王元友，趙志誠，董 佳，張 卓，沈 詠

(1.太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024；2.國網(wǎng)青海省電力公司檢修公司，西寧 810021；3.深圳市中電電力技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518000)

世界范圍內(nèi)正面臨著資源短缺與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的嚴(yán)重矛盾，以電力工業(yè)作為基礎(chǔ)的能源工業(yè)目前正面臨著安全運(yùn)行、減員增效的巨大挑戰(zhàn)。因此，如何提高變電站的供配電的能力，是電力企業(yè)面臨的重大問題。在變電站中實(shí)施先進(jìn)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，可以減少供電事故、提高供電效率、節(jié)約人力和資源成本，實(shí)現(xiàn)“四遙”、五防、事件記錄與查詢，故障實(shí)時(shí)分析與處理、報(bào)文查看與傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控、時(shí)鐘同步等功能，方便電力企業(yè)對設(shè)備運(yùn)行情況的監(jiān)視和管理[1-2]。因此研究綜合自動(dòng)化技術(shù)在變電站中的應(yīng)用，對確保電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，提高電網(wǎng)的效率，優(yōu)化電能在更大范圍內(nèi)的配置，接納更多的新能源以降低環(huán)境污染等方面起著至關(guān)重要的作用。

國外綜合自動(dòng)化技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)70年代。1985年SIEMENS公司的全分散式變電站綜自系統(tǒng)投運(yùn)。到了20世紀(jì)90年代日本的以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的運(yùn)行支撐系統(tǒng)引領(lǐng)著綜自系統(tǒng)新浪潮。美國目前投入運(yùn)營的大致分為三類：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程通信；把采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中；提供人機(jī)界面、RTU、以太網(wǎng)通訊[2]。

21世紀(jì)初，隨著1EC-61850規(guī)約的應(yīng)用，監(jiān)控后臺通過以太網(wǎng)，對智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，綜自系統(tǒng)將朝著更加智能化的方向發(fā)展。基于三態(tài)監(jiān)控的多功能IED；基于智能變電站的一次設(shè)備在線狀態(tài)檢修；基于Web Services的變電站信息集成；基于Multi-Agent的變電站高級應(yīng)用方面發(fā)展；將成為智能變電站技術(shù)發(fā)展的趨勢[1]。

本文以河北某變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)為背景，設(shè)計(jì)一套基于深圳中電公司Pecstar 3.0組態(tài)軟件的變電站監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)分為三個(gè)層次：站控層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層，也即上位機(jī)和下位機(jī)。下位機(jī)采用的是各種智能電子設(shè)備(如PMC-5600、PMC-6510、PMC-1380等監(jiān)控、測控裝置)，調(diào)試運(yùn)行顯示，本系統(tǒng)運(yùn)行情況穩(wěn)定，人機(jī)交互界面清晰明了，保證了電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，節(jié)約了大量的人力物力。

1 變電站整體設(shè)計(jì)方案

1.1 功能需求

根據(jù)用戶需求說明書，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的功能需求如下：

(1)遙控量與遙調(diào)量。斷路器、隔離、接地開關(guān)的分合閘控制；無功設(shè)備的自動(dòng)/手動(dòng)投切控制；主變有載分接頭位置升、降、停調(diào)節(jié)，中性點(diǎn)處接地刀閘分合控制；保護(hù)信號遠(yuǎn)方復(fù)歸和通信系統(tǒng)設(shè)備信號復(fù)歸；投退保護(hù)、改重合閘方式、切換定值區(qū)。

(2)遙測量。系統(tǒng)內(nèi)各電壓等級三相I、U、P、Q以及進(jìn)線和主變各側(cè)的η、f等；站用監(jiān)控系統(tǒng)交、直流切換電源輸出電壓。

(3)狀態(tài)量。全站事故、預(yù)告總信號；斷路器、隔離、接地刀閘位置信號，SF6氣室壓力報(bào)警信號；主變故障及報(bào)警信號；控制開關(guān)變動(dòng)信號；遠(yuǎn)動(dòng)裝置故障告警信號等。

(4)電能量。進(jìn)線及主變高、低壓側(cè)P、Q；

(5)其他。站內(nèi)各IED及調(diào)度中心時(shí)鐘要保持一致；系統(tǒng)實(shí)行權(quán)限登錄；對系統(tǒng)一、二次設(shè)備監(jiān)控及遠(yuǎn)動(dòng)傳送。

1.2 方案確定

通過對變電站系統(tǒng)總體功能需求的分析(安全可靠性高、功能要符合電力公司對系統(tǒng)的要求)、變電站的規(guī)模(屬于中型變電站)、周圍環(huán)境(人口稠密、用電量大)等情況的綜合分析，并結(jié)合組態(tài)軟件系統(tǒng)的實(shí)際功能，經(jīng)研究決定選用具有分散(層)分布式結(jié)構(gòu)的“雙機(jī)雙網(wǎng)雙數(shù)據(jù)庫監(jiān)控系統(tǒng)”，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)只有一個(gè)監(jiān)控中心，但配置兩臺計(jì)算機(jī)一主一備運(yùn)行，同時(shí)配置一主一備數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)中的后臺機(jī)透明訪問當(dāng)前的主機(jī)，特別適用于具有較高可靠性要求的中型監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 雙機(jī)雙網(wǎng)雙數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Fig.1 System of dual dual-network database

設(shè)計(jì)中考慮到變電站未來發(fā)展的需要，在開關(guān)柜、UPS電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、處理器、輸入/輸出總線均采用20%的冗余配置；系統(tǒng)全方位的保護(hù)功能和友好的人機(jī)交互界面(后面有介紹)，在保證變電站供電高可靠性和未來5到10年的發(fā)展需要的前提下，最大限度的節(jié)約各種資源，提高運(yùn)行管理人員的工作效率。從而保證了供電可靠性和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)大致上可以分為以下三個(gè)層次：間隔層(Bay level)、網(wǎng)絡(luò)層(Network layer)、站控層(Station level)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)間隔層(Bay level)

在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，其間隔層的設(shè)備主要有以下幾種類型：各種微機(jī)或繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、直流電源系統(tǒng)以及RTU等。通過數(shù)據(jù)信號線、傳感器等裝置對變電站一次設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，執(zhí)行相關(guān)指令；達(dá)到對一次設(shè)備的保護(hù)、控制的目的；實(shí)現(xiàn)一次系統(tǒng)斷電但各種控制電源(如開關(guān)柜上的電源)仍能正常工作數(shù)小時(shí)；確保本間隔內(nèi)的操作能夠相互閉鎖、與時(shí)鐘同步以及其他控制功能；并保證可以與遠(yuǎn)方調(diào)度或控制中心進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交換。

圖2 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of substation automation system

(2)網(wǎng)絡(luò)層(Network level)

網(wǎng)絡(luò)層的主要設(shè)備有：通信管理機(jī)、交換機(jī)、規(guī)約轉(zhuǎn)變換器等。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層以100 Mbps的高速通訊以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，整個(gè)系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)是由兩條冗余以太網(wǎng)組成。采用的傳輸規(guī)約是Modbus和IEC60870-5-104.

(3)站控層(Station level)

站控層的主要設(shè)備包括：服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)、液晶顯示器、打印機(jī)、UPS系統(tǒng)、GPS校時(shí)裝置等。能夠?qū)崿F(xiàn)對整個(gè)變電站進(jìn)行監(jiān)視、控制以及人機(jī)聯(lián)系，如組態(tài)顯示、指令操作、報(bào)表打印、事故報(bào)警，以及圖片聲音等多媒體功能；借助于高速網(wǎng)絡(luò)對整個(gè)變電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總，并不斷的對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，而且定時(shí)登錄歷史數(shù)據(jù)庫；按照事先規(guī)定好的通訊規(guī)約把相關(guān)的數(shù)據(jù)送往調(diào)度或者控制中心；并接收調(diào)度或控制中心的相關(guān)指令轉(zhuǎn)到到通信層和間隔層去執(zhí)行；具有自動(dòng)分析變電站內(nèi)的故障的功能；實(shí)現(xiàn)在線對整個(gè)變電站的操作閉鎖功能進(jìn)行編程，而且可以在線對間隔層和通信層的設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、組態(tài)和參數(shù)修改等功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

Pecstar 3.0軟件系統(tǒng)由三大功能模塊組成，這些功能模塊可根據(jù)實(shí)際需要在主服務(wù)器或其他工作站上進(jìn)行有選擇的集中或分散安裝。

(1)系統(tǒng)配置模塊

對系統(tǒng)底層信息進(jìn)行配置，包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)添加、廠站設(shè)置、測點(diǎn)定義、系統(tǒng)安全設(shè)置、設(shè)備庫管理等。

(2)數(shù)據(jù)采集模塊

對變電站一次設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示和狀態(tài)指示以及事件信息讀取和存儲、電能統(tǒng)計(jì)、智能設(shè)備控制等功能。

(3)后臺監(jiān)控模塊

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全面監(jiān)控和管理。后臺監(jiān)控系統(tǒng)大致上可以分為以下幾個(gè)模塊：圖形編輯工具、實(shí)時(shí)畫面監(jiān)控工具、報(bào)表制作工具、報(bào)表查看工具、瞬時(shí)波形分析工具、歷史曲線分析工具、歷史事件分析工具、操作票生成工具、郵件分發(fā)工具、Web客戶端訪問功能等。

3.2 各功能模塊的設(shè)計(jì)

Pecstar 3.0系統(tǒng)軟件自帶的圖形編輯工具，對應(yīng)程序模塊名稱為：Pecsdraw.exe.它的主要作用是，繪制監(jiān)控系統(tǒng)各種圖形，包括電氣主接線圖、實(shí)時(shí)曲線圖、實(shí)時(shí)棒圖、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖等等，用于人機(jī)交互，用戶通過這些畫面監(jiān)控，就可以很直觀地對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制及操作，以及數(shù)據(jù)報(bào)表制作、電能棒圖、報(bào)警與事件記錄、實(shí)時(shí)曲線與歷史曲線、瞬時(shí)波形分析、郵件分發(fā)、WEB信息發(fā)布系統(tǒng)、時(shí)鐘同步等功能模塊。

根據(jù)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的要求，結(jié)合Pecstar 3.0組態(tài)軟件的功能，在監(jiān)控主機(jī)上能夠很清晰的實(shí)現(xiàn)對變電站一、二次設(shè)備的比較全面的監(jiān)控。通過各種IED設(shè)備，如PMC-5600、PMC-6510以及溫度傳感器、煙霧傳感器、濕度傳感器等把變電站一次設(shè)備的開關(guān)量、模擬量進(jìn)行采集、匯總、處理，然后通過Modbus規(guī)約上傳至通信管理機(jī)。通信管理機(jī)再將所有數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)上傳至服務(wù)器和監(jiān)控主機(jī)，Pecstar 3.0組態(tài)軟件通過各種邏輯判斷和設(shè)置的參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)報(bào)表生成、電壓棒圖、瞬時(shí)曲線、郵件分發(fā)、事件記錄與查詢、同步時(shí)鐘、WEB信息發(fā)布等功能。并實(shí)現(xiàn)通過IEC60870-5-104傳輸規(guī)約與遠(yuǎn)方調(diào)度中心或控制中心進(jìn)行通信。工作人員在組態(tài)畫面上即可對一、二次設(shè)備的運(yùn)行狀況全面了解，可以對相應(yīng)的斷路器、隔離開關(guān)操作以及報(bào)表、事件查詢等進(jìn)行權(quán)限操作。保證了綜自監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠的對變電站設(shè)備監(jiān)視和控制。

3.3 系統(tǒng)參數(shù)整定

雙擊運(yùn)行Pecstar 3.0運(yùn)行目錄下的Systemconfig.exe，當(dāng)數(shù)據(jù)服務(wù)器正常啟動(dòng)且與其正確連接時(shí)，能夠彈出進(jìn)度提示信息。選擇具有權(quán)限的用戶名并輸入正確的密碼，即可成功啟動(dòng)整定程序。即可對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)整定配置、前臺廠站節(jié)點(diǎn)整定、通信節(jié)點(diǎn)整定、設(shè)備節(jié)點(diǎn)整定、設(shè)備測點(diǎn)表整定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)整定、分時(shí)計(jì)費(fèi)方案的整定與配置、設(shè)備管理的設(shè)置與整定、郵件分發(fā)站的設(shè)置等進(jìn)行逐一整定，使整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中的整個(gè)廠站、通道、設(shè)備、測點(diǎn)的各種信息經(jīng)由信息采集設(shè)備通過相關(guān)規(guī)約、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳送到服務(wù)器，以組態(tài)畫面、表格、報(bào)警信息等形式顯示出來。

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置界面Fig.3 Interface setting of network nodes

現(xiàn)以系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)整定配置為例，在規(guī)劃好網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的分布，確定前臺監(jiān)控廠(包括主備機(jī))所在的計(jì)算機(jī)、時(shí)間服務(wù)器(主備)所在計(jì)算機(jī)，以及運(yùn)行后臺機(jī)的地點(diǎn)后，新建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)表，即可以對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整定配置，其中包括：節(jié)點(diǎn)名稱、計(jì)算機(jī)名稱、節(jié)點(diǎn)類型、前臺廠站、IP設(shè)置等。由于本系統(tǒng)采用的是雙網(wǎng)卡系統(tǒng)，需要對IP參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。如圖3所示表示相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)機(jī)有兩個(gè)網(wǎng)卡，一個(gè)指定為主用網(wǎng)卡(IP地址為191.0.0.10)，另一個(gè)指定為備用網(wǎng)卡(IP地址為191.1.1.10).并可以方便的對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改及刪減。

在監(jiān)控主機(jī)上運(yùn)行Pecstar 3.0，若組態(tài)畫面上能夠顯示各斷路器、隔離開關(guān)的正確位置，并能以沒周波采樣128點(diǎn)，每周波記錄一次有效值的方式實(shí)時(shí)刷新監(jiān)控、測控和保護(hù)裝置返回的數(shù)據(jù)，則表明上位機(jī)已經(jīng)和下位機(jī)通信成功，可以進(jìn)行局部調(diào)試及整體調(diào)試。

4 調(diào)試結(jié)果

完成了自動(dòng)化系統(tǒng)的二次設(shè)備的設(shè)計(jì)、選型及安裝和軟件的各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)與整定之后，即可對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

變電內(nèi)一次設(shè)備的運(yùn)行情況和斷路器、隔離開關(guān)的開合狀態(tài)等信息均顯示在組態(tài)畫面上，能夠?qū)崿F(xiàn)圖形及報(bào)表顯示、事件記錄及報(bào)警狀態(tài)顯示和查詢，設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)的查詢，操作指導(dǎo)，操作控制命令的解釋和下達(dá)等等操作。在組態(tài)畫面上可以對了解到各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，操作相應(yīng)的斷路器或隔離開關(guān)，如果順序正確的話能夠遠(yuǎn)程進(jìn)行開合，否則系統(tǒng)會(huì)提示錯(cuò)誤，因?yàn)樗鼈冎g形成了閉鎖功能。而且進(jìn)行這些操作的前提是操作人員具有相應(yīng)的權(quán)限管理功能。

如圖4所示，變電站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、事件的分類、事件發(fā)生的時(shí)間、位置、通信通道、設(shè)備名稱、等情況都可以通過事件查詢報(bào)表進(jìn)行查詢。

如圖5所示，為進(jìn)線C相電壓趨勢曲線圖。運(yùn)行人員通過后臺監(jiān)控主機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對進(jìn)線各相電壓情況進(jìn)線了解和控制。

其他功能也均能正常顯示和操作，滿足了變電站的供電需求(“五防”、“四遙”、系統(tǒng)的設(shè)置與修改、權(quán)限管理、操作管理；遠(yuǎn)方調(diào)度、數(shù)據(jù)處理、通信功能及人機(jī)交互界面；數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)了直接采集直接傳送，直接把計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)處理后，完成與調(diào)度端的數(shù)據(jù)交換等工作)。

5 結(jié)束語

本文是基于Pecstar 3.0電力組態(tài)軟件和各種智能電子設(shè)備，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、通信和微機(jī)保護(hù)等技術(shù)設(shè)計(jì)的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，本系統(tǒng)已在河北某公司投入運(yùn)行。變電站內(nèi)一、二次設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，減少了變電站運(yùn)行維護(hù)人員的工作量，提高了供電效率，節(jié)約了大量的人力和資金投入。變電站的運(yùn)行情況表明，設(shè)計(jì)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行高效穩(wěn)定，取得了很好的監(jiān)視和控制效果。

圖5 進(jìn)線C相電壓趨勢曲線Fig.5 Trend line of C-phase voltage curve

參考文獻(xiàn)：

[1] 覃劍.智能變電站技術(shù)與實(shí)踐[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2] 趙國喜，張海峰，彭勇.無人值班變電站運(yùn)行技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3] 劉海峰，趙永生，譚建群，等.智能變電站技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和展望[J].湖南電力，2013，33(1)：9-14.

[4] STEVEN E WIDERGREN.Smart Grid：Transforming the Electric System[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4(1)：2-3.

[5] 江蘇省電力設(shè)計(jì)院.DL/T5103-1999[S].北京：中國電力出版社，2000.

[6] 劉國強(qiáng).智能變電站功能架構(gòu)及設(shè)計(jì)原則[J].城鄉(xiāng)建設(shè)，2013，20(2)：66-67.

[7] STEVEN E COLLIER.Ten Steps to a Smart Grid[J].Industry Applications Magazine，IEEE，2010，16(2)：62-68.

[8] 艾璐博.110kV智能變電站的設(shè)計(jì)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[9] KLAUS BRAND，VOLKER LOHMANN，WOLFGANG WIMMER.變電站自動(dòng)化[M].景雷，范建忠，蘇斌，譯.北京：中國電力出版社，2009.

[10] 顧工川.35kV數(shù)字化變電的設(shè)計(jì)[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.