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的重要基礎和支撐,是電網運行數據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)一堅強智能電網安全、優(yōu)質、經濟運行的重要保障,也是實現智能電網自動化特征的主要體現。智能化變電站是以IEC61850的數字化變電站為基礎和前提的,是數字化變電站的發(fā)展和升級。數字化變電站基本上所有的自動化功能和技術特征智能化變電站都具備，智能變電站是是從傳統(tǒng)變電站到數字化變電站發(fā)展的必然結果。建立智能電網是一項巨大的歷史性工程,而智能變電站是智能電網的核心內容之一。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)的應用開發(fā)平臺。測控裝置作為智能變電站運行數據信息采集和執(zhí)行設備操作控制的主要設備，是實現系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要基礎。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)保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、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，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實現與相鄰變電站、電網調度等互動的變電站1。與常規(guī)變電站相比,智能變電站具有節(jié)能、環(huán)保、結構緊湊、提高自動化水平、消除大量安全隱患等優(yōu)點,其實現了一二次設備的智能化,運行管理的自動化,更深層次

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

4、的一些電力企業(yè)和科研院所在國家電網公司的組織下，開展了數字化電網的框架性研究，同時各個電壓等級的數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字變電站的陸續(xù)投入運行，為變電站的全數字化建設取得了寶貴的經驗,這對我國智能變電站的建設有非常重要的意義。1.2標準IEC61850標準是由國際電工委員會(International Electro technical Commission)第57技術委員會于2004年頒布的、應用于變電站通信網絡和系統(tǒng)的國際標準。作為基于網絡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的經驗，同時吸收了很多先進

5、的技術，對保護和控制等自動化產品和變電站自動化系統(tǒng)（SAS）的設計產生深刻的影響。它將不僅應用在變電站內，而且將運用于變電站與調度中心之間以及各級調度中心之間。國內外各大電力公司、研究機構都在積極調整產品研發(fā)方向，力圖和新的國際標準接軌，以適應未來的發(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，是實現測量和控制功能的前端二次設備，能夠實現對站內設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，是變電站實現綜合自動化的基礎8，也是實現系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要基礎。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測量（遙測），一（二）次設備狀態(tài)信號采集（遙信）。接受調度主站或變電站監(jiān)控系統(tǒng)操作員工作站下發(fā)的對開關、刀閘、變電站分接頭等設備的控制命令（遙控、遙調），并通過聯(lián)閉鎖等邏輯控制手段保障操作控制的安全性。同時還要完成數據處理分析，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.測控裝置功能實現方式變電站測控功能的實現方式經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，通過變送器及一些數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絡通信技術的發(fā)展，集中式RTU向單元式測控裝置轉變，測控功能按一次設備對象單獨形成裝置，完成一個設備間隔內的測量與控制功能。這種面向對象、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備間隔配置的方式。根據監(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，實現間隔內的斷路器、刀閘等一次設備的控制。2母線測控主要用于變電站內母線電壓的采集和母線刀閘設備的控制。3主變測控主要用于變電站內變壓器間隔的電氣參量采集，實現變

9、壓器檔位調節(jié)控制，并實現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的輔助系統(tǒng)狀態(tài)量信號以及二次設備的告警信號，有時也兼顧站內所用變的運行狀態(tài)監(jiān)測和控制。2.測控裝置相關文獻在文獻9中，作者指出了智能變電站一些關鍵技術研究方向，其中之一就是數字化測控技術，提出了在數字化變電站平臺上，研究設備數字化測控技術。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，它的功能的實現對變電站有著重要的意義。作者結合變電站綜合自動化系統(tǒng)的設計思路的發(fā)展，電子、通信等技術和測量控制的理論進步，提出了新型測控裝置的設計方案。新型測控裝置是基于間隔設計的，外部通信接口選用以太網，

10、能夠方便、靈活地實現與變電站層的通信，網絡帶寬高，并可實現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可編程邏輯運算；內部通信采用CAN總線，雙CAN互為冗余，可靠性高，處理突發(fā)事件能力增強。裝置采用模塊化設計，各功能模塊可按現場的要求靈活配置；交流采樣按功能模塊設計，算法上可實現多種配置，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，可對變電站二次側電壓、電流等電量進行監(jiān)測，并采集開關的分合狀態(tài)信息，根據需要對開關的分合狀態(tài)進行控制，具

11、有遙信、遙測、遙控和遙調即“四遙”功能及與上位機的通信功能，實現了變電站的實時監(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中基于數字化變電站的理論基礎，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計方案，對硬件

12、結構進行了設計，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交換數據的問題，同時也著重對以太網通信功能模塊進行了闡述，實現了符合IEC61850標準統(tǒng)一的以太網接口，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,實現了嵌入式操作系統(tǒng)在IED上應用的例證。文獻17中，指出隨著變電站智能化的發(fā)展，面對全新的數據接口和其帶來的相應問題，對測控設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；在裝置內設立了MASTER主站,專門負責通訊,MASTER插件的CPU帶有嵌入式以太網接口，可以方便地接入以太網，提高了裝置的實時性；用14位逐次逼近型ADC代替VFC構成新的數據采集系統(tǒng)，在設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，設計出的測控裝置能夠實時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，作者結合數字化變電站保護測控裝置的研發(fā)經驗，全面總結和闡述

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

15、了智能變電站線路保護測控裝置的硬件架構和軟件架構，硬件架構包括CPU插件、通訊擴展插件、電源插件等相關插件；軟件設計基于IEC61850標準的統(tǒng)一軟件平臺，采用Vxworks嵌入式實時操作系統(tǒng),引入面向對象的設計思想，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。第章總結與展望變電站經歷了常規(guī)變電站、綜合自動化變電站、數字化變電站到智能變電站的發(fā)展，“數字化”是變電站自動化的基礎，智能變電站是變電站朝自動化方向發(fā)展的必然結果。2009年年底國家電網推出了智能

16、變電站技術導則作為新的變電站標準，并在隨后又發(fā)布了一系列相關細化標準，對智能變電站的設計、改造原則與技術規(guī)范作了詳細的規(guī)劃。測控裝置也隨之獲得了相應的發(fā)展。早期的發(fā)展中，主要的問題是通信的一致性問題，導致變電站內不同廠商智能電子設備（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，軟件設計采用結構化的程序設計語言原則，其缺點是功能簡單、處理能力較差、響應速度較慢等，因而這些裝置能夠完成的功能和應用范圍都受到限制。2004年，國際電工委員會制定了IEC61850標準,這是基于網絡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)相關標準的基礎。隨著集成電路和計

17、算機技術的飛速發(fā)展，高性能低價位處理器芯片和外圍芯片的大量出現,各種新型集成電路進一步應用在測控裝置上，如32位CPU、數字信號處理芯片DSP、高速高精度A/D轉換芯片、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、數據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模塊化思想和面向對象技術進行裝置的軟件程序設計。2009 年5月國家電網公司提出了建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協(xié)調發(fā)展的堅強電網為基礎，利用先進的通信、信息和控制技術構建以信息化、

18、自動化、互動化為特征的自主創(chuàng)新、國際領先的統(tǒng)一堅強智能電網的戰(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通信接口；具備與光電互感器和智能開關設備數字接口和大流量數據處理能力；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，以此來適應現代技術水平的通信體系,實現完全的互操作,體系向下兼容,基于現代技術水平的標準信息和通信技術平臺,通過標準化數據交換接口實現開放式系統(tǒng)。參考文獻1

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