高速鐵路電力變配電所自動化系統(tǒng)

高速鐵路電力變配電所

自動化系統(tǒng)電氣工程學(xué)院林國松目錄一、變電所自動化系統(tǒng)的組成二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)三、變電所自動化系統(tǒng)通信協(xié)議四、變電所自動化系統(tǒng)站控層五、監(jiān)控子系統(tǒng)實例1.概述一、變電所自動化系統(tǒng)的組成變電所自動化系統(tǒng)是將變電所的二次設(shè)備（包括測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等）經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設(shè)計，利用先進的計算機技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技術(shù)，實現(xiàn)對全所設(shè)備的自動監(jiān)視、自動測量、自動控制和保護，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動化功能。變電站自動化系統(tǒng)：7個功能組：一、變電所自動化系統(tǒng)的組成控制、監(jiān)視功能自動控制功能測量表計功能繼電保護功能與繼電保護有關(guān)的功能接口功能系統(tǒng)功能一、變電所自動化系統(tǒng)的組成監(jiān)控子系統(tǒng)繼電保護子系統(tǒng)通信子系統(tǒng)鐵路變配電所3個子系統(tǒng)：（1）故障記錄功能；（2）統(tǒng)一時鐘對時功能，以便準確記錄發(fā)生故障和保護動作的時間；（3）存儲多種保護整定值；（4）當?shù)仫@示與多處觀察和授權(quán)修改保護整定值；（5）故障自診斷、自閉鎖和自恢復(fù)功能。通信子系統(tǒng)包括系統(tǒng)內(nèi)部現(xiàn)場級的通信和系統(tǒng)與上級調(diào)度的通信兩部分。2.結(jié)構(gòu)形式分層分布式結(jié)構(gòu)的概念一、變電所自動化系統(tǒng)的組成所謂分布式結(jié)構(gòu)，是在結(jié)構(gòu)上采用主從CPU協(xié)同工作方式，各功能模塊（通常是各個從CPU）之間采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或串行方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

變電所分層結(jié)構(gòu)變電所分層結(jié)構(gòu)變電所自動化系統(tǒng)按照設(shè)備的功能被分為三層：變電所層、間隔層（或稱單元層）、過程層（或稱設(shè)備層）

2.結(jié)構(gòu)形式分層分布式結(jié)構(gòu)的幾種方式

系統(tǒng)集中組屏分散安裝與集中組屏相結(jié)合全分散模式一、變電所自動化系統(tǒng)的組成全分散式的自動化系統(tǒng)是指以變壓器、斷路器、母線等一次主設(shè)備為安裝單位，將保護、測量、控制、閉鎖等功能單元就地分散安裝在一次主設(shè)備的開關(guān)柜上，安裝在主控制室內(nèi)的變電所層設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)與這些分散的單元進行信息交換。一、變電所自動化系統(tǒng)的組成集中組屏的鐵路配電所自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

鐵路電力配電所全分散安裝結(jié)構(gòu)圖一、變電所自動化系統(tǒng)的組成二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

1.通信概述變電所自動化系統(tǒng)通信子系統(tǒng)功能變電所內(nèi)的信息交換現(xiàn)場一次設(shè)備與間隔層間的信息傳輸間隔層內(nèi)部的信息交換間隔層之間的信息交換間隔層與變電所層的信息交換變電所層內(nèi)部信息交換二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

1.通信概述變電所自動化系統(tǒng)通信子系統(tǒng)功能變電所和調(diào)度中心的信息交換（1）遙測信息，變電所上送模擬量的相關(guān)信息。（2）遙信信息，變電所上送開關(guān)位置信號、有關(guān)狀態(tài)信號、保護動作信號等。（3）遙控命令，調(diào)度中心下發(fā)命令控制斷路器、隔離開關(guān)位置，保護裝置的保護元件的投入/退出，裝置復(fù)歸等。（4）遙調(diào)命令，調(diào)度中心下發(fā)命令改變變電所設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)調(diào)整。二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

1.通信概述變電所自動化系統(tǒng)通信的要求變電所通信網(wǎng)絡(luò)的要求信息傳輸響應(yīng)速度的要求快速的實時響應(yīng)能力高的可靠性優(yōu)良的電磁兼容性能分層式結(jié)構(gòu)我國電力行業(yè)標準DL/T5149-2001“220～500kV變電所計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程”的規(guī)定，模擬量越死區(qū)傳送≤2秒；遙信變位和狀態(tài)告警信號傳送≤2秒；全系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)掃描周期≤2秒；變電所畫面整幅調(diào)用響應(yīng)時間：實時畫面≤1秒；其他畫面≤2秒。二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

2.常用的通信技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)（背景）采用RS422/RS485通信接口雖然可實現(xiàn)多個節(jié)點（設(shè)備）間的互連，但連接的節(jié)點數(shù)一般不超過32個，在變電所規(guī)模稍大時，便滿足不了自動化系統(tǒng)的要求在多節(jié)點下其通信方式只能采用查詢方式，即由主機查詢，保護單元或自控裝置應(yīng)答，通信效率低，難以滿足較高的實時性要求整個通信網(wǎng)上只能有一個主節(jié)點對通信進行管理和控制，其余皆為從節(jié)點，這樣主節(jié)點便成為系統(tǒng)的瓶頸，一旦主節(jié)點出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)的通信便無法進行二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

2.常用的通信技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)（種類）目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGavazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，國際標準組織-基金會現(xiàn)場總線FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

2.常用的通信技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)（缺點）不同的現(xiàn)場總線都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域，在變電所自動化系統(tǒng)中，各個廠家采用的現(xiàn)場總線也各不相同，這就造成了在同一變電所中，不同廠家的智能裝置必須通過網(wǎng)關(guān)進行轉(zhuǎn)換才能通信，使裝置的互換和互操作成為問題。另外作為監(jiān)控系統(tǒng)的主機一般采用通用計算機，只具備串口、以太網(wǎng)接口，并沒有現(xiàn)場總線接口。裝置并不能直接和監(jiān)控計算機進行通信，必須使用網(wǎng)關(guān)或插卡進行接口轉(zhuǎn)換。二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

2.常用的通信技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)以太網(wǎng)是我們經(jīng)常提到的局域網(wǎng)LAN（LocalAreaNetwork）的一種，有四種體系結(jié)構(gòu)在局域網(wǎng)中占主導(dǎo)地位：以太網(wǎng)、令牌總線、令牌環(huán)、光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）。LAN和OSI模型比較IEEE802標準體系IEEE將數(shù)據(jù)鏈路化分為兩個子層：邏輯鏈路控制層LLC（LogicLinkControl）和介質(zhì)訪問控制MAC（MediaAccessControl）二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

2.常用的通信技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP（TransferControlProtocol/InternetProtocol）是傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議的簡稱，最早是美國國防部的高級研究規(guī)劃局ARPA（AdvancedResearchProjectsAgency）制定的，現(xiàn)在廣泛地應(yīng)用于計算機之間的網(wǎng)絡(luò)連接和通信，是事實上的通信標準。TCP/IP和OSI模型TCP/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)分為四層：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層

二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

2.常用的通信技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點在于它必須滿足控制功能對實時性的要求，即信號傳輸要足夠的快和滿足信號的確定性。所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性及實時性、互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

3.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)約轉(zhuǎn)換器/網(wǎng)關(guān)通信管理機遠動管理機變電所自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和自動化系統(tǒng)采用的通信技術(shù)有關(guān)，和變電所的規(guī)模有關(guān)，和智能裝置采用集中組屏或分散安裝有關(guān)，還和廠家給每個智能裝置的功能分配有關(guān)。另外變電所中還有一些其它的智能設(shè)備如交直流屏，智能電度表、一次設(shè)備在線監(jiān)測裝置等，它們的信息也可以通過通信接口接入變電所自動化系統(tǒng)中，這些設(shè)備一般都是第三方廠家的產(chǎn)品，我們將其稱為智能設(shè)備，或稱其為第三方設(shè)備。變電所自動化的通信裝置二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

3.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變電所自動化系統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式星形結(jié)構(gòu)星型環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)間隔層環(huán)網(wǎng)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)星型以太網(wǎng)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

主干環(huán)網(wǎng)的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間隔層環(huán)網(wǎng)的自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)二、變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

三、變電所自動化系統(tǒng)通信協(xié)議

1.變電所層和間隔層設(shè)備通信的內(nèi)容

故障信息整定值功能事件、自檢信息歷史數(shù)據(jù)查詢功能其他功能變電所自動化系統(tǒng)的通信有間隔層設(shè)備和變電所層設(shè)備的通信，變電所與調(diào)度中心的通信，這兩者的通信規(guī)約是不一樣的。間隔層設(shè)備之間、變電所層內(nèi)部的通信不在變電所自動化系統(tǒng)通信規(guī)約討論的范圍內(nèi)。三、變電所自動化系統(tǒng)通信協(xié)議

2.通信規(guī)約介紹

間隔層設(shè)備通信規(guī)約規(guī)約采用三層參考模型，采用了OSI模型的物理層、鏈路層和應(yīng)用層。IEC60870-5-103“繼電保護設(shè)備信息接口配套標準”是其工作的一部分，它規(guī)定了繼電保護設(shè)備（或間隔單元）的信息接口規(guī)范。該標準被等同采用為我國的國標，標準號為DL/T667-1999。規(guī)約結(jié)構(gòu)三、變電所自動化系統(tǒng)通信協(xié)議

2.通信規(guī)約介紹

間隔層設(shè)備通信規(guī)約103規(guī)約采用查詢方式的工作過程，主站發(fā)起通信，從站響應(yīng)。繼電保護設(shè)備上的數(shù)據(jù)分為1級數(shù)據(jù)和2級數(shù)據(jù)，1級數(shù)據(jù)的優(yōu)先級高于2級數(shù)據(jù)，1級數(shù)據(jù)又包含多種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)仍然存在優(yōu)先級。2級數(shù)據(jù)一般定義為測量值，其余數(shù)據(jù)定義為1級數(shù)據(jù)。1級數(shù)據(jù)的優(yōu)先級在規(guī)約中有規(guī)定，用戶也可以根據(jù)系統(tǒng)的需要對數(shù)據(jù)的優(yōu)先級進行調(diào)整。用戶數(shù)據(jù)收集過程三、變電所自動化系統(tǒng)通信協(xié)議

2.通信規(guī)約介紹

與調(diào)度中心通信規(guī)約實際通信中存在的問題循環(huán)傳送遠動規(guī)約IEC60870-5-101：2002遠動規(guī)約IEC60870-5-104：2002遠動規(guī)約變電所內(nèi)部通信存在的問題遠動通信中存在的問題四、變電所自動化系統(tǒng)站控層

1.監(jiān)控子系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)采集（模擬量、開關(guān)量、電能量、數(shù)字量）

運行監(jiān)視和控制安全監(jiān)視

事件記錄功能（歷史記錄）故障記錄、故障錄波和故障測距功能

操作控制運行監(jiān)視與人機聯(lián)系功能

報表管理和打印諧波分析與監(jiān)視站控層，即變電所自動化系統(tǒng)中的變電所層，包括監(jiān)控子系統(tǒng)和遠動通信功能。四、變電所自動化系統(tǒng)站控層

1.監(jiān)控子系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)處理和記錄其他功能①主變壓器和輸電線路有功功率和無功功率每天的最大值和最小值以及相應(yīng)的時間；②母線電壓每天定時記錄的最高值和最低值以及相應(yīng)時間；③計算受配電電能平衡率；④統(tǒng)計斷路器動作次數(shù)；⑤斷路器切除故障電流和跳閘次數(shù)的累計數(shù)；⑥控制操作和修改定值記錄。四、變電所自動化系統(tǒng)站控層

2.監(jiān)控子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)服務(wù)器操作員站繼保工程師站五防工作站

時鐘同步的概念和方法（1）硬件脈沖對時方式（硬對時）。（2）串行口對時方式（時間報文）。（3）網(wǎng)絡(luò)對時方式。（4）IRIG-B時鐘碼對時方式。（5）互聯(lián)網(wǎng)時間同步技術(shù)。五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

1.概述當?shù)乇O(jiān)控子系統(tǒng)是通過圖形化的方式實現(xiàn)對牽引變電所、配電所的監(jiān)視和控制，主要完成一次設(shè)備實時狀態(tài)的監(jiān)視和控制功能。系統(tǒng)可以打開各種圖紙，如電氣主接線圖、地理圖等等。系統(tǒng)具備自動拓撲分析功能，可根據(jù)開關(guān)狀態(tài)對主接線圖的線路自動進行帶電推導(dǎo)，用不同的顏色分別顯示帶電和不帶電的線路。五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

2.用戶界面五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明①圖紙操作：打開主頁

五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明①圖紙操作：打開主頁

五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明①圖紙操作：打開圖紙

五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明①圖紙操作：打開圖紙

五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明①圖紙操作：打開圖紙

五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明縮放跳轉(zhuǎn)和刷新五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明關(guān)閉打印圖紙五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明②總召③召電度五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明④遙控操作五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明⑤程控五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明⑥人工置數(shù)⑦遙測監(jiān)視五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明⑧遙信監(jiān)視五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明消閃五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明⑨環(huán)境安全監(jiān)控五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明⑩實時曲線五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明新建實時曲線五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明保存實時曲線打開實時曲線五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

3.操作說明修改實時曲線刪除實時曲線五、變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)實例

4.系統(tǒng)其他操作①鎖定②退出程序

35KV35KV變壓器變壓器饋出線饋出線綜合貫通調(diào)壓器一級貫通調(diào)壓器貫通線貫通線電容器電容器母聯(lián)饋線進線自閉貫通線調(diào)壓器電容器母聯(lián)備投變壓器主保護高壓側(cè)后備保護低壓側(cè)后備保護公用測控通用通信雙環(huán)自愈式光纖網(wǎng)遠動管理單元當?shù)乇O(jiān)控及工程師站調(diào)度端以太網(wǎng)鐵道配電所綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鐵道變配電所綜合自動化系統(tǒng)分為3層：站控層-調(diào)度端、當?shù)乇O(jiān)控單元；網(wǎng)絡(luò)層-雙環(huán)光纖網(wǎng)、以太網(wǎng)以及通信單元(包括網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備，如協(xié)議轉(zhuǎn)換器、路由器、WTX-895遠動管理機等)；間隔層-保護測控裝置。同時交直流系統(tǒng)、無線監(jiān)控等智能設(shè)備通過通用通信裝置納入鐵道變配電所綜合自動化的系統(tǒng)中。鐵道配電所綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間隔層間隔層保護測控裝置設(shè)備特點：

間隔層保護測控裝置主要完成鐵道變配電所進線、饋出線、電容器、調(diào)壓器、自閉貫通線等一次設(shè)備的保護、測量、控制等功能。針對不同的一次設(shè)備配置相應(yīng)的保護測控裝置。

微機保護硬件構(gòu)成:數(shù)據(jù)采集單元保護CPU單元開關(guān)量輸入/輸出單元人機接口與通信CPU單元微機保護裝置硬件原理示意圖

微機保護硬件構(gòu)成數(shù)據(jù)采集單元

⑴電壓形成回路⑵模擬量濾波回路⑶模數(shù)轉(zhuǎn)換回路

◆基于逐次逼近原理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（AD） ◆基于電壓-頻率轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（VFC） 兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的特點如下： ◆輸出數(shù)據(jù)格式 ◆分辨率高 ◆抗干擾性強微機保護硬件構(gòu)成保護CPU單元保護CPU單元原理框圖微機保護硬件構(gòu)成開關(guān)量輸入/輸出單元開關(guān)量輸入原理圖開關(guān)量輸出電路原理圖微機保護硬件構(gòu)成間隔層保護測控裝置WBH-881微機變壓器主保護裝置WBH-882微機變壓器高壓側(cè)后備保護裝置WBH-883微機變壓器低壓側(cè)后備保護裝置WXH-882微機進線保護測控裝置WXH-881微機饋線保護測控裝置WXH-883微機自閉貫通線保護測控裝置WBT-881微機母聯(lián)保護測控及備自投裝置WDR-881微機電容器保護測控裝置WTY-881微機調(diào)壓器保護測控裝置FC