談變電站自動(dòng)化系統(tǒng)分析和實(shí)施

2013-09-22 14:08:48 米爾自動(dòng)化網(wǎng)　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

1、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的分析 1997年8月國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）的WG34 03工作組在《變電站內(nèi)數(shù)據(jù)流的通信要求》的報(bào)告中分析了變電站自動(dòng)化需完成63種功能，并將這些功能分為7個(gè)功能組：（1）遠(yuǎn)

1、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的分析

1997年8月國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）的WG34.03工作組在《變電站內(nèi)數(shù)據(jù)流的通信要求》的報(bào)告中分析了變電站自動(dòng)化需完成63種功能，并將這些功能分為7個(gè)功能組：

（1）遠(yuǎn)動(dòng)功能（四遙功能）；

（2）自動(dòng)控制功能（如有載調(diào)壓變壓器分接頭和并聯(lián)補(bǔ)償電容器的綜合控制（VQC）。電力系統(tǒng)低頻減載、靜止無功補(bǔ)償器控制、配網(wǎng)系統(tǒng)故障分段隔離/非故障段恢復(fù)供電與網(wǎng)絡(luò)重組等）；

（3）測(cè)量表計(jì)功能（如三相智能式電子電費(fèi)計(jì)量表等）；

（4）繼電保護(hù)功能；

（5）與繼電保護(hù)有關(guān)的功能（如故障錄波、故障測(cè)距、小電流接地選線等）；

（6）接口功能（如與微機(jī)五防、繼電保護(hù)、電能計(jì)量、全球定位系統(tǒng)（GPS）等IED的接口）

（7）系統(tǒng)功能（與主站通信，當(dāng)?shù)豐CADA等）。

所有能實(shí)現(xiàn)這些功能的設(shè)備，目前統(tǒng)稱為智能式電子儀表（IED）。變電站自動(dòng)化的目的，就是實(shí)現(xiàn)這些IED的信息共享，由此可減少變電站使用的電纜數(shù)量和造價(jià)，提高變電站的運(yùn)行和安全可靠性，并減少維護(hù)工作量和提高維護(hù)水平。

應(yīng)注意的是：

（1）上述自動(dòng)化設(shè)備均應(yīng)責(zé)任分明、互不干擾。

（2）要特別重視繼電保護(hù)設(shè)備的安全可靠、不能影響到繼電保護(hù)設(shè)備的電磁兼容性的要求。

根據(jù)變電站自動(dòng)化的目的，為實(shí)現(xiàn)信息共享需采用分層結(jié)構(gòu)：變電站層（與上級(jí)調(diào)度中心通信、當(dāng)?shù)豐CADA等）、網(wǎng)絡(luò)層（用以實(shí)現(xiàn)各種IED的信息集成），間隔層（各種IED）和設(shè)備層（高壓一次設(shè)備）。

    2、用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化，網(wǎng)絡(luò)層的性能是相當(dāng)重要的，它承擔(dān)將運(yùn)動(dòng)設(shè)備、繼電保護(hù)設(shè)備，各種自動(dòng)控制設(shè)備及電費(fèi)計(jì)量等智能電子儀表進(jìn)行集成的功能。20世紀(jì)90年代中發(fā)展成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線（fieldbus）是實(shí)現(xiàn)IED集成的較為優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）提出現(xiàn)場(chǎng)總線概念。其定義為：現(xiàn)場(chǎng)總線是連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的儀表與設(shè)置在控制室內(nèi)控制設(shè)備的數(shù)字化、串行、雙向、多變量、多節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS，fieldbuscontrolsystem）定義為：由各種現(xiàn)場(chǎng)儀表通過互聯(lián)與控制室內(nèi)人機(jī)界面所組成的系統(tǒng)，它是一個(gè)全分散、全數(shù)字化、全開放和可操作的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)。

采用現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）在結(jié)構(gòu)上改變了傳統(tǒng)的輸入/輸出（I/O）模塊，而將其并入現(xiàn)場(chǎng)智能電子儀表（IED），并統(tǒng)稱為節(jié)點(diǎn)（node）。

（2）所有信號(hào)均為雙向，管理人員在控制室內(nèi)就可監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

（3）全數(shù)字化通信，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。

（4）現(xiàn)場(chǎng)總線均定義了用戶層協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)互操作性，滿足真正開放性的要求。統(tǒng)一的通信協(xié)議和組態(tài)方式使不同廠家的產(chǎn)品可互連、互換和互操作。

（5）簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和安裝。因現(xiàn)場(chǎng)總線僅為一條雙絞線，可連接很多現(xiàn)場(chǎng)儀表，使布線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并節(jié)省大量電纜，簡(jiǎn)化了安裝。

（6）各節(jié)點(diǎn)應(yīng)能自診斷，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)故障，應(yīng)能自動(dòng)停運(yùn)，而不影響其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。

（7）易于實(shí)現(xiàn)設(shè)備擴(kuò)充和產(chǎn)品改型。

目前世界上現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品有美國(guó)Echelon公司生產(chǎn)的LonWorks網(wǎng)，德國(guó)Bosch公司設(shè)計(jì)的CAN網(wǎng)、西門子公司的Profibus網(wǎng)等。

由于目前變電站中所使用的各種自動(dòng)化設(shè)備和繼電保護(hù)裝置并不是采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)或不是采用為集成變電站自動(dòng)化IED的某種現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，所以有必要設(shè)計(jì)一個(gè)集成節(jié)點(diǎn)，使不同廠家、不同網(wǎng)絡(luò)的IED能接到所選的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)上。

由于1999年10月在日本京都召開的第63屆IEC年會(huì)上已將LanWorks排除在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之外，因此必須對(duì)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品予以特別關(guān)注。

即使LonWorks并未列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但由于國(guó)內(nèi)有生產(chǎn)與其適配的產(chǎn)品的廠商，也有不少用戶使用LonWorks，所以在本文中仍對(duì)具LonWorks的特點(diǎn)及有關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行介紹。

LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)是一種使用較為廣泛的全分布智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的成熟產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)不受限制，可以是雙絞線、光纖、電力線、無線、紅外線等，并可在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用。

LonWorks網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)是：

（1）基本元件為Neuron神經(jīng)元芯片。它具備通信和控制功能，并且固化了ISO/CSI全部七層協(xié)議，以及34種常見的I/O控制對(duì)象。

（2）將以太網(wǎng)CSMA協(xié)議改造為PredictiveP-PersistentCSMA協(xié)議。此協(xié)議保留了以太網(wǎng)偵聽多重訪問的優(yōu)點(diǎn)，克服了在控制應(yīng)用上的缺點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地分布在最小為16個(gè)隨機(jī)時(shí)間槽的不同延遲水平上。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)所有節(jié)點(diǎn)只隨機(jī)分布在16個(gè)槽上。當(dāng)估計(jì)到負(fù)荷增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)將分布在更多的時(shí) 間槽上，增加的槽的數(shù)量由n來決定。n為信道上積壓的工作的估計(jì)（由1到63），它表示下一次要發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)數(shù)。并有選擇地提供優(yōu)先級(jí)機(jī)制以提高對(duì)重要數(shù)據(jù)包的響應(yīng)時(shí)間。

（3）Neuron神經(jīng)元芯片是LonWorks技術(shù)的核心，它有3個(gè)8位CPU分別完成介質(zhì)訪問、網(wǎng)絡(luò)處理和應(yīng)用處理。

（4）網(wǎng)絡(luò)通信采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法稱為“網(wǎng)絡(luò)變量”，使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置。

（5）通信的每幀有效字節(jié)數(shù)可從0到228B。

（6）通信速率：1.25Mb/s，雙絞線，有效距離130m;78kb/s，雙絞線，有效距離2700m。

（7）LonWroks網(wǎng)的通信協(xié)議稱為L(zhǎng)onTalk協(xié)議，其互操作性標(biāo)準(zhǔn)為L(zhǎng)onMark，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)操作系統(tǒng)為L(zhǎng)NS。

（8）LonTalk 協(xié)議定義了域、子網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)地址的分層邏輯尋址方式。一個(gè)子網(wǎng)最多可包括127個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)域中最多可定義255個(gè)子網(wǎng)，這樣在一個(gè)域內(nèi)最多可有 32385（255×127）個(gè)節(jié)點(diǎn)。域是一個(gè)或多個(gè)信道上節(jié)點(diǎn)的邏輯組合。通信只能在配置于同一個(gè)域的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行。多個(gè)域可使用相同的信道。域可以防止不同網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的互相干擾。

（9）LonWorks網(wǎng)可通過網(wǎng)關(guān)RTLE-KT-03001與以太網(wǎng)連結(jié)。亦可通過網(wǎng)關(guān)WBLE-KT-00001與Internet網(wǎng)或中國(guó)電力信息數(shù)據(jù)交換網(wǎng)連結(jié)。這兩種網(wǎng)關(guān)均由美國(guó)CoactiveNetworks公司生產(chǎn)。

美國(guó)iIexSystemsInc公司已生產(chǎn)了采用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，其集成節(jié)點(diǎn)稱為串口節(jié)點(diǎn)（sorialnode）。每個(gè) 串口節(jié)點(diǎn)用同一種規(guī)約可連接256×8個(gè)遙信量、128×8個(gè)遙測(cè)量和32×8個(gè)遙控量。一個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可連結(jié)64個(gè)串口節(jié)點(diǎn)。此串口節(jié)點(diǎn)具有豐富的通信規(guī)約，如中國(guó)電力部部頒CDT，DNP3.0，Modbus，SC1801，Har- ris5000/6000，HDLC，QDIP（Quantum電表），PG&E2179（Cooper4C/CL4C/SA）等，可與不同廠家、不同網(wǎng)絡(luò)的IED相連，如SEL公司的繼電保護(hù)裝置，美國(guó)斯倫貝謝公司的Quantum電量計(jì)費(fèi)表，南自院系統(tǒng)所生產(chǎn)的微機(jī)五防裝置等連接。為實(shí)現(xiàn)信息共享，只要進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，各種IED都能集成到LonWorks網(wǎng)上。而且通過此串口節(jié)點(diǎn)集成的各種IED，可互不干擾。能在不停電運(yùn)行情況下對(duì)串口節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行新IED的連接和規(guī)約調(diào)試，且不影響變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行。

iLex公司同時(shí)設(shè)計(jì)了滿足LonWorks網(wǎng)的遠(yuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，如遙測(cè)節(jié)點(diǎn) （A-32）、遙信節(jié)點(diǎn)（I-64）、遙控SBO節(jié)點(diǎn)（C-16）、交流采樣節(jié)點(diǎn)等以滿足自動(dòng)監(jiān)控的需要。為與上級(jí)調(diào)度中心通信和管理LonWorks網(wǎng)，設(shè)計(jì)了通信節(jié)點(diǎn)（comm）。通信節(jié)點(diǎn)可有8個(gè)從通信節(jié)點(diǎn)、每個(gè)從節(jié)點(diǎn)可有各自的通信規(guī)約與主站通信；可各自對(duì)時(shí)，滿足不同主站對(duì)所需的SOE帶上各自的時(shí)標(biāo)，便于電力系統(tǒng)事故分析；還具有在自動(dòng)化系統(tǒng)不停電情況下，維修故障節(jié)點(diǎn)的能力，使平均無故障時(shí)間（MTBF）得以提高。

    3、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施中的問題

（1）變電站自動(dòng)化名稱問題

1997年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議WG34.03工作組在《變電站內(nèi)數(shù)據(jù)流的通信要求》報(bào)告中[1，2]已不提“變電站綜合自動(dòng)化”，只提“變電站自動(dòng)化”，取消了“綜合”這個(gè)詞。因?yàn)?ldquo;綜合”的含義不明確，具有二義性。此提法已被（IEC）同美國(guó)IEEE協(xié)商確定。“變電站自動(dòng)化”、“變電站自動(dòng)化系統(tǒng)”已被IECTC57技術(shù)委員會(huì)正式定義并編入標(biāo)準(zhǔn)名詞術(shù)語(yǔ)。

（2）關(guān)于繼電保護(hù)與遠(yuǎn)動(dòng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中所處的地位

    繼電保護(hù)的基本任務(wù)是，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時(shí)在可能實(shí)現(xiàn)的最短時(shí)間和最小區(qū)域內(nèi)自動(dòng)將故障的電力系統(tǒng)元件從系統(tǒng)中切除，或給出信號(hào)由值班人員消除異常工況的根源，以避免或減輕設(shè)備的損壞和對(duì)相鄰地區(qū)供電的影響。

電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)是在電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下確保電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地發(fā)供電，提高調(diào)度運(yùn)行管理水平的重要手段。遠(yuǎn)動(dòng)裝置（RTU）是為完成電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化在變電站中裝設(shè)的必不可少的自動(dòng)化裝置。

因此，繼電保護(hù)裝置與遠(yuǎn)動(dòng)裝置是完成不同任務(wù)的兩種裝置，在電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理中各行其責(zé)，互不干擾。

90 年代我國(guó)電網(wǎng)廣泛采用了微機(jī)保護(hù)裝置，將電力系統(tǒng)元件（發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、線路）的運(yùn)行參數(shù)（模擬量）通過低通濾波器濾去電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的高頻分量，只反映工頻量，然后經(jīng)過交流采樣和A/D轉(zhuǎn)換，形成離散數(shù)字量來完成保護(hù)電力系統(tǒng)元件的任務(wù)。

責(zé)任編輯：廖生玨

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