電力自動化系統的應用分析

王娜

(紫光測控有限公司,天津 300318)

隨著電力系統自動化程度的提高，光纖通訊應用技術的普及和網絡技術的發展，利用計算機光纖網絡通訊技術實現變電站內設備的遠程監測與控制，已經成為當前提高變電站安全經濟運行水平的主要手段，其中光纖網絡的組態直接影響著通訊的可靠性和經濟性等方面[1-5]。本文著重介紹了四種光纖網絡組態的設計方案和組成形式，并結合寧波鋼鐵有限公司電力綜合自動化系統的要求，對四種光纖網絡組態的實時性、可靠性和通信速度等方面進行比較。

1 電力自動化系統的設計

工程規模本期包括煉鋼、煉鐵、燒結、軋鋼、鼓風機、制氧、原料廠等工程，工程要求電力自動化系統采用分層和分布式的體系結構。按照全廠電力綜合自動化系統規劃方案，各個開關站（含區域變）均設置間隔層、站控層、能源中心集控層SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統三級控制[6-9]。間隔層為就地安裝在各開關柜上的微機保護測控單元，其分別完成開關站進線、母聯、電動機、饋出變、電容器組等的繼電保護功能、數據采集功能和就地監控功能。間隔層微機保護測控單元與站控層監控主機的通信采用現場總線方式。在站控層部分（包括各個10kV開關站及區域變）設置站控層監控系統，站控層后臺監控主機完成本站所屬設備全部后臺監控功能，能夠在站控層對本站所屬設備進行操作控制。站控層監控主機同時作為通訊管理機，除完成與本站的保護測控單元通訊及本站的第三方智能設備（如直流屏、電度表）通訊外，還負責完成與上級監控系統通訊。能源中心集控層SCADA監控系統作為寧波鋼鐵的終極調度管理單位，接收站控層的數據并下發調度指令。

根據工程項目的的未來實際運行要求，站控層監控系統10kV開關站和區域變均按“無人值班”要求設計，監控主機及網絡通訊設備等安裝在各10kV開關站和區域變內，并配置有鍵盤、鼠標和顯示器。站控層后臺監控主機一般按單主機或雙機備用模式設計。各站控層監控主機分別作為一個站點構成網絡點并接入相應的區域變電所的光纖以太網交換機，再通過能源中心的光纖主網將各站信息上傳能源中心SCADA系統。實現各站控層變電所均可以在能源中心進行實時監控、操作。集控層SCADA系統的數據服務器、后臺監控主機及操作員站均設在集控中心的主控室內，監控各35kV區域變電所及各10kV高壓開關站內設備運行狀態，實現對各35kV區域變電所及各10kV高壓開關站的遠方監控，在集控中心可接收處理各35kV區域變電所及各10kV高壓開關站內的各種實時數據，包括模擬量、開關量、保護定值及保護投退，運行人員可通過集控層SCADA系統進行操作。集控層SCADA系統與能源管理系統(EMS)進行通訊，為能源管理系統在全廠的供電參數、電量進行統計、分析，負荷預報以及操控等功能的實現提供必要的數據支持。

工程要求電力自動化系統實現以上功能的基礎上，力求減少投資，防止資源浪費，并且為以后的擴建和增容留下裕量。

2 電力自動化系統的實現方案

針對寧波鋼鐵企業工程對電力自動化系統的要求，我們也對以前現場使用的電力自動化網絡系統進行統計，發現分層分布式體系結構已成為變電站自動化系統的標準結構模式。該體系結構中，系統中的網絡通信功能與可靠性是影響整個系統穩定可靠的重要因素之一，由于變電站現場電磁環境惡劣，為提高通信可靠性，光纖通信技術越來越多地被應用于該類系統中。紫光測控有限公司以DCAP-3000系列分散式保護監控單元為基礎構成綜合自動化系統，本系統的性能完全能夠滿足寧波鋼鐵的技術要求。

表1 網絡結構綜合比較

圖1 雙網網絡圖

以下的方案在當地站控層與間隔層之間典型配置基礎上，分析了站控層（包括35kV區域變電所及各10kV子站）和集控中心之間系統連接實現電力自動化的方案。初始設計方案三套，優化方案一套。

2.1 雙網的電力自動化系統

采用雙網的電力自動化系統：集控中心與各區域變站控層、10KV子站站控層采用光纖雙網結構，集控中心、區域變、10KV子站各配備雙前置機實現雙機熱備。(圖1)

圖3 環網網絡圖

圖4 環網+樹網網絡圖

局域網LAN A和LAN B分別為兩個光纖網絡，正常運行時，各站控層的前置機1通過光纖網LAN A與集控中心的前置機1進行通訊，用于各計算機之間的數據交換和資源共享，負責系統的調度、維護、管理，實現站控層與集控中心間數據的實時高速采集，實現集控中心命令的發送和站控層實時數據信息的接收。當其中光纖網絡LAN A故障或者站控層的前置機1故障時，造成集控中心與各站控層之間或者集控中心與某一個站控層之間的數據傳輸的中斷，站控層的前置機2會通過軟件及時自動切換到另一個光纖網絡LAN B，通過集控中心的前置機1和站控層前置機2來實現數據的連續傳輸。同理，集控中心的前置機1故障或光纖設備故障時，集控中心的前置機2會通過軟件自動切換到另一個光纖網絡，從而實現站控層與集控中心間數據的連續傳輸。該方案的優點是：利用雙前置機和雙層網絡配置實現整個系統網絡的冗余配置，增加系統的穩定性，提高網絡的數據通信有效和實時性，同時實現了數據集中管理，資源共享。缺點是：所有設備全部采用主備配置，包括光纖、光纖轉換器、前置機等全部為兩套（其中尤其光纖需量最多），占用設備較多，造成工程投資過大。

2.2 樹網的電力自動化系統

采用樹網的電力自動化系統：集控中心與各區域變站控層、10KV子站站控層采用光纖樹網結構，集控中心、區域變、10KV子站采用金字塔配置，每個站配備前置機集控中心作為最頂層，接收各區域變上傳的數據，進行處理并下發指令，各區域變接收本區域內各10Kv子站上傳的數據，進行轉發上傳到集控中心，由集控中心處理并下發指令到10Kv站控層后臺，并最終執行。（圖2）

本方案把煉鋼、煉鐵等各環節進行區分，同時考慮地域關系，把同一個工藝流程內的10Kv站控層作為一個局部的整體考慮，區域內先進行組網，并集中到區域變的前置機進行處理，區域變可作為一個小的集控中心對所屬各站進行數據交換和資源共享，負責本區域內系統的調度、維護、管理，實現區域變與所屬各10Kv站間數據的實時高速采集，實現區域變命令的發送和各10Kv子站實時數據信息的接收。此方案的優點是從集控中心到各10Kv子站，全部采用單前置，各站之間單路光纖聯系，所以采用的設備較少，減少工程投資，比方案1雙網的投資成本低。缺點是結構簡單，未考慮冗余設計，在區域變前置機或區域變到集控中心的光纖回路故障時，造成故障區域變所屬子站的數據上傳與控制中心指令執行的故障；采用樹形結構，對集控中心的前置機要求非常高，集控中心的前置機要收集所有站控層前置機上傳的數據，并進行處理，對相應的軟件開發技術要求較高，實際上增加了研發的成本。

2.3 環網的電力自動化系統

針對以上兩個方案中方案1光纖雙網、雙前置造價高，投資大，方案2樹網、單前置過于簡單，未考慮通訊回路冗余配置的缺陷，方案3提出并設計了一套光纖環網系統。如圖3所示，采用環網的電力自動化系統：集控中心與各區域變站控層、10KV子站站控層采用光纖環網結構，集控中心、各35KV區域變、各10KV子站不分主次，只考慮地域，全部放在一個光纖環網內，集控中心、各35KV區域變、各10KV子站作為環網的一個節點，每個節點配置單前置機和光纖服務器。

該系統在滿足變電站自動化系統通信網絡的穩定性要求的基礎上，解決了減少投資問題，滿足了集控中心通信主機對各站訪問的通訊回路冗余配置、可以有效提高對各35KV區域變、各10KV子站不間斷響應等要求，并且具有現場施工維護方便等優點。該光纖環網結構采用點到點的鏈路組成，實現集控中心對各點的訪問。從上圖可以看出，各個站點在這種結構中，分別可以從兩個路徑到達集控中心，例如：軋鋼區域變采集的數據或集控中心下發的指令，可以通過煉鋼區域變、煉鐵區域變光纖路徑上傳到集控中心或由集控中心通過此路徑下發，也可以通過鼓風機站、雨排站、焦化站光纖路徑上傳到集控中心或由集控中心通過此路徑下發，這樣在其中任一個光纖路徑或節點出現故障時，可以通過另一個路徑上傳或下發數據。根據以往的工程實踐表明，高速冗余光纖環網具有傳輸速率高、抗電磁干擾性強等優點，此外，網絡系統良好的冗余功能，使得控制系統的可靠性大幅提高。因此，高速冗余光纖環網是大型企業一般采用的網絡方案。但是該光纖環網也存在不足，例如集控中心可以實現對各站的管理，但各區域變對所屬各站的管理不易實現集中管理，并且，整個鋼廠各站做環網結構投資相對過大，有時會造成資源的浪費。

2.4 環網+樹網的電力自動化系統

對以上三種方案進行分析，并且結合寧波鋼鐵企業工程對變電站自動化系統的實際要求，我們考慮系統優化設計時遵守的以下原則：（1）工程投資要相對小；（2）對重要站要采用雙機或多機的冗余配置，（3）對重要站的光纖回路要采用冗余配置；（4）區域變所屬各站要在區域變內夠實現內部監控；（5）充分考慮后期的可擴展性。針對以上設計原則，考慮到寧波鋼鐵用戶不同工藝負責人的具體要求，我們最終采取環網與樹網相結合使用的方案。（圖4）

整個網絡組成為：集控中心、各區域變采用光纖環網結構，全部采用雙機配置，保證重要站點后臺和光纖通道的冗余配置，實現數據的不中斷傳輸，確保了通信的可靠性；區域變及其所屬各站采用樹型結構，區域變本身已經雙機配置，所屬各站一般采用單機配置，實現區域變對所屬各站的集中管理，確保工程投資的減少，方便后期工程的擴展。整個網絡以集控中心為中心，集控中心需要處理大量子站上傳的的遙測、遙信、故障信息等數據，并且對數據處理后下發指令，實現遠程遙控遙調等操作，為保證數據處理的速度和對故障信息的及時分析并快速下發指令的能力，工程采用的前置機配備兩臺IBM XSERIES226服務器，并且兩臺服務器之間通過軟件實現互為備用。區域變相對來說只要采集最多不超過10個站的數據，任務量相對小，所以采用研華610工業控制機，雙機配置，互為備用，實現對區域變所屬各站電氣設備開關量和測量電流、測量電壓、有功功率、無功功率和功率因數等的監視，但不實現控制（網絡中所有的電氣控制命令全部由集控中心的值班人員進行操作；每個站點配備后臺監視系統，原因之一就是當地電氣設備發生故障時，繼電保護裝置采集的故障錄波數據非常大，要求上傳到當地后臺機，并進行保存，方便分析，處理，但是電氣設備的故障錄波數據不能通過網絡上傳到集控中心在處理，以防故障數據傳輸中大量的占據光纖路徑，影響網絡數據傳輸的實時性）。考慮集控中心到各區域變有可能距離較遠，而多模光纖在距離超過2公里后信號將衰減，所以，根據寧波鋼鐵企業的實際規劃要求，對集控中心到各區域變的通訊采用單模光纖實現，采用光纖環網通訊，用單模光纖交換機MOXA——ED-6008-SS實現，它可以實現自動備份路徑功能，正常工作時，依靠光纖交換機的TUBRO RING功能（自動備份環網）實現環網功能，并且集控中心和各區域變全部采用雙機配置，通過RJ45接到光纖交換機上，依靠軟件實現雙機熱備，這樣就實現后臺和網絡的冗余配置。

鑒于區域變所屬各站之間的距離較近，一般不會超過2公里，并且考慮到設備的成本，所以采用多模光纖和多模光纖交換機以及多模光纖轉換器（主要考慮多模光纖交換機以及多模光纖轉換器的成本），區域變采用多模光纖交換機MOXA——ED-6008-MM，與單模光纖交換機（環網應用）之間采用網口互連，并且考慮到網絡的可擴展性，采用B類地址設置IP（便于后期擴展IP地址）；區域變下屬各10kv子站一般采用單機配置，應用研華610工業控制機，通過RJ45接到多模光纖轉換器（或交換機）上，區域變端對應接到單模光纖交換機上，這樣，一方面區域變作為一個小的監控中心，可以很方便的實現對所屬各站的監視功能；另一方面，區域變所屬各站可以方便的實現數據的上傳和接受集控中心的指令，而不用經過區域變配置機器的轉發，滿足用戶的設計要求。

3 結論

如表1所示，通過比較四種方案的實時性、可靠性、通信速度、冗余能力、系統投資、擴展性、性價比幾個方面進行了比較，從表中可以看出，方案四（環網+樹網）綜合表現要優于其他方案，實際上此方案也得到了寧波鋼鐵用戶的認可和表揚，最終確定了方案四在寧波鋼鐵電力自動化系統中具體實施。并且環網+樹網的電力自動化系統的網絡結構已經作為我公司對大型鋼廠、石化等企業的標準模式來進行設計和施工。

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