胡寅，王軍

(宿遷市泗陽(yáng)縣供電公司，江蘇 宿遷 223700)

1 變電站綜合自動(dòng)化概述

變電站綜合自動(dòng)化是將變電站的二次設(shè)備(測(cè)量?jī)x表、信號(hào)系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和遠(yuǎn)動(dòng)裝置等)經(jīng)過(guò)功能的組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全變電站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、自動(dòng)控制和微機(jī)保護(hù)、調(diào)度通信等綜合自動(dòng)化功能的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)［1］。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)具有功能綜合化、結(jié)構(gòu)微機(jī)化、操作監(jiān)視屏幕化、運(yùn)行管理智能化等特征，它的出現(xiàn)為變電站的小型化、智能化、擴(kuò)大控制范圍及變電站安全可靠、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了現(xiàn)代化手段和基礎(chǔ)保證。

2 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。“數(shù)據(jù)采集和控制”、“繼電保護(hù)”、“直流電源系統(tǒng)”三大塊構(gòu)成變電站自動(dòng)化基礎(chǔ)?！巴ㄐ趴刂乒芾怼笔菢蛄?，聯(lián)系變電站內(nèi)部各部分之間、變電站與調(diào)度控制中心之間使其相互交換數(shù)據(jù)。“變電站主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”對(duì)整個(gè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)、管理和控制，并向運(yùn)行人員提供變電站運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)、接線圖、表格等畫面，使運(yùn)行人員可遠(yuǎn)方控制斷路器分、合操作，還提供運(yùn)行和維護(hù)人員對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和干預(yù)的手段。

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的組成在結(jié)構(gòu)形式上主要可分為集中式、分布集中式、集中和分散結(jié)合式、分散式四種［2］。

圖1 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.1 集中式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

集中式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是按功能要求配置相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置及遠(yuǎn)動(dòng)裝置并安裝在變電站的中央控制室內(nèi)。變壓器、各進(jìn)出線及其他電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)CT、PT、開關(guān)輔助觸點(diǎn)由電纜傳送到變電站的中央控制室的保護(hù)裝置和遠(yuǎn)動(dòng)裝置內(nèi)，經(jīng)初步處理后送到I/O通信控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的變換(規(guī)約轉(zhuǎn)換)，并將變電站所有保護(hù)、測(cè)量、信號(hào)和控制信息統(tǒng)一處理，與當(dāng)?shù)氐暮笈_(tái)機(jī)和遠(yuǎn)方調(diào)度中心進(jìn)行信息交換。此種方式實(shí)際上是現(xiàn)有微機(jī)保護(hù)與微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)集成，但其組屏多，占地面積大，而且需敷設(shè)大量電纜，投資和工程量大，應(yīng)用會(huì)越來(lái)越少。

2.2 分布式(分散式)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

分布式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)按回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，每一個(gè)開關(guān)柜上或其他一次設(shè)備上就地安裝微機(jī)保護(hù)單元和單回路的數(shù)采/監(jiān)控單元，故開關(guān)和其他一次設(shè)備與單回路的數(shù)采/監(jiān)控單元和微機(jī)保護(hù)單元在同一柜內(nèi)，可免去大量的電纜聯(lián)接，同時(shí)也提高了抗干擾能力，它無(wú)須再設(shè)置繼電保護(hù)和遠(yuǎn)動(dòng)裝置屏，大大減化了二次設(shè)備，并減小了占地面積［3］。故分布式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)自問(wèn)世以來(lái)，顯示出強(qiáng)大的生命力。

2.3 分布集中式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

分布集中式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)將整個(gè)變電站的一、二次設(shè)備分為3層，即變電站層、單元層和設(shè)備層。變電站層稱為2層，單元層為1層，設(shè)備層為0層。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要位于1層和2層。單元層一般按斷路器間隔劃分，具有測(cè)量、控制部件或繼電保護(hù)部件，它本身由各種不同的單元裝置組成，這些獨(dú)立的單元裝置直接通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)或串行總線與變電站層聯(lián)系;也可能設(shè)有數(shù)采管理機(jī)或保護(hù)管理機(jī)，分別管理各測(cè)量、監(jiān)視單元和各保護(hù)單元，然后集中由數(shù)采管理機(jī)和保護(hù)管理機(jī)與變電站層通信。變電站層設(shè)現(xiàn)場(chǎng)總線或局域網(wǎng)，供各主機(jī)之間和監(jiān)控主機(jī)和單元層之間交換信息。

2.4 集中與分散結(jié)合式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

集中與分散結(jié)合式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)按每個(gè)電網(wǎng)元件(如:一條出線，一臺(tái)變壓器、一組電容器等)為對(duì)象，集測(cè)量、保護(hù)、控制為一體，設(shè)計(jì)在同一機(jī)箱中。至于高壓線路保護(hù)裝置和變壓器保護(hù)裝置，仍可采用集中組屏安裝在主控室內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)方式介于集中式與分散式兩種結(jié)構(gòu)之間，形式較多。其具有分散式結(jié)構(gòu)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，因?yàn)橹械蛪鹤冸娬镜囊淮卧O(shè)備比較集中，所以此種結(jié)構(gòu)方式比較適用于中低壓變電站。

現(xiàn)在分散式(分布式)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是以后發(fā)展的趨勢(shì)。

3 傳統(tǒng)變電站監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為傳統(tǒng)變電站監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)及其設(shè)備狀態(tài)的信息示意圖［4，5］。這里僅以變電站一部分主接線方案來(lái)表示一次設(shè)備與其信息處理系統(tǒng)之間的連接關(guān)系。一次系統(tǒng)及主設(shè)備的信息通過(guò)傳感器變換后，一部分變換成由人的感官能接收的信息形式(如發(fā)光、音響和儀表指示)。操作員對(duì)信息進(jìn)行分析、判斷和做出處理決定后，手動(dòng)進(jìn)行控制和操作，從而構(gòu)成一個(gè)閉合信息系統(tǒng)。信息流中的信息多數(shù)是模擬量的連續(xù)電信號(hào)，值班人員必須在控制室和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常監(jiān)視、掌握信息變化情況。另一部分信息傳至繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置，并經(jīng)它們處理后，作用于對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制(如跳、合閘)或調(diào)節(jié)，構(gòu)成圖1中虛線所示的閉合信息系統(tǒng)和信息流。這部分信息也必須靠值班人員管理。兩部分信息流系統(tǒng)及其正常工作都是以人為核心的傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)工作模式。

圖2 傳統(tǒng)變電站監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

變電站的傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中，信息由控制電纜傳輸，信息匯總的處理者是值班人員［6］。值班人員通過(guò)感官接收到變電站的各種信息后，按運(yùn)行規(guī)程和信息的特征，憑日常的技術(shù)積累，由大腦做出處理決定，發(fā)出各種控制、調(diào)節(jié)指令，控制一次系統(tǒng)的開關(guān)與設(shè)備。

4 變電站綜合自動(dòng)化微機(jī)保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 變電站綜合自動(dòng)化微機(jī)保護(hù)的功能和特點(diǎn)

反映數(shù)字量的微機(jī)型保護(hù)的出現(xiàn)，在功能上除了滿足繼電保護(hù)選擇性、快速性、可靠性、靈敏性基本要求外，還具有以下功能和特點(diǎn)［7，8］:

4.1.1 通信功能

通信接口是微機(jī)保護(hù)用于變電站綜合自動(dòng)化的必要條件，具備有RS－232，RS－422/485等標(biāo)準(zhǔn)接口。RS－232接口可以方便地轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，方便與遠(yuǎn)動(dòng)裝置的光纖連接，結(jié)合分布式的RTU實(shí)現(xiàn)保護(hù)遠(yuǎn)動(dòng)的就地安裝，將大大節(jié)省電纜投資。RS－422/485的抗干擾能力強(qiáng)，且傳輸距離較長(zhǎng)，同時(shí)可以掛網(wǎng)，使微機(jī)保護(hù)即可分散安裝也可集中組屏。一般微機(jī)保護(hù)通信規(guī)約具有基本命令和報(bào)文功能，在正常的通信行為中應(yīng)處于被動(dòng)的狀態(tài)，接收來(lái)自遠(yuǎn)方的各下行詢問(wèn)命令，在發(fā)生異常及保護(hù)動(dòng)作后，主動(dòng)上報(bào)相關(guān)報(bào)文。

4.1.2 保護(hù)功能的遠(yuǎn)方投切［9］

隨著變電站綜合自動(dòng)化及無(wú)人值班變電站技術(shù)的發(fā)展，在遠(yuǎn)方完成保護(hù)功能的投切顯得愈為迫切。微機(jī)保護(hù)裝置中各功能由軟件控制是否投入運(yùn)行，以滿足遠(yuǎn)方投切的要求，其功能如同常規(guī)保護(hù)所設(shè)立的連接片。這種軟件控制開關(guān)稱為軟連接片。軟連接片引入微機(jī)保護(hù)之后，此時(shí)的保護(hù)程序標(biāo)準(zhǔn)化變得易于實(shí)現(xiàn)，程序編制應(yīng)按最大考慮，對(duì)各功能模塊加設(shè)軟件連接片，用戶可根據(jù)使用環(huán)境調(diào)整軟連接片。

4.1.3 遠(yuǎn)方整定功能

這是變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中微機(jī)保護(hù)的重要特征，也是無(wú)人值班技術(shù)的基礎(chǔ)。為保證定值遠(yuǎn)方傳輸?shù)恼_性，必須進(jìn)行定值返校及修改確認(rèn)。在進(jìn)行遠(yuǎn)方整定的操作過(guò)程中，保護(hù)裝置在未收到修改確認(rèn)命令前應(yīng)按原定值不間斷運(yùn)行，當(dāng)收到確認(rèn)命令號(hào)，將新定值寫入定值區(qū)后按新定值運(yùn)行。在遠(yuǎn)方整定過(guò)程中保護(hù)始終不退出，因而提高了供電連續(xù)性及可靠性。

4.1.4 自動(dòng)校時(shí)功能

信號(hào)傳輸采用數(shù)字通信方式，事件報(bào)文含發(fā)生時(shí)刻，計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的準(zhǔn)確是事件排序正確的基礎(chǔ)。微機(jī)保護(hù)若用于多個(gè)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，其校時(shí)方法至少應(yīng)具備兩種，即通信廣播校時(shí)及分、秒中斷校時(shí)。變電站綜合自動(dòng)化主站在接到上級(jí)等時(shí)鐘信號(hào)后，對(duì)站內(nèi)所有計(jì)算機(jī)進(jìn)行時(shí)鐘分校時(shí)或秒校時(shí)，保證全站所有智能設(shè)備時(shí)鐘一致，最好精確到毫秒。

4.1.5 獨(dú)立性

微機(jī)保護(hù)的發(fā)展，其硬件越來(lái)越完善，由單一CPU完成多種保護(hù)、單一CPU完成多個(gè)開關(guān)的保護(hù)，發(fā)展到現(xiàn)在單個(gè)開關(guān)保護(hù)由獨(dú)立CPU完成，微機(jī)保護(hù)的獨(dú)立性具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:保護(hù)運(yùn)行與通信無(wú)關(guān);保護(hù)與測(cè)量無(wú)關(guān)，不應(yīng)將測(cè)量及遠(yuǎn)動(dòng)與保護(hù)混為一體;保護(hù)電源獨(dú)立，不與其他保護(hù)共用;保護(hù)CPU獨(dú)立。這是微機(jī)保護(hù)安全性、可靠性的基礎(chǔ)。

4.1.6 附加功能

微機(jī)保護(hù)作為變電站綜合自動(dòng)化中重要一環(huán)，應(yīng)在維護(hù)與調(diào)試的便捷方面下功夫。除去正常的自檢功能外，還增設(shè)下列有關(guān)功能:

(1)采樣通道校驗(yàn)功能。在校驗(yàn)或檢修狀態(tài)下，保護(hù)自動(dòng)顯示指定通道輸入量大小，并可方便調(diào)節(jié)校準(zhǔn)。

(2)出口中間繼電器校驗(yàn)功能。由軟件在校驗(yàn)狀態(tài)下實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)出口回路，校驗(yàn)裝置出口回路是否完好。

(3)相關(guān)狀態(tài)輸入量校驗(yàn)功能(如復(fù)歸輸入、開關(guān)設(shè)置等)。校驗(yàn)與狀態(tài)量有關(guān)保護(hù)功能的輸入正確性。

(4)具備較完整功能的試驗(yàn)單元。通過(guò)簡(jiǎn)單的電纜連接，可以模擬保護(hù)裝置所需故障量及開關(guān)狀態(tài)。

4.2 變電站綜合自動(dòng)化微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

通常一套微機(jī)保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成可分為五部分，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)、人機(jī)接口與通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。圖3給出了典型微機(jī)保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成［10］。主要說(shuō)明如下:

圖3 變電站綜合自動(dòng)化微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(模擬量輸入系統(tǒng))的主要功能就是將由TV、TA輸入至保護(hù)裝置的電壓、電流等模擬量準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)字量。該部分主要包括電壓形成、模擬濾波、采樣保持、多路開關(guān)及模數(shù)轉(zhuǎn)換。

4.2.2 CPU 主系統(tǒng)

CPU主系統(tǒng)是微機(jī)保護(hù)裝置的核心，它包括中央處理單元(CPU)、只讀存儲(chǔ)器(一般用EPROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)以及定時(shí)器等。保護(hù)裝置工作時(shí)，CPU執(zhí)行放在EPROM中的程序，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到信息輸入至RAM區(qū)并進(jìn)行分析處理，以完成各種繼電保護(hù)功能。

4.2.3 開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)

開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)是微機(jī)保護(hù)與外部設(shè)備的聯(lián)系電路，它由若干個(gè)并行擴(kuò)展芯片、光電耦合器及中間繼電器等組成。該系統(tǒng)完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號(hào)報(bào)警、外部接點(diǎn)輸入等功能。

4.2.4 人機(jī)接口與通信系統(tǒng)

人機(jī)接口與通信系統(tǒng)是由液晶顯示器、鍵盤、打印機(jī)及通信芯片等組成，完成裝置調(diào)試、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、定值整定及實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備通信等功能。每個(gè)保護(hù)裝置都帶有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口電路，如RS－232，RS－422/485，CAN或LONWORK等現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)接口電路。

4.2.5 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)提供整個(gè)裝置所需要的直流穩(wěn)壓電源，一般采用逆變電源將輸入的直流電源逆變成高頻交流電源再整流成為不同電壓等級(jí)的直流電源，以保證整個(gè)裝置的可靠供電。通過(guò)逆變后的供電電源具有極強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)變電站中因斷路器跳、合閘等原因引起的強(qiáng)干擾可完全消除掉。

5 變電站綜合自動(dòng)化微機(jī)保護(hù)軟件結(jié)構(gòu)

微機(jī)保護(hù)與傳統(tǒng)繼電保護(hù)的最大區(qū)別，就在于不僅有實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能的硬件電路，而且還有實(shí)現(xiàn)保護(hù)和管理功能的軟件。

圖4給出了變電站綜合自動(dòng)化常用微機(jī)保護(hù)裝置主程序流程圖。圖中初始化包括初始化(一)、初始化(二)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化三個(gè)部分:

圖4 變電站綜合自動(dòng)化常用微機(jī)保護(hù)裝置主程序流程圖

初始化(一)主要是對(duì)微處理器CPU及其擴(kuò)展芯片的初始化及保護(hù)輸出的開關(guān)量出口初始化，賦以正常初值，以保證出口繼電器均不動(dòng)作。

初始化(二)包括采樣定時(shí)器的初始化、對(duì)RAM區(qū)中所有運(yùn)行時(shí)要使用的軟件計(jì)數(shù)器及各種標(biāo)志位清零等程序。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化主要指采樣值存放地址指針初始化，如果是VFC式采樣方式，則還需對(duì)可編程計(jì)數(shù)器初始化。

6 總結(jié)與展望

本文在比較分析傳統(tǒng)變電站監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)與變電站綜合自動(dòng)化微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的區(qū)別基礎(chǔ)上，著重分析了變電站綜合自動(dòng)化微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。通過(guò)綜合分析，未來(lái)變電站綜合自動(dòng)化微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是:保護(hù)監(jiān)控一體化;設(shè)備安裝就地化、戶外化;人機(jī)操作界面接口統(tǒng)一化、運(yùn)行操作無(wú)線化;防誤閉鎖邏輯驗(yàn)證圖形化、規(guī)范化、離線模擬化;就地通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化;全站數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化;數(shù)據(jù)采集和一次設(shè)備一體化。

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