硬件架构及基本功能简介

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：表5-1监控主机功能结构监控主机实现的基本功能包括电网运行监视、操作控制等。具备对全站所有断路器、电动开关、主变有载调压分接头、无功功率补偿装置及与控制运行相关的智能设备的控制及参数设定功能。具备事故紧急控制功能，通过对开关的紧急控制，实现故障区域快速隔离。在满足操作条件的前提下，按照预定的操作顺序自动完成一系列控制功能，宜与智能操作票配合进行。

站控层负责变电站的数据处理、集中监控和数据通信，包括监控主机、数据通信网关机、数据服务器、综合应用服务器、操作员站、工程师工作站、PMU 数据集中器、计划管理终端、二次安全防护设备、对时系统、工业以太网交换机及打印机等软硬件设备，实现面向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能，属于一体化业务系统，完成数据采集和监视控制、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能，并与远方监控调度中心通信。

一体化业务系统的后台软硬件主要包括监控主机、综合应用服务器，数据通信网关机和数据服务器等。依据标准规定的监控系统的运行监视、操作与控制、信息综合分析与智能告警、运行管理、辅助应用等五类应用功能大部分基于上述硬件来实现。

1．监控主机

监控主机可实现电网数据采集、运行监视、操作与控制、智能告警与故障综合分析等功能，同时智能站监控主机集成防误闭锁操作工作站和保护信息子站等功能。监控主机与测控装置、继电保护装置、同步相量采集装置等间隔层设备信息的交互均采用 DL/T 860 协议。监控主机功能结构如表 5-1 所示。

表5-1　监控主机功能结构

监控主机实现的基本功能包括电网运行监视、操作控制等。

1）电网运行监视

（1）实现智能变电站全景数据的统一存储和集中展示。

（2）提供统一的信息展示界面，综合展示电网运行状态、设备监测状态、辅助应用信息、事件信息、故障信息。

（3）实现装置压板状态的实时监视，当前定值区的定值及参数的召唤、显示。

（4）实现一次设备的运行状态的在线监视和综合展示。

（5）实现二次设备的在线状态监视，通过可视化手段实现二次设备运行工况、站内网络状态和虚端子连接状态监视。

（6）实现辅助设备运行状态的综合展示。

（7）设备状态监视大量数据信息采集于安全二区，经由防火墙传送至监控主机，达到运行监视目的。

2）操作与控制

实现智能变电站内设备就地和远程的操作控制。包括顺序控制、无功优化控制、正常或紧急状态下的断路器/隔离开关操作、防误闭锁操作等。包含以下内容：

（1）站内操作。

具备对全站所有断路器、电动开关、主变有载调压分接头、无功功率补偿装置及与控制运行相关的智能设备的控制及参数设定功能。

具备事故紧急控制功能，通过对开关的紧急控制，实现故障区域快速隔离。

具备软压板投退、定值区切换、定值修改功能。

（2）自动控制。

无功优化控制：根据电网实际负荷水平，按照一定的策略对站内电容器、电抗器和变压器挡位进行自动调节，并可接收调度（调控）中心的投退和策略调整指令。

负荷优化控制：根据预设的减载目标值，在主变过载时根据确定的策略切负荷，可接收调度（调控）中心的投退和目标值调节指令。

（3）顺序控制。

在满足操作条件的前提下，按照预定的操作顺序自动完成一系列控制功能，宜与智能操作票配合进行。

（4）防误闭锁。

根据智能变电站电气设备的网络拓扑结构，进行电气设备的有电、停电、接地三种状态的拓扑计算，自动实现防止电气误操作逻辑判断。

（5）智能操作票。

在满足防误闭锁和运行方式要求的前提下，自动生成符合操作规范的操作票。

2．综合应用服务器

综合应用服务器的作用是实现与电能质量监测、状态监测、故障录波、辅助应用系统等设备的信息交互，通过统一处理和统一展示，实现运行监视、控制管理等功能。综合应用服务器系统功能如表 5-2 所示。

表5-2　综合应用服务器系统功能

综合应用服务器接收站内暂态数据、电能质量监测数据、辅助系统状态监测量、主设备状态监测量，然后供给电源、环境、安防监视、视频联动、电能质量监测等功能模块使用。同时依据现场需要，重要的状态等信息经防火墙传送至监控主机。

3．数据通信网关机

数据通信网关机一般依据变电站安全分区，功能实现方面分为三种形式：

（1）Ⅰ区数据通信网关机：直接采集站内数据，通过专用通道向调度（调控）中心传送实时信息，同时接收调度（调控）中心的操作与控制命令。采用专用独立设备，无硬盘、无风扇设计。

（2）Ⅱ区数据通信网关机：实现Ⅱ区数据向调度（调控）中心的数据传输，具备远方查询和浏览功能。

（3）Ⅲ/Ⅳ区数据通信网关机：实现与 PMS、输变电设备状态监测等其他主站系统的信息传输，智能站数据通信。

4．PMU 数据集中器

用于厂站端相量数据接收、转发、存储的通信装置。能够同时接收多个同步相量测量装置的数据，并实时向多个主站转发，同时完成相量数据的就地存储。PMU数据集中器与监控主机通信一般采用 DL/T 860 规约协议传输相应警告信息，与主站端通信大多采用GB/T 26865.2 规约协议传输相量数据。

5．数据服务器

实现全站的数据集中式存储，为全站各类应用提供统一的数据查询和访问服务。

6．网络架构及特点

智能变电站一体化监控系统建设技术规范中，网络架构在基础建设方面已提出相关要求，运行依据电压等级不同，站控层网络大多是在设备配置上有所差别。站控层网络为间隔层设备和站控层设备之间的网络，实现站控层内部以及站控层与间隔层之间的数据传输，具备特点有：站控层网络采用 100 Mb/s 或更高速度的工业以太网，整体为星型结构，在常情况下，负荷率应低于 30%；在事故情况下，负荷率应低于50%。

智能变电站自动化系统中常用的网络拓扑结构包括总线型拓扑、环形拓扑、星形拓扑结构，下面对这三种结构方案进行分析。

1）方案一：总线型拓扑

总线型结构网络中的交换机通过其自身的级联口与前或者后交换机级联，形成共用的传输介质，网络中所有智能设备通过相应的接口直接连接到这根共享的总线上，如图5-3 所示。一般情况下，级联口的最大吞吐量要大于相应 IED 的最大吞吐量。

图5-3　总线型拓扑

总线型拓扑网络结构的优点是组网方便，在实际使用中可以使用较短的连线连接到中心交换机。缺点是对于单总线型拓扑网络，不存在通信网络上的冗余，网络中如果有一个连接丢失，与之下行链路相连的每个 IED 的连接也随之丢失。另外，对于实时性要求较高的系统，要充分考虑到系统的最大“跳数”，即系统中所容许的最大时延。

2）方案二：环形拓扑

环形拓扑除了头尾交换机相连外，与总线型结构相似但是环形结构在一定程度上提供了链路上的冗余，有一定程度的自愈能力，如图5-4 所示。

图5-4　环形拓扑

实际运行过程中的路径并不是环路（前提是网络中的交换机必须支持 IEEE 802.1d、IEEE 802.1w 的支撑树协议），否则将会导致一些帧在网络中不停地兜圈子，形成网络风暴，从而影响网络的性能。因此，支持 IEEE 802.1d 或者 IEEE 802.1w 协议的交换机在通过某些阻塞端口时，在逻辑上等同于总线型拓扑结构，只是在一个连接丢失时具有冗余的特点。

环形拓扑网络结构的优点是在实际工程中组网较为简单，具有部分自愈能力。其缺点是与总线型结构类似，如果在应用时间要求比较苛刻的环境下，就要考虑级联时的最坏网络延时。另外，系统重新配置会出现较长的时延问题，虽然 IEEE 802.1w 快速支撑树协议的应用极大地缩短了网络的重配置时间，但在智能变电站一些实时性要求较高的领域中，对这个问题还是要引起一定的重视。

3）方案三：星形拓扑

交换机在网络中处于骨干交换机的地位，其他的所有交换都与其连接以形成一个星形网络结构，如图5-5 所示。星形拓扑网络结构的优点是为用户提供了最小的网络时延，网络中属于不同交换机的任何 2 个 IED 之间通信仅仅需要两跳。其缺点是没有网络冗余，如果骨干交换机有故障，则所有与其相连的交换机都将成为网络孤岛。如果一个上行链路出现故障，则与其相连的所有IED将丢失。

图5-5　星形拓扑

通过对以上三种网络拓扑结构的分析，从运行维护、可靠性、传输时间等方面考虑，建议采用星形拓扑结构。以上分析是从 DL/T 61850 在站控层应用时的角度进行的，同样从运行维护、可靠性、传输时间等方面考虑，也建议采用星形拓扑结构。

站控层交换机连接数据通信网关机、监控主机、综合应用服务器、数据服务器等设备。站控层网络通信是连接站控层设备和间隔层设备、站控层及间隔层内的不同设备的网络，并实现站控层和间隔层之间，以及站控层内不同设备之间的信息交互。智能变电站站控层网络、GOOSE（逻辑闭锁）、SNTP 共网运行，全站数据传输数字化网络化、共享化。接入站控层网络的设备有站控层设备及间隔层设备。

站控层网络和间隔层网络交换信息一般采用热备用双网工作形式。当 A 网发生故障时，所有信息的交互在 B 网产生，当 A 网通信恢复时，与 A 网相连的通信模块仍处于监听休眠状态，两个通信模块，只有一个在正常工作，另一个处于监听状态，实现双网冗余的目的。

硬件架构及基本功能简介

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