智能變電站測控裝置文獻綜述

1、文獻綜述智能變電站測控裝置研究摘要：智能變電站是堅強智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐,是電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的采集源頭和命令執(zhí)行單元,與其他環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密,是統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的重要保障,也是實現(xiàn)智能電網(wǎng)自動化特征的主要體現(xiàn)。智能化變電站是以IEC61850的數(shù)字化變電站為基礎(chǔ)和前提的,是數(shù)字化變電站的發(fā)展和升級。數(shù)字化變電站基本上所有的自動化功能和技術(shù)特征智能化變電站都具備，智能變電站是是從傳統(tǒng)變電站到數(shù)字化變電站發(fā)展的必然結(jié)果。建立智能電網(wǎng)是一項巨大的歷史性工程,而智能變電站是智能電網(wǎng)的核心內(nèi)容之一。測控裝置是間隔層中的最基本同時也是最重要的裝置，它提供了具有智能集成一體化功能的面向工業(yè)測

2、控系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)平臺。測控裝置作為智能變電站運行數(shù)據(jù)信息采集和執(zhí)行設(shè)備操作控制的主要設(shè)備，是實現(xiàn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。第1章 研究背景1.1智能變電站智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動的變電站1。與常規(guī)變電站相比,智能變電站具有節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)緊湊、提高自動化水平、消除大量安全隱患等優(yōu)點,其實現(xiàn)了一二次設(shè)備的智能化,運行管理的自動化,更深層次

3、體現(xiàn)出堅強智能電網(wǎng)的信息化、自動化和互動化的技術(shù)特點2-5。傳統(tǒng)的電網(wǎng)主要注重的是信息化傳輸，數(shù)字化變電站或數(shù)字電網(wǎng)注重的是實現(xiàn)信息的網(wǎng)絡(luò)交互，而升級后的智能電網(wǎng)則更加注重信息的互換互用以及功能的智能化應(yīng)用。確切地說，智能化電網(wǎng)是在網(wǎng)絡(luò)信息交互共享的基礎(chǔ)上實現(xiàn)信息互用，這需要建立電力企業(yè)的大信息平臺,并在此基礎(chǔ)上逐步實現(xiàn)智能電網(wǎng)所要求的諸多強大功能。隨著信息技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，智能化自動裝置在電網(wǎng)控制鄰域得到廣泛的應(yīng)用，我國的變電站自動化系統(tǒng)也經(jīng)歷了飛速發(fā)展6。智能變電站是由數(shù)字化變電站發(fā)展演變而來。智能變電站的研究與建設(shè)離不開數(shù)字化變電站在技術(shù)和實際運行積累的長期經(jīng)驗。國內(nèi)

4、的一些電力企業(yè)和科研院所在國家電網(wǎng)公司的組織下，開展了數(shù)字化電網(wǎng)的框架性研究，同時各個電壓等級的數(shù)字化變電站試點也在不同層次上進行。隨著多個不同電壓等級的數(shù)字變電站的陸續(xù)投入運行，為變電站的全數(shù)字化建設(shè)取得了寶貴的經(jīng)驗,這對我國智能變電站的建設(shè)有非常重要的意義。1.2標準IEC61850標準是由國際電工委員會(International Electro technical Commission)第57技術(shù)委員會于2004年頒布的、應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標準。作為基于網(wǎng)絡(luò)通訊平臺的變電站唯一的國際標準，IEC61850標準吸收了IEC60870系列標準和UCA的經(jīng)驗，同時吸收了很多先進

5、的技術(shù)，對保護和控制等自動化產(chǎn)品和變電站自動化系統(tǒng)（SAS）的設(shè)計產(chǎn)生深刻的影響。它將不僅應(yīng)用在變電站內(nèi)，而且將運用于變電站與調(diào)度中心之間以及各級調(diào)度中心之間。國內(nèi)外各大電力公司、研究機構(gòu)都在積極調(diào)整產(chǎn)品研發(fā)方向，力圖和新的國際標準接軌，以適應(yīng)未來的發(fā)展方向。變電站通信體系IEC61850將變電站通信體系分為3層:變電站層、間隔層、過程層。測控裝置是間隔層的重要裝置。智能變電站中的測控裝置，是實現(xiàn)測量和控制功能的前端二次設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對站內(nèi)設(shè)備的遙控以及對各個間隔遙測、遙信量的采集7，為運行人員提供最原始的信息，是變電站實現(xiàn)綜合自動化的基礎(chǔ)8，也是實現(xiàn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。對測控裝置進行

6、研究具有非常重要的意義，對于智能變電站的研究以及推廣能夠發(fā)揮積極的作用。第2章 智能變電站測控裝置2.1測控裝置介紹測控裝置是變電站自動化系統(tǒng)間隔層的核心設(shè)備，主要完成變電站一次系統(tǒng)電壓、電流、功率、頻率等各種電氣參數(shù)測量（遙測），一（二）次設(shè)備狀態(tài)信號采集（遙信）。接受調(diào)度主站或變電站監(jiān)控系統(tǒng)操作員工作站下發(fā)的對開關(guān)、刀閘、變電站分接頭等設(shè)備的控制命令（遙控、遙調(diào)），并通過聯(lián)閉鎖等邏輯控制手段保障操作控制的安全性。同時還要完成數(shù)據(jù)處理分析，生成事件順序記錄等功能。測控裝置在變電站二次系統(tǒng)中的位置如圖2-1所示，左圖為傳統(tǒng)變電站，右圖為智能（數(shù)字化）變電站。圖2-1 測控裝置在變電站自動化系統(tǒng)

7、中的位置2.測控裝置功能實現(xiàn)方式變電站測控功能的實現(xiàn)方式經(jīng)歷了集中式和單元式兩個階段2。1980年代及以前，變電站的遠動功能主要依靠集中式RTU裝置實現(xiàn)，通過變送器及一些數(shù)字接口電路對變電站二次系統(tǒng)的一些測量和信號進行采集，對采集量進行集中處理。RTU裝置按照功能分為遙信單元、遙測單元、遙控單元、遙調(diào)單元等。此類系統(tǒng)稱為集中RTU模式，RTU模式二次系統(tǒng)接線復雜，不利于維護和擴展。1990年代初期，隨著嵌入式處理器及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，集中式RTU向單元式測控裝置轉(zhuǎn)變，測控功能按一次設(shè)備對象單獨形成裝置，完成一個設(shè)備間隔內(nèi)的測量與控制功能。這種面向?qū)ο?、分層分布的系統(tǒng)模式大幅度地減少了二次連接

8、電纜，減少了電磁干擾對傳送信息的影響，具有更高的可靠性，并且易于使用、方便管理及維護，目前被大量應(yīng)用。2.測控裝置類型及功能目前，變電站的測控裝置均采用按一次設(shè)備間隔配置的方式。根據(jù)監(jiān)測對象的不同，測控裝置主要分為線路或斷路器測控、母線測控、主變測控、公用測控等類型不同類型測控裝置功能配置見表2.1。表2.1 測控裝置功能分配序號類型功能配置1線路測控主要用于變電站線路或斷路器單元的測量與控制，采集線路電壓、電流、頻率、功率等電氣量，實現(xiàn)間隔內(nèi)的斷路器、刀閘等一次設(shè)備的控制。2母線測控主要用于變電站內(nèi)母線電壓的采集和母線刀閘設(shè)備的控制。3主變測控主要用于變電站內(nèi)變壓器間隔的電氣參量采集，實現(xiàn)變

9、壓器檔位調(diào)節(jié)控制，并實現(xiàn)變壓器溫度等非電氣量的監(jiān)測。 4公用測控主要用于集中采集站內(nèi)的輔助系統(tǒng)狀態(tài)量信號以及二次設(shè)備的告警信號，有時也兼顧站內(nèi)所用變的運行狀態(tài)監(jiān)測和控制。2.測控裝置相關(guān)文獻在文獻9中，作者指出了智能變電站一些關(guān)鍵技術(shù)研究方向，其中之一就是數(shù)字化測控技術(shù)，提出了在數(shù)字化變電站平臺上，研究設(shè)備數(shù)字化測控技術(shù)。文獻10中指出測控裝置在變電站綜合自動化系統(tǒng)中肩負著測量與控制的任務(wù)，它的功能的實現(xiàn)對變電站有著重要的意義。作者結(jié)合變電站綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計思路的發(fā)展，電子、通信等技術(shù)和測量控制的理論進步，提出了新型測控裝置的設(shè)計方案。新型測控裝置是基于間隔設(shè)計的，外部通信接口選用以太網(wǎng)，

10、能夠方便、靈活地實現(xiàn)與變電站層的通信，網(wǎng)絡(luò)帶寬高，并可實現(xiàn)間隔之間的信息共享和遙控操作的全局防誤閉鎖，并以軟件的方式實現(xiàn)可編程邏輯運算；內(nèi)部通信采用CAN總線，雙CAN互為冗余，可靠性高，處理突發(fā)事件能力增強。裝置采用模塊化設(shè)計，各功能模塊可按現(xiàn)場的要求靈活配置；交流采樣按功能模塊設(shè)計，算法上可實現(xiàn)多種配置，并可對誤差進行補償，測量精度高；文獻11中也基于變電站綜合自動化系統(tǒng)，設(shè)計了智能化變電站測控系統(tǒng)的硬件電路、控制系統(tǒng)和測控軟件。該測控系統(tǒng)由高性能十六位單片機 M37753 為核心組成，可對變電站二次側(cè)電壓、電流等電量進行監(jiān)測，并采集開關(guān)的分合狀態(tài)信息，根據(jù)需要對開關(guān)的分合狀態(tài)進行控制，具

11、有遙信、遙測、遙控和遙調(diào)即“四遙”功能及與上位機的通信功能，實現(xiàn)了變電站的實時監(jiān)控。文獻12、13、14中，都提出了將各種具有高性價比的新型處理器芯片和外圍芯片大量應(yīng)用到變電站測控裝置上。文獻15中，研究間隔層保護測控裝置的通信，一方面是間隔層保護測控裝置與站控層監(jiān)測主機之間的通信，將保護測控裝置底層通信映射到制造報文規(guī)范MMS上。另一方面是實現(xiàn)間隔層保護測控裝置之間的GOOSE通信，用于實時性要求比較高的間隔閉鎖和傳送跳閘信號。文獻16中基于數(shù)字化變電站的理論基礎(chǔ)，本文分析與研究了變電站間隔層中的保護測控裝置的軟硬件平臺，提出了一種基于DSP與ARM的雙處理器的保護測控裝置的設(shè)計方案，對硬件

12、結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，主處理器采用高性能的DSPTMS320F2812芯片作為運算處理、保護功能，從處理器采用ARMS3C44BOX芯片作為通信、人機接口等功能，詳細闡述了主從處理器間通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)的問題，同時也著重對以太網(wǎng)通信功能模塊進行了闡述，實現(xiàn)了符合IEC61850標準統(tǒng)一的以太網(wǎng)接口，并通過移植集成有完整的TCP/IP協(xié)議棧的uCIimix操作系統(tǒng)到保護測控裝置上,實現(xiàn)了嵌入式操作系統(tǒng)在IED上應(yīng)用的例證。文獻17中，指出隨著變電站智能化的發(fā)展，面對全新的數(shù)據(jù)接口和其帶來的相應(yīng)問題，對測控設(shè)備的測量功能提出了一種實用的新方案，從理論分析和仿真實驗的角度驗證了其正確性，并應(yīng)用于實際系

13、統(tǒng)中。文獻18中提出了一種新的測控裝置硬件方案，將CAN總線引入到測控裝置,增強了裝置的抗干擾能力；在裝置內(nèi)設(shè)立了MASTER主站,專門負責通訊,MASTER插件的CPU帶有嵌入式以太網(wǎng)接口，可以方便地接入以太網(wǎng)，提高了裝置的實時性；用14位逐次逼近型ADC代替VFC構(gòu)成新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在設(shè)計中采用大量可配置信息，并在人機接口插件上采用了大液晶顯示器，使人機界面更加友好。在文獻19中，設(shè)計出的測控裝置能夠?qū)崟r測量兩段母線電壓的相位等，以MMS報文等方式上送后臺和遠動，從而實現(xiàn)裝置或監(jiān)控的自動核相，以達到準同期合閘的目的。在文獻20中，作者結(jié)合數(shù)字化變電站保護測控裝置的研發(fā)經(jīng)驗，全面總結(jié)和闡述

14、了智能變電站保護測控裝置開發(fā)設(shè)計的一般思路，保護測控裝置采用IEC61850標準建立對象模型，利用IEC61850模塊化思想和面向?qū)ο蠹夹g(shù)進行裝置的程序設(shè)計，采用PLC可編程組態(tài)技術(shù)生成裝置程序，并選擇高可靠性的網(wǎng)絡(luò)拓撲及冗余技術(shù)來保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。文獻21中，總結(jié)了目前幾種典型的不同電壓等級智能變電站的測控實現(xiàn)方案，并對比分析其優(yōu)缺點，最后提出智能變電站測控技術(shù)的發(fā)展方向，提出今后測控將呈功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化方向發(fā)展，多功能測控和集中式測控技術(shù)的深入研究。文獻22中，作者指出了智能變電站線路保護測控裝置相關(guān)技術(shù)的研究包括智能變電站結(jié)構(gòu)研究、電子式互感器技術(shù)的研究以及合并單元研究。并設(shè)計

15、了智能變電站線路保護測控裝置的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)，硬件架構(gòu)包括CPU插件、通訊擴展插件、電源插件等相關(guān)插件；軟件設(shè)計基于IEC61850標準的統(tǒng)一軟件平臺，采用Vxworks嵌入式實時操作系統(tǒng),引入面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，裝置的測控類功能如測量模塊、遙信處理模塊,保護類功能距離保護、過流保護、重合閘功能等都變成了一個個“對象”，在IEC61850標準中稱之為“邏輯節(jié)點”，在程序中對每個功能對象進行封裝。第章總結(jié)與展望變電站經(jīng)歷了常規(guī)變電站、綜合自動化變電站、數(shù)字化變電站到智能變電站的發(fā)展，“數(shù)字化”是變電站自動化的基礎(chǔ)，智能變電站是變電站朝自動化方向發(fā)展的必然結(jié)果。2009年年底國家電網(wǎng)推出了智能

16、變電站技術(shù)導則作為新的變電站標準，并在隨后又發(fā)布了一系列相關(guān)細化標準，對智能變電站的設(shè)計、改造原則與技術(shù)規(guī)范作了詳細的規(guī)劃。測控裝置也隨之獲得了相應(yīng)的發(fā)展。早期的發(fā)展中，主要的問題是通信的一致性問題，導致變電站內(nèi)不同廠商智能電子設(shè)備（IED）之間存在互操作性問題。早期的變電站測控裝置主要是由單片機作為其處理器，軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言原則，其缺點是功能簡單、處理能力較差、響應(yīng)速度較慢等，因而這些裝置能夠完成的功能和應(yīng)用范圍都受到限制。2004年，國際電工委員會制定了IEC61850標準,這是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一國際標準,也是我國電力行業(yè)相關(guān)標準的基礎(chǔ)。隨著集成電路和計

17、算機技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能低價位處理器芯片和外圍芯片的大量出現(xiàn),各種新型集成電路進一步應(yīng)用在測控裝置上，如32位CPU、數(shù)字信號處理芯片DSP、高速高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片、大容量Flash存儲芯片、可編程邏輯器件CPLD、FPGA等，這些新器件的應(yīng)用使測控裝置的電路板更加小型集成化。同時，各種成熟的商用嵌入式實時操作系統(tǒng)的采用使裝置在通信、數(shù)據(jù)存儲及處理等方面的能力更強，性能大幅提高。并利用利用IEC61850模塊化思想和面向?qū)ο蠹夹g(shù)進行裝置的軟件程序設(shè)計。2009 年5月國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進的通信、信息和控制技術(shù)構(gòu)建以信息化、

18、自動化、互動化為特征的自主創(chuàng)新、國際領(lǐng)先的統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展目標。這對變電站的發(fā)展提出了信息化、自動化、互動化的要求，相應(yīng)的測控裝置也獲得了新的發(fā)展：測控可以充分利用資源高度共享的優(yōu)勢使裝置往集成化的方向發(fā)展，在對測控裝置進行研究時，必須達到以下要求：具有多個不同用途的以太網(wǎng)通信接口；具備與光電互感器和智能開關(guān)設(shè)備數(shù)字接口和大流量數(shù)據(jù)處理能力；統(tǒng)一的硬件平臺；良好的互操作性；具有間隔錄波和事故簡報功能；功能強大、方便易用的配套工具，以此來適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)水平的通信體系,實現(xiàn)完全的互操作,體系向下兼容,基于現(xiàn)代技術(shù)水平的標準信息和通信技術(shù)平臺,通過標準化數(shù)據(jù)交換接口實現(xiàn)開放式系統(tǒng)。參考文獻1

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