電力系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好及維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)的微機(jī)化進(jìn)程越來越快，微機(jī)化將是我國(guó)電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)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(dòng)化控制系統(tǒng)是一種集控制、保護(hù)、測(cè)量及遠(yuǎn)動(dòng)等功能為一體的微機(jī)控制系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的以儀表框、控制臺(tái)中央信號(hào)屏等組成的控制系統(tǒng)，它是一種以計(jì)算機(jī)為主的、將變電站(所)的二次設(shè)備(包括測(cè)量、信號(hào)、控制、保護(hù)、自動(dòng)裝置和遠(yuǎn)動(dòng))經(jīng)過功能組合而形成的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和功能化的現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)綜合控制系統(tǒng)，適應(yīng)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(gè)主要部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和介紹。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方案

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)變電站的控制、保護(hù)、測(cè)量、信號(hào)傳遞、遠(yuǎn)動(dòng)等功能實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)控制和管理。由于站內(nèi)強(qiáng)磁場(chǎng)干擾大，測(cè)量、控制、保護(hù)點(diǎn)多，諧波干擾及無線電干擾嚴(yán)重等原因，造成系統(tǒng)控制、測(cè)量和保護(hù)的綜合難度較大。基于上述原因我們采用國(guó)際上z為流行的分層分布離散式控制方式，控制和保護(hù)單元均由立的CPU構(gòu)成，采用一對(duì)一結(jié)構(gòu)，每一個(gè)回路由立的CPU完成，相互之間又采用站內(nèi)通訊網(wǎng)聯(lián)接在一起，可構(gòu)成一個(gè)變電站集控制、保護(hù)、測(cè)量、信號(hào)傳送和遠(yuǎn)動(dòng)為一體的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中采用的是一個(gè)由多層網(wǎng)絡(luò)組成的分層分布式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)從上到下依次可分為變電站層管理站、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、間隔層管理站、工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、保護(hù)和遠(yuǎn)動(dòng)控制單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

在整個(gè)系統(tǒng)中z上層是由2～3臺(tái)變電站層管理站和2～4臺(tái)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(tái)間隔層管理站和20～40臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)(或少量的PLC)構(gòu)成，它們之間通過串行通訊口網(wǎng)連接。z下層網(wǎng)絡(luò)是由單片機(jī)、少量的PLC和繼電保護(hù)裝置等組件構(gòu)成。

整個(gè)系統(tǒng)在硬件配置上采用了分層分布式結(jié)構(gòu)，在軟件上采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法。因此整個(gè)系統(tǒng)組態(tài)靈活、人機(jī)界面友好、功能齊全、使用方便及維護(hù)容易，滿足了工程運(yùn)用的要求。

(2)系統(tǒng)控制方案

根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求，對(duì)于110kV變電站我們采用微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)、監(jiān)控和微機(jī)保護(hù)分離的綜合自動(dòng)化控制的方案。這樣設(shè)計(jì)主要是從可靠性考慮，110kV設(shè)備一般是液壓操作機(jī)構(gòu)，其監(jiān)控及保護(hù)部分較復(fù)雜，將遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控與保護(hù)分開是z佳的方案。同時(shí)兩者之間又通過Novell網(wǎng)相連，每一個(gè)間隔均由一套微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)、監(jiān)控裝置和一套微機(jī)保護(hù)裝置構(gòu)成，而間隔層采用RS485或RS422總線網(wǎng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。對(duì)于35kV、10kV變電站綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)一般可采用兩種不同的設(shè)計(jì)方案。

方案一：采用微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)、監(jiān)控和微機(jī)保護(hù)分離式的結(jié)構(gòu)型式，即類似110kV變電站的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖2示。

方案二：采用微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)、監(jiān)控和微機(jī)保護(hù)合一的結(jié)構(gòu)型式，其特點(diǎn)是可以減少現(xiàn)場(chǎng)二次電纜并簡(jiǎn)化接線，同時(shí)，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(gè)微機(jī)單元，技術(shù)上是可行的，且節(jié)省了大量投資。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與框圖2基本相似。只將圖2中間隔層、保護(hù)管理機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控管理機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)控制單元合并成一套即可。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

(1)系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備

1)微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和Novell網(wǎng)上的后臺(tái)機(jī)(間隔層管理機(jī))構(gòu)成。現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)由十個(gè)回路的微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控單元組成，每一個(gè)單元就是一套80C196單片機(jī)系統(tǒng)，它包 含有CPU、開關(guān)量入、開關(guān)量出、A/D轉(zhuǎn)換、通訊及驅(qū)動(dòng)輸出等電路。它完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控遠(yuǎn)動(dòng)功能。其控制方式采用一對(duì)一原則或二對(duì)一原則，每一個(gè)回路由一個(gè)或兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控單元組成，每個(gè)單元都是立的，任何一個(gè)單元出現(xiàn)故障或進(jìn)行檢修都不會(huì)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(cè)量功能；b負(fù)荷監(jiān)控功能；c通訊功能；d定值參數(shù)的遠(yuǎn)方整定功能。而Novell網(wǎng)上的后臺(tái)機(jī)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(shì)分析、人工置數(shù)及事故、事件、順序記錄、報(bào)警等功能。

2)現(xiàn)場(chǎng)微機(jī)保護(hù)單元

該系統(tǒng)中間隔層微機(jī)保護(hù)裝置是由若干個(gè)微機(jī)保護(hù)單元構(gòu)成，每一個(gè)單元也是一套80C196單片機(jī)系統(tǒng)，它包含CPU、開關(guān)量入、開關(guān)量出、A/D轉(zhuǎn)換、通訊及驅(qū)動(dòng)輸出等電路。這些單元除與站內(nèi)通訊網(wǎng)進(jìn)行通訊以外，還實(shí)時(shí)監(jiān)控電氣設(shè)備的運(yùn)行情況，一旦發(fā)生異常，保護(hù)電路立即動(dòng)作，同時(shí)將保護(hù)動(dòng)作情況送到站內(nèi)通訊網(wǎng)，每臺(tái)間隔層管理站可裝十個(gè)微機(jī)保護(hù)單元。

①110kV線路微機(jī)保護(hù)單元

根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求，對(duì)于每一110kV線路采用兩個(gè)保護(hù)單元，按二對(duì)一原則配置，即110kV線路微機(jī)保護(hù)是雙機(jī)線路微機(jī)保護(hù)，另外，還有一套微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控單元。可見，對(duì)于每一110kV線路，是由三套微機(jī)單元構(gòu)成，即實(shí)現(xiàn)了三對(duì)一配置。其主要完成如下功能：a三段式相間距離保護(hù)；b四段式方向零序電流保護(hù)；c三相一次重合閘。

②雙卷變微機(jī)保護(hù)單元

系統(tǒng)中采用了兩套雙卷變微機(jī)保護(hù)裝置，每套又由三個(gè)保護(hù)單元構(gòu)成，其內(nèi)部也是由80C196 單片機(jī)系統(tǒng)組成，同上述微機(jī)保護(hù)單元內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)完全相同，只是保護(hù)軟件不同。為了可靠地保護(hù)主變壓器，系統(tǒng)中采用了多CPU方案配置，即差動(dòng)保護(hù)單元、高壓側(cè)過流保護(hù)單元、低壓側(cè)過流保護(hù)單元分別由三個(gè)立的保護(hù)單元來完成，三套保護(hù)單元相對(duì)立、互不影響、并聯(lián)運(yùn)行。因此構(gòu)成高可靠性的主變微機(jī)保護(hù)。其主要功能如下：a差動(dòng)電流速斷保護(hù)；b110kV中性點(diǎn)零序電壓起動(dòng)的Ⅱ段式零序電流保護(hù)；c110kV負(fù)序電壓或低電壓起動(dòng)的過流保護(hù)；d低壓側(cè)負(fù)序電壓或低電壓起動(dòng)的過流保護(hù)；e非電量保護(hù)；f主變高、低電 壓側(cè)負(fù)荷保護(hù)；g間隙零序電流保護(hù)等。

3)35kV、10kV線路及電容器微機(jī)保護(hù)單元

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

(2)系統(tǒng)主要軟件

變電站層整個(gè)軟件采用樹形連接的模塊式結(jié)構(gòu)形式。均在Windows9X多窗口的環(huán)境下工作，通過菜單、對(duì)話框和鼠標(biāo)器進(jìn)行操作，擺脫了對(duì)鍵盤的依賴。同時(shí)突破了DOS操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的限制，使監(jiān)控功能、通訊方式和人機(jī)界面等都發(fā)生了顯著的變化。多任務(wù)管理使多個(gè)應(yīng)用程序可以同時(shí)運(yùn)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(shí)監(jiān)視幾幅畫面，不同的畫面之間可任意切換、平移及滾動(dòng)。系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行后，用戶使用鼠標(biāo)器即可完成人機(jī)對(duì)話工作，而且圖形生成軟件包和報(bào)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(jī)系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)控軟件、控制軟件、保護(hù)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(diǎn)，變電站與調(diào)度端、上級(jí)站的通訊可采用載波、微波、無線擴(kuò)頻或通過Modle加電話線等方式進(jìn)行；而站內(nèi)通訊網(wǎng)采用分層分布控制方式。

1)站內(nèi)通訊網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)變電站一次設(shè)備的情況可把站內(nèi)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(jìn)行通訊。如采用RS485或RS422通訊接口構(gòu)成的通信。間隔層一般由單片機(jī)來完成監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)和保護(hù)任務(wù)，層內(nèi)單片機(jī)不斷地自動(dòng)完成現(xiàn)場(chǎng)的過程控制和保護(hù)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(yùn)行參數(shù)和完成過程控制。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，即使通訊網(wǎng)出故障中斷，單片機(jī)保護(hù)裝置仍能可靠地正常運(yùn)行。

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

③為保證通訊網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，單片機(jī)仍能正常運(yùn)行，單片機(jī)在通訊網(wǎng)上的接口處，我們還設(shè)計(jì)有自動(dòng)脫網(wǎng)電路。

站內(nèi)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(shì)互補(bǔ)，恰到好處的組合結(jié)構(gòu)，由于Novell通訊網(wǎng)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中十分普及的網(wǎng)絡(luò)，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(duì)于接點(diǎn)數(shù)量不多，相互之間通訊信息量不大的場(chǎng)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(fèi)。所以，采用兩種網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，充分發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)是一種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的組合。

2)通訊協(xié)議

根據(jù)變電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，站內(nèi)通訊網(wǎng)采用帶碰撞檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問技術(shù)。它是一種隨機(jī)爭(zhēng)用媒體方式。通訊協(xié)議符合IEEE8023標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)檎緝?nèi)所有接點(diǎn)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(gè)接點(diǎn)爭(zhēng)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(diǎn)從檢測(cè)出總線空閑到發(fā)送數(shù)據(jù)規(guī)定不同延時(shí)，而這一延時(shí)可以是隨機(jī)的，也可以人為設(shè)定。對(duì)于重要的接點(diǎn)采用優(yōu)先發(fā)送的原則，這樣當(dāng)一個(gè)接點(diǎn)發(fā)送完畢，另外的接點(diǎn)又爭(zhēng)相發(fā)送，所有接點(diǎn)均采用“邊聽邊講”爭(zhēng)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(diǎn)也非常方便，任一接點(diǎn)退出都不影響其他接點(diǎn)的通訊。

3 結(jié)束語

變電站是電力系統(tǒng)中一類典型的過程對(duì)象，具有強(qiáng)磁場(chǎng)、多干擾、環(huán)境復(fù)雜、全天候與實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。在變電站綜合自動(dòng)控制中使用本文所述多級(jí)多層微機(jī)控制系統(tǒng)方案，結(jié)合先進(jìn)的控制方法和軟件將會(huì)達(dá)到良好的性能、品質(zhì)。