變電所綜合自動化系統的結構分析

晉城煤業集團鳳凰山礦機電管理部 王雙青

變電所綜合自動化系統的結構分析

晉城煤業集團鳳凰山礦機電管理部 王雙青

鳳凰山礦變電所綜合自動化系統應用已經日趨完善，但是具體使用過程中的原理對于操作人員來講并不是十分清晰，分析解決問題的能力還有些不足，本文結合KJ137在鳳凰山礦的應用，努力從變電所綜合自動化系統組成結構：站控層、通信層、間隔層進行分析，從而為操作人員解決實際問題提供借鑒、方法和途徑。

變電所；綜合自動化系統；結構分析

從變電所綜合自動化系統的結構體系可知，這種設計為面向對象的分層分布式結構系統設計，基本分為三層：站控層、通信層和間隔層。

一、站控層

站控層的功能特點：站控層為值班人員、調度運行人員提供變電所監視、控制和管理功能，界面友好、易于使用組件技術實現“即插即用”，能很好地滿足綜合自動化系統的需要，是整個變電所監視、測量、控制和管理的智能化中心。站控層設備包括：操作員站、遠動主站、繼保工程師站、微機五防系統網絡接口，預留大型電氣設備在線監測與診斷系統和遙視系統的網絡接口。

1.操作員站。KJ137操作員站實現的主要功能有：數據采集與處理、報警處理、事故追憶、數據庫建立和管理維護、歷史記錄處理、就地/遠方/主站控制、防誤閉鎖、雙綱雙網切換、電壓無功控制VQC、小電流接地選線等

2.遠動主站。KJ137遠動主站作為變電所對外的通信控制器，是變電所綜合自動化系統的一個重要組成部分。遠動主站直接連接到以太網上，同間隔層的測量和保護設備直接通信，通過周期掃描和突發上送等方式采集數據，創建實時數據庫作為數據處理的中樞，能夠滿足調度主站對數據的實時性要求。軟件采用模塊化設計，遵循開放性要求，提供高級數據訪問接口。在完成數據轉發工作的同時，可以實現對轉發數據信息的監視、原始網絡報文的監視，采用歷史數據庫保存事件記錄和事要的控制操作、瀏覽測控設備及保護設備全部數據以及方便的調試手段等當地監控功能。遠動主站數據處理能力強大、操作方便、人機界面友好。作為變電所自動化系統中的一個工作站，全部功能的實現具有獨立性，可作為變電所自動化系統中唯一的主站設備完成變電所自動化系統中測控設備及保護設備的數據轉發工作以及GPS全站對時等其他功能。遠動主站可以實現多種遠動通信規約，對電力系統的調度主站提供廣泛的支持，可同時支持5個調度主站并行工作。

3.繼電保護工程師站。KJ137繼電保護工程師站既可以作為變電所自動化系統的一個子站，也可以獨立于KJ137變電所自動化系統，與斷電保護裝置、故障錄波儀、安全自動裝置和相關網絡設備一起，構成“繼電保護及故障錄波信息處理系統”的子站系統。

二、通信層

1.通信系統的結構

通信系統是綜合自動化系統的核心。無論是下位機采集來的數據，還是上位機向下位機發送的命令，都須經過通信系統，通信是上下位機連接的橋梁。可靠、高速的通信系統是整個系統穩定、可靠運行的前提，總線式結構是一種常用的結構方式，如圖1所示。

這種系統因前置機過渡繁忙、可靠性差(任何一個下位機裝置的故障將影響整個系統)等缺點，使得它的使用受到很大的限制，隨著網絡和通信技術在變電所綜合自動化的應用，分層分布式綜合自動化系統的優點越來越突出，其結構如圖2所示。

根據系統的結構特點及功能劃分，可以把它分為三層：

第一層站控層。即最上層的變電所層，它擔負著人機接口、監視、管理和控制等主要任務。

第二層通信層。即變電所總線層，它擔任著整個變電所綜合自動化系統的信息通信工作，是采集控制裝置與上層機之間交換數據的橋梁，也起著將上層機的程序與下層采集、控制設備的類型脫離開來的作用，有利于程序的模塊化。

第三層間隔層。為圖2中最下層的線路保護裝置、變壓器保護裝置、備投裝置及其他微機控制裝置等智能終端，所有這些設備都可以以串行通信的方式向外發送數據，它們以總線型結構形式掛接在不同串行口上，各總線上掛接的模塊應滿足：

(1)相同規約的模塊掛在同一總線上，考慮到在間隔層傳輸的數據量不多，傳送速度也要求不高，通常采用IEC關于遠動的通信規約IEC870-5。

(2)總線用查詢方式，一條總線上的模塊個數X

2.傳輸數據的類型

變電站上位機與下位機的信息傳輸是雙向的。下位機經過通信模塊上傳實時數據信息，上位機也通過通訊模塊下發各種命令。

通信數據一般分為下面幾種：

(1)常規采集數據。包括模擬量、開關量和電度量。其中模擬量一般是下位機通過A/D轉換采得的數據，如：電壓、電流、頻率、功率等都屬于模擬量。

這些數據是直接對反映電力系統的狀態，同時也是監視的重要對象。開關量是現場斷路器的狀態量，只有兩種狀態0或1，可以為這兩種狀態分別命名。對某一個斷路器的位置狀態，可以命名狀態0為“合閘”，狀態1為“分閘”。電度量即有功電能和無功電能。

(2)事件順序記錄SOE。包括了斷路器跳合閘記錄、保護動作順序記錄等。

(3)故障錄波。記錄繼電保護動作前后與故障有關的電流量、電壓量等。

(4)遙控操作：遙控操作主要是通過當地監控主機對現場開關進行分、合閘操作以及保護功能的投入、退出等控制。

3.通信系統各層的功能及通信實現

(1)間隔層的功能

A)采集交流電流、電壓信號，并計算電流、電壓、有功功率、無功功率、頻率、最大和最小值、諧波等。

B)故障錄波、事件記錄、如低電壓、過負荷、電池不足等報警信息。

C)應上一層的數據請求，發送相應的數據(第二層和第三層之間的通信遵循嚴格的主從方式，第三層為從，只響應上一層的請求)。

D)執行上位機下發的控制命令，然后返回命令執行情況信息(命令反校)。E)設定和修改定值。

F)自診斷功能。出現故障時，生成報警信息，以待查詢。

(2)變電所通信層的功能

A)根據系統組態信息，自主地向各采集設備發送數據請求，并接受返回的數據包和解包，生成純數據。

B)向上一層提供實時數據。

C)管理上一層的控制命令和數據請求命令，執行規約解釋，然后轉發給采集設備，并接收命令反校。

D)通過查詢采集設備的報警信息及通信狀況，識別采集設備的故障。

(3)站控層的功能

A)圖形工作站。主接線、實時曲線圖、趨勢圖、報表、打印、遙測、遙信、電度量的顯示與監視，事故報警。

B)遙控、遙調操作。

C)與子系統通信，交換數據。

D)按規定的規則進行電壓無功控制。

E)數據庫管理。

F)事件順序記錄(SOE)，事故跳閘故障記錄功能。

G)在線自檢，自診斷、自恢復功能。

(4)各層功能的通信實現

系統的結構決定了系統的數據流可分為三類：第一類是上位機之間的數據交換：另一類為主站與間隔層之間的數據交換；三類是子站與子站之間的通信。圖3表示了數據流向。

子站和子站(智能終端)之間的通信?？紤]到變電所的智能終端宜于變電所內任何其他終端進行直接存取以共享數據的控制信息，通信宜采用平等對話方式(peer to peer)。一般采用局域網方式。

主站和子站之間的通信。這類通信的主要作用是獲得子站采集的實時數據和下發控制命令。經常使用的實時數據的請求、接收、下發命令都通過變電所總線完成，主站可隨時取得現成的實時數據而不需等待。

主站內部的通信。這一層是數據的管理中心，所有的實時數據、歷史數據、組態數據、事件記錄數據、管理數據(如值班員的姓名等信息)都在這里統一管理，并根據需要發給相應的應用程序或計算機。數據的一致性、安全性、實時性是至關重要的。主站和控制中心及遠動之間的通信。這類通信是通過上位機的串行口實現的。在綜合自動化系統中表現為變電所與調度聯系方式。調度通常要與多個變電所通信，在某一段時間里哪一個變電所有權與調度通信，需通過聯絡來確定。這種聯絡有循環數字式(CDT)和問答式(Polling)兩種傳送方式。

(1)循環數字式傳送方式(CDT)

這種傳送信息方式的特點是發送端按預定規律不斷向調度端發送字碼，不受調度端控制。由若干個碼字組成一幀，每幀的前面設置同步字，一幀信息發送完后，緊接著又發送下一幀遠動字，如表1所示。

CDT方式的主要缺點是完全不了解調度端的情況和要求，只適用于l:n點對點的通道結構。

(2)問答式傳送方式(Polling)

這種方式的主要特點是主控端發“召喚”代碼，受控端響應后傳送數據，因此傳送信息的主動權在主控端。主要優點是不但適用于點對點的傳送方式，還適用于共線式通道：主要缺點是在變電所一旦發生事故時，不能把緊急信息及時傳給主控端。為了克服此缺點，可在遙測字中設置“呼叫”位，作為傳送“緊急情況”的信號，或者主控端設置“呼叫”字，詢問各站是否有緊急情況要傳送，如有則優先傳送，然后再回到正常的循環傳送周期。

三、間隔層

間隔層就是按照不同的電壓等級、不同的電氣間隔單元、不同的控制對象分散在各個保護小室中，或是下放到高壓設備現場。在站控層或通信網絡故障的情況下，間隔層仍能獨立完成間隔層的監測和控制功能。

間隔層單元的功能：

1.模擬量采集與輸出

對于間隔層來說，采樣的模擬量主要有交流模擬量，個別也涉及直流量。間隔層單元可以直接從對應間隔或元件的TA，TV二次回路采樣，以實現對該間隔或元件交流模擬量的測量。

2.狀態量采集

在微機監控系統中，間隔層單元采集對應間隔的狀態量。這里只介紹雙位置與單位置信號。間隔中斷路器、隔離開關和接地開關等一次設備的位置狀態信號，采用雙位置信號方式輸入。所謂雙位置，是指利用間隔層裝置中的兩個狀態輸入點來采集設備的輔助觸點狀態(動斷觸點和動合觸點)。采用雙位置接點來采集狀態信號，可以避免用單位置觸點來采集狀態信號時可能引發對狀態信號的錯誤判斷，即用2位比特而不是單位置信號中的1位比特來表征一個開關的開合狀態，這樣00,O1,10,11，4種組合中只有2種是正確位置狀態，其余2種是不確定狀態，這顯然比0,1兩種狀態代表開合增加了碼元的抗干擾性，提高了狀態信號傳輸處理過程中的可靠性。在中低壓系統中，除了斷路器位置信號外，隔離開關和接地開關位置信號可以用單位置觸點來采集，以節省狀態輸入的數量。

間隔中的其他大多數信號都是單位置信號，如一次設備的一些告警量，如電機儲能、高壓開關的一些異常告警信號、變壓器的瓦斯告警信號，保護裝置和自動裝置的動作信號、交直流屏的告警信號等。

3.控制輸出

在變電站控制系統中，需要控制的對象很多，如斷路器、隔離開關、接地開關、分接頭調節這些雙命令控制，還有些諸如保護復歸、保護投退、接地試跳等一些單命令控制。所謂雙命令控制對象，是指被控對象需要兩個命令才能實現該對象的完整控制過程即合閘、分閘過程。

所謂單命令控制則是指被控對象只要一個命令就能完成其控制過程。

如圖4所示，圖(a)和圖(b)是常規的單、雙命令，間隔層單元在接收到控制命令后，將輸出接點閉合一段時間，如圖(c)所示，在原先圖(b)的基礎上，增加了一個公共出口繼電器CC，當間隔層單元在接收到控制命令后，CC繼電器和C+(或C-)繼電器聯動，這樣可以避免因C+或C一這兩個繼電器誤出口而造成對控制對象誤操作的事故。

4.通信功能

間隔層單元中的通信功能是通過各種通信接口來實現的，這些接口包括：與主控單元的系統接口、調試通信接口(主要是指用于參數下裝和信息讀取的接口，一般為RS232接口)、對時接口、與其他間隔層單元的通信接口。這里主要討論與主控單元的系統接口。

(1)接口類型。間隔層單元可支持多種通信接口，接口類型有串行接口(RS232/422/485等電氣接口以及光纖接口)、現場總線接口、工業以太網(RJ45)等。在本系統中，間隔層與主控單元通信采用RS485接口。

(2)間隔層單元與主控單元之間的連接方式：可以是星型，也可以是總線型。在本變電所系統中采用星型連接方式。為了提高控制系統可靠性，主控單元采用雙機冗余結構。

5.人機界面功能

在間隔層單元的前面板上有LCD顯示屏和按鍵，主要用于測量值的顯示，保護定值顯示和修改功能，遙信狀態的顯示和歸檔記錄功能，可自由定義接線圖組態和控制功能。

通過以上分析，對鳳凰山礦變電站綜合自動化系統的應用從系統結構上進行了詳細的研究和分析，從而為實際操作過程中遇到問題從系統構成層面進行分析解決提供了方法和途徑，以資借鑒。

[1]王明俊等.配電系統自動化及其發展[M].中國電力出版社,2000.

[2]唐濤.國內外變電站無人值班與綜合自動化技術發展綜述[J].電力系統自動化,1995,19.

王雙青（1975—），男，山西晉城人，大學本科，助理工程師，研究方向：煤礦機電管理技術、供電管理技術。