变电站综合自动化系统体系结构研究

摘 要：在分析了常用变电站综合自动化系统的结构、特点以及常用系统不足的基础上，提出了一种基于4层结构模型的变电站综合自动化系统。它实际采用的是一种分层的功能模块化设计思想，硬软件可做到模块化、通用化，能根据不同类型变电站的一次接线方式实现不同的系统配置。整个系统的可靠性较高，可维护性和开放性较好。文中较详细地阐述了该系统的构成和原理。
关键词：变电站综合自动化；智能电子设备；体系结构；变电站

　　
　　1 引言
        计算机技术、信息技术、多媒体技术和智能控制技术等在电力系统自动化领域得到了广泛应用。变电站综合自动化系统是利用计算机控制、网络、数据库、现代通信等技术将变电站所有二次设备（包括控制、信号、测量、保护、自动装置及远动装置等），经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、测量、控制和协调来提高变电站运行效率和管理水平的一种综合性的自动化系统。它完全取代了常规监视仪表、操作控制屏柜、模拟屏柜、中央信息系统、变送器及常规远动装置等设备，提高了变电站的安全与经济运行水平。变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统已成为目前电力系统的主要发展趋势之一。本文分析了目前变电站综合自动化系统几种典型的结构和技术特点，在此基础上采用面向对象的分层分布式结构设计，提出了一种新型四层变电站综合自动化的系统结构。

        变电站综合自动化系统体系结构按设计思想分可分为集中式、分布式和分散(层)分布式；按安装物理位置分则可分成集中组屏、分层组屏和分散在一次设备间隔安装等形式。

　　2 变电站综合自动化系统典型结构和技术特点
　　2.1 集中式结构
         集中式的变电站综合自动化系统结构按信息类型划分功能。采用这类结构的系统其功能模块与硬件无关，各功能模块的连接通过模块化软件实现，信息是集中采集、处理和运算的。受计算机硬件水平的限制，该结构在早期自动化系统中应用较多，图1是一种较典型的集中式结构[1]。此类结构对监控主机的性能要求较高，且系统处理能力有限，开发手段少，系统在开放性、扩展性和可维护性等方面较差，抗干扰能力不强。
　　2.2 分布式结构
       分布式结构则按功能设计，如按保护和监控等功能划分单元，分布实施。其结构采用主从CPU协同工作方式，各功能模块如智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信。分布式结构有助于系统扩展和维护，可靠性好，局部故障不影响系统其它模块正常运行。安装方式有集中组屏和分层组屏两种方式，较适合于中低压变电站。系统结构如图2所示。

　　 2.3 分散(层)分布式结构
         分散(层)分布式结构采用“面向对象”设计。所谓面向对象，就是面向电气一次回路设备或电气间隔设备，间隔层中数据、采集、控制单元(I/O单元)和保护单元就地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近，相互间通过通信网络相连，与监控主机通信。目前，此种系统结构在自动化系统中较为流行，主要原因是： ① 现在的IED设备大多是按面向对象设计的，如专门的线路保护单元、主变保护单元、小电流接地选线单元等，虽然有将所有保护功能综合为一体的趋势，但具体在保护安装接线中仍是面向对象的； ② 利用了现场总线的技术优势，省去了大量二次接线，控制设备之间仅通过双绞线或光纤连接，设计规范，设备布置整齐，调整扩建也很简单，成本低，运行维护方便； ③ 系统装置及网络鲁棒性强，不依赖于通信网和主机，主机或1台IED设备损坏并不影响其它设备的正常工作，运行可靠性有保证。系统结构如图3所示。

　　

　　系统结构的特点是功能分散，管理集中。分散（层）分布有两层含义：其一，对于中低压电压等级，无论是I/O单元还是保护单元皆可安装在相应间隔的开关盘柜上，形成地理上的分散分布，如文献[2]所示的系统；其二，对于110kV及以上的电压等级，即使无法把间隔单元装在相应的开关柜上，也应集中组屏，在屏柜上明确区分相应间隔对应的单元，在物理结构上相对独立，以方便各间隔单元相应的操作和维护，如文献[3]所讨论的
上述3类变电站综合自动化系统结构的共同缺点是：由于电力通信规约的不兼容，不同接口需要进行通信规约转换，因而在通用性、开放性等方面的性能较弱，使用场合受到较大限制。

　　3 新型变电站综合自动化系统结构
　　3.1 系统结构模型
        计算机、通信及网络数据库技术的发展使变电站信息综合管理成为可能。将计算机局域网（LAN）技术引入变电站综合自动化管理系统，已成为现在的一研究热点。文献[4]提出了一种在500kV变电站引入信息管理的方案，它将变电站各IED设备通过专用网关设备直接接入以太网，站内各监控机、服务器、工作站接入同一网络。但这种方案价格昂贵，技术复杂，协调困难，对不同接口需要进行通信协议转换，维护工作量较大。就如何引入LAN进行信息管理和处理电力通信规约转换这两个焦点问题，作为一种新模式的尝试，参照IEC提出的3层标准结构，可将原有的过程层(process level )、间隔层(bay level)、站级层(station level)细化为过程层(process level)、二次设备控制层(secondary device control level)、通信管理层(management level)和信息管理层(information management level) 4层。结合面向对象的分层分布式结构设计，提出了一种新型的变电站自动化系统体系4层结构，重点是解决通信管理层中的电力通信规约转换问题和信息管理层中的变电站信息综合管理问题。其系统功能主要体现在： 
①实现底层二次设备的控制智能化和数字化；
②实现变电站常规远动功能；③实现变电站的信息集中管理和监控。系统结构示意图如图4所示。

　　

　　 3.2 系统分层及其功能
         系统共分4层，即信息管理层、通信管理层、二次设备控制层和生产过程层。生产过程层由变电站一次设备组成，是系统的最底层；二次设备控制层则由各智能设备（IED）组成，实现对各自对象（母线、馈线、主变压器、电容器等）的控制和保护功能；通信管理层由连接IED的现场总线和作为通用网关的主/备前置机系统组成，是系统的通信枢纽，负责站内数据采集、连接站级计算机、连接远动系统等；信息管理层是系统的最高层，主要由站级计算机组成，包括服务器、工作站等，形成站内计算机局域网，运行变电站SCADA/EMS(Supervisory Control and Data Acquisi-tion/Energy Management System) 系统，实现数据库管理、站级控制、人机接口等功能；面向变电站所有设备的历史数据、参数数据在主/备服务器中的创建，而每个操作员工作站节点中均建有实时数据库，可采用双以太网冗余结构构建。 


　　3.3 系统原理
         如图4所示，二次设备控制层中的IED与生产过程中的一次设备接口，按相应的规约直接实现信息的采集与控制调节，进行存储、转发，IED可通过光纤或现场总线与通信管理层连接，实现信息的收集与分配，不同类型的IED在二次设备控制层中不能直接进行信息交换，而是经不同的现场总线通过前置机这个网关来进行信息交换。通信管理层中的前置机系统可同时接入多种电力通信规约的总线设备（可通过多串口卡实现），并且向上挂接在信息管理层网络上，是局域网中的重要节点，起着收集站内生产信息上传和下发管理层控制信息的作用。变电站二次设备的各种数据测量、事件记录、故障录波与控制等所有功能全部在二次设备控制中实现，不依赖于站级计算机。在前置机系统中还可接入全球定位系统 （Global Positioning System，GPS）对时信号和串行Modem，以实现远动功能。在此情况下，前置机系统相当于一远方终端单元（Remote Terminate Unit，RTU）的功能。信息管理层中的SCADA系统通过参数数据的定义建立各节点的实时数据库并从前置机处获得实时数据，另由专门的线程分析实时数据库中的数据后再写入历史数据库，各工作站节点的历史数据查询则通过C/S模式从主/备服务器获龋如果需要远程浏览，则可设置Web服务器，利用Modem与公用电话网拨号登录站内局域网，通过Web浏览器进行浏览和查询。此外，可在站内设置远程网桥，远程工作站通过该远程网桥获取本地局域网（LAN）信息等[5]。在信息管理层中，基于所构建的网络，也可在其中置入变电站综合多媒体管理信息系统，通过专用网关和标准数据接口与SCADA系统交换生产信息[6]。 
         综上所述，4层结构模式的提出，解决了在变电站综合自动化系统实施中的两大瓶颈问题，即不同协议的IED的并网和开放式的变电站综合信息管理。基于这种4层结构模式，可以灵活配置各种自动化系统，满足不同类型