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变配电所综合自动化系统—宋荣书第一节综合自动化系统的发展一、变配电所自动化系统主要发展阶段变配电所监控、测量、保护和控制系统的形成和发展主要经历了以下三个阶段。㈠传统的监视、测量和控制系统阶段由各种继电器、测量仪表、控制开关、光字牌、信号灯、警铃、喇叭及相关一次设备的辅助触点通过导线，并根据特定逻辑关系连接，构成变配电所的二次回路，实现变配电所的监视、测量、告警和控制功能。值班人员定时记录盘表测量值，并用电话告知远方调度值班人员。㈡传统的监视、测量和控制系统的改进阶段随着铁路电力系统的发展，变配电所传统的监视、测量和控制系统已经不能满足安全稳定运行的要求。远方传输系统(简称远动系统)应运而生。除传统的监视、测量和控制系统外，变配电所增加了一套远动终端装置(RTU)。变配电所端RTU自动采集相关的测量量、主要设备的状态量和信号量，通过通信网络将这些量传送给远方调度端的远动装置，并在调度屏上显示，实现对变配电所的遥测和遥信功能。远方调度值班人员也可通过远动系统，将控制和调节命令传送给变配电所端RTU，实现对断路器和变压器有载分接开关的“遥控”和“遥调。随着远动技术的发展，远动装置的技术性能不断提高，应用功能不断扩展，出现了以RTU设备为中心的监控系统。它是在增强型RTU设备基础上增设了后台监视、测量显示和控制功能。其优点是功能简单，造价较低；缺点是控制和高级应用功能较弱，扩展性能较差。㈢计算机监视、测量和控制系统阶段随着计算机技术、通信网络技术和现代控制技术的快速发展，变电站计算机监视、测量和控制系统(简称计算机监控系统)异军突起。计算机监控系统应用计算机技术、自动控制技术、信息处理和传输等技术，对变配电所监控系统功能进行重新组合和优化设计，取代了传统的监控系统，而且与变电站端RTU合二为一，实现了软硬件和信息资源共享。根据设计思想的不同，变配电所计算机监控系统分为两种模式：面向功能设计的计算机监控系统和面向对象的分层分布式监控系统。⒈面向功能设计的分布式监控系统该系统曾在国内电网广泛应用，其系统结构由后台机、总控单元及遥测、遥信和遥控装置组成，集中组屏安装。该系统的电压互感器、电流互感器二次电压和电流的测量采用交流采样技术；其相关测量量，如有功功率、无功功率、功率因数及频率等模拟量均采用数值计算方式，减少了变送器数量及变送器的种类。该系统具备较完善的监视、测量功能，其高级应用功能有所增强。缺点是可扩展性和控制功能不强，主要用于110kV及以下电压等级变配电所。⒉面向间隔和面向对象的分层分布式监控系统该系统由站控层和间隔层两部分组成，并用分层分布、开放式网络实现连接。间隔层集测量、监视和控制功能于一体，由若干按间隔配置的测控装置等设备组成，并采用面向对象设计。各测控装置对应于本间隔设备的电量采集和测量、状态量采集和判别、相关设备的监测及对开关设备的控制等功能。站控层由主机、操作员站和各种功能站构成，提供所内运行的人机联系界面，通过计算机网络与间隔层通信，实现管理控制间隔层设备等功能，形成全所监控、管理中心，并通过远动通信设备和远方调度实现遥测、遥信、遥控和遥调功能，具有配置清晰、灵活、可扩展性好等优点。其间隔层测控装置可以分散安装，也可集中组屏；单个装置的缺陷不会影响到整个系统的运行，可靠性高；系统控制功能强；可以灵活嵌入高级应用软件，增加系统的应用功能。二、综合自动化系统发展趋势随着智能化开关、光电式电流互感器、光电式电压互感器、一次运行设备在线状态检测和变配电所运行操作仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，变配电所自动化系统正在逐步向全数字化方向发展。为适应未来数字化变配电所发展的趋势，国际电工委员会TC57制定了IEC61850《变电站通信网络和系统》系列标准。该标准是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，也是国家电力行业相关标准的基础。IEC61850按通信体系及设备功能，将变电站自动化系统分为3层：变电站层、间隔层和过程层。变电站层设备由带数据库的计算机、操作员工作台、远方通信接口等组成；间隔层设备由每个间隔的控制、保护或监视单元组成；过程层设备为远方I／O(input／output)、智能传感器和执行器等。IEC61850的发展方向是实现面向对象、自我描述、即插即用和无缝通信连接，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准”。第二节综合自动化系统的基本概念一、变配电所自动化变配电所自动化是应用控制技术、信息处理和通信技术，利用计算机软件与硬件系统或自动装置代替人工进行各种运行作业，提高变配电所运行、管理水平的一种自动化系统。变配电所自动化的范畴包括综合自动化技术、远动技术、继电保护技术及所内其他智能技术等。二、变配电所综合自动化变电站综合自动化是将变配电所的二次设备(包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等)经过功能的组合，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全所的主要设备及变电、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及调度通信等综合性的自动化功能。变配电所综合自动化系统是利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规的测量和监视仪表、控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护，改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。变配电所综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可以方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。三、变配电所综合自动化系统变配电所综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。它的出现为变配电所的小型化、智能化、扩大控制范围及安全可靠、优质经济运行提供了现代化的手段和基础保证；它的应用为变配电所无人值班提供强有力的现场数据采集及控制支持。㈠功能综合化变配电所综合自动化技术是在计算机技术、数据通信技术、自动化技术的基础上发展起来的，是技术密集、多种专业技术相互交叉、相互配合的系统。它综合了变配电所内除一次设备和交、直流电源以外的全部二次设备。在综合自动化系统中，微机监控系统综合了变配电所的仪表屏、操作屏、模拟屏、变送器屏、中央信号系统等功能，远动的RTU功能(电压和无功)及自动调节功能；微机保护(和监控系统一起)综合了故障录波、故障测距、备自投、自动重合闸等自动装置功能。综合自动化的综合功能是对中央信号系统及仪表和对设备控制操作的功能综合，是通过监控系统实现的全面综合；而对于微机保护及一些重要的自动装置(如备用电源自动投人)，是接口功能综合，是在保证其独立的基础上，通过远方自动监视与控制而实现的。例如对微机保护装置仍然要求保证其功能的独立性，但通过对保护状态、动作信息监视及对保护整定值查询修改、保护的投退、录波远传、信号等远动控制，来实现其对外接口功能的综合。这种综合的监控方式，既保证了继电保护和一些重要自动装置的独立性和可靠性，又把继电保护和自动装置的自动化性能提高到一个更高的水平。㈡结构分布和分层化结构分布和分层化指综合自动化系统是一个分布式系统，其中微机保护、数据采集和控制及其他智能设备等子系统，都是按分布式结构设计的，每个子系统可能有多个CPU分别完成不同功能，这样一个由庞大的CPU群构成了一个完整的、高度协调的有机综合(集成)系统。这样的综合系统往往有几十个甚至更多的CPU同时并列运行，以实现变配电所自动化的所有功能。另外，按照变配电所物理位置和各子系统功能分工的不同，综合自动化系统的总体结构又按分层原则来组成。按IEC(国际电工委员会)标准，典型的分层原则是将变电站自动化系统分为两层，即变电站层和间隔层，由此可构成分散(层)分布式综合自动化系统。㈢操作监视屏幕化变配电所实现综合自动化后，不论是有人值班还是无人值班，操作人员可以在变配电所内，也可以在主控站或调度室内，面对彩色屏幕显示器，对变配电所的设备和配电线路进行全方位的监视与操作。常规庞大的模拟屏被CRT显示器上的实时主接线画面取代；常规的在断路器安装处或控制屏进行的跳、合闸操作，被CRT显示器上的鼠标操作或键盘操作所取代；常规的光字牌报警信号，被CRT屏幕画面闪烁和文字提示或语音报警所取代。即通过计算机上的CRT显示器，可以监视全所的实时运行情况和对各开关设备进行操作控制。㈣通信局域网络化和光缆化通信局域网络化和光缆化是计算机采用局域网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中的普遍应用。因此，系统具有较高的抗电磁干扰的能力，能够实现高速数据传送，满足实时性要求，组态更灵活，易于扩展，可靠性大大提高。㈤运行管理智能化运行管理智能化不仅表现在常规的自动化功能上，如自动报警、自动报表、电压无功自动调节、事故判别与处理等方面，还表现在能够在线自诊断，并不断将诊断的结果送往远方的主控端，这是区别于常规二次系统的重要特征。常规二次系统只能监测一次设备，而本身的故障必须靠维护人员去检查发现。综合自动化系统不仅能监测一次设备，还能每时每刻检测自己是否有故障，充分体现了其智能化的特性。运行管理智能化取消了常规二次设备，极大地简化了配电所二次系统，功能强大，信息齐全，可以灵活地按功能或间隔形成集中组屏或分散(层)安装的不同的系统组态。综合自动化系统打破了传统二次系统各专业间的界限和设备划分原则，弥补了常规保护装置不能与调度(控制)中心通信的缺陷。㈥测量显示数字化测量显示数字化是指常规指针式仪表全被CRT显示器上的数字显示所代替。长期以来，变配电所采用指针式仪表作为测量仪器，其准确度低、读数不方便。采用微机监控系统后，彻底改变了原来的测量手段，常规指针式仪表全被CRT显示器上的数字显示所代替，直观而明了，而原来的人工抄表记录则完全由打印报表所代替。这不仅减轻了值班员的劳动强度，而且提高了测量精度和管理的科学性。四、怎样实现变配电所综合自动化变配电所综合自动化的实现就是通过监控系统的局域网通信，将微机保护、微机自动装置、微机远动装置，采集的模拟量、开关量、状态量、脉冲量及一些非电量信号，经过数据处理及功能的重新组合，按照预定的程序和要求，对变配电所实现综合性的监视和调度等。变配电所综合自动化系统包括计算机监控系统、继电保护及自动装置和通信装置等设备。变配电所综合自动化的核心是自动监控系统。变配电所综合自动化的纽带是监控的局域通信网络，它把微机继电保护、微机自动装置、微机远动等功能综合在一起，形成一个具有远方功能的自动监控系统。第三节综合自动化系统的基本结构针对铁路电力系统变配电所的实际情况，自动化系统的模式可以简单地概括为集中式和分层分布式两种。一、集中式以变配电所为对象，面向功能设计，即各系统功能都以整个变配电所为一个对象相对集中设计，而不是以变配电所内部的某元件或间隔为对象独立配置的方式，其基本构架如下图所示。该模式主要适用于现有的传统变配电所技术改造。（一）模拟量输入单元根据输入方式的不同，又分为直流采样和交流采样两种模式。直流采样是把来自电流互感器(TA)、电压互感器(TV）的输入信号经过变送器变换为小信号的直流电压或电流之后，再输入监控系统的模拟量输入模件；交流采样则是把TA、TV输入信号直接接入监控系统中的交流模拟量输入模件进行采样，通过模／数转换将其转换为数字量，并通过计算获得相应的电气量，省去了直流模拟量输入所需的电量变送器的中间环节。无论采用哪种模式，均需在模拟量输入模件中进行模／数转换，把模拟量变成计算机可以处理的数字量，并需满足一定的精度要求。（二）开关量输入单元亦称状态量输入或数字量输入，它是把来自一、二次设备的各种无源接点信号经过光电耦合器隔离之后变为二进制信号。（三）电能表输入单元专门针对脉冲式电能表的输出而研发的一种接口，原理上同数字量输入相同，也采用光电耦合方式，但对电能表输出脉冲有一定要求，并将逐步被智能电子电能表和专用读表系统所取代。（四）遥控/遥调单元亦即数字量输出单元。它是把来自人机界面所下发的命令或来自外部(本地或远方)所下