談變電站自動化系統(tǒng)分析和實施

2013-09-22 14:08:48 米爾自動化網(wǎng)　點擊量：評論 (0)

1、變電站自動化系統(tǒng)的分析 1997年8月國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）的WG34 03工作組在《變電站內(nèi)數(shù)據(jù)流的通信要求》的報告中分析了變電站自動化需完成63種功能，并將這些功能分為7個功能組：（1）遠

1、變電站自動化系統(tǒng)的分析

1997年8月國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）的WG34.03工作組在《變電站內(nèi)數(shù)據(jù)流的通信要求》的報告中分析了變電站自動化需完成63種功能，并將這些功能分為7個功能組：

（1）遠動功能（四遙功能）；

（2）自動控制功能（如有載調(diào)壓變壓器分接頭和并聯(lián)補償電容器的綜合控制（VQC）。電力系統(tǒng)低頻減載、靜止無功補償器控制、配網(wǎng)系統(tǒng)故障分段隔離/非故障段恢復供電與網(wǎng)絡重組等）；

（3）測量表計功能（如三相智能式電子電費計量表等）；

（4）繼電保護功能；

（5）與繼電保護有關的功能（如故障錄波、故障測距、小電流接地選線等）；

（6）接口功能（如與微機五防、繼電保護、電能計量、全球定位系統(tǒng)（GPS）等IED的接口）

（7）系統(tǒng)功能（與主站通信，當?shù)豐CADA等）。

所有能實現(xiàn)這些功能的設備，目前統(tǒng)稱為智能式電子儀表（IED）。變電站自動化的目的，就是實現(xiàn)這些IED的信息共享，由此可減少變電站使用的電纜數(shù)量和造價，提高變電站的運行和安全可靠性，并減少維護工作量和提高維護水平。

應注意的是：

（1）上述自動化設備均應責任分明、互不干擾。

（2）要特別重視繼電保護設備的安全可靠、不能影響到繼電保護設備的電磁兼容性的要求。

根據(jù)變電站自動化的目的，為實現(xiàn)信息共享需采用分層結(jié)構(gòu)：變電站層（與上級調(diào)度中心通信、當?shù)豐CADA等）、網(wǎng)絡層（用以實現(xiàn)各種IED的信息集成），間隔層（各種IED）和設備層（高壓一次設備）。

    2、用現(xiàn)場總線網(wǎng)實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)

為實現(xiàn)變電站自動化，網(wǎng)絡層的性能是相當重要的，它承擔將運動設備、繼電保護設備，各種自動控制設備及電費計量等智能電子儀表進行集成的功能。20世紀90年代中發(fā)展成熟的現(xiàn)場總線（fieldbus）是實現(xiàn)IED集成的較為優(yōu)越的網(wǎng)絡系統(tǒng)。

國際電工委員會（IEC）提出現(xiàn)場總線概念。其定義為：現(xiàn)場總線是連接工業(yè)現(xiàn)場的儀表與設置在控制室內(nèi)控制設備的數(shù)字化、串行、雙向、多變量、多節(jié)點的通信網(wǎng)絡。對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，fieldbuscontrolsystem）定義為：由各種現(xiàn)場儀表通過互聯(lián)與控制室內(nèi)人機界面所組成的系統(tǒng)，它是一個全分散、全數(shù)字化、全開放和可操作的生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)。

采用現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)具有如下特點：

（1）在結(jié)構(gòu)上改變了傳統(tǒng)的輸入/輸出（I/O）模塊，而將其并入現(xiàn)場智能電子儀表（IED），并統(tǒng)稱為節(jié)點（node）。

（2）所有信號均為雙向，管理人員在控制室內(nèi)就可監(jiān)控現(xiàn)場設備。

（3）全數(shù)字化通信，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性。

（4）現(xiàn)場總線均定義了用戶層協(xié)議，可實現(xiàn)互操作性，滿足真正開放性的要求。統(tǒng)一的通信協(xié)議和組態(tài)方式使不同廠家的產(chǎn)品可互連、互換和互操作。

（5）簡化設計和安裝。因現(xiàn)場總線僅為一條雙絞線，可連接很多現(xiàn)場儀表，使布線設計簡單，并節(jié)省大量電纜，簡化了安裝。

（6）各節(jié)點應能自診斷，當某節(jié)點故障，應能自動停運，而不影響其他節(jié)點的運行。

（7）易于實現(xiàn)設備擴充和產(chǎn)品改型。

目前世界上現(xiàn)場總線產(chǎn)品有美國Echelon公司生產(chǎn)的LonWorks網(wǎng)，德國Bosch公司設計的CAN網(wǎng)、西門子公司的Profibus網(wǎng)等。

由于目前變電站中所使用的各種自動化設備和繼電保護裝置并不是采用現(xiàn)場總線網(wǎng)或不是采用為集成變電站自動化IED的某種現(xiàn)場總線網(wǎng)，所以有必要設計一個集成節(jié)點，使不同廠家、不同網(wǎng)絡的IED能接到所選的現(xiàn)場總線網(wǎng)上。

由于1999年10月在日本京都召開的第63屆IEC年會上已將LanWorks排除在國際標準之外，因此必須對符合國際標準的現(xiàn)場總線產(chǎn)品予以特別關注。

即使LonWorks并未列入國際標準，但由于國內(nèi)有生產(chǎn)與其適配的產(chǎn)品的廠商，也有不少用戶使用LonWorks，所以在本文中仍對具LonWorks的特點及有關產(chǎn)品進行介紹。

LonWorks現(xiàn)場總線網(wǎng)是一種使用較為廣泛的全分布智能控制網(wǎng)絡技術，是實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡層的成熟產(chǎn)品，網(wǎng)絡通信介質(zhì)不受限制，可以是雙絞線、光纖、電力線、無線、紅外線等，并可在同一網(wǎng)絡中混合使用。

LonWorks網(wǎng)的技術特點是：

（1）基本元件為Neuron神經(jīng)元芯片。它具備通信和控制功能，并且固化了ISO/CSI全部七層協(xié)議，以及34種常見的I/O控制對象。

（2）將以太網(wǎng)CSMA協(xié)議改造為PredictiveP-PersistentCSMA協(xié)議。此協(xié)議保留了以太網(wǎng)偵聽多重訪問的優(yōu)點，克服了在控制應用上的缺點。節(jié)點隨機地分布在最小為16個隨機時間槽的不同延遲水平上。當網(wǎng)絡空閑時所有節(jié)點只隨機分布在16個槽上。當估計到負荷增加時，節(jié)點將分布在更多的時間槽上，增加的槽的數(shù)量由n來決定。n為信道上積壓的工作的估計（由1到63），它表示下一次要發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點數(shù)。并有選擇地提供優(yōu)先級機制以提高對重要數(shù)據(jù)包的響應時間。

（3）Neuron神經(jīng)元芯片是LonWorks技術的核心，它有3個8位CPU分別完成介質(zhì)訪問、網(wǎng)絡處理和應用處理。

（4）網(wǎng)絡通信采用面向?qū)ο蟮脑O計方法稱為“網(wǎng)絡變量”，使網(wǎng)絡通信的設計簡化為參數(shù)設置。

（5）通信的每幀有效字節(jié)數(shù)可從0到228B。

（6）通信速率：1.25Mb/s，雙絞線，有效距離130m;78kb/s，雙絞線，有效距離2700m。

（7）LonWroks網(wǎng)的通信協(xié)議稱為LonTalk協(xié)議，其互操作性標準為LonMark，網(wǎng)絡服務操作系統(tǒng)為LNS。

（8）LonTalk 協(xié)議定義了域、子網(wǎng)、節(jié)點地址的分層邏輯尋址方式。一個子網(wǎng)最多可包括127個節(jié)點，一個域中最多可定義255個子網(wǎng)，這樣在一個域內(nèi)最多可有 32385（255×127）個節(jié)點。域是一個或多個信道上節(jié)點的邏輯組合。通信只能在配置于同一個域的節(jié)點之間進行。多個域可使用相同的信道。域可以防止不同網(wǎng)絡上節(jié)點的互相干擾。

（9）LonWorks網(wǎng)可通過網(wǎng)關RTLE-KT-03001與以太網(wǎng)連結(jié)。亦可通過網(wǎng)關WBLE-KT-00001與Internet網(wǎng)或中國電力信息數(shù)據(jù)交換網(wǎng)連結(jié)。這兩種網(wǎng)關均由美國CoactiveNetworks公司生產(chǎn)。

美國iIexSystemsInc公司已生產(chǎn)了采用LonWorks現(xiàn)場總線網(wǎng)的變電站自動化系統(tǒng)，其集成節(jié)點稱為串口節(jié)點（sorialnode）。每個串口節(jié)點用同一種規(guī)約可連接256×8個遙信量、128×8個遙測量和32×8個遙控量。一個變電站自動化系統(tǒng)可連結(jié)64個串口節(jié)點。此串口節(jié)點具有豐富的通信規(guī)約，如中國電力部部頒CDT，DNP3.0，Modbus，SC1801，Har- ris5000/6000，HDLC，QDIP（Quantum電表），PG&E2179（Cooper4C/CL4C/SA）等，可與不同廠家、不同網(wǎng)絡的IED相連，如SEL公司的繼電保護裝置，美國斯倫貝謝公司的Quantum電量計費表，南自院系統(tǒng)所生產(chǎn)的微機五防裝置等連接。為實現(xiàn)信息共享，只要進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，各種IED都能集成到LonWorks網(wǎng)上。而且通過此串口節(jié)點集成的各種IED，可互不干擾。能在不停電運行情況下對串口節(jié) 點進行新IED的連接和規(guī)約調(diào)試，且不影響變電站自動化系統(tǒng)的運行。

iLex公司同時設計了滿足LonWorks網(wǎng)的遠動節(jié)點，如遙測節(jié)點（A-32）、遙信節(jié)點（I-64）、遙控SBO節(jié)點（C-16）、交流采樣節(jié)點等以滿足自動監(jiān)控的需要。為與上級調(diào)度中心通信和管理LonWorks網(wǎng)，設計了通信節(jié)點（comm）。通信節(jié)點可有8個從通信節(jié)點、每個從節(jié)點可有各自的通信規(guī)約與主站通信；可各自對時，滿足不同主站對所需的SOE帶上各自的時標，便于電力系統(tǒng)事故分析；還具有在自動化系統(tǒng)不停電情況下，維修故障節(jié)點的能力，使平均無故障時間（MTBF）得以提高。

    3、變電站自動化系統(tǒng)實施中的問題

（1）變電站自動化名稱問題

1997年國際大電網(wǎng)會議WG34.03工作組在《變電站內(nèi)數(shù)據(jù)流的通信要求》報告中[1，2]已不提“變電站綜合自動化”，只提“變電站自動化”，取消了“綜合”這個詞。因為“綜合”的含義不明確，具有二義性。此提法已被（IEC）同美國IEEE協(xié)商確定。“變電站自動化”、“變電站自動化系統(tǒng)”已被IECTC57技術委員會正式定義并編入標準名詞術語。

（2）關于繼電保護與遠動在變電站自動化系統(tǒng)中所處的地位

    繼電保護的基本任務是，當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時在可能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域內(nèi)自動將故障的電力系統(tǒng)元件從系統(tǒng)中切除，或給出信號由值班人員消除異常工況的根源，以避免或減輕設備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。

電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)是在電網(wǎng)正常運行情況下確保電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟地發(fā)供電，提高調(diào)度運行管理水平的重要手段。遠動裝置（RTU）是為完成電網(wǎng)調(diào)度自動化在變電站中裝設的必不可少的自動化裝置。

因此，繼電保護裝置與遠動裝置是完成不同任務的兩種裝置，在電網(wǎng)調(diào)度運行管理中各行其責，互不干擾。

90 年代我國電網(wǎng)廣泛采用了微機保護裝置，將電力系統(tǒng)元件（發(fā)電機、變壓器、母線、線路）的運行參數(shù)（模擬量）通過低通濾波器濾去電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的高頻分量，只反映工頻量，然后經(jīng)過交流采樣和A/D轉(zhuǎn)換，形成離散數(shù)字量來完成保護電力系統(tǒng)元件的任務。