摘 要：在分析了常用變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點以及常用系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于4層結(jié)構(gòu)模型的變電站綜合自動化系統(tǒng)。它實際采用的是一種分層的功能模塊化設計思想，硬軟件可做到模塊化、通用化，能根據(jù)不同類型變電站的一次接線方式實現(xiàn)不同的系統(tǒng)配置。整個系統(tǒng)的可靠性較高，可維護性和開放性較好。文中較詳細地闡述了該系統(tǒng)的構(gòu)成和原理。
關(guān)鍵詞：變電站綜合自動化；智能電子設備；體系結(jié)構(gòu)；變電站
1 引言
計算機技術(shù)、信息技術(shù)、多媒體技術(shù)和智能控制技術(shù)等在電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域得到了廣泛應用。變電站綜合自動化系統(tǒng)是利用計算機控制、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)代通信等技術(shù)將變電站所有二次設備（包括控制、信號、測量、保護、自動裝置及遠動裝置等），經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設計，對變電站執(zhí)行自動監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)來提高變電站運行效率和管理水平的一種綜合性的自動化系統(tǒng)。它完全取代了常規(guī)監(jiān)視儀表、操作控制屏柜、模擬屏柜、中央信息系統(tǒng)、變送器及常規(guī)遠動裝置等設備，提高了變電站的安全與經(jīng)濟運行水平。變電站綜合自動化系統(tǒng)取代或更新傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)已成為目前電力系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢之一。本文分析了目前變電站綜合自動化系統(tǒng)幾種典型的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點，在此基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际浇Y(jié)構(gòu)設計，提出了一種新型四層變電站綜合自動化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
變電站綜合自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)按設計思想分可分為集中式、分布式和分散(層)分布式；按安裝物理位置分則可分成集中組屏、分層組屏和分散在一次設備間隔安裝等形式。
2 變電站綜合自動化系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點
2.1 集中式結(jié)構(gòu)
集中式的變電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按信息類型劃分功能。采用這類結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)其功能模塊與硬件無關(guān)，各功能模塊的連接通過模塊化軟件實現(xiàn)，信息是集中采集、處理和運算的。受計算機硬件水平的限制，該結(jié)構(gòu)在早期自動化系統(tǒng)中應用較多，圖1是一種較典型的集中式結(jié)構(gòu)[1]。此類結(jié)構(gòu)對監(jiān)控主機的性能要求較高，且系統(tǒng)處理能力有限，開發(fā)手段少，系統(tǒng)在開放性、擴展性和可維護性等方面較差，抗干擾能力不強。
2.2 分布式結(jié)構(gòu)
分布式結(jié)構(gòu)則按功能設計，如按保護和監(jiān)控等功能劃分單元，分布實施。其結(jié)構(gòu)采用主從CPU協(xié)同工作方式，各功能模塊如智能電子設備（Inbbbligent Electronic Device，IED）之間采用網(wǎng)絡技術(shù)或串行方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分布式結(jié)構(gòu)有助于系統(tǒng)擴展和維護，可靠性好，局部故障不影響系統(tǒng)其它模塊正常運行。安裝方式有集中組屏和分層組屏兩種方式，較適合于中低壓變電站。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.3 分散(層)分布式結(jié)構(gòu)
分散(層)分布式結(jié)構(gòu)采用“面向?qū)ο蟆痹O計。所謂面向?qū)ο?，就是面向電氣一次回路設備或電氣間隔設備，間隔層中數(shù)據(jù)、采集、控制單元(I/O單元)和保護單元就地分散安裝在開關(guān)柜上或其他一次設備附近，相互間通過通信網(wǎng)絡相連，與監(jiān)控主機通信。目前，此種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在自動化系統(tǒng)中較為流行，主要原因是： ① 現(xiàn)在的IED設備大多是按面向?qū)ο笤O計的，如專門的線路保護單元、主變保護單元、小電流接地選線單元等，雖然有將所有保護功能綜合為一體的趨勢，但具體在保護安裝接線中仍是面向?qū)ο蟮模?② 利用了現(xiàn)場總線的技術(shù)優(yōu)勢，省去了大量二次接線，控制設備之間僅通過雙絞線或光纖連接，設計規(guī)范，設備布置整齊，調(diào)整擴建也很簡單，成本低，運行維護方便； ③ 系統(tǒng)裝置及網(wǎng)絡魯棒性強，不依賴于通信網(wǎng)和主機，主機或1臺IED設備損壞并不影響其它設備的正常工作，運行可靠性有保證。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點是功能分散，管理集中。分散（層）分布有兩層含義：其一，對于中低壓電壓等級，無論是I/O單元還是保護單元皆可安裝在相應間隔的開關(guān)盤柜上，形成地理上的分散分布，如文獻[2]所示的系統(tǒng)；其二，對于110kV及以上的電壓等級，即使無法把間隔單元裝在相應的開關(guān)柜上，也應集中組屏，在屏柜上明確區(qū)分相應間隔對應的單元，在物理結(jié)構(gòu)上相對獨立，以方便各間隔單元相應的操作和維護，如文獻[3]所討論的
上述3類變電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的共同缺點是：由于電力通信規(guī)約的不兼容，不同接口需要進行通信規(guī)約轉(zhuǎn)換，因而在通用性、開放性等方面的性能較弱，使用場合受到較大限制。
3 新型變電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型
計算機、通信及網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展使變電站信息綜合管理成為可能。將計算機局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)引入變電站綜合自動化管理系統(tǒng)，已成為現(xiàn)在的一研究熱點。文獻[4]提出了一種在500kV變電站引入信息管理的方案，它將變電站各IED設備通過專用網(wǎng)關(guān)設備直接接入以太網(wǎng)，站內(nèi)各監(jiān)控機、服務器、工作站接入同一網(wǎng)絡。但這種方案價格昂貴，技術(shù)復雜，協(xié)調(diào)困難，對不同接口需要進行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，維護工作量較大。就如何引入LAN進行信息管理和處理電力通信規(guī)約轉(zhuǎn)換這兩個焦點問題，作為一種新模式的嘗試，參照IEC提出的3層標準結(jié)構(gòu)，可將原有的過程層(process level )、間隔層(bay level)、站級層(station level)細化為過程層(process level)、二次設備控制層(secondary device control level)、通信管理層(management level)和信息管理層(inbbbbation management level) 4層。結(jié)合面向?qū)ο蟮姆謱臃植际浇Y(jié)構(gòu)設計，提出了一種新型的變電站自動化系統(tǒng)體系4層結(jié)構(gòu)，重點是解決通信管理層中的電力通信規(guī)約轉(zhuǎn)換問題和信息管理層中的變電站信息綜合管理問題。其系統(tǒng)功能主要體現(xiàn)在：
①實現(xiàn)底層二次設備的控制智能化和數(shù)字化；
②實現(xiàn)變電站常規(guī)遠動功能；③實現(xiàn)變電站的信息集中管理和監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。
3.2 系統(tǒng)分層及其功能
系統(tǒng)共分4層，即信息管理層、通信管理層、二次設備控制層和生產(chǎn)過程層。生產(chǎn)過程層由變電站一次設備組成，是系統(tǒng)的最底層；二次設備控制層則由各智能設備（IED）組成，實現(xiàn)對各自對象（母線、饋線、主變壓器、電容器等）的控制和保護功能；通信管理層由連接IED的現(xiàn)場總線和作為通用網(wǎng)關(guān)的主/備前置機系統(tǒng)組成，是系統(tǒng)的通信樞紐，負責站內(nèi)數(shù)據(jù)采集、連接站級計算機、連接遠動系統(tǒng)等；信息管理層是系統(tǒng)的最高層，主要由站級計算機組成，包括服務器、工作站等，形成站內(nèi)計算機局域網(wǎng)，運行變電站SCADA/EMS(Supervisory Control and Data Acquisi-tion/Energy Management System) 系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理、站級控制、人機接口等功能；面向變電站所有設備的歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)在主/備服務器中的創(chuàng)建，而每個操作員工作站節(jié)點中均建有實時數(shù)據(jù)庫，可采用雙以太網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)構(gòu)建。
3.3 系統(tǒng)原理
如圖4所示，二次設備控制層中的IED與生產(chǎn)過程中的一次設備接口，按相應的規(guī)約直接實現(xiàn)信息的采集與控制調(diào)節(jié)，進行存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，IED可通過光纖或現(xiàn)場總線與通信管理層連接，實現(xiàn)信息的收集與分配，不同類型的IED在二次設備控制層中不能直接進行信息交換，而是經(jīng)不同的現(xiàn)場總線通過前置機這個網(wǎng)關(guān)來進行信息交換。通信管理層中的前置機系統(tǒng)可同時接入多種電力通信規(guī)約的總線設備（可通過多串口卡實現(xiàn)），并且向上掛接在信息管理層網(wǎng)絡上，是局域網(wǎng)中的重要節(jié)點，起著收集站內(nèi)生產(chǎn)信息上傳和下發(fā)管理層控制信息的作用。變電站二次設備的各種數(shù)據(jù)測量、事件記錄、故障錄波與控制等所有功能全部在二次設備控制中實現(xiàn)，不依賴于站級計算機。在前置機系統(tǒng)中還可接入全球定位系統(tǒng) （bbbbbb bbbbbbbbing System，GPS）對時信號和串行Modem，以實現(xiàn)遠動功能。在此情況下，前置機系統(tǒng)相當于一遠方終端單元（Remote Terminate Unit，RTU）的功能。信息管理層中的SCADA系統(tǒng)通過參數(shù)數(shù)據(jù)的定義建立各節(jié)點的實時數(shù)據(jù)庫并從前置機處獲得實時數(shù)據(jù)，另由專門的線程分析實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)后再寫入歷史數(shù)據(jù)庫，各工作站節(jié)點的歷史數(shù)據(jù)查詢則通過C/S模式從主/備服務器獲齲如果需要遠程瀏覽，則可設置Web服務器，利用Modem與公用電話網(wǎng)撥號登錄站內(nèi)局域網(wǎng)，通過Web瀏覽器進行瀏覽和查詢。此外，可在站內(nèi)設置遠程網(wǎng)橋，遠程工作站通過該遠程網(wǎng)橋獲取本地局域網(wǎng)（LAN）信息等[5]。在信息管理層中，基于所構(gòu)建的網(wǎng)絡，也可在其中置入變電站綜合多媒體管理信息系統(tǒng)，通過專用網(wǎng)關(guān)和標準數(shù)據(jù)接口與SCADA系統(tǒng)交換生產(chǎn)信息[6]。
綜上所述，4層結(jié)構(gòu)模式的提出，解決了在變電站綜合自動化系統(tǒng)實施中的兩大瓶頸問題，即不同協(xié)議的IED的并網(wǎng)和開放式的變電站綜合信息管理。基于這種4層結(jié)構(gòu)模式，可以靈活配置各種自動化系統(tǒng)，滿足不同類型變電站的需要。如對不同的信息管理層的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，可選擇NT網(wǎng)、Novell網(wǎng)、UNIX網(wǎng)，甚至IBM的OS/2系統(tǒng)[7]也可通過網(wǎng)關(guān)設備實現(xiàn)站內(nèi)多網(wǎng)并存。如對信息管理層中的現(xiàn)場總線，可選擇485/422口的MODBUS/RTU、CAN、LONWORKS、BITBUS、PROFIBUS等。此外，二次設備控制層可選用基于單片機的專用保護設備，也可選擇通用的可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）設備。
4 結(jié)束語
將變電站綜合自動化系統(tǒng)標準化成4層結(jié)構(gòu)，實際采用的是一種分層的功能模塊化設計思想，硬、軟件可做到模塊化、通用化。其設計思想結(jié)構(gòu)簡明清晰、分工明確、網(wǎng)絡信息交換合理，根據(jù)不同類型變電站的一次接線，能實現(xiàn)不同的系統(tǒng)配置，是一種以智能設備和信息管理為核心的變電站二次回路整體優(yōu)化設計方法。它要求整個系統(tǒng)各設備遵循IEEE、ISO和IEC等有關(guān)國際標準。二次設備控制層接入一個全開放式的總線網(wǎng)絡，能使硬件的增減、更換方便，加強了各節(jié)點的自治性和獨立性；信息管理層中通過服務器、工程師工作站等計算機組成LAN，便于與其它網(wǎng)絡系統(tǒng)互聯(lián)。因此，整個系統(tǒng)的可靠性較高，可維護性和開放性較好。
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：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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