采用現(xiàn)場(chǎng)總線和PLC構(gòu)建的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)

　　變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)對(duì)在線運(yùn)行的變電站全部設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、測(cè)量、保護(hù)、控制和管理的自動(dòng)化系統(tǒng)。它集繼電保護(hù)、故障濾波、本地監(jiān)控和遠(yuǎn)動(dòng)等變電站二次系統(tǒng)的功能于一體，對(duì)變電站進(jìn)行全方位的控制和管理，完全取代了常規(guī)監(jiān)視儀表、操作控制屏柜、模擬屏柜、中央信息系統(tǒng)、變送器及常規(guī)遠(yuǎn)動(dòng)裝置等設(shè)備，提高了變電站的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)全面取代或更新傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)已成為當(dāng)前主要的發(fā)展趨勢(shì)之一。

　　2　變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

　　從上世紀(jì)八十年代到現(xiàn)在，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有了很大變化，總括來說，一般可以將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)劃分為集中式、分布集中式、分層(散)分布式三種[1]。各種結(jié)構(gòu)形式的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能、適用的場(chǎng)合各有所不同，在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)時(shí)可根據(jù)具體要求選擇合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　2.1　集中式結(jié)構(gòu)

　　集中式結(jié)構(gòu)是將變電站的全部信息(模擬量、開關(guān)量、脈沖量)輸入到一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行集中采集、集中處理和集中監(jiān)控的系統(tǒng)。該類系統(tǒng)實(shí)際上是在常規(guī)的繼電保護(hù)及二次接線的基礎(chǔ)上，增設(shè)RTU以實(shí)現(xiàn)“四遙”功能。

　　2.2　分布集中式結(jié)構(gòu)

　　分布集中式按功能或間隔劃分控制單元，每個(gè)控制單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)一定的功能，或負(fù)責(zé)一個(gè)間隔設(shè)備的控制。分布集中式結(jié)構(gòu)的各個(gè)單元集中在控制室組屏安裝。各個(gè)控制單元之間采用串行總線進(jìn)行控制，而控制單元與控制設(shè)備之間的二次接線仍然是采用一對(duì)一的方式。

　　2.3　分層分布式結(jié)構(gòu)

　　分層分布式結(jié)構(gòu)以電氣一次回路設(shè)備或電氣間隔設(shè)備為控制對(duì)象劃分控制單元，各間隔層設(shè)備控制單元分散安裝在開關(guān)柜上或其他一次設(shè)備附近，各個(gè)控制單元各自完成各自間隔層內(nèi)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)等全面控制功能。

　　圖1 分層分布式變電站

　　分層分布式系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。按IEC61850-1的建議，分布式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)分為三層，分別是過程層(設(shè)備層)、間隔層、變電站層[2]。間隔層所有控制單元相互間通過工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相連，這類工控網(wǎng)絡(luò)可以是CAN、LonWorks、PROFIBUS等現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，或者是采用工業(yè)以太網(wǎng)，通信介質(zhì)可以是雙絞線或光纖。變電站層設(shè)備的通信采用以太網(wǎng)和TCP/IP實(shí)現(xiàn)。變電站層與間隔層之間采用網(wǎng)關(guān)或通信控制器實(shí)現(xiàn)。

　　這種結(jié)構(gòu)充分利用了現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，省去了大量二次接線，控制設(shè)備之間僅通過雙絞線或光纖連接，設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)備布置整齊，調(diào)整擴(kuò)建也很簡(jiǎn)單，成本降低，運(yùn)行維護(hù)方便;系統(tǒng)裝置及網(wǎng)絡(luò)魯棒性強(qiáng)，大量重要的保護(hù)動(dòng)作基本上在二次設(shè)備中完成，不依賴通信網(wǎng)和主機(jī)，主機(jī)或其中一個(gè)控制單元損壞并不影響其它設(shè)備的正常工作，這樣系統(tǒng)運(yùn)行可靠性有了保證。對(duì)于較大的系統(tǒng)，一般在間隔層采用現(xiàn)場(chǎng)總線光纖環(huán)網(wǎng)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和冗余能力。

　　3　采用現(xiàn)場(chǎng)總線和PLC構(gòu)建的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)

　　3.1　系統(tǒng)概述

　　構(gòu)建的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是對(duì)一個(gè)配電所的控制。在配電所控制室配置一臺(tái)PC負(fù)責(zé)對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和控制，完成后的系統(tǒng)運(yùn)行主畫面見圖2。該系統(tǒng)有2路10kV進(jìn)線，每路進(jìn)線向獨(dú)立的一段母線供電，每段母線設(shè)2回饋出線和一組補(bǔ)償電容器。平時(shí)2段母線獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)其中一段母線發(fā)生故障時(shí)，母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)(母聯(lián))閉合，由一條進(jìn)線向2段母線供電，實(shí)現(xiàn)了互為暗備用控制。

　　圖2 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)主運(yùn)行畫面

　　3.2　系統(tǒng)硬件方案

　　控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)間隔層網(wǎng)絡(luò)采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線[3]。系統(tǒng)由一臺(tái)監(jiān)控PC、一個(gè)S7-300系列PLC 313C-2DP組成的1類DP主站，和7個(gè)S7-200系列PLC S7-224構(gòu)成的DP從站組成。每個(gè)DP從站負(fù)責(zé)控制一路進(jìn)線型或饋線，實(shí)現(xiàn)分散控制。所有的主站和從站都掛接在一條DP總線上。

　　圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)控PC采用Windows 2000 Server中文版作為操作系統(tǒng)。監(jiān)控PC采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在監(jiān)控PC的PCI插槽中安裝一塊5611通訊網(wǎng)卡，作為PC與DP總線的通信接口，構(gòu)成2類DP主站。

　　DP主站在系統(tǒng)中完成系統(tǒng)總體控制和通訊管理功能，使用自帶的DP接口與DP總線連接。這個(gè)CPU本身集成了16點(diǎn)數(shù)字量輸入和16點(diǎn)數(shù)字量輸出，作為手動(dòng)控制功能，我們?cè)诳刂葡到y(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)控制盤，可以在控制盤中采用按鈕控制整個(gè)配電所，因此增加了一塊16點(diǎn)數(shù)字量輸入信號(hào)模塊SM321，以提供足夠的數(shù)字量輸入點(diǎn)。

　　DP從站采用SIEMENS的S7-200系列小型PLC中的CPU224，以節(jié)省系統(tǒng)成本。S7-200本身不帶DP通訊口，因此每個(gè)子站需要插入一塊專用的DP通訊模塊EM277，才能構(gòu)成DP從站。由于采用了分散控制的方式，每個(gè)從站只控制一條線路，因此集成的14點(diǎn)數(shù)字量輸入和10點(diǎn)數(shù)字量輸出已經(jīng)足夠，只需添加模擬量輸入模塊EM231，作為模擬量輸入擴(kuò)展。各電壓、電流和有功、無功等電量參數(shù)采用廣東雅達(dá)電子公司的YD系列變送器采集，由變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0~20mA信號(hào)后通過EM231輸入到CPU224中。

　　S7-300和S7-200分別采用西門子公司的功能強(qiáng)大的STEP 7 5.3和STEP 7-Micro/WIN組態(tài)軟件作為編程工具。

　　3.3　上位機(jī)與監(jiān)控組態(tài)軟件

　　上位監(jiān)控PC負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、報(bào)警和對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯、查詢和顯示、打印等功能。同時(shí)還需將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到上級(jí)信息管理層的控制中心，并能接受控制中心操作員站指令，轉(zhuǎn)發(fā)給下層設(shè)備，因此，監(jiān)控PC還承擔(dān)了下層設(shè)備層和上層信息網(wǎng)絡(luò)之間的中繼功能，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備層和上層信息管理層的通訊。

　　利用WinCC提供的組態(tài)和編程工具，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下列變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的常見功能。

　　(1)利用圖形編輯工具，建立了圖形操作界面，實(shí)現(xiàn)了圖形監(jiān)視和操作功能。圖形監(jiān)視功能包括：所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)視，所有斷路器的分、合閘情況的動(dòng)態(tài)顯示，及線路與設(shè)備帶電情況的動(dòng)態(tài)跟蹤。圖形操作功能包括：各主設(shè)備的分、合閘操作，系統(tǒng)保護(hù)定值的動(dòng)態(tài)修改。

　　(2)利用變量記錄編輯器對(duì)過程變量進(jìn)行歸檔，并對(duì)歸檔數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，以圖表和趨勢(shì)曲線的方式在圖形界面上顯示。

　　(3)利用報(bào)警編輯器建立了斷路器變位報(bào)警和模擬量越限報(bào)警，實(shí)現(xiàn)SOE功能。

　　(4)利用WinCC提供的API函數(shù)，編寫C腳本程序中實(shí)現(xiàn)了雙操作員登錄驗(yàn)證，保證操作安全。

　　4 　結(jié)語

　　分層分布式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用總線控制方式，控制單元可在間隔設(shè)備附近就近安裝，大大減少了二次系統(tǒng)接線的數(shù)量和長(zhǎng)度，提高了系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與IEC61850建議的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相符，非常適合于用作變電站系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。PLC作為一種通用的智能電子設(shè)備，性能可靠，使用方便，易于編程，相信其在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍將會(huì)日益擴(kuò)大。

　　WinCC提供了豐富的圖形操作功能、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警記錄功能，和報(bào)表系統(tǒng)，本身又是電力系統(tǒng)監(jiān)控軟件PowerCC的重要組成部分，作為SCADA/HMI軟件，非常適合于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。它與自動(dòng)化系統(tǒng)和自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的緊密結(jié)合，使用戶可以輕松地實(shí)現(xiàn)由監(jiān)控端到控制系統(tǒng)低層的無縫集成。