变电站自动化系统的分析和实施

摘要：对变电站的结构进行分析，建议采用现场总线来实现变电站自动化系统，并对实施变电站自动化中的问题，如变电站自动化名称、继电保护与远动在变电站自动化系统中所处的地位、事件顺序记录（SOE）的分辨率要求、变电站自动化系统的抗干扰措施等进行了讨论。
　　关键词：变电站自动化系统；远方终端装置；现场总线；事件顺序记录；微机保护；抗干扰
　　变电站自动化系统和无人值班变电站从20世纪90年代至今，发展非常迅速，本文根据国际大电网会议（CIGRE）WG34．03工作组于1997年8月的《变电站内数据流的通信要求》报告对变电站自动化系统结构进行分析，指出采用现场总线对各种智能电子仪表（IED）进行集成来构成变电站自动化系统所具有的优越性。讨论了变电站自动化实施中的有关问题，如继电保护与远动装置在变电站自动化系统中所处的地位、事件顺序记录（SOE）分辨率的要求和变电站自动化系统的抗干扰措施等，并提出了建议。
　　1变电站自动化系统的分析
　　1997年8月国际大电网会议（CIGRE）的WG34．03工作组在《变电站内数据流的通信要求》的报告中［1，2］分析了变电站自动化需完成63种功能，并将这些功能分为7个功能组：
　　（1）远动功能（四遥功能）；
　　（2）自动控制功能（如有载调压变压器分接头和并联补偿电容器的综合控制（VQC）。电力系统低频减载、静止无功补偿器控制、配网系统故障分段隔离／非故障段恢复供电与网络重组等）；
　　（3）测量表计功能（如三相智能式电子电费计量表等）；
        （4）继电保护功能；
　　（5）与继电保护有关的功能（如故障录波、故障测距、小电流接地选线等）；
　　（6）接口功能（如与微机五防、继电保护、电能计量、全球定位系统（GPS）等IED的接口）
        （7）系统功能（与主站通信，当地SCADA等）。
　　所有能实现这些功能的设备，目前统称为智能式电子仪表（IED）。变电站自动化的目的，就是实现这些IED的信息共享，由此可减少变电站使用的电缆数量和造价，提高变电站的运行和安全可靠性，并减少维护工作量和提高维护水平。
应注意的是：
　　（1）上述自动化设备均应责任分明、互不干扰。
　　（2）要特别重视继电保护设备的安全可靠、不能影响到继电保护设备的电磁兼容性的要求。
　　根据变电站自动化的目的，为实现信息共享需采用分层结构：变电站层（与上级调度中心通信、当地SCADA等）、网络层（用以实现各种IED的信息集成），间隔层（各种IED）和设备层（高压一次设备）。
　　2用现场总线网实现变电站自动化系统
　　为实现变电站自动化，网络层的性能是相当重要的，它承担将运动设备、继电保护设备，各种自动控制设备及电费计量等智能电子仪表进行集成的功能。20世纪90年代中发展成熟的现场总线（fieldbus）是实现IED集成的较为优越的网络系统。
　　国际电工委员会（IEC）提出现场总线概念。其定义为：现场总线是连接工业现场的仪表与设置在控制室内控制设备的数字化、串行、双向、多变量、多节点的通信网络。对现场总线控制系统（FCS，fieldbuscontrolsystem）定义为：由各种现场仪表通过互联与控制室内人机界面所组成的系统，它是一个全分散、全数字化、全开放和可操作的生产过程自动控制系统。
采用现场总线的自动化系统具有如下特点：
　　（1）在结构上改变了传统的输入／输出（I／O）模块，而将其并入现场智能电子仪表（IED），并统称为节点（node）。
　　（2）所有信号均为双向，管理人员在控制室内就可监控现场设备。
　　（3）全数字化通信，提高了数据传输的准确性和可靠性。
　　（4）现场总线均定义了用户层协议，可实现互操作性，满足真正开放性的要求。统一的通信协议和组态方式使不同厂家的产品可互连、互换和互操作。
　　（5）简化设计和安装。因现场总线仅为一条双绞线，可连接很多现场仪表，使布线设计简单，并节省大量电缆，简化了安装。
　　（6）各节点应能自诊断，当某节点故障，应能自动停运，而不影响其他节点的运行。
（7）易于实现设备扩充和产品改型。
　　目前世界上现场总线产品有美国Echelon公司生产的LonWorks网，德国Bosch公司设计的CAN网、西门子公司的Profibus网等。
　　由于目前变电站中所使用的各种自动化设备和继电保护装置并不是采用现场总线网或不是采用为集成变电站自动化IED的某种现场总线网，所以有必要设计一个集成节点，使不同厂家、不同网络的IED能接到所选的现场总线网上。
　　由于1999年10月在日本京都召开的第63届IEC年会上已将LanWorks排除在国际标准之外，因此必须对符合国际标准的现场总线产品予以特别关注。
　　即使LonWorks并未列入国际标准，但由于国内有生产与其适配的产品的厂商，也有不少用户使用LonWorks，所以在本文中仍对具LonWorks的特点及有关产品进行介绍。
　　LonWorks现场总线网是一种使用较为广泛的全分布智能控制网络技术，是实现变电站自动化系统网络层的成熟产品，网络通信介质不受限制，可以是双绞线、光纤、电力线、无线、红外线等，并可在同一网络中混合使用。
LonWorks网的技术特点是：
　　（1）基本元件为Neuron神经元芯片。它具备通信和控制功能，并且固化了ISO／CSI全部七层协议，以及34种常见的I／O控制对象。
　　（2）将以太网CSMA协议改造为PredictiveP－PersistentCSMA协议。此协议保留了以太网侦听多重访问的优点，克服了在控制应用上的缺点。节点随机地分布在最小为16个随机时间槽的不同延迟水平上。当网络空闲时所有节点只随机分布在16个槽上。当估计到负荷增加时，节点将分布在更多的时间槽上，增加的槽的数量由n来决定。n为信道上积压的工作的估计（由1到63），它表示下一次要发送数据包的节点数。并有选择地提供优先级机制以提高对重要数据包的响应时间。
　　（3）Neuron神经元芯片是LonWorks技术的核心，它有3个8位CPU分别完成介质访问、网络处理和应用处理。
　　（4）网络通信采用面向对象的设计方法称为“网络变量”，使网络通信的设计简化为参数设置。
        （5）通信的每帧有效字节数可从0到228B。
　　（6）通信速率：1．25Mb／s，双绞线，有效距离130m；78kb／s，双绞线，有效距离2700m。
　　（7）LonWroks网的通信协议称为LonTalk协议，其互操作性标准为LonMark，网络服务操作系统为LNS。
　　（8）LonTalk协议定义了域、子网、节点地址的分层逻辑寻址方式。一个子网最多可包括127个节点，一个域中最多可定义255个子网，这样在一个域内最多可有32385（255×127）个节点。域是一个或多个信道上节点的逻辑组合。通信只能在配置于同一个域的节点之间进行。多个域可使用相同的信道。域可以防止不同网络上节点的互相干扰。
　　（9）LonWorks网可通过网关RTLE－KT－03001与以太网连结。亦可通过网关WBLE－KT－00001与Internet网或中国电力信息数据交换网连结。这两种网关均由美国CoactiveNetworks公司生产。
　　美国iIexSystemsInc公司已生产了采用LonWorks现场总线网的变电站自动化系统，其集成节点称为串口节点（sorialnode）。每个串口节点用同一种规约可连接256×8个遥信量、128×8个遥测量和32×8个遥控量。一个变电站自动化系统可连结64个串口节点。此串口节点具有丰富的通信规约，如中国电力部部颁CDT，DNP3．0，Modbus，SC1801，Har－ris5000／6000，HDLC，QDIP（Quantum电表），PG＆E2179（Cooper4C／CL4C／SA）等，可与不同厂家、不同网络的IED相连，如SEL公司的继电保护装置，美国斯伦贝谢公司的Quantum电量计费表，南自院系统所生产的微机五防装置等连接。为实现信息共享，只要进行规约转换，各种IED都能集成到LonWorks网上。而且通过此串口节点集成的各种IED，可互不干扰。能在不停电运行情况下对串口节点进行新IED的连接和规约调试，且不影响变电站自动化系统的运行。


　　iLex公司同时设计了满足LonWorks网的远动节点，如遥测节点（A－32）、遥信节点（I－64）、遥控SBO节点（C－16）、交流采样节点等以满足自动监控的需要。为与上级调度中心通信和管理LonWorks网，设计了通信节点（comm）。通信节点可有8个从通信节点、每个从节点可有各自的通信规约与主站通信；可各自对时，满足不同主站对所需的SOE带上各自的时标，便于电力系统事故分析；还具有在自动化系统不停电情况下，维修故障节点的能力，使平均无故障时间（MTBF）得以提高。
　　3变电站自动化系统实施中的问题 
       （1）变电站自动化名称问题
　　1997年国际大电网会议WG34．03工作组在《变电站内数据流的通信要求》报告中［1，2］已不提“变电站综合自动化”，只提“变电站自动化”，取消了“综合”这个词。因为“综合”的含义不明确，具有二义性。此提法已被（IEC）同美国IEEE协商确定。“变电站自动化”、“变电站自动化系统”已被IECTC57技术委员会正式定义并编入标准名词术语。
　　（2）关于继电保护与远动在变电站自动化系统中所处的地位
　　继电保护的基本任务是，当电力系统发生故障或异常工况时在可能实现的最短时间和最小区域内自动将故障的电力系统元件从系统中切除，或给出信号由值班人员消除异常工况的根源，以避免或减轻<