關於變電站智慧裝置分析的論文
關於變電站智慧裝置分析的論文
摘要：本文根據國、內外變電站自動化技術發展及應用現狀，從實際工程應用的角度，闡述了變電站智慧化裝置的必要性以及智慧裝置的構成和特點，探討了從系統設計出發的整合思路，同時對變電站智慧裝置的進一步發展提出了一些設想。
關鍵詞：變電站自動化資料通訊智慧裝置系統整合計算機網路
引言
近年來，計算機晶片及網路等新技術的不斷採用，從根本上改變了傳統變電站二次裝置的基本面貌，全數字化的裝置、以網路構成的系統，輔以成熟的排程自動化系統，正在不斷地提高變電站執行的自動化程度和可靠性，從原來的分部分的變電站裝置及執行狀態的監測發展到整個變電站裝置監控的整合的自動化系統，已基本做到了自動化應能實現的功能，即不再是好看不好用的花架子，而是真正可以解決和滿足生產實際執行中出現的問題和需要，無人值班變電站及變電站自動化系統已基本被使用者接受並使用。在實際應用中，國內、外不同的專業廠家分別推出了具有不同特點的系統，基本上都能滿足系統的執行要求，但在不同程度上，由於開發的背景、執行經驗及技術水平的限制，仍有相當一部分系統存在者功能重複設定，沒有做到資訊資源共享，從而導致了現場接線複雜、系統的各部分介面的通訊規約不一致，增加了投資並影響了系統的可靠性，這就大大影響了整個系統的開放性及可擴充套件性。出現這些問題的主要原因便是缺乏系統設計及在系統設計思路指導下的各組成部分（智慧單元）的開發。由於以往變電站二次部分的開發是分保護、測量、監控等各專業獨立開發、功能相對獨立設定的，由此為滿足系統的功能配置要求而在“搭系統”，從而導致要麼底層控制單元無法投入系統，資訊傳送不上來，就是系統要求的功能底層控制裝置單元不具備。針對上述問題，本文試圖從整體系統設計思想入手，討論對變電站內智慧化裝置的基本要求及其構成、系統整合的基本思想，以供同行討論參考。
1變電站自動化的特點及智慧裝置的構成
國內變電站二次產品早期開發過程是按保護、測量、控制和通訊部分分類獨立開發，隨著技術的進步以及電力系統自動化的要求，變電站自動化工作的開展首先從遠動、自動化及通訊專業開始，初期開展的工作只是對站內的部分狀態量及模擬量資料採集並處理的微機監視或監控系統，隨著排程自動化及微機保護的成熟及應用，變電站自動化及無人值班執行模式便成為實際的需要和急待解決的課題。變電站自動化近幾年的發展狀況大致存在集中式及分散式兩種系統結構，由於電力系統管理方式及二次產品開發的歷史原因，大多數系統仍採用的是按功能“拼湊”的方式開展，沒有按工程的實際需要及正確的系統設計指導思想進行，從而導致系統的效能指標下降以及出現許多無法解決的工程問題。從對分佈、開放性以及系統整體的發展趨勢來看，採用分散式測控、保護、自動裝置及計算機區域網的結構方式顯然比較優越。採用分佈、開放性的網路拓撲結構和計算機區域網技術的變電站自動化系統，各現場單元可完全脫離系統獨立執行，單個裝置的故障不影響系統的正常執行，從而達到“分散佈置、集中管理”的目的，加強了系統的可靠性和可擴充性。這種構成模式正越來越被我國電力系統所接受，其最大特點就是儘可能地充分利用軟、硬體資源，並儘可能地共享軟、硬體和系統資源，並且利用通訊網路代替大量的控制訊號電纜，避免裝置重複設定，多次投資。
根據IEC國際電工委員會電力系統控制與通訊技術委員會的劃分以及變電站自動化系統的特點，變電站內的裝置可劃分為如下三個層次。
裝置層：包括各種一次裝置象開關、線路、變壓器、電容器、CT/PT等。
間隔層：是各種二次裝置包括採集、測量、控制、保護、自動裝置、故障濾波等，它們大多能獨立完成某種功能，且具有與外部進行資料交換的能力。
變電站管理層：對整個變電站進行安全監視、控制、操作，並與變電站外部進行資料交換，如當地監控微機、與控制中心通訊的閘道器等。
上圖示示了變電站內的三個層次和它們之間的資料交換。從對變電站電能傳輸、分配進行檢測、控制和管理的觀點出發，可以認為變電站由母線、變壓器、線路、電容器等基本元件組成；一個基本元件透過一個或多個間隔向二次系統提供資料，接收二次系統的控制命令。根據每一個基本元件自身的特性和檢測、控制要求，並按照基本元件內部資料採集及故障檢測和隔離由元件自身解決的原則，設計每一種基本元件對應一種硬體結構即智慧電子裝置（IED）。
從圖中還可以看出，在裝置層和間隔層之間的資料交換量不大，主要是裝置間向間隔層提供執行中的各種I/O訊號，間隔層向裝置發出控制訊號等。
在間隔層和變電站管理層之間，存在大量的資料交換，一方面，間隔層內的各種智慧裝置需要把採集到的資訊及時上傳至當地監控系統和透過通訊處理機送到遠方控制中心，不僅資料量大，而且要求具有很高的實時性，象站內的事件順序記錄需達到毫秒級，測量值及訊號的重新整理時間需在3秒之內完成。另一方面，變電站層的系統時鐘、控制與調節命令、執行引數的整定命令，也要快速下發至各智慧裝置。
間隔層的各智慧裝置之間，也存在著部分資料交換，但這種交換量不大，對實時性要求也不高。而且由於保護裝置大都是獨立的裝置，故與其它裝置的資料交換很少。其它智慧裝置，也存在一定量的資料交換。
基於以上情況，設計中的變電站自動化系統考慮了在間隔層橫向按站內一次裝置分散式的配置，有條件時，還可將間隔層裝置安裝在開關櫃上；各間隔裝置相對獨立，僅透過站內通訊網互聯，並同變電站層裝置進行快速通訊。
在功能分配上，採用可以下放的功能儘量下放的原則。凡是可以在本間隔內就地完成的功能絕不依賴通訊網完成，這樣構成的系統同以往的集中式系統相比有著明顯的優點：可靠性提高、可擴充套件性和靈活性提高以及站內二次電纜簡化、節省投資。
2智慧裝置的整合
在變電站自動化中存在一些促使裝置整合的動力。首先，變電站自動化要求採用較少的裝置完成更多的功能，其解決方法之一是安裝具有整合功能的智慧電子裝置。最基本的繼電保護IED就是一個例子，它集成了保護、測量、控制、錄波、事件順序記錄以及通訊等功能。用一個裝置完成所有這些功能，這樣就實現了裝置整體費用的最佳化，減少資金和執行維護費用。
另一個向整合化發展的動力是先進的自適應能力和系統控制性能。在這些先進的效能中系統知識是非常有用的，它允許繼電保護IED動態改變執行引數。具有核心級的系統知識可以使系統的穩定性和潮流都得到控制。
技術進步也是向整合化發展的主要動力。微處理器、計算機通訊及應用軟體技術的飛速發展促成了整合系統的開發，將來的重點可能由硬體IED發展為“智慧化”軟體。
還有一個動力是為客戶服務。經濟的快速發展要求越來越少的停電時間，電力公司內部也經常為自身設定顧客電量利用率的目標。對於這個目標，系統整合給操作員和工程師提供了更多的資訊，如在什麼情況下允許系統快速恢復等。與有用的資訊一起整合化的另一個好處是對誤操作的辨認分析，對於由繼電保護或系統設計帶來的問題可以高效跟蹤和修改，從而可以提高整個系統的可靠性和可用性。
3區域網絡通訊技術
變電站內智慧電子裝置的整合化設計策略採用了分散式功能配置的概念，因為分散式體系結構可使任何規模的變電站具有可擴充性。透過共享冗餘得到了高可靠性、簡化的佈線以及可選擇的效能升級能力。
在設計資訊及資料通訊的策略中，幾乎每一個製造商設計的IED都有以電氣工業協會（EIA）的RS-232或RS-485標準為基礎的物理層介面，並在資料鏈路層和應用層用軟體完成系統與任何一個IED裝置的連線，但隨著計算機區域性網路（LAN）技術的發展，越來越多的製造商把注意力集中在LAN上。採用計算機區域網技術可實現資料高速、可靠傳輸，可將過去集中處理的功能分散到各個節點去處理，並可以傳送大批次的資料，如故障錄波資料和影象資料等。在變電站自動化系統中，採用區域網技術，將變電站內的資料採集部分的各智慧單元分別掛網執行，站內自動化系統透過變電站層控制中心與各IED進行資料通訊，以取得對現場IED裝置的控制權，如斷路器的分/合、自動重合閘的開/閉、繼電保護裝置的引數設定、故障診斷、遠端抄表等控制命令。這就要求IED裝置滿足區域網標準，I/O裝置作為區域網上的一個節點。在實際採用計算機區域網的標準上，一般存在著採用“工業乙太網”和“現場匯流排”兩種不同的做法。
在90年代中期，國內外曾掀起一場聲勢不小的“現場匯流排熱”，國家有關部門也撥款幾千萬元組成攻關課題。但在實際應用中，還有許多共同的疑問。其中最主要是其標準問題。現場匯流排有多種標準有兩個原因，首先是技術上的原因，即適用場合和使用者習慣原因。廣義的現場匯流排包括感測器執行器匯流排，亦稱I/O匯流排，其特點是資訊簡單但傳輸速度快，其典型代表有基於CAN的DeviceNet,interbus-s等；另外還有裝置匯流排可用於控制，其資訊量大而且複雜，傳輸較慢，如基金會匯流排FF、HART、LonWorks和Profibus。而狹義的現場匯流排僅指後者。除此外不同行業有其傳統使用習慣。對價格和技術完善性有不同要求，再有是不同的匯流排標準往往和某些公司或公司集團有內在的商業利益關係。所以說最終現場匯流排標準也不會形成一統天下的局面。就目前情況來看，在過程控制領域，基金會匯流排FF將佔有最大的份額，而在其它離散控制領域尚不十分明朗。
如何在眾多的匯流排標準中，選擇一種合適的匯流排，既能滿足大資料量、傳輸速度快的要求，又要兼顧那些通訊相對少、實時性不很高的裝置，以有效減少網路負載。LonWorks在可靠性和傳輸速率上顯然達不到要求，HART使用者支援較少，不宜選擇；作為傳輸最快的匯流排Profibus在網路拓撲、資料吞吐量均表現出色，但其作為歐洲標準，在世界範圍特別是中國的支援不夠，尚不能普遍採用，FF雖然得到世界範圍內的廣泛認同，但所欠標準化程序仍遙遙無期。
乙太網（Ethernet）經過若干年的發展，技術上已經十分成熟。隨著適合於工業現場應用的嵌入式乙太網微處理器的發展，乙太網已可十分便利的應用於變電站自動化場合。首先10M乙太網具有目前國內變電站自動化系統採用的網路不可比擬的'高速特點，可將系統資訊快速交換；同時乙太網在長期發展中以公認的可靠性、安全性、靈活性著稱，如網路節點均帶耐高壓的網路隔離變壓器，網路拓撲結構靈活，支援多種通訊媒介，可根據變電站的實際情況確定網路結構及選用通訊媒介。在自動化系統升級時可將系統通訊網路結構及媒介稍加改動甚至不改動的情況下平滑地使通訊系統升級，節省開支，如升為100M快速乙太網。
下面為美國和歐洲一些國家普遍採用的變電站自動化系統的通訊結構。
傳統的變電站自動化產品供應商們透過擴充他們的RTU的通訊能力，即具有多個序列通訊口的增強式RTU來接收各種形式的智慧變電站裝置（IED），包括計量表計、故障記錄和繼電保護等裝置。現代的變電站智慧裝置透過區域網建立了一個規模較大的變電站控制系統，乙太網由於其優越的效能被用做變電站LAN，變電站內不同製造商的IED產品可以透過規約轉換器（networkinterfacemodulesNIM）進行連線，還有一部分IED產品可以直接掛網執行。NIM與底層的IED可以透過廉價的RS485方式相連，規約採用標準的IEC870-5-103變電站內繼電保護配套規約，IEC870-5-103規約在歐洲和其他一些受IEC影響的國家被普遍採用，我國國家電力公司也把該規約作為變電站內的配套標準規約。
4智慧電子裝置的發展目標和變電站自動化的趨勢展望
變電站自動化系統與其它工業自動化領域一樣，正沿著“分佈化、智慧化、整合化、視覺化和協調化”的方向發展。這就給智慧電子裝置提出了更高的目標，這主要體現在以下幾點：
1）、可互操作性：當前和將來都可以與任意一個生產廠家的IED進行通訊。
2）、即插即用：所有連在LAN上的裝置將由系統自動識別。
3）、可靠性/安全/可信性：這是基本的繼電保護特性，目的是使整個系統達到同一水平。
4）、開放性：提供一個變電站自動化系統的平臺。
5）、冗餘度；任何單一的部件故障不會影響整體系統效能。
6）、智慧化：提供一個人工智慧的應用平臺；透過這個功能實現故障分析、選擇性的資料和電力系統配合。
7）、自動化：透過嵌入演算法軟體或按使用者定義的控制順序提供未來的自動控制功能。對於繼電保護裝置，可透過使用者自定義的計算方法和動作次序支援未來的自適應繼電保護功能。
8）、靈活性/可擴充性：對於當前的硬、軟體系統設計要考慮到將來的擴充，應當易於修改。
智慧電子裝置的採用，將徹底改變常規繼電保護、自動裝置及測量儀表等的單一功能結構，變為包括繼電保護、過程自動化、錄波、計量、測控等多功能智慧化裝置的變電站自動化系統。由於現場裝置的高智慧、多功能，使得主控系統的負擔得以分散，實現了徹底的分散控制保護及自動化，由此可極大提高控制、保護、自動化系統的可靠性、自治性、靈活性。
由分散式的智慧裝置構成的變電站自動化系統帶來的另一個好處是可以取消常規變電站所使用的控制屏、中央訊號屏等集中控制裝置。對於35kV及以下的電壓等級的現場智慧裝置可以集合安裝於開關櫃上；對於110kV及以上電壓等級的現場智慧裝置可以按各個控制物件即變電站內一次電氣裝置元件按單元安裝在各電壓等級的開關場地內或“保護小間”。現代技術已解決了電磁干擾、振動、溫度、灰塵等對IED的影響，只需用計算機通訊網路把它們聯起來再與變電站層的主系統連線，這樣做可大量減少控制訊號電纜，也減少了組屏建築面積。
智慧電子裝置的採用還使得變電站一、二次裝置結合成為現實。如果把現場智慧裝置的控制保護的一次裝置物件的CT、PT，開關、刀閘等的操作機構箱、主變壓器等裝置也採用網路通訊方式相連，就可以取消控制訊號電纜，僅僅保留開關操作機構跳、合閘所需的高壓交、直流電源的動力電纜，從而可以使現場智慧裝置採用低壓電源，提高了裝置的抗干擾能力；另外通訊網還可以將裝置豐富的資訊及資料上傳，便於事故分析和狀態監視，還可構成網路式的防誤閉鎖和安全保障系統，從而提高整個分散式變電站自動化系統的可靠性、先進性和優越性。
計算機網路通訊、交換技術的發展，還使得變電站內部的LAN可以與廣域的WAN相連，WEB瀏覽技術使得電力系統的使用者在任何地方可以監控變電站的執行情況。變電站自動化系統適應Internet/Intranet網路技術的發展，就可以逐步實現開放式的通訊體系結構。
以上針對我公司在開發變電站智慧裝置以及相應組成的變電站自動化系統的一些實踐經驗，談了作者對變電站智慧裝置的整合與發展的一些理解和建議。其中有些建議和設計目標還只是在設想階段，但相信現代計算機技術和網路技術的飛速發展一定會為實現上述目標提供最大的支援。
參考文獻
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