變電站綜合自動化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).doc

遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）0 引言變電站自動化自20世紀(jì)90年代以來一直是我國電力、IT中的熱點(diǎn)之一。所以成為熱點(diǎn)，是建設(shè)的需要，日前全國投入電網(wǎng)運(yùn)行的35 - 110kV變電站18000座(不包括用戶變)，220kV變電站有 1000多座，500kV變電站大約有70座。而且每年變電站的數(shù)量以3%-5%的速度增長，也就是說每年都有數(shù)千座新建變電站投入電網(wǎng)運(yùn)行。同時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)的要求，特別是自上個(gè)世紀(jì)末在我國全范圍內(nèi)開始的大規(guī)模城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，不但要新建許多變電站，現(xiàn)有將近一半以上的建設(shè)于上世紀(jì)六、七十年代、甚至還有五十年代的老舊變電站因設(shè)備陳舊老化而面臨改造。二是市場的因素，采用綜合自動化系統(tǒng)，可在遠(yuǎn)方設(shè)立集控站，通過遠(yuǎn)方遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、遙視等五遙功能集中監(jiān)控若干個(gè)變電站，變電站現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)無人值班，節(jié)約了大量的人力；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了辦公自動化，提高了管理效率，為管理人員的決策提供了切實(shí)有力的依據(jù)。根據(jù)電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展要求和市場經(jīng)濟(jì)的規(guī)律，變電站綜合自動化有著飛速的發(fā)展速度和廣闊的發(fā)展空間。特別是當(dāng)前Internet技術(shù)日漸成熟和流行，應(yīng)用快速以太網(wǎng)通信的Web技術(shù)在電網(wǎng)自動化方面得到了廣泛的應(yīng)用?；贗nternet技術(shù)和面向?qū)ο蟮姆謱油ㄐ?、分散布置的變電站綜合自動化技術(shù)成為當(dāng)今該領(lǐng)域的先進(jìn)代表。1 變電站綜合自動化1.1變電站綜合自動化發(fā)展1傳統(tǒng)的35kV及以上電壓等級的變電站的二次回路部分是由繼電保護(hù)、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控、遠(yuǎn)動裝置、故障錄波和測距、直流系統(tǒng)與絕緣監(jiān)視及通信等各類裝置組成的，以往它們各自采用獨(dú)立的裝置來完成自身的功能，而且均自成系統(tǒng)，由此不可避免地產(chǎn)生各類裝置之間功能相互覆蓋，部件重復(fù)配置，耗用大量的連接線和電纜。90年代數(shù)字保護(hù)技術(shù)(即微機(jī)保護(hù))的廣泛應(yīng)用，使變電站自動化取得實(shí)質(zhì)的進(jìn)展。90年代初研制出的變電站自動化系統(tǒng)是在變電站控制室內(nèi)設(shè)置計(jì)算機(jī)作為變電站自動化的心臟，另設(shè)置一數(shù)據(jù)采集和控制部件用以采集數(shù)據(jù)和控制命令。微機(jī)保護(hù)柜除保護(hù)部件外，每柜有一管理單元，其串行口和變電站自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制部件相連接，傳送保護(hù)裝置的各種信息和參數(shù)，顯示保護(hù)定值，投/停保護(hù)裝置，此類集中式變電站自動化系統(tǒng)可以認(rèn)為是變電站自動化系統(tǒng)的第二階段。90年代中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，同時(shí)結(jié)合變電站的實(shí)際情況，研制成功了各種分散式變電站自動化系統(tǒng)并投入運(yùn)行。分散式系統(tǒng)的特點(diǎn)是將現(xiàn)場輸入輸出單元部件分別安裝在中低壓開關(guān)柜或高壓一次設(shè)備附近，現(xiàn)場單元部件是保護(hù)和監(jiān)控功能的二合一裝置，用以處理各開關(guān)單元的繼電保護(hù)和監(jiān)控功能，也可以是現(xiàn)場的微機(jī)保護(hù)和監(jiān)控部件，分別保持其獨(dú)立性。在變電站控制室內(nèi)設(shè)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)也可布置在遠(yuǎn)方的集控站，對各現(xiàn)場單元部件進(jìn)行通信聯(lián)系。通信方式多采用常用的串行口。但近年推出的分散式變電站自動化系統(tǒng)更多地采用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，遙測遙信采集及處理，遙控命令執(zhí)行和繼電保護(hù)功能等均由現(xiàn)場單元部件獨(dú)立完成，并將這些信息通過網(wǎng)絡(luò)送至后臺主計(jì)算機(jī)，而變電站自動化的綜合功能均由后臺主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)。因此，現(xiàn)在的變電站綜合自動化系統(tǒng)，概括起來，就是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)變電站的測量、監(jiān)控、保護(hù)等功能通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)綜合在起，構(gòu)成一個(gè)資源和信息共享的綜合自動化系統(tǒng)，從而將傳統(tǒng)的變電站控制屏、保護(hù)屏、控制臺等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了集成，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控，集中管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變電站無人值班，并且實(shí)現(xiàn)了變電站管理的自動化。同時(shí)由于裝置實(shí)現(xiàn)了高度的集成，大大節(jié)省了變電站占地。在當(dāng)今土地資源和人力資源日趨緊張的情況下，實(shí)現(xiàn)變電站的綜合自動化具有明顯的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢。1.1.1國外變電站綜合自動化的發(fā)展概況國外變電站綜合自動化的研究開始于70年代。根據(jù)1981年5月在英國召開的第六屆國際供電會議資料報(bào)道，英國、意大利、法國、西德、澳大利亞等國，于70年代末，新裝的遠(yuǎn)動裝置都采用了微計(jì)算機(jī)，個(gè)別有用16位小型計(jì)算機(jī)的。布線邏輯的遠(yuǎn)動裝置已開始淘汰，當(dāng)時(shí)僅英國南威爾士電網(wǎng)還在使用（該地區(qū)當(dāng)時(shí)也計(jì)劃用微機(jī)遠(yuǎn)動裝置代替），同時(shí)，第六屆國際供電會議的有關(guān)文章資料還指出，監(jiān)控系統(tǒng)的功能有擴(kuò)大的趨勢，供電網(wǎng)的監(jiān)控功能正以綜合自動化為目標(biāo)迅速發(fā)展，除三遙外，一般還有： 尋找并處理單相故障； 作為保護(hù)拒動或斷路器拒動的補(bǔ)充保護(hù)； 負(fù)荷管理； 成組數(shù)據(jù)記錄，其中包括負(fù)荷曲線、最大需量、運(yùn)行數(shù)據(jù)、事故及事件順序記錄等； 自動重合閘及繼電保護(hù)。這些資料報(bào)導(dǎo)，證明了國際上隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變電站綜合自動化的研究工作已于70年代中、后期開始。由此可見，國外研究變電站綜合自動化系統(tǒng)，始于70年代后期，80年代發(fā)展較快。著名的制造廠商較多，但他們彼此間一開始就十分注意這一領(lǐng)域的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定與協(xié)調(diào)，避免各自為政造成不良后果，這是很值得我們學(xué)習(xí)的。德國電力行業(yè)協(xié)會（VDEW）為電子制造商協(xié)會（EVEI）制定的關(guān)于數(shù)字式變電站控制系統(tǒng)的推薦草案于1987年公布，成為IEC TC57在起草保護(hù)與控制之間標(biāo)準(zhǔn)的參考，內(nèi)容非常豐富。德國的三大電氣公司（Siemens 、ABB、AEG ）基本上是按這一推薦規(guī)范設(shè)計(jì)和開發(fā)自己的產(chǎn)品。美國電力科學(xué)研究院EPRI委托西屋電氣公司研究起草的變電站控制與保護(hù)項(xiàng)目的系統(tǒng)規(guī)范，于1983年8月發(fā)表了（EL1813），它涉及到基于微處理器的一整套變電站控制與保護(hù)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，1989年又對1983年發(fā)表的報(bào)告進(jìn)行最終修改與增補(bǔ)。國際電工委員會第57次技術(shù)委員會（IEC TC 57）為了配合變電站綜合自動化方面的進(jìn)展，成立了“變電站控制和保護(hù)接口”工作組，負(fù)責(zé)起草該接口的通訊標(biāo)準(zhǔn)，該工作組共12個(gè)國家（主要集中在北美和歐洲，亞洲有中國，非洲有南非）2000位成員參加。從1994年3月到1995年3月舉行了四次討論會，于1995年2月向IEC秘書處提交了保護(hù)通訊伙伴標(biāo)準(zhǔn)IEC8705103，為控制和保護(hù)之間通訊提供了一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)。1.1.2 我國變電站綜合自動化的發(fā)展過程我國變電站綜合自動化的研究工作開始于80年代中期。1987年，清華大學(xué)電機(jī)工程系研制成功第一個(gè)符合國情的變電站綜合自動化系統(tǒng)，在山東威海望島變電站成功的投入運(yùn)行。該系統(tǒng)主要由3臺微機(jī)及其外圍接口電路組成，其原理結(jié)構(gòu)圖見圖1.1望島變電站是一個(gè)35kV的城市變電站，具有兩回35kV進(jìn)線，兩回35kV出線，兩臺主變壓器，8回10kV饋電線路和兩組無功補(bǔ)償電容器。該變電站的綜合自動化系統(tǒng)主要由三臺微機(jī)組成，分成三個(gè)子系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)了變電站安全監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)、電壓無功控制、中央信號等全部任務(wù)。TV TA 變電站設(shè)備 TV TA模擬量輸入動作信號輸出開關(guān)量輸入模擬量輸入動作信號輸出開關(guān)量輸入模擬量輸入動作信號輸入出開關(guān)量輸入光電隔離光電隔離監(jiān)控機(jī)光電隔離光電隔離主保護(hù)機(jī) 光電隔離光電隔離控制機(jī)集控臺圖11 變電站微機(jī)監(jiān)測、保護(hù)綜合控制系統(tǒng)框圖Fig.11 The figure of computer monitoring substation and the protection of integrated control system該系統(tǒng)于1987年成功的投入運(yùn)行，1988年通過技術(shù)鑒定。鑒定結(jié)論為國內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)了國內(nèi)一項(xiàng)空白，并達(dá)國際80年代先進(jìn)水平。其運(yùn)行結(jié)果表明：微機(jī)技術(shù)可以全面、系統(tǒng)、可靠的應(yīng)用于變電站地自動化工程中。同時(shí)也證明了變電站綜合自動化對提高變電站的運(yùn)行、管理水平及技術(shù)水平、縮小占地面積、減少值班員抄表和記錄，以及減少維護(hù)工作量等方面有顯著的優(yōu)越性。雖然由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)水平和投資水平的限制，又是全國第一個(gè)實(shí)現(xiàn)綜合自動化的變電站，研制者沒有可借鑒的，因此在功能和結(jié)構(gòu)方面，不如90年代的同類產(chǎn)品，但當(dāng)時(shí)它確實(shí)吸引許多電力系統(tǒng)的同行和科研工作者，連續(xù)5、6年內(nèi)，全國各地不少人前往參觀，并得到有益的啟發(fā)。它的運(yùn)行成功，也證明中國完全可以自行研究、制造出符合國情的綜合自動化系統(tǒng)。因此80年代后期，投入變電站綜合自動化研究的高等院校、研究單位和產(chǎn)品如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。規(guī)模比較大的有南瑞公司、四方公司等。變電站綜合自動化系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)工作之所以會引起這么多的科研工作者和生產(chǎn)廠家的注意，其根本原因在于變電站實(shí)現(xiàn)綜合自動化，能夠全面提高變電站的技術(shù)水平，提高運(yùn)行的可靠性和管理水平。近幾年來，大規(guī)模集成電路技術(shù)和通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，給變電站綜合自動化技術(shù)水平的提高，注入了新的活力。16位、32位單片機(jī)及Pentium微處理器的問世，活躍了計(jì)算機(jī)市場；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線等的出現(xiàn)，給廣大科技工作者創(chuàng)造大顯才能的條件。因此，近幾年來研究變電站綜合自動化進(jìn)入了高潮，其功能和性能也不斷完善。變電站綜合自動化將成為今后新建變電站的主導(dǎo)技術(shù)。1.2變電站綜合自動化研究的主要內(nèi)容對110kv及以上電壓等級變電站，以服務(wù)于電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為中心。通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的應(yīng)用，為新的保護(hù)和控制技術(shù)采用提供技術(shù)支持，解決過去能解決的變電站監(jiān)視、控制問題，促進(jìn)各專業(yè)在技術(shù)上、管理上配合協(xié)調(diào)，為電網(wǎng)自動化進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)，提高變電站安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行水平。如，采集高壓電器設(shè)備本身的監(jiān)視信息，斷路器、變壓器和避雷器等的絕緣和狀態(tài)等；采集繼電保護(hù)和故障錄波器等裝置完成的各種故障前后瞬態(tài)電氣量和狀態(tài)量的記錄數(shù)據(jù)，將這些信息傳送給調(diào)度中心，以便為電氣設(shè)備的監(jiān)視和制定檢修計(jì)劃、事故分析提供原始數(shù)據(jù)。對新建變電站取消常規(guī)的保護(hù)、測量監(jiān)視、控制屏，全面實(shí)現(xiàn)變電站綜合自動化，實(shí)現(xiàn)少人值班逐步過渡到無人值班；對老變電站在控制、測量監(jiān)視等進(jìn)行技術(shù)改造，以達(dá)到少人和無人值班的目的。對35KV及以下電壓等級變電站，以提高供電安全與供電質(zhì)量，改進(jìn)和提高用戶服務(wù)水平為重點(diǎn)。側(cè)重于利用變電站綜合自動化系統(tǒng)，對變電站的二次設(shè)備進(jìn)行全面的改造，取消的保護(hù)、測量、監(jiān)視和控制屏，全面實(shí)現(xiàn)變電站綜合自動化，以提高變電站的監(jiān)視和控制技術(shù)水平，改進(jìn)管理，加強(qiáng)用戶服務(wù)，實(shí)現(xiàn)變電站無人值班。變電站綜合自動化要實(shí)現(xiàn)：1) 隨時(shí)在線監(jiān)視電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；自檢、自診斷設(shè)備本身的異常運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)變電站設(shè)備異常變化或裝置內(nèi)部異常時(shí)，立即自動報(bào)警并閉鎖相應(yīng)的出口，以防止事態(tài)擴(kuò)大。 2) 電網(wǎng)出現(xiàn)事故時(shí)，快速采樣、判斷、決策，迅速隔離和消除事故，將故障限制在最小范圍。3) 完成變電站運(yùn)行參數(shù)在線計(jì)算、存儲、統(tǒng)計(jì)、分析報(bào)表和遠(yuǎn)傳，保證自動和遙控調(diào)整電能質(zhì)量。變電站綜合自動化應(yīng)包括兩個(gè)方面：1) 橫向綜合：利用計(jì)算機(jī)手段將不同廠家的設(shè)備連在一起，替代或升級老設(shè)備。2) 縱向綜合：在變電站層這一級，提供信息、優(yōu)化、綜合處理分析信息和增加新的功能，增加變電站內(nèi)部和各控制中心間的協(xié)調(diào)能力。如借用人工智能技術(shù)，在控制中心間的協(xié)調(diào)能力。如借用人工智能技術(shù)，在控制中心實(shí)現(xiàn)對變電站控制和保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行在線診斷和事件分析，或在變電站當(dāng)?shù)刈詣踊δ軈f(xié)調(diào)之下，完成電網(wǎng)故障后自動恢復(fù)。變電站綜合自動化與一般自動化區(qū)別在于：自動化系統(tǒng)是否作為一個(gè)整體執(zhí)行保護(hù)、檢測和控制功能。1.2.1變電站綜合自動化系統(tǒng)的特點(diǎn) 2變電站綜合自動化系統(tǒng)具有功能綜合化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微機(jī)化、測量顯示數(shù)字化、操作監(jiān)視屏幕化、運(yùn)行管理智能化等特征。同傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)不同的是：各個(gè)保護(hù)、測控單元既保持相對獨(dú)立，(如繼電保護(hù)裝置不依賴于通信或其他設(shè)備，可自主、可靠地完成保護(hù)控制功能，迅速切除和隔離故障)，又通過計(jì)算機(jī)通信的形式，相互交換信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，協(xié)調(diào)配合工作，減少了電纜和沒備配置，增加了新的功能，提高了變電站整體運(yùn)行控制的安全性和可靠性。1) 功能綜合化。變電站綜合自動化系統(tǒng)是各技術(shù)密集，多種專業(yè)技術(shù)相互交叉、相互配合的系統(tǒng)。它是建立在計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它綜合了變電站內(nèi)除一次設(shè)備和交、直流電源以外的全部二次設(shè)備。微機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)綜合了原來的儀表屏、操作屏、模擬屏和變送器柜、遠(yuǎn)動裝置、中央信號系統(tǒng)等功能；微機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)代替了電磁式或晶體管式的保護(hù)裝置；微機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，綜合了故障錄波、故障測距、無功電壓調(diào)節(jié)和中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)等子系統(tǒng)的功能。2) 分級分布式微機(jī)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)和各功能模塊由不同配置的單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)組成，采用分布式結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)、總線將微機(jī)保護(hù)、數(shù)據(jù)采集、控制等各子系統(tǒng)連接起來，構(gòu)成一個(gè)分級分布式的系統(tǒng)。一個(gè)綜合自動化系統(tǒng)可以有十幾個(gè)甚至幾十個(gè)微處理器同時(shí)并行工作，實(shí)現(xiàn)各種功能。3) 測量顯示數(shù)字化。用CRT顯示器上的數(shù)字顯示代替了常規(guī)指針式儀表，直觀、明了；而打印機(jī)打印報(bào)表代替了原來的人工抄表，這不僅減輕了值班員的勞動強(qiáng)度，而且提高了測量精度和管理的科學(xué)性。4) 操作監(jiān)視屏幕化。變電站實(shí)現(xiàn)綜合自動化，使原來常規(guī)龐大的模擬屏被CRT屏 幕上的實(shí)時(shí)主接線畫面取代；常規(guī)在斷路器安裝處或控制屏上進(jìn)行的分、合閘操作，被屏 幕上的鼠標(biāo)操作或鍵盤操作所取代；常規(guī)在保護(hù)屏上的硬連接片被計(jì)算機(jī)屏幕上的軟連接片所取代；常規(guī)的光字牌報(bào)警信號，被屏幕畫面閃爍和文字提示或語言報(bào)警所取代，即通過計(jì)算機(jī)上的CRT顯示器，可以監(jiān)視全變電站的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況和對各開關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作控制。5) 運(yùn)行管理智能化。智能化的含義不僅是能實(shí)現(xiàn)許多自動化的功能，例如：電壓、無功自動調(diào)節(jié)，不完全接地系統(tǒng)單相接地自動選線，自動事故判別與事故記錄，事件順序記錄，制表打印，自動報(bào)警等，更重要的是能實(shí)現(xiàn)故障分析和故障恢復(fù)操作智能化，實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)本身的故障自診斷、自閉鎖和自恢復(fù)等功能，這對于提高變電站的運(yùn)行管理水平和安全可靠性是非常重要的，也是常規(guī)的二次系統(tǒng)所無法實(shí)現(xiàn)的。變電站綜合自動化的出現(xiàn)為變電站的小型化、智能化、擴(kuò)大設(shè)備的監(jiān)控范圍、提高變電站安全可靠、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了現(xiàn)代化的手段和基礎(chǔ)保證。它的運(yùn)用取代了運(yùn)行工作中的各種人工作業(yè)，從而提高了變電站的運(yùn)行管理水平。變電站綜合自動化是實(shí)現(xiàn)無人值班(或少人值班)的重要手段，不同電壓等級、不同重要性的變電站其實(shí)現(xiàn)無人值班的要求和手段不盡相同。但無人值班的關(guān)鍵是通過采取種種技術(shù)措施，提高變電站整體自動化水平，減少事故發(fā)生的機(jī)會，縮短事故處理和恢復(fù)時(shí)間，使變電站運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。2 變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 變電站自動化系統(tǒng)的分層國際電工委員會（IEC）TC 57技術(shù)委員會（電力系統(tǒng)控制和通術(shù)委員會）在制定IEC 61850（變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，把變電站自動化系統(tǒng)的功能在邏輯上分配在3個(gè)層次（變電站層、間隔層或單元層、過程層）。圖 21 分層結(jié)構(gòu)圖Fig.2-1 The figure of stratification constructer synthesizing automation substation system1) 過程層（Process level）功能 過程層的功能實(shí)際上是與變電站一次設(shè)備斷路器、隔離開關(guān)和電流互感器TA、電壓互感器TV接口的功能。2) 間隔層（Bay level）功能 變電站自動化系統(tǒng)在間隔層的設(shè)備主要有各種微機(jī)保護(hù)裝置、自動控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和RTU等等。3) 變電站層（Station level） 變電站的功能有2類：與過程有關(guān)的站層功能；與接口有關(guān)的站層功能。2.2 自動化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)模式2.2.1 集中式的結(jié)構(gòu)形式集中式結(jié)構(gòu)的綜合自動化系統(tǒng)，指采用不同檔次的計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展其外圍接口電路，集中采集變電站的模擬量、開關(guān)量和數(shù)字量等信息，集中進(jìn)行計(jì)算和處理，分別完成微機(jī)監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)和一些自動控制等功能，集中式結(jié)構(gòu)也并非指由一臺計(jì)算機(jī)完成保護(hù)、監(jiān)控等全部功能。多數(shù)集中式結(jié)構(gòu)的微機(jī)保護(hù)、微機(jī)監(jiān)控和調(diào)度等通信的功能也是由不同的微機(jī)完成的，只是每臺微計(jì)算機(jī)承擔(dān)的任務(wù)多些。這種結(jié)構(gòu)形式，主要出現(xiàn)在變電站綜合自動化問世的初期。其結(jié)構(gòu)如圖2.2。這種集中式的結(jié)構(gòu)是根據(jù)變電站的規(guī)模，配置相應(yīng)容量的集中式保護(hù)裝置和監(jiān)控主機(jī)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（也有的采用集中式微機(jī)型RTU）,它們安裝在變電站中央控制室內(nèi)。各進(jìn)出線及站內(nèi)所以電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過TA、TV經(jīng)電纜傳送到中央控制室的保護(hù)裝置和監(jiān)控主機(jī)（或遠(yuǎn)動裝置）。繼電保護(hù)動作信息往往取保護(hù)裝置的信號繼電器的輔助觸點(diǎn)，通過電纜送給主機(jī)。顯示器打印機(jī)監(jiān)控主機(jī)通信控制器各保護(hù)裝置模入接口開入接口輸出接口A/D模版輸入接口輸出接口主變壓器TATv輸電線路TATv開關(guān)狀態(tài)輸入保護(hù)出口模擬量輸入脈沖量輸入監(jiān)控動作信號圖22 集中式結(jié)構(gòu)的綜合自動化系統(tǒng)框圖Fig.2-2 The figure of the concentrating constructer synthesiszing automation substation system2.2.2 分層分布式系統(tǒng)集中組屏的結(jié)構(gòu)模式隨著單片機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，科技工作者有條件將微機(jī)保護(hù)單元和數(shù)據(jù)采集單元按回路設(shè)計(jì)。于是出現(xiàn)了分層分布式多CPU的體系結(jié)構(gòu)。每一層完成不同的功能，每一層由不同的設(shè)備或不同的子系統(tǒng)組成。一般，整個(gè)變電站的一、二次設(shè)備可分為三層，即變電站層、單元層（或稱間隔層）和設(shè)備層。變電站層稱為2層，單元層為1層，設(shè)備層為0層。設(shè)備層主要指變電站內(nèi)的變壓器和斷路器、隔離開關(guān)及輔助觸點(diǎn)，電流、電壓互感器等一次設(shè)備。變電站綜合自動化系統(tǒng)主要位于1層和2層。單元層一般按斷路器間隔劃分，具有測量、控制部件和繼電保護(hù)部件。測量、部件負(fù)責(zé)該單元的測量、監(jiān)視、斷路器的操作控制和連鎖及事件順序記錄等；保護(hù)部件負(fù)責(zé)該單元的線路或變壓器或電容器的保護(hù)、故障記錄等。因此，單元層本身是由各種不同的單元裝置組成，這些獨(dú)立的單元裝置直接通過局域網(wǎng)或串行總線與變電站層聯(lián)系；也可能設(shè)有數(shù)采管理機(jī)或保護(hù)管理機(jī)，分別管理各測量、監(jiān)視單元和保護(hù)單元，然后集中由數(shù)采管理機(jī)或保護(hù)管理機(jī)與變電站層通信。單元層實(shí)際上本身就是兩級系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。其分層結(jié)構(gòu)如圖2.3。圖2.3 變電站的一、二次設(shè)備分層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-3 The constructer layering figure of primary and second facilities in substation變電站層包括全站性的監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動通訊機(jī)等。變電層設(shè)現(xiàn)場總線或局域網(wǎng)，供各主機(jī)之間和監(jiān)控主機(jī)與單元層之間交換信息。變電站層的有關(guān)自動化設(shè)備一般安裝于控制室內(nèi)，而單元層的設(shè)備最好安裝于靠近現(xiàn)場設(shè)備，以減少控制電纜長度。分層分布式系統(tǒng)集中組屏的結(jié)構(gòu)是把整套綜合自動化系統(tǒng)按其不同的功能組裝成多個(gè)屏（或稱柜），例如：主變壓器保護(hù)屏（柜）、線路保護(hù)屏、數(shù)據(jù)采集屏、出口屏等。一般來說，這些屏都集中安裝在主控室中，為簡單起見，我們把這種結(jié)構(gòu)形式簡稱為“分布集中式結(jié)構(gòu)”。分層分布式系統(tǒng)集中組屏結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1) 分層分布式的配置為了提高綜合自動化系統(tǒng)整體的可靠性，系統(tǒng)采用按功能劃分的分布式多CPU系統(tǒng)，其功能單元有：各種高、低壓線路保護(hù)單元；電容器保護(hù)單元；主變壓器保護(hù)單元；備用電源自投控制單元；低頻減負(fù)荷控制單元；電壓、無功綜合控制單元；數(shù)據(jù)采集與處理單元；電能計(jì)量單元等等。每個(gè)功能單元基本上由一個(gè)CPU組成，多數(shù)據(jù)采集用單片機(jī)，也有一個(gè)功能單元由多個(gè)CPU完成的。這種按功能設(shè)計(jì)的分散模塊化結(jié)構(gòu)具有軟件相對簡單、調(diào)試維護(hù)方便、組態(tài)靈活、系統(tǒng)整體可靠性高等特點(diǎn)。在綜合自動化的管理上，采取分層（級）管理模式，即各保護(hù)單元由保護(hù)管理機(jī)直接管理。一臺保護(hù)管理機(jī)可以管理32個(gè)單元模塊。它們間可以采用雙絞線用RS485接口連接，也可通過現(xiàn)場總線連接；而模擬量和開入/開出單元模塊，由數(shù)據(jù)采集控制機(jī)負(fù)責(zé)管理。保護(hù)管理機(jī)和數(shù)據(jù)采集控制機(jī)是處于變電站級和功能單元間的第二層結(jié)構(gòu)。這第二層管理機(jī)的作用是可明顯地減輕監(jiān)控機(jī)的負(fù)擔(dān)，協(xié)助監(jiān)控機(jī)承擔(dān)對單元層的管理。變電站層的監(jiān)控機(jī)或稱上位機(jī)，通過局域網(wǎng)絡(luò)與保護(hù)管理機(jī)和數(shù)采控制機(jī)通信。監(jiān)控機(jī)的作用在無人值班的變電站，主要負(fù)責(zé)與調(diào)度中心的通訊，使變電站綜合自動化系統(tǒng)具有RTU的功能，完成四遙任務(wù)；在有人值班的變電站，除了負(fù)責(zé)與調(diào)度中心通信外，還負(fù)責(zé)人機(jī)聯(lián)系，使綜合自動化系統(tǒng)通過監(jiān)控機(jī)完成當(dāng)?shù)仫@示、制表打印、開關(guān)操作等功能。2) 繼電保護(hù)相對獨(dú)立繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中對可靠性要求非常嚴(yán)格的設(shè)備，在綜合自動化系統(tǒng)中，繼電保護(hù)單元易相對獨(dú)立，其功能不依賴通信網(wǎng)絡(luò)或其他設(shè)備。各保護(hù)單元要有獨(dú)立的電源，保護(hù)的輸入仍由電流互感器和電壓互感器通過電纜連接，輸出跳閘命令也要通過常規(guī)的控制電纜送至斷路器的跳閘線圈，保護(hù)的啟動、測量和邏輯功能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，不依賴通信網(wǎng)絡(luò)交換信息。保護(hù)裝置通過通訊網(wǎng)絡(luò)與保護(hù)管理機(jī)傳輸?shù)闹皇潜Ｗo(hù)動作信息或記錄數(shù)據(jù)。為無人值班的需要，也可通過通訊接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方讀取和修改保護(hù)定值。3) 具有與系統(tǒng)控制中心通信功能綜合自動化系統(tǒng)本身已有對模擬量、開關(guān)量、電能脈沖量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的功能，也具有收集繼電保護(hù)動作信息、事件順序記錄等功能，因此不必另設(shè)獨(dú)立的RTU裝置，不必為調(diào)度中心單獨(dú)采集信息，而將綜合自動化系統(tǒng)采集的信息直接傳送給調(diào)度中心，同時(shí)也接受調(diào)度中心下達(dá)的控制、操作命令和在線修改保護(hù)定值命令。4) 模塊化結(jié)構(gòu)，可靠性高由于各功能模塊都由獨(dú)立的電源供電，輸入/輸出回路都相對獨(dú)立，任何一個(gè)模塊故障，只影響局部功能，不影響全局，而且由于各功能模塊基本上是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的，因而軟件結(jié)構(gòu)相對集中式簡單，因此調(diào)試方便，也便于擴(kuò)充。5) 室內(nèi)工作環(huán)境好，管理維護(hù)方便分級分布式系統(tǒng)采用集中組屏結(jié)構(gòu)，全部屏安放在室內(nèi)，工作環(huán)境好，電磁干擾相對開關(guān)柜附近較弱，而且管理和維護(hù)方便。但分布集中式結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是安裝時(shí)需要的控制電纜相對較多，增加了電纜投資。2.2.3 分布分散式與集中相結(jié)合的結(jié)構(gòu)1) 分布分散式與集中相結(jié)合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)隨著單片機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)場總線和局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，以及變電站綜合自動化技術(shù)的不斷提高，有條件考慮全微機(jī)化的變電站二次系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。一種發(fā)展趨勢是按每個(gè)電網(wǎng)元件（例如：一條出線、一臺變壓器、一組電容器等）為對象，集測量、保護(hù)、控制為一體，設(shè)計(jì)在同一機(jī)箱中。對于635kV的配電線路，可以將這個(gè)一體化的保護(hù)、控制單元分散安裝在各個(gè)開關(guān)柜中，然后由監(jiān)控主機(jī)通過光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)，對他們進(jìn)行管理和交換信息，這就是分散結(jié)構(gòu)。至于高壓線路保護(hù)裝置和變壓器保護(hù)裝置，仍可采用集中組屏安裝在控制室內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)就稱為分布和集中相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖3.3。監(jiān)控主機(jī)工程師機(jī)通信控制機(jī)調(diào)制解調(diào)器數(shù)采控制機(jī)開關(guān)量輸出開關(guān)量輸入測量單元故障錄波器電壓無功控制保護(hù)管理機(jī)變壓器保護(hù)單元電容器保護(hù)單元線路保護(hù)單元備用電源自動投入圖2.4 分層分布式系統(tǒng)集中組屏的綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2-4 the figure of the layering constructer synthesizing automation substation system圖2.4所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：a) 1035kV饋線保護(hù)采用分散式結(jié)構(gòu)，就地安裝，節(jié)約控制電纜，通過現(xiàn)場總線與保護(hù)管理機(jī)交換信息。b) 高壓線路保護(hù)和變壓器保護(hù)采用集中組屏結(jié)構(gòu)，保護(hù)屏安裝在控制室或保護(hù)室中，同樣通過現(xiàn)場總線與保護(hù)管理機(jī)通信，使這些重要的保護(hù)裝置處于比較好的工作環(huán)境，對可靠性較為有利。c) 其他自動裝置中，備用電源自投控制裝置和電壓、無功綜合控制裝置采用集中組屏結(jié)構(gòu)，安裝于控制室或保護(hù)室中。d) 為了保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，電能計(jì)量可以采用兩種方法解決。采用脈沖電能表，由電能管理機(jī)采集各電表的脈沖量，計(jì)算出電能量，然后送給監(jiān)控主機(jī)，再轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心。采用帶串行通信接口的智能型電能計(jì)量表，通過串行總線，由電能管理機(jī)將采集的各電能量送往監(jiān)控機(jī)，再傳送給控制中心。2) 分層分散式結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性分層分散式結(jié)構(gòu)的變電站綜合自動化系統(tǒng)突出的優(yōu)點(diǎn)如下：a) 簡化了變電站二次部分的配置，大大縮小了控制室的面積。由于配電線路的保護(hù)和測控單元，分散安裝在各開關(guān)柜內(nèi)，因此主控室內(nèi)減少了幾面保護(hù)屏，加上采用綜合自動化系統(tǒng)后，原先常規(guī)的控制屏、中央信號屏和站內(nèi)模擬屏可以取消，因此使主控室面積大大縮小，也有利于實(shí)現(xiàn)無人值班。b) 減少了施工和設(shè)備安裝工程量。由于安裝在開關(guān)柜的保護(hù)和測控單元在開關(guān)柜出廠前已由廠家安裝和調(diào)試完畢，再加上敷設(shè)電纜的數(shù)量大大減少，因此現(xiàn)場施工、安裝和調(diào)試的工期隨之縮短。c) 簡化了變電站二次設(shè)備之間的互連線，節(jié)省了大量的連接電纜。d) 分層分散式結(jié)構(gòu)可靠性高，組態(tài)靈活，檢修方便。分層分散式結(jié)構(gòu)，由于分散安裝，減小了TA的負(fù)擔(dān)。各模塊和監(jiān)控主機(jī)間通過局域網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線連接，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。以上幾點(diǎn)都說明采用分層分散式結(jié)構(gòu)可以降低總投資，在今后技術(shù)條件下，應(yīng)該是變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。3) 分層分散式自動化系統(tǒng)中一體化模塊的類型目前研究和生產(chǎn)變電站綜合自動化系統(tǒng)的單位和廠家比較多，其結(jié)構(gòu)有所不同，但從系統(tǒng)的配置和原來上，歸納起來可分為以下3種類型。a) 數(shù)據(jù)完全共享型。數(shù)據(jù)完全共享型繼電保護(hù)所需輸入的信息和測量信息完全共享，即取自同一個(gè)電流互感器TA和同一個(gè)電壓互感器TV的信號。其優(yōu)點(diǎn)是：保護(hù)和測量可以共用同一個(gè)CPU和共用相同的模擬量輸入通道，即同一個(gè)功能單元既完成保護(hù)功能，也完成測量功能，因此體積小，造價(jià)可以降低。其缺點(diǎn)是：測量的準(zhǔn)確度得不到保證，這是因?yàn)?，目前我國的變電站大多安裝兩種類型的電流互感器，即保護(hù)TA和測量TA，眾所周知，保護(hù)TA主要要求通過短路電流時(shí)不飽和，即要求它通過大電流時(shí)，線性度好，則其在小電流時(shí)，準(zhǔn)確度保證不了；而對于測量TA，要求正常負(fù)荷時(shí)，線性度好，以保證計(jì)量的準(zhǔn)確度，至于短路電流流過時(shí)，它們可能早已飽和了，因此如果將保護(hù)和測量的模擬量完全統(tǒng)一，只能將電流量的采樣選擇接在保護(hù)TA上，這樣必然影響測量的準(zhǔn)確度，雖然可以用軟件補(bǔ)償?shù)霓k法作些補(bǔ)償，但由于TA特性的分散性，用軟件補(bǔ)償只能補(bǔ)償廠家生產(chǎn)的一體化功能模塊里的小TA的非線性委托，而對于產(chǎn)生誤差的主要根源變電站保護(hù)TA在小量程時(shí)非線性問題，就難以補(bǔ)償了，因此，在目前國內(nèi)還沒有新型的TA替換原來的測量TA和保護(hù)TA之前，這種數(shù)據(jù)完全共享型的應(yīng)用還存在不足。b) 數(shù)據(jù)獨(dú)立處理型。數(shù)據(jù)獨(dú)立處理型的一體化模塊具有上述數(shù)據(jù)完全共享型共有的特點(diǎn)。主要的區(qū)別是保護(hù)和測量的數(shù)據(jù)采集分別由不同的模擬量輸入通道負(fù)擔(dān)，各自取自保護(hù)TA和測量TA的信號，這樣可以克服共用保護(hù)TA的矛盾。對于開關(guān)狀態(tài)的信息，保護(hù)與測量可以共享，這樣即保證測量的精度，又保持一體化模塊的特點(diǎn)。目前，這種數(shù)據(jù)獨(dú)立處理型的綜合保護(hù)單元也有兩種類型：一種是保護(hù)和測量共用一個(gè)CPU，只是對電流量的采樣取自不同的TA和不同的模擬量輸入通道。另一種是保護(hù)和測量不僅模擬量輸入通道分開，CPU也分開，只是兩者共同裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，這種硬件配置，雖然體積大些，成本也較高，但可靠性較好。 c) 保護(hù)和測量完全獨(dú)立型。這種類型的硬件配置是保護(hù)和測量單元完全分開，構(gòu)成兩個(gè)完全獨(dú)立的裝置。這樣在每個(gè)配電線路開關(guān)柜或電容器開關(guān)柜上均分別安裝一套保護(hù)裝置和一臺RTU單元，由兩組雙絞線或光纜分別連接所有的保護(hù)裝置和所以的RTU，各種裝置均獨(dú)立運(yùn)行，互不影響，這種結(jié)構(gòu)的可靠性最好，只是比前兩種投資相對大些?？傊壳白冸娬揪C合自動化系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)都不斷地向前發(fā)展和完善。變電站綜合自動化系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)其控制功能，數(shù)據(jù)通訊是不可缺少的環(huán)節(jié)。而且對于煤礦變電站綜合自動化數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、快速性、準(zhǔn)確性的要求更加必要。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，更好的滿足了變電站綜合自動化系統(tǒng)的通訊要求。目前，變電站綜合自動化裝置多采用分布式結(jié)構(gòu)，即利用現(xiàn)場測控單元完成現(xiàn)場的信號采集、控制等功能，利用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)場單元連接在一起，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)管理與監(jiān)控，故計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是變電站綜合自動化的支架。因此，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對于變電站綜合自動化裝置工作性能的影響是十分關(guān)鍵的。通過上述分析與比較并結(jié)合東龐礦實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)的東龐礦變電站綜合自動化系統(tǒng)決定采用分層分布式系統(tǒng)集中組屏結(jié)構(gòu)。2.3 東龐礦變電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)東龐礦變電站綜合自動化裝置采用典型的分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由三層構(gòu)成，一層為單元層，一層為變電站層(主控層)，一層為通信層。單元層根據(jù)一次系統(tǒng)設(shè)備來選定不同功能的自動化保護(hù)和測控裝置，就地直接安裝在中央控制室集中屏柜上，現(xiàn)地單元層就地保護(hù)和測控裝置能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同要求的變配電設(shè)備的保護(hù)與監(jiān)測功能，既可獨(dú)立運(yùn)行也可組網(wǎng)成綜合自動化系統(tǒng)。通信層采用電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可方便地與不同廠家的設(shè)備進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的現(xiàn)場總線來完成，并可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換及解決多串口問題。通信層采用雙通信管理機(jī)結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)通信的可靠性，它的核心設(shè)備是通信管理機(jī)。主控層也稱為變電站層，其主要任務(wù)是收集和處理來自各現(xiàn)地單元的信息，另外還擔(dān)負(fù)自適應(yīng)保護(hù)、故障事記錄和變電站開關(guān)控制等輔助功能。它能夠提供友好的人機(jī)操作界面，對設(shè)備進(jìn)行各種操作、測量、管理，它的主要設(shè)備有:監(jiān)控主機(jī)、打印機(jī)等。整個(gè)變電站二次保護(hù)系統(tǒng)按功能配置，所有設(shè)備由各單元裝置構(gòu)成對應(yīng)一次系統(tǒng)的保護(hù)測控單元層，由通信管理設(shè)備構(gòu)成通信層，后臺設(shè)備構(gòu)成主控層，是一個(gè)完全的分層分步式控制系統(tǒng)。即把整個(gè)生產(chǎn)過程的控制功能、管理功能分散開，讓控制系統(tǒng)由不同規(guī)模、不同功能的控制計(jì)算機(jī)連接起來，為每個(gè)被控制設(shè)備配備專用的現(xiàn)場單元層前置控制計(jì)算機(jī)，并把它們安裝在被控設(shè)備旁，統(tǒng)一設(shè)置一臺上位控制計(jì)算機(jī)來進(jìn)行人機(jī)聯(lián)系及信息傳送。層與層之間通過國際先進(jìn)的CAN一BUS或RS485/232網(wǎng)絡(luò)連接起來，屏柜的數(shù)量較傳統(tǒng)繼電保護(hù)方式大大減少，各裝置同時(shí)具有獨(dú)立的保護(hù)和監(jiān)測功能軟件，因此二次接線也大為減少。采用技術(shù)先進(jìn)的當(dāng)?shù)赝ㄐ殴芾頇C(jī)，后臺機(jī)取代了占地多、操作陳舊的模擬控制屏，使得所有的操作更加安全、可靠、方便。另外取消了中央信號控制屏，并在相應(yīng)單元裝置上裝有相應(yīng)的操作開關(guān)和開關(guān)位置指示燈，作為開關(guān)的后備(應(yīng)急)操作與監(jiān)視。2.3.1 東龐礦綜合自動化系統(tǒng)單元層1) .單元層的結(jié)構(gòu)單元層是儀表箱式結(jié)構(gòu)，通過將保護(hù)、測控、擴(kuò)展繼電器集成在小小的儀表式機(jī)箱內(nèi)，使裝置結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡化、大大縮小了安裝空間，節(jié)省了大量二次接線?，F(xiàn)地單元層采用保護(hù)功能和測控功能相互獨(dú)立的軟件，單元裝置內(nèi)沒有增加保護(hù)裝置硬件的復(fù)雜性，并通過站內(nèi)通信網(wǎng)供監(jiān)控和遠(yuǎn)動使用，這樣做決不會影響保護(hù)的速動性?，F(xiàn)地單元層裝備帶背光漢字液晶顯示器及薄膜式按鍵，顯示清楚、操作方便，操作人員可不用手提電腦即可對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。2) .單元層的特點(diǎn)單元層的主要任務(wù)是獲取由變電站各一次系統(tǒng)互感器送來的模擬量以及斷路器、隔離開關(guān)等狀態(tài)信號，并將這些信號處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到計(jì)算機(jī)CPU中，由存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)保護(hù)程序執(zhí)行保護(hù)算法來完成保護(hù)功能和測控任務(wù)，單元層主要特點(diǎn)如下: a) 完成多種保護(hù)功能現(xiàn)地單元裝置根據(jù)國家有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及各種線路、設(shè)備的要求，完成線路、變壓器、電動機(jī)、電容器、分段開關(guān)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備保護(hù)要求。b) 完成多種測信功能現(xiàn)地單元裝置能完成電流、電壓、功率、電度、頻率、功率因數(shù)等電量的測量要求，具有計(jì)算電度或脈沖電度計(jì)量功能，可提供多種遙信量和遙測量。c) 完成多種控制功能現(xiàn)地單元裝置所帶的操作回路插件相當(dāng)于傳統(tǒng)的操作箱，具有跳合閘保持、防跳閉鎖、壓力監(jiān)視、開關(guān)位置指示等功能。自產(chǎn)合位/跳位接點(diǎn)供裝置內(nèi)部使用，免去引入斷路器輔助接點(diǎn)。插件能自行產(chǎn)生合后接點(diǎn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制開關(guān)合閘后位置。裝置可通過接入遠(yuǎn)方的跳合閘接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作功能。d) 多路開關(guān)輸入/輸出量現(xiàn)地單元裝置各模塊具有一定數(shù)量的輸入/輸出信號，可給有人值班變電站的中央信號屏用，從而照顧那些傳統(tǒng)設(shè)備改造中由老管理模式向現(xiàn)代模式過渡的用戶。e) 現(xiàn)地單元層還具有運(yùn)行事件記錄、運(yùn)行自檢、故障錄波功能。2.3.2 東龐礦綜合自動化系統(tǒng)通信層3綜合自動化通信層由通信網(wǎng)絡(luò)與通信管理機(jī)組成，下面分別介紹它們組成和功能。1) 通信網(wǎng)絡(luò)綜合自動化系統(tǒng)各裝置之間，采用國際先進(jìn)的現(xiàn)場總線CAN一BUS技術(shù)以及Rs一485/RS一232現(xiàn)場總線技術(shù)組成通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)地各單元均為獨(dú)立的綜合自動化保護(hù)和測控單元，通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)現(xiàn)地單元之間的互相通信和數(shù)據(jù)共享，使綜合自動化系統(tǒng)保護(hù)和測控既互相獨(dú)立又互相融合，保證了系統(tǒng)安全可靠高效的運(yùn)行。2) 通信管理機(jī)通信管理機(jī)是變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信樞紐，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備裝置間的數(shù)據(jù)通信、命令交換、信息采集和規(guī)約轉(zhuǎn)換。它負(fù)責(zé)以不同的通信方式收集來自變電站各保護(hù)、測控模塊及其它智能設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，并分類、篩選、轉(zhuǎn)換、存儲，同時(shí)還以不同的規(guī)約經(jīng)不同的通信媒體向各主站轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)它也負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)來自主控層與間隔裝置間的操作命令，如遙控、整定值等。2.3.3東龐礦綜合自動化系統(tǒng)主控層主控層是變電站綜合自動化系統(tǒng)的心臟，系統(tǒng)的各種指令都經(jīng)主控層工作站發(fā)出，運(yùn)行維護(hù)人員根據(jù)主控層的信息，對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。對于無人值班的變電站，系統(tǒng)信息的來源以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為主。6Vk變電站綜合自動化裝置的主控層主要設(shè)備為一臺工業(yè)控制機(jī)，稱主控機(jī)或站級管理機(jī)。1) 站級管理機(jī)基本功能a) 數(shù)據(jù)采集功能:可實(shí)現(xiàn)對全站各現(xiàn)地單元所有電量、非電量、模擬量、狀態(tài)量、脈沖量的數(shù)據(jù)采集。b) 數(shù)據(jù)處理功能:可進(jìn)行數(shù)據(jù)防干擾處理;將數(shù)據(jù)分類，形成各種報(bào)表; 越限復(fù)限檢測及報(bào)警記錄;狀態(tài)異常變位報(bào)警及記錄;事件順序記錄(包括事故、故障、重要操作、保護(hù)定值修改、重要參數(shù)限值修改等)。c) 控制與調(diào)節(jié)功能:可完成各斷路器的分、合閘操作;功率因數(shù)自動無功補(bǔ)償控制;自動有載調(diào)壓控制;自動低周減載及小電流接地故障報(bào)警及跳閘:操作防誤控制。d) 顯示功能:站級管理級在其顯示器可顯示全站主接線圖及各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù):顯示保護(hù)采樣值、閉值;顯示實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，同期采樣數(shù)據(jù);顯示運(yùn)行時(shí)間的保護(hù)事件記錄和運(yùn)行事件記錄;每半小時(shí)存貯分時(shí)電度;支持脈沖電度表計(jì)度方式及單元實(shí)時(shí)積算電度量;顯示保護(hù)定值表;顯示各種報(bào)表;顯示各種典型曲線(如電壓、電流曲線、功率曲線、頻率曲線等);操作票顯示。e) 打印功能:站級管理機(jī)通過外設(shè)打印可打印運(yùn)行報(bào)表:打印操作事件;打印事故數(shù)據(jù)和情況;打印務(wù)種組態(tài)畫面。2) 站級管理機(jī)與調(diào)度系統(tǒng)通信支持電力部頒布的循環(huán)式遠(yuǎn)動規(guī)范要求(可進(jìn)行遙信、遙測、測控、遙調(diào)即四遙功能);能對單元進(jìn)行通信復(fù)位、信號復(fù)歸及通信校時(shí);保證現(xiàn)地單元的實(shí)時(shí)時(shí)鐘與上位機(jī)同步;上位機(jī)能以通信方式對現(xiàn)地單元層整定值作整定修改(保護(hù)定值整定、監(jiān)控定值整定):另外站級管理機(jī)還可設(shè)定報(bào)警及預(yù)報(bào)警復(fù)歸時(shí)間。3) 站級管理機(jī)的系統(tǒng)管理站級管理機(jī)系統(tǒng)可供高級用戶增刪操作人員、更名、修改密碼;供操作人員修改自己的密碼;供高級用戶退到WINDOWS系統(tǒng)下;供操作人員重新啟動系統(tǒng)和正常關(guān)機(jī)。4) 有載調(diào)壓與無功補(bǔ)償如變壓器帶有載調(diào)壓，IOkV母線接有補(bǔ)償電容，則其綜合自動化裝置的自動有載調(diào)壓及無功補(bǔ)償控制有兩種方式，一種采用主控機(jī)來完成，一種采用專用調(diào)壓、補(bǔ)償綜合控制單元來完成。下面介紹利用主控機(jī)來完成自動有載調(diào)壓及無功功率補(bǔ)償?shù)姆绞?a) 有載調(diào)壓采用主控機(jī)完成自動有載調(diào)壓時(shí)，主控機(jī)需增加一塊開關(guān)量輸入卡和一塊開關(guān)量輸出卡，開關(guān)量輸入卡讀入調(diào)壓開關(guān)的檔位信號，開關(guān)量輸出卡輸出升、降壓控制信號。主控機(jī)經(jīng)通信由綜合自動化裝置各單元輸入系統(tǒng)運(yùn)行信息(如變壓器低壓側(cè)母線電壓、變壓器運(yùn)行方式等)，經(jīng)開關(guān)量輸入卡讀入檔位信號，根據(jù)這些信息判別是否需進(jìn)行升、降壓操作，如需進(jìn)行操作，則由開關(guān)量輸出卡輸出升、降壓控制信號，完成調(diào)壓操作。b) 自動無功補(bǔ)償采用主控機(jī)完成自動無功補(bǔ)償不需增加任何設(shè)備，主控機(jī)經(jīng)通信由綜合自動化裝置，各現(xiàn)地單元讀入系統(tǒng)無功，主變和電容運(yùn)行狀態(tài)等信息，判別是否需進(jìn)行無功補(bǔ)償，如需進(jìn)行無功補(bǔ)償，則經(jīng)通信命令相應(yīng)的電容單元進(jìn)行分、合閘操作，實(shí)現(xiàn)自動無功補(bǔ)償。3 東龐礦綜合自動化系統(tǒng)的站內(nèi)通信選擇對于分布式變電站綜合自動化系統(tǒng)，站內(nèi)通信網(wǎng)聯(lián)系各智能裝置，分散安裝時(shí)橫跨開關(guān)場和控制室，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，在很大程度上影響著系統(tǒng)的總體性能。因此，在進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)之前，有必要在此對站內(nèi)通信網(wǎng)進(jìn)行重點(diǎn)討論，以選擇合適的通信網(wǎng)。3.1 站內(nèi)信息流分析4要選擇適合于變電站綜合自動化的通信網(wǎng)，首先必須對站內(nèi)的信息流進(jìn)行分析。對于分布式變電站綜合自動化系統(tǒng)，1層的設(shè)備直接安裝于0層的設(shè)備附近，實(shí)現(xiàn)就地保護(hù)、信息采集及控制功能。而2層的站級計(jì)算機(jī)，通常安裝于控制室。站內(nèi)通信網(wǎng)則連接這些從地域上分布較廣的保護(hù)、珊單元及站級計(jì)算機(jī)，使獨(dú)立的各自分散的智能設(shè)備形成一個(gè)協(xié)同工作的有機(jī)整體，用一套完整的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理、就地控制、信息的傳送與管理、系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化等功能。變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)有三個(gè)流向。第一流向是從1層到2層，反映一次系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)的信息。如，需不斷測量的模擬量有三相電壓(V)、二相電流(I)、有功功率(P)、無功功率(Q)、電網(wǎng)頻率(F)、相位以及變壓器油溫等;狀態(tài)量包括斷路器，刀閘的狀態(tài)、運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)等;脈沖量為電能表輸出的電度量，此外還需傳送保護(hù)信息和定值以及分散錄波插件的錄波數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)信息最大，有的實(shí)時(shí)性要求較高。第二個(gè)流向是從2層到1層，通常為站級計(jì)算機(jī)下達(dá)或轉(zhuǎn)發(fā)對0層設(shè)備的控制、調(diào)節(jié)命令以及對l層設(shè)備本身的修改、整定參數(shù)命令。這個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳送量較小，但要求傳輸可靠、安全，應(yīng)有多種檢查、確認(rèn)手段。第三個(gè)流向是1層設(shè)備之間的橫向數(shù)據(jù)交換。例如，分散式錄波及母線保護(hù)要求1層中各設(shè)備同步采樣、閉鎖或聯(lián)鎖跳閘，必須實(shí)時(shí)發(fā)送變電站間隔之間的數(shù)據(jù)。這就使支持對等約定的LAN在變電站得到廣泛的應(yīng)用。3.2 典型通信方案比較3.2.2 星型通信系統(tǒng)方案星型通信系統(tǒng)以安裝于控制室的站級計(jì)算機(jī)為中心點(diǎn)，以分散的方式分別通過通信線纜與分散在開關(guān)場的間隔級設(shè)備連接，形成1:N的連接方式，其特點(diǎn)為:1) 可采用光纖媒介，具有光通信的自然隔離、高抗干擾性、高安全性的特點(diǎn)，適合變電站的惡劣環(huán)境;2) 各間隔級單元與站級計(jì)算機(jī)之間獨(dú)立通信，獨(dú)立通信線路，自我完備，互不影響，一個(gè)分支的損壞不至影響全局;3) 采用串行通信實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，簡便易行;4) 星型拓樸連線多，所需介質(zhì)多，尤其是站級計(jì)算機(jī)端接線多，施工復(fù)雜;5) 各間隔級單元之間的橫向通信必須通過站級計(jì)算機(jī)進(jìn)行，復(fù)雜且效率不高-，易于形式成可靠性的“瓶頸”。3.2.3 總線型通信系統(tǒng)方案總線型通信系統(tǒng)克服了星型連接的不足，以一條總線連接各間隔級單元與站級計(jì)算機(jī).因其總線類型的不同在變電站中有不同的應(yīng)用形式，覺見的有:采用傳統(tǒng)的RS422/485實(shí)現(xiàn)低速總線連接;采用局部控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中等速度的總線連接;7 1) 基本傳統(tǒng)RS422/485低速總線，這種方案較早用于變電站綜合自動化系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn):易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉;對較小規(guī)模系統(tǒng)，具有足夠的傳達(dá)室信率，實(shí)時(shí)性可以得到保證，但隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，系統(tǒng)性能急劇下降;通常由于其抗干擾性能較差，一般只適宜于在控制室內(nèi)部使用，不能用于開關(guān)場或開關(guān)間內(nèi)。通信速率較低，且一般為主從結(jié)構(gòu)，各I/0單元之間的通信仍需經(jīng)站級計(jì)算機(jī)進(jìn)行。2) 采用局部控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的總線局部控制網(wǎng)絡(luò)是將LAN技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)中而產(chǎn)生的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有很高的抗干擾性能，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度適中，一般為數(shù)萬比特每秒到數(shù)兆比特每秒，能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的需要。目前，常見的有PROFIBUS、HART、Lonworks、CAN等，而在變電站中得到應(yīng)用的主要是CAN這種總線。3.3 基于CAN總線的東龐礦變電站綜合自動化系統(tǒng)由本章的研究可以得出以下結(jié)論:總線型通信系統(tǒng)更適合于變電站綜合自動化系統(tǒng),DV600系統(tǒng)為主的綜合自動化系統(tǒng)，通過分析比較，本系統(tǒng)采用控制局域網(wǎng)CAN與上位機(jī)進(jìn)行通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享，系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)或RS232與調(diào)度或其他主系統(tǒng)通訊。下面對CAN進(jìn)行全面介紹。3.3.1 CAN的工作原理8CAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型(OSI)一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實(shí)際的通訊發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、光纖等。最常用的就是雙絞線。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H和AN_L，靜態(tài)時(shí)均是2.5V左右，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯1，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯0，稱為“顯形”，此時(shí)，通常電壓值為:CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V。CAN具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)，使人們樂于選擇。這些特性包括:1) 低成本2) 極高的總線利用率3) 很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離(長達(dá)10K力1)4) 高速的數(shù)據(jù)傳輸速率(高達(dá)IMbit/s)5) 可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文6) 可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制7) 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)8) 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能9) 報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息CSMA/CD CSMA/CD是“載波偵聽多路訪問/沖突檢測”，(Carrie:Sense Multiple Access with Collision Detect)利用CSMA訪問總線，可對總線上信號進(jìn)行檢測，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)檢測到一個(gè)沖突位時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)重新回到監(jiān)聽總線狀態(tài)，直到該沖突時(shí)間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術(shù)可能會造成發(fā)送信號經(jīng)過許多延遲。為了避免發(fā)送時(shí)延，可利用CSMA/CD方式訪問總線。當(dāng)總線上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，必須通過“無損的逐位仲裁”，方法來使有最高優(yōu)先權(quán)的的報(bào)文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報(bào)文都具有唯