220kV變電站通訊監控系統軟件分析

王福勝

摘要：變電站是電網中的重要節點，擔負著變換電壓等級、匯集電流、分配電能、控制電能的流向和調整電壓的功能。智能變電站是針對變電站的安全、可靠運行而建立起來的，基于微電子技術、信息技術和計算機技術的一種新型變電站。隨著電子式互感器，智能高壓電器、高速網絡通信技術等的發展，能夠為變電站提供更高層次的可靠、高效、穩定、開放的智能變電站系統應運而生。本次設計針對智能變電站進行了相關設備選型、綜合保護功能的設置以及對通信系統作了一些研究。選型方面主要根據額定值選擇并且校驗。保護功能主要有變壓器內部外部的各類短路、過流及不正常運行的整定計算;繼電保護部分主要是針對變壓器的保護，重點介紹變壓器的主保護和后備保護。通信部分主要介紹RS-485串行口標準和遠動技術的應用。變電站運行的各狀態量被變送器采集輸送到總線系統后，都要根據遠動通信規約轉換成對應的信息，才能被數據采集系統識別。

將網絡技術、通信技術和計算機技術綜合應用于變電站自動化系統中，并接入網絡。采用基于B/S的三層體系結構，將運行監測與辦公管理融為一體，實現了調度管理部門對繼電保護信息監測與管理的雙重需求。實例應用結果表明，該系統可大幅降低運行人員的勞動強度，為變電站的無人值班奠定了基礎。

關鍵詞：變電站;設備選型;繼電保護;遠動技術

一、監控自動化系統介紹

根據變電站綜合自動化系統的現狀和發展趨勢，微機自動化已經是當下發展的基石，在微機的基礎上更好的發展和研究。本文從設實現原理、整體結構、軟硬件部分、功能模塊的應用程序等方面對分層分布式變電站綜合自動化微機監控系統進行了分析，以及通過五防監控系統實現斷路器、隔離刀閘，接地刀閘的五防操作系統，還有微機自動化的高級應用終端的應用。對220kV變電站綜合自動化系統及其微機監控系統進行比較詳細地整體概述。對變電站綜合自動化微機監控系統的基本原理、系統結構進行分析。

監控綜合自動化系統，是對220kV系統電氣設備的監控，通過監控系統可以對設備的監測和控制，遠動信息的交換和控制，變電站設備管理，系統配置，監視和報警，操作員站畫面對主要電氣設備的運行參數和設備狀態監視。通過電氣主接線圖，可以監視設備的運行狀態、潮流方向、模擬量的瞬時值，監視綜合自動化系統本身的配置和狀態，當所采集的模擬量越線時，SOE窗口會彈出告警信息，提示監控人員時刻掌握設備運行狀態。利用軟件可以實現抄表系統的RTU監視，對設備的負荷實時監測和通過AGC和AVC實現對整個系統的負荷分配。

設備配置主要是圍繞功能展開的，例如我要實現變壓器的差動保護，需配備一塊Speam80系列的施耐德保護裝置（或者其他產品廠家），兩組電流互感器和一塊通訊裝置。通過電流互感器二次端子接入保護裝置，給Speam80軟件編程來實現變壓器斷路器的遙控合閘、保護跳閘和遙控分閘的功能，然后再通過通訊裝置配上通訊協議上傳到通訊管理機，然后再通過網絡交換機在通訊管理機時采時送保護裝置上傳的遙信、遙測、遙控、遙調、遙脈等數據到工作站的服務器，然后再通過通訊軟件PCS900或者PCS9700做數據庫組態和圖形組態，關聯到服務器存儲的遙信、遙測、遙控、遙調、遙脈等數據，就可以實現自動化監控的功能。

二、微機保護的優越性

微機保護子系統是變電站綜合自動化系統的關鍵環節，微機保護裝置與繼電器型或晶體管型裝置有不可比擬的優越性，微機保護裝置是由軟件和硬件結合起來實現保護功能的，因此在很大程度上，不同原理的繼電保護的硬件可以是一樣的，換以不同的程序即可改變繼電器功能，利用微計算機的邏輯判斷能力，很容易解決繼電保護中碰到要考慮因素太多時，利用模擬電路很難實現的問題，使繼電保護動作規律更合理，性能穩定，可靠性高。微機保護的功能主要取決于算法和判據，也即由軟件決定，對于同類型的保護裝置，只要程序相同，其保護性能必然一致，所以性能穩定。而晶體管型的繼電器的元器件受溫度影響大，機械式的繼電器運動機構可能失靈，觸點性能不良，接觸不好等。而微機保護采用了大規模集成電路，所以裝置的元件數目、連接線等都大大減少，因而可靠性高。微機保護利用微機的記憶功能，可明顯改善保護性能，提高保護的靈敏性。例如，由微機軟件實現的功率方向元件，可消除電壓死區，同時有利于新原理保護的實現。微機保護利用微機的智能，可實現故障自診斷、自閉鎖和自恢復。這是常規保護裝置所不能比擬的。體積小、功能全。由軟件可實現多種保護功能，可大大簡化裝置的硬件結構，可以在事故后，打印出各種有用數據。例如故障前后電壓、電流采樣值、故障點距離、保護的動作過程和出口時間等。運行工作維護工作量小，現場調試方便。可在線修改或檢查保護定值，不必停電校驗定值。由于微機保護具有突出的優越性，是今后繼電保護技術的發展方向，因此變電站綜合自動化系統中，采用微機保護是必然的趨勢。尤其是新建的變電站，如果條件許可，則應該采用變電站綜合自動化系統，全面提高變電站的技術水平。

三、220kV變電站監控系統概述

自動化變電站是一種新型變電站，應用了現代計算機技術、通信和信息處理技術、現代遠動技術、現代微電子技術等先進技術，使變電站的二次設備實現功能重組優化，以更好的實現對變電站一次設備的運行狀態進行測量、監控、控制和調配。智能變電站的主要任務是，完成對站內設備的信息共享，讓各設備之間完成信息的交換和數據分享，從而對變電站形成監視和控制。智能變電站的出現，取代了傳統變電站的二次設備，同時也簡化了傳統變電站的二次接線。智能變電站的推廣和應用是提高現代變電站安全穩定運行水平、降低運行維護成本、提高經濟效益、向用戶提供高質量電能的一項重要措施。把一些變電站常用功能智能化綜合在一起是智能變電站的一大特點，比如計算機技術，數據通訊，信息共享等。可以收集變電站及其主要線路上反映系統運行狀態的實時信息，對其加以識別和處理之后用于分析、統計制表、超限報警和安全監視等。

變電站運行人員在制定短期運行計劃（通常幾小時到幾個月之間）時，需要考慮資源的可利用程度、負載測算、系統功率互換、網絡結構等，使變電站在保證供電質量及系統穩定的前提下把運行費用降到盡可能低的水平。制定和執行短時運行計劃，使電力系統做到經濟運行。進行發電控制以保持系統的頻率，維持電壓水平穩定以保證供電質量。變電站可以實現對電力系統安全性等級做分析和預防性控制，在緊急情況下進行安全控制，防止事故的進一步擴大，在故障消除時執行恢復控制，電力系統又可以回到正常運行狀態。

3.1 自動化變電站的一些基本概念

SCADA系統：指變電站內微機監控系統或調度所內EMS系統或集控站系統。測控單元：指集中組屏的測控插箱。

分散式單元：指安裝于開關柜上的分散式單元。

插件：插在控制器或測控單元內的1塊集成電路板稱1個插件。

遠方：指變電站當地設備以外的其他地方，如調度所機房、監控主控制室。就地：指變電站所在地的設備。SOE：帶時間標志的事件順序記錄。COS：不帶時間標志的變化遙信。

口令：指監控系統裝置或后臺微機進行參數修改、設置時需要輸入的密碼。智能變電站是變電站發展的一個新的方向，綜合了計算機技術、繼電保護技術、通信技術、微電子技術等對變電站的運行進行實時監控。智能變電站的應用，可以使電力系統的故障率降低，提高供電配電質量，降低系統運行產生的成本。

3.2自動化變電站的系統構成

為了提高供電系統的自動化水平，確保供電的運行質量和可靠性，設置功能齊全、可靠性高、結構緊湊、操作簡單的變電所綜合自動化系統。該系統結構采用分層分布式，分層分布式的終端采用綜合保護裝置。

全廠電氣數據 中心設置在 ”22OkV總變內，設置電氣監控系統后臺（含 離線編程器），由以太網交換機（10OOM）、前置采集服務器、歷史數據服務器、SCADA服務器、DTS服務器、WEB數據服務器、PAS服務器、備機、工程師工作站、操作員工作站及服務器、打印機組成。在動力中心控制樓內設置全廠監控中心，由 以太網交換機、工程師、操作員工作站組成。動力中心綜合自動化裝置在動力中心控制樓內，設電氣監控系統后臺（含離線編程器），集中組屏和分布式相結合，各綜合保護裝置采用工業以太網或現場總線方式與前端機相連，前端機至后臺系統采用光纖。總變電所電氣監控系統后臺（含離線編程器），集中組屏和分布式相結合，各綜合保護裝置采用工業以太網或現場總線方式與前端機相連，前端機至后臺系統采用光纖。此外35kV區域變電所設電氣監控系統后臺（含離線編程器），但6kV變配電所不設置后臺系統只設通訊管理機，并與0.4kV綜合保護和監控系統所有上傳信號至全廠電氣數據中心。

3.2.1站控層設備

主機兼工程師工作站。用于整個計算機監控系統的維護、管理，可完成數據庫的定義、修改，系統參數的定義、修改，報表的制作、修改，以及網絡管埋維護、系統診斷等工作;負責收集、處理、存儲站控層數據;作為計算機監控系統的主要入機界面，用于圖形及報表顯示、事件記錄及報警狀態顯示和查詢，設備狀態和參數的查詢，

操作指導，操作控制命令的解釋和下達、閉鎖邏輯功能等。在進行維護和監控操作時應有可靠的登錄保護。主機兼操作員工作站按雙機冗余配置。站級控制層根據運行及操作權限不同，配置2個主機和 2臺操作員工作站、1臺工程師站，供運行監視及操作控制用，并且完成對系統軟件、數據庫的在線維護和修改：站級控制層通過以太網將這些設各與現場測控單元層互連，實現信息交換。

遠動通信設備應采用雙套專用獨立設各，直采直送通過專用通道點對點方式以及站內的數據網接入設備向各級調度傳送遠動信息;

公共接口設備：用于站內其他設備的接入的轉換終端，該設備為專用設備。

電力系統調度的遠程監控可分四個子系統：信息采集和命令執行子系統、信息傳輸子系統、信息采集和處理控制子系統、人機聯系子系統。

信息采集和命令執行子系統的作用是監控系統廠站端，通過輸入設備采集和處理一些狀態量后，在發送到調度端，并接受調度端的命令作出動作，通過命令輸出執行設備完成遙控和遙調等操作。

信息傳輸子系統的作用是，用通信機和信道組成的系統，完成調度端和廠站端的信息傳輸，解決兩站間距離較遠的問題。

信息采集處理和控制子系統用來收集各調度端從廠站端采集來的信息，經分析處理后，通過人機聯系子系統呈現給工作人員，并接受信息，對廠站下達調度指令。

人機聯系子系統用來將電力系統運行狀態量呈現給工作人員，實現的硬件有調度模擬屏、顯示器和打印機等，工作人員可操作鍵盤就對電力系統的運行狀態作出調整。

3.2.2網絡設備

（a）網 絡交換機。網絡交換機網絡傳輸速率 ≥1000Mbps（主 網絡采用1000M站內采用100M），構成分布式高速工業級雙以太網，應經過國家或電力工業檢驗測試中心檢測，支 持交流、直流供電。

（b）其 他網絡設備。包括光/電轉換器，接口設備（如光纖接線盒）和 網絡連接線、電纜、光纜等。

（c）測I/O控裝置。I/O測控裝置具有狀態量采集、交流采樣及測量、防誤閉鎖、同期檢測、就地斷路器緊急操作和單接線狀態及數字顯示等功能，對全站運行設備的信息進行采集、轉換、處理和傳送。I/O測控裝置還應配置有 “就地 /遠 方 ”切換開關。

3.3計算機監控系統功能

3.3.1數據采集和處理

計算機監控系統通過 I/O測控裝置實時采集模擬量、狀態量等信息量;通過公共接口設備接受來自其他通訊裝置的數據。

對所采集的實時信息迸行數字濾波、有效性檢杳，工程值轉換、信號接點抖動消除、刻度計算等加工。從而提供可應用的電流、電壓、有功功率、無功功率，功率因數等各種實時數據，并將這些實時數據帶品質描述傳送至站控層和各級調度中心。

I/O數據采集單元輸入量額定值：

CT二 次額定電流：1A

PT二 次額定電壓：100V（線電壓）

特 殊 量 輸 入：4～20mA，DC O～±5V

3.3.2數據庫的建立與維護

a）實時數據庫。存儲計算機監控系統采集的實時數據，其數值應根據運行工況的實時變化而不斷更新，記錄被監控設備的當前狀態;

b）歷史數據庫。對于需要長期保存的重要數據將存放在歷史數據庫中。

應提供通用數據庫，記錄周期為1分鐘 -1小時可調。歷史數據應能夠在線滾動存儲1年，無需人工干預。所有的歷史數據應能夠轉存到光盤或磁帶等大容量存儲設備上作為長期存檔。對于狀態量變位、事件、模擬量越限等信息，應 按時間順序分類保存在歷史事件庫中，保存時間可由用戶自定義為幾個月、幾年等。

調度管理系統是分布式網絡化系統，共享一套數據庫管理系統，人機交互系統和分布式支撐環境。系統各網絡功能節點可以集成在同一節點上，也可分散駐留于不同節點，配置靈活，每個單獨的系統都可獨立運行。

分布式SCADA系統調度端一般為局域網系統，其主要系統為數據服務器，WEB服務器，調度員工作站，維護工作站，通信前置機及打印機，模擬屏（大屏幕顯示器）等外設組成。

3.3.3計算機監控系統的控制輸出

控制輸出的接點為無源接點，控制輸出：1個獨立的合間接點、1個獨立的跳閘接點和 1個獨立的閉鎖接點。合閘、跳閘輸出，均應通過計算機監控系統閉鎖邏輯判斷。閉鎖接點應能實時正確反映隔離開關的閉鎖狀態，當滿足相關閉鎖條件就允許對該隔離開關進行操作時，該閉鎖輸出接點閉合，以接通電動操作機構的控制電源回路;且該接點應能長期保持，直到閉鎖條件不滿足時，該接點斷開以切斷電動操作機構的控制電源。

3.3.4調度端軟件

軟件從層次上來分，可分為三大類，即系統軟件、支持軟件和應用軟件。系統軟件由計算機公司提供，面向機器本身，其算法和功能不依賴于特定的用戶。它的主要任務是使硬件所提供的能力可以得到充分的利用，支持用戶的應用軟件的運行并提供恰當的服務。

操作系統是微機最基本的系統軟件，由它來管理內存分配，鍵盤操作，屏幕顯示，驅動軟盤，硬盤等外設。操作系統有一部分固化在主機內存中，大部分是在開機后，從軟盤或硬盤調入內存。

現場使用UNIX和WINDOWS系統特點：具備高穩定性、可靠性及高實時響應的特點;具備強大的網絡管理能力及較強的抗計算機病毒侵染的能力;硬件成本高，運營維護欠直觀。動力和總變采用UNIX操作系統，化工區工作站采用WINDOWS操作系統。

3.3.5通訊、對時

微機保護裝置應具備通信網絡時和GPS衛星時鐘對時功能。應具備IRIG-B碼（直流）或脈沖對時功能，并通過保護柜端子接線。

采用軟件對時，CDT、DNP、Modbus等規約提供了軟件對時手段，可采用軟件對時。但由于受到通信速率的影響，需要采取修正措施。這種方法的優點是不需要增加硬件設備。

3.3.6自恢復和自檢測功能

RTU作為遠動系統的數據采集單元，必須保證不間斷地完成和SCADA系統的通信，但RTU的工作環境惡劣，具有強大電磁干擾，運行中難免發生程序受干擾，或通信瞬時中斷等異常情況，有時也會發生電源瞬時掉電，這都會造成RTU死機，而使系統無法收到該被控對象的信息。因此要求RTU在遇這些情況時，能在最短時間內自動恢復，重新從頭開始運行程序，為了維護方便，通常要求RTU含有自檢程序。

3.4有線RS-485通訊方式綜述

在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標準。RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。RS-485接口組成的半雙工網絡，一般只需二根連線，所以RS-485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。

四、總結

本文根據變電站綜合自動化系統的現狀和發展趨勢，應用分層、模塊化和面向對象的設計方法和組態技術，通過對變電站綜合自動化系統及其微機監控系統的結構組成和基本功能以及變電站綜合自動化系統及其微機監控系統的設計原則、基本原理、系統構成等進行了分析和研究，得出了變電站綜合自動化微機監控系統的總體方案、整體結構和組成框圖。

總之，提高計算機監控系統的可靠性是變電站自動化技術發展的根本，計算機監控系統穩定運行是至關重要的。為了增強計算機監控系統自身應付故障的能力，在設計中應考慮系統中任一環節遇到故障均不影響系統的正常運行的原則。應不斷完善變電站各項系統的功能，正確、可靠地與監控系統連接。企業變電站安裝微機監控系統后，可以利用計算機對變電站的各種動態參量加以組織分析，再以數據，圖表，色彩及音響等形式形象直觀地呈現在值班人員面前。借助于該系統，值班人員能提前發現事故隱患，作到防患于未然。萬一發生事故也能迅速找出事故原因，及時處理縮短停電時間減少經濟損失，因此，研究變電站綜合自動化微機監控系統具有迫切的現實需要和重大的實際意義。

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