摘 要： 本文论述了一种变电站综合自动化系统通信网络的设计。该通信系统具有信息传送效率高，安全、可靠性好，可扩展性强的特点。通信软件应用RTOS开发平台，采用先进的、标准的和成熟的通信网络技术，充分考虑网络的开放性、可扩充性等相关问题，并已成功应用于多家变电站。 关键词： 变电站综合自动化 通信网 接口 实时多任务操作系统 0. 引言 变电站是输配电系统中的重要环节，是电网的主要监控点。近年来，随着我国经济高速发展，电压等级和电网复杂程度也大大的提高。传统变电站一次设备和二次设备已无法满足降低变电站造价和提高变电站安全与经济运行水平这两方面的要求。 而现在变电站所采用的综合自动化技术是将站内继电保护，监控系统，信号采集，远动系统等结合为一个整体，使硬件资源共享，用不同的模式软件来实现常规设备的各种功能。用局域网来代替电缆，用主动模式来代替常规设备的被动模式。具有可靠、安全、便于维护等特点。 分散分层分布式是变电站综合自动化系统的发展方向，这就对通信的可靠性提出了更高的要求，选择一个可靠、高效的网络结构，是解决问题关键。90年代中期，国内外曾掀起一场“现场总线热”，但是由于技术上的原因以及采用设备总线时信息量大且传输较慢的特点，造成了现场总线存在多种标准，阻碍了其发展。以太网经过若干年的发展，技术上日臻成熟。随着嵌入式以太网微处理器的发展，以太网已十分便利的应用于变电站综合自动化系统。以太网具有高速、可靠、安全、灵活的特点，使其在变电站综合自动化系统中有广阔的应用前景。 1. 变电站通信系统结构 系统结构示意图如图1所示。 从图上可以看出： 1）管理和控制一体化局域网将无可争议地选用以太网。 2）间隔级控制总线在FF-H2总线尚未成熟的情况下，工业级以太网和Profibus MMS（Manufacturing Messageing Specification制造厂信息规范）将是一个比较好的选择。 3）可编程逻辑控制器PLC被发展成PCC(Programable computer controller),即用智能模块实现逻辑及自动控制功能，它比常规的PLC具有可交流采样、通讯组态方便等优点。 2. 变电站综合自动化系统通信网的基本设计原则 通信在变电站综合自动化占有重要的地位。其内容包括当地采集控制单元与变电站监控管理层之间的通信，变电站当地与远方调度中心之间的通信。系统通讯网架的设计是十分关键的，本文从以下方面考虑变电自动化系统通信网的设计： 1）电力系统的连续性和重要性，通讯网的可靠性是第一位的。 2）系统通讯网应能使通讯负荷合理分配，保证不出现“瓶颈”现象，保证通讯负荷不过载，应采用分层分布式通讯结构。此外应对站内通讯网的信息性能合理划分，根据数据的特征是要求实时的，还是没有实时性要求以及实时性指标的高低进行处理。另外系统通信网设计应满足组合灵活，可扩展性好，维修调试方便的要求。 3）应尽量采用国际标准的通信接口，技术上设计原则是兼容目前各种标准的通信接口，并考虑系统升级的方便。 4）应考虑针对不同类型的变电所的实际情况和具体特点，系统通信网络的拓扑结构是 灵活多样的且具有延续性。 5）系统通信网络应采用符合国际标准的通信协议和通信规约。 6）对于通信媒介的选用，设计原则是在技术要求上支持采用光纤，但实际工程中也考虑以屏蔽电缆为主要的通信媒介。 7）为加速产品的开发，保持对用户持续的软件支持，对用户提出的建议及要求的快速响应，就要求摆脱小作坊式的软件开发模式，使软件开发从“小作坊阶段”进入“大生产阶段”， 采用先进的通信处理器软件开发平台实时多任务操作系统RTOS并开发应用与其之上的通信软件平台。 3. 通信网的软硬件安装 3.1.硬件的选择 为了保证通信网的可靠性，通信网构成芯片必须保证在工业级以上，以满足湿度、温度和电磁干扰等环境要求。通讯CPU采用摩托罗拉公司或西门子公司的工控级芯片，通讯介质选择屏蔽电缆或光纤。 3.2. 接口程序 采用国际标准的通信接口，技术上设计原则是兼容目前各种标准的通信接口，并考虑系统升级的方便。装置通信CPU除保留标准的RS232/485口用于系统调试维护外，其它各种接口采用插板式结构，设计支持以下三类共七种方式：标准RS485接口，考虑双绞线总线型和光纤星型耦合型；标准 Profibus FMS 接口，考虑双绞线总线型、光纤环网、光纤冗余双环网；标准Ethernet ，考虑双绞线星型和光纤星型（通信管理单元考虑以上两种类型的双冗余配置）。 3.3. 通信协议和通信规约 系统通信网络应采用符合国际标准的通信协议和通信规约，应建立符合变电站综合自动化系统结构的计算机间的网络通讯，根据变电站自动化系统的实际要求，在保证可靠性及功能要求的基础上，尽量注意开放性及可扩充性，并且所选择的网络应具有一定的技术先进性和通用性，尽量靠国际标准。长期以来，不同的变电站监控系统采用不同的通信协议和通信规约，如何实现不同系统的互连和信息共享成为一个棘手的问题，应采用规范化、符合国际标准的通信协议和规约。为此在系统中选用了应用于RS485网络的IEC61870-5-103规约、应用于Profibus 的MMS行规以及应用于TCP/IP上的MMS行规。它们都具有可靠性、可互操作性、安全性、灵活性等特点。 4.通信软件的设计与实现 通信软件的设计涉及到多种设备的配合问题，本文只以DF3003变电站综合自动化系统的通信网络为例，介绍变电站综合自动化系统通信软件设计与运行原理。 4.1. 软件功能与运行原理 在DF3003变电站综合自动化系统中，采用二级分层分布式网络。针对110KV中压变电站的要求，我们可采取图2所示的组网方式。后台与主站都是一种监控系统，其主要功能为监视各智能单元的运行状态，并能对各智能单元进行控制。而监控系统为完成其主要功能所需要的各种数据都是由通讯转换器DF3211或保护管理单元DF3210来提供的。因此，从数据流控制的角度来看，通讯程序主要完成智能单元运行状态信息的上报和监控系统控制信息的下发两种功能。智能单元的运行状态信息一般包括遥测数据、遥信数据、电度数据、突发数据等。监控系统的控制信息则包括遥控命令、对时命令、查询命令等。本文中的变电自动化系统通讯程序所要完成的数据结构与函数过程如图3所示。 4.2. 软件开发平台——RTOS 随着应用的复杂化，对控制精度、智能化程度的要求越来越高，一个微处理器往往要同时完成很多任务。体现在变电站自动化通信产品中，由于信息采集量越来越大，信息交换越来越频繁，简单地用单一任务来轮询，往往造成通信的“瓶颈”现象，如保护和测量设备采集到的实时信息无法及时向上传递。多任务编程的特点是：程序在功能上以任务的形式存在， 各个任务之间相对独立，可通过操作系统提供的资源，进行任务间的信息交换和相互控制，可通过优先级、时间片来控制各任务执行的顺序。多任务编程的特点打破了传统软件顺序执行的框架，便于程序的系统开发、调试及维护。实时多任务操作系统RTOS（Real Time Operating System）是面向21世纪嵌入式设计的基础和标准开发平台。高性能软件开发平台可以使嵌入式软件程序的开发进入规模化和产业化生产。有了高性能开发平台，可以极大的提高软件开发的效率，RTOS体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，在此基础上，可以设计一种更为通用的通用软件平台，软件工程师可以在不大量变动系统其他任务的情况下增加或删除一个通信规约；一个大项目开发的过程中，可以有多个工程师同时进行系统的软件开发，各个人之间只要制订好规程和协议即可，既缩短了开发时间，又降低了最终通信软件产品对于具体某个人的依赖性。 4.3. 与因特网结合 通信管理单元提供内置的WEB-SERVER，可动态向外部系统发布数据，这部分可采用在RTOS之上外购WEB—SERVER模块来开发完成，更为方便的是，在设置各种系统参数和浏览现场实时数据时，只需要一个标准的浏览器软件，如Microsoft 的IE即可。 5. 改进的网架结构 当变电综合自动化系统中的通信可靠性要求进一步提高时，可采用图4所示的网架结构。即对通信管理单元和通道实行主备切换的模式，但这种模式对通信管理单元和通信切换器的要求较高。在这种模式下，当通信管理单元损坏或通道故障时均得到切换，因此这种模式更可靠、更安全。 6.结论 本文所述的变电站综合自动化通信系统采用代表国际技术发展潮流，先进的、标准的和成熟的通信网络技术。采用双网网络，双机热备用，光纤双环冗余自愈系统，采用国际标准通信规约协议，充分考虑网络的开放性、可扩充性及工程化的相关问题。本通信系统具有速度快，可靠性高，可扩展性强等特点，已经成功的应用于多家变电站。
1 IEC 61850通讯规约在农村变电站自动化系统中的应用 王其红 农业工程学报 2007/12
2 数字化变电站自动化系统方案探讨 孙司正 继电器 2007/22
3 基于Hypersim的变电站自动化系统闭环测试环境的建立 杨洪涛 电力自动化设备 2007/11
4 变电站自动化系统中规约转换的分层结构 郑蔚 继电器 2007/17
5 变电站自动化系统无缝通信体系的研究及实现 陈祥华 电站系统工程 2007/05
6 新一代变电站自动化技术——集成变电站自动化系统(ISAS) 王财勇 电气应用 2007/09
7 SCL在变电站自动化系统的应用 周文瑜 继电器 2007/15
8 500kV斗山变电站自动化系统的改造 杨国庆 华东电力 2007/08
9 遵循IEC 61850实现变电站自动化系统时间同步的频率调节算法设计 易娜 电网技术 2007/16
10 基于点对点通信的变电站自动化系统双总线通信方案 李惠宇 电力系统自动化 2007/16
11 基于嵌入式以太网的变电站自动化系统无缝通信体系结构 孙鸣 电网技术 2007/09
12 接地方式对变电站自动化系统的影响 陆鸿禧 电力自动化设备 2007/06
13 变电站自动化系统实时仿真装置的设计与实现 黄曙 继电器 2007/04
14 变电站自动化系统通信网关的设计 徐云松 继电器 2007/03
15 基于IEC 61850标准的智能电子设备及变电站自动化系统的测试 吴俊兴 电网技术 2007/02
16 分布式内存数据库在变电站自动化系统中应用 钟昀 电力自动化设备 2007/03
17 变电站自动化系统遥信去抖方法分析 郭建 继电器 2007/01
18 基于IEC 62351安全体系的变电站自动化系统 丁杰 电网技术 2006/S2
19 变电站自动化系统遥信去抖方法分析 欧阳永坚 电网技术 2006/S2
20 双嵌入式以太网技术在变电站自动化系统中的应用 程臣 电网技术 2006/S1
21 多Agent分层分布式变电站自动化系统的研究 郑顾平 微计算机信息 2006/35
22 新型开放式变电站自动化系统研究 刘国民 电气应用 2006/10
23 国内首套应用IEC 61850标准的500 kV变电站自动化系统在南瑞出厂 电力系统自动化 2006/22
24 程序化操作在变电站自动化系统中的实现 叶锋 电力系统自动化 2006/21
25 智能通信服务器在变电站自动化系统中应用 眭碧霞 电力自动化设备 2006/10
26 嵌入式网关在变电站自动化系统中的应用 樊晓虹 工矿自动化 2006/04
27 以太网在变电站自动化系统通信中的应用前景 冯邦成 电力自动化设备 2006/07
28 西门子全球第100个IEC 61850项目——南桥500kV变电站自动化系统顺利投入运行 濮群方 电力自动化设备 2006/06
29 电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心远动(方)终端、变电站自动化系统及智能单元委托、型式检验质检公告(第五号) 电网技术 2006/07
浅析变电站综合自动化系统
摘 要：本文简要介绍了变电站综合自动化系统的重要性和发展趋势，提出了变电站综合自动化基本概念，并对系统结构、通讯方式和能实现的基本功能及变电站自动化的发展前景进行分析
关键词：变电站综合 自动化系统 结构 功能
一、 概述
电网是一个不可分割的整体，对整个电网的一、二次设备信息进行综合利用，对保证电网安全稳定运行具有重大的意义。变电站综合自动化是一项提高变电站安全、可靠稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，向用户提供高质量电能服务的一项措施。随着自动化技术、通信技术、计算机和网络技术等高科技的飞速发展，一方面综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统，已经成为必然趋势。另一方面，保护本身也需要自检查、故障录波、事件记录、运行监视和控制管理等更强健的功能。发展和完善变电站综合自动化系统，是电力系统发展的新的趋势。
二、 系统结构
目前从国内、外变电站综合自动化的开展情况而言，大致存在以下几种结构：
１．分布式系统结构
按变电站被监控对象或系统功能分布的多台计算机单功能设备，将它们连接到能共享资源的网络上实现分布式处理。系统结构的最大特点是将变电站自动化系统的功能分散给多台计算机来完成。分布式模式一般按功能设计，采用主从CPU系统工作方式，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了CPU运算处理的瓶颈问题。各功能模块(通常是多个CPU)之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，选用具有优先级的网络系统较好地解决了数据传输的瓶颈问题，提高了系统的实时性。分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。该模式在安装上可以形成集中组屏或分层组屏两种系统组态结构，较多地使用于中、低压变电站。分布式变电站综合自动化系统自问世以来，显示出强大的生命力。目前，还存在在抗电磁干扰、信息传输途径及可靠性保证上的问题等。
２．集中式系统结构
集中式一般采用功能较强的计算机并扩展其I／O接口，集中采集变电站的模拟量和数量等信息，集中进行计算和处理，分别完成微机监控、微机保护和自动控制等功能。由前置机完成数据输入输出、保护、控制及监测等功能，后台机完成数据处理、显示、打印及远方通讯等功能。目前国内许多的厂家尚属于这种结构方式，这种结构有以下不足：
（1） 前置管理机任务繁重、引线多，降低了整个系统的可靠性，若前置机故障，将失去当地及远方的所有信息及功能。
（2） 软件复杂，修改工作量大，系统调试烦琐。
（3） 组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须另行设计，工作量大并且扩展一些自动化需求的功能较难。
３．分层分布式结构
按变电站的控制层次和对象设置全站控制级——变电站层(站级测控单元)和就地单元控制级——间隔层(间隔单元）的二层式分布控制系统结构。也可分为三层，即变电站层、通信层和间隔层。
这种结构相比集中式处理的系统具有以下明显的优点：
（1）可靠性提高，任一部分设备故障只影响局部，即将“危险”分散，当站级系统或网络故障，只影响到监控部分，而最重要的保护、控制功能在段级仍可继续运行；段级的任一智能单元损坏不应导致全站的通信中断，比如长期霸占全站的通信网络。
（2） 可扩展性和开放性较高，利于工程的设计及应用。
（3） 站内二次设备所需的电缆大大减少，节约投资也简化了调试维护。
三、常见通讯方式
目前国内常采用以太网通讯方式，在以太网出现之前，无论RS-232C、EIA-422/485都无法避免通信系统繁琐、通讯速度缓慢的缺陷。现场总线的应用部分地缓解了便电站自动化系统对通信的需求，但在系统容量较大时依然显得捉襟见肘，以太网的应用，使通讯问题迎刃而解。常见的通讯方式有：
1） 双以太网、双监控机模式，主要是用于220-500kV变，在实现上可以是双控机+双服务器方式，支撑光/电以太网。
2） 单以太网，双/单监控机模式。
3） 双LON网，双监控机模式。
4） 单LON网，双/单监控机模式。
四、变电站自动化系统应能实现的功能
１. 微机保护：是对站内所有的电气设备进行保护，包括线路保护，变压器保护，母线保护，电容器保护及备自投，低频减载等安全自动装置。各类保护应具有下列功能： １）故障记录
浅析变电站综合自动化系统
２）存储多套定值
３）显示和当地修改定值
４）与监控系统通信。根据监控系统命令发送故障信息，动作序列。当前整定值及自诊断信号。接收监控系统选择或修改定值，校对时钟等命令。通信应采用标准规约。
２. 数据采集及处理功能
包括状态数据，模拟数据和脉冲数据
１）状态量采集
状态量包括：断路器状态，隔离开关状态，变压器分接头信号及变电站一次设备告警信号、事故跳闸总信号、预告信号等。目前这些信号大部分采用光电隔离方式输入系统，也可通过通信方式获得。
２）模拟量采集
常规变电站采集的典型模拟量包括：各段母线电压、线路电压，电流和有功、无功功率值。馈线电流，电压和有功、无功功率值。
３.事件记录和故障录波测距
事件记录应包含保护动作序列记录，开关跳合记录。
变电站故障录波可根据需要采用两种方式实现，一是集中式配置专用故障录波器，并能与监控系统通信。另一种是分散型，即由微机保护装置兼作记录及测距计算，再将数字化的波型及测距结果送监控系统由监控系统存储和分析。
４.控制和操作功能
操作人员可通过后台机屏幕对断路器，隔离开关，变压器分接头，电容器组投切进行远方操作。为了防止系统故障时无法操作被控设备，在系统设计时应保留人工直接跳合闸手段。
５.防误闭锁功能
６.系统的自诊断功能
系统内各插件应具有自诊断功能，并把数据送往后台机和远方调度中心。对装置本身实时自检功能，方便维护与维修，可对其各部分采用查询标准输入检测等方法实时检查，能快速发现装置内部的故障及缺陷，并给出提示，指出故障位置。
7. 数据处理和记录
历史数据的形成和存储是数据处理的主要内容，它包括上一级调度中心，变电管理和保护专业要求的数据，主要有：
１）断路器动作次数；
２）断路器切除故障时截断容量和跳闸操作次数的累计数；
３）输电线路的有功、无功，变压器的有功、无功、母线电压定时记录的最大，最小值及其时间；
４）独立负荷有功、无功，每天的峰谷值及其时间；
５）控制操作及修改整定值的记录。
根据需要，该功能可在变电站当地全部实现，也可在远动操作中心或调度中心实现。
８. 人机联系系统的自诊断功能
系统内各插件应具有自诊断功能，自诊、断信息也像被采集的数据一样周期性地送往后台机和远方调度中心或操作控制中心与远方控制中心的通信。
9. 本功能在常规远动“四遥”的基础上增加了远方修改整定保护定值、故障录波与测距信号的远传等，其信息量远大于传统的远动系统。还应具有同调度中心对时，统一时钟的功能和当地运行维护功能。
五、结语
通过以上分析，可以看到变电所综合自动化对于实现电网调度自动化和现场运行管理现代化，提高电网的安全和经济运行水平起到了很大的促进作用，它将能大大加强电网一次、二次系统的效能和可靠性，对保证电网安全稳定运行具有重大的意义。随着技术的进步和硬件软件环境的改善，它的优越性必将进一步体现出来。■
