基于現(xiàn)場總線的變電站自動化系統(tǒng)
時間:2009-04-02 21:01:32來源:hesp
導(dǎo)語:?變電站是一個電磁能量轉(zhuǎn)換及能量再分配單元,電力系統(tǒng)中的許多保護裝置、檢測裝置、輔助裝置都是針對整個變電站設(shè)置的,因此變電站是輸配電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),也是電網(wǎng)的主要控制點。
[align=left] 變電站是一個電磁能量轉(zhuǎn)換及能量再分配單元,電力系統(tǒng)中的許多保護裝置、檢測裝置、輔助裝置都是針對整個變電站設(shè)置的,因此變電站是輸配電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),也是電網(wǎng)的主要控制點。 隨著電壓等級和電網(wǎng)復(fù)雜程度的提高、供電半徑和輸配電容量的加大,采用傳統(tǒng)的變電站一次和二次設(shè)備已越來越難以滿足降低變電站造價、提高變電站運行安全可靠性兩方面的要求。為了滿足上述要求,必須大力發(fā)展和推廣變電站綜合自動化系統(tǒng)。變電站綜合自動化系統(tǒng)的概念及效益
1.1 概念
變電站綜合自動化系統(tǒng)是集保護、測量、控制、遠傳等功能為一體,采用微機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),并充分利用數(shù)字通信的優(yōu)勢來實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的一套電力系統(tǒng)二次設(shè)備的綜合自動化裝置。
變電站自動化的內(nèi)容包括:電氣量的采集和電氣設(shè)備(如斷路器等)的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié),實現(xiàn)變電站正常運行時的監(jiān)視和操作,保證變電站的正常運行和安全;在發(fā)生事故時,瞬態(tài)電氣量的采集、監(jiān)視和控制(由繼電保護、故障錄波等完成),迅速切除故障,以及在事故后完成恢復(fù)變電站正常運行的操作。從長遠的觀點看,還應(yīng)包括高壓電氣設(shè)備本身的監(jiān)視信息(如斷路器、變壓器、避雷器等的絕緣和狀態(tài)監(jiān)視等),除需要將變電站的信息傳給調(diào)度中心、運行方式科、繼電保護工程師之外,還需要傳送到檢修和維修中心,為電氣設(shè)備的監(jiān)視和維修計劃的制定提供原始數(shù)據(jù)。
綜上所述,變電站綜合自動化系統(tǒng)將至少影響三個方面,即變電所無人值班,電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的實用化和供電的可靠性。它涉及供電企業(yè)各個專業(yè)和部門,包括自動化、遠動、通信、繼電保護、測量、計量等二次系統(tǒng)的運行裝置、工程及技術(shù),甚至對一次設(shè)備也提出了新的要求。同時,它還涉及到包括變電檢修、運行、調(diào)度在內(nèi)的各個部門,還廣泛涉及到規(guī)劃、設(shè)計、標準化、質(zhì)檢、生產(chǎn)廠家、管理體制及其他相關(guān)部門和問題,是一項綜合且復(fù)雜的系統(tǒng)工程,是現(xiàn)代科技和管理在電力企業(yè)中的綜合應(yīng)用。
1.2 效益
1.2.1 降低變電站工程造價。
[b]其主要途徑是:
[/b] a)采用面向?qū)ο蟮姆稚⒎植际皆O(shè)計,用極少量的通信電纜所組成的通信網(wǎng)取代大量的點對點的長距離信號電纜,用軟件閉鎖取代或簡化二次硬件閉鎖回路,節(jié)約大量電纜和相應(yīng)的施工、調(diào)試工作量。
b)由于采用分散分布式結(jié)構(gòu),可以取消傳統(tǒng)的大控制室設(shè)計,節(jié)約用地和建筑面積。
c)分散分布式結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)使得綜合自動化系統(tǒng)將來的擴展非常方便、簡單,不需要對原系統(tǒng)進行多大的改動,充分利用了原有的技術(shù)設(shè)備,節(jié)省了系統(tǒng)擴展時的投資。
d)綜合自動化系統(tǒng)的軟件模塊化,使得傳統(tǒng)上大量復(fù)雜的現(xiàn)場點對點調(diào)試工作將主要由供應(yīng)廠家的軟件組態(tài)來實現(xiàn),此時現(xiàn)場基建和工廠驗收即可并行進行,以加快工程的整體進度。
1.2.2 提高變電站運行的安全可靠性
[b]其主要途徑是:
[/b] a)基于微機的保護單元經(jīng)常處于在線自檢狀態(tài)(包括監(jiān)視溫度),一有異常立即報警,不象傳統(tǒng)保護裝置那樣,每年只校驗幾次,實際動作正確與否只有故障后才知道。
b)傳統(tǒng)的保護裝置一般只提供一套整定值,而基于微機的保護單元可以提供多套整定值,可供運行方式改變時遠方選用,并提供在動態(tài)過程中進行定值修改的可能性。
c)基于微機的保護單元較易實現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)單相接地選線、故障測距、故障錄波等功能。
d)故障處理完之后,綜合自動化系統(tǒng)能使變電站恢復(fù)到事故前的原狀態(tài)運行。
e)綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)用了許多先進技術(shù),提高了運行可靠性。如FACTS技術(shù)使電力系統(tǒng)動態(tài)性能得到很大改善,大幅度提高了輸電線路輸送能力和提高了電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平;GPS技術(shù)應(yīng)用于
動態(tài)檢測和控制中,使原來不可能做到的控制和測量精度以及故障分析、裝置試驗、特殊參數(shù)的采集都得以實現(xiàn)。
[b]2 現(xiàn)場總線技術(shù)
[/b] 2.1 簡介
現(xiàn)場總線(Fieldbus)是近年在各自動化領(lǐng)域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡(luò),就其名稱含義它包括兩個方面的內(nèi)容,“現(xiàn)場”是指工作環(huán)境中設(shè)備級(最低層)之間的聯(lián)系,“總線”是指這一通信聯(lián)系必須遵從統(tǒng)一的技術(shù)標準,可實現(xiàn)各設(shè)備間的互連、互操作。作為設(shè)備級間的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)場總線必須具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點,具有較高的實時性,并能適于信息的頻繁交換,因而不同于上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。目前,國際上現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展很快,形成了多種總線標準,較有影響和代表性的有Lonworks、CANbus、FFbus、Profibus等等,但至今尚未形成統(tǒng)一的國際標準。
現(xiàn)場總線以其全新的結(jié)構(gòu)體系給各種控制系統(tǒng)帶來了革命性的變革,由它構(gòu)成的智能電器網(wǎng)絡(luò)也表現(xiàn)出強大的優(yōu)勢?,F(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)目前多采用總線型。
在變電站綜合自動化系統(tǒng)中,現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò),因此它是以智能電子設(shè)備(IED)的使用為前提的、現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。
2.2 綜合自動化系統(tǒng)的意義
在變電站綜合自動化系統(tǒng)中,IED之間及其與主站之間的串行通信的物理層早期普遍采用了RS-232,隨后許多裝置采用了性能較好的RS-485(半雙工)及RS-422(全雙工)。在變電站層,有些系統(tǒng)采用了各種計算機局域網(wǎng),如Novell網(wǎng)、以太網(wǎng)等。雖然硬件種類不多,但使用的通信協(xié)議很不一致,不同生產(chǎn)廠的設(shè)備一般不能互連及互操作,規(guī)約轉(zhuǎn)換和或者說網(wǎng)關(guān)成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最主要的設(shè)備,給用戶帶來極大不便?,F(xiàn)場總線則不僅具有開放性和互操作性,而且具有控制功能分散和可靠性高的優(yōu)點,因此在變電站綜合自動化系統(tǒng)中使用現(xiàn)場總線是必然趨勢。
[b]3 國內(nèi)外變電站綜合自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀
[/b] 3.1 國外
國外產(chǎn)品以ABB公司的SCS100/200和西門子公司的LSA678為代表。
a)信號采集方式:在間隔層終端一般采用多DSP結(jié)構(gòu),集保護、錄波、計量、遠動功能于一體,并使得信號采集完全分散分布和下放,簡化了二次回路。
b)數(shù)字通信方式:通信網(wǎng)主要以光纖為介質(zhì)(如LSA678),光纖具有很高的通信速率和非常好的抗干擾能力。也有一部分變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)采用了現(xiàn)場總線技術(shù),如Lonworks及CAN總線?,F(xiàn)場總線具有很高的抗干擾性能,網(wǎng)絡(luò)傳輸速度適中,成本低、施工方便。
c)控制系統(tǒng):站控單元采用高性能工作站或?qū)S糜布?,處理和存儲能力較強,可靠性很高。監(jiān)控保護單元均按一次設(shè)備安裝單位劃分,設(shè)于高壓斷路器附近和低壓開關(guān)柜上,站控單元和監(jiān)控保護單元通過串行口或網(wǎng)絡(luò)連接。由于功能和組成分散,所以規(guī)模伸縮性好,能滿足不同電壓等級應(yīng)用的需要。然而這些產(chǎn)品也存在價格昂貴、開放性不夠理想、功能上不能完全滿足國內(nèi)對一次設(shè)備的使用及管理要求等問題。
3.2 國內(nèi)
目前我國220~500 kV電壓等級的變電站基本上為有人值班運行方式,大多僅發(fā)遙測、遙信信息,但采用完全分散分布的變電站自動化系統(tǒng)仍是這類變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。
110 kV及以下等級的變電站大多要求按無人值班運行方式設(shè)計,按實現(xiàn)的自動化水平可分為兩類:一種為遠動RTU方式,另一種為全新的綜合自動化方式。一般意義下的遠動RTU是集中式、單CPU的自動化設(shè)備,它具有“四遙”功能,而且也有統(tǒng)一的通信規(guī)約和技術(shù)標準,所有信號由RTU集中采集,遙控、遙調(diào)指令通過RTU裝置的硬接點輸出,由控制電纜引入二次控制回路?,F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了多CPU協(xié)同工作的分散式遠動RTU,可按功能或電器單元劃分模塊,其物理結(jié)構(gòu)根據(jù)需要可配置成集中式或分層配屏式,交流采樣技術(shù)業(yè)已廣泛應(yīng)用于RTU之中。而且,遠動RTU模式也可通過串行口配置功能強大的人機聯(lián)系子系統(tǒng),變電所內(nèi)其他智能設(shè)備一般通過串行口接入RTU。遠動RTU一般不能與數(shù)字保護交換信息,保護動作信號仍需通過繼電器接點采集。
至于第二種方式在國內(nèi)的使用情況如下:
a)信號采集方式:采用分散分布式交流采集系統(tǒng),通過串行口或網(wǎng)絡(luò)與后臺監(jiān)控主站相連。特別是10 kV變電站,將測控部分合并在10 kV保護裝置內(nèi),根據(jù)模擬量對采樣精度的不同要求,采用專用的電流輸入口以接測量用TA。
b)控制系統(tǒng):站控單元多采用工業(yè)PC,其性能價格比不及計算機工作站和計算機服務(wù)器。監(jiān)控系統(tǒng)大都保留有RTU裝置,將其作為信息采集和向各級調(diào)度傳遞信息,并通過它與監(jiān)控系統(tǒng)交換信息。
c)數(shù)字通信方式:現(xiàn)場通信多采用RS串行通信總線,也有少數(shù)采用CAN、Lonw- orks現(xiàn)場總線,但是不同廠家設(shè)備的通信規(guī)約種類繁多,不僅浪費了大量的軟硬件開發(fā)人力,也給用戶的設(shè)備選型、運行維護等帶來諸多不便。并且,因受制于通信規(guī)約及調(diào)度主站功能的不完備,綜合自動化系統(tǒng)用作無人值班分站時不能實現(xiàn)其所能提供的豐富的變電站運行監(jiān)控功能,浪費了用戶的投資費用。
就總體而言,國內(nèi)的變電站綜合自動化系統(tǒng)主要是從國外購買硬件設(shè)備,系統(tǒng)軟件的集成則由國內(nèi)的科研開發(fā)單位提供,這樣可以節(jié)省投資。
[b]4 綜合自動化系統(tǒng)的功能及構(gòu)成
[/b] 4.1 功能
基于現(xiàn)場總線技術(shù)的變電站綜合自動化系統(tǒng)具有以下主要功能:
a)控制、監(jiān)視功能。承擔數(shù)據(jù)采集(模擬量、開關(guān)量及脈沖量)和設(shè)備監(jiān)視、操作控制功能(可由上級調(diào)度或當?shù)赝ㄟ^鍵盤自動操作或選擇操作,只有在返校無誤后方可執(zhí)行),并能實現(xiàn)“四遙”。
b)自動控制控能。如主變壓器有載自動調(diào)壓、電力電容器組自動投切、低頻減載、備用電源自動投入接地自動檢測等。
c)測量表計功能。向電網(wǎng)控制中心傳送變電站的運行測量值,采用脈沖電度表累計電量。
d)繼電保護功能。實現(xiàn)對變電所內(nèi)各元件、線路、母線等的安全保護,并能與監(jiān)控系統(tǒng)通信。
e)其他安全監(jiān)控功能。通過操作與閉鎖功能有效地防止電氣誤操作;當系統(tǒng)故障時,能完成事件順序記錄、事故追憶和故障錄波;具有越限報警和異常狀態(tài)報警功能。
f)接口功能。承擔系統(tǒng)中各層之間的連接功能。
g)系統(tǒng)功能。實現(xiàn)變電站級的協(xié)調(diào)、優(yōu)化控制,并實現(xiàn)與遠方調(diào)控中心的通信。
4.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
變電站綜合自動化系統(tǒng)采用完全分散分布的系統(tǒng),結(jié)構(gòu)可分為三層即變電站層、間隔(單元)層和設(shè)備層,通信系統(tǒng)擬采用CAN總線技術(shù),如圖1所示。
[img=604,391]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/gddl/2000-2/31-1.jpg[/img]
設(shè)備層包括開關(guān)、變壓器、TA/TV等一次設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展,變電站的一次設(shè)備因帶有電子設(shè)備的智能傳感器和執(zhí)行器而成為智能電子設(shè)備(IED),這些設(shè)備不僅把現(xiàn)場的數(shù)據(jù)數(shù)字化,同時具有計算機數(shù)據(jù)通信接口,可以自由地同其它設(shè)備交換信息。此外它還能根據(jù)直接測量的結(jié)果計算分析出很多其它難以直接測量的數(shù)據(jù),如諧波分量、序電流、序電壓;利用計算機的儲存能力,智能設(shè)備還可以完成統(tǒng)計記錄功能。
間隔單元層包括保護設(shè)備、數(shù)據(jù)采集及控制設(shè)備、指示儀表等,在分散式變電站綜合自動化系統(tǒng)中由獨立的保護及I/O單元組成。
變電站層通常是指站級計算機,可以采用基于工程工作站及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的多功能SCADA系統(tǒng),完成數(shù)據(jù)收集及處理、數(shù)據(jù)庫管理、異常檢測與告警、優(yōu)化控制、人機接口等功能。
4.3 通信方式的選擇
分散式變電站綜合自動化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要取決于通信系統(tǒng)的選擇,系統(tǒng)的總體性能在很大程度上也由通信系統(tǒng)的優(yōu)劣來決定。變電站層與間隔單元層之間的通信網(wǎng)之所以采用基于CAN網(wǎng)絡(luò)的總線型技術(shù)方案,是因為這種方案具有以下特點:
a)易于實現(xiàn)雙網(wǎng)備用,易于通過多網(wǎng)絡(luò)提高性能;
b)易于同I/O單元、保護單元集成,易實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換;
c)網(wǎng)絡(luò)仲裁效率高,信息優(yōu)先級別豐富,可以確保緊急信息的實時性;
d)抗干擾能力強;
e)成本低,施工簡便。
與遠方調(diào)度自動化系統(tǒng)及集控中心的通信采用串行通信總線或?qū)S眠h動通道,與遠方診斷計算機通信可以通過MODEM與電話網(wǎng)的連接來實現(xiàn)。因此整個系統(tǒng)的通信系統(tǒng)是混合型的,能夠為不同對象提供最合適的通信方式。
4.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)的軟件由兩大部分組成:PC機軟件部分和模塊軟件部分。
PC機軟件部分運行在Windows系統(tǒng)平臺上,由設(shè)備組態(tài)工具、網(wǎng)卡驅(qū)動程序以及人機界面(MMI)組成。設(shè)備組態(tài)工具用于對現(xiàn)場設(shè)備的組態(tài)及下裝;網(wǎng)卡驅(qū)動程序是設(shè)備組態(tài)工具、人機界面與IED設(shè)備之間通信的橋梁;人機界面則使用戶可以形象、實時地觀察和控制現(xiàn)場設(shè)備的信息和狀態(tài)。
[b]5 結(jié)束語
[/b] 由于國際電工委員會(IEC)同美國電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)協(xié)商確定,為了電力工業(yè)的利益,《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》標準將作為變電站內(nèi)通信的唯一的國際標準,我國也將其已經(jīng)制訂了的IEC60870-5-103繼電保護設(shè)備信息接口配套標準的傳輸規(guī)約等同采用,所以在設(shè)計時盡量采用符合此標準的設(shè)備,以實現(xiàn)變電站自動化設(shè)備在全性考慮,基于現(xiàn)場總線技術(shù)的變電站綜合自動化系統(tǒng)將成為變電站自動化的長期方向。[/align]
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