论文部分内容阅读
【摘 要】笔者主要对变电站综合自动化系统的相关内容，然后从设计原则与要求、结构形式选择、系统框架设计、上位机系统和下位机测控单元的实现、通信网络设计、监控软件设计等方面论述。
【关键词】变电站；自动化；功能；配置；设计； CAN
一、变电站综合自动化系统的原则和要求
目前，变电站对自动化的要求越来越高，在简化设备、减少投资和精简运行管理人员的大环境下，实现变电站综合自动化是势在必行的。为了更好的研发该系统，使其高校安全地服务于变电站，自动化系统需要满足以下要求：
（1）综合自动化系统具有替代性，集变电站的继电保护、测量、监视、运行控制和通信于一个分级分布的系统中，能全面代替常规的二次设备[1]。该系统的所有功能和配置必须有一个终端，以满足和促进无人值班变电站的实现。
（2）微机保护装置和监控系统要做到可以单独存在也可以互相兼容。在运行过程中，继电保护的动作行为在监控系统中具有独立性，只与保护装置有关，从而确保综合自动化系统的运行处于稳定状态，使子系统能够在任何情况下正常工作，与此同时，微机保护装置和监控系统需要维持密切的通讯联系。此外，微机保护装置还必须具备两个接口，分别是串行接口和现场总线接口，通过这两个接口可向监控系统传递特定的数据。
（3）自动化系统应具有可靠性高、抗干扰能力强的特点。在设计系统的总体结构时，要强调重点，区分主次，重点环节要进行详细的说明。自动化系统的各个子系统要相对独立，具有独立的故障自诊断和自动恢复功能[2]。当变电站的某个装置发生故障时，需要及时将数据信息反馈给监控中心，并对故障类型或问题以代码形式做出说明。
（4） 具有有远程通信功能，能利用发达的网络技术和有效的通信协议，把变电站运行时产生的各种信息资料及时发送到当地或上级监控中心。
（5）具有容易操作的界面，操作人员可以通过简单明了的界面对变电站的运行情况进行观察，当出现异常情况时可以及时的处理。本地的监控中心可以在变电站有人的情况下直接在后台机上操作，当变电站没有人时，上级监控中心可以通过主机远程对变电站的运行进行操作。
（6）自动化系统应具有较好的延伸性和协调性，对不同类型的系统有包容性和兼容性，在各种情况下保持稳定运行。
二、综合自动化系统的结构模式
变电站综合自动化的配置模式基本分为三种模式：三层传统模式、两层直联模式、集控中心模式[3]。
2.1集控中心模式
110KV变电站有多个分站系统需要监控，一般采用集控中心模式。其保护、监控等功能模块分别针对各个分站系统单独集中完成[4]，集控中心配置多个主机，远方工作站等模块。分站系统配置主备前置机，一般通过光纤连入集控中心监控主网。集控中心内所配置的设备直接连入监控网或通过转换机接入监控网。集控中心变电站自动化系统的典型框图如图1所示。
2.2 三层模式
三层传统模式一般用于系统规模比较大的110KV及以下变电站，全站间隔设备间距不应超出300m，其能满足多个操作员同时工作。三层模式变电站自动化系统的典型框图如图2所示。
从图2可以看出变电站综合自动化三层模式的组成特点：变电站综合自动化系统功能模块基本集成在监控主机、操作站上运行；交换机、远动工作站互为备用（保证系统安全运行以及检修方便）。
2.3 两层直联模式
两层直联模式一般用于110KV电压等级变电站，且系统规模较大，具有多个操作员工作的功能[5]。两层直联模式变电站自动化系统的典型框图如图3所示。
从图3可以看出变电站综合自动化两层直联模式的组成特点：保护、测控装置通过以太网方式直接接入监控网，通过前置机接入监控网，必要时也可通过以太网直接接入监控网。
远方工作站通过远动专线连接到远方调度（省调、地调、县调），目前，远方工作站都是通过防火墙接入路由器再通过网络通道与调度（省调、地调、县调）连接。
三、变电站综合自动化系统设计
结合以上对集控中心模式、三层传统模式、两层直联模式的分析并联系目前变电站运行的实际情况，变电站综合自动化系统设计主要为分层分布式结构，采用二层（站控层、间隔层）组成。该系统把操作简易、简化设备、控制投资、节约土地作为设计总思路，以对象（例如：线路，变压器，一组电容器）为目标，逐一把测量，保护，控制等功能设备结合起来，在能保证安全及容易操作的情况下，统一设计在同一装置中，不但减少设备、节约投资，还减少配电楼建筑面积，与目前电力系统所提倡的建设节能、节约、环保变电站的思路相符合。变电站主控室内所布置的计算机系统，以现场总线为媒介，把现场单元部件串联起来，进行通信联系[6]。
目前，变电站主控室内基本安装空调，以便对装置运行的温度做出适当的调节，使所布置的集中组屏装置处于良好的运行环境，确保不会出现因过高或过低的温度导致装置出现故障，并且有利于进行通讯连接。图4是该种分布分层式结构示意图。
3.1变电站底层通讯网络采用CAN总线接口
针对现场就地安装的设备（一般由业主方提供设备，施工方现场安装），变电站使用工业现场总线CANBUS网络接口。
CAN总线接口具有高抗干扰能力以及高可靠性，CAN总线接口使用《基于CAN网络的保护和控制通信协议V3.02》通讯规约[7]。该通信规约是基于总结多年经营经验的基础上而制定的，可以满足不同电压等级下变电站装置相关信息的传送。CAN现场总线布置在各个领域中都得到了广泛的应用，CAN现场布线方式所具备的优势得到了认可，其具有以下特点：
（1）数据的釆集是以每个间隔单元为基础，设备的属性直接一一对应间隔单元中的数据。
（2）基于间隔中控制功能部件，调度中心可对相关设备的开关实施远程遥控。 （3）不需要通过中转装置对信息进行传递，而是直接通过数字通讯方式获取变电站设备运行信息，监控中心可以自动对每个间隔单元进行访问，统一收集信息控制整个系统。
（4）集控中心所收集的信息是以间隔为对象的，在收集信息的同时对信息进行处理，以达到信息迅速传递的目的。
（5） 变电站内同类设备的信息采集交换是同时进行的，不存在任何的优先等级，不同类设备可以设定不同的优先等级向上级传送信息。
（6）按一定周期对间隔进行访问，可以使传递信息的速度加快，同时可以设定级别等级，使访问的顺序由低到高进行。
3.2变电站层（上位机系统）
变电站层由打印机、控制中心、网络配置器、前置机等组成。前置机通信单元主要有助于网络的稳定运行及将保护装置和测控装置分开组网。上位机系统具有监控下位机系统各测控装置、收集变电站设备运行数据并传递给上级调度中心等功能。
3.3 间隔层（下位机系统）
间隔层布置有多个线路监控保护、主变监控保护、主变后备保护和电容器保护等单元，以下为间隔层的基本配置表。
四、结语
随着网络化通信技术的飞速发展，变电站综合自动化系统一般由微机保护、防误闭锁、信息集成、远程操作、信息管理、监控系统等功能模块组成，大部分情况下可以实现无人值班变电站模式。目前，电力系统运行管理模式已发生变化，从有人值班站变化为巡检中心站，这完全得益于变电站综合自动化系统的迅速发展以及完善。
参考文献
[1] 王红星，张国庆，郭志忠，蔡兴国.电子式互感器及其在数字化变电站中应用.电力自动化设备. 2009， 29（9）： 115-120.
[2] Sheng S，Chan W L，Li K K，et al.Context information-based cyber security defense of protectionsystem [J]， IEEE Transactions on Power Delivery， 2007， 22（3）： 1477-1481.
[3] Risley A，Roberts JXadow P. Electronic security of real-time protection and SCADA communications [C]， 5th Annual Western Power Delivery Automation Conference， 2003：12-37.
[4] Ten C W，Liu C C，Manimaran G.Vulnerability assessment of cyber security for SCADA systems[J]， IEEE Transactions on Power Systems， 2008， 23（4）： 1836-1846.
[5] Ten C W.Govindarasu M，Liu C C.Cyber security for electric power control and automation systems [C]， IEEE International Conference on Systems， Man and Cybernetics， 2007：29-34.
[6] Choi D， Kim H， Won D，et al. Advanced key-management architecture for secure SCADA communications [J]，IEEE Transactions on Power Delivery， 2009， 24（3）： 1154-1163.
[7] 黄灿，肖驰夫，方毅，郑建勇. 智能变电站中釆样值传输延时的处理[J].电网技术，2011，35（1）：5-10.
【关键词】变电站；自动化；功能；配置；设计； CAN
一、变电站综合自动化系统的原则和要求
目前，变电站对自动化的要求越来越高，在简化设备、减少投资和精简运行管理人员的大环境下，实现变电站综合自动化是势在必行的。为了更好的研发该系统，使其高校安全地服务于变电站，自动化系统需要满足以下要求：
（1）综合自动化系统具有替代性，集变电站的继电保护、测量、监视、运行控制和通信于一个分级分布的系统中，能全面代替常规的二次设备[1]。该系统的所有功能和配置必须有一个终端，以满足和促进无人值班变电站的实现。
（2）微机保护装置和监控系统要做到可以单独存在也可以互相兼容。在运行过程中，继电保护的动作行为在监控系统中具有独立性，只与保护装置有关，从而确保综合自动化系统的运行处于稳定状态，使子系统能够在任何情况下正常工作，与此同时，微机保护装置和监控系统需要维持密切的通讯联系。此外，微机保护装置还必须具备两个接口，分别是串行接口和现场总线接口，通过这两个接口可向监控系统传递特定的数据。
（3）自动化系统应具有可靠性高、抗干扰能力强的特点。在设计系统的总体结构时，要强调重点，区分主次，重点环节要进行详细的说明。自动化系统的各个子系统要相对独立，具有独立的故障自诊断和自动恢复功能[2]。当变电站的某个装置发生故障时，需要及时将数据信息反馈给监控中心，并对故障类型或问题以代码形式做出说明。
（4） 具有有远程通信功能，能利用发达的网络技术和有效的通信协议，把变电站运行时产生的各种信息资料及时发送到当地或上级监控中心。
（5）具有容易操作的界面，操作人员可以通过简单明了的界面对变电站的运行情况进行观察，当出现异常情况时可以及时的处理。本地的监控中心可以在变电站有人的情况下直接在后台机上操作，当变电站没有人时，上级监控中心可以通过主机远程对变电站的运行进行操作。
（6）自动化系统应具有较好的延伸性和协调性，对不同类型的系统有包容性和兼容性，在各种情况下保持稳定运行。
二、综合自动化系统的结构模式
变电站综合自动化的配置模式基本分为三种模式：三层传统模式、两层直联模式、集控中心模式[3]。
2.1集控中心模式
110KV变电站有多个分站系统需要监控，一般采用集控中心模式。其保护、监控等功能模块分别针对各个分站系统单独集中完成[4]，集控中心配置多个主机，远方工作站等模块。分站系统配置主备前置机，一般通过光纤连入集控中心监控主网。集控中心内所配置的设备直接连入监控网或通过转换机接入监控网。集控中心变电站自动化系统的典型框图如图1所示。
2.2 三层模式
三层传统模式一般用于系统规模比较大的110KV及以下变电站，全站间隔设备间距不应超出300m，其能满足多个操作员同时工作。三层模式变电站自动化系统的典型框图如图2所示。
从图2可以看出变电站综合自动化三层模式的组成特点：变电站综合自动化系统功能模块基本集成在监控主机、操作站上运行；交换机、远动工作站互为备用（保证系统安全运行以及检修方便）。
2.3 两层直联模式
两层直联模式一般用于110KV电压等级变电站，且系统规模较大，具有多个操作员工作的功能[5]。两层直联模式变电站自动化系统的典型框图如图3所示。
从图3可以看出变电站综合自动化两层直联模式的组成特点：保护、测控装置通过以太网方式直接接入监控网，通过前置机接入监控网，必要时也可通过以太网直接接入监控网。
远方工作站通过远动专线连接到远方调度（省调、地调、县调），目前，远方工作站都是通过防火墙接入路由器再通过网络通道与调度（省调、地调、县调）连接。
三、变电站综合自动化系统设计
结合以上对集控中心模式、三层传统模式、两层直联模式的分析并联系目前变电站运行的实际情况，变电站综合自动化系统设计主要为分层分布式结构，采用二层（站控层、间隔层）组成。该系统把操作简易、简化设备、控制投资、节约土地作为设计总思路，以对象（例如：线路，变压器，一组电容器）为目标，逐一把测量，保护，控制等功能设备结合起来，在能保证安全及容易操作的情况下，统一设计在同一装置中，不但减少设备、节约投资，还减少配电楼建筑面积，与目前电力系统所提倡的建设节能、节约、环保变电站的思路相符合。变电站主控室内所布置的计算机系统，以现场总线为媒介，把现场单元部件串联起来，进行通信联系[6]。
目前，变电站主控室内基本安装空调，以便对装置运行的温度做出适当的调节，使所布置的集中组屏装置处于良好的运行环境，确保不会出现因过高或过低的温度导致装置出现故障，并且有利于进行通讯连接。图4是该种分布分层式结构示意图。
3.1变电站底层通讯网络采用CAN总线接口
针对现场就地安装的设备（一般由业主方提供设备，施工方现场安装），变电站使用工业现场总线CANBUS网络接口。
CAN总线接口具有高抗干扰能力以及高可靠性，CAN总线接口使用《基于CAN网络的保护和控制通信协议V3.02》通讯规约[7]。该通信规约是基于总结多年经营经验的基础上而制定的，可以满足不同电压等级下变电站装置相关信息的传送。CAN现场总线布置在各个领域中都得到了广泛的应用，CAN现场布线方式所具备的优势得到了认可，其具有以下特点：
（1）数据的釆集是以每个间隔单元为基础，设备的属性直接一一对应间隔单元中的数据。
（2）基于间隔中控制功能部件，调度中心可对相关设备的开关实施远程遥控。 （3）不需要通过中转装置对信息进行传递，而是直接通过数字通讯方式获取变电站设备运行信息，监控中心可以自动对每个间隔单元进行访问，统一收集信息控制整个系统。
（4）集控中心所收集的信息是以间隔为对象的，在收集信息的同时对信息进行处理，以达到信息迅速传递的目的。
（5） 变电站内同类设备的信息采集交换是同时进行的，不存在任何的优先等级，不同类设备可以设定不同的优先等级向上级传送信息。
（6）按一定周期对间隔进行访问，可以使传递信息的速度加快，同时可以设定级别等级，使访问的顺序由低到高进行。
3.2变电站层（上位机系统）
变电站层由打印机、控制中心、网络配置器、前置机等组成。前置机通信单元主要有助于网络的稳定运行及将保护装置和测控装置分开组网。上位机系统具有监控下位机系统各测控装置、收集变电站设备运行数据并传递给上级调度中心等功能。
3.3 间隔层（下位机系统）
间隔层布置有多个线路监控保护、主变监控保护、主变后备保护和电容器保护等单元，以下为间隔层的基本配置表。
四、结语
随着网络化通信技术的飞速发展，变电站综合自动化系统一般由微机保护、防误闭锁、信息集成、远程操作、信息管理、监控系统等功能模块组成，大部分情况下可以实现无人值班变电站模式。目前，电力系统运行管理模式已发生变化，从有人值班站变化为巡检中心站，这完全得益于变电站综合自动化系统的迅速发展以及完善。
参考文献
[1] 王红星，张国庆，郭志忠，蔡兴国.电子式互感器及其在数字化变电站中应用.电力自动化设备. 2009， 29（9）： 115-120.
[2] Sheng S，Chan W L，Li K K，et al.Context information-based cyber security defense of protectionsystem [J]， IEEE Transactions on Power Delivery， 2007， 22（3）： 1477-1481.
[3] Risley A，Roberts JXadow P. Electronic security of real-time protection and SCADA communications [C]， 5th Annual Western Power Delivery Automation Conference， 2003：12-37.
[4] Ten C W，Liu C C，Manimaran G.Vulnerability assessment of cyber security for SCADA systems[J]， IEEE Transactions on Power Systems， 2008， 23（4）： 1836-1846.
[5] Ten C W.Govindarasu M，Liu C C.Cyber security for electric power control and automation systems [C]， IEEE International Conference on Systems， Man and Cybernetics， 2007：29-34.
[6] Choi D， Kim H， Won D，et al. Advanced key-management architecture for secure SCADA communications [J]，IEEE Transactions on Power Delivery， 2009， 24（3）： 1154-1163.
[7] 黄灿，肖驰夫，方毅，郑建勇. 智能变电站中釆样值传输延时的处理[J].电网技术，2011，35（1）：5-10.