测控装置在变电站自动化系统中的功能和人机界面优化

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：2．功能在变电站综合自动化系统中，有数字式测量、控制单元，这些装置可按被测量和控制的变压器、线路等一次设备为间隔独立配置。5）良好的人机界面在测控装置中，应该能够对 MMI 菜单进行灵活配置，针对不同的间隔，能够以图形方式显示出间隔的断路器、隔离开关等开合状态，为操作人员就地监视和操作提供良好的人机界面。

变电站测控装置是电力系统中极其重要的一部分，起着承上启下的作用，既要把变电站的各种数据上传至调度中心供调度中心进行处理决策，也要把调度中心的各种信息和命令传达给变电站的各种设备。对于 220 kV 以上高电压等级变电站来说，由于其重要性，因此其各种设备的自动化装置要求独立而互不干扰，各系统之间有通信联系，可以信息共享，各系统独立运行，其中一个系统出现问题不会影响到其他的系统，既提高了可靠性，又提高了可维护性。

1．特　点

测控装置容量按满足变电站的一个独立对象设计，具有超强的通信和数据处理能力，技术超前，符合高电压变电站监控发展趋势。测控装置有以下特点：

（1）变电站测控装置作为电网调度自动化的一个子系统，服从电网调度自动化的总体设计要求，其配置、功能包括设备的布置应满足电网安全、优质、经济运行以及信息分层传输、资源共享的原则。

（2）本着提高电网安全、经济运行水平、采用先进的计算机及网络技术，功能有机集成、相互协调、提高自动化水平、减少变电站硬件的重复设置及投资费用，满足变电站自动化及无人值守的工程需求。

（3）构造按超高压枢纽变电站（500～220 kV）设计，同时简化的结构模式应能适用于中压变电站（含 220 kV 终端站和 10～35 kV 站）及低压配电站（35 kV、10 kV站）的系统构造要求，同时考虑与保护配合。

（4）系统用分层分布式系统结构，测控装置设计体现面向对象、功能有机集成、系统各部分有机协调的思想。充分考虑工程的实用化（分散、就地安装等模式）。分散式配置宜采用能下放的功能尽量下放的原则，凡可以在间隔层就地完成的功能，无须通过网络及上位机完成。

（5）采用代表国际技术发展先进潮流的、标准且成熟的通信网络技术。对于220 kV 枢纽站及 330 kV、500 kV 超高压变电站，其网络层及站控层宜采用双重化、冗余配置，如双网网络、光纤双环冗余自愈系统等手段。采用国际标准通信规约协议，充分考虑网络的开放性、可扩充性以及工程化的相关问题。同时具备双以太网和双现场总线，信息传输更流畅，组网方式更灵活。

（6）系统支撑软件符合 ISO 开放系统规定，系统的各类数据、通信规约及网络协议的定义、格式、编程、地址等与相应的电网调度自动化系统保持一致，以适应电力工业信息化的发展要求。适应电力通信网的多种通信方式，还要考虑与电网调度自动化系统、配电自动化系统、电能计费系统等的接入问题。

（7）站控层应能实现对全站的监视、保护、控制以及设备检测功能的综合管理。间隔层 IED 合设计规范及技术指标要求，同时可以适应多种网络接口；采用测量、控制一体化设计。

（8）采用总线型局域网络，通信速率高，传输可靠。

（9）变电站内，特别是高压小间内存在强大的电磁干扰。满足电磁干扰对IED（智能电子设备）装置的要求。另外在通信方式上优先采用光纤通信方式，同时鉴于光纤安装、维护复杂及费用较高，在中低压变电站可选用屏蔽电缆为通信介质。同时保证经济合理性及技术先进性。

2．功　能

在变电站综合自动化系统中，有数字式测量、控制单元，这些装置可按被测量和控制的变压器、线路等一次设备为间隔独立配置。数字式测控装置作为分布式的遥测、遥信和遥控单元，主要实现以下功能：

1）采集功能

（1）能够实现对电气量、非电气量（压力、油温等）的测量，对交流量测量精度达 0.2级，功率 0.5 级。

（2）能计算出电压、电流的幅值、相位及 13 次以下谐波，线路的有功功率、无功功率，系统运行的频率等，电压、电流等能够越限告警。

（3）能对开关量进行监视，对部分开关量应该有较高的 SOE 分辨率 1 ms，当开入变位时，应该能够实时地将变位信息向后台监控装置发送。

（4）对电度脉冲量计数具有失电自动保存功能。

2）控制功能

（1）能够实现操作人员就地控制以及调度中心或后台监控装置通过网络进行遥控，且具有较快反应能力，并通过开关量等信息来判断操作是否正确执行。

（2）能对有载调压变压器进行变压器调压及滑挡判别。

3）通信转发

为使具有不同网络接口的装置都能够连接在网上，测控装置应该能够提供通信转发和规约转换等处理。

目前大中型变电站对监控系统的要求越来越高，其典型模式是采用分散分布式模块结构，安装方式既可以是集中安装也可以是分散安装，模块间通信采用高速的网络通信。对于高电压等级的变电站，近年来对网络提出的新需求是采用双网的通信模式，即采用互为备用的两个通信网络，以提高通信的可靠性。监控系统与当地后台机之间也最好采用双网方式通信。

4）防误闭锁

能够与变电站层集中式防误操作闭锁系统相结合，根据现场需要实现局部和全局两种防误功能，实现操作闭锁时应该不受插件的开入端子数的限制，并能够根据现场的要求投退防误闭锁功能及范围。

5）良好的人机界面

在测控装置中，应该能够对 MMI 菜单进行灵活配置，针对不同的间隔，能够以图形方式显示出间隔的断路器、隔离开关等开合状态，为操作人员就地监视和操作提供良好的人机界面。在 MMI 的液晶显示屏上能够用汉字来取代全英文方式，增加全屏显示的内容。友好的人机接口可以方便调试和减少工作人员的工作量，减少配置错误的概率等。另外，设计友好的面板 PC，用于配置、打印或数据的调取等，还可用于 PLC的设计，具有 PLC 仿真功能。

6）对时精度

将内部网络对时和 GPS 硬件对时相结合，提高测控装置的对时精度，尤其提高SOE 分辨率，同时对于 Al 等对时精度要求不高的插件，为降低成本则无须 GPS 硬件对时，可采用内部网络对时。

相角测量的功能由测控模块完成，GPS 模块内嵌于测控模块内部，以 GPS 模板输出的1PPS（秒脉冲信号）为同步采样信号，实现对电力系统各个结点的电压相量同步采样。采用傅里叶变换算法得到每个秒信号时的电压相量的相角。作为带时标的遥测量通过高速的现场总线传给主处理器模块，再由主处理器模块通过以太网、电话线、微波等形式上传调度中心。标准的通信规约库方便与各种智能设备的互联。

采用国际国内的标准开发通信规约，使各规约完全符合各种国际标准，如IEC60870-5-101、IEC60870-5-102、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、DNP、CDT92、CDT85、RP570、RP571、8890、U4F、MB88、MODBUS、SCI1801 V6、ISA、LFP、XT9702 等，方便与各种调度主站以及各种站内智能设备的互联。

7）功能、结构上的灵活配置

为实现不同的系统对测控装置的不同要求，在本装置设计时应充分考虑功能、结构的灵活配置，如开入插件、开出插件、交流插件数目、类型等都可按现场的要求配置。

测控装置在变电站综自系统中承担了测量、控制任务，在高压、超高压变电站内由于通信量大等原因，一般采用以太网通信，现有的保护设备一般不具备以太网接口，为使保护能与变电站层进行通信，测控装置必须具有保护与变电站层的监控装置之间的通信转发及规约转换功能，测控装置对本间隔的一次系统进行测量、控制，对保护等其他设备进行通信转发，不同间隔的测控装置可通过以太网进行通信。由于不同的变电站的规模、结构等不一样，对测控装置的功能结构要求也各有区别，为使测控装置能够针对不同的变电站进行灵活配置，提高兼容性，在设计中采用模块化设计。

3．通信方式

随着电网电压等级的提高，在高压或超高压变电站综自系统中信息流量越来越大，中、低压以 Lon wokrs 为网络层的主要通信方式已经不能满足高压、超高压信息传输的要求，选择一种速度快、带宽高的网络作为变电站综自系统的主干网络成为需要。随着通信技术的不断发展，以太网以其良好的性能价格比已成为高压、超高压变电站综自系统的良好选择。

（1）以太网是一种流行的分组交换局域网，是目前使用最广泛的局域网。以太网在速度方面不断更新，先后推出了 10 Mb/s，l00 Mb/s和1000 Mb/s 的以太网。

（2）现场总线具有使用方便、简单、经济的特点，以太网具有网络标准、开放性好、高速率、传输容量大的特点。

目前，由于以太网在性能和应用特点上仍不能完全替代现场总线，面向实时控制的工业以太网技术及标准正处于研究和制定过程中，所以现场总线将会和以太网并存相当长时间。

目前采用的现场总线有：Lon works、Can bus、FDK bus等，速率为 1～12 Mb/s。

在系统设计上，采用独特的双网分流、故障切换的通信机制。在两个网络都正常运行的情况下，根据系统分配的任务双网并列运行，从而达到动态的流量控制，最大限度地利用系统带宽，提高了系统的实时性；当一个网络出现故障时，则把出现故障网络的任务叠加到正常运行的网络上，保证了数据的完整性，提高了系统的可靠性。而当检测到两个网络都正常后恢复到双网分流状态。

CAN 网络是主要用于各种过程监测及控制的一种网络，CAN 网络可以采用多主从工作方式，可以方便地构成多机备份系统；采用非破坏性总线仲裁技术，具有在自动切除错误节点的功能；其通信距离最远为 10 km（5 kb/s），通信速率最高可达 1 Mb/s（40 m），节点数目实际可达 110 个。CAN 的这些特点适于应用在变电站自动化监控系统中。FDK BUS 是东方电子开发并推出的现场总线网，已在老的产品中稳定运行多年，速度快，在 2000 m 内通信速率达 187.5 kb/s，采用同步方式，对时精度高。在应用中拟采用 FDK BUS和CAN BUS 两种不同类型的网络，优势互补，互为备用。两种网的分流与备用的配合关系是研究的重点。两种不同性质的现场总线网的应用最大限度地保持了通信网络的可靠性，在国内监控系统的网络通信中处于领先地位。

针对变电站综合自动化的数据传输格式及信息流量等特点，在系统中采用 10 Mb/s的以太网即可满足变电站数据传输的要求。在我国已有将以太网用于变电站综合自动化系统网络层的先例，如辽宁省丹东 220 kV 站、三峡骨干工程南昌 500 kV 站等。

现在的测控装置采用分布式结构、集中分布混合结构等结构形式，它们各具特点，不但丰富了自动化系统集成方案，同时也取得了比传统方式好的效益。分布式结构是与集中式结构相对的一种结构，其抛弃了集中式结构中所有计算和处理都由主机完成的模式，把系统功能分成多个部分，分散到系统中不同位置的主机进行处理，各个主机各司其职独立工作，这样就大大提高了系统的吞吐量，同时可以用软件和硬件冗余的方法实现互为备用，提高了系统的健壮性，这种结构扩展起来也比较容易。集中混合结构是结合两种模式的优点，把部分功能分散化的一种结构。

测控装置在变电站自动化系统中的功能和人机界面优化

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