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1、第五章 变电站综合自动化,第一节 变电站综合自动化系统的原理与结构第二节 变电站综合自动化的局域网第三节 现场总线,第一节 变电站综合自动化系统的原理与结构,引言 传统的二次系统是由相对独立的继电保护和安全自动装置系统、远动系统（或称四遥：遥测、遥信、遥控、遥调）和调度通信系统组成。这个系统在设备上和管理上都彼此独立，各司其职，统一由系统运行调度员使用和控制,因此继电保护的设计、运行，从硬件到软件，都必须考虑到这个统一的计算机系统的要求和特点。继电保护工作者，必须对变电站综合自动化系统的构成原理有基本了解。,20世纪80年代以来，随着继电保护实现了微机化，远动实现了数字化，调度实现了自动化，于
2、是出现了相互融合的趋势。产生了基于微机装置和计算机网络的变电站综合自动化系统，继电保护成为与变电站综合自动化不可分割的一个重要的组成部分,一、变电站综合自动化的基本原理,变电站综合自动化是将变电站的二次设备（常规的测量仪表、信号系统继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术和通信技术、信号处理技术和网络技术联结起来，实现对全变电站的重要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和继电保护，并与调度通信、实现电力系统统一调度控制的计算机网络,变电站综合自动化的特征,与传统变电站相比：,多台微型计算机代替,常规的测量和监视仪表,常规的控制屏、中央信号系统和远动
3、屏,微机保护代替,常规的继电保护,改变了常规的继电保护装置孤立运行，不与外界联系的状态,变电站综合自动化的特征,具体特征：变电站综合自动化系统可以采集到大量的数据和信息，利用计算机的高速计算和逻辑判断能力，可方便的监视和控制变电站内各种设备的运行状态和操作过程。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。,二、变电站综合自动化的系统结构,变电站综合自动化经历三个了发展阶段,集中式,分层分布式,分散与集中相结合的分布式,（一）集中式变电站综合自动化结构,集中式是指用一台计算机（工控机）完成上述综合自动化的全部功能,对于大容量高压变电站，需要保护和控制的设备很多
4、，用集中式系统时可靠性、灵敏性不能满足要求，随着计算机价格的不断下降，到20世纪末期，变电站综合自动化向分层分布式结构发展,（二）分层分布式变电站综合自动化结构,分层分布式变电站综合自动化系统是将变电站信息的采集和控制分为管理层、站控层和间隔层三个级分层布置,在结构上采用主从CPU协同工作方式，各个功能模块（通常是各个从CPU）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了集中式结构中一个CPU计算处理的瓶颈问题，方便了系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块（部件）正常运行。,分层分布式变电站综合自动化系统结构示意图,相关几个概念,远方终端单元RTU（
5、Remote Terminal Unit）由保护单元和测控单元组成，保护单元把继电保护自动重合闸、故障滤波、故障测距等功能综合在一起；测控单元把远动、测量和控制功能综合在一起 间隔级单元（bay level unit）指变电站所有高压设备如线路、变压器、电容器母线等的测量、信号、保护、控制设备及其数据采集通称,（三）分散与集中相结合的分布式变电站综合自动化系统结构,它是采用“面向对象”即面向电气一次回路或电气间隔（如一条出线、一台变压器、一组电容器等）的方法进行设计的，间隔层中各数据采集、监控单元和保护单元做在一起，设计在同一机箱中，并将这种机箱就地分散安装在开关柜或其他一次设备附近。,这种间
6、隔单元的设备相互独立，仅通过光纤或电缆网络由站控机对它们进行管理和交换信息。,分散与集中相结合的分布式变电站综合自动化系统结构示意图,这种组态模式集中了分布式的全部优点，此外还最大限度地压缩了二次设备及其繁杂的二次电缆，节省土地投资。这种结构形式本身配置灵活，从安装配置上除了能分散安装在间隔开关柜上外，还可以实现在控制室内集中组屏或分层组屏，即一部分集中在低压开关室内，而高压线路保护和主变压器保护装置等采用集中组屏的系统结构称为分散和集中相结合的结构.,它不仅适合应用在各种电压等级的变电站中，而且在高压变电站中应用更趋于合理，经济效益更好。,三、变电站综合自动化系统通信的任务,主要任务：,用以
7、微机为核心的保护和控制装置替代变电站内模拟式的保护和控制装置,关键在于实现了信息交换,通过信息交换实现了信息共享，减少变电站设备的 重复配置,简化设备之间的互连，从整体上提高了电网自动化水平,数据通信包括两方面的内容，一是综合自动化系统内部各子系统或各功能模块间的信息交换，如保护动作信号传递给中央信号系统报警，二是变电站与控制中心间的信息交换。即向控制中心和电网调度传送变电站的实时信息，电压、电流、功率的数值大小，开关状态，事件顺序记录（简称SOE，Sequence of Events）等信息，同时接收调度下达的断路器操作，在线修改保护定值等命令。调度中心从全系统范围内考虑电能质量，潮流和稳定
8、的控制等，将给电力系统管理带来很大的效益。,四、通信系统构成,简单的数据通信系统由数据终端、调制解调器、通信线路，通信处理机和主计算机构成，如下图所示,相关几个概念,数据终端 电力系统被监控设备与数据通信网络之间的接口，能够把电气模拟信号或状态量转换为二进制信息向数据通信网络送出，也能够把从数据通信网络中接受到的控制调节指令（或经过转换）向受控对象发出,通信线路 目前电网调度自动化系统中各厂站到调度中心都是串行通信，即根据一个字节中各码元的顺序一位一位的传输过去，接受端逐位收齐8位后，CPU会将这个字节一次取走，因此仅需一回传输线（两根）。按照信息传送的方向时间，数据通道系统有单工、半双工和全
9、双工两种 可以采用公用通信线路或专用通信线路，可以直接连接，也可以通过通信处理机网络连接。进行通信的通道又称为“信道”。电力系统通信的信道种类很多，按数据传输媒介的不同，数据传输信道可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括：电力载波、通信电缆、光纤、现场总线等。无线信道包括，微波、卫星通信等。,调制解调器：（modem）作用是将二进制数据序列调制（Modulator）成模拟信号或把模拟信号解调（Demodulater）成二进制数据，是计算机与模拟信道 之间的连接桥梁,在电力系统中大多数调制采用数字调频，又称移频键控（简称FSK：Frequency-shift keying）方式,调制与解调示
10、意图,通信处理机 承担通信控制任务，完成计算机数据处理速度与通信线路传输速度间的匹配缓冲，对传输信道产生的误码和故障进行检测控制，对网络中数据流向与密度根据要求进行路由选择和逻辑信道的建立与拆除。主计算机 集中数据末端采集到的电力系统运行数据，进行判别、分析与控制。,第二节 变电站综合自动化的局域网络,局域网（Local Area Network，简写为LAN），它是把多台小型、微型计算机以及外围设备用通信线路互相连起来，并按照网络通信协议实现通信的系统,变电站综合自动化所以能够实现，主要是依靠计算机局部区域网络,构成局域网的四大要素,网络的拓扑结构传输介质传输控制通信方式。,一、局域网的拓扑
11、结构,网络拓扑:在网络中，多个站点相互连接的方法 或形式,（a）星型；（b）总线型；（c）环型,星型 星型结构指若干台计算机均与一台主计算机（或称中央节点）相连，由中央节点执行集中式通信控制策略。当某个节点要发送数据时，就向中心节点发出请求，由交换中心以线路交换方式将发送节点与目的节点沟通形成通信链路，通信完毕链路立即拆除。星型网络也可以由中心节点用轮询方式依次访问各个节点。,显然，各站点的通信处理负担很轻，而中央节点负责建立和控制任意两个节点间的通信路径，任务重，程序复杂。当中央节点出故障时，整个系统就会瘫痪。为保证系统工作可靠，中心节点可设置备份。在电力系统中，采用循环式规约的远动系统其调
12、度端同各厂、站的通信拓扑结构就是星型结构,总线型 在总线型结构中，所有站点经过接口连到同一条总线上。总线结构不设中央控制，属于分散式结构。在任何时刻，总线只允许两个站点之间进行通信。报文送到总线上可被所有节点接收，但只有与目的地址符合的节点才受理报文。,采用总线方式时增加或减少用户比较方便。但如总线故障，就会导致全系统失效,环型 环型结构是用中继器（转发器）将各段链路串联成环型。中继器是一种比较简单的设备，它能够接收一条链路的数据，再以同样的速度串行地将此数据传送到另一条链路上。这种链路只能向单一方向传送数据。每个站点都通过一个中继器连接到环网上去。数据以分组形式发送，每个节点都有控制发送和接
13、收的访问逻辑，以便决定每个站在什么时候可以将自己的分组信息发到环上。在环形网络中，报文按一个方向沿着环一站一站地传送。报文中含有源节点地址，目的节点地址和数据等。报文由源节点送至环上，有中间节点转发，并由目的节点接收。通常报文还继续传送，返回到源节点，再由源节点将报文撤除。环网一般采用分布式控制，接口设备较简单。,二、局域网的传输信道,局域网一般采用双绞线、同轴电缆或光纤等作为传输信道，也可采用无线信道。双绞线一般用于低速传输，最大传输速率可达每秒几兆比特。双绞线传输距离较近，但成本较低。同轴电缆可满足较高性能的要求，与双绞线相比，同轴电缆可连接较多的设备，传输更远的距离，提供更大的容量，抗干
14、扰能力也较强,三、局域网的主要特点,（一）安全性。LAN技术无论在理论上还是在软件和硬件上都已十分成熟可靠，若能针对电力系统的特点采取某些措施，LAN是可以满足变电站综合自动化对安全性和可靠性的要求的。（二）开放性。LAN一般都是按照国际标准化组织（ISO）来设计的，可以方便地将不同厂家的设备连接起来，兼容性好，并可以方便地进行二次开发。（三）由于LAN的标准化设计，系统配置组合相当灵活，允许人们方便地改变或修改系统，而且系统设备来源广泛，具有丰富地软件支持。（四）技术方面有：1传输距离较近，一般为0.110Km；2数据传输速率较高，通常为120Mbit/s；3误码率较低，一般为数量级；,四、
15、以太网（Ehternet）简介,目前应用最广泛、性能最突出的标准LAN是（Ehternet）以太网（IEEE802.3）。以太网采用总线拓扑结构，总线每段长度不超过500m，必要时可经中继器再增加一段或几段。下图是一个以太网的结构框图，从图中可以看出，凡是用同轴电缆互相连接的各站都能收到主机（HOST）发出的报文分组，但只有目的地址所指明的终端才可以接收，不需要路径选择，没有中央计算机来进行网络控制，当网络中某个站发生故障，不会影响整个系统的运行,以太网结构框图,以太网采用各节点竞争抢占总线发送信息的随机方法，抢到总线的节点就向总线发送信息，其它节点就不能同时发送信息了。为了克服几个节点同时抢
16、占总线发信的冲突，采用了“先听后发”（Liten before talk）的方法，若监听到总线空闲，在稍等一下后立即发出自己的信息。,若监听到总线忙，就一直监听，直到总线有空闲再抢占。并且，已开始发送信息的节点还要边发送边监听，验证总线发送的信息是否与本站发送的信息一致，如一致，说明成功，否则，说明有冲突，应立即停止发送，退让一个随机控制时间t后，重新抢占总线。发送报文如果冲突，并在规定的时间内收到对方肯定性回答ACK，就结束这次通信，否则继续监听，重复发报过程,五 串行通信接口,在变电站综合自动化系统中，各子系统间以及系统内各功能模块间大多使用RS-422/RS-485通信接口相连，实现状态
17、信息和数据相互交换。变电站综合自动化系统与电网调度自动化系统使用RS-232通信接口相连，实现信息交换、信息共享.,（一）RS-232C与RS-422A串行接口,1.RS-232C是美国电子工业协会（EIA）推荐的一种串口通信接口标准，是数据终端（如RTU、PC等）同用电话线实现远距离通信的调制解调器（Modem）之间的接口标准。,数据终端设备(Data Terminal Equipment简称DTE）数据电路端设备(Data Circuit Equipment简称DCE）,RS-232C的数据传输过程,RS232C的优缺点,优点是采用单端驱动，单端接受电路，传送每种信号只用一根信号线，所有信
18、号公用一根信号地线，电路简单，应用广泛 缺点 数据传输速率不高（200 Kbps以内），传输距离不远（15m以内），且因有公共地线，较易受噪声干扰。,2.RS422A通信接口,在RS232C接口基础上改进，提出了RS422接口。RS422A标准采用平衡传输方式，传输一个信号要用两条线,其连接方式见图,由于采用平衡传输，抗干扰性能力大大加强，传输速度和性能与RS232C相比，提高很多，如距离1200m速度可达100Kbps，若距离为12 m远，速度可达10Mbps,（二）RS-485总线接口,RS-485仅能用于半双工通信。其电气特性图同RS-422，RS-485电气连接见右图,由于RS-485
19、采用平衡传输，每个信号采用2根信号线传输，具有良好的抗干扰性能。故在实践中常采用RS-485电气接口，组成总线通信网，实现一点对多点通信,RS485组网连接示意图,RCS9698总控单元通信接线图,第三节 现场总线,RS-485 不足：首先，在采用RS-422、RS-485通信接口时，虽然可实现多个节点（设备）间的互连，但接口的节点一般不超过32个，在变电站规模较大时，不能满足自动化的系统的要求；其次，采用RS-422或RS-485通信接口，其通信方式多为查询方式，即由主计算机询问，保护单元或自控装置应答，通信效率低，难以满足较高的实时性要求；,再者使用RS-422/RS-485通信接口，整个
20、通信网上只能有一个主节点对通信进行管理和控制，其余皆为从节点，受主节点管理和控制，这样，主节点变成为系统的瓶颈，一旦主节点出现故障，整个系统的通信便无法进行；另外对RS-422/RS-485接口的通信规约缺乏统一标准，使不同厂家出产的设备很难互连，给用户带来不便。,基于上述原因，国际上已在20世纪80年代中期就提出了现场总线，并制定了相应的标准。目前在高压变电站的综合自动化系统中得到广泛的应用,一、现场总线的特点,现场总线（Field bus）是一种全数字双向多站点通信系统。优点如下：,具有局域网（LAN）的一些优点可以满足工业过程控制中各种现场设备的通信要求满足了互换操作，使不同厂家的设备可
21、以互连互换现场总线的开放性使用户可方便地实现数据共享,在电力系统现场总线适合于RTU和附近区域工作站的通信，以及满足发电厂、变电站内自动化中智能模块之间的通信。,二、CAN现场总线,CAN（Controller Area Network）是控制局域网的简称，其总线规范已被ISO（国际标准组织）制定为国际标准。CAN属于总线式串行通信网络,（一）总线仲裁技术,总线采用差分信号来传送数值信息，差分电压较大时表示“”，差分电压较小时表示“”，如右图所示，典型的电气连接如图5-15所示（其中终端电阻用以抑制反射）。,将差分信号与电气连接图结合起来后，可以看出，如果多个节点向总线发送信息，有的节点发送“
22、0”，有的发送“1”，则“0”信息的信号就将V1与V2导通（以节点发送为例），最终在总线上仍然呈现为“0”，于是，CAN总线的仲裁机制充分利用了这个特征。,CAN总线的典型电气接线图,（二）CAN现场总线的特点概括,1采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。2采用差分信号的传递方式，有利于提高抗干扰性能。3每帧信息都有CRC校验和其他纠错措施，保证了数据出错率极低。4节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响。,5采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续
23、传输数据，从而大大节省了总线冲突时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。6网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134内得到传输。7为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。,8只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无须专门的“调度”。9直接通信距离最远可达10Km，（速率kbps以下）；通信速率最高可达bps（此时通信距离最长40m）。10CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。11通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。,本章完！,
