电力自动化系统的应用分析

王娜

(紫光测控有限公司,天津 300318)

随着电力系统自动化程度的提高，光纤通讯应用技术的普及和网络技术的发展，利用计算机光纤网络通讯技术实现变电站内设备的远程监测与控制，已经成为当前提高变电站安全经济运行水平的主要手段，其中光纤网络的组态直接影响着通讯的可靠性和经济性等方面[1-5]。本文着重介绍了四种光纤网络组态的设计方案和组成形式，并结合宁波钢铁有限公司电力综合自动化系统的要求，对四种光纤网络组态的实时性、可靠性和通信速度等方面进行比较。

1 电力自动化系统的设计

工程规模本期包括炼钢、炼铁、烧结、轧钢、鼓风机、制氧、原料厂等工程，工程要求电力自动化系统采用分层和分布式的体系结构。按照全厂电力综合自动化系统规划方案，各个开关站（含区域变）均设置间隔层、站控层、能源中心集控层SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统三级控制[6-9]。间隔层为就地安装在各开关柜上的微机保护测控单元，其分别完成开关站进线、母联、电动机、馈出变、电容器组等的继电保护功能、数据采集功能和就地监控功能。间隔层微机保护测控单元与站控层监控主机的通信采用现场总线方式。在站控层部分（包括各个10kV开关站及区域变）设置站控层监控系统，站控层后台监控主机完成本站所属设备全部后台监控功能，能够在站控层对本站所属设备进行操作控制。站控层监控主机同时作为通讯管理机，除完成与本站的保护测控单元通讯及本站的第三方智能设备（如直流屏、电度表）通讯外，还负责完成与上级监控系统通讯。能源中心集控层SCADA监控系统作为宁波钢铁的终极调度管理单位，接收站控层的数据并下发调度指令。

根据工程项目的的未来实际运行要求，站控层监控系统10kV开关站和区域变均按“无人值班”要求设计，监控主机及网络通讯设备等安装在各10kV开关站和区域变内，并配置有键盘、鼠标和显示器。站控层后台监控主机一般按单主机或双机备用模式设计。各站控层监控主机分别作为一个站点构成网络点并接入相应的区域变电所的光纤以太网交换机，再通过能源中心的光纤主网将各站信息上传能源中心SCADA系统。实现各站控层变电所均可以在能源中心进行实时监控、操作。集控层SCADA系统的数据服务器、后台监控主机及操作员站均设在集控中心的主控室内，监控各35kV区域变电所及各10kV高压开关站内设备运行状态，实现对各35kV区域变电所及各10kV高压开关站的远方监控，在集控中心可接收处理各35kV区域变电所及各10kV高压开关站内的各种实时数据，包括模拟量、开关量、保护定值及保护投退，运行人员可通过集控层SCADA系统进行操作。集控层SCADA系统与能源管理系统(EMS)进行通讯，为能源管理系统在全厂的供电参数、电量进行统计、分析，负荷预报以及操控等功能的实现提供必要的数据支持。

工程要求电力自动化系统实现以上功能的基础上，力求减少投资，防止资源浪费，并且为以后的扩建和增容留下裕量。

2 电力自动化系统的实现方案

针对宁波钢铁企业工程对电力自动化系统的要求，我们也对以前现场使用的电力自动化网络系统进行统计，发现分层分布式体系结构已成为变电站自动化系统的标准结构模式。该体系结构中，系统中的网络通信功能与可靠性是影响整个系统稳定可靠的重要因素之一，由于变电站现场电磁环境恶劣，为提高通信可靠性，光纤通信技术越来越多地被应用于该类系统中。紫光测控有限公司以DCAP-3000系列分散式保护监控单元为基础构成综合自动化系统，本系统的性能完全能够满足宁波钢铁的技术要求。

表1 网络结构综合比较

图1 双网网络图

以下的方案在当地站控层与间隔层之间典型配置基础上，分析了站控层（包括35kV区域变电所及各10kV子站）和集控中心之间系统连接实现电力自动化的方案。初始设计方案三套，优化方案一套。

2.1 双网的电力自动化系统

采用双网的电力自动化系统：集控中心与各区域变站控层、10KV子站站控层采用光纤双网结构，集控中心、区域变、10KV子站各配备双前置机实现双机热备。(图1)

图3 环网网络图

图4 环网+树网网络图

局域网LAN A和LAN B分别为两个光纤网络，正常运行时，各站控层的前置机1通过光纤网LAN A与集控中心的前置机1进行通讯，用于各计算机之间的数据交换和资源共享，负责系统的调度、维护、管理，实现站控层与集控中心间数据的实时高速采集，实现集控中心命令的发送和站控层实时数据信息的接收。当其中光纤网络LAN A故障或者站控层的前置机1故障时，造成集控中心与各站控层之间或者集控中心与某一个站控层之间的数据传输的中断，站控层的前置机2会通过软件及时自动切换到另一个光纤网络LAN B，通过集控中心的前置机1和站控层前置机2来实现数据的连续传输。同理，集控中心的前置机1故障或光纤设备故障时，集控中心的前置机2会通过软件自动切换到另一个光纤网络，从而实现站控层与集控中心间数据的连续传输。该方案的优点是：利用双前置机和双层网络配置实现整个系统网络的冗余配置，增加系统的稳定性，提高网络的数据通信有效和实时性，同时实现了数据集中管理，资源共享。缺点是：所有设备全部采用主备配置，包括光纤、光纤转换器、前置机等全部为两套（其中尤其光纤需量最多），占用设备较多，造成工程投资过大。

2.2 树网的电力自动化系统

采用树网的电力自动化系统：集控中心与各区域变站控层、10KV子站站控层采用光纤树网结构，集控中心、区域变、10KV子站采用金字塔配置，每个站配备前置机集控中心作为最顶层，接收各区域变上传的数据，进行处理并下发指令，各区域变接收本区域内各10Kv子站上传的数据，进行转发上传到集控中心，由集控中心处理并下发指令到10Kv站控层后台，并最终执行。（图2）

本方案把炼钢、炼铁等各环节进行区分，同时考虑地域关系，把同一个工艺流程内的10Kv站控层作为一个局部的整体考虑，区域内先进行组网，并集中到区域变的前置机进行处理，区域变可作为一个小的集控中心对所属各站进行数据交换和资源共享，负责本区域内系统的调度、维护、管理，实现区域变与所属各10Kv站间数据的实时高速采集，实现区域变命令的发送和各10Kv子站实时数据信息的接收。此方案的优点是从集控中心到各10Kv子站，全部采用单前置，各站之间单路光纤联系，所以采用的设备较少，减少工程投资，比方案1双网的投资成本低。缺点是结构简单，未考虑冗余设计，在区域变前置机或区域变到集控中心的光纤回路故障时，造成故障区域变所属子站的数据上传与控制中心指令执行的故障；采用树形结构，对集控中心的前置机要求非常高，集控中心的前置机要收集所有站控层前置机上传的数据，并进行处理，对相应的软件开发技术要求较高，实际上增加了研发的成本。

2.3 环网的电力自动化系统

针对以上两个方案中方案1光纤双网、双前置造价高，投资大，方案2树网、单前置过于简单，未考虑通讯回路冗余配置的缺陷，方案3提出并设计了一套光纤环网系统。如图3所示，采用环网的电力自动化系统：集控中心与各区域变站控层、10KV子站站控层采用光纤环网结构，集控中心、各35KV区域变、各10KV子站不分主次，只考虑地域，全部放在一个光纤环网内，集控中心、各35KV区域变、各10KV子站作为环网的一个节点，每个节点配置单前置机和光纤服务器。

该系统在满足变电站自动化系统通信网络的稳定性要求的基础上，解决了减少投资问题，满足了集控中心通信主机对各站访问的通讯回路冗余配置、可以有效提高对各35KV区域变、各10KV子站不间断响应等要求，并且具有现场施工维护方便等优点。该光纤环网结构采用点到点的链路组成，实现集控中心对各点的访问。从上图可以看出，各个站点在这种结构中，分别可以从两个路径到达集控中心，例如：轧钢区域变采集的数据或集控中心下发的指令，可以通过炼钢区域变、炼铁区域变光纤路径上传到集控中心或由集控中心通过此路径下发，也可以通过鼓风机站、雨排站、焦化站光纤路径上传到集控中心或由集控中心通过此路径下发，这样在其中任一个光纤路径或节点出现故障时，可以通过另一个路径上传或下发数据。根据以往的工程实践表明，高速冗余光纤环网具有传输速率高、抗电磁干扰性强等优点，此外，网络系统良好的冗余功能，使得控制系统的可靠性大幅提高。因此，高速冗余光纤环网是大型企业一般采用的网络方案。但是该光纤环网也存在不足，例如集控中心可以实现对各站的管理，但各区域变对所属各站的管理不易实现集中管理，并且，整个钢厂各站做环网结构投资相对过大，有时会造成资源的浪费。

2.4 环网+树网的电力自动化系统

对以上三种方案进行分析，并且结合宁波钢铁企业工程对变电站自动化系统的实际要求，我们考虑系统优化设计时遵守的以下原则：（1）工程投资要相对小；（2）对重要站要采用双机或多机的冗余配置，（3）对重要站的光纤回路要采用冗余配置；（4）区域变所属各站要在区域变内够实现内部监控；（5）充分考虑后期的可扩展性。针对以上设计原则，考虑到宁波钢铁用户不同工艺负责人的具体要求，我们最终采取环网与树网相结合使用的方案。（图4）

整个网络组成为：集控中心、各区域变采用光纤环网结构，全部采用双机配置，保证重要站点后台和光纤通道的冗余配置，实现数据的不中断传输，确保了通信的可靠性；区域变及其所属各站采用树型结构，区域变本身已经双机配置，所属各站一般采用单机配置，实现区域变对所属各站的集中管理，确保工程投资的减少，方便后期工程的扩展。整个网络以集控中心为中心，集控中心需要处理大量子站上传的的遥测、遥信、故障信息等数据，并且对数据处理后下发指令，实现远程遥控遥调等操作，为保证数据处理的速度和对故障信息的及时分析并快速下发指令的能力，工程采用的前置机配备两台IBM XSERIES226服务器，并且两台服务器之间通过软件实现互为备用。区域变相对来说只要采集最多不超过10个站的数据，任务量相对小，所以采用研华610工业控制机，双机配置，互为备用，实现对区域变所属各站电气设备开关量和测量电流、测量电压、有功功率、无功功率和功率因数等的监视，但不实现控制（网络中所有的电气控制命令全部由集控中心的值班人员进行操作；每个站点配备后台监视系统，原因之一就是当地电气设备发生故障时，继电保护装置采集的故障录波数据非常大，要求上传到当地后台机，并进行保存，方便分析，处理，但是电气设备的故障录波数据不能通过网络上传到集控中心在处理，以防故障数据传输中大量的占据光纤路径，影响网络数据传输的实时性）。考虑集控中心到各区域变有可能距离较远，而多模光纤在距离超过2公里后信号将衰减，所以，根据宁波钢铁企业的实际规划要求，对集控中心到各区域变的通讯采用单模光纤实现，采用光纤环网通讯，用单模光纤交换机MOXA——ED-6008-SS实现，它可以实现自动备份路径功能，正常工作时，依靠光纤交换机的TUBRO RING功能（自动备份环网）实现环网功能，并且集控中心和各区域变全部采用双机配置，通过RJ45接到光纤交换机上，依靠软件实现双机热备，这样就实现后台和网络的冗余配置。

鉴于区域变所属各站之间的距离较近，一般不会超过2公里，并且考虑到设备的成本，所以采用多模光纤和多模光纤交换机以及多模光纤转换器（主要考虑多模光纤交换机以及多模光纤转换器的成本），区域变采用多模光纤交换机MOXA——ED-6008-MM，与单模光纤交换机（环网应用）之间采用网口互连，并且考虑到网络的可扩展性，采用B类地址设置IP（便于后期扩展IP地址）；区域变下属各10kv子站一般采用单机配置，应用研华610工业控制机，通过RJ45接到多模光纤转换器（或交换机）上，区域变端对应接到单模光纤交换机上，这样，一方面区域变作为一个小的监控中心，可以很方便的实现对所属各站的监视功能；另一方面，区域变所属各站可以方便的实现数据的上传和接受集控中心的指令，而不用经过区域变配置机器的转发，满足用户的设计要求。

3 结论

如表1所示，通过比较四种方案的实时性、可靠性、通信速度、冗余能力、系统投资、扩展性、性价比几个方面进行了比较，从表中可以看出，方案四（环网+树网）综合表现要优于其他方案，实际上此方案也得到了宁波钢铁用户的认可和表扬，最终确定了方案四在宁波钢铁电力自动化系统中具体实施。并且环网+树网的电力自动化系统的网络结构已经作为我公司对大型钢厂、石化等企业的标准模式来进行设计和施工。

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