變電站綜合自動化技術(shù)綜述

趙淑芳

（中國石化股份有限公司天津分公司，天津 300271）

一、概述

變電站自動化是將變電站的二次設(shè)備(包括測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等)經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設(shè)計，再利用計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信和信號處理技術(shù)，實現(xiàn)對全變電站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動監(jiān)視、測量、自動控制和微機保護，以及與調(diào)度中心進行通信。

變電站自動化包括以下內(nèi)容。

（1）電氣量的采集，電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。

（2）變電站運行的監(jiān)視和操作。

（3）事故的瞬態(tài)電氣量的采集、監(jiān)視和控制，并迅速切除故障，及恢復(fù)操作。

（4）將變電站所采集的信息傳送給調(diào)度中心及檢修中心。

變電站實現(xiàn)自動化的優(yōu)越性：提高供電質(zhì)量和電壓合格率；提高變電站的安全性和可靠運行水平；提高電力系統(tǒng)的運行、管理水平；縮小變電站占地面積，降低投資；減少維護工作量。

變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展過程與集成電路技術(shù)、微計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)密切相關(guān)。從國內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展來看，變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由早期的集中式微機控制系統(tǒng)發(fā)展為分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每一層由不同的子系統(tǒng)組成。整個變電站的一、二次設(shè)備可分為3層，即變電站層((2層)、單元層(1層)和設(shè)備層((0層)，如圖1所示。

設(shè)備層主要指變壓器和斷路器、隔離開關(guān)及其輔助觸點，電流、電壓互感器等一次設(shè)備。

單元層一般按斷路器間隔劃分，具有測量、控制部件或繼電保護部件。

變電站層包括全站性的監(jiān)控主機和負責(zé)全站信息匯總的通信控制機及全站范圍的微機化自動控制裝置等。它們之間通常采用現(xiàn)場總線或其他局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換。

二、變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信

變電站自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信分為現(xiàn)場級間的通信和自動化系統(tǒng)與上級調(diào)度的通信兩部分?，F(xiàn)場級通信主要解決自動化系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)與上位機(監(jiān)控主機)和各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信和信息交換問題，它們的通信范圍是變電站內(nèi)部。系統(tǒng)與上級調(diào)度通信是指必須兼有遠方終端接口(RTU)的全部功能，應(yīng)該能夠?qū)⑺杉哪M和開關(guān)狀態(tài)信息，以及事件順序記錄等遠傳至調(diào)度端；同時應(yīng)該能接收調(diào)度端下達的各種操作、控制、修改定值等命令。即完成新型RTU等全部四遙功能。

由于數(shù)據(jù)通信的重要性，經(jīng)濟可靠的數(shù)據(jù)通信成為系統(tǒng)的技術(shù)核心，而由于變電站的特殊環(huán)境和綜合自動化系統(tǒng)的要求，使變電站綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)具有以下特點和要求。

（1）快速的實時響應(yīng)能力。變電站自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)要及時地傳輸現(xiàn)場的運行信息和操控信息，在電力工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送都有嚴(yán)格的實時性指標(biāo)。

（2）高抗干擾性及可靠性。變電站內(nèi)通信環(huán)境惡劣，干擾嚴(yán)重，而電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的故障和非正常工作會影響整個變電站綜合自動化系統(tǒng)的運行，因此通信子系統(tǒng)必須保證很高的可靠性。

（3）分層式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的各層都各具特殊的應(yīng)用條件和性能要求，因此每一層都要有合適的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

目前變電站自動化系統(tǒng)中的通信方式如下。

（1）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算機為中心點，通過通信介質(zhì)與分散在每一開關(guān)柜上的監(jiān)控I/O設(shè)備和保護設(shè)備連接，形成1:N的連接形式。星型通信系統(tǒng)方案有以下特點。

①通常使用光纖作為通信介質(zhì)，因此具有高抗干擾性、高安全性的特點，適合變電站惡劣的電磁環(huán)境;

②各I/O單元及保護單元都與站級計算機獨立通信，可靠性高，維護性好;

③采用串行通信實現(xiàn)互聯(lián)，比較簡單;

④星型連接連線較多，施工復(fù)雜;

⑤各I/O單元及保護設(shè)備之間的橫向通信必須通過站級計算機進行，復(fù)雜且效率不高。

（2）總線型通信系統(tǒng)方案：

這種方式以一條總線連接各分散的保護、監(jiān)控設(shè)備及站級計算機?？紤]到系統(tǒng)的可靠性及維護等因素，在變電站內(nèi)部可以采用兩條或多條總線連接各個單元。總線型通信系統(tǒng)因總線類型的不同有多種應(yīng)用形式，常見的有RS485方式、LonWorks現(xiàn)場總線方式以及CAN總線方式。

①基于RS-485總線技術(shù)的方案：

國內(nèi)基于RS485的通信方案在早期使用較多，它們使用一個主站對多個從站，在應(yīng)用中存在以下缺陷。

a.無法實現(xiàn)多主站信息互為備份的冗余設(shè)計；

b.從站無法主動上送重要信息，實時性較差；

c.各從站之間無法直接通信，只能通過主站中繼才能相互通信；

d.對較小規(guī)模的系統(tǒng)，實時性可以得到保證，但隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，系統(tǒng)的實時性能將會急劇降低；

e.抗干擾及糾錯能力較差，一般只適合在控制室內(nèi)部使用，不能適用于分散安裝的變電站自動化系統(tǒng)。

②基于CAN總線技術(shù)的方案：

CAN(Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)的簡稱，是德國Bosch公司在1986年為解決現(xiàn)代汽車中測量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，已被列入ISO國際標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線在變電站自動化中應(yīng)用較多，與其他同類技術(shù)相比，在可靠性、實時性和靈活性方面具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。

a.CAN網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任一時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)信而不分主從,這樣可構(gòu)成真正的多主系統(tǒng)；

b.參考模型只包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層功能,如數(shù)據(jù)打包、拆包、發(fā)送、接收、校驗、編碼、解碼等,應(yīng)用層和用戶層相應(yīng)的軟件需用戶開發(fā)；

c.CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同級別的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)可在134μs內(nèi)得到傳輸；

d.采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)上發(fā)信時，優(yōu)先級低的信文主動停止發(fā)送，而不影響優(yōu)先級高的信文的發(fā)送，這樣網(wǎng)絡(luò)負載很大時，不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓；

e.CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。其直接通信距離最遠可達10km（速率在5kbps以下）；通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長40m）；

f.采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，抗干擾能力強；

g.CRC校驗及其他校驗措施，大大改善了網(wǎng)絡(luò)糾錯能力。

圖2中使用CAN總線技術(shù)將一系列智能保護單元和主控I/O單元連成現(xiàn)場控制網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)硬件包括智能保護單元模件和主控I/O單元及CAN總線通信接口卡的CAN網(wǎng)絡(luò)平臺。該總線通信接口卡完成ISO/OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層功能，如數(shù)據(jù)打包、拆包、發(fā)送、接收、校驗、編碼、解碼等，用戶只需開發(fā)應(yīng)用層和用戶層相應(yīng)的軟件即可。此方案簡單、組網(wǎng)方便、抗干擾能力強，被電力自動化設(shè)備業(yè)界大量采用。

但由于其每一報文要有一個唯一的標(biāo)識，所以網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不可能太大，通常一個網(wǎng)絡(luò)能容納110個接點，可滿足35kV、110kV變電站級變電綜合自動化系統(tǒng)的需求。

③基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的方案：

LonWorks總線是一個開放的控制網(wǎng)絡(luò)平臺技術(shù)，其提供一個控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，給各種控制網(wǎng)絡(luò)提供端到端解決方案，主要技術(shù)特點如下。

a.開放性、互操作性好。其通信協(xié)議LonTalk符合ISO定義的OSI模型，對用戶平等；

b.具有強大的通信控制接點。其提供的神經(jīng)元芯片幾乎包含了一個現(xiàn)場終端的大部分功能，七層規(guī)約中六層固化。減少了二次開發(fā)的工作量；

c.通信可靠性高。其協(xié)議規(guī)定部分優(yōu)先級，使緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，保證了實時性；

d.容量大。其定義了子區(qū)、子網(wǎng)節(jié)點地址的分層邏輯尋址方式，一個測控網(wǎng)上的接點數(shù)可達32 000個，通信速率0.003～1.25Mbps，直接通信距離可達2 700m；

e.LonTalk協(xié)議支持分散的點對點的通信。節(jié)點可以組成總線型、環(huán)型、樹型等多種拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外還可以組成自由拓撲結(jié)構(gòu)。它是各種常規(guī)拓撲結(jié)構(gòu)的組合；

f.LonTalk協(xié)議支持多種傳輸介質(zhì)。如雙絞線，電力線，超聲波、光纖、無線射頻、紅外線和信源線等。每一種介質(zhì)稱為一種信道，每一種信道都有專用的收發(fā)器作為智能節(jié)點和通信介質(zhì)之間的接口器件；

g.系統(tǒng)分散性好。Neuron芯片采用超大規(guī)模、低功耗集成電路、密封式結(jié)構(gòu)，防塵、防潮、防電磁干擾性能好，適用于變電站現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。

如圖3所示，變電站內(nèi)部有兩個LonWorks網(wǎng)絡(luò)，分別為監(jiān)控網(wǎng)和錄波網(wǎng)。監(jiān)控網(wǎng)用來傳送各種控制和狀態(tài)信息,錄波網(wǎng)則傳送電力系統(tǒng)故障錄波信息。網(wǎng)絡(luò)的通信速率為78kbps,最大通信距離為2km，通信介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。每個保護裝置都帶有LonWorks網(wǎng)絡(luò)接口,后臺機、工程師站、遠動機等PC機上均插有PCLTA卡，保護裝置和PC機可以聯(lián)到LonWorks網(wǎng)上。此方案簡單、方便可靠,適合于中、低壓變電站自動化系統(tǒng)。它已成功地用于很多35kV、110kV變電站。但當(dāng)用于220kV及以上的大型高壓變電站時,由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點增多,網(wǎng)絡(luò)流量增大,78kbps網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠因此,這種方案不適合于大型高壓變電站。

三、變電站自動化系統(tǒng)中的通信發(fā)展的趨勢及存在問題

隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，以太網(wǎng)技術(shù)正被引入變電站自動化系統(tǒng)過程層的采集、測量單元和間隔層保護、控制單元中，構(gòu)成基于網(wǎng)絡(luò)控制的分布式變電站自動化系統(tǒng)。與其他通信控制網(wǎng)絡(luò)相比，以太網(wǎng)有以下優(yōu)點。

（1）可靠性高。它使用的是一種很簡單又很可靠的傳輸機制，這種機制每天在世界范圍的各個站點之間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

（2）通信速度快。從最初的l0M己經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的10G。

（3）以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使其可作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用它可以滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求，使企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)得以統(tǒng)一。

（4）技術(shù)成熟。受支持度最好，可直接利用大量現(xiàn)有產(chǎn)品組網(wǎng)。由于以太網(wǎng)應(yīng)用最廣，受多種編程語言支持（如Java Visual、C++Visual、Basic等），也受到硬件開發(fā)商的高度重視，使以太網(wǎng)系統(tǒng)的價格相對低廉。

（5）互聯(lián)性、開放性好。直接與PC等設(shè)備相連，節(jié)點數(shù)量基本上無限制。

（6）設(shè)備成本低。

（7）可支持的傳輸介質(zhì)多。有光纖、雙絞線、同軸電纜等。

（8）擴展性好、發(fā)展?jié)摿Υ?。以太網(wǎng)的傳輸速度有l(wèi)0Mbps系統(tǒng)、100Mbps系統(tǒng)和1Gbps系統(tǒng)，甚至I0Gbps系統(tǒng)方便系統(tǒng)速度升級及擴展。

（9）國際上已將以太網(wǎng)確立為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)(UCA、MMS、61850-104協(xié)議等)。

目前國內(nèi)的變電站自動化廠家大多選用TCP/IP作為通信網(wǎng)的高層協(xié)議，采用TCP/IP協(xié)議的系統(tǒng)可以具有良好的可擴展性，TCP/IP模型的傳輸層定義了兩個不同的協(xié)議:傳輸控制協(xié)議TCP（Transmission Control Protocol）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP（User Datagram Protocol）。在大多數(shù)廠家的變電站自動化系統(tǒng)中，UDP得到了廣泛的應(yīng)用，實踐表明UDP在快速傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)方而是比較便捷的。

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