變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的分析與實(shí)施

李國(guó)華

(邵陽電業(yè)局邵陽縣電力局，湖南 邵陽 422000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們?nèi)粘５纳a(chǎn)和生活對(duì)于電力的要求和需求不斷增加，電網(wǎng)的規(guī)模也隨之不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜，但隨之也涌現(xiàn)出了許多的問題，比如主要依靠人工處理的數(shù)據(jù)越來越繁雜，準(zhǔn)確性與及時(shí)性越來越低，嚴(yán)重影響人們的生活和生產(chǎn)活動(dòng)等。為了提高電網(wǎng)故障處理與恢復(fù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)，及時(shí)處理出現(xiàn)的故障與問題，大大提高了電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的效率，是未來電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的概念

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是指應(yīng)用信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及傳輸技術(shù)，采用自動(dòng)設(shè)置或者計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)代替人工進(jìn)行運(yùn)行作業(yè)，提高變電站運(yùn)行效率與管理水平的一種綜合的自動(dòng)化系統(tǒng)。它利用微機(jī)技術(shù)將二次設(shè)備重新組合，優(yōu)化設(shè)計(jì)，自動(dòng)對(duì)變電站進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視、控制及協(xié)調(diào)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及通信技術(shù)的綜合應(yīng)用。變電站運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)和信息在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)交換與共享，完成控制與監(jiān)視的任務(wù)?？梢赃@樣說，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)替代了以往的二次設(shè)備，將二次接線進(jìn)行了簡(jiǎn)化，提高變電站的運(yùn)行效率和管理水平，進(jìn)而提高電網(wǎng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

2 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的分析

隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，光電式互感器、智能開關(guān)機(jī)電一體化的智能化電氣得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)數(shù)字化的新階段。

2.1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（1）變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)：①智能化的一次設(shè)備。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的一次設(shè)備，由傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接變成了數(shù)字公共信號(hào)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字程控器，將以往的控制回路結(jié)構(gòu)和機(jī)電式繼電器進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用光電技術(shù)和微處理器設(shè)計(jì)檢測(cè)和控制一次設(shè)備的信號(hào)回路和操作驅(qū)動(dòng)回路。通俗地說，就是在二次回路中，用光纖和光電數(shù)字代替了以往的控制電纜和強(qiáng)電模擬信號(hào)，用可編程序替代了以往的邏輯回路和繼電器。②網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備。變電站的二次設(shè)備，如測(cè)量控制裝置、電壓無功控制、繼電保護(hù)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、和處在發(fā)展?fàn)顟B(tài)中的在線狀態(tài)檢測(cè)裝置等，以往都是通過I/O現(xiàn)場(chǎng)接口連接到網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源與數(shù)據(jù)的共享，現(xiàn)在則是利用微處理機(jī)設(shè)計(jì)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的二次設(shè)備，它們之間的由高速網(wǎng)絡(luò)連接通信，實(shí)現(xiàn)資源與數(shù)據(jù)的共享。總而言之，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無紙化的電力運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù)的記錄和自動(dòng)化的數(shù)據(jù)信息分流交換與分層。它可以在變電站運(yùn)行故障的時(shí)候提供原因分析報(bào)告，并提出處理的方案，自動(dòng)生成設(shè)備維修報(bào)告，將變電站的定期檢修變成了隨時(shí)的狀態(tài)檢修。

（2）變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)主要包括過程層、間隔層和站控層，如圖1所示。

圖1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖

①過程層。過程層是一次設(shè)備和二次設(shè)備的結(jié)合層，它是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化部分，它的主要功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)電力運(yùn)行過程中的電氣量、在線檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)各種設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)和執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)操作控制。它具有抗干擾性強(qiáng)，抗飽和性和絕緣性好等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)裝置的緊湊化和小型化，各種數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性得到了充分的保證，它的操作過程精確度高，并且及時(shí)性也得到了加強(qiáng)與提高。②間隔層。間隔層的設(shè)備，可以對(duì)間隔過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總，保護(hù)控制一次設(shè)備，優(yōu)先控制發(fā)出控制、數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計(jì)運(yùn)算的命令，具有承上啟下的通信作用，即同時(shí)高速地傳遞過程層和站控層交流通信的數(shù)據(jù)。在某些特殊要求的時(shí)候，間隔層上下網(wǎng)絡(luò)的接口可以采用雙口全雙工的方法，提高信息通道的冗余度，進(jìn)而保障站控層與過程層的網(wǎng)絡(luò)通信安全可靠。③站控層。站控層的設(shè)備可以利用兩級(jí)高速網(wǎng)絡(luò)對(duì)全程的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，不斷的更新數(shù)據(jù)庫(kù)，并且按時(shí)自動(dòng)登錄歷史的數(shù)據(jù)庫(kù)。它可以按照規(guī)定，把有關(guān)數(shù)據(jù)信息輸送到控制或者調(diào)度中心，然后控制或者高度中心對(duì)間隔層或過程層發(fā)出控制命令，間隔層或過程層接到命令后執(zhí)行。它可以對(duì)全站的操作通過在線可編程序進(jìn)行閉鎖控制，對(duì)站內(nèi)情況進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行人機(jī)聯(lián)系。它還可以對(duì)過程層和間隔層的設(shè)備進(jìn)行在線維護(hù)、修改參數(shù)和組態(tài)的功能，在變電站發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行自動(dòng)分析及操作修復(fù)。

2.2 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)選型

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的信息傳輸速度和可操作性決定了整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)是否可用。目前，變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要有兩種，一種是單一CPU快速、高效地控制整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)，比如現(xiàn)場(chǎng)總線式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；另一種是由若干個(gè)CPU共同完成信息的采樣、控制命令的形成以及算法的保護(hù)，比如嵌入式的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

綜上所述，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)完整的系統(tǒng)工程。邁入數(shù)字化的時(shí)代后，它還存在著許多的技術(shù)問題，比如過程層電氣設(shè)備專業(yè)協(xié)作性不高，材料及器件的設(shè)計(jì)還存在著一定的缺陷、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試方法等軟實(shí)力仍然不足等問題。雖然目前還存在著許多的問題，但是相信在不久后的未來，它們可以得到有效的解決，變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)將會(huì)邁入蓬勃發(fā)展的黃金時(shí)期。

3 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施

圖2 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施圖

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來傳輸各種數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵。變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，主要有站控層的內(nèi)部數(shù)據(jù)交換通信，間隔層內(nèi)部數(shù)據(jù)交換通信，站控層與間隔層之間的數(shù)據(jù)交換通信以及間隔層與過程層之間的數(shù)據(jù)交換通信等。交換的數(shù)據(jù)主要有監(jiān)視信息、突發(fā)事件信息、智能感應(yīng)信息以及一些非實(shí)時(shí)的信息等。在不同的運(yùn)行方式下，各種數(shù)據(jù)流各有相應(yīng)的傳輸響應(yīng)速度以及優(yōu)先級(jí)。所以在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施中，除了各種設(shè)備的設(shè)置以外，最主要是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)施。

（1）變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（2）變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，目前主要有兩種，一種是傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)化系統(tǒng)，一種是嵌入式以太網(wǎng)式自動(dòng)化系統(tǒng)。①現(xiàn)場(chǎng)總線式自動(dòng)化系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接生產(chǎn)設(shè)備和控制設(shè)備的雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)、多變量的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線式自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式主要有三種，即集中分布式、集中式以及分布分散式。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，由于分布分散式的結(jié)構(gòu)運(yùn)行的效率更高，設(shè)備負(fù)荷較小，所以一般采用的是分布分散式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 分散式體系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)總線式自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件主要由后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、通信控制單元和保護(hù)測(cè)控單元組成，軟件采用WingdowsNT/2000的操作系統(tǒng)，語言是VC++語言。這種系統(tǒng)具有廣泛的可移植性和實(shí)用性。②嵌入式以太網(wǎng)式自動(dòng)化系統(tǒng)。邁入數(shù)字化時(shí)代的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，由于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線式自動(dòng)化系統(tǒng)在某些情況下不能充分的滿足需要，所以嵌入式以太網(wǎng)式的自動(dòng)化系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。嵌入式以太網(wǎng)式自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用模式的選擇，嵌入式以太網(wǎng)有兩種應(yīng)用模式，一種是一個(gè)智能電子裝置對(duì)應(yīng)一個(gè)以太網(wǎng)接口，智能電子裝置作為一個(gè)以太網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)；另一種是幾個(gè)智能電子裝置通過一定的規(guī)則連接在一起，然后接入一個(gè)以太網(wǎng)的接口。在選擇以太網(wǎng)的應(yīng)用模式時(shí)，要根據(jù)成本、產(chǎn)品兼容性以及可靠性等來選擇。嵌入式以太網(wǎng)式自動(dòng)化系統(tǒng)傳播模式的選擇，嵌入式以太網(wǎng)式自動(dòng)化系統(tǒng)的傳播模式主要有三種，即單播、廣播和分組廣播。三種模式全體如圖4所示。單播模式只有一個(gè)目的地址，具有唯一限制性；廣播模式具有多個(gè)目的地址。從上圖可以看出，單播模式的傳輸效率不高，因?yàn)橥恍畔⒁l(fā)多遍，所以CPU資源消耗非常大；廣播模式和單播模式相比，它的效率要高些，而且同一信息一個(gè)設(shè)備只發(fā)送一遍，所以它的網(wǎng)絡(luò)流量并沒有增加，但是多個(gè)設(shè)備重復(fù)發(fā)同一信息，浪費(fèi)了相關(guān)設(shè)備資源；而分組廣播模式則結(jié)合了單播模式和廣播模式的優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)設(shè)備向幾個(gè)固定的目的地址發(fā)送同一信息，傳輸效率高，又避免了浪費(fèi)設(shè)備資源和網(wǎng)絡(luò)流量，所以分組廣播模式應(yīng)成為傳輸模式的首選。

圖4 傳播模式

此外，嵌入式以太網(wǎng)式自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議有兩種，分別是和 TCP協(xié)議。兩種協(xié)議的主要區(qū)別在于UDP協(xié)議的通信的發(fā)起點(diǎn)與通信接收點(diǎn)在發(fā)起通信前不需要建立連接，而TCP協(xié)議需要。雖然TCP協(xié)議可以一次傳輸大量的文件，但是由于其不支持分組廣播模式，所以一般采用UDP協(xié)議。

4 結(jié)語

隨著科技的快速發(fā)展，變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)采用的技術(shù)將會(huì)越來越成熟，變電站的運(yùn)行效率和管理水平將會(huì)越來越高，電力運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)越來越可觀。可以預(yù)見，可以更好地服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的自動(dòng)化變電站在未來擁有非常廣闊的前景。

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