变电站微机自动化系统的集成
姜蕊辉 周 健
电力系统的综合自动化控制系统应具有可靠性高 、抗干扰能力强、实时性好及维护简单等特 点。随着计算机技术的迅速发展，电力系统的综合自动化控制系统的微机化进程越来越快， 微机化将是我国电力系统综合自动化控制系统的发展方向。本文所介绍的分层分布离散式控 制方式的变电站综合自动化控制系统是一种集控制、保护、测量及远动等功能为一体的微机 控制系统。相对于传统的以仪表框、控制台中央信号屏等组成的控制系统，它是一种以计算 机为主的、将变电站(所)的二次设备(包括测量、信号、控制、保护、自动装置和远动)经过 功能组合而形成的标准化、模块化、网络化和功能化的现代化计算机综合控制系统，适应了 现代生产发展和能源管理的要求。下面就该综合控制系统中的几个主要部分的设计进行分析 和介绍。
1 系统结构与控制方案
(1)系统结构
系统应能对变电站的控制、保护、测量、信号传递、远动等功能实现综合自动控制和管理。 由于站内强磁场干扰大，测量、控制、保护点多，谐波干扰及无线电干扰严重等原因，造成 系统控制、测量和保护的综合难度较大。基于上述原因我们采用国际上最为流行的分层分布 离散式控制方式，控制和保护单元均由独立的CPU构成，采用一对一结构，每一个回路由独 立的CPU完成，相互之间又采用站内通讯网联接在一起，可构成一个变电站集控制、保护、 测量、信号传送和远动为一体的综合自动化系统。我们在实际应用中采用的是一个由多层网 络组成的分层分布式综合自动化系统。整个系统从上到下依次可分为变电站层管理站、计算 机网络、间隔层管理站、工业级实时网络、现场监控、保护和远动控制单元。系统结构如图 1所示。
在整个系统中最上层是由2～3台变电站层管理站和2～4台间隔层管理站组成，二者之间通过 Novell网连接。第二层由2～4台间隔层管理站和20～40台单片机系统(或少量的PLC)构成， 它 们之间通过串行通讯口网连接。最下层网络是由单片机、少量的
PLC和继电保护装置等组件 构成。
整个系统在硬件配置上采用了分层分布式结构，在软件上采用了面向对象的程序设计方法。 因此整个系统组态灵活、人机界面友好、功能齐全、使用方便及维护容易，满足了工程运用 的要求。
(2)系统控制方案
根据电力系统的运行要求，对于110kV变电站我们采用微机远动、监控和微机保护分离的综 合自动化控制的方案。这样设计主要是从可靠性考虑，110kV设备一般是液压操作机构，其 监控及保护部分较复杂，将远动监控与保护分开是最佳的方案。同时两者之间又通过Novell 网相连，每一个间隔均由一套微机远动、监控装置和一套微机保护装置构成，而间隔层采用 RS485或RS422总线网，其系统结构框图如图2所示。对于35kV、10kV变电站综合自动化控 制系统一般可采用两种不同的设计方案。
方案一：采用微机远动、监控和微机保护分离式的结构型式，即类似110kV变电站的控制 系统设计结构，如图2示。
方案二：采用微机远动、监控和微机保护合一的结构型式，其特点是可以减少现场二次电缆 并简化接线，同时，由于35kV或10kV线路可靠性要求比110kV线路要低，按方案二把部分合 并成一个微机单元，技术上是可行的，且节省了大量投资。其系统结构与框图2基本相似。 只将图2中间隔层、保护管理机、远动监控管理机及现场控制单元合并成一套即可。
2 系统的实现
(1)系统的主要硬件设备
1)微机远动监控系统
该系统由现场远动监控系统和Novell网上的后台机(间隔层管理机)构成。现场远动监控系统 由十个回路的微机远动监控单元组成，每一个单元就是一套80C196单片机系统，它包 含有CPU、开关量入、开关量出、A/D转换、通讯及驱动输出等电路。它完成现场设备的监控远动功能。 其控制方式采用一对一原则或二对一原则，每一个回路由一
个或两个现场远动监控单元组成，每个单元都是独立的，任何一个单元出现故障或进行检修都不会影响其他单元的正常工作 。其主要功能如下：a 全部电量的测量功能；b 负荷监控功能；c 通讯功能；d 定值参 数的远方整定功能。而Novell网上的后台机完成数据、图表、电量参数的显示与记录；电 量变化过程曲线、趋势分析、人工置数及事故、事件、顺序记录、报警等功能。
2)现场微机保护单元
该系统中间隔层微机保护装置是由若干个微机保护单元构成，每一个单元也是一套80C196 单片机系统，它包含CPU、开关量入、开关量出、A/D转换、通讯及驱动输出等电路。这些单 元除与站内通讯网进行通讯以外，还实时监控电气设备的运行情况，一旦发生异常，保护电 路立即动作，同时将保护动作情况送到站内通讯网，每台间隔层管理站可装十个微机保护单 元。
①110kV线路微机保护单元
根据电力系统对可靠性的要求，对于每一110kV线路采用两个保护单元，按二对一原则配置 ， 即110kV线路微机保护是双机线路微机保护，另外，还有一套微机远动监控单元。可见，对 于每一110kV线路，是由三套微机单元构成，即实现了三对一配置。其主要完成如下功能：a 三段式相间距离保护；b 四段式方向零序电流保护；c 三相一次重合闸。
②双卷变微机保护单元
系统中采用了两套双卷变微机保护装置，每套又由三个保护单元构成，其内部也是由80C196 单片机系统组成，同上述微机保护单元内部硬件结构完全相同，只是保护软件不同。为了可 靠地保护主变压器，系统中采用了多CPU方案配置，即差动保护单元、高压侧过流保护单元 、低压侧过流保护单元分别由三个独立的保护单元来完成，三套保护单元相对独立、互不影 响、并联运行。因此构成高可靠性的主变微机保护。其主要功能如下：a 差动电流速断保 护 ；b 110kV中性点零序电压起动的Ⅱ段式零序电流保护；c 110kV负序电压或低电压起动的 过 流保护；d 低压侧负序电压或低电压起动的过流保护；e 非电量保护；f 主变高、低电 压侧负荷保护；g 间隙零序电流保护
等。
3)35kV、10kV线路及电容器微机保护单元
本系统中，10kV、35kV线路微机保护单元的硬件结构与110kV线路及主变保护单元硬件结构 基本相同，但电路简化了，同样由80C196单片机系统组成，其主要功能如下：a 10kV、35k V线路保护；b 电容器保护。
(2)系统主要软件
变电站层整个软件采用树形连接的模块式结构形式。均在Windows9X多窗口的环境下工作， 通过菜单、对话框和鼠标器进行操作，摆脱了对键盘的依赖。同时突破了DOS操作系统对内 存的限制，使监控功能、通讯方式和人机界面等都发生了显著的变化。多任务管理使多 个应用程序可以同时运行并能有效地共享系统资源。操作者通过多窗口图形界面可同时监视 几幅画面，不同的画面之间可任意切换、平移及滚动。系统进入正常运行后，用户使用鼠标 器即可完成人机对话工作，而且图形生成软件包和报表生成软件包可以方便地生成自己的系 统画面和表格。
间隔层中采用的80C196系列单片机系统，软件设计主要包括监控软件、控制软件、保护软件 和通讯软件，程序固化于EPROM中。
(3)通讯方案
根据变电站的特殊要求和控制特点，变电站与调度端、上级站的通讯可采用载波、微波、无 线扩频或通过Modle加电话线等方式进行；而站内通讯网采用分层分布控制方式。
1)站内通讯网的结构形式
根据变电站一次设备的情况可把站内通讯网分为两层——变电站层和间隔层。 ①间隔层通常采用串行口进行通讯。如采用RS485或RS422通讯接口构成的通信。间隔层一般 由单片机来完成监控、远动和保护任务，层内单片机不断地自动完成现场的过程控制和保护 功能，就地能完成的功能尽量不上网，并能就地显示出各单元运行参数和完
成过程控制。这 样设计的优点在于，即使通讯网出故障中断，单片机保护装置仍能可靠地正常运行。
②变电站层采用Novell网，网上可根据需要配置多台主机，一般配置有7台左右的PC主机， 分别为高压设备监控机、中压设备监控机、远动管理机及保护管理机、远动工作站、工程师 站。其中远动工作站作为综合自动化装置的主机，为了保证其可靠性，我们采用两台586PC 机( 一台工作，一台备用)，可自动切换，满足双通道的要求。而工程师站可通过一台Modle和电 话线与站外微机通讯，可作为保护定值、程序及参数的远方修改工作机。
③为保证通讯网发生故障时，单片机仍能正常运行，单片机在通讯网上的接口处，我们还设 计有自动脱网电路。
站内通讯网采用Novell网和RS485和RS422组成的混合式总线网可以说是一种优势互补，恰到 好处的组合结构，由于Novell通讯网是计算机应用领域中十分普及的网络，它作为变电站层 通讯网能快速地完成大量信息交换，组态灵活，硬件十分通用。而间隔层采用RS485或RS422 总线网，对于接点数量不多，相互之间通讯信息量不大的场合是十分理想的。若也采用Nove ll网则成本太高，造成资源浪费。所以，采用两种网络组网，充分发挥各自优点是一种优势 互补的组合。
2)通讯协议
根据变电站自动控制系统的特点，站内通讯网采用带碰撞检测的载波监听多路访问技术。它 是一种随机争用媒体方式。通讯协议符合IEEE802 3标准。因为站内所有接点均连在总线式 通讯网上，并不断地监听总线是否有空闲，一旦有空闲，各个接点争相发送，这样就发生了 碰撞问题。为了减少碰撞，可将各接点从检测出总线空闲到发送数据规定不同延时，而这一 延时可以是随机的，也可以人为设定。对于重要的接点采用优先发送的原则，这样当一个接 点发送完毕，另外的接点又争相发送，所有接点均采用“边听边讲”争用总线方式，使总线 上的通讯效率大为提高，并更具有灵活性。网上增、减接点也非常方便，任一接点退出都不 影响其他接点的通讯。
3 结束语
变电站是电力系统中一类典型的过程对象，具有强磁场、多干扰、环境复杂、全天候与实时 性等特点。在变电站综合自动控制中使用本文所述多级多层微机控制系统方案，结合先进 的控制方法和软件将会达到良好的性能、品质。
(收稿20010302)
变电站微机自动化系统的集成
姜蕊辉 周 健
电力系统的综合自动化控制系统应具有可靠性高 、抗干扰能力强、实时性好及维护简单等特 点。随着计算机技术的迅速发展，电力系统的综合自动化控制系统的微机化进程越来越快， 微机化将是我国电力系统综合自动化控制系统的发展方向。本文所介绍的分层分布离散式控 制方式的变电站综合自动化控制系统是一种集控制、保护、测量及远动等功能为一体的微机 控制系统。相对于传统的以仪表框、控制台中央信号屏等组成的控制系统，它是一种以计算 机为主的、将变电站(所)的二次设备(包括测量、信号、控制、保护、自动装置和远动)经过 功能组合而形成的标准化、模块化、网络化和功能化的现代化计算机综合控制系统，适应了 现代生产发展和能源管理的要求。下面就该综合控制系统中的几个主要部分的设计进行分析 和介绍。
1 系统结构与控制方案
(1)系统结构
系统应能对变电站的控制、保护、测量、信号传递、远动等功能实现综合自动控制和管理。 由于站内强磁场干扰大，测量、控制、保护点多，谐波干扰及无线电干扰严重等原因，造成 系统控制、测量和保护的综合难度较大。基于上述原因我们采用国际上最为流行的分层分布 离散式控制方式，控制和保护单元均由独立的CPU构成，采用一对一结构，每一个回路由独 立的CPU完成，相互之间又采用站内通讯网联接在一起，可构成一个变电站集控制、保护、 测量、信号传送和远动为一体的综合自动化系统。我们在实际应用中采用的是一个由多层网 络组成的分层分布式综合自动化系统。整个系统从上到下依次可分为变电站层管理站、计算 机网络、间隔层管理站、工业级实时网络、现场监控、保护和远动控制单元。系统结构如图 1所示。
在整个系统中最上层是由2～3台变电站层管理站和2～4台间隔层管理站组成，二者之间通过 Novell网连接。第二层由2～4台间隔层管理站和20～40台单片机系统(或少量的PLC)构成， 它 们之间通过串行通讯口网连接。最下层网络是由单片机、少量的
PLC和继电保护装置等组件 构成。
整个系统在硬件配置上采用了分层分布式结构，在软件上采用了面向对象的程序设计方法。 因此整个系统组态灵活、人机界面友好、功能齐全、使用方便及维护容易，满足了工程运用 的要求。
(2)系统控制方案
根据电力系统的运行要求，对于110kV变电站我们采用微机远动、监控和微机保护分离的综 合自动化控制的方案。这样设计主要是从可靠性考虑，110kV设备一般是液压操作机构，其 监控及保护部分较复杂，将远动监控与保护分开是最佳的方案。同时两者之间又通过Novell 网相连，每一个间隔均由一套微机远动、监控装置和一套微机保护装置构成，而间隔层采用 RS485或RS422总线网，其系统结构框图如图2所示。对于35kV、10kV变电站综合自动化控 制系统一般可采用两种不同的设计方案。
方案一：采用微机远动、监控和微机保护分离式的结构型式，即类似110kV变电站的控制 系统设计结构，如图2示。
方案二：采用微机远动、监控和微机保护合一的结构型式，其特点是可以减少现场二次电缆 并简化接线，同时，由于35kV或10kV线路可靠性要求比110kV线路要低，按方案二把部分合 并成一个微机单元，技术上是可行的，且节省了大量投资。其系统结构与框图2基本相似。 只将图2中间隔层、保护管理机、远动监控管理机及现场控制单元合并成一套即可。
2 系统的实现
(1)系统的主要硬件设备
1)微机远动监控系统
该系统由现场远动监控系统和Novell网上的后台机(间隔层管理机)构成。现场远动监控系统 由十个回路的微机远动监控单元组成，每一个单元就是一套80C196单片机系统，它包 含有CPU、开关量入、开关量出、A/D转换、通讯及驱动输出等电路。它完成现场设备的监控远动功能。 其控制方式采用一对一原则或二对一原则，每一个回路由一
个或两个现场远动监控单元组成，每个单元都是独立的，任何一个单元出现故障或进行检修都不会影响其他单元的正常工作 。其主要功能如下：a 全部电量的测量功能；b 负荷监控功能；c 通讯功能；d 定值参 数的远方整定功能。而Novell网上的后台机完成数据、图表、电量参数的显示与记录；电 量变化过程曲线、趋势分析、人工置数及事故、事件、顺序记录、报警等功能。
2)现场微机保护单元
该系统中间隔层微机保护装置是由若干个微机保护单元构成，每一个单元也是一套80C196 单片机系统，它包含CPU、开关量入、开关量出、A/D转换、通讯及驱动输出等电路。这些单 元除与站内通讯网进行通讯以外，还实时监控电气设备的运行情况，一旦发生异常，保护电 路立即动作，同时将保护动作情况送到站内通讯网，每台间隔层管理站可装十个微机保护单 元。
①110kV线路微机保护单元
根据电力系统对可靠性的要求，对于每一110kV线路采用两个保护单元，按二对一原则配置 ， 即110kV线路微机保护是双机线路微机保护，另外，还有一套微机远动监控单元。可见，对 于每一110kV线路，是由三套微机单元构成，即实现了三对一配置。其主要完成如下功能：a 三段式相间距离保护；b 四段式方向零序电流保护；c 三相一次重合闸。
②双卷变微机保护单元
系统中采用了两套双卷变微机保护装置，每套又由三个保护单元构成，其内部也是由80C196 单片机系统组成，同上述微机保护单元内部硬件结构完全相同，只是保护软件不同。为了可 靠地保护主变压器，系统中采用了多CPU方案配置，即差动保护单元、高压侧过流保护单元 、低压侧过流保护单元分别由三个独立的保护单元来完成，三套保护单元相对独立、互不影 响、并联运行。因此构成高可靠性的主变微机保护。其主要功能如下：a 差动电流速断保 护 ；b 110kV中性点零序电压起动的Ⅱ段式零序电流保护；c 110kV负序电压或低电压起动的 过 流保护；d 低压侧负序电压或低电压起动的过流保护；e 非电量保护；f 主变高、低电 压侧负荷保护；g 间隙零序电流保护
等。
3)35kV、10kV线路及电容器微机保护单元
本系统中，10kV、35kV线路微机保护单元的硬件结构与110kV线路及主变保护单元硬件结构 基本相同，但电路简化了，同样由80C196单片机系统组成，其主要功能如下：a 10kV、35k V线路保护；b 电容器保护。
(2)系统主要软件
变电站层整个软件采用树形连接的模块式结构形式。均在Windows9X多窗口的环境下工作， 通过菜单、对话框和鼠标器进行操作，摆脱了对键盘的依赖。同时突破了DOS操作系统对内 存的限制，使监控功能、通讯方式和人机界面等都发生了显著的变化。多任务管理使多 个应用程序可以同时运行并能有效地共享系统资源。操作者通过多窗口图形界面可同时监视 几幅画面，不同的画面之间可任意切换、平移及滚动。系统进入正常运行后，用户使用鼠标 器即可完成人机对话工作，而且图形生成软件包和报表生成软件包可以方便地生成自己的系 统画面和表格。
间隔层中采用的80C196系列单片机系统，软件设计主要包括监控软件、控制软件、保护软件 和通讯软件，程序固化于EPROM中。
(3)通讯方案
根据变电站的特殊要求和控制特点，变电站与调度端、上级站的通讯可采用载波、微波、无 线扩频或通过Modle加电话线等方式进行；而站内通讯网采用分层分布控制方式。
1)站内通讯网的结构形式
根据变电站一次设备的情况可把站内通讯网分为两层——变电站层和间隔层。 ①间隔层通常采用串行口进行通讯。如采用RS485或RS422通讯接口构成的通信。间隔层一般 由单片机来完成监控、远动和保护任务，层内单片机不断地自动完成现场的过程控制和保护 功能，就地能完成的功能尽量不上网，并能就地显示出各单元运行参数和完
成过程控制。这 样设计的优点在于，即使通讯网出故障中断，单片机保护装置仍能可靠地正常运行。
②变电站层采用Novell网，网上可根据需要配置多台主机，一般配置有7台左右的PC主机， 分别为高压设备监控机、中压设备监控机、远动管理机及保护管理机、远动工作站、工程师 站。其中远动工作站作为综合自动化装置的主机，为了保证其可靠性，我们采用两台586PC 机( 一台工作，一台备用)，可自动切换，满足双通道的要求。而工程师站可通过一台Modle和电 话线与站外微机通讯，可作为保护定值、程序及参数的远方修改工作机。
③为保证通讯网发生故障时，单片机仍能正常运行，单片机在通讯网上的接口处，我们还设 计有自动脱网电路。
站内通讯网采用Novell网和RS485和RS422组成的混合式总线网可以说是一种优势互补，恰到 好处的组合结构，由于Novell通讯网是计算机应用领域中十分普及的网络，它作为变电站层 通讯网能快速地完成大量信息交换，组态灵活，硬件十分通用。而间隔层采用RS485或RS422 总线网，对于接点数量不多，相互之间通讯信息量不大的场合是十分理想的。若也采用Nove ll网则成本太高，造成资源浪费。所以，采用两种网络组网，充分发挥各自优点是一种优势 互补的组合。
2)通讯协议
根据变电站自动控制系统的特点，站内通讯网采用带碰撞检测的载波监听多路访问技术。它 是一种随机争用媒体方式。通讯协议符合IEEE802 3标准。因为站内所有接点均连在总线式 通讯网上，并不断地监听总线是否有空闲，一旦有空闲，各个接点争相发送，这样就发生了 碰撞问题。为了减少碰撞，可将各接点从检测出总线空闲到发送数据规定不同延时，而这一 延时可以是随机的，也可以人为设定。对于重要的接点采用优先发送的原则，这样当一个接 点发送完毕，另外的接点又争相发送，所有接点均采用“边听边讲”争用总线方式，使总线 上的通讯效率大为提高，并更具有灵活性。网上增、减接点也非常方便，任一接点退出都不 影响其他接点的通讯。
3 结束语
变电站是电力系统中一类典型的过程对象，具有强磁场、多干扰、环境复杂、全天候与实时 性等特点。在变电站综合自动控制中使用本文所述多级多层微机控制系统方案，结合先进 的控制方法和软件将会达到良好的性能、品质。
(收稿20010302)