变电站综合自动化系统的集成

韩旭

（中国水利电力物资有限公司，北京 100040）

变电站综合自动化是在计算机技术，自动控制技术和通信技术发展到一定程度基础上，为使变电站二次设备更合理，有效的运行而提出的一种变电站自动化模式。变电站综合自动化将二次设备（包括测量仪表，信号系统，继电保护，自动装置和远动装置）经过功能组合和优化设计，实现对变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视，测量，自动控制和微机保护，以及与调度中心通信等综合自动化功能。除了实现对现场的监测，控制和保护之外，更重要的是能实现当地和远方对现场的监控，调节和保护。概括起来即为：遥测，遥信，遥控，遥调，从而最终达到变电站少人值班或无人值班的目的[1]。

变电站是电力系统的重要组成环节，是电力网中线路的连接点，变电站能否正确运行关系到电力系统的稳定和安全问题，因此对变电站进行保护和监控具有十分重要的意义[2]。

随着计算机技术，电子技术，通讯基础的告诉发展，电力系统变电站的二次设备及自动化水平也发生着新的变化，以集成了本地监控功能，SCADA信号采集，远动功能以及数字保护信息为一个统一整体的综合自动化系统正成为变电站自动化系统发展方向。

1 综合自动化系统基本架构

SCADA[3]系统是实现变电站自动化基本功能的系统，它的主要任务是采集和管理各种实时数据，对生产过程进行监视和控制。大多数SCADA系统的数据采集和处理采用单片机和总线方式组成的智能模块，但这种方式可靠性和抗干扰性都难以得到保证，而且程序复杂，不便于维护。PLC是以单片机为核心，专门用于工业过程自动化控制的智能产品，有着极高的稳定性和可靠性，广泛应用于变电站自动化系统。

变电站自动化结构目前大致可分为集中式和分布分散式和分布集中式3种。

集中式配置是每一个监测对象配置一个微型PLC，由一个主PLC来管理，并完成与上位机之间的通信。集中式组态模式一般要用到功能和配置很强的计算机系统，其扩充性和维护性较差、分布集中式的总PLC负责与上位机进行通讯，管理其他微型PLC，自身不对变电设备实施检测。分布集中式结构主要用于中低压变电站，它具有分布式结构的全部有点，便于扩充和维护。这种方式的初投资较大，但对变电站的改造升级和扩展较方便。

电网的运行方式和变电站的结构决定了微机变电站自动化系统是一个典型的分布集中式系统。它由一个集中控制单元和若干个现场单元组成，二者之间以通信网络相连结。变电站中的所有电力监测模块连接到集中控制单元，构成一个整体。集散型系统的构成如图1所示。

图1 集散型系统的构成Fig. 1 Composition of distributed system

1）操作员接口: 集中生产管理过程的全程信息，操作人员通过键盘操作，实现对整个生产管理过程的监视及操作的人机交互功能。操作员接口是整个系统的中枢，电力调度的管理是梯级形式的，变电站自动化系统是上一级调度的子系统。操作员通过远程通信网络将变电站数据信息上送调度中心，调度员依据这些信息进行调度决策。

2）工程师接口：根据现场需要建立工作状态，预置参数值，选择控制方式，调整现场单元的工作状态。根据变电站需要，调整数据采集与处理模块及各保护模块的工作状态，监视设备工作状况。

3）通用计算机接口:配有高级语言和多种外部设备，查阅状态和变量的现状、历史记录，进行长期趋势分析和最优化监控，完成更高层次的管理和控制。例如，把变电站工作的各种信息提供给用电管理部门，实现更大范围的资源共享。

4）现场单元：完成现场各信号的输入、输出变换、数据采集和各种算法。

5）低级人机接口：实现简单的人机交互功能，显示变量状态。

6）通信网络设备：将物理上分散配置的多台计算机及现场单元有机地连接起来，实现相互协调，资源共享的集中控制。

2 RTU（远程终端单元）

2.1 变电站自动化RTU的实现

在电网系统中，RTU（远程终端单元[4]）是远动系统运行的重要环节。通常由信号输入/出模块、微处理器、有线/无线通讯设备、电源及外壳等组成，由微处理器控制，并支持网络系统，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。它通过软件系统采集所在变电站电力系统运行状态的模拟量和状态量，监控并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心下达的控制和调节指令。实现遥信，遥测，遥控是远动系统的基本任务。远动系统主要完成SCADA功能：

* 采集并发送状态量信息，遥信变位优先传递

* 采集并发送模拟量信息，遥测变化率监视

* 采集并发送脉冲量计数值

* 接受病执行遥控命令

* 程序自动恢复，装置自诊断

* 通道监视

RTU装置工作的实时性，可靠性对整个自动化系统的运行水平有重要影响。

大多数PLC产品都包含了开关量，模拟量和数字量的输入和输出，时钟，通讯等功能，利用PLC可以方便地实现电站自动化的RTU。

使用PLC的离散输入点来实现遥信，用PLC的离散输出点来实现遥控，用PLC的模拟量采样来实现遥测，用PLC的通讯功能来实现和主机的通讯，完成这些功能，无需额外硬件，只需要根据实际情况，对PLC进行编程。

2.2 硬件结构

根据功能和所处位置，变电站自动化系统的硬件结构图可分为3层：工作站层、通信管理层和数据采集控制层，第三层为数据采集控制层，由PLC进行采集与控制。开关量采集包括断路器位置，隔离刀闸位置，继电保护信息等，同事PLC还可以接受值班员或远方发来的控制命令，做出相应操作，并作安全检查。每个PLC基本模块负责一个回路电力线路或一台变压器设备的所有电气参数的模拟量采集，包括电压，电流，有功功率，无功功率，有功电度，无功电度等参数[5]。

根据遥信，遥控，遥测规模大小，可以单独选用一个基本模块或若干模块扩展组合，达到所需遥信，遥控，遥测点数。

第三层与第二层之间通过RS-485串行总线相连。第二层为通讯管理处，它是第一层和第三层的桥梁，它管理着下层采集控制设备，同时转发上层请求和控制命令，并将请求返回或执行结果。

最上层为工作站层，它由若干台工控机构成的局域网以及外围设备构成。它们承担着监视，控制，事故报警，系统管理，系统维护等多项功能。

2.2.1 数据采集控制层

数据采集控制层用来实现电力系统运行时的电气量检测，运行设备状态检测，操作控制，微机保护。它的主要设备包括继电器保护装置，只能电力仪表测控装置。在变电站监控中心可以动态显示网上连接所有变电站监控数据。

2.2.2 通讯管理层

通讯管理层是用来实现数据汇总，数据交换，操作逻辑判断，操作命令下达的功能。由多个PLC构成，每个PLC的串行通讯接口用于连接数据采集控制层的总线型链路，上行网络接口分别接入工作站层的以太网交换机。通讯管理层通过现场总线连接到网关设备，然后汇总到PLC，由此可以减少上层服务器的负荷，提高采集效率，减少轮询周期。有利于对全部设备的分类，优化管理，减少耦合。

便于扩充，在维护和维修时减少对整个系统的影响。

2.2.3 工作站层

工作站层是监控系统的核心部分，采用以太网和国际标准化网络协议与通讯管理层相连，通过高速网络汇总全站实时数据信息，并不断实时刷新，按既定规约将有关数据信息送往调度，控制中心，接收调度，站内监控，人机联系（显示，操作，打印，报警，多媒体等）。工作站层网络是整个系统的核心和枢纽。其安全性，可靠性和维护性决定着整个系统的性能。系统的通讯服务器担负着全站所有数据信息的汇总，处理和发送功能，是整个监控系统的基础。详见图2。

2.3 数据采集的分类与抗干扰措施

变电站监测系统采集的信号通常有开关量，模拟量和数字量3类.变电站设备状态监测中经常需要监测一些开关量，如变压器的风扇状态，有载开关的位置等。

PLC对开关量信号的识别是通过其开关量输入模块实现的。利用相应的传感器测取开关量，并与PLC的输入端子相连，每个输入端子在PLC的数据区中分配有一个“位”，每个“位”在内存中为一个地址。利用内部光敏三极管饱和导通和截止来判断开关信号的有无，读取PLC输入位的状态值可作为识别开关量的依据。诊断开关量故障的过程，实质上就是将PLC 正常输入位的状态值和相应的输入位的状态值相比较的过程。若二者结果一致，则表明处于正常状况，否则表明对应输入位设备的这部分功能处于故障状况这种诊断方法，故障定位准确，可实现在线诊断，通过PLC 的梯形图编程，还可以将故障诊断融入过程控制，并把设备的开关量的状态实时传送到变电站的控制中心从而达到监测和保护变电设备的目的。变电站设备的监测内容中还有许多的模拟量，诸如一些测取电流，电压用的传感器的输出信号PLC。对模拟量信号的识别是通过其模拟量输入输出模块来完成的，模拟量输入输出模块采用A/D转换原理，输入端接收来自传感器或信号发生器的模拟信号，输出端输出的模拟信号可作用于PLC 的控制对象，通过通讯口PLC 主动向变电站的监控中心传输实时的监测值和故障诊断的结果。

图2 系统硬件结构图Fig. 2 System hardware structure diagram

变电站中许多设备的监测仪器如油中气体色谱分析仪，局放监测仪等的输出都是数字量，它们都有自己特定的编码方式及输出模式，可先在PLC中预先编制相应程序，识别从输入端传入的这些仪器所使用的特定数据包，从而达到对这些数字量的识别。

由于变电站中存在很强的电磁干扰PLC系统的运行条件恶劣，为保证系统的安全可靠运行，应从硬件和软件两方面加强系统的抗干扰能力。

硬件方面抗干扰措施的重点是: 位于现场的下位机PLC的通讯。PLC下位机要通过各种传感变送器与及自动化仪表与现场各种设施相连接，它们的准确度直接影响整个系统的准确度与可靠性，并且这些设备本身也会受到现场的干扰。因此，在提高整个系统的可靠性时，首先要选用准确度高，抗干扰能力强的自动化仪表，传感器和变送器。其次，系统使用的电源应采用有隔离变压器的供电系统，保证能使之不间断地向监测系统供电。最后，整个下位机系统应安装在一个特制的箱柜内并安全接地，使之免受外界的灰尘与潮气的污染，又有助于防止电磁干扰和射频干扰。同样，在下位机与上位机的通讯过程中也会受到诸如耦合噪声等的干扰。因此应采用屏蔽通讯线且通讯的距离必须在规定范围内；屏蔽层在处理器端接地。并且可以利用软件和硬件两方面的验证来提高抗干扰能力。软件设计中应加入相应的抗干扰模块。首先应编制相应的滤波程序，例如预处理在线传来的数据去除干扰等因素形成的“虚伪点”。另外在系统的综合诊断中，不应只看数据的绝对量，而更应该注重的是其“纵比”（本身的历史数据比较），及“横比”（相间比较，同类比较）等，即从历史数据的发展趋势并对比其他同类设备的状况来正确分析设备的状态，这也可减少干扰的影响。

3 软件

3.1 组态软件

上位机组态软件选用具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机，同时具有极高性价比的SCADA级操作监视系统。工程师站安装开发版，操作员站安装运行版。监控软件的结构框图见图3[6]。

上位机系统需要具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的工作状态，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据，对历史数据进行存储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备（如PLC、智能仪表等）共同构成能快速响应的控制中心。优秀的组态软件是实现上位机功能的基础[7]。

图3 组态软件结构图Fig. 3 Configuration software structure diagram

3.2 操作系统和控制系统软件包

操作系统一般选择多任务的实时操作系统。它将提供实时的监视、控制、警报监测、警报日志、数据日志、报告总汇、交互式图形和数据库管理等等功能[8]。同时它也为不同厂商提供的设备，例如可编程逻辑控制器、局域网和数据采集系统的连接提供可能性。选择的操作系统还应该是多平台的，就是在其他平台（如HP、Sun、Windows等）上开发的应用程序能够在这个多平台上直接运行，而无需重新编译开发，这同样是为了使系统有较强的扩展性和通用性。主处理机在正常情况下执行全部的设备扫描、数据采集、逻辑判断、指令发布等等功能。同时在每次设备扫描结束时，更新备用处理机中的系统状态信息。因此在正常的情况，备用处理机只接收状态数据，不执行控制功能。在主处理器出现故障的情况下，备用处理器将承担起全部的控制功能。现在工业过程控制领域有很多数据采集和控制的软件包[9]。越来越多的软件包采用了“开放式软件总线”，大大提高了设备选配的灵活性和扩展性。

4 结语

变电站系统是电力调度、生产和管理的一个子系统，与之相联的各种设备种类繁多，所以变电站自动化系统是一个多参量，多任务，多设备的复杂系统[10]。PLC的应用在变电站自动化过程中优势明显：有极强的综合分析与判断能力，自动识别，排除干扰，可靠性高；大大简化变电站二次设备的硬件配置，具有较大的灵活性，保护性能的选择和调试方便；具有较完善的通信功能，便于构成综合自动化系统，做到资源共享，减少冗余，减轻运行人员劳动强度，提高系统运行的自动化水平。

现场总线取代了传统的布线和施工方式，减少电缆敷设，易于维护和扩展。

因此采用PLC设备进行监控与综合管理的控制方式提高了变电站自动化系统的效率的同时降低了能耗，取得了良好的经济与社会效益[11]。

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