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摘 要：在分析了常用變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及常用系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于4層結(jié)構(gòu)模型的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。它實(shí)際采用的是一種分層的功能模塊化設(shè)計(jì)思想，硬軟件可做到模塊化、通用化，能根據(jù)不同類型變電站的一次接線方式實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)配置。整個(gè)系統(tǒng)的可靠性較高，可維護(hù)性和開放性較好。文中較詳細(xì)地闡述了該系統(tǒng)的構(gòu)成和原理。
關(guān)鍵詞：變電站綜合自動(dòng)化；智能電子設(shè)備；體系結(jié)構(gòu)；變電站

　　
　　1 引言
        計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、多媒體技術(shù)和智能控制技術(shù)等在電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)代通信等技術(shù)將變電站所有二次設(shè)備（包括控制、信號(hào)、測(cè)量、保護(hù)、自動(dòng)裝置及遠(yuǎn)動(dòng)裝置等），經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)變電站執(zhí)行自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、控制和協(xié)調(diào)來提高變電站運(yùn)行效率和管理水平的一種綜合性的自動(dòng)化系統(tǒng)。它完全取代了常規(guī)監(jiān)視儀表、操作控制屏柜、模擬屏柜、中央信息系統(tǒng)、變送器及常規(guī)遠(yuǎn)動(dòng)裝置等設(shè)備，提高了變電站的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)取代或更新傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)已成為目前電力系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。本文分析了目前變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)幾種典型的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了一種新型四層變電站綜合自動(dòng)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

        變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)思想分可分為集中式、分布式和分散(層)分布式；按安裝物理位置分則可分成集中組屏、分層組屏和分散在一次設(shè)備間隔安裝等形式。

　　2 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)
　　2.1 集中式結(jié)構(gòu)
         集中式的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按信息類型劃分功能。采用這類結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)其功能模塊與硬件無關(guān)，各功能模塊的連接通過模塊化軟件實(shí)現(xiàn)，信息是集中采集、處理和運(yùn)算的。受計(jì)算機(jī)硬件水平的限制，該結(jié)構(gòu)在早期自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用較多，圖1是一種較典型的集中式結(jié)構(gòu)[1]。此類結(jié)構(gòu)對(duì)監(jiān)控主機(jī)的性能要求較高，且系統(tǒng)處理能力有限，開發(fā)手段少，系統(tǒng)在開放性、擴(kuò)展性和可維護(hù)性等方面較差，抗干擾能力不強(qiáng)。
　　2.2 分布式結(jié)構(gòu)
       分布式結(jié)構(gòu)則按功能設(shè)計(jì)，如按保護(hù)和監(jiān)控等功能劃分單元，分布實(shí)施。其結(jié)構(gòu)采用主從CPU協(xié)同工作方式，各功能模塊如智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）之間采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或串行方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分布式結(jié)構(gòu)有助于系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)，可靠性好，局部故障不影響系統(tǒng)其它模塊正常運(yùn)行。安裝方式有集中組屏和分層組屏兩種方式，較適合于中低壓變電站。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　 2.3 分散(層)分布式結(jié)構(gòu)
         分散(層)分布式結(jié)構(gòu)采用“面向?qū)ο蟆痹O(shè)計(jì)。所謂面向?qū)ο?，就是面向電氣一次回路設(shè)備或電氣間隔設(shè)備，間隔層中數(shù)據(jù)、采集、控制單元(I/O單元)和保護(hù)單元就地分散安裝在開關(guān)柜上或其他一次設(shè)備附近，相互間通過通信網(wǎng)絡(luò)相連，與監(jiān)控主機(jī)通信。目前，此種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在自動(dòng)化系統(tǒng)中較為流行，主要原因是： ① 現(xiàn)在的IED設(shè)備大多是按面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的，如專門的線路保護(hù)單元、主變保護(hù)單元、小電流接地選線單元等，雖然有將所有保護(hù)功能綜合為一體的趨勢(shì)，但具體在保護(hù)安裝接線中仍是面向?qū)ο蟮模?② 利用了現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，省去了大量二次接線，控制設(shè)備之間僅通過雙絞線或光纖連接，設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)備布置整齊，調(diào)整擴(kuò)建也很簡(jiǎn)單，成本低，運(yùn)行維護(hù)方便； ③ 系統(tǒng)裝置及網(wǎng)絡(luò)魯棒性強(qiáng)，不依賴于通信網(wǎng)和主機(jī)，主機(jī)或1臺(tái)IED設(shè)備損壞并不影響其它設(shè)備的正常工作，運(yùn)行可靠性有保證。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是功能分散，管理集中。分散（層）分布有兩層含義：其一，對(duì)于中低壓電壓等級(jí)，無論是I/O單元還是保護(hù)單元皆可安裝在相應(yīng)間隔的開關(guān)盤柜上，形成地理上的分散分布，如文獻(xiàn)[2]所示的系統(tǒng)；其二，對(duì)于110kV及以上的電壓等級(jí)，即使無法把間隔單元裝在相應(yīng)的開關(guān)柜上，也應(yīng)集中組屏，在屏柜上明確區(qū)分相應(yīng)間隔對(duì)應(yīng)的單元，在物理結(jié)構(gòu)上相對(duì)獨(dú)立，以方便各間隔單元相應(yīng)的操作和維護(hù)，如文獻(xiàn)[3]所討論的
上述3類變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的共同缺點(diǎn)是：由于電力通信規(guī)約的不兼容，不同接口需要進(jìn)行通信規(guī)約轉(zhuǎn)換，因而在通用性、開放性等方面的性能較弱，使用場(chǎng)合受到較大限制。

　　3 新型變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型
        計(jì)算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展使變電站信息綜合管理成為可能。將計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)引入變電站綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng)，已成為現(xiàn)在的一研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]提出了一種在500kV變電站引入信息管理的方案，它將變電站各IED設(shè)備通過專用網(wǎng)關(guān)設(shè)備直接接入以太網(wǎng)，站內(nèi)各監(jiān)控機(jī)、服務(wù)器、工作站接入同一網(wǎng)絡(luò)。但這種方案價(jià)格昂貴，技術(shù)復(fù)雜，協(xié)調(diào)困難，對(duì)不同接口需要進(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，維護(hù)工作量較大。就如何引入LAN進(jìn)行信息管理和處理電力通信規(guī)約轉(zhuǎn)換這兩個(gè)焦點(diǎn)問題，作為一種新模式的嘗試，參照IEC提出的3層標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，可將原有的過程層(process level )、間隔層(bay level)、站級(jí)層(station level)細(xì)化為過程層(process level)、二次設(shè)備控制層(secondary device control level)、通信管理層(management level)和信息管理層(inbbbbation management level) 4層。結(jié)合面向?qū)ο蟮姆謱臃植际浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了一種新型的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)體系4層結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)是解決通信管理層中的電力通信規(guī)約轉(zhuǎn)換問題和信息管理層中的變電站信息綜合管理問題。其系統(tǒng)功能主要體現(xiàn)在： 
①實(shí)現(xiàn)底層二次設(shè)備的控制智能化和數(shù)字化；
②實(shí)現(xiàn)變電站常規(guī)遠(yuǎn)動(dòng)功能；③實(shí)現(xiàn)變電站的信息集中管理和監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

　　

　　 3.2 系統(tǒng)分層及其功能
         系統(tǒng)共分4層，即信息管理層、通信管理層、二次設(shè)備控制層和生產(chǎn)過程層。生產(chǎn)過程層由變電站一次設(shè)備組成，是系統(tǒng)的最底層；二次設(shè)備控制層則由各智能設(shè)備（IED）組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)各自對(duì)象（母線、饋線、主變壓器、電容器等）的控制和保護(hù)功能；通信管理層由連接IED的現(xiàn)場(chǎng)總線和作為通用網(wǎng)關(guān)的主/備前置機(jī)系統(tǒng)組成，是系統(tǒng)的通信樞紐，負(fù)責(zé)站內(nèi)數(shù)據(jù)采集、連接站級(jí)計(jì)算機(jī)、連接遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等；信息管理層是系統(tǒng)的最高層，主要由站級(jí)計(jì)算機(jī)組成，包括服務(wù)器、工作站等，形成站內(nèi)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，運(yùn)行變電站SCADA/EMS(Supervisory Control and Data Acquisi-tion/Energy Management System) 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理、站級(jí)控制、人機(jī)接口等功能；面向變電站所有設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)在主/備服務(wù)器中的創(chuàng)建，而每個(gè)操作員工作站節(jié)點(diǎn)中均建有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，可采用雙以太網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)構(gòu)建。 


　　3.3 系統(tǒng)原理
         如圖4所示，二次設(shè)備控制層中的IED與生產(chǎn)過程中的一次設(shè)備接口，按相應(yīng)的規(guī)約直接實(shí)現(xiàn)信息的采集與控制調(diào)節(jié)，進(jìn)行存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，IED可通過光纖或現(xiàn)場(chǎng)總線與通信管理層連接，實(shí)現(xiàn)信息的收集與分配，不同類型的IED在二次設(shè)備控制層中不能直接進(jìn)行信息交換，而是經(jīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)總線通過前置機(jī)這個(gè)網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行信息交換。通信管理層中的前置機(jī)系統(tǒng)可同時(shí)接入多種電力通信規(guī)約的總線設(shè)備（可通過多串口卡實(shí)現(xiàn)），并且向上掛接在信息管理層網(wǎng)絡(luò)上，是局域網(wǎng)中的重要節(jié)點(diǎn)，起著收集站內(nèi)生產(chǎn)信息上傳和下發(fā)管理層控制信息的作用。變電站二次設(shè)備的各種數(shù)據(jù)測(cè)量、事件記錄、故障錄波與控制等所有功能全部在二次設(shè)備控制中實(shí)現(xiàn)，不依賴于站級(jí)計(jì)算機(jī)。在前置機(jī)系統(tǒng)中還可接入全球定位系統(tǒng) （bbbbbb bbbbbbbbing System，GPS）對(duì)時(shí)信號(hào)和串行Modem，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)功能。在此情況下，前置機(jī)系統(tǒng)相當(dāng)于一遠(yuǎn)方終端單元（Remote Terminate Unit，RTU）的功能。信息管理層中的SCADA系統(tǒng)通過參數(shù)數(shù)據(jù)的定義建立各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫并從前置機(jī)處獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，另由專門的線程分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)后再寫入歷史數(shù)據(jù)庫，各工作站節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)查詢則通過C/S模式從主/備服務(wù)器獲齲如果需要遠(yuǎn)程瀏覽，則可設(shè)置Web服務(wù)器，利用Modem與公用電話網(wǎng)撥號(hào)登錄站內(nèi)局域網(wǎng)，通過Web瀏覽器進(jìn)行瀏覽和查詢。此外，可在站內(nèi)設(shè)置遠(yuǎn)程網(wǎng)橋，遠(yuǎn)程工作站通過該遠(yuǎn)程網(wǎng)橋獲取本地局域網(wǎng)（LAN）信息等[5]。在信息管理層中，基于所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，也可在其中置入變電站綜合多媒體管理信息系統(tǒng)，通過專用網(wǎng)關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口與SCADA系統(tǒng)交換生產(chǎn)信息[6]。 
         綜上所述，4層結(jié)構(gòu)模式的提出，解決了在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施中的兩大瓶頸問題，即不同協(xié)議的IED的并網(wǎng)和開放式的變電站綜合信息管理?；谶@種4層結(jié)構(gòu)模式，可以靈活配置各種自動(dòng)化系統(tǒng)，滿足不同類型變電站的需要。如對(duì)不同的信息管理層的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，可選擇NT網(wǎng)、Novell網(wǎng)、UNIX網(wǎng)，甚至IBM的OS/2系統(tǒng)[7]也可通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)站內(nèi)多網(wǎng)并存。如對(duì)信息管理層中的現(xiàn)場(chǎng)總線，可選擇485/422口的MODBUS/RTU、CAN、LONWORKS、BITBUS、PROFIBUS等。此外，二次設(shè)備控制層可選用基于單片機(jī)的專用保護(hù)設(shè)備，也可選擇通用的可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）設(shè)備。

　　4 結(jié)束語
        將變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化成4層結(jié)構(gòu)，實(shí)際采用的是一種分層的功能模塊化設(shè)計(jì)思想，硬、軟件可做到模塊化、通用化。其設(shè)計(jì)思想結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明清晰、分工明確、網(wǎng)絡(luò)信息交換合理，根據(jù)不同類型變電站的一次接線，能實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)配置，是一種以智能設(shè)備和信息管理為核心的變電站二次回路整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。它要求整個(gè)系統(tǒng)各設(shè)備遵循IEEE、ISO和IEC等有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。二次設(shè)備控制層接入一個(gè)全開放式的總線網(wǎng)絡(luò)，能使硬件的增減、更換方便，加強(qiáng)了各節(jié)點(diǎn)的自治性和獨(dú)立性；信息管理層中通過服務(wù)器、工程師工作站等計(jì)算機(jī)組成LAN，便于與其它網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)。因此，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性較高，可維護(hù)性和開放性較好。



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