变电站综合自动化系统设计与实现

王元友，赵志诚，董 佳，张 卓，沈 咏

(1.太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024；2.国网青海省电力公司检修公司，西宁 810021；3.深圳市中电电力技术股份有限公司，广东 深圳 518000)

世界范围内正面临着资源短缺与经济发展的严重矛盾，以电力工业作为基础的能源工业目前正面临着安全运行、减员增效的巨大挑战。因此，如何提高变电站的供配电的能力，是电力企业面临的重大问题。在变电站中实施先进的综合自动化系统，可以减少供电事故、提高供电效率、节约人力和资源成本，实现“四遥”、五防、事件记录与查询，故障实时分析与处理、报文查看与传输、远程监控、时钟同步等功能，方便电力企业对设备运行情况的监视和管理[1-2]。因此研究综合自动化技术在变电站中的应用，对确保电网的安全可靠运行，提高电网的效率，优化电能在更大范围内的配置，接纳更多的新能源以降低环境污染等方面起着至关重要的作用。

国外综合自动化技术的研究开始于20世纪70年代。1985年SIEMENS公司的全分散式变电站综自系统投运。到了20世纪90年代日本的以计算机监控系统为基础的运行支撑系统引领着综自系统新浪潮。美国目前投入运营的大致分为三类：实现实时数据采集和远程通信；把采集的实时数据存储到数据库中；提供人机界面、RTU、以太网通讯[2]。

21世纪初，随着1EC-61850规约的应用，监控后台通过以太网，对智能化的一次设备和网络化的二次设备进行监测和控制。随着技术的发展，综自系统将朝着更加智能化的方向发展。基于三态监控的多功能IED；基于智能变电站的一次设备在线状态检修；基于Web Services的变电站信息集成；基于Multi-Agent的变电站高级应用方面发展；将成为智能变电站技术发展的趋势[1]。

本文以河北某变电站综合自动化系统建设为背景，设计一套基于深圳中电公司Pecstar 3.0组态软件的变电站监控系统，系统分为三个层次：站控层、网络层、间隔层，也即上位机和下位机。下位机采用的是各种智能电子设备(如PMC-5600、PMC-6510、PMC-1380等监控、测控装置)，调试运行显示，本系统运行情况稳定，人机交互界面清晰明了，保证了电力系统供电的稳定性，节约了大量的人力物力。

1 变电站整体设计方案

1.1 功能需求

根据用户需求说明书，综合自动化系统的功能需求如下：

(1)遥控量与遥调量。断路器、隔离、接地开关的分合闸控制；无功设备的自动/手动投切控制；主变有载分接头位置升、降、停调节，中性点处接地刀闸分合控制；保护信号远方复归和通信系统设备信号复归；投退保护、改重合闸方式、切换定值区。

(2)遥测量。系统内各电压等级三相I、U、P、Q以及进线和主变各侧的η、f等；站用监控系统交、直流切换电源输出电压。

(3)状态量。全站事故、预告总信号；断路器、隔离、接地刀闸位置信号，SF6气室压力报警信号；主变故障及报警信号；控制开关变动信号；远动装置故障告警信号等。

(4)电能量。进线及主变高、低压侧P、Q；

(5)其他。站内各IED及调度中心时钟要保持一致；系统实行权限登录；对系统一、二次设备监控及远动传送。

1.2 方案确定

通过对变电站系统总体功能需求的分析(安全可靠性高、功能要符合电力公司对系统的要求)、变电站的规模(属于中型变电站)、周围环境(人口稠密、用电量大)等情况的综合分析，并结合组态软件系统的实际功能，经研究决定选用具有分散(层)分布式结构的“双机双网双数据库监控系统”，其结构如图1所示。本系统只有一个监控中心，但配置两台计算机一主一备运行，同时配置一主一备数据库服务器，网络中的后台机透明访问当前的主机，特别适用于具有较高可靠性要求的中型监控系统。

图1 双机双网双数据库系统Fig.1 System of dual dual-network database

设计中考虑到变电站未来发展的需要，在开关柜、UPS电源系统、直流电源系统、处理器、输入/输出总线均采用20%的冗余配置；系统全方位的保护功能和友好的人机交互界面(后面有介绍)，在保证变电站供电高可靠性和未来5到10年的发展需要的前提下，最大限度的节约各种资源，提高运行管理人员的工作效率。从而保证了供电可靠性和电力系统稳定性。

2 硬件结构

整个变电站综合自动化系统大致上可以分为以下三个层次：间隔层(Bay level)、网络层(Network layer)、站控层(Station level)，其结构如图2所示。

(1)间隔层(Bay level)

在变电站自动化系统中，其间隔层的设备主要有以下几种类型：各种微机或继电保护装置、自动控制装置、数据采集装置、直流电源系统以及RTU等。通过数据信号线、传感器等装置对变电站一次设备采集的实时数据进行汇总，执行相关指令；达到对一次设备的保护、控制的目的；实现一次系统断电但各种控制电源(如开关柜上的电源)仍能正常工作数小时；确保本间隔内的操作能够相互闭锁、与时钟同步以及其他控制功能；并保证可以与远方调度或控制中心进行正常的数据交换。

图2 变电站综合自动化系统硬件结构图Fig.2 Hardware structure of substation automation system

(2)网络层(Network level)

网络层的主要设备有：通信管理机、交换机、规约转变换器等。系统的网络层以100 Mbps的高速通讯以太网为基础，整个系统的通讯网络是由两条冗余以太网组成。采用的传输规约是Modbus和IEC60870-5-104.

(3)站控层(Station level)

站控层的主要设备包括：服务器、监控主机、液晶显示器、打印机、UPS系统、GPS校时装置等。能够实现对整个变电站进行监视、控制以及人机联系，如组态显示、指令操作、报表打印、事故报警，以及图片声音等多媒体功能；借助于高速网络对整个变电站的实时数据信息进行汇总，并不断的对实时数据进行刷新，而且定时登录历史数据库；按照事先规定好的通讯规约把相关的数据送往调度或者控制中心；并接收调度或控制中心的相关指令转到到通信层和间隔层去执行；具有自动分析变电站内的故障的功能；实现在线对整个变电站的操作闭锁功能进行编程，而且可以在线对间隔层和通信层的设备进行维护、组态和参数修改等功能。

3 软件设计

3.1 软件结构

Pecstar 3.0软件系统由三大功能模块组成，这些功能模块可根据实际需要在主服务器或其他工作站上进行有选择的集中或分散安装。

(1)系统配置模块

对系统底层信息进行配置，包括网络节点添加、厂站设置、测点定义、系统安全设置、设备库管理等。

(2)数据采集模块

对变电站一次设备的运行情况进行实时数据采集、显示和状态指示以及事件信息读取和存储、电能统计、智能设备控制等功能。

(3)后台监控模块

实现系统的全面监控和管理。后台监控系统大致上可以分为以下几个模块：图形编辑工具、实时画面监控工具、报表制作工具、报表查看工具、瞬时波形分析工具、历史曲线分析工具、历史事件分析工具、操作票生成工具、邮件分发工具、Web客户端访问功能等。

3.2 各功能模块的设计

Pecstar 3.0系统软件自带的图形编辑工具，对应程序模块名称为：Pecsdraw.exe.它的主要作用是，绘制监控系统各种图形，包括电气主接线图、实时曲线图、实时棒图、系统结构图等等，用于人机交互，用户通过这些画面监控，就可以很直观地对整个系统的运行状况进行实时监视、控制及操作，以及数据报表制作、电能棒图、报警与事件记录、实时曲线与历史曲线、瞬时波形分析、邮件分发、WEB信息发布系统、时钟同步等功能模块。

根据变电站综合自动化系统的要求，结合Pecstar 3.0组态软件的功能，在监控主机上能够很清晰的实现对变电站一、二次设备的比较全面的监控。通过各种IED设备，如PMC-5600、PMC-6510以及温度传感器、烟雾传感器、湿度传感器等把变电站一次设备的开关量、模拟量进行采集、汇总、处理，然后通过Modbus规约上传至通信管理机。通信管理机再将所有数据经以太网上传至服务器和监控主机，Pecstar 3.0组态软件通过各种逻辑判断和设置的参数对数据进行判断，从而实现各种数据报表生成、电压棒图、瞬时曲线、邮件分发、事件记录与查询、同步时钟、WEB信息发布等功能。并实现通过IEC60870-5-104传输规约与远方调度中心或控制中心进行通信。工作人员在组态画面上即可对一、二次设备的运行状况全面了解，可以对相应的断路器、隔离开关操作以及报表、事件查询等进行权限操作。保证了综自监控系统安全可靠的对变电站设备监视和控制。

3.3 系统参数整定

双击运行Pecstar 3.0运行目录下的Systemconfig.exe，当数据服务器正常启动且与其正确连接时，能够弹出进度提示信息。选择具有权限的用户名并输入正确的密码，即可成功启动整定程序。即可对系统网络节点整定配置、前台厂站节点整定、通信节点整定、设备节点整定、设备测点表整定、系统运行参数整定、分时计费方案的整定与配置、设备管理的设置与整定、邮件分发站的设置等进行逐一整定，使整个监控系统中的整个厂站、通道、设备、测点的各种信息经由信息采集设备通过相关规约、网络设备传送到服务器，以组态画面、表格、报警信息等形式显示出来。

图3 网络节点设置界面Fig.3 Interface setting of network nodes

现以系统网络节点整定配置为例，在规划好网络中各节点的分布，确定前台监控厂(包括主备机)所在的计算机、时间服务器(主备)所在计算机，以及运行后台机的地点后，新建一个网络节点表，即可以对网络节点进行整定配置，其中包括：节点名称、计算机名称、节点类型、前台厂站、IP设置等。由于本系统采用的是双网卡系统，需要对IP参数进行设置。如图3所示表示相应的节点机有两个网卡，一个指定为主用网卡(IP地址为191.0.0.10)，另一个指定为备用网卡(IP地址为191.1.1.10).并可以方便的对网络节点进行修改及删减。

在监控主机上运行Pecstar 3.0，若组态画面上能够显示各断路器、隔离开关的正确位置，并能以没周波采样128点，每周波记录一次有效值的方式实时刷新监控、测控和保护装置返回的数据，则表明上位机已经和下位机通信成功，可以进行局部调试及整体调试。

4 调试结果

完成了自动化系统的二次设备的设计、选型及安装和软件的各个功能模块的设计与整定之后，即可对系统进行调试。

变电内一次设备的运行情况和断路器、隔离开关的开合状态等信息均显示在组态画面上，能够实现图形及报表显示、事件记录及报警状态显示和查询，设备状态和参数的查询，操作指导，操作控制命令的解释和下达等等操作。在组态画面上可以对了解到各个设备的实时数据，操作相应的断路器或隔离开关，如果顺序正确的话能够远程进行开合，否则系统会提示错误，因为它们之间形成了闭锁功能。而且进行这些操作的前提是操作人员具有相应的权限管理功能。

如图4所示，变电站内设备的运行状态、开关状态、事件的分类、事件发生的时间、位置、通信通道、设备名称、等情况都可以通过事件查询报表进行查询。

如图5所示，为进线C相电压趋势曲线图。运行人员通过后台监控主机即可实现对进线各相电压情况进线了解和控制。

其他功能也均能正常显示和操作，满足了变电站的供电需求(“五防”、“四遥”、系统的设置与修改、权限管理、操作管理；远方调度、数据处理、通信功能及人机交互界面；数据信息实现了直接采集直接传送，直接把计算机监控系统接收的数据处理后，完成与调度端的数据交换等工作)。

5 结束语

本文是基于Pecstar 3.0电力组态软件和各种智能电子设备，利用先进的计算机、通信和微机保护等技术设计的变电站综合自动化系统，本系统已在河北某公司投入运行。变电站内一、二次设备能够安全、稳定、可靠的运行，减少了变电站运行维护人员的工作量，提高了供电效率，节约了大量的人力和资金投入。变电站的运行情况表明，设计的综合自动化系统运行高效稳定，取得了很好的监视和控制效果。

图5 进线C相电压趋势曲线Fig.5 Trend line of C-phase voltage curve

参考文献：

[1] 覃剑.智能变电站技术与实践[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2] 赵国喜，张海峰，彭勇.无人值班变电站运行技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[3] 刘海峰，赵永生，谭建群，等.智能变电站技术应用现状和展望[J].湖南电力，2013，33(1)：9-14.

[4] STEVEN E WIDERGREN.Smart Grid：Transforming the Electric System[J].南方电网技术，2010，4(1)：2-3.

[5] 江苏省电力设计院.DL/T5103-1999[S].北京：中国电力出版社，2000.

[6] 刘国强.智能变电站功能架构及设计原则[J].城乡建设，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智能变电站的设计研究[D].济南：山东大学，2012.

[9] KLAUS BRAND，VOLKER LOHMANN，WOLFGANG WIMMER.变电站自动化[M].景雷，范建忠，苏斌，译.北京：中国电力出版社，2009.

[10] 顾工川.35kV数字化变电的设计[D].南昌：南昌大学，2012.