變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

晉城煤業(yè)集團(tuán)鳳凰山礦機(jī)電管理部 王雙青

變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

晉城煤業(yè)集團(tuán)鳳凰山礦機(jī)電管理部 王雙青

鳳凰山礦變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)日趨完善，但是具體使用過(guò)程中的原理對(duì)于操作人員來(lái)講并不是十分清晰，分析解決問(wèn)題的能力還有些不足，本文結(jié)合KJ137在鳳凰山礦的應(yīng)用，努力從變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)：站控層、通信層、間隔層進(jìn)行分析，從而為操作人員解決實(shí)際問(wèn)題提供借鑒、方法和途徑。

變電所；綜合自動(dòng)化系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)分析

從變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系可知，這種設(shè)計(jì)為面向?qū)ο蟮姆謱臃植际浇Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(diǎn)：站控層為值班人員、調(diào)度運(yùn)行人員提供變電所監(jiān)視、控制和管理功能，界面友好、易于使用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)“即插即用”，能很好地滿(mǎn)足綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的需要，是整個(gè)變電所監(jiān)視、測(cè)量、控制和管理的智能化中心。站控層設(shè)備包括：操作員站、遠(yuǎn)動(dòng)主站、繼保工程師站、微機(jī)五防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口，預(yù)留大型電氣設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)和遙視系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口。

1.操作員站。KJ137操作員站實(shí)現(xiàn)的主要功能有：數(shù)據(jù)采集與處理、報(bào)警處理、事故追憶、數(shù)據(jù)庫(kù)建立和管理維護(hù)、歷史記錄處理、就地/遠(yuǎn)方/主站控制、防誤閉鎖、雙綱雙網(wǎng)切換、電壓無(wú)功控制VQC、小電流接地選線(xiàn)等

2.遠(yuǎn)動(dòng)主站。KJ137遠(yuǎn)動(dòng)主站作為變電所對(duì)外的通信控制器，是變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。遠(yuǎn)動(dòng)主站直接連接到以太網(wǎng)上，同間隔層的測(cè)量和保護(hù)設(shè)備直接通信，通過(guò)周期掃描和突發(fā)上送等方式采集數(shù)據(jù)，創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)處理的中樞，能夠滿(mǎn)足調(diào)度主站對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，遵循開(kāi)放性要求，提供高級(jí)數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口。在完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)視、原始網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的監(jiān)視，采用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)保存事件記錄和事要的控制操作、瀏覽測(cè)控設(shè)備及保護(hù)設(shè)備全部數(shù)據(jù)以及方便的調(diào)試手段等當(dāng)?shù)乇O(jiān)控功能。遠(yuǎn)動(dòng)主站數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大、操作方便、人機(jī)界面友好。作為變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)工作站，全部功能的實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)立性，可作為變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中唯一的主站設(shè)備完成變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中測(cè)控設(shè)備及保護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作以及GPS全站對(duì)時(shí)等其他功能。遠(yuǎn)動(dòng)主站可以實(shí)現(xiàn)多種遠(yuǎn)動(dòng)通信規(guī)約，對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)度主站提供廣泛的支持，可同時(shí)支持5個(gè)調(diào)度主站并行工作。

3.繼電保護(hù)工程師站。KJ137繼電保護(hù)工程師站既可以作為變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)子站，也可以獨(dú)立于KJ137變電所自動(dòng)化系統(tǒng)，與斷電保護(hù)裝置、故障錄波儀、安全自動(dòng)裝置和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一起，構(gòu)成“繼電保護(hù)及故障錄波信息處理系統(tǒng)”的子站系統(tǒng)。

二、通信層

1.通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

通信系統(tǒng)是綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的核心。無(wú)論是下位機(jī)采集來(lái)的數(shù)據(jù)，還是上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送的命令，都須經(jīng)過(guò)通信系統(tǒng)，通信是上下位機(jī)連接的橋梁?？煽?、高速的通信系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的前提，總線(xiàn)式結(jié)構(gòu)是一種常用的結(jié)構(gòu)方式，如圖1所示。

這種系統(tǒng)因前置機(jī)過(guò)渡繁忙、可靠性差(任何一個(gè)下位機(jī)裝置的故障將影響整個(gè)系統(tǒng))等缺點(diǎn)，使得它的使用受到很大的限制，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)在變電所綜合自動(dòng)化的應(yīng)用，分層分布式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越突出，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dān)負(fù)著人機(jī)接口、監(jiān)視、管理和控制等主要任務(wù)。

第二層通信層。即變電所總線(xiàn)層，它擔(dān)任著整個(gè)變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的信息通信工作，是采集控制裝置與上層機(jī)之間交換數(shù)據(jù)的橋梁，也起著將上層機(jī)的程序與下層采集、控制設(shè)備的類(lèi)型脫離開(kāi)來(lái)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(xiàn)路保護(hù)裝置、變壓器保護(hù)裝置、備投裝置及其他微機(jī)控制裝置等智能終端，所有這些設(shè)備都可以以串行通信的方式向外發(fā)送數(shù)據(jù)，它們以總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)形式掛接在不同串行口上，各總線(xiàn)上掛接的模塊應(yīng)滿(mǎn)足：

(1)相同規(guī)約的模塊掛在同一總線(xiàn)上，考慮到在間隔層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不多，傳送速度也要求不高，通常采用IEC關(guān)于遠(yuǎn)動(dòng)的通信規(guī)約IEC870-5。

(2)總線(xiàn)用查詢(xún)方式，一條總線(xiàn)上的模塊個(gè)數(shù)X

2.傳輸數(shù)據(jù)的類(lèi)型

變電站上位機(jī)與下位機(jī)的信息傳輸是雙向的。下位機(jī)經(jīng)過(guò)通信模塊上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，上位機(jī)也通過(guò)通訊模塊下發(fā)各種命令。

通信數(shù)據(jù)一般分為下面幾種：

(1)常規(guī)采集數(shù)據(jù)。包括模擬量、開(kāi)關(guān)量和電度量。其中模擬量一般是下位機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采得的數(shù)據(jù)，如：電壓、電流、頻率、功率等都屬于模擬量。

這些數(shù)據(jù)是直接對(duì)反映電力系統(tǒng)的狀態(tài)，同時(shí)也是監(jiān)視的重要對(duì)象。開(kāi)關(guān)量是現(xiàn)場(chǎng)斷路器的狀態(tài)量，只有兩種狀態(tài)0或1，可以為這兩種狀態(tài)分別命名。對(duì)某一個(gè)斷路器的位置狀態(tài)，可以命名狀態(tài)0為“合閘”，狀態(tài)1為“分閘”。電度量即有功電能和無(wú)功電能。

(2)事件順序記錄SOE。包括了斷路器跳合閘記錄、保護(hù)動(dòng)作順序記錄等。

(3)故障錄波。記錄繼電保護(hù)動(dòng)作前后與故障有關(guān)的電流量、電壓量等。

(4)遙控操作：遙控操作主要是通過(guò)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行分、合閘操作以及保護(hù)功能的投入、退出等控制。

3.通信系統(tǒng)各層的功能及通信實(shí)現(xiàn)

(1)間隔層的功能

A)采集交流電流、電壓信號(hào)，并計(jì)算電流、電壓、有功功率、無(wú)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(guò)負(fù)荷、電池不足等報(bào)警信息。

C)應(yīng)上一層的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)(第二層和第三層之間的通信遵循嚴(yán)格的主從方式，第三層為從，只響應(yīng)上一層的請(qǐng)求)。

D)執(zhí)行上位機(jī)下發(fā)的控制命令，然后返回命令執(zhí)行情況信息(命令反校)。E)設(shè)定和修改定值。

F)自診斷功能。出現(xiàn)故障時(shí)，生成報(bào)警信息，以待查詢(xún)。

(2)變電所通信層的功能

A)根據(jù)系統(tǒng)組態(tài)信息，自主地向各采集設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并接受返回的數(shù)據(jù)包和解包，生成純數(shù)據(jù)。

B)向上一層提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

C)管理上一層的控制命令和數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，執(zhí)行規(guī)約解釋?zhuān)缓筠D(zhuǎn)發(fā)給采集設(shè)備，并接收命令反校。

D)通過(guò)查詢(xún)采集設(shè)備的報(bào)警信息及通信狀況，識(shí)別采集設(shè)備的故障。

(3)站控層的功能

A)圖形工作站。主接線(xiàn)、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖、趨勢(shì)圖、報(bào)表、打印、遙測(cè)、遙信、電度量的顯示與監(jiān)視，事故報(bào)警。

B)遙控、遙調(diào)操作。

C)與子系統(tǒng)通信，交換數(shù)據(jù)。

D)按規(guī)定的規(guī)則進(jìn)行電壓無(wú)功控制。

E)數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

F)事件順序記錄(SOE)，事故跳閘故障記錄功能。

G)在線(xiàn)自檢，自診斷、自恢復(fù)功能。

(4)各層功能的通信實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流可分為三類(lèi)：第一類(lèi)是上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換：另一類(lèi)為主站與間隔層之間的數(shù)據(jù)交換；三類(lèi)是子站與子站之間的通信。圖3表示了數(shù)據(jù)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(nèi)任何其他終端進(jìn)行直接存取以共享數(shù)據(jù)的控制信息，通信宜采用平等對(duì)話(huà)方式(peer to peer)。一般采用局域網(wǎng)方式。

主站和子站之間的通信。這類(lèi)通信的主要作用是獲得子站采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和下發(fā)控制命令。經(jīng)常使用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求、接收、下發(fā)命令都通過(guò)變電所總線(xiàn)完成，主站可隨時(shí)取得現(xiàn)成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)而不需等待。

主站內(nèi)部的通信。這一層是數(shù)據(jù)的管理中心，所有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)(如值班員的姓名等信息)都在這里統(tǒng)一管理，并根據(jù)需要發(fā)給相應(yīng)的應(yīng)用程序或計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)的一致性、安全性、實(shí)時(shí)性是至關(guān)重要的。主站和控制中心及遠(yuǎn)動(dòng)之間的通信。這類(lèi)通信是通過(guò)上位機(jī)的串行口實(shí)現(xiàn)的。在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中表現(xiàn)為變電所與調(diào)度聯(lián)系方式。調(diào)度通常要與多個(gè)變電所通信，在某一段時(shí)間里哪一個(gè)變電所有權(quán)與調(diào)度通信，需通過(guò)聯(lián)絡(luò)來(lái)確定。這種聯(lián)絡(luò)有循環(huán)數(shù)字式(CDT)和問(wèn)答式(Polling)兩種傳送方式。

(1)循環(huán)數(shù)字式傳送方式(CDT)

這種傳送信息方式的特點(diǎn)是發(fā)送端按預(yù)定規(guī)律不斷向調(diào)度端發(fā)送字碼，不受調(diào)度端控制。由若干個(gè)碼字組成一幀，每幀的前面設(shè)置同步字，一幀信息發(fā)送完后，緊接著又發(fā)送下一幀遠(yuǎn)動(dòng)字，如表1所示。

CDT方式的主要缺點(diǎn)是完全不了解調(diào)度端的情況和要求，只適用于l:n點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通道結(jié)構(gòu)。

(2)問(wèn)答式傳送方式(Polling)

這種方式的主要特點(diǎn)是主控端發(fā)“召喚”代碼，受控端響應(yīng)后傳送數(shù)據(jù)，因此傳送信息的主動(dòng)權(quán)在主控端。主要優(yōu)點(diǎn)是不但適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳送方式，還適用于共線(xiàn)式通道：主要缺點(diǎn)是在變電所一旦發(fā)生事故時(shí)，不能把緊急信息及時(shí)傳給主控端。為了克服此缺點(diǎn)，可在遙測(cè)字中設(shè)置“呼叫”位，作為傳送“緊急情況”的信號(hào)，或者主控端設(shè)置“呼叫”字，詢(xún)問(wèn)各站是否有緊急情況要傳送，如有則優(yōu)先傳送，然后再回到正常的循環(huán)傳送周期。

三、間隔層

間隔層就是按照不同的電壓等級(jí)、不同的電氣間隔單元、不同的控制對(duì)象分散在各個(gè)保護(hù)小室中，或是下放到高壓設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)。在站控層或通信網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，間隔層仍能獨(dú)立完成間隔層的監(jiān)測(cè)和控制功能。

間隔層單元的功能：

1.模擬量采集與輸出

對(duì)于間隔層來(lái)說(shuō)，采樣的模擬量主要有交流模擬量，個(gè)別也涉及直流量。間隔層單元可以直接從對(duì)應(yīng)間隔或元件的TA，TV二次回路采樣，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該間隔或元件交流模擬量的測(cè)量。

2.狀態(tài)量采集

在微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，間隔層單元采集對(duì)應(yīng)間隔的狀態(tài)量。這里只介紹雙位置與單位置信號(hào)。間隔中斷路器、隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備的位置狀態(tài)信號(hào)，采用雙位置信號(hào)方式輸入。所謂雙位置，是指利用間隔層裝置中的兩個(gè)狀態(tài)輸入點(diǎn)來(lái)采集設(shè)備的輔助觸點(diǎn)狀態(tài)(動(dòng)斷觸點(diǎn)和動(dòng)合觸點(diǎn))。采用雙位置接點(diǎn)來(lái)采集狀態(tài)信號(hào)，可以避免用單位置觸點(diǎn)來(lái)采集狀態(tài)信號(hào)時(shí)可能引發(fā)對(duì)狀態(tài)信號(hào)的錯(cuò)誤判斷，即用2位比特而不是單位置信號(hào)中的1位比特來(lái)表征一個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合狀態(tài)，這樣00,O1,10,11，4種組合中只有2種是正確位置狀態(tài)，其余2種是不確定狀態(tài)，這顯然比0,1兩種狀態(tài)代表開(kāi)合增加了碼元的抗干擾性，提高了狀態(tài)信號(hào)傳輸處理過(guò)程中的可靠性。在中低壓系統(tǒng)中，除了斷路器位置信號(hào)外，隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)位置信號(hào)可以用單位置觸點(diǎn)來(lái)采集，以節(jié)省狀態(tài)輸入的數(shù)量。

間隔中的其他大多數(shù)信號(hào)都是單位置信號(hào)，如一次設(shè)備的一些告警量，如電機(jī)儲(chǔ)能、高壓開(kāi)關(guān)的一些異常告警信號(hào)、變壓器的瓦斯告警信號(hào)，保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置的動(dòng)作信號(hào)、交直流屏的告警信號(hào)等。

3.控制輸出

在變電站控制系統(tǒng)中，需要控制的對(duì)象很多，如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、分接頭調(diào)節(jié)這些雙命令控制，還有些諸如保護(hù)復(fù)歸、保護(hù)投退、接地試跳等一些單命令控制。所謂雙命令控制對(duì)象，是指被控對(duì)象需要兩個(gè)命令才能實(shí)現(xiàn)該對(duì)象的完整控制過(guò)程即合閘、分閘過(guò)程。

所謂單命令控制則是指被控對(duì)象只要一個(gè)命令就能完成其控制過(guò)程。

如圖4所示，圖(a)和圖(b)是常規(guī)的單、雙命令，間隔層單元在接收到控制命令后，將輸出接點(diǎn)閉合一段時(shí)間，如圖(c)所示，在原先圖(b)的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)公共出口繼電器CC，當(dāng)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(lián)動(dòng)，這樣可以避免因C+或C一這兩個(gè)繼電器誤出口而造成對(duì)控制對(duì)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(guò)各種通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些接口包括：與主控單元的系統(tǒng)接口、調(diào)試通信接口(主要是指用于參數(shù)下裝和信息讀取的接口，一般為RS232接口)、對(duì)時(shí)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(tǒng)接口。

(1)接口類(lèi)型。間隔層單元可支持多種通信接口，接口類(lèi)型有串行接口(RS232/422/485等電氣接口以及光纖接口)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口、工業(yè)以太網(wǎng)(RJ45)等。在本系統(tǒng)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(xiàn)型。在本變電所系統(tǒng)中采用星型連接方式。為了提高控制系統(tǒng)可靠性，主控單元采用雙機(jī)冗余結(jié)構(gòu)。

5.人機(jī)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(cè)量值的顯示，保護(hù)定值顯示和修改功能，遙信狀態(tài)的顯示和歸檔記錄功能，可自由定義接線(xiàn)圖組態(tài)和控制功能。

通過(guò)以上分析，對(duì)鳳凰山礦變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，從而為實(shí)際操作過(guò)程中遇到問(wèn)題從系統(tǒng)構(gòu)成層面進(jìn)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(tǒng)自動(dòng)化及其發(fā)展[M].中國(guó)電力出版社,2000.

[2]唐濤.國(guó)內(nèi)外變電站無(wú)人值班與綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1995,19.

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