變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及應(yīng)用

/天津電氣科學研究院有限公司 徐艷松 朱聯(lián)聯(lián) 王玉博 張向前 牛松森/

0 引言

變電站綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)用了自動控制理論、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和智能專家系統(tǒng)等多學科多領(lǐng)域的最新理論和先進技術(shù)，通過對變電站二次保護與控制系統(tǒng)功能的重新組合和優(yōu)化設(shè)計，從而對變電站的設(shè)計與運行管理帶來了根本性的變革。采用變電站綜合自動化技術(shù)，可以提高電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行水平，減少變電站的基建投資，提高變電站自動化水平，并為推廣變電站無人值班提供了有效手段，也為事故處理和恢復系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)條件，并將最終提高電力系統(tǒng)的自動化水平和管理水平，因而已成為當前我國電力工業(yè)推行技術(shù)進步的重點技術(shù)之一。

變電站是電力系統(tǒng)中電能傳輸、交換、分配的重要環(huán)節(jié)，它集中了變壓器、開關(guān)、無功補償?shù)劝嘿F設(shè)備。因此，對變電站綜合自動化系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力、工作靈活性和可擴展性的要求很高，尤其是無人值班變電站。綜合自動化系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的故障信息要及時上報控制中心，同時也要能接受和執(zhí)行控制中心下達的各種操作和調(diào)控命令[1]。

概括起來，變電站綜合自動化系統(tǒng)是集保護、測量、計量、控制和遠動等功能于一體，通過數(shù)字通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)信息共享的一套微機化的二次設(shè)備及系統(tǒng)[2]。

1 變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)

變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)負責完成收集站內(nèi)各間隔層裝置采集的信息，完成分析、處理、顯示、報警、記錄、控制等功能，完成遠方數(shù)據(jù)通信以及各種自動、手動智能控制等任務(wù)。其主要由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、人機聯(lián)系、遠方通信和時鐘同步等環(huán)節(jié)組成，實現(xiàn)變電站的實時監(jiān)控功能[3]。

變電站綜合自動化系統(tǒng)中，監(jiān)控軟件充當站內(nèi)保護、測量、控制以及通訊裝置與變電站運行人員之間的接口，要求其一方面能夠接收站內(nèi)保護測量裝置上傳的數(shù)據(jù)源信息，對數(shù)據(jù)進行一系列處理后，將結(jié)果通過人機界面反映給運行人員；另一方面能接受站內(nèi)運行人員的控制命令，將其下發(fā)給保護裝置，實現(xiàn)遙控操作，而同時，監(jiān)控系統(tǒng)還在變電站與遠方調(diào)度的關(guān)系中擔任著上傳數(shù)據(jù)信息、下達遙控命令的角色。因此，監(jiān)控軟件在變電站綜合自動化系統(tǒng)乃至電網(wǎng)自動化系統(tǒng)都起到重要的作用[4]。

監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)變電站綜合自動化的核心，其完成的基本功能如下：

1）“四遙”功能的實現(xiàn)，即遙測、遙信、遙控、遙調(diào)；

2）主變檔位的采集；

3）微機保護的通信聯(lián)系；

4）微機五防系統(tǒng)的通信聯(lián)系；

5）其他智能設(shè)備的通信聯(lián)系；

6）實現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一校時[5]。

監(jiān)控軟件可以將監(jiān)視、控制、測量、錄波、繼電保護、安全自動裝置、通訊、遠動等多種功能綜合于一體，構(gòu)成一套綜合自動化系統(tǒng)，保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟、安全、可靠、穩(wěn)定運行，可實現(xiàn)變電站少人值班或無人值守。

變電站自動化系統(tǒng)作為一個完整與協(xié)調(diào)的系統(tǒng)進行統(tǒng)一設(shè)計，在吸收世界先進技術(shù)基礎(chǔ)上，采用完全的分層分布式結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)以變電站層與間隔層兩層設(shè)備構(gòu)成，功能齊全、配置靈活、具有極高的可靠性。

2 變電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 基本結(jié)構(gòu)

變電站綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)備配置分成兩個層次，即變電站層和間隔層。

變電站層即站級主站層。站級工作站一般主要由操作員工作站、五防終端、遠動主站及工程師工作站組成，對于事故分析處理指導和培訓等專家系統(tǒng)，以及用戶要求的其他功能的工作站則可根據(jù)需要增減。

變電站綜合自動化系統(tǒng)一般都可以適應(yīng)各種不同的硬件配置，當系統(tǒng)規(guī)模較小時，監(jiān)控系統(tǒng)可以安裝在一臺PC機上，規(guī)模較大時監(jiān)控系統(tǒng)則可以由多臺PC機及一體化工控機主站組成，取消了常規(guī)控制、模擬屏等。

間隔層是繼電保護、測控裝置層。它對相關(guān)設(shè)備進行保護、測量和控制，提供與系統(tǒng)配套的網(wǎng)絡(luò)接口。各間隔單元保留應(yīng)急手動操作跳、合手段，各間隔單元互相獨立、不互相影響。

2.2 變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的變電站基本配置

2.2.1 變電站層

變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的變電站層設(shè)備通常有監(jiān)控主站、繼保工程師站、VQC/接地選線、五防工作站、遠動主站和打印機、UPS、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、音響報警等。主站設(shè)備根據(jù)需要選配，其中前四項主站軟件模塊可安裝于單臺計算機中運行，也可安裝于多臺計算機中獨立運行。

2.2.2 監(jiān)控主站

監(jiān)控主站是變電站內(nèi)的主要人機交互界面，它收集、處理、顯示和記錄間隔層設(shè)備采集的信息，并根據(jù)操作人員的命令向間隔層設(shè)備下發(fā)控制命令，從而完成對變電站內(nèi)所有設(shè)備的監(jiān)視和控制。有時監(jiān)控主站也叫做人機接口HMI。

監(jiān)控主站實現(xiàn)以下主要功能：

與間隔層裝置通信，獲得實時信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理；

多種形式的實時信息顯示：單線圖、線路分圖、棒圖、曲線等；

操作控制功能：通過屏幕/鼠標/鍵盤，可操作控制開關(guān)、刀開關(guān)、壓板等可控對象；

各種重要數(shù)據(jù)的保存為歷史數(shù)據(jù)查詢、事故分析及制作報表曲線等提供準備；

靈活多樣的報警處理：通過彈出報警窗口、圖形閃爍、聲音等形式及時向值班人員發(fā)出事故和預告警報，提醒值班人員及時處理；

歷史數(shù)據(jù)瀏覽：通過該模塊可以查詢各種歷史報警信息，如遙信變位，遙測越限，保護信息及人員操作信息等；

用戶的權(quán)限管理：系統(tǒng)管理員、維護人員、操作人員等被賦予不同權(quán)限，只有被授權(quán)人員才能進行相應(yīng)權(quán)限的操作，其操作行為將被記錄在歷史數(shù)據(jù)庫內(nèi)，以備查詢；

各種日志、報表和曲線圖的生成與打印。

2.2.3 工程師站

工程師站的主要功能為：

監(jiān)視、查詢和記錄保護設(shè)備的運行信息；

監(jiān)視、查詢和記錄保護設(shè)備的告警、事故信息及歷史記錄；

查詢、設(shè)定和修改保護設(shè)備的定值；

查詢、記錄和分析保護設(shè)備的分散錄波數(shù)據(jù)；

投切保護設(shè)備軟壓板等

2.2.4 遠動主站

變電站通過通訊處理機實現(xiàn)遠動功能，通訊處理機的主要功能特色為：

提供多種通訊接口：LonWorks、CAN、工業(yè)以太網(wǎng)、RS232/485/422，并可根據(jù)需要擴展，CSE系列通訊處理機可提供多個電以太網(wǎng)接口，多個485接口或232接口，LonWorks網(wǎng)絡(luò)接口，CAN網(wǎng)絡(luò)接口；

可以支持多種常用的通信規(guī)約：內(nèi)嵌了IEC60870-5-101、IEC60870-5-102、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、DNP3.0、部頒CDT、SC1801、MODBUS等通用協(xié)議，并可根據(jù)要求增加新的規(guī)約；

各種接口和規(guī)約可以根據(jù)需要靈活配置，遙信、遙測等信息點的容量能滿足各種系統(tǒng)的要求；

與各種常用GPS接收機通信，實現(xiàn)對變電站間隔層裝置的GPS對時；

可根據(jù)需要冗余配置，提高可靠性。

2.2.5 VQC功能

VQC的功能是監(jiān)視變電站的電壓、無功情況，并在電壓或無功不滿足要求時根據(jù)預定義的調(diào)節(jié)策略自動投切變壓器分接頭和/或投退電容器組。

通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)獲得有關(guān)信息，包括有關(guān)節(jié)點的電壓、電流、功率因數(shù)、有關(guān)斷路器和刀開關(guān)的位置信息等，電壓、無功控制主站或監(jiān)控主站按照預定的九域圖控制原則做出控制決定。在需要調(diào)節(jié)主變分接頭時，由主站發(fā)令通過監(jiān)控網(wǎng)傳輸給相應(yīng)主變的測控裝置CSF202執(zhí)行，需要投切電容器時，由相應(yīng)的電容器保護裝置執(zhí)行。

變電站綜合自動化系統(tǒng)能提供變壓器的分接頭調(diào)節(jié)和16組電容器的投切，另外也可考慮用戶的特殊要求，能自動識別整個變電站的運行工況，能根據(jù)用戶定義的時區(qū)范圍自動切換工作定值區(qū)，自動判斷并調(diào)節(jié)分接頭，自動判斷外部條件實現(xiàn)對所有電容器組的有效投切，實現(xiàn)對變電站的母線電壓和功率因數(shù)的綜合調(diào)節(jié)。

2.2.6 五防工作站

五防工作站的主要功能是對遙控命令進行防誤閉鎖檢查，自動開出操作票，確保遙控命令的正確性。此外，五防工作站通常還提供編碼/電磁鎖具，確保手動操作的正確性。

五防工作站通常由用戶單獨采購，具體信息請參見相關(guān)產(chǎn)品的文檔。

2.27 間隔層設(shè)備

間隔層設(shè)備一般包括測控裝置、保護及其他智能電子裝置。在間隔內(nèi)，110kV及以上電壓等級的繼電保護和測控裝置是相對獨立的，在110kV以下電壓等級采用保護、測量、控制三合一裝置，但在設(shè)計中盡量保持保護和測控功能分開。

2.3 網(wǎng)絡(luò)介紹

變電站層可采用10M/100M工業(yè)以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)，可采用單網(wǎng)或雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，間隔層采用工業(yè)現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)。

通信網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)需要冗余配置（雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)），熱備用方式運行，以提高可靠性。

2.3.1 物理介質(zhì)

采用工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)時，通信電纜采用屏蔽雙絞線。

采用工業(yè)以太網(wǎng)時，支持10M/100M電以太網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)。

如需光纖連接站端和間隔層，通過光纖收發(fā)器完成。

變電站層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括集線器、通訊網(wǎng)關(guān)CSE系列和電纜／光纜。集線器、電纜/光纜和光電/電光轉(zhuǎn)換設(shè)備可以采用通用的工業(yè)器材。

2.3.2 通信協(xié)議

系統(tǒng)支持基于工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)CSCL2000內(nèi)部通訊協(xié)議、ModBus、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104等國際標準協(xié)議。滿足與其他系統(tǒng)互操作性和接口。

3 變電站綜合自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

3.1 Lonworks通訊1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

變電站中保護裝置為Lonworks通訊，上位機為Lonworks通訊，監(jiān)控計算機需配置Lonworks卡（ISA接口）， CSE201轉(zhuǎn)發(fā)遠動（2路RS232口支持CDT/101/DNP等規(guī)約；1路以太網(wǎng)支持104規(guī)約），如圖1所示。

3.2 Lonworks通訊2（老站常用方式）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

變電站中保護裝置為Lonworks通訊，上位機為以太網(wǎng)通訊，CSE101轉(zhuǎn)發(fā)當?shù)乇O(jiān)控， CSE201轉(zhuǎn)發(fā)遠動（2路RS232口支持CDT/101/DNP等規(guī)約；1路以太網(wǎng)支持104規(guī)約），如圖2所示。

圖1 Lonw orks通訊1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖2 Lonworks通訊2（老站常用方式）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

由于一臺CSE901只能運行一種程序，因此有幾種需要接入的設(shè)備就要有幾臺CSE901。

3.3 Lonworks通訊3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

變電站中保護裝置為Lonworks通訊，上位機為以太網(wǎng)通訊，CSE101轉(zhuǎn)發(fā)當?shù)乇O(jiān)控， CSE201轉(zhuǎn)發(fā)遠動（2路RS232口支持CDT/101/DNP等規(guī)約），如圖3所示。

此種方式遠動不支持以太網(wǎng)104規(guī)約。

此種方式試用于裝置數(shù)量較多，CSE101的數(shù)量大于等于2臺，有助于減少CSE201的數(shù)量。

3.4 Lonworks通訊4系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

變電站中保護裝置為Lonworks通訊，上位機為以太網(wǎng)通訊，CSE101轉(zhuǎn)發(fā)當?shù)乇O(jiān)控， CSE600轉(zhuǎn)發(fā)遠動（12路RS232口支持CDT/101/DNP等規(guī)約；3路以太網(wǎng)支持104規(guī)約），如圖4所示。

圖3 Lonw orks通訊3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖4 Lonworks通訊4系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

3.5 Lonworks通訊5系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

變電站中保護裝置為Lonworks通訊，上位機為以太網(wǎng)通訊，CSE101轉(zhuǎn)發(fā)當?shù)乇O(jiān)控， CSE600轉(zhuǎn)發(fā)遠動（12路RS232口支持CDT/101/DNP等規(guī)約；3路以太網(wǎng)支持104規(guī)約），如圖5所示。

此種方式CSE600不但轉(zhuǎn)發(fā)遠動，還負責接入第三方設(shè)備。如新站選用的是Lonworks裝置，可以采用此種配置，用CSE600代替CSE901.

3.6 Lonworks通訊6系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

變電站中保護裝置為Lonworks通訊，上位機為以太網(wǎng)通訊，CSE101轉(zhuǎn)發(fā)當?shù)乇O(jiān)控， CSE600轉(zhuǎn)發(fā)遠動（12路RS232口支持CDT/101/DNP等規(guī)約；3路以太網(wǎng)支持104規(guī)約），如圖6所示。

此種方式通過增加1臺CSE600實現(xiàn)接入于轉(zhuǎn)出分離，適用遠動要求較高的電力系統(tǒng)用戶。

圖5 Lonworks通訊5系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖6 Lonw orks通訊6系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

3.7 以太網(wǎng)通訊1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

變電站中保護裝置為單以太網(wǎng)通訊，上位機為以太網(wǎng)通訊， 一臺CSE600轉(zhuǎn)發(fā)（12路RS232口支持CDT/MODBUS/103等規(guī)約；3路以太網(wǎng)支持103規(guī)約），一臺CSE600遠動（12路RS232口支持CDT/101/DNP等規(guī)約；3路以太網(wǎng)支持104規(guī)約），如圖7所示。

就地安裝的交換機根據(jù)需求配置，選用原則應(yīng)考慮DC220V（110V）供電，工業(yè)級，抗干擾強。

3.8 以太網(wǎng)通訊2（新站常用方式）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

變電站中保護裝置為單以太網(wǎng)通訊，上位機為以太網(wǎng)通訊， CSE600轉(zhuǎn)發(fā)遠動（12路RS232口支持CDT/101/DNP/MODBUS/103等規(guī)約；3路以太網(wǎng)支持104/103規(guī)約），如圖8所示。

3.9 以太網(wǎng)通訊3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖7 以太網(wǎng)通訊1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖8 以太網(wǎng)通訊2（新站常用方式）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

變電站調(diào)度系統(tǒng)采用光纖進行通訊，如圖9所示。

圖9 以太網(wǎng)通訊3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖10 以太網(wǎng)通訊4系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

3.10 以太網(wǎng)通訊4系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

變電站中保護裝置為雙以太網(wǎng)通訊，上位機為以太網(wǎng)通訊，一臺CSE600轉(zhuǎn)發(fā)（12路RS232口支持CDT/MODBUS/103等規(guī)約；3路以太網(wǎng)支持103規(guī)約），一臺CSE600遠動（12路RS232口支持CDT/101/DNP等規(guī)約；3路以太網(wǎng)支持104規(guī)約），如圖10所示。

4 結(jié)束語

隨著無人值守變電站管理模式的全面推廣，在監(jiān)控中心通過現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)對所屬變電站實現(xiàn)遠程實時視頻監(jiān)控、遠程故障和意外情況告警接收處理，可提高變電站運行和維護的安全性及可靠性，并可逐步實現(xiàn)電網(wǎng)的可視化監(jiān)控和調(diào)度，使電網(wǎng)調(diào)控運行更為安全、可靠。本文提出多種網(wǎng)絡(luò)哦結(jié)構(gòu)圖，可以針對不同通訊方式，直接選擇監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，對于后期調(diào)試和布線起到很好的參考作用。

[1]黑龍江省電力調(diào)度中心變電所自動化實用技術(shù)及應(yīng)用指南[M].北京;中國電力出版社,2004.

[2]朱松林.變電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2008.

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[5]國家電力調(diào)度通信中心編著.國家電網(wǎng)公司繼電保護培訓教材[M].北京:中國電力出版社,2009.