變電站智能設(shè)備的集成技術(shù)

1、變電站智能設(shè)備的集成技術(shù)摘要本文根據(jù)國(guó)、內(nèi)外變電站自動(dòng)化技術(shù)開展及應(yīng)用現(xiàn)狀，從實(shí)際工程應(yīng)用的角度，闡述了變電站智能化設(shè)備的必要性以及智能設(shè)備的構(gòu)成和特點(diǎn)，討論了從系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)的集成思路，同時(shí)對(duì)變電站智能設(shè)備的進(jìn)一步開展提出了一些設(shè)想。關(guān)鍵詞變電站自動(dòng)化數(shù)據(jù)通信智能設(shè)備系統(tǒng)集成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)0引言近年來，計(jì)算機(jī)芯片及網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的不斷采用，從根本上改變了傳統(tǒng)變電站二次設(shè)備的根本相貌，全數(shù)字化的設(shè)備、以網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的系統(tǒng)，輔以成熟的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，正在不斷地進(jìn)步變電站運(yùn)行的自動(dòng)化程度和可靠性，從原來的分部分的變電站設(shè)備及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)開展到整個(gè)變電站設(shè)備監(jiān)控的集成的自動(dòng)化系統(tǒng)，已根本做到了自動(dòng)化應(yīng)能實(shí)現(xiàn)的

2、功能，即不再是好看不好用的花架子，而是真正可以解決和滿足消費(fèi)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問題和需要，無人值班變電站及變電站自動(dòng)化系統(tǒng)已根本被用戶承受并使用。在實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)、外不同的專業(yè)廠家分別推出了具有不同特點(diǎn)的系統(tǒng)，根本上都能滿足系統(tǒng)的運(yùn)行要求，但在不同程度上，由于開發(fā)的背景、運(yùn)行經(jīng)歷及技術(shù)程度的限制，仍有相當(dāng)一部分系統(tǒng)存在者功能重復(fù)設(shè)置，沒有做到信息資源共享，從而導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)接線復(fù)雜、系統(tǒng)的各部分接口的通信規(guī)約不一致，增加了投資并影響了系統(tǒng)的可靠性，這就大大影響了整個(gè)系統(tǒng)的開放性及可擴(kuò)展性。出現(xiàn)這些問題的主要原因便是缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路指導(dǎo)下的各組成部分智能單元的開發(fā)。由于以往變電站二次部分

3、的開發(fā)是分保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控等各專業(yè)獨(dú)立開發(fā)、功能相對(duì)獨(dú)立設(shè)置的，由此為滿足系統(tǒng)的功能配置要求而在“搭系統(tǒng)，從而導(dǎo)致要么底層控制單元無法投入系統(tǒng)，信息傳送不上來，就是系統(tǒng)要求的功能底層控制設(shè)備單元不具備。針對(duì)上述問題，本文試圖從整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想入手，討論對(duì)變電站內(nèi)智能化設(shè)備的根本要求及其構(gòu)成、系統(tǒng)集成的根本思想，以供同行討論參考。1變電站自動(dòng)化的特點(diǎn)及智能設(shè)備的構(gòu)成國(guó)內(nèi)變電站二次產(chǎn)品早期開發(fā)過程是按保護(hù)、測(cè)量、控制和通信部分分類獨(dú)立開發(fā)，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及電力系統(tǒng)自動(dòng)化的要求，變電站自動(dòng)化工作的開展首先從遠(yuǎn)動(dòng)、自動(dòng)化及通信專業(yè)開場(chǎng)，初期開展的工作只是對(duì)站內(nèi)的部分狀態(tài)量及模擬量數(shù)據(jù)采集并處理的微機(jī)

4、監(jiān)視或監(jiān)控系統(tǒng)，隨著調(diào)度自動(dòng)化及微機(jī)保護(hù)的成熟及應(yīng)用，變電站自動(dòng)化及無人值班運(yùn)行形式便成為實(shí)際的需要和急待解決的課題。變電站自動(dòng)化近幾年的開展?fàn)顩r大致存在集中式及分布式兩種系統(tǒng)構(gòu)造，由于電力系統(tǒng)管理方式及二次產(chǎn)品開發(fā)的歷史原因，大多數(shù)系統(tǒng)仍采用的是按功能“拼湊的方式開展，沒有按工程的實(shí)際需要及正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想進(jìn)展，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能指標(biāo)下降以及出現(xiàn)許多無法解決的工程問題。從對(duì)分布、開放性以及系統(tǒng)整體的開展趨勢(shì)來看，采用分布式測(cè)控、保護(hù)、自動(dòng)裝置及計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的構(gòu)造方式顯然比較優(yōu)越。采用分布、開放性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造和計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，各現(xiàn)場(chǎng)單元可完全脫離系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，單個(gè)裝

5、置的故障不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而到達(dá)“分分布置、集中管理的目的，加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)大性。這種構(gòu)成形式正越來越被我國(guó)電力系統(tǒng)所承受，其最大特點(diǎn)就是盡可能地充分利用軟、硬件資源，并盡可能地共享軟、硬件和系統(tǒng)資源，并且利用通信網(wǎng)絡(luò)代替大量的控制信號(hào)電纜，防止設(shè)備重復(fù)設(shè)置，屢次投資。根據(jù)IE國(guó)際電工委員會(huì)電力系統(tǒng)控制與通信技術(shù)委員會(huì)的劃分以及變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)，變電站內(nèi)的設(shè)備可劃分為如下三個(gè)層次。設(shè)備層：包括各種一次設(shè)備象開關(guān)、線路、變壓器、電容器、T/PT等。間隔層：是各種二次設(shè)備包括采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、自動(dòng)裝置、故障濾波等，它們大多能獨(dú)立完成某種功能，且具有與外部進(jìn)展數(shù)據(jù)交換的才能

6、。變電站管理層：對(duì)整個(gè)變電站進(jìn)展平安監(jiān)視、控制、操作，并與變電站外部進(jìn)展數(shù)據(jù)交換，如當(dāng)?shù)乇O(jiān)控微機(jī)、與控制中心通信的網(wǎng)關(guān)等。上圖標(biāo)示了變電站內(nèi)的三個(gè)層次和它們之間的數(shù)據(jù)交換。從對(duì)變電站電能傳輸、分配進(jìn)展檢測(cè)、控制和管理的觀點(diǎn)出發(fā)，可以認(rèn)為變電站由母線、變壓器、線路、電容器等根本元件組成；一個(gè)根本元件通過一個(gè)或多個(gè)間隔向二次系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，接收二次系統(tǒng)的控制命令。根據(jù)每一個(gè)根本元件自身的特性和檢測(cè)、控制要求，并按照根本元件內(nèi)部數(shù)據(jù)采集及故障檢測(cè)和隔離由元件自身解決的原那么，設(shè)計(jì)每一種根本元件對(duì)應(yīng)一種硬件構(gòu)造即智能電子設(shè)備IED。從圖中還可以看出，在設(shè)備層和間隔層之間的數(shù)據(jù)交換量不大，主要是設(shè)備間向間

7、隔層提供運(yùn)行中的各種I/信號(hào)，間隔層向設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)等。在間隔層和變電站管理層之間，存在大量的數(shù)據(jù)交換，一方面，間隔層內(nèi)的各種智能設(shè)備需要把采集到的信息及時(shí)上傳至當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)和通過通信處理機(jī)送到遠(yuǎn)方控制中心，不僅數(shù)據(jù)量大，而且要求具有很高的實(shí)時(shí)性，象站內(nèi)的事件順序記錄需到達(dá)毫秒級(jí)，測(cè)量值及信號(hào)的刷新時(shí)間需在3秒之內(nèi)完成。另一方面，變電站層的系統(tǒng)時(shí)鐘、控制與調(diào)節(jié)命令、運(yùn)行參數(shù)的整定命令，也要快速下發(fā)至各智能設(shè)備。間隔層的各智能設(shè)備之間，也存在著部分?jǐn)?shù)據(jù)交換，但這種交換量不大，對(duì)實(shí)時(shí)性要求也不高。而且由于保護(hù)設(shè)備大都是獨(dú)立的設(shè)備，故與其它裝置的數(shù)據(jù)交換很少。其它智能設(shè)備，也存在一定量的數(shù)據(jù)交換。

8、基于以上情況，設(shè)計(jì)中的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)考慮了在間隔層橫向按站內(nèi)一次設(shè)備分布式的配置，有條件時(shí)，還可將間隔層設(shè)備安裝在開關(guān)柜上；各間隔設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，僅通過站內(nèi)通信網(wǎng)互聯(lián)，并同變電站層設(shè)備進(jìn)展快速通訊。在功能分配上，采用可以下放的功能盡量下放的原那么。但凡可以在本間隔內(nèi)就地完成的功能絕不依賴通訊網(wǎng)完成，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)同以往的集中式系統(tǒng)相比有著明顯的優(yōu)點(diǎn)：可靠性進(jìn)步、可擴(kuò)展性和靈敏性進(jìn)步以及站內(nèi)二次電纜簡(jiǎn)化、節(jié)省投資。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2智能設(shè)備的集成在變電站自動(dòng)化中存在一些促使設(shè)備集成的動(dòng)力。首先，變電站自動(dòng)化要求采用較少的設(shè)備完成更多的功能，其解決方法之一是安裝具有集成功能的智能電子設(shè)備。最

9、根本的繼電保護(hù)IED就是一個(gè)例子，它集成了保護(hù)、測(cè)量、控制、錄波、事件順序記錄以及通信等功能。用一個(gè)設(shè)備完成所有這些功能，這樣就實(shí)現(xiàn)了設(shè)備整體費(fèi)用的優(yōu)化，減少資金和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。另一個(gè)向集成化開展的動(dòng)力是先進(jìn)的自適應(yīng)才能和系統(tǒng)控制性能。在這些先進(jìn)的性能中系統(tǒng)知識(shí)是非常有用的，它允許繼電保護(hù)IED動(dòng)態(tài)改變運(yùn)行參數(shù)。具有核心級(jí)的系統(tǒng)知識(shí)可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和潮流都得到控制。技術(shù)進(jìn)步也是向集成化開展的主要?jiǎng)恿?。微處理器、?jì)算機(jī)通信及應(yīng)用軟件技術(shù)的飛速開展促成了集成系統(tǒng)的開發(fā)，將來的重點(diǎn)可能由硬件IED開展為“智能化軟件。還有一個(gè)動(dòng)力是為客戶效勞。經(jīng)濟(jì)的快速開展要求越來越少的停電時(shí)間，電力公司內(nèi)部也經(jīng)常

10、為自身設(shè)定顧客電量利用率的目的。對(duì)于這個(gè)目的，系統(tǒng)集成給操作員和工程師提供了更多的信息，如在什么情況下允許系統(tǒng)快速恢復(fù)等。與有用的信息一起集成化的另一個(gè)好處是對(duì)誤操作的識(shí)別分析，對(duì)于由繼電保護(hù)或系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的問題可以高效跟蹤和修改，從而可以進(jìn)步整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可用性。3局域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)變電站內(nèi)智能電子設(shè)備的集成化設(shè)計(jì)謀略采用了分布式功能配置的概念，因?yàn)榉植际襟w系構(gòu)造可使任何規(guī)模的變電站具有可擴(kuò)大性。通過共享冗余得到了高可靠性、簡(jiǎn)化的布線以及可選擇的性能晉級(jí)才能。在設(shè)計(jì)信息及數(shù)據(jù)通信的策略中，幾乎每一個(gè)制造商設(shè)計(jì)的IED都有以電氣工業(yè)協(xié)會(huì)EiA的RS-232或RS-485標(biāo)準(zhǔn)為根底的物理層接口

11、，并在數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層用軟件完成系統(tǒng)與任何一個(gè)IED設(shè)備的連接，但隨著計(jì)算機(jī)部分網(wǎng)絡(luò)LAN技術(shù)的開展，越來越多的制造商把注意力集中在LAN上。采用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、可靠傳輸，可將過去集中處理的功能分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)去處理，并可以傳送大批量的數(shù)據(jù)，如故障錄波數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)等。在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，采用局域網(wǎng)技術(shù)，將變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集部分的各智能單元分別掛網(wǎng)運(yùn)行，站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)通過變電站層控制中心與各IED進(jìn)展數(shù)據(jù)通信，以獲得對(duì)現(xiàn)場(chǎng)IED設(shè)備的控制權(quán)，如斷路器的分/合、自動(dòng)重合閘的開/閉、繼電保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)置、故障診斷、遠(yuǎn)程抄表等控制命令。這就要求IED設(shè)備滿足局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，I/設(shè)備作

12、為局域網(wǎng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際采用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)上，一般存在著采用“工業(yè)以太網(wǎng)和“現(xiàn)場(chǎng)總線兩種不同的做法。在90年代中期，國(guó)內(nèi)外曾掀起一場(chǎng)聲勢(shì)不小的“現(xiàn)場(chǎng)總線熱，國(guó)家有關(guān)部門也撥款幾千萬元組成攻關(guān)課題。但在實(shí)際應(yīng)用中，還有許多共同的疑問。其中最主要是其標(biāo)準(zhǔn)問題?，F(xiàn)場(chǎng)總線有多種標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)原因，首先是技術(shù)上的原因，即適用場(chǎng)合和用戶習(xí)慣原因。廣義的現(xiàn)場(chǎng)總線包括傳感器執(zhí)行器總線，亦稱I/總線，其特點(diǎn)是信息簡(jiǎn)單但傳輸速度快，其典型代表有基于AN的DevieNet,interbus-s等；另外還有設(shè)備總線可用于控制，其信息量大而且復(fù)雜，傳輸較慢，如基金會(huì)總線FF、HART、Lnrks和Prfibus。而

13、狹義的現(xiàn)場(chǎng)總線僅指后者。除此外不同行業(yè)有其傳統(tǒng)使用習(xí)慣。對(duì)價(jià)格和技術(shù)完善性有不同要求，再有是不同的總線標(biāo)準(zhǔn)往往和某些公司或公司集團(tuán)有內(nèi)在的商業(yè)利益關(guān)系。所以說最終現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)也不會(huì)形成一統(tǒng)天下的場(chǎng)面。就目前情況來看，在過程控制領(lǐng)域，基金會(huì)總線FF將占有最大的份額，而在其它離散控制領(lǐng)域尚不十清楚朗。如何在眾多的總線標(biāo)準(zhǔn)中，選擇一種適宜的總線，既能滿足大數(shù)據(jù)量、傳輸速度快的要求，又要兼顧那些通訊相對(duì)少、實(shí)時(shí)性不很高的設(shè)備，以有效減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。Lnrks在可靠性和傳輸速率上顯然達(dá)不到要求，HART用戶支持較少，不宜選擇；作為傳輸最快的總線Prfibus在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shù)據(jù)吞吐量均表現(xiàn)出色，但其作為歐洲標(biāo)

14、準(zhǔn)，在世界范圍特別是中國(guó)的支持不夠，尚不能普遍采用，F(xiàn)F雖然得到世界范圍內(nèi)的廣泛認(rèn)同，但所欠標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程仍遙遙無期。以太網(wǎng)Ethernet經(jīng)過假設(shè)干年的開展，技術(shù)上已經(jīng)非常成熟。隨著合適于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的嵌入式以太網(wǎng)微處理器的開展，以太網(wǎng)已可非常便利的應(yīng)用于變電站自動(dòng)化場(chǎng)合。首先10以太網(wǎng)具有目前國(guó)內(nèi)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)不可比較的高速特點(diǎn)，可將系統(tǒng)信息快速交換；同時(shí)以太網(wǎng)在長(zhǎng)期開展中以公認(rèn)的可靠性、平安性、靈敏性著稱，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均帶耐高壓的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造靈敏，支持多種通信媒介，可根據(jù)變電站的實(shí)際情況確定網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造及選用通信媒介。在自動(dòng)化系統(tǒng)晉級(jí)時(shí)可將系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造及媒介稍加改動(dòng)

15、甚至不改動(dòng)的情況下平滑地使通信系統(tǒng)晉級(jí)，節(jié)省開支，如升為100快速以太網(wǎng)。下列圖為美國(guó)和歐洲一些國(guó)家普遍采用的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信構(gòu)造。傳統(tǒng)的變電站自動(dòng)化產(chǎn)品供給商們通過擴(kuò)大他們的RTU的通信才能，即具有多個(gè)串行通信口的增強(qiáng)式RTU來接收各種形式的智能變電站設(shè)備IED，包括計(jì)量表計(jì)、故障記錄和繼電保護(hù)等設(shè)備?，F(xiàn)代的變電站智能設(shè)備通過局域網(wǎng)建立了一個(gè)規(guī)模較大的變電站控制系統(tǒng)，以太網(wǎng)由于其優(yōu)越的性能被用做變電站LAN，變電站內(nèi)不同制造商的IED產(chǎn)品可以通過規(guī)約轉(zhuǎn)換器netrkinterfaedulesNI進(jìn)展連接，還有一部分IED產(chǎn)品可以直接掛網(wǎng)運(yùn)行。NI與底層的IED可以通過廉價(jià)的RS485方

16、式相連，規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)的IE870-5-103變電站內(nèi)繼電保護(hù)配套規(guī)約，IE870-5-103規(guī)約在歐洲和其他一些受IE影響的國(guó)家被普遍采用，我國(guó)國(guó)家電力公司也把該規(guī)約作為變電站內(nèi)的配套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.4智能電子設(shè)備的開展目的和變電站自動(dòng)化的趨勢(shì)展望變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與其它工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域一樣，正沿著“分布化、智能化、集成化、可視化和協(xié)調(diào)化的方向開展。這就給智能電子設(shè)備提出了更高的目的，這主要表達(dá)在以下幾點(diǎn)：1、可互操作性：當(dāng)前和將來都可以與任意一個(gè)消費(fèi)廠家的IED進(jìn)展通信。2、即插即用：所有連在LAN上的設(shè)備將由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別。3、可靠性/平安/可信性：這是根本的繼電保護(hù)特性，目的是

17、使整個(gè)系統(tǒng)到達(dá)同一程度。4、開放性：提供一個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的平臺(tái)。5、冗余度；任何單一的部件故障不會(huì)影響整體系統(tǒng)性能。6、智能化：提供一個(gè)人工智能的應(yīng)用平臺(tái)；通過這個(gè)功能實(shí)現(xiàn)故障分析、選擇性的數(shù)據(jù)和電力系統(tǒng)配合。7、自動(dòng)化：通過嵌入算法軟件或按用戶定義的控制順序提供將來的自動(dòng)控制功能。對(duì)于繼電保護(hù)設(shè)備，可通過用戶自定義的計(jì)算方法和動(dòng)作次序支持將來的自適應(yīng)繼電保護(hù)功能。8、靈敏性/可擴(kuò)大性：對(duì)于當(dāng)前的硬、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮到將來的擴(kuò)大，應(yīng)當(dāng)易于修改。智能電子設(shè)備的采用，將徹底改變常規(guī)繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置及測(cè)量?jī)x表等的單一功能構(gòu)造，變?yōu)榘ɡ^電保護(hù)、過程自動(dòng)化、錄波、計(jì)量、測(cè)控等多功能智能化設(shè)備的

18、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高智能、多功能，使得主控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)得以分散，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制保護(hù)及自動(dòng)化，由此可極大進(jìn)步控制、保護(hù)、自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性、自治性、靈敏性。由分布式的智能設(shè)備構(gòu)成的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)帶來的另一個(gè)好處是可以取消常規(guī)變電站所使用的控制屏、中央信號(hào)屏等集中控制設(shè)備。對(duì)于35kV及以下的電壓等級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備可以集合安裝于開關(guān)柜上；對(duì)于110kV及以上電壓等級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備可以按各個(gè)控制對(duì)象即變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備元件按單元安裝在各電壓等級(jí)的開關(guān)場(chǎng)地內(nèi)或“保護(hù)小間?，F(xiàn)代技術(shù)已解決了電磁干擾、振動(dòng)、溫度、灰塵等對(duì)IED的影響，只需用計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)把它們聯(lián)起來再與變電站層的主系統(tǒng)連接，這樣做可大量減少控制信號(hào)電纜，也減少了組屏建筑面積。智能電子設(shè)備的采用還使得變電站一、二次設(shè)備結(jié)合成為現(xiàn)實(shí)。假如把現(xiàn)場(chǎng)智能