談變電站自動化系統分析和實施

2013-09-22 14:08:48 米爾自動化網　點擊量：評論 (0)

1、變電站自動化系統的分析 1997年8月國際大電網會議（CIGRE）的WG34 03工作組在《變電站內數據流的通信要求》的報告中分析了變電站自動化需完成63種功能，并將這些功能分為7個功能組：（1）遠

1、變電站自動化系統的分析

1997年8月國際大電網會議（CIGRE）的WG34.03工作組在《變電站內數據流的通信要求》的報告中分析了變電站自動化需完成63種功能，并將這些功能分為7個功能組：

（1）遠動功能（四遙功能）；

（2）自動控制功能（如有載調壓變壓器分接頭和并聯補償電容器的綜合控制（VQC）。電力系統低頻減載、靜止無功補償器控制、配網系統故障分段隔離/非故障段恢復供電與網絡重組等）；

（3）測量表計功能（如三相智能式電子電費計量表等）；

（4）繼電保護功能；

（5）與繼電保護有關的功能（如故障錄波、故障測距、小電流接地選線等）；

（6）接口功能（如與微機五防、繼電保護、電能計量、全球定位系統（GPS）等IED的接口）

（7）系統功能（與主站通信，當地SCADA等）。

所有能實現這些功能的設備，目前統稱為智能式電子儀表（IED）。變電站自動化的目的，就是實現這些IED的信息共享，由此可減少變電站使用的電纜數量和造價，提高變電站的運行和安全可靠性，并減少維護工作量和提高維護水平。

應注意的是：

（1）上述自動化設備均應責任分明、互不干擾。

（2）要特別重視繼電保護設備的安全可靠、不能影響到繼電保護設備的電磁兼容性的要求。

根據變電站自動化的目的，為實現信息共享需采用分層結構：變電站層（與上級調度中心通信、當地SCADA等）、網絡層（用以實現各種IED的信息集成），間隔層（各種IED）和設備層（高壓一次設備）。

    2、用現場總線網實現變電站自動化系統

為實現變電站自動化，網絡層的性能是相當重要的，它承擔將運動設備、繼電保護設備，各種自動控制設備及電費計量等智能電子儀表進行集成的功能。20世紀90年代中發展成熟的現場總線（fieldbus）是實現IED集成的較為優越的網絡系統。

國際電工委員會（IEC）提出現場總線概念。其定義為：現場總線是連接工業現場的儀表與設置在控制室內控制設備的數字化、串行、雙向、多變量、多節點的通信網絡。對現場總線控制系統（FCS，fieldbuscontrolsystem）定義為：由各種現場儀表通過互聯與控制室內人機界面所組成的系統，它是一個全分散、全數字化、全開放和可操作的生產過程自動控制系統。

采用現場總線的自動化系統具有如下特點：

（1）在結構上改變了傳統的輸入/輸出（I/O）模塊，而將其并入現場智能電子儀表（IED），并統稱為節點（node）。

（2）所有信號均為雙向，管理人員在控制室內就可監控現場設備。

（3）全數字化通信，提高了數據傳輸的準確性和可靠性。

（4）現場總線均定義了用戶層協議，可實現互操作性，滿足真正開放性的要求。統一的通信協議和組態方式使不同廠家的產品可互連、互換和互操作。

（5）簡化設計和安裝。因現場總線僅為一條雙絞線，可連接很多現場儀表，使布線設計簡單，并節省大量電纜，簡化了安裝。

（6）各節點應能自診斷，當某節點故障，應能自動停運，而不影響其他節點的運行。

（7）易于實現設備擴充和產品改型。

目前世界上現場總線產品有美國Echelon公司生產的LonWorks網，德國Bosch公司設計的CAN網、西門子公司的Profibus網等。

由于目前變電站中所使用的各種自動化設備和繼電保護裝置并不是采用現場總線網或不是采用為集成變電站自動化IED的某種現場總線網，所以有必要設計一個集成節點，使不同廠家、不同網絡的IED能接到所選的現場總線網上。

由于1999年10月在日本京都召開的第63屆IEC年會上已將LanWorks排除在國際標準之外，因此必須對符合國際標準的現場總線產品予以特別關注。

即使LonWorks并未列入國際標準，但由于國內有生產與其適配的產品的廠商，也有不少用戶使用LonWorks，所以在本文中仍對具LonWorks的特點及有關產品進行介紹。

LonWorks現場總線網是一種使用較為廣泛的全分布智能控制網絡技術，是實現變電站自動化系統網絡層的成熟產品，網絡通信介質不受限制，可以是雙絞線、光纖、電力線、無線、紅外線等，并可在同一網絡中混合使用。

LonWorks網的技術特點是：

（1）基本元件為Neuron神經元芯片。它具備通信和控制功能，并且固化了ISO/CSI全部七層協議，以及34種常見的I/O控制對象。

（2）將以太網CSMA協議改造為PredictiveP-PersistentCSMA協議。此協議保留了以太網偵聽多重訪問的優點，克服了在控制應用上的缺點。節點隨機地分布在最小為16個隨機時間槽的不同延遲水平上。當網絡空閑時所有節點只隨機分布在16個槽上。當估計到負荷增加時，節點將分布在更多的時間槽上，增加的槽的數量由n來決定。n為信道上積壓的工作的估計（由1到63），它表示下一次要發送數據包的節點數。并有選擇地提供優先級機制以提高對重要數據包的響應時間。

（3）Neuron神經元芯片是LonWorks技術的核心，它有3個8位CPU分別完成介質訪問、網絡處理和應用處理。

（4）網絡通信采用面向對象的設計方法稱為“網絡變量”，使網絡通信的設計簡化為參數設置。

（5）通信的每幀有效字節數可從0到228B。

（6）通信速率：1.25Mb/s，雙絞線，有效距離130m;78kb/s，雙絞線，有效距離2700m。

（7）LonWroks網的通信協議稱為LonTalk協議，其互操作性標準為LonMark，網絡服務操作系統為LNS。

（8）LonTalk 協議定義了域、子網、節點地址的分層邏輯尋址方式。一個子網最多可包括127個節點，一個域中最多可定義255個子網，這樣在一個域內最多可有 32385（255×127）個節點。域是一個或多個信道上節點的邏輯組合。通信只能在配置于同一個域的節點之間進行。多個域可使用相同的信道。域可以防止不同網絡上節點的互相干擾。

（9）LonWorks網可通過網關RTLE-KT-03001與以太網連結。亦可通過網關WBLE-KT-00001與Internet網或中國電力信息數據交換網連結。這兩種網關均由美國CoactiveNetworks公司生產。

美國iIexSystemsInc公司已生產了采用LonWorks現場總線網的變電站自動化系統，其集成節點稱為串口節點（sorialnode）。每個串口節點用同一種規約可連接256×8個遙信量、128×8個遙測量和32×8個遙控量。一個變電站自動化系統可連結64個串口節點。此串口節點具有豐富的通信規約，如中國電力部部頒CDT，DNP3.0，Modbus，SC1801，Har- ris5000/6000，HDLC，QDIP（Quantum電表），PG&E2179（Cooper4C/CL4C/SA）等，可與不同廠家、不同網絡的IED相連，如SEL公司的繼電保護裝置，美國斯倫貝謝公司的Quantum電量計費表，南自院系統所生產的微機五防裝置等連接。為實現信息共享，只要進行規約轉換，各種IED都能集成到LonWorks網上。而且通過此串口節點集成的各種IED，可互不干擾。能在不停電運行情況下對串口節點進行新IED的連接和規約調試，且不影響變電站自動化系統的運行。

iLex公司同時設計了滿足LonWorks網的遠動節點，如遙測節點（A-32）、遙信節點（I-64）、遙控SBO節點（C-16）、交流采樣節點等以滿足自動監控的需要。為與上級調度中心通信和管理LonWorks網，設計了通信節點（comm）。通信節點可有8個從通信節點、每個從節點可有各自的通信規約與主站通信；可各自對時，滿足不同主站對所需的SOE帶上各自的時標，便于電力系統事故分析；還具有在自動化系統不停電情況下，維修故障節點的能力，使平均無故障時間（MTBF）得以提高。

    3、變電站自動化系統實施中的問題

（1）變電站自動化名稱問題

1997年國際大電網會議WG34.03工作組在《變電站內數據流的通信要求》報告中[1，2]已不提“變電站綜合自動化”，只提“變電站自動化”，取消了“綜合”這個詞。因為“綜合”的含義不明確，具有二義性。此提法已被（IEC）同美國IEEE協商確定。“變電站自動化”、“變電站自動化系統”已被IECTC57技術委員會正式定義并編入標準名詞術語。

（2）關于繼電保護與遠動在變電站自動化系統中所處的地位

    繼電保護的基本任務是，當電力系統發生故障或異常工況時在可能實現的最短時間和最小區域內自動將故障的電力系統元件從系統中切除，或給出信號由值班人員消除異常工況的根源，以避免或減輕設備的損壞和對相鄰地區供電的影響。

電網調度自動化系統是在電網正常運行情況下確保電網安全、優質、經濟地發供電，提高調度運行管理水平的重要手段。遠動裝置（RTU）是為完成電網調度自動化在變電站中裝設的必不可少的自動化裝置。

因此，繼電保護裝置與遠動裝置是完成不同任務的兩種裝置，在電網調度運行管理中各行其責，互不干擾。

90 年代我國電網廣泛采用了微機保護裝置，將電力系統元件（發電機、變壓器、母線、線路）的運行參數（模擬量）通過低通濾波器濾去電力系統中出現的高頻分量，只反映工頻量，然后經過交流采樣和A/D轉換，形成離散數字量來完成保護電力系統元件的任務。