其进行修改。

（3）具有事故追忆功能。它能精确的记录事故发生前后的母线电压及

线路电流。

保护可选择使用如下几种类型:

（1）变压器保护：包括本体保护（轻瓦斯、有载轻瓦斯、重瓦斯、有载

重瓦斯等）、低压侧备电源自投、高压侧备用电源自投和、过负荷保护、过

流保护（包括复合电压启动、低压启动）、零序保护、带二次谐波制动的比例

差动保护、差电流速断保护。

（2）线路保护：包括零序电流、电压和方向保护、定期限过电流保护、

反时限过流保护、电流速断保护、距离保护、方向性电流保护、双回线方向

横差保护、高频保护和低周减载保护。

（3）母线保护：包括电流比相式母线保护和完全电流差动母线保护。

（4）电容器保护：包括相间低电压保护、相间过电压保护、零序过电

压保护、过流保护、电流速断保护、反时限过流保护。

4微机保护

微机保护是以计算机为主导，接上外围线路以实现计算机监控保护功能。为

了实现微机保护作用，微机保护装置必须具有数据采集作用，可以把电压互感器

PT与电流互感器CT模拟信号精确及时转换成计算机可以识别的数字信息,同

步人机对话工作界面可以完毕告警行为记录、定制输入、保护调试等一系列功能。

在计算技术发展日勺带动下，微机保护装置的硬件设备功能变得愈加强大，尤其为

芯片和微处理器日勺发展为微机保护功能提供了很好的技术支持。微机保护从CPU

系统发展到目前日勺DSP技术，保护装置更新很快，不过其硬件构造基本相似，

如图2-4所示。信号输入是将电压互感器PT、电流互感器CT、变压器采集油温、

瓦斯等信号通过保护装置A/D转换、低通滤波、电平转换、隔离等处理，使保

护装置可以获得现场实际状况的精确数据，以便微机分析计算。检测部分是对信

号输入处理过的信号进行计第分析，通过与定值的比较，产生“是”或“非”的I

一组逻辑信号，以判断与否启动保护命令。逻辑判断部分是根据检测部分输出信

号进行逻辑运算，判断断路潜与否跳闸或者与否发出信号，同步将命令输送给现

场设备。常用逻辑指令有“非”、“与”、“或”、“记忆”和“延时”等。输出执行

部分根据逻辑判断输送日勺信号来完毕信号告警或跳闸等一系列动作，并且在执行

对应的保护动作时，还将进行电平转换和隔离及信息反馈等任务。

图2-4微机保护基本构造

4.1微机保护的硬件构造

微机保护装置［5］一般是将功能不同样日勺插件组合成完整的保护装置，不同

样日勺插件为不同样功能的模块。假如按照功能进行划分插件可分为：保护CPU

和监控CPU插件、开关量输入/输出插件、人机对话插件、电源插件、交流输入

/输出插件等。微机保护装置构造原理如图12-5所示。

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图2-5微机保护装置构造原理

数据采集器

数据采集器一般采集来自电压互感器PT和电流互感器的模拟信号，不过由

于微机保护的计算机无法识别模拟信号，因此数据采集器可以进行模拟滤波、电

压形成、模数转换、多路转换、采样保持等处理.，将模拟信号转换成数字信号。

微机系统

微机系统(微型计算机系统)是由显示屏、微型计算机、输入/输出设备、

电源等构成。其重要完毕数据处理、数据自检、故障处理和微机保护日勺主程序。

微机主系统包括存储器、微机处理器、定期器等。初期微机主系统是单CPU系

统，在微型计算机日勺容错技术和多重化技术日勺出现后，微机主系统开始逐渐使用

多CPU系统。一般微机保护在出现采样脉冲信号使才会进入中断服务日勺程序，

其他时候都是在自检循环中。不过，微机保护日勺向检功能仅仅可以检测出软硬件

日勺故障，而元件出现问题就会使被保护日勺对象失去保护。容错技术可以使软硬件

具有冗余度，当部分软硬件出现问题时，系统仍能正常运行工作，这种技术比较

合用于时刻需要调整命令和输出控制的系统，多重化技术可以在一套硬件发生故

障时，发出报警信后，由另一套硬件继续完毕工作，而不引起误动。

图2-6是一套CPU与DSPL6J构成欧）微机系统，其中DSB重要负责对数据采

集器中数据进行计算，然后把数据成果通过RAM的双端口输送到CPU,而CPU

负责微机保护逻辑判断、通信管理、开关量输入/输出计算等，这种系统运用了

DSP（数字信号处理）运算速度快的特点，由DSP完毕所有繁重的数据计算，

而CPU只需讲行保护法辑判断，防止单CPU多任务日勺冲突。

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图2-6CPU+DSP构成的微机系统构造图

开关量输入/输出模块

微机保护不仅需要接受模拟信号，同步也需要接受发送开关量信号。例如人

机对话界面键盘输入和遥控信号等。而这些信号只能由开关量输入/输出模块来

接受与发送。开关量输入/输出模块是由微型计算机并串联接口、继电塔和光电

耦合件构成。微型计算机主系统与人机对话模块都存在开关量输入/输出插件，

不过两者插件欧I功能不同样。开关量输入/输出插件在微型机主系统中重要是完

毕保护出口跳闸和遥信输入，在人机对话模块中重要是完毕液晶显示、按键输入、

保护通信和告警信号的发送等功能。

开关量输入电路兀以分为内部和外部两种类型的开关量，其中内部开关量有

软压板和健盘输入等，重要安顿在面板触电.上，外部开关量有硬压板、继电器触

点等，重要反应外部装置触电状况。内部开关量是直接接到微机并行接口的芯片

上，而外部开关量通过光电耦合装置将并行接口和开关量的回路隔离，如图2-7

所示，这种方式既可以传递K2外部触点信息，又可以电气隔离，保证微机保护

的安全性。

图2・7开关量输入模块原理图

开关量输出电路兀以完毕微机保护跳闸和合闸任务，这种电路可以将合、跳

闸日勺出口信号进行电平转换，驱动断路器执行合、跳闸指令。如图2-8所示。并

联接口输出控制了KM继电器，同步也可以采用光电隔离日勺措施来提高整体抗

干扰的能力。

图2-8开关量输入模块原理图

在进行打印机和通信接口之类的信号输出时，可用图2-9日勺措施连接。由于

数字信号不是控制合跳闸，因此对重要性和实时性规定不高，只需用一种并缺接

口日勺输出方式就可以完毕信号输出，同步光电耦合器不仅可以实现电平转换还能

电气隔离。

输出数字信号

输入数字信号

图2-9数字信号接口

人机对话模块

这种模块是借助微处理器完毕继电保护调试、工作设定、定期检查保护装置、

记录多种保护动作、系统通信等，其硬件构造如图2-10所示。

图2-10人机对话界面

4.2微机保护的软件设置

软件系统好坏不仅影响到保护装置的稳定性，还能提高保护性能口勺灵活性。

伴随硬件构造的提高，也会加强微机保护系统功能，因此，在微机保护口勺软件设

计中需要注意系统的精确性、可靠性、继承性、可读性、易修改和维护等。

在增强系统的继承性和可读性时，系统采用了高级语言进行程序编制。不过

波及硬件电路控制时，系统同步采用汇编语言相结合的方式。根据构造化的程序

设计想法，进行模块化思绪设计不同样功能日勺模块，每块功能不同样模块间实现

互相独立，且模块均使用单入口/出口的构造，易于进行程序的调试、维护和维

护。

目前绝大数H勺微机保护都是双CPU的构造，即由保护和监控构成的双CPU

系统。这两类CPU系统都是由采样中断服务和主程序构成，只是两者在采样中

端服务系统中功能不同样，下面以保护CUP系统为研究对象分析其程序。

保护CPU系统

该部分系统重要实现对整个系统监控和各项实时性原则低的辅助功能。从保

护CPU系统显示图2-11所示，该系统重要包括上电复位和自检循环两个程序。

在保护装置硬件复位或上电后来，系统首先进行初始化，其中包括读取所有

开关量输入H勺、状态、定期器初始化、定义硬件电路开关量输入与输出系统H勺并

行接口，寄存器、计数器、整定值的加载和换算以及多种标志的设置，并进行初

始化自检。

自检是通过软件自动对硬件系统H勺工作状态以及重要元器件进行检测，保证

系统元器件以及工作完好。在自检过程中可以及时发现保护装置中出现的问题,

并发出报警信号，及时闭锁保护出口，再由技术人员排除故障。因此，自检功能

是微机保护装置中独有的智能技术。

自检程序分为运行自检和初始化自检，运行自检是在系统保护装置运行日勺时

候，针对实时性规定高且后续出现运算的部件进行自检，以便及时发现问题，运

行自检则在下面自检循环中进行着。初始化自检是在系统保护装置复位或上电时

进行全面性自检，由于此时的时间较为充足，容许进行全面的自检，其中自检的

重要内容包括：程序、定值、输出通道、ROM、RAM\以及FLASH等，保证微

机保护在投入使用时是完好的。

在初始自检顺利通过后，就需立即执行初始化数据采集以及定期采样中断的

启动，到此为止上电复位流程所有走完，随即将进入自检循环的流程。

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中断响应，并转向中断服务的程序，立即执行一次中断服务的程序，当中断服务

完毕后，则又返回自检循环。其关系如图2-12所示:

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AB