110 kV變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐宇奇

（廣西智鑫電力設(shè)計(jì)有限公司，廣西 南寧 530022）

1 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、電力分配的日益復(fù)雜和用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求進(jìn)一步提高，電網(wǎng)自動(dòng)化就顯得極為重要；近年來我國(guó)計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展以及自動(dòng)化技術(shù)的成熟，發(fā)展配電網(wǎng)調(diào)度與管理自動(dòng)化已具備了條件。變電站在配電網(wǎng)中的地位十分重要，它擔(dān)負(fù)著電能轉(zhuǎn)換和電能重新分配的繁重任務(wù)，對(duì)電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著舉足輕重的作用。因此，變電站綜合自動(dòng)化既是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)之一，也是滿足現(xiàn)代化供用電的實(shí)時(shí)、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理的需要。

本論文主要針對(duì) 110 kV變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期從中找到可靠安全的變電站自動(dòng)化管理的模式與方法經(jīng)驗(yàn)，并以此和廣大同行分享。

2 110 kV變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以電壓等級(jí)為110 kV為例進(jìn)行變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一次電氣設(shè)備接線總體設(shè)計(jì)方案如下：110 kV進(jìn)線 2回，電壓等級(jí)為10 kV出線16回，Y/△變壓器，暗備用、備用變壓器采用3臺(tái)循環(huán)備用制，只有在主變壓設(shè)備發(fā)生故障后才啟用備用變壓器，進(jìn)線側(cè)為內(nèi)橋接線，出線側(cè)單母線分段接線。

該變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用分層分布式多 CPU并行工作的方式，整個(gè)系統(tǒng)分為兩層：變電站層和間隔層。

2.1 變電站層

變電站層硬件可分為以下幾個(gè)部分：

2.1.1 監(jiān)控主機(jī)

監(jiān)控主機(jī)（上位機(jī)）主要完成：數(shù)據(jù)采集處理；運(yùn)行過程監(jiān)控：事件顯示、打印、報(bào)警；圖形畫面、歷史報(bào)表顯示、打印；圖形編輯、報(bào)表編輯；數(shù)據(jù)庫定義等功能。

2.1.2 工程師站

工程師站主要負(fù)責(zé)日常的軟件開發(fā)、管理及維護(hù)，其基本配置與監(jiān)控主機(jī)基本一致。

2.1.3 通信管理機(jī)

通信管理機(jī)是綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信樞紐，通信管理機(jī)和間隔層單元之間通過CAN總線連接，與監(jiān)控主機(jī)及工程師站之間通過以太網(wǎng)連接。另外，通信管理機(jī)還通過外置調(diào)制解調(diào)器和遠(yuǎn)方調(diào)度通信。通信管理機(jī)的主要功能是一個(gè)規(guī)約轉(zhuǎn)換器，它負(fù)責(zé)以不同的通訊方式收集來自變電站各智能設(shè)備（如保護(hù)單元、監(jiān)控單元及其他智能設(shè)備）的實(shí)時(shí)信息，將其分類、篩選、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，同時(shí)以不同的規(guī)約經(jīng)不同的通信介質(zhì)向監(jiān)控主機(jī)和遠(yuǎn)方調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)電纜

光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)HUB、光纖模塊、光纖收發(fā)器等，主要模塊安裝在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備盤內(nèi)。變電站層設(shè)備通過光纖以太網(wǎng)連接，構(gòu)成高速、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 間隔層

間隔層各智能單元按照變電站一次設(shè)備分布配置，智能單元之間相互獨(dú)立，僅通過站內(nèi)的CAN通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)并與變電站層通信管理機(jī)連接。在功能分配上，采用可以下放盡量下放的原則，凡是可以在各間隔單元就地完成的功能決不依賴通信網(wǎng)。

間隔層按照變電站一次設(shè)備配置有：①主變壓器保護(hù)單元；②主變壓器測(cè)控單元；③110 kV線路保護(hù)單元；④110 kV分段備自投單元；⑤10 kV線路保護(hù)測(cè)控單元；⑥10 kV分段備自投單元；⑦10 kV電容器保護(hù)測(cè)控單元；⑧電壓無功控制單元；⑨站用變壓器保護(hù)測(cè)控單元；⑩10 kV PT測(cè)控單元。

間隔層各單元硬件結(jié)構(gòu)基本相似，采用 16位的 Intel 80C196KC單片機(jī)作為CPU；外擴(kuò)EPROM和SRAM存儲(chǔ)器；模擬量測(cè)量輸入通道、頻率測(cè)量通道；開關(guān)量輸入通道保護(hù)、控制出口通道、獨(dú)立電源等。系統(tǒng)通過間隔層各智能單元來完成對(duì)變壓器、電容器組、母線、進(jìn)線、出線等設(shè)備的測(cè)量、控制、保護(hù)等功能。

3 110 kV變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)現(xiàn)

該模塊主要是用來對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)所有需要監(jiān)視的電氣設(shè)備的電參量和各種開關(guān)信號(hào)的實(shí)時(shí)信號(hào)采集當(dāng)前狀態(tài)。它包括各生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)及系統(tǒng)安全穩(wěn)定裕度的圖形顯示，如各電流電壓幅值、變電站的電能度數(shù)、各個(gè)斷路器的狀態(tài)、上下刀開關(guān)的狀態(tài)、各類參量波形變比趨勢(shì)顯示等。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)時(shí)性的要求必須對(duì)二條以上的線路同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，并且對(duì)每條線路的數(shù)據(jù)采集和分析必須是獨(dú)立的、同步的，互不干擾，互不影響。目前絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用的是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是順序處理，一個(gè)處理器在同一時(shí)刻只能處理一件事情。為了滿足用戶的要求，根據(jù)大型機(jī)的并行處理模式，我們采用了仿并行處理技術(shù)。這種技術(shù)采用了一種全新的調(diào)度策略，將處理器的運(yùn)算時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間片，當(dāng)對(duì)某一條線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析時(shí)，就占用一個(gè)時(shí)間片；當(dāng)對(duì)另一條線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析時(shí)，就占用另一個(gè)時(shí)間片，這樣輪流占用，由于處理器的指令處理周期為10 s～9 s的數(shù)量級(jí)，這樣就可以近似地認(rèn)為是在對(duì)每條線路同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。

在本系統(tǒng)中，上位機(jī)（工業(yè)計(jì)算機(jī)）通過發(fā)送采集命令來獲取下位機(jī)的響應(yīng)，下位機(jī)通過不斷查詢來確定是否被訪問，一有命令數(shù)據(jù)采集模塊立刻響應(yīng)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)的處理。對(duì)于每條總線都必須執(zhí)行上述的過程，所以采用了多線程，每條總線采用一個(gè)線程，從而實(shí)現(xiàn)了同時(shí)并行的對(duì)所有總線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫是作為110 kV變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的核心。為了有助于數(shù)據(jù)信息的管理和運(yùn)用，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息按一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織管理。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的規(guī)模、功能展現(xiàn)、開放性和實(shí)時(shí)性指標(biāo)，根據(jù)對(duì)本系統(tǒng)的分析我們采用了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫的三層數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。考慮到開發(fā)周期和維護(hù)、升級(jí)成本，系統(tǒng)采用商用數(shù)據(jù)庫作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫及歷史數(shù)據(jù)庫。

對(duì)于本系統(tǒng)各個(gè)數(shù)據(jù)庫的具體層次設(shè)計(jì)方案分析如下，4臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)中既有內(nèi)存數(shù)據(jù)庫又有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫存在于該計(jì)算機(jī)的內(nèi)存緩沖區(qū)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是以文本的形式存在于硬盤中；兩臺(tái)互為備用的服務(wù)器里面也有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，這里的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫有別于4臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，它的數(shù)據(jù)是由4臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)上定時(shí)下載后保存在服務(wù)器上的，歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)經(jīng)過稀疏處理后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中。由于數(shù)據(jù)庫具體設(shè)計(jì)參考資料太多，因此本文不予贅述。

4 結(jié)束語

變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用必將實(shí)現(xiàn)變電站現(xiàn)代化管理，從根本上改變傳統(tǒng)變電站的主體結(jié)構(gòu)和值班維護(hù)方式，充分體現(xiàn)出現(xiàn)代化生產(chǎn)的特點(diǎn)，是當(dāng)代電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文對(duì)變電站綜合自動(dòng)化的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，并對(duì)其中自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究分析，對(duì)于變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)而言是一次有益的嘗試與探索，同時(shí)本論文所探討的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)于更高電壓等級(jí)，如380 kV（330 kV）、500 kV等變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定指導(dǎo)和借鑒意義。