變電站綜合自動化系統(tǒng)測控裝置的開發(fā)

變電站綜合自動化系統(tǒng)測控裝置的開發(fā)

在中國，傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)使用了近10年。測控的功能包含在RTU(過程終端單元)中。隨著單片機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展,特別是在集中式測控向單元式測控轉(zhuǎn)變以后,現(xiàn)在將測控功能單獨(dú)形成裝置。而站內(nèi)與遠(yuǎn)方調(diào)度的通信單元或設(shè)備則稱為遠(yuǎn)動通信服務(wù)器。測控裝置主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及信號輸出,還將電壓切換/電壓并列、同期、間隔內(nèi)防誤和諧波分析等功能納入其中,甚至部分自動功能、順序操作等也做在測控裝置里。遠(yuǎn)動通信服務(wù)器通過站內(nèi)通信網(wǎng)從所有測控、保護(hù)等設(shè)備采集數(shù)據(jù)或向其下發(fā)命令數(shù)據(jù);重要的是,它要與遠(yuǎn)方主站進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)通信。所以測控裝置是數(shù)據(jù)直接采集者和命令執(zhí)行者。測控裝置的開發(fā)不僅要考慮數(shù)據(jù)采集的精度、信號采集的分辨率、控制的可靠準(zhǔn)確等,還要保證對外數(shù)據(jù)吞吐的速度及長期的可靠穩(wěn)定通信。測控功能的應(yīng)用范圍包括各電壓等級的變電站、開閉所、發(fā)電廠等,鐵路、水電、公交以及其他工礦企業(yè)的類似場合也會用到。在不同電壓等級的應(yīng)用中,其存在的形式和功能要求不同。隨應(yīng)用電壓等級的提高,對測控裝置的容量、性能及功能要求也高。測控裝置的開發(fā)還要緊跟當(dāng)前的國際或國內(nèi)的主流通信規(guī)約,一方面是對這些規(guī)約的支持,另一方面是在基本功能(包括數(shù)據(jù)接口網(wǎng)絡(luò))開發(fā)時(shí)就要考慮這些規(guī)約涉及的先進(jìn)思想。目前國內(nèi)開發(fā)的測控裝置種類很多,但有關(guān)研究開發(fā)的技術(shù)資料不多。1多監(jiān)控裝置的硬件設(shè)計(jì)對比測控功能的實(shí)現(xiàn)方式隨著芯片技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展而變化。這些變化使得產(chǎn)品更可靠、性能價(jià)格比更高、更易于用戶維護(hù)管理。(1)測控功能或設(shè)備實(shí)現(xiàn)的形式經(jīng)歷了最初的計(jì)算機(jī)集中采集,到由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的集中采集,以及目前流行的面向設(shè)備單元式、分布式數(shù)字裝置的形式。集中式測控的成本較低,目前仍有使用,特別在220kV及以上的變電站場合。面向設(shè)備單元式測控則由于其易于使用、方便管理及維護(hù),故目前較流行。在35kV及以下電壓等級的變電站中,現(xiàn)在常用測控與保護(hù)合二為一的裝置,并就地安裝在開關(guān)柜上,節(jié)省電纜。同樣是單元式的裝置,也有單CPU(中央處理器)和多CPU兩種做法。單CPU裝置以1個(gè)CPU管理裝置內(nèi)所有數(shù)據(jù)采集、控制、人機(jī)接口(MMI)和對外通信;有時(shí)這種裝置還有1個(gè)小CPU系統(tǒng),專門負(fù)責(zé)人機(jī)接口部分,這也是目前較流行的對人機(jī)接口部分的處理,通常對這種裝置還是稱為單CPU裝置,以區(qū)別于由多個(gè)CPU系統(tǒng)或智能模件來采集數(shù)據(jù)及輸出控制的多CPU裝置。常用的多CPU系統(tǒng)裝置是按功能來分布及擴(kuò)充的,參見圖1,即1個(gè)裝置內(nèi)有1個(gè)類似管理機(jī)的主CPU模件,其他子CPU系統(tǒng)做成幾種功能類型的模件,每種類型負(fù)責(zé)一種信息的采集或控制,如分成交流采集子模件、直流溫度采集子模件、遙信遙脈子模件、控制輸出子模件等。主CPU模件通過高速通信總線連接各子模件,然后再通過主CPU模件上的對外通信口與綜合自動化系統(tǒng)連接。這種結(jié)構(gòu)形式的測控裝置具有易擴(kuò)充性,特別是各通信環(huán)節(jié)采用高速通信網(wǎng)后,其性能也非常優(yōu)越。(2)裝置所采用的微處理器也不斷升級變化,從8位機(jī)(如Zilog的Z80、準(zhǔn)16位機(jī)如Intel的8098、16位機(jī)如Intel的80C196、296)到32位機(jī)(如Motorola的MC68332等)。對微處理器的不斷升級雖有爭議,但事實(shí)如此。一方面芯片市場上有更好的CPU,另一方面設(shè)備制造商需要較高水平的平臺式開發(fā)。而作為硬件平臺,就當(dāng)前各方面技術(shù)發(fā)展而言,用32位單片機(jī)加DSP(數(shù)字信號處理器)是比較適中的。但測控裝置的硬件有時(shí)較難與統(tǒng)一的硬件平臺完全相容。統(tǒng)一的硬件平臺主要指針對測控、主變壓器保護(hù)、線路保護(hù)、母線保護(hù)、發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)、故障錄波等整體考慮的高電壓等級(如110kV以上)或低電壓等級(如110kV以下)的硬件平臺。就測控而言,考慮到真無功的計(jì)算及諧波分析功能,計(jì)算量較大的當(dāng)屬交流采集計(jì)算部分,可考慮采用DSP實(shí)現(xiàn)。但對多CPU裝置的子功能模件,其CPU的要求可低一些。(3)通信方式。測控裝置的大部分功能是I/O功能,而上下信息的傳輸方式和速度是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先裝置內(nèi)部就存在這樣的問題,如內(nèi)部多CPU系統(tǒng)間的通信問題。這包括它們之間是否采用主從關(guān)系設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)性保證等問題。如以一個(gè)管理機(jī)的CPU模件為主,其他子功能模件為從的方式實(shí)現(xiàn),但考慮到快速響應(yīng)的要求,有傾向選擇對等網(wǎng)絡(luò)及平衡式通信規(guī)約——允許從模件主動上送突發(fā)信息是非常重要的。不同于主從關(guān)系的另一種方式是裝置內(nèi)部各子功能模件之間還有高速信息交流,這種方式當(dāng)然更先進(jìn),從效果上看,物理上不同CPU模件就可看作為邏輯上的同一個(gè)CPU模件,更有利于功能真正分布實(shí)施。綜合自動化系統(tǒng)要求遙信變位響應(yīng)時(shí)間在1～2s以內(nèi),其他信息響應(yīng)時(shí)間也有要求,所以每個(gè)通信環(huán)節(jié)都不能出現(xiàn)瓶頸。測控裝置內(nèi)部通信網(wǎng)用“總線”形式實(shí)現(xiàn),如非對等節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的RS485/RS422,對等節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的CAN總線等。裝置對外的通信接口的種類更多,RS232/RS485/RS422、基金會現(xiàn)場總線、HART、LonWorks、PROFIBUS、CAN以及較流行的以太網(wǎng)。測控裝置對外接口數(shù)目以一個(gè)或兩個(gè)的較多?？紤]可靠性,特別是220kV及以上變電站采用雙網(wǎng)架構(gòu),故采用至少兩個(gè)接口是合理的。(4)編程者使用的編譯器及編程環(huán)境雖形式多樣,但開發(fā)所使用的軟件編程語言和環(huán)境種類變化不多。使用語言有基本的匯編,有PLM語言,也有目前主流的C語言等。用高級語言開發(fā)測控、保護(hù)或其他自動裝置可帶來很多好處,但重要的是由單任務(wù)順序執(zhí)行的軟件開發(fā)向使用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)開發(fā)的轉(zhuǎn)變。在軟件開發(fā)上,國外的一些項(xiàng)目管理方法和軟件開發(fā)手段更是值得借鑒。2波采樣、直流量采集的控制方法遙測是由信號變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)值處理以及信息上傳等環(huán)節(jié)組成的系統(tǒng)。但作為開發(fā)人員,考慮的問題要多一些,如元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、精度保證、回路自檢、算法和通信等。測控用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片從轉(zhuǎn)換原理上主要有逐次逼近(SAR)型、ΔΣ型和壓頻轉(zhuǎn)換(VFC)型等幾種A/D。VFC型具有輸出共享、模擬地與數(shù)字地分隔等優(yōu)點(diǎn);SAR型有轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點(diǎn);ΔΣ型精度高。這幾種原理的芯片使用各有特點(diǎn)。逐次逼近型A/D從轉(zhuǎn)換結(jié)果精度看,常用的有12位、14位和16位幾種。就測控的采集精度要求(如目前一般要求:電流、電壓0.2級,有功、無功0.5級)而言,12位A/D即可達(dá)到。但保證精度要牽涉到軟硬件多個(gè)環(huán)節(jié)的努力,如PT和CT的精度、硬件濾波(有源/無源,一階/二階,器件選擇)、A/D選擇、軟件算法、軟件濾波、頻率跟蹤采樣、采樣頻率(或每周波采樣點(diǎn)數(shù))等。其中每周波采樣點(diǎn)數(shù)是較關(guān)鍵的,曾使用較多的有12點(diǎn)、16點(diǎn)、20點(diǎn)、24點(diǎn)、36點(diǎn)、48點(diǎn)、…、128點(diǎn)、…。就電流、電壓保證0.2級的精度要求而言,每周波12點(diǎn)采樣就可以了。但對有功、無功的采集計(jì)算按0.5級的要求,由于很多環(huán)節(jié)都會對精度產(chǎn)生影響,特別是相位的影響,實(shí)際上,配置12位A/D(或更高位數(shù))和每周波20點(diǎn)或以上采樣來采集計(jì)算P、Q是輕松適宜的。但每周波二十幾個(gè)點(diǎn)采樣還是不能很好解決有效值、真無功等問題。交流采樣真無功的計(jì)算問題是測控裝置非常棘手的問題。目前應(yīng)用較多的方法是用傅里葉算法算出各次諧波的Q(也即要求采樣點(diǎn)數(shù)不能過少),然后求和。交流采樣的電流、電壓有效值和真有功是好計(jì)算的(直接根據(jù)定義),采樣點(diǎn)數(shù)要求不高,也不需用到傅氏算法,且計(jì)算量不大。而真無功計(jì)算的軟硬件要求顯然與I、U、P的真值計(jì)算要求相差較遠(yuǎn),所以給硬件設(shè)計(jì)增加了難度,因?yàn)闇y控的成本控制比保護(hù)嚴(yán)格,測控成本必須較低。由于開發(fā)需有一定的前瞻性,考慮能量管理系統(tǒng)(EMS)發(fā)展及諧波分析(一般要求考慮2～13次(19次)諧波)的要求,建議每周波采樣點(diǎn)數(shù)為48點(diǎn)及以上,最好在96點(diǎn)或以上為好。除交流采樣外,直流量采集仍然需要。這是滿足對變壓器溫度、控制母線電壓等直流性質(zhì)信號的采集。直流信號采集算法不難,只需平滑濾波即可。但注意零漂的消除,可采用靜態(tài)零漂校準(zhǔn)的方法,如不加信號量,將測得的采樣值作為零漂校準(zhǔn)值即可。同樣,對于交流采樣或直流采樣,都可施加特定校準(zhǔn)量(如交流100V,5A;直流5V),由軟件自動獲得增益系數(shù)并存儲,以減輕調(diào)試的工作量。直流采集模塊軟件不難,主要是硬件對信號的輸入方式有兩種做法:一種是直接能接入溫度傳感器的熱敏電阻信號(如Pt100,Cu50等)和220V/110V直流電壓信號;另一種是需外掛溫度變送器和直流變送器,將信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成弱電壓/電流信號,再接入采集模塊。前一種方式是采集模塊內(nèi)部集成有變送器功能。前者精度不如后一種方式,但前者成本較低、接線簡單。A/D回路自檢是采集自身兩路直流量,如+5V和0V(GND),通過檢查這兩路采集數(shù)據(jù)的范圍來判斷A/D是否正常。類似A/D錯誤這種裝置故障信息應(yīng)以帶時(shí)標(biāo)事件上送,即SOE,而不是僅以狀態(tài)字來傳送。這有利于分析異常情況的原因。采集的數(shù)據(jù)如何上送與采用何種網(wǎng)絡(luò)和通信規(guī)約有關(guān),在多CPU裝置內(nèi)部,若采用具有對等節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)總線(如CAN總線)和平衡式傳輸規(guī)約,則宜采用越限上送,并配合循環(huán)上送。越限上送的壓縮因子可取測量上限乘相應(yīng)量采集的引用誤差。為防止丟“變化”數(shù)據(jù),所以需每隔一定時(shí)間再將所有測量值上送一次。這種上送方式可提高測量數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間。3信號采集模塊遙信是由信號隔離轉(zhuǎn)換、硬件濾波、緩沖、采集、數(shù)據(jù)處理以及信息上傳等環(huán)節(jié)組成的系統(tǒng)。多數(shù)開發(fā)人員用軟件濾波代替硬件濾波,這時(shí)還允許每路信號輸入具有不同的濾波時(shí)間常數(shù),以適應(yīng)不同信號的采集。從硬件實(shí)現(xiàn)來講,可將脈沖量采集、編碼采集(如主變壓器分接頭位置等信號)也納入該類信號采集中,因它們的硬件構(gòu)成相同,不同的只是軟件處理。開發(fā)者常將遙信功能模塊做成具有開關(guān)量采集、事件順序記錄(SOE)、脈沖量采集、多種碼制輸入的編碼采集等功能的模塊。實(shí)現(xiàn)遙信功能的硬件相對簡單,只是將不同輸入信號用光耦隔離后,轉(zhuǎn)換成邏輯電平信號,經(jīng)緩沖、片選,再由CPU讀取。但其硬件實(shí)現(xiàn)有其難點(diǎn),即如何適應(yīng)采用不同電壓驅(qū)動的信號輸入。就裝置而言,它能接入無源信號或有源信號(如18～30V),這時(shí)裝置的硬件是完全相同的,或是自適應(yīng)的(無源或有源,其外部接線不同)。但考慮到信號抗干擾和可靠性,很多場合或很多用戶需要信號驅(qū)動的電壓更高,如220V。這種情況下的做法有兩種:一是裝置本身不變,只是在外部接線端子上采用信號隔離變換器,將220V電壓信號轉(zhuǎn)換為低壓(如24V)信號;另一種方法是裝置直接允許220V電平信號輸入。第二種方法更簡潔可靠,但由于功耗大以及要在有限空間上實(shí)現(xiàn)較多路信號輸入,往往其發(fā)熱問題難以解決,處理不好,會使電阻等器件燒壞,反而降低了可靠性。因此提出一種降低功耗的辦法,即僅在采集信號的瞬間提供信號電源。由于信號掃描頻率較高(高于1000Hz),考慮信號延遲,所以這種方法對硬件要求較高(器件響應(yīng)時(shí)間要短,且控制相對復(fù)雜,需要軟件配合)。實(shí)現(xiàn)信號采集功能的主要工作量體現(xiàn)在軟件上,需要考慮的主要問題有:SOE分辨率、濾波(或消抖)、采集掃描頻率、信號取反、雙位遙信、脈沖量累計(jì)溢出處理、不同編碼輸入的采集處理以及各種數(shù)據(jù)的傳送機(jī)制等。開發(fā)人員必須先了解應(yīng)做什么、怎么設(shè)計(jì)任務(wù),然后才能談到編程,否則很容易導(dǎo)致后續(xù)程序不斷無序修改,程序可靠性降低。如何保證對時(shí)精度,采用較多的是軟件對時(shí)+硬件對時(shí)脈沖。軟件設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)認(rèn)識到每路接入信號是具有多種可定義屬性的?？啥x數(shù)組數(shù)據(jù)來描述每個(gè)信號的各種屬性,如:濾波時(shí)間常數(shù),是否取反,是否產(chǎn)生SOE,遙信/脈沖量/編碼輸入類別定義,是否形成預(yù)告總,是否形成事故總,是否雙位遙信等。編程時(shí)應(yīng)注意SOE的時(shí)標(biāo)應(yīng)是消抖前信號變化時(shí)刻的時(shí)間,而不是消抖確認(rèn)后時(shí)刻的時(shí)間。通信環(huán)節(jié)應(yīng)考慮實(shí)現(xiàn)信息快速傳遞,要根據(jù)不同信息不同響應(yīng)速度的要求來確定傳送機(jī)制。遙信變位信息要求響應(yīng)速度快,應(yīng)優(yōu)先傳送;而SOE信息可降一等級傳送。脈沖量信息等級較低,但應(yīng)設(shè)計(jì)為掉電非易失數(shù)據(jù),通信機(jī)制上應(yīng)設(shè)計(jì)脈沖量的凍結(jié)、解凍措施。對多CPU裝置內(nèi)部脈沖量可用增量傳送的方式給管理機(jī),由管理機(jī)實(shí)現(xiàn)累加和溢出處理。總之,軟件設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)先設(shè)計(jì)好程序要實(shí)現(xiàn)哪些功能以及其邏輯步驟或框圖,再動手編程,才能事半功倍,且程序的可靠性、可讀性會更強(qiáng)。4控制板設(shè)計(jì)要控制好輸出遙控由邏輯門電路、信號隔離轉(zhuǎn)換、繼電器、返?；芈贰?shù)據(jù)處理以及通信等環(huán)節(jié)組成。邏輯門電路用于實(shí)現(xiàn)控制輸出命令與分閉鎖命令和總閉鎖命令的合成,總閉鎖命令還包括系統(tǒng)復(fù)位閉鎖。采用多重閉鎖及配合出口自檢返校,提高遙控的可靠性,有效防止并發(fā)式誤出口行為。由于每個(gè)遙控模塊負(fù)責(zé)多個(gè)控制出口對象,一旦出錯,影響很大。所以對遙控自檢措施要求更加嚴(yán)格。以往出口自檢僅自檢到光耦后和繼電器線圈前,且有些裝置自檢反饋信號是各路合并后的信號,不能區(qū)分是那路出錯。嚴(yán)格來說,出口自檢應(yīng)反映到繼電器線圈級,且每路信號出口有各自的反饋?zhàn)詸z信號;另一種方法,可采取限流措施,保證一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)出口繼電器線圈動作,這時(shí)自檢反饋信號可僅取到繼電器線圈前。以上主要是硬件上采取的措施,常用易實(shí)現(xiàn)的是第一種方法。軟件上,一方面要配合硬件完成防錯措施,如靜態(tài)(上電)自檢與動態(tài)自檢等;另一方面還可通過邏輯檢驗(yàn)來加強(qiáng)防范措施,如輸出控制字與內(nèi)存字比較等。對遙控模塊設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何保證控制出口的可靠性和正確性。在自動化系統(tǒng)中,控制命令設(shè)計(jì)為脈沖輸出。不同設(shè)備對控制脈寬要求也不同。以前測控設(shè)備在這個(gè)問題上考慮不多,但近年來市場上大多數(shù)測控設(shè)備都允許設(shè)置控制脈沖的寬度。有的是每路出口都可單獨(dú)定義寬度,有的是一個(gè)功能模塊可定義兩種長和短脈沖寬度,執(zhí)行時(shí)由控制命令給出用其中一個(gè)寬度輸出脈沖命令。這兩種定義方式比較,前者較繁,但由于當(dāng)前一些系統(tǒng)不支持帶命令限定詞方式下發(fā)命令,所以適應(yīng)性強(qiáng)一些;而后者既簡潔,又符合DL/T634-1997(neqIEC870-5-101∶1995)傳輸規(guī)約,它需要命令帶限定詞,如:是短脈沖持續(xù)時(shí)間、長脈沖持續(xù)時(shí)間、持續(xù)輸出還是不閉鎖重合閘的跳閘命令(用于檢查小電流接地系統(tǒng)的接地故障)等。在新上的變電站自動化系統(tǒng)中,持續(xù)輸出要求幾乎很少,但對一些老站改造則可能不少,如“KK”合后接點(diǎn)等,這可通過加磁保持繼電器來解決。但這種方法較繁瑣,如果在遙控模件硬件上將這個(gè)問題解決,是否合理有待進(jìn)一步商討。常規(guī)意義上的遙調(diào)具有模擬量輸出功能,但在多數(shù)變電站自動化系統(tǒng)僅是利用控制出口回路完成諸如變壓器有載分接頭調(diào)節(jié)等調(diào)節(jié)功能的。目前不少數(shù)字式測控裝置已不提供模擬量輸出功能。5綜合測控裝置測控裝置主要體現(xiàn)四遙功能,綜合測控裝置除此之外還具有其他一些自動功能,且隨著技術(shù)的發(fā)展在其上實(shí)現(xiàn)的功能也會改變或增加。有些功能,如電壓切換/并列功能,可單獨(dú)形成一套裝置。不過,作為模塊化結(jié)構(gòu)測控設(shè)計(jì),也常將其納入測控裝置設(shè)計(jì)方案。測控裝置開發(fā)只是變電站自動化系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)子項(xiàng)目,某種功能置于何處,應(yīng)從全局出發(fā),沒有絕對的標(biāo)準(zhǔn)。綜合測控裝置應(yīng)具有同期功能,特別是面向110kV及以上電壓等級變電站的測控裝置。在變電站自動化系統(tǒng)中,常用的幾種同期場合有線路同期、變壓器同期、一個(gè)半斷路器同期等。同期方式通常分為不檢方式、檢無壓方式和檢同期方式3種。數(shù)字式綜合測控裝置的同期功能最好具有遠(yuǎn)方投退功能軟壓板。面向中、高電壓等級系統(tǒng)的綜合測控裝置最好還應(yīng)具有間隔內(nèi)防誤閉鎖功能,主要作為系統(tǒng)