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電力系統(tǒng)的綜合自動化控制系統(tǒng)應具有可靠性高、抗干擾能力強、實時性好及維護簡單等特點。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的綜合自動化控制系統(tǒng)的微機化進程越來越快，微機化將是我國電力系統(tǒng)綜合自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文所介紹的分層分布離散式控制方式的變電站綜合自動化控制系統(tǒng)是一種集控制、保護、測量及遠動等功能為一體的微機控制系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的以儀表框、控制臺中央信號屏等組成的控制系統(tǒng)，它是一種以計算機為主的、將變電站(所)的二次設備(包括測量、信號、控制、保護、自動裝置和遠動)經(jīng)過功能組合而形成的標準化、模塊化、網(wǎng)絡化和功能化的現(xiàn)代化計算機綜合控制系統(tǒng)，適應了現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展和能源管理的要求。下面就該綜合控制系統(tǒng)中的幾個主要部分的設計進行分析和介紹。

1 系統(tǒng)結構與控制方案

       (1)系統(tǒng)結構

       系統(tǒng)應能對變電站的控制、保護、測量、信號傳遞、遠動等功能實現(xiàn)綜合自動控制和管理。由于站內強磁場干擾大，測量、控制、保護點多，諧波干擾及無線電干擾嚴重等原因，造成系統(tǒng)控制、測量和保護的綜合難度較大。基于上述原因我們采用國際上最為流行的分層分布離散式控制方式，控制和保護單元均由獨立的CPU構成，采用一對一結構，每一個回路由獨立的CPU完成，相互之間又采用站內通訊網(wǎng)聯(lián)接在一起，可構成一個變電站集控制、保護、測量、信號傳送和遠動為一體的綜合自動化系統(tǒng)。我們在實際應用中采用的是一個由多層網(wǎng)絡組成的分層分布式綜合自動化系統(tǒng)。整個系統(tǒng)從上到下依次可分為變電站層管理站、計算機網(wǎng)絡、間隔層管理站、工業(yè)級實時網(wǎng)絡、現(xiàn)場監(jiān)控、保護和遠動控制單元。系統(tǒng)結構如圖 1所示。

       在整個系統(tǒng)中最上層是由2～3臺變電站層管理站和2～4臺間隔層管理站組成，二者之間通過Novell網(wǎng)連接。第二層由2～4臺間隔層管理站和20～40臺單片機系統(tǒng)(或少量的PLC)構成，它們之間通過串行通訊口網(wǎng)連接。最下層網(wǎng)絡是由單片機、少量的PLC和繼電保護裝置等組件構成。

       整個系統(tǒng)在硬件配置上采用了分層分布式結構，在軟件上采用了面向對象的程序設計方法。因此整個系統(tǒng)組態(tài)靈活、人機界面友好、功能齊全、使用方便及維護容易，滿足了工程運用的要求。

       (2)系統(tǒng)控制方案

       根據(jù)電力系統(tǒng)的運行要求，對于110kV變電站我們采用微機遠動、監(jiān)控和微機保護分離的綜合自動化控制的方案。這樣設計主要是從可靠性考慮，110kV設備一般是液壓操作機構，其監(jiān)控及保護部分較復雜，將遠動監(jiān)控與保護分開是最佳的方案。同時兩者之間又通過Novell網(wǎng)相連，每一個間隔均由一套微機遠動、監(jiān)控裝置和一套微機保護裝置構成，而間隔層采用RS485或RS422總線網(wǎng)，其系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。對于35kV、10kV變電站綜合自動化控制系統(tǒng)一般可采用兩種不同的設計方案。

       方案一：采用微機遠動、監(jiān)控和微機保護分離式的結構型式，即類似110kV變電站的控制系統(tǒng)設計結構，如圖2示。

       方案二：采用微機遠動、監(jiān)控和微機保護合一的結構型式，其特點是可以減少現(xiàn)場二次電纜并簡化接線，同時，由于35kV或10kV線路可靠性要求比110kV線路要低，按方案二把部分合并成一個微機單元，技術上是可行的，且節(jié)省了大量投資。其系統(tǒng)結構與框圖2基本相似。只將圖2中間隔層、保護管理機、遠動監(jiān)控管理機及現(xiàn)場控制單元合并成一套即可。

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

       (1)系統(tǒng)的主要硬件設備

       1)微機遠動監(jiān)控系統(tǒng)

       該系統(tǒng)由現(xiàn)場遠動監(jiān)控系統(tǒng)和Novell網(wǎng)上的后臺機(間隔層管理機)構成。現(xiàn)場遠動監(jiān)控系統(tǒng)由十個回路的微機遠動監(jiān)控單元組成，每一個單元就是一套80C196單片機系統(tǒng)，它包 含有CPU、開關量入、開關量出、A/D轉換、通訊及驅動輸出等電路。它完成現(xiàn)場設備的監(jiān)控遠動功能。其控制方式采用一對一原則或二對一原則，每一個回路由一個或兩個現(xiàn)場遠動監(jiān)控單元組成，每個單元都是獨立的，任何一個單元出現(xiàn)故障或進行檢修都不會影響其他單元的正常工作。其主要功能如下：a全部電量的測量功能；b負荷監(jiān)控功能；c通訊功能；d定值參數(shù)的遠方整定功能。而Novell網(wǎng)上的后臺機完成數(shù)據(jù)、圖表、電量參數(shù)的顯示與記錄；電量變化過程曲線、趨勢分析、人工置數(shù)及事故、事件、順序記錄、報警等功能。

       2)現(xiàn)場微機保護單元

       該系統(tǒng)中間隔層微機保護裝置是由若干個微機保護單元構成，每一個單元也是一套80C196單片機系統(tǒng)，它包含CPU、開關量入、開關量出、A/D轉換、通訊及驅動輸出等電路。這些單元除與站內通訊網(wǎng)進行通訊以外，還實時監(jiān)控電氣設備的運行情況，一旦發(fā)生異常，保護電路立即動作，同時將保護動作情況送到站內通訊網(wǎng)，每臺間隔層管理站可裝十個微機保護單元。

       ①110kV線路微機保護單元

       根據(jù)電力系統(tǒng)對可靠性的要求，對于每一110kV線路采用兩個保護單元，按二對一原則配置，即110kV線路微機保護是雙機線路微機保護，另外，還有一套微機遠動監(jiān)控單元。可見，對于每一110kV線路，是由三套微機單元構成，即實現(xiàn)了三對一配置。其主要完成如下功能：a三段式相間距離保護；b四段式方向零序電流保護；c三相一次重合閘。

       ②雙卷變微機保護單元

       系統(tǒng)中采用了兩套雙卷變微機保護裝置，每套又由三個保護單元構成，其內部也是由80C196 單片機系統(tǒng)組成，同上述微機保護單元內部硬件結構完全相同，只是保護軟件不同。為了可靠地保護主變壓器，系統(tǒng)中采用了多CPU方案配置，即差動保護單元、高壓側過流保護單元、低壓側過流保護單元分別由三個獨立的保護單元來完成，三套保護單元相對獨立、互不影響、并聯(lián)運行。因此構成高可靠性的主變微機保護。其主要功能如下：a差動電流速斷保護；b110kV中性點零序電壓起動的Ⅱ段式零序電流保護；c110kV負序電壓或低電壓起動的過流保護；d低壓側負序電壓或低電壓起動的過流保護；e非電量保護；f主變高、低電 壓側負荷保護；g間隙零序電流保護等。

       3)35kV、10kV線路及電容器微機保護單元

       本系統(tǒng)中，10kV、35kV線路微機保護單元的硬件結構與110kV線路及主變保護單元硬件結構基本相同，但電路簡化了，同樣由80C196單片機系統(tǒng)組成，其主要功能如下：a10kV、35k V線路保護；b電容器保護。

       (2)系統(tǒng)主要軟件

       變電站層整個軟件采用樹形連接的模塊式結構形式。均在Windows9X多窗口的環(huán)境下工作，通過菜單、對話框和鼠標器進行操作，擺脫了對鍵盤的依賴。同時突破了DOS操作系統(tǒng)對內存的限制，使監(jiān)控功能、通訊方式和人機界面等都發(fā)生了顯著的變化。多任務管理使多個應用程序可以同時運行并能有效地共享系統(tǒng)資源。操作者通過多窗口圖形界面可同時監(jiān)視幾幅畫面，不同的畫面之間可任意切換、平移及滾動。系統(tǒng)進入正常運行后，用戶使用鼠標器即可完成人機對話工作，而且圖形生成軟件包和報表生成軟件包可以方便地生成自己的系統(tǒng)畫面和表格。

       間隔層中采用的80C196系列單片機系統(tǒng)，軟件設計主要包括監(jiān)控軟件、控制軟件、保護軟件和通訊軟件，程序固化于EPROM中。

       (3)通訊方案

       根據(jù)變電站的特殊要求和控制特點，變電站與調度端、上級站的通訊可采用載波、微波、無線擴頻或通過Modle加電話線等方式進行；而站內通訊網(wǎng)采用分層分布控制方式。

       1)站內通訊網(wǎng)的結構形式

       根據(jù)變電站一次設備的情況可把站內通訊網(wǎng)分為兩層——變電站層和間隔層。

       ①間隔層通常采用串行口進行通訊。如采用RS485或RS422通訊接口構成的通信。間隔層一般由單片機來完成監(jiān)控、遠動和保護任務，層內單片機不斷地自動完成現(xiàn)場的過程控制和保護功能，就地能完成的功能盡量不上網(wǎng)，并能就地顯示出各單元運行參數(shù)和完成過程控制。這樣設計的優(yōu)點在于，即使通訊網(wǎng)出故障中斷，單片機保護裝置仍能可靠地正常運行。

       ②變電站層采用Novell網(wǎng)，網(wǎng)上可根據(jù)需要配置多臺主機，一般配置有7臺左右的PC主機，分別為高壓設備監(jiān)控機、中壓設備監(jiān)控機、遠動管理機及保護管理機、遠動工作站、工程師站。其中遠動工作站作為綜合自動化裝置的主機，為了保證其可靠性，我們采用兩臺586PC機( 一臺工作，一臺備用)，可自動切換，滿足雙通道的要求。而工程師站可通過一臺Modle和電話線與站外微機通訊，可作為保護定值、程序及參數(shù)的遠方修改工作機。

       ③為保證通訊網(wǎng)發(fā)生故障時，單片機仍能正常運行，單片機在通訊網(wǎng)上的接口處，我們還設計有自動脫網(wǎng)電路。

       站內通訊網(wǎng)采用Novell網(wǎng)和RS485和RS422組成的混合式總線網(wǎng)可以說是一種優(yōu)勢互補，恰到好處的組合結構，由于Novell通訊網(wǎng)是計算機應用領域中十分普及的網(wǎng)絡，它作為變電站層通訊網(wǎng)能快速地完成大量信息交換，組態(tài)靈活，硬件十分通用。而間隔層采用RS485或RS422總線網(wǎng)，對于接點數(shù)量不多，相互之間通訊信息量不大的場合是十分理想的。若也采用Nove ll網(wǎng)則成本太高，造成資源浪費。所以，采用兩種網(wǎng)絡組網(wǎng)，充分發(fā)揮各自優(yōu)點是一種優(yōu)勢互補的組合。

       2)通訊協(xié)議

       根據(jù)變電站自動控制系統(tǒng)的特點，站內通訊網(wǎng)采用帶碰撞檢測的載波監(jiān)聽多路訪問技術。它是一種隨機爭用媒體方式。通訊協(xié)議符合IEEE8023標準。因為站內所有接點均連在總線式通訊網(wǎng)上，并不斷地監(jiān)聽總線是否有空閑，一旦有空閑，各個接點爭相發(fā)送，這樣就發(fā)生了碰撞問題。為了減少碰撞，可將各接點從檢測出總線空閑到發(fā)送數(shù)據(jù)規(guī)定不同延時，而這一延時可以是隨機的，也可以人為設定。對于重要的接點采用優(yōu)先發(fā)送的原則，這樣當一個接點發(fā)送完畢，另外的接點又爭相發(fā)送，所有接點均采用“邊聽邊講”爭用總線方式，使總線上的通訊效率大為提高，并更具有靈活性。網(wǎng)上增、減接點也非常方便，任一接點退出都不影響其他接點的通訊。

3 結束語

       變電站是電力系統(tǒng)中一類典型的過程對象，具有強磁場、多干擾、環(huán)境復雜、全天候與實時性等特點。在變電站綜合自動控制中使用本文所述多級多層微機控制系統(tǒng)方案，結合先進的控制方法和軟件將會達到良好的性能、品質。