變電站綜合自動化技術綜述

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備(包括測量儀表、信號系統、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等)經過功能的組合和優化設計，再利用計算機技術、電子技術、通信和信號處理技術，實現對全變電站的主要設備和輸、配電線路的自動監視、測量、自動控制和微機保護，以及與調度中心進行通信。

變電站自動化包括以下內容。

（1）電氣量的采集，電氣設備的狀態監視、控制和調節。

（2）變電站運行的監視和操作。

（3）事故的瞬態電氣量的采集、監視和控制，并迅速切除故障，及恢復操作。

（4）將變電站所采集的信息傳送給調度中心及檢修中心。

變電站實現自動化的優越性：提高供電質量和電壓合格率；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。

變電站自動化系統的發展過程與集成電路技術、微計算機技術、通信技術和網絡技術密切相關。從國內外的技術發展來看，變電站自動化系統的結構由早期的集中式微機控制系統發展為分層分布式的系統結構。在分層分布式系統結構中，每一層由不同的子系統組成。整個變電站的一、二次設備可分為3層，即變電站層((2層)、單元層(1層)和設備層((0層)，如圖1所示。

設備層主要指變壓器和斷路器、隔離開關及其輔助觸點，電流、電壓互感器等一次設備。

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控主機和負責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場總線或其他局域網絡實現數據信息的交換。

二、變電站綜合自動化系統的通信

變電站自動化系統的數據通信分為現場級間的通信和自動化系統與上級調度的通信兩部分。現場級通信主要解決自動化系統內部各子系統與上位機(監控主機)和各子系統間的數據通信和信息交換問題，它們的通信范圍是變電站內部。系統與上級調度通信是指必須兼有遠方終端接口(RTU)的全部功能，應該能夠將所采集的模擬和開關狀態信息，以及事件順序記錄等遠傳至調度端；同時應該能接收調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。

由于數據通信的重要性，經濟可靠的數據通信成為系統的技術核心，而由于變電站的特殊環境和綜合自動化系統的要求，使變電站綜合自動化系統內的數據網絡具有以下特點和要求。

（1）快速的實時響應能力。變電站自動化系統的數據網絡要及時地傳輸現場的運行信息和操控信息，在電力工業標準中對系統的數據傳送都有嚴格的實時性指標。

（2）高抗干擾性及可靠性。變電站內通信環境惡劣，干擾嚴重，而電力系統通信網絡的故障和非正常工作會影響整個變電站綜合自動化系統的運行，因此通信子系統必須保證很高的可靠性。

（3）分層式結構。系統的各層都各具特殊的應用條件和性能要求，因此每一層都要有合適的網絡系統。

目前變電站自動化系統中的通信方式如下。

（1）星型通信系統方案：

星型通信系統以安裝于控制室的站級計算機為中心點，通過通信介質與分散在每一開關柜上的監控I/O設備和保護設備連接，形成1:N的連接形式。星型通信系統方案有以下特點。

①通常使用光纖作為通信介質，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采用串行通信實現互聯，比較簡單;

④星型連接連線較多，施工復雜;

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

（2）總線型通信系統方案：

這種方式以一條總線連接各分散的保護、監控設備及站級計算機。考慮到系統的可靠性及維護等因素，在變電站內部可以采用兩條或多條總線連接各個單元。總線型通信系統因總線類型的不同有多種應用形式，常見的有RS485方式、LonWorks現場總線方式以及CAN總線方式。

①基于RS-485總線技術的方案：

國內基于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，在應用中存在以下缺陷。

a.無法實現多主站信息互為備份的冗余設計；

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.對較小規模的系統，實時性可以得到保證，但隨著系統規模的擴大，系統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部使用，不能適用于分散安裝的變電站自動化系統。

②基于CAN總線技術的方案：

CAN(Controller Area Network)是控制器局域網的簡稱，是德國Bosch公司在1986年為解決現代汽車中測量控制部件之間的數據交換問題而開發的一種串行數據通信總線，已被列入ISO國際標準。CAN總線在變電站自動化中應用較多，與其他同類技術相比，在可靠性、實時性和靈活性方面具有獨特的技術優勢。

a.CAN網絡上任一節點均可在任一時刻主動向網絡上其他節點發信而不分主從,這樣可構成真正的多主系統；

b.參考模型只包括物理層和數據鏈路層兩層功能,如數據打包、拆包、發送、接收、校驗、編碼、解碼等,應用層和用戶層相應的軟件需用戶開發；

c.CAN網絡上的節點信息分成不同的優先級，可滿足不同級別的實時要求，高優先級的數據可在134μs內得到傳輸；

d.采用非破壞性仲裁技術，當兩個節點同時向網上發信時，優先級低的信文主動停止發送，而不影響優先級高的信文的發送，這樣網絡負載很大時，不會導致網絡癱瘓；

e.CAN的通信介質可為雙絞線、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.采用短幀結構，傳輸時間短，抗干擾能力強；

g.CRC校驗及其他校驗措施，大大改善了網絡糾錯能力。

圖2中使用CAN總線技術將一系列智能保護單元和主控I/O單元連成現場控制網，其網絡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網絡平臺。該總線通信接口卡完成ISO/OSI參考模型中的物理層和數據鏈路層兩層功能，如數據打包、拆包、發送、接收、校驗、編碼、解碼等，用戶只需開發應用層和用戶層相應的軟件即可。此方案簡單、組網方便、抗干擾能力強，被電力自動化設備業界大量采用。

但由于其每一報文要有一個唯一的標識，所以網絡的規模不可能太大，通常一個網絡能容納110個接點，可滿足35kV、110kV變電站級變電綜合自動化系統的需求。

③基于LonWorks網絡技術的方案：

LonWorks總線是一個開放的控制網絡平臺技術，其提供一個控制網絡構架，給各種控制網絡提供端到端解決方案，主要技術特點如下。

a.開放性、互操作性好。其通信協議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。其提供的神經元芯片幾乎包含了一個現場終端的大部分功能，七層規約中六層固化。減少了二次開發的工作量；

c.通信可靠性高。其協議規定部分優先級，使緊急數據優先傳輸，保證了實時性；

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

e.LonTalk協議支持分散的點對點的通信。節點可以組成總線型、環型、樹型等多種拓撲網絡結構。此外還可以組成自由拓撲結構。它是各種常規拓撲結構的組合；

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

g.系統分散性好。Neuron芯片采用超大規模、低功耗集成電路、密封式結構，防塵、防潮、防電磁干擾性能好，適用于變電站現場的惡劣環境。

如圖3所示，變電站內部有兩個LonWorks網絡，分別為監控網和錄波網。監控網用來傳送各種控制和狀態信息,錄波網則傳送電力系統故障錄波信息。網絡的通信速率為78kbps,最大通信距離為2km，通信介質為屏蔽雙絞線或光纖。每個保護裝置都帶有LonWorks網絡接口,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機可以聯到LonWorks網上。此方案簡單、方便可靠,適合于中、低壓變電站自動化系統。它已成功地用于很多35kV、110kV變電站。但當用于220kV及以上的大型高壓變電站時,由于網絡節點增多,網絡流量增大,78kbps網絡帶寬不夠因此,這種方案不適合于大型高壓變電站。

三、變電站自動化系統中的通信發展的趨勢及存在問題

隨著計算機技術和通信技術的發展，尤其是網絡技術的應用，以太網技術正被引入變電站自動化系統過程層的采集、測量單元和間隔層保護、控制單元中，構成基于網絡控制的分布式變電站自動化系統。與其他通信控制網絡相比，以太網有以下優點。

（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據。

（2）通信速度快。從最初的l0M己經發展到現在的10G。

（3）以太網技術的發展使其可作為工業控制網絡應用它可以滿足控制系統各個層次的要求，使企業信息網絡與控制網絡得以統一。

（4）技術成熟。受支持度最好，可直接利用大量現有產品組網。由于以太網應用最廣，受多種編程語言支持（如Java Visual、C++Visual、Basic等），也受到硬件開發商的高度重視，使以太網系統的價格相對低廉。

（5）互聯性、開放性好。直接與PC等設備相連，節點數量基本上無限制。

（6）設備成本低。

（7）可支持的傳輸介質多。有光纖、雙絞線、同軸電纜等。

（8）擴展性好、發展潛力大。以太網的傳輸速度有l0Mbps系統、100Mbps系統和1Gbps系統，甚至I0Gbps系統方便系統速度升級及擴展。

（9）國際上已將以太網確立為工業控制的標準(UCA、MMS、61850-104協議等)。

目前國內的變電站自動化廠家大多選用TCP/IP作為通信網的高層協議，采用TCP/IP協議的系統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議:傳輸控制協議TCP（Transmission Control Protocol）和用戶數據報協議UDP（User Datagram Protocol）。在大多數廠家的變電站自動化系統中，UDP得到了廣泛的應用，實踐表明UDP在快速傳輸突發性數據方而是比較便捷的。

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