变电所综合自动化系统的结构分析

2013-01-29晋城煤业集团凤凰山矿机电管理部王双青

电子世界 2013年11期

晋城煤业集团凤凰山矿机电管理部王双青

变电所综合自动化系统的结构分析

晋城煤业集团凤凰山矿机电管理部王双青

凤凰山矿变电所综合自动化系统应用已经日趋完善，但是具体使用过程中的原理对于操作人员来讲并不是十分清晰，分析解决问题的能力还有些不足，本文结合KJ137在凤凰山矿的应用，努力从变电所综合自动化系统组成结构：站控层、通信层、间隔层进行分析，从而为操作人员解决实际问题提供借鉴、方法和途径。

变电所；综合自动化系统；结构分析

从变电所综合自动化系统的结构体系可知，这种设计为面向对象的分层分布式结构系统设计，基本分为三层：站控层、通信层和间隔层。

一、站控层

站控层的功能特点：站控层为值班人员、调度运行人员提供变电所监视、控制和管理功能，界面友好、易于使用组件技术实现“即插即用”，能很好地满足综合自动化系统的需要，是整个变电所监视、测量、控制和管理的智能化中心。站控层设备包括：操作员站、远动主站、继保工程师站、微机五防系统网络接口，预留大型电气设备在线监测与诊断系统和遥视系统的网络接口。

1.操作员站。KJ137操作员站实现的主要功能有：数据采集与处理、报警处理、事故追忆、数据库建立和管理维护、历史记录处理、就地/远方/主站控制、防误闭锁、双纲双网切换、电压无功控制VQC、小电流接地选线等

2.远动主站。KJ137远动主站作为变电所对外的通信控制器，是变电所综合自动化系统的一个重要组成部分。远动主站直接连接到以太网上，同间隔层的测量和保护设备直接通信，通过周期扫描和突发上送等方式采集数据，创建实时数据库作为数据处理的中枢，能够满足调度主站对数据的实时性要求。软件采用模块化设计，遵循开放性要求，提供高级数据访问接口。在完成数据转发工作的同时，可以实现对转发数据信息的监视、原始网络报文的监视，采用历史数据库保存事件记录和事要的控制操作、浏览测控设备及保护设备全部数据以及方便的调试手段等当地监控功能。远动主站数据处理能力强大、操作方便、人机界面友好。作为变电所自动化系统中的一个工作站，全部功能的实现具有独立性，可作为变电所自动化系统中唯一的主站设备完成变电所自动化系统中测控设备及保护设备的数据转发工作以及GPS全站对时等其他功能。远动主站可以实现多种远动通信规约，对电力系统的调度主站提供广泛的支持，可同时支持5个调度主站并行工作。

3.继电保护工程师站。KJ137继电保护工程师站既可以作为变电所自动化系统的一个子站，也可以独立于KJ137变电所自动化系统，与断电保护装置、故障录波仪、安全自动装置和相关网络设备一起，构成“继电保护及故障录波信息处理系统”的子站系统。

二、通信层

1.通信系统的结构

通信系统是综合自动化系统的核心。无论是下位机采集来的数据，还是上位机向下位机发送的命令，都须经过通信系统，通信是上下位机连接的桥梁。可靠、高速的通信系统是整个系统稳定、可靠运行的前提，总线式结构是一种常用的结构方式，如图1所示。

这种系统因前置机过渡繁忙、可靠性差(任何一个下位机装置的故障将影响整个系统)等缺点，使得它的使用受到很大的限制，随着网络和通信技术在变电所综合自动化的应用，分层分布式综合自动化系统的优点越来越突出，其结构如图2所示。

根据系统的结构特点及功能划分，可以把它分为三层：

第一层站控层。即最上层的变电所层，它担负着人机接口、监视、管理和控制等主要任务。

第二层通信层。即变电所总线层，它担任着整个变电所综合自动化系统的信息通信工作，是采集控制装置与上层机之间交换数据的桥梁，也起着将上层机的程序与下层采集、控制设备的类型脱离开来的作用，有利于程序的模块化。

第三层间隔层。为图2中最下层的线路保护装置、变压器保护装置、备投装置及其他微机控制装置等智能终端，所有这些设备都可以以串行通信的方式向外发送数据，它们以总线型结构形式挂接在不同串行口上，各总线上挂接的模块应满足：

(1)相同规约的模块挂在同一总线上，考虑到在间隔层传输的数据量不多，传送速度也要求不高，通常采用IEC关于远动的通信规约IEC870-5。

(2)总线用查询方式，一条总线上的模块个数X

2.传输数据的类型

变电站上位机与下位机的信息传输是双向的。下位机经过通信模块上传实时数据信息，上位机也通过通讯模块下发各种命令。

通信数据一般分为下面几种：

(1)常规采集数据。包括模拟量、开关量和电度量。其中模拟量一般是下位机通过A/D转换采得的数据，如：电压、电流、频率、功率等都属于模拟量。

这些数据是直接对反映电力系统的状态，同时也是监视的重要对象。开关量是现场断路器的状态量，只有两种状态0或1，可以为这两种状态分别命名。对某一个断路器的位置状态，可以命名状态0为“合闸”，状态1为“分闸”。电度量即有功电能和无功电能。

(2)事件顺序记录SOE。包括了断路器跳合闸记录、保护动作顺序记录等。

(3)故障录波。记录继电保护动作前后与故障有关的电流量、电压量等。

(4)遥控操作：遥控操作主要是通过当地监控主机对现场开关进行分、合闸操作以及保护功能的投入、退出等控制。

3.通信系统各层的功能及通信实现

(1)间隔层的功能

A)采集交流电流、电压信号，并计算电流、电压、有功功率、无功功率、频率、最大和最小值、谐波等。

B)故障录波、事件记录、如低电压、过负荷、电池不足等报警信息。

C)应上一层的数据请求，发送相应的数据(第二层和第三层之间的通信遵循严格的主从方式，第三层为从，只响应上一层的请求)。

D)执行上位机下发的控制命令，然后返回命令执行情况信息(命令反校)。E)设定和修改定值。

F)自诊断功能。出现故障时，生成报警信息，以待查询。

(2)变电所通信层的功能

A)根据系统组态信息，自主地向各采集设备发送数据请求，并接受返回的数据包和解包，生成纯数据。

B)向上一层提供实时数据。

C)管理上一层的控制命令和数据请求命令，执行规约解释，然后转发给采集设备，并接收命令反校。

D)通过查询采集设备的报警信息及通信状况，识别采集设备的故障。

(3)站控层的功能

A)图形工作站。主接线、实时曲线图、趋势图、报表、打印、遥测、遥信、电度量的显示与监视，事故报警。

B)遥控、遥调操作。

C)与子系统通信，交换数据。

D)按规定的规则进行电压无功控制。

E)数据库管理。

F)事件顺序记录(SOE)，事故跳闸故障记录功能。

G)在线自检，自诊断、自恢复功能。

(4)各层功能的通信实现

系统的结构决定了系统的数据流可分为三类：第一类是上位机之间的数据交换：另一类为主站与间隔层之间的数据交换；三类是子站与子站之间的通信。图3表示了数据流向。

子站和子站(智能终端)之间的通信。考虑到变电所的智能终端宜于变电所内任何其他终端进行直接存取以共享数据的控制信息，通信宜采用平等对话方式(peer to peer)。一般采用局域网方式。

主站和子站之间的通信。这类通信的主要作用是获得子站采集的实时数据和下发控制命令。经常使用的实时数据的请求、接收、下发命令都通过变电所总线完成，主站可随时取得现成的实时数据而不需等待。

主站内部的通信。这一层是数据的管理中心，所有的实时数据、历史数据、组态数据、事件记录数据、管理数据(如值班员的姓名等信息)都在这里统一管理，并根据需要发给相应的应用程序或计算机。数据的一致性、安全性、实时性是至关重要的。主站和控制中心及远动之间的通信。这类通信是通过上位机的串行口实现的。在综合自动化系统中表现为变电所与调度联系方式。调度通常要与多个变电所通信，在某一段时间里哪一个变电所有权与调度通信，需通过联络来确定。这种联络有循环数字式(CDT)和问答式(Polling)两种传送方式。

(1)循环数字式传送方式(CDT)

这种传送信息方式的特点是发送端按预定规律不断向调度端发送字码，不受调度端控制。由若干个码字组成一帧，每帧的前面设置同步字，一帧信息发送完后，紧接着又发送下一帧远动字，如表1所示。

CDT方式的主要缺点是完全不了解调度端的情况和要求，只适用于l:n点对点的通道结构。

(2)问答式传送方式(Polling)

这种方式的主要特点是主控端发“召唤”代码，受控端响应后传送数据，因此传送信息的主动权在主控端。主要优点是不但适用于点对点的传送方式，还适用于共线式通道：主要缺点是在变电所一旦发生事故时，不能把紧急信息及时传给主控端。为了克服此缺点，可在遥测字中设置“呼叫”位，作为传送“紧急情况”的信号，或者主控端设置“呼叫”字，询问各站是否有紧急情况要传送，如有则优先传送，然后再回到正常的循环传送周期。

三、间隔层

间隔层就是按照不同的电压等级、不同的电气间隔单元、不同的控制对象分散在各个保护小室中，或是下放到高压设备现场。在站控层或通信网络故障的情况下，间隔层仍能独立完成间隔层的监测和控制功能。

间隔层单元的功能：

1.模拟量采集与输出

对于间隔层来说，采样的模拟量主要有交流模拟量，个别也涉及直流量。间隔层单元可以直接从对应间隔或元件的TA，TV二次回路采样，以实现对该间隔或元件交流模拟量的测量。

2.状态量采集

在微机监控系统中，间隔层单元采集对应间隔的状态量。这里只介绍双位置与单位置信号。间隔中断路器、隔离开关和接地开关等一次设备的位置状态信号，采用双位置信号方式输入。所谓双位置，是指利用间隔层装置中的两个状态输入点来采集设备的辅助触点状态(动断触点和动合触点)。采用双位置接点来采集状态信号，可以避免用单位置触点来采集状态信号时可能引发对状态信号的错误判断，即用2位比特而不是单位置信号中的1位比特来表征一个开关的开合状态，这样00,O1,10,11，4种组合中只有2种是正确位置状态，其余2种是不确定状态，这显然比0,1两种状态代表开合增加了码元的抗干扰性，提高了状态信号传输处理过程中的可靠性。在中低压系统中，除了断路器位置信号外，隔离开关和接地开关位置信号可以用单位置触点来采集，以节省状态输入的数量。

间隔中的其他大多数信号都是单位置信号，如一次设备的一些告警量，如电机储能、高压开关的一些异常告警信号、变压器的瓦斯告警信号，保护装置和自动装置的动作信号、交直流屏的告警信号等。

3.控制输出

在变电站控制系统中，需要控制的对象很多，如断路器、隔离开关、接地开关、分接头调节这些双命令控制，还有些诸如保护复归、保护投退、接地试跳等一些单命令控制。所谓双命令控制对象，是指被控对象需要两个命令才能实现该对象的完整控制过程即合闸、分闸过程。

所谓单命令控制则是指被控对象只要一个命令就能完成其控制过程。

如图4所示，图(a)和图(b)是常规的单、双命令，间隔层单元在接收到控制命令后，将输出接点闭合一段时间，如图(c)所示，在原先图(b)的基础上，增加了一个公共出口继电器CC，当间隔层单元在接收到控制命令后，CC继电器和C+(或C-)继电器联动，这样可以避免因C+或C一这两个继电器误出口而造成对控制对象误操作的事故。