分层分布式变电站综合自动化技术在电厂中的应用

[摘  要] 以热工自动化为龙头的发电厂集散控制系统（DCS/FCS）已得到了广泛的应用，但大都侧重于汽机和锅炉，对电气系统考虑较少，机炉与电气之间的控制及自动化水平不协调。以分层分布式变电站综合自动化为依据的的发电厂电气监控管理系统(ECS)实现了对发电厂电气系统的电气运行、保护、控制、故障信息管理及故障诊断、电气性能优化等功能的综合自动化在线监控管理。
[关键词] 分层分布式变电站；综合自动化；发电厂电气监控管理系统；应用

      随着生产生活自动化程度的提高，对电力等能源供应的可靠性提出了越来越高的要求。而发电厂本身也向着电压等级提高、生产规模扩大、自动化水平提高的方向发展。因此，电厂的实时监视、控制、管理水平也必须不断提高。
1、以热工自动化为龙头的发电厂集散控制系统（DCS/FCS）已得到了广泛的应用，但大都侧重于汽机和锅炉.发电厂中电气系统，主要的保护、安全自动装置基本独立运行，与DCS系统间通过硬接点方式进行有限的控制和信号交换；电气系统的控制，基本上采用常规控制手段，电气系统的测量、保护动作、定值整定、事故追忆、电量和潮流报表等电气运行参数在DCS/FCS系统无法完整反应。因此，尽管电气系统个体装置的自动化程度已达到一定水平，但从电气系统的整体自动化水平来看，还有待进一步提高。
       它的结构形式如下图1所示。二次系统各个功能单元之间是相互独立、互不联系的，因此造成各设备之间相同功能部件的重复设置，保护有保护的 TA .TV 回路，表计有表计的二次回路，造成测量数据的不一致和TA、TV 的负载过重；发电机变压器组保护装置出口信号接点通过硬接线送DCS；DCS对6KV以下开关的分合闸控制、保护装置动作信号、变送器测量、及开关位置状态要通过硬接线联系；保护装置动作后，DCS只有跳闸信号反映，需到就地查看动作报告。显然，这种结构的二次系统主要的缺点是：多重化的数据采集部件与数据传递系统，各种二次设备重复、功能重叠，使得控制室面积大，二次接线错综复杂，二次电缆敷设量大，装置及系统的运行可靠性降低，维护量大，投资总额增加。自动化总体水平低，运行人员数量降不下去，年运行费用大，影响电力成本的降低。

               
图1 传统模式电气与热工DCS联系示意图

2、变电站综合自动化技术,是计算机和微电子技术发展到一定程度,可以在变电站范围内广泛使用的条件下发展起来的.它可将变电站远动技术.电力设备微机保护技术.测量和监视技术和变电站自动控制技术进行有机的结合,从而产生了对传统变电站二次系统(即继电保护.自动控制.故障录波.控制联锁.仪表计量.远动测控)设备的革命。
    分层分布式变电站综合自动化系统的总体结构如图2所示,系统采用两层（变电站层和间隔层）的分布式结构。
（1）变电站层:以变电站内的通讯结构现场总线为界来划分,图中CAN现场总线以上的部分为变电站层,它由两台计算机系统组成(也可用一台机来完成),即前置机系统和监控后台机.前置机是管理全站的实时数据和信息的汇集和处理,并负责把数据和信息转发给后台机(或称监控机)和上级调度.两台机之间的通讯结构是基于物理层开发的Novell 局域网.经调制/解调器和音频通道.或经光端机和光纤通道与上级调度通讯,所用的通信协议可用POLLING或 CDT或国际 IEEE 规约.对有人值班的变电站中,变电站层也是管理层,通过后台机完成监视和控制,所有设备的运行参数和各种运行(正常、异常、故障)情况信息都可在大屏幕上监视或进行控制操作,任何操作、报警和事故信息可全方位的响应,如灯光显示、屏幕显示、音响和语音.随机打印等.计算机是由在线式UPS供电或从变电站内的蓄电池经逆变电源供电.
（2）间隔层: CAN总线以下的部分为间隔层。间隔层是由间隔单元所组成，而各间隔单元是根据变电站的主设备来划分，如线路、变压器、电容器、母线等设备对应构成相应的间隔。

图2 分层分布式变电站综合自动化系统结构图

       各间隔单元放置的地点可根据主设备的具体情况和要求来决定，如主设备的配电装置是室内的，一般采用分散放置，即放在开关柜上方的仪表柜内。各间隔单元具有三方面的功能：保护、监测和控制、综合自动控制。
       根据上述概念，各间隔单元监测部件可完成原传统结构中的常规监测的仪表计量，原RTU中的远传遥测量，原自动控制装置中的相应测量部件等。显然，它大大减少了设备的重复配置，以前由不同二次设备完成的功能现在由一个设备就可完成；由于变电站内二次设备的配置是以各设备为核心,各个设备的信息由装设在各间隔上的部件分别采集和处理,,根据运行和管理的要求,由变电站层的前置机通过站内数据通讯网将全站的数据和信息(正常、异常和事故)传到前置机进行处理,再通过高速通讯网传到后台机的大屏幕上.由于采用微机化为核心的设备,使整个二次系统智能化,系统具有自诊断能力,可维护性能好,降低了维护费用.由于可将间隔放置到设备附近,从而使二次电缆大大的减少,节省大量的资金.

3、结合分层分布式变电站自动化技术形成了发电厂电气监控管理系统(ECS)，如图3所示.该系统是应用计算机、测量保护与控制、现场总线技术及通信技术，实现发电厂电气系统的电气运行、保护、控制、故障信息管理及故障诊断、电气性能优化等功能的综合自动化在线监控管理系统。发电厂电气监控管理系统采用了先进的分层分布式系统结构,一般分上位机系统监控层、通讯管理层、现场保护测控单元层三层。
3.1 现场保护测控层
      由众多的保护和自动装置构成，这些装置具有测量、控制、保护、信号、通信等基本功能，并完成各自的特殊功能。该级装置数量众多且分散，利用现场总线技术予以连接。微机厂用电综合保护测控装置具有以下显著特点：
● 由保护测控装置构成的发电厂电气监控管理系统是一个分层分布式系统，它采用一个元件（一个间隔）对应一个装置的分布式设计，可直接安装在开关柜上，各间隔功能独立，各装置之间仅通过网络联结，网络组态灵活，使整个系统的可靠性得到很大提高，任一装置故障仅影响到相对应的元件。
● 由于使用了安全可靠的现场控制总线技术作为站内通讯层，各装置的信息在通讯层共享，取消了大量的控制电缆，简化二次接线，减轻CT、PT负荷，减少施工难度及维护工作量，节省了大量的人力物力资源，从而大大降低了综合成本。
● 两种现场总线可供选择：
◇ 高速RS485网络，实际传输速率115.2kbps
◇ 工业以太网(10M)
● 采用先进的32位高性能嵌入式处理器作为主CPU，在软件设计上，保护模块与其他模块（遥测、遥控、遥信）完全分开；通讯CPU完成支持多种现场总线和通讯规约，且保护功能不依赖通讯网，网络瘫痪与否不影响保护正常运行。
● 装置采用全密封嵌入式结构，抗干扰组件，使抗震能力，抗电磁干扰能力有较大提高，全面满足IEC255和GB/T14598规定的各种EMI试验。
● 采用全汉化大屏幕液晶显示，人机界面友好，小键盘操作方便，树形菜单，遥信、遥测、跳闸报告、告警报告等装置内部所有的信息都能在液晶上汉化显示，使调试、运行、维护方便。
● 内嵌智能电度表完成电能累计，不必安装电度表即能完成高精度电能计量，并可实现远程自动抄表系统的所有功能。
● 超大容量RAM，超长故障录波时间，为事故分析带来极大方便。
● 每种装置均带时钟同步接口，以确保全厂所有综合保护测控装置的时钟一致。
3.2 通讯管理层
      通讯管理层由通信处理机组成：它以工业级嵌入式控制器PC104为内核，多CPU协同工作，运行在实时多任务操作系统（RTOS）环境下。硬件上，采用了通信模块化设计，可以同时支持多种类型的通信口，包括以太网、串行通信口、可扩充的其他现场总线接口等，软件上，采用规约库，支持MODBUS、标准网络协议（TCP/IP）等。
3.3 系统监控层
      两台运行服务器（主备关系）、一台数据库服务器、一台Web服务器、多台运行工作站和监视工作站、 电量抄表系统工作站、 其他高级应用工作站、以及卫星时钟接收和同步系统。

图3  发电厂电气监控管理系统结构示意图