110 kV變電站綜合自動化系統(tǒng)的設計

唐宇奇

（廣西智鑫電力設計有限公司，廣西 南寧 530022）

1 引言

隨著電網規(guī)模的不斷擴大、電力分配的日益復雜和用戶對電能質量的要求進一步提高，電網自動化就顯得極為重要；近年來我國計算機和通信技術的發(fā)展以及自動化技術的成熟，發(fā)展配電網調度與管理自動化已具備了條件。變電站在配電網中的地位十分重要，它擔負著電能轉換和電能重新分配的繁重任務，對電網的安全和經濟運行起著舉足輕重的作用。因此，變電站綜合自動化既是實現電網自動化的重要基礎之一，也是滿足現代化供用電的實時、可靠、安全、經濟運行管理的需要。

本論文主要針對 110 kV變電站綜合自動化系統(tǒng)進行設計研究，以期從中找到可靠安全的變電站自動化管理的模式與方法經驗，并以此和廣大同行分享。

2 110 kV變電站綜合自動化系統(tǒng)總體結構設計

本文以電壓等級為110 kV為例進行變電站綜合自動化系統(tǒng)的設計，一次電氣設備接線總體設計方案如下：110 kV進線 2回，電壓等級為10 kV出線16回，Y/△變壓器，暗備用、備用變壓器采用3臺循環(huán)備用制，只有在主變壓設備發(fā)生故障后才啟用備用變壓器，進線側為內橋接線，出線側單母線分段接線。

該變電站綜合自動化系統(tǒng)采用分層分布式多 CPU并行工作的方式，整個系統(tǒng)分為兩層：變電站層和間隔層。

2.1 變電站層

變電站層硬件可分為以下幾個部分：

2.1.1 監(jiān)控主機

監(jiān)控主機（上位機）主要完成：數據采集處理；運行過程監(jiān)控：事件顯示、打印、報警；圖形畫面、歷史報表顯示、打??；圖形編輯、報表編輯；數據庫定義等功能。

2.1.2 工程師站

工程師站主要負責日常的軟件開發(fā)、管理及維護，其基本配置與監(jiān)控主機基本一致。

2.1.3 通信管理機

通信管理機是綜合自動化系統(tǒng)的通信樞紐，通信管理機和間隔層單元之間通過CAN總線連接，與監(jiān)控主機及工程師站之間通過以太網連接。另外，通信管理機還通過外置調制解調器和遠方調度通信。通信管理機的主要功能是一個規(guī)約轉換器，它負責以不同的通訊方式收集來自變電站各智能設備（如保護單元、監(jiān)控單元及其他智能設備）的實時信息，將其分類、篩選、轉換、存儲，同時以不同的規(guī)約經不同的通信介質向監(jiān)控主機和遠方調度轉發(fā)。

2.1.4 網絡設備及網絡電纜

光纖網絡設備包括網絡HUB、光纖模塊、光纖收發(fā)器等，主要模塊安裝在網絡設備盤內。變電站層設備通過光纖以太網連接，構成高速、可靠的通信網絡。

2.2 間隔層

間隔層各智能單元按照變電站一次設備分布配置，智能單元之間相互獨立，僅通過站內的CAN通信網絡互聯并與變電站層通信管理機連接。在功能分配上，采用可以下放盡量下放的原則，凡是可以在各間隔單元就地完成的功能決不依賴通信網。

間隔層按照變電站一次設備配置有：①主變壓器保護單元；②主變壓器測控單元；③110 kV線路保護單元；④110 kV分段備自投單元；⑤10 kV線路保護測控單元；⑥10 kV分段備自投單元；⑦10 kV電容器保護測控單元；⑧電壓無功控制單元；⑨站用變壓器保護測控單元；⑩10 kV PT測控單元。

間隔層各單元硬件結構基本相似，采用 16位的 Intel 80C196KC單片機作為CPU；外擴EPROM和SRAM存儲器；模擬量測量輸入通道、頻率測量通道；開關量輸入通道保護、控制出口通道、獨立電源等。系統(tǒng)通過間隔層各智能單元來完成對變壓器、電容器組、母線、進線、出線等設備的測量、控制、保護等功能。

3 110 kV變電站綜合自動化系統(tǒng)的實現

3.1 變電站自動化系統(tǒng)數據采集模塊的實現

該模塊主要是用來對變電站現場所有需要監(jiān)視的電氣設備的電參量和各種開關信號的實時信號采集當前狀態(tài)。它包括各生產設備運行參數狀態(tài)及系統(tǒng)安全穩(wěn)定裕度的圖形顯示，如各電流電壓幅值、變電站的電能度數、各個斷路器的狀態(tài)、上下刀開關的狀態(tài)、各類參量波形變比趨勢顯示等。

根據系統(tǒng)結構設計，結合實時性的要求必須對二條以上的線路同時進行數據采集和分析，并且對每條線路的數據采集和分析必須是獨立的、同步的，互不干擾，互不影響。目前絕大多數計算機采用的是馮諾依曼體系結構，這種結構的特點是順序處理，一個處理器在同一時刻只能處理一件事情。為了滿足用戶的要求，根據大型機的并行處理模式，我們采用了仿并行處理技術。這種技術采用了一種全新的調度策略，將處理器的運算時間分成若干個時間片，當對某一條線路進行監(jiān)測和分析時，就占用一個時間片；當對另一條線路進行監(jiān)測和分析時，就占用另一個時間片，這樣輪流占用，由于處理器的指令處理周期為10 s～9 s的數量級，這樣就可以近似地認為是在對每條線路同時進行監(jiān)測和分析。

在本系統(tǒng)中，上位機（工業(yè)計算機）通過發(fā)送采集命令來獲取下位機的響應，下位機通過不斷查詢來確定是否被訪問，一有命令數據采集模塊立刻響應發(fā)送采集到的數據。上位機接收數據后進行相應的處理。對于每條總線都必須執(zhí)行上述的過程，所以采用了多線程，每條總線采用一個線程，從而實現了同時并行的對所有總線進行數據采集。

3.2 系統(tǒng)數據庫系統(tǒng)的實現

數據庫是作為110 kV變電站綜合自動化系統(tǒng)的核心。為了有助于數據信息的管理和運用，系統(tǒng)將數據信息按一定的數據結構進行組織管理。系統(tǒng)中數據結構設計的優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的規(guī)模、功能展現、開放性和實時性指標，根據對本系統(tǒng)的分析我們采用了內存數據庫、實時數據庫、歷史數據庫的三層數據庫結構?？紤]到開發(fā)周期和維護、升級成本，系統(tǒng)采用商用數據庫作為實時數據庫及歷史數據庫。

對于本系統(tǒng)各個數據庫的具體層次設計方案分析如下，4臺工業(yè)計算機中既有內存數據庫又有實時數據庫，內存數據庫存在于該計算機的內存緩沖區(qū)中，實時數據庫是以文本的形式存在于硬盤中；兩臺互為備用的服務器里面也有實時數據庫和歷史數據庫，這里的實時數據庫有別于4臺工業(yè)計算機的實時數據庫，它的數據是由4臺工業(yè)計算機上定時下載后保存在服務器上的，歷史數據庫中的數據由實時數據庫中的數據經過稀疏處理后導入數據庫中。由于數據庫具體設計參考資料太多，因此本文不予贅述。

4 結束語

變電站綜合自動化技術的應用必將實現變電站現代化管理，從根本上改變傳統(tǒng)變電站的主體結構和值班維護方式，充分體現出現代化生產的特點，是當代電網自動化技術發(fā)展的必然趨勢。本文對變電站綜合自動化的總體結構設計進行了探討，并對其中自動化系統(tǒng)實現的關鍵技術進行了研究分析，對于變電站綜合自動化系統(tǒng)的建設而言是一次有益的嘗試與探索，同時本論文所探討的自動化設計方案，對于更高電壓等級，如380 kV（330 kV）、500 kV等變電站綜合自動化系統(tǒng)的設計也有一定指導和借鑒意義。