電力自動化系統(tǒng)的應(yīng)用分析

王娜

(紫光測控有限公司,天津 300318)

隨著電力系統(tǒng)自動化程度的提高，光纖通訊應(yīng)用技術(shù)的普及和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用計算機光纖網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實現(xiàn)變電站內(nèi)設(shè)備的遠程監(jiān)測與控制，已經(jīng)成為當(dāng)前提高變電站安全經(jīng)濟運行水平的主要手段，其中光纖網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)直接影響著通訊的可靠性和經(jīng)濟性等方面[1-5]。本文著重介紹了四種光纖網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的設(shè)計方案和組成形式，并結(jié)合寧波鋼鐵有限公司電力綜合自動化系統(tǒng)的要求，對四種光纖網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的實時性、可靠性和通信速度等方面進行比較。

1 電力自動化系統(tǒng)的設(shè)計

工程規(guī)模本期包括煉鋼、煉鐵、燒結(jié)、軋鋼、鼓風(fēng)機、制氧、原料廠等工程，工程要求電力自動化系統(tǒng)采用分層和分布式的體系結(jié)構(gòu)。按照全廠電力綜合自動化系統(tǒng)規(guī)劃方案，各個開關(guān)站（含區(qū)域變）均設(shè)置間隔層、站控層、能源中心集控層SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)三級控制[6-9]。間隔層為就地安裝在各開關(guān)柜上的微機保護測控單元，其分別完成開關(guān)站進線、母聯(lián)、電動機、饋出變、電容器組等的繼電保護功能、數(shù)據(jù)采集功能和就地監(jiān)控功能。間隔層微機保護測控單元與站控層監(jiān)控主機的通信采用現(xiàn)場總線方式。在站控層部分（包括各個10kV開關(guān)站及區(qū)域變）設(shè)置站控層監(jiān)控系統(tǒng)，站控層后臺監(jiān)控主機完成本站所屬設(shè)備全部后臺監(jiān)控功能，能夠在站控層對本站所屬設(shè)備進行操作控制。站控層監(jiān)控主機同時作為通訊管理機，除完成與本站的保護測控單元通訊及本站的第三方智能設(shè)備（如直流屏、電度表）通訊外，還負責(zé)完成與上級監(jiān)控系統(tǒng)通訊。能源中心集控層SCADA監(jiān)控系統(tǒng)作為寧波鋼鐵的終極調(diào)度管理單位，接收站控層的數(shù)據(jù)并下發(fā)調(diào)度指令。

根據(jù)工程項目的的未來實際運行要求，站控層監(jiān)控系統(tǒng)10kV開關(guān)站和區(qū)域變均按“無人值班”要求設(shè)計，監(jiān)控主機及網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備等安裝在各10kV開關(guān)站和區(qū)域變內(nèi)，并配置有鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器。站控層后臺監(jiān)控主機一般按單主機或雙機備用模式設(shè)計。各站控層監(jiān)控主機分別作為一個站點構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)點并接入相應(yīng)的區(qū)域變電所的光纖以太網(wǎng)交換機，再通過能源中心的光纖主網(wǎng)將各站信息上傳能源中心SCADA系統(tǒng)。實現(xiàn)各站控層變電所均可以在能源中心進行實時監(jiān)控、操作。集控層SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器、后臺監(jiān)控主機及操作員站均設(shè)在集控中心的主控室內(nèi)，監(jiān)控各35kV區(qū)域變電所及各10kV高壓開關(guān)站內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)對各35kV區(qū)域變電所及各10kV高壓開關(guān)站的遠方監(jiān)控，在集控中心可接收處理各35kV區(qū)域變電所及各10kV高壓開關(guān)站內(nèi)的各種實時數(shù)據(jù)，包括模擬量、開關(guān)量、保護定值及保護投退，運行人員可通過集控層SCADA系統(tǒng)進行操作。集控層SCADA系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)(EMS)進行通訊，為能源管理系統(tǒng)在全廠的供電參數(shù)、電量進行統(tǒng)計、分析，負荷預(yù)報以及操控等功能的實現(xiàn)提供必要的數(shù)據(jù)支持。

工程要求電力自動化系統(tǒng)實現(xiàn)以上功能的基礎(chǔ)上，力求減少投資，防止資源浪費，并且為以后的擴建和增容留下裕量。

2 電力自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

針對寧波鋼鐵企業(yè)工程對電力自動化系統(tǒng)的要求，我們也對以前現(xiàn)場使用的電力自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)分層分布式體系結(jié)構(gòu)已成為變電站自動化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模式。該體系結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信功能與可靠性是影響整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的重要因素之一，由于變電站現(xiàn)場電磁環(huán)境惡劣，為提高通信可靠性，光纖通信技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于該類系統(tǒng)中。紫光測控有限公司以DCAP-3000系列分散式保護監(jiān)控單元為基礎(chǔ)構(gòu)成綜合自動化系統(tǒng)，本系統(tǒng)的性能完全能夠滿足寧波鋼鐵的技術(shù)要求。

表1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)綜合比較

圖1 雙網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)圖

以下的方案在當(dāng)?shù)卣究貙优c間隔層之間典型配置基礎(chǔ)上，分析了站控層（包括35kV區(qū)域變電所及各10kV子站）和集控中心之間系統(tǒng)連接實現(xiàn)電力自動化的方案。初始設(shè)計方案三套，優(yōu)化方案一套。

2.1 雙網(wǎng)的電力自動化系統(tǒng)

采用雙網(wǎng)的電力自動化系統(tǒng)：集控中心與各區(qū)域變站控層、10KV子站站控層采用光纖雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，集控中心、區(qū)域變、10KV子站各配備雙前置機實現(xiàn)雙機熱備。(圖1)

圖3 環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖4 環(huán)網(wǎng)+樹網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)圖

局域網(wǎng)LAN A和LAN B分別為兩個光纖網(wǎng)絡(luò)，正常運行時，各站控層的前置機1通過光纖網(wǎng)LAN A與集控中心的前置機1進行通訊，用于各計算機之間的數(shù)據(jù)交換和資源共享，負責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度、維護、管理，實現(xiàn)站控層與集控中心間數(shù)據(jù)的實時高速采集，實現(xiàn)集控中心命令的發(fā)送和站控層實時數(shù)據(jù)信息的接收。當(dāng)其中光纖網(wǎng)絡(luò)LAN A故障或者站控層的前置機1故障時，造成集控中心與各站控層之間或者集控中心與某一個站控層之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛?，站控層的前置機2會通過軟件及時自動切換到另一個光纖網(wǎng)絡(luò)LAN B，通過集控中心的前置機1和站控層前置機2來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。同理，集控中心的前置機1故障或光纖設(shè)備故障時，集控中心的前置機2會通過軟件自動切換到另一個光纖網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)站控層與集控中心間數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。該方案的優(yōu)點是：利用雙前置機和雙層網(wǎng)絡(luò)配置實現(xiàn)整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的冗余配置，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信有效和實時性，同時實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中管理，資源共享。缺點是：所有設(shè)備全部采用主備配置，包括光纖、光纖轉(zhuǎn)換器、前置機等全部為兩套（其中尤其光纖需量最多），占用設(shè)備較多，造成工程投資過大。

2.2 樹網(wǎng)的電力自動化系統(tǒng)

采用樹網(wǎng)的電力自動化系統(tǒng)：集控中心與各區(qū)域變站控層、10KV子站站控層采用光纖樹網(wǎng)結(jié)構(gòu)，集控中心、區(qū)域變、10KV子站采用金字塔配置，每個站配備前置機集控中心作為最頂層，接收各區(qū)域變上傳的數(shù)據(jù)，進行處理并下發(fā)指令，各區(qū)域變接收本區(qū)域內(nèi)各10Kv子站上傳的數(shù)據(jù)，進行轉(zhuǎn)發(fā)上傳到集控中心，由集控中心處理并下發(fā)指令到10Kv站控層后臺，并最終執(zhí)行。（圖2）

本方案把煉鋼、煉鐵等各環(huán)節(jié)進行區(qū)分，同時考慮地域關(guān)系，把同一個工藝流程內(nèi)的10Kv站控層作為一個局部的整體考慮，區(qū)域內(nèi)先進行組網(wǎng)，并集中到區(qū)域變的前置機進行處理，區(qū)域變可作為一個小的集控中心對所屬各站進行數(shù)據(jù)交換和資源共享，負責(zé)本區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的調(diào)度、維護、管理，實現(xiàn)區(qū)域變與所屬各10Kv站間數(shù)據(jù)的實時高速采集，實現(xiàn)區(qū)域變命令的發(fā)送和各10Kv子站實時數(shù)據(jù)信息的接收。此方案的優(yōu)點是從集控中心到各10Kv子站，全部采用單前置，各站之間單路光纖聯(lián)系，所以采用的設(shè)備較少，減少工程投資，比方案1雙網(wǎng)的投資成本低。缺點是結(jié)構(gòu)簡單，未考慮冗余設(shè)計，在區(qū)域變前置機或區(qū)域變到集控中心的光纖回路故障時，造成故障區(qū)域變所屬子站的數(shù)據(jù)上傳與控制中心指令執(zhí)行的故障；采用樹形結(jié)構(gòu)，對集控中心的前置機要求非常高，集控中心的前置機要收集所有站控層前置機上傳的數(shù)據(jù)，并進行處理，對相應(yīng)的軟件開發(fā)技術(shù)要求較高，實際上增加了研發(fā)的成本。

2.3 環(huán)網(wǎng)的電力自動化系統(tǒng)

針對以上兩個方案中方案1光纖雙網(wǎng)、雙前置造價高，投資大，方案2樹網(wǎng)、單前置過于簡單，未考慮通訊回路冗余配置的缺陷，方案3提出并設(shè)計了一套光纖環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。如圖3所示，采用環(huán)網(wǎng)的電力自動化系統(tǒng)：集控中心與各區(qū)域變站控層、10KV子站站控層采用光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，集控中心、各35KV區(qū)域變、各10KV子站不分主次，只考慮地域，全部放在一個光纖環(huán)網(wǎng)內(nèi)，集控中心、各35KV區(qū)域變、各10KV子站作為環(huán)網(wǎng)的一個節(jié)點，每個節(jié)點配置單前置機和光纖服務(wù)器。

該系統(tǒng)在滿足變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，解決了減少投資問題，滿足了集控中心通信主機對各站訪問的通訊回路冗余配置、可以有效提高對各35KV區(qū)域變、各10KV子站不間斷響應(yīng)等要求，并且具有現(xiàn)場施工維護方便等優(yōu)點。該光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用點到點的鏈路組成，實現(xiàn)集控中心對各點的訪問。從上圖可以看出，各個站點在這種結(jié)構(gòu)中，分別可以從兩個路徑到達集控中心，例如：軋鋼區(qū)域變采集的數(shù)據(jù)或集控中心下發(fā)的指令，可以通過煉鋼區(qū)域變、煉鐵區(qū)域變光纖路徑上傳到集控中心或由集控中心通過此路徑下發(fā)，也可以通過鼓風(fēng)機站、雨排站、焦化站光纖路徑上傳到集控中心或由集控中心通過此路徑下發(fā)，這樣在其中任一個光纖路徑或節(jié)點出現(xiàn)故障時，可以通過另一個路徑上傳或下發(fā)數(shù)據(jù)。根據(jù)以往的工程實踐表明，高速冗余光纖環(huán)網(wǎng)具有傳輸速率高、抗電磁干擾性強等優(yōu)點，此外，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)良好的冗余功能，使得控制系統(tǒng)的可靠性大幅提高。因此，高速冗余光纖環(huán)網(wǎng)是大型企業(yè)一般采用的網(wǎng)絡(luò)方案。但是該光纖環(huán)網(wǎng)也存在不足，例如集控中心可以實現(xiàn)對各站的管理，但各區(qū)域變對所屬各站的管理不易實現(xiàn)集中管理，并且，整個鋼廠各站做環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)投資相對過大，有時會造成資源的浪費。

2.4 環(huán)網(wǎng)+樹網(wǎng)的電力自動化系統(tǒng)

對以上三種方案進行分析，并且結(jié)合寧波鋼鐵企業(yè)工程對變電站自動化系統(tǒng)的實際要求，我們考慮系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時遵守的以下原則：（1）工程投資要相對??；（2）對重要站要采用雙機或多機的冗余配置，（3）對重要站的光纖回路要采用冗余配置；（4）區(qū)域變所屬各站要在區(qū)域變內(nèi)夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部監(jiān)控；（5）充分考慮后期的可擴展性。針對以上設(shè)計原則，考慮到寧波鋼鐵用戶不同工藝負責(zé)人的具體要求，我們最終采取環(huán)網(wǎng)與樹網(wǎng)相結(jié)合使用的方案。（圖4）

整個網(wǎng)絡(luò)組成為：集控中心、各區(qū)域變采用光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，全部采用雙機配置，保證重要站點后臺和光纖通道的冗余配置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不中斷傳輸，確保了通信的可靠性；區(qū)域變及其所屬各站采用樹型結(jié)構(gòu)，區(qū)域變本身已經(jīng)雙機配置，所屬各站一般采用單機配置，實現(xiàn)區(qū)域變對所屬各站的集中管理，確保工程投資的減少，方便后期工程的擴展。整個網(wǎng)絡(luò)以集控中心為中心，集控中心需要處理大量子站上傳的的遙測、遙信、故障信息等數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)處理后下發(fā)指令，實現(xiàn)遠程遙控遙調(diào)等操作，為保證數(shù)據(jù)處理的速度和對故障信息的及時分析并快速下發(fā)指令的能力，工程采用的前置機配備兩臺IBM XSERIES226服務(wù)器，并且兩臺服務(wù)器之間通過軟件實現(xiàn)互為備用。區(qū)域變相對來說只要采集最多不超過10個站的數(shù)據(jù)，任務(wù)量相對小，所以采用研華610工業(yè)控制機，雙機配置，互為備用，實現(xiàn)對區(qū)域變所屬各站電氣設(shè)備開關(guān)量和測量電流、測量電壓、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等的監(jiān)視，但不實現(xiàn)控制（網(wǎng)絡(luò)中所有的電氣控制命令全部由集控中心的值班人員進行操作；每個站點配備后臺監(jiān)視系統(tǒng)，原因之一就是當(dāng)?shù)仉姎庠O(shè)備發(fā)生故障時，繼電保護裝置采集的故障錄波數(shù)據(jù)非常大，要求上傳到當(dāng)?shù)睾笈_機，并進行保存，方便分析，處理，但是電氣設(shè)備的故障錄波數(shù)據(jù)不能通過網(wǎng)絡(luò)上傳到集控中心在處理，以防故障數(shù)據(jù)傳輸中大量的占據(jù)光纖路徑，影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性）?？紤]集控中心到各區(qū)域變有可能距離較遠，而多模光纖在距離超過2公里后信號將衰減，所以，根據(jù)寧波鋼鐵企業(yè)的實際規(guī)劃要求，對集控中心到各區(qū)域變的通訊采用單模光纖實現(xiàn)，采用光纖環(huán)網(wǎng)通訊，用單模光纖交換機MOXA——ED-6008-SS實現(xiàn)，它可以實現(xiàn)自動備份路徑功能，正常工作時，依靠光纖交換機的TUBRO RING功能（自動備份環(huán)網(wǎng)）實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)功能，并且集控中心和各區(qū)域變?nèi)坎捎秒p機配置，通過RJ45接到光纖交換機上，依靠軟件實現(xiàn)雙機熱備，這樣就實現(xiàn)后臺和網(wǎng)絡(luò)的冗余配置。

鑒于區(qū)域變所屬各站之間的距離較近，一般不會超過2公里，并且考慮到設(shè)備的成本，所以采用多模光纖和多模光纖交換機以及多模光纖轉(zhuǎn)換器（主要考慮多模光纖交換機以及多模光纖轉(zhuǎn)換器的成本），區(qū)域變采用多模光纖交換機MOXA——ED-6008-MM，與單模光纖交換機（環(huán)網(wǎng)應(yīng)用）之間采用網(wǎng)口互連，并且考慮到網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，采用B類地址設(shè)置IP（便于后期擴展IP地址）；區(qū)域變下屬各10kv子站一般采用單機配置，應(yīng)用研華610工業(yè)控制機，通過RJ45接到多模光纖轉(zhuǎn)換器（或交換機）上，區(qū)域變端對應(yīng)接到單模光纖交換機上，這樣，一方面區(qū)域變作為一個小的監(jiān)控中心，可以很方便的實現(xiàn)對所屬各站的監(jiān)視功能；另一方面，區(qū)域變所屬各站可以方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和接受集控中心的指令，而不用經(jīng)過區(qū)域變配置機器的轉(zhuǎn)發(fā)，滿足用戶的設(shè)計要求。

3 結(jié)論

如表1所示，通過比較四種方案的實時性、可靠性、通信速度、冗余能力、系統(tǒng)投資、擴展性、性價比幾個方面進行了比較，從表中可以看出，方案四（環(huán)網(wǎng)+樹網(wǎng)）綜合表現(xiàn)要優(yōu)于其他方案，實際上此方案也得到了寧波鋼鐵用戶的認可和表揚，最終確定了方案四在寧波鋼鐵電力自動化系統(tǒng)中具體實施。并且環(huán)網(wǎng)+樹網(wǎng)的電力自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)作為我公司對大型鋼廠、石化等企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)模式來進行設(shè)計和施工。

[1]原榮.光纖通訊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]胡慶，王敏琦.光纖通訊系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]曹寧，胡弘莽.電網(wǎng)通信技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[4]郭創(chuàng)新，單業(yè)才，曹一家等.基于多智能體技術(shù)的電力企業(yè)開放信息集成體系結(jié)構(gòu)研究[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25(4)：64-70.

[5]董天臨.光纖通訊與光纖信息網(wǎng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6]楊英杰.光纖通信技術(shù)[M].廣州：華南理工出版社，2005.

[7]華北電網(wǎng)有限公司發(fā)布.華北電網(wǎng)有限公司防止電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)與電力通信網(wǎng)事故措施[S].北京：中國電力出版社，2006.

[8]周新容.電力系統(tǒng)通訊技術(shù)（PLC）的可行性分析、技術(shù)研究與開發(fā)應(yīng)用及相關(guān)的實施標(biāo)準(zhǔn)實用手冊[M].北京：中國電力信息出版社，2006.