采用現(xiàn)場總線和PLC構(gòu)建的變電站自動化系統(tǒng)

　　變電站綜合自動化系統(tǒng)是利用計算機軟硬件技術、網(wǎng)絡通信技術和自動化技術對在線運行的變電站全部設備進行實時監(jiān)視、測量、保護、控制和管理的自動化系統(tǒng)。它集繼電保護、故障濾波、本地監(jiān)控和遠動等變電站二次系統(tǒng)的功能于一體，對變電站進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)遠動裝置等設備，提高了變電站的安全與經(jīng)濟運行水平。變電站綜合自動化系統(tǒng)全面取代或更新傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)已成為當前主要的發(fā)展趨勢之一。

　　2　變電站自動化系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

　　從上世紀八十年代到現(xiàn)在，變電站自動化系統(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)形式的變電站自動化系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能、適用的場合各有所不同，在進行系統(tǒng)開發(fā)時可根據(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、開關量、脈沖量)輸入到一套計算機系統(tǒng)中并由計算機系統(tǒng)進行集中采集、集中處理和集中監(jiān)控的系統(tǒng)。該類系統(tǒng)實際上是在常規(guī)的繼電保護及二次接線的基礎上，增設RTU以實現(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，每個控制單元負責實現(xiàn)一定的功能，或負責一個間隔設備的控制。分布集中式結(jié)構(gòu)的各個單元集中在控制室組屏安裝。各個控制單元之間采用串行總線進行控制，而控制單元與控制設備之間的二次接線仍然是采用一對一的方式。

　　2.3　分層分布式結(jié)構(gòu)

　　分層分布式結(jié)構(gòu)以電氣一次回路設備或電氣間隔設備為控制對象劃分控制單元，各間隔層設備控制單元分散安裝在開關柜上或其他一次設備附近，各個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、遠動等全面控制功能。

　　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，分布式變電站自動化系統(tǒng)分為三層，分別是過程層(設備層)、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)絡相連，這類工控網(wǎng)絡可以是CAN、LonWorks、PROFIBUS等現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，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。變電站層設備的通信采用以太網(wǎng)和TCP/IP實現(xiàn)。變電站層與間隔層之間采用網(wǎng)關或通信控制器實現(xiàn)。

　　這種結(jié)構(gòu)充分利用了現(xiàn)場總線的技術優(yōu)勢，省去了大量二次接線，控制設備之間僅通過雙絞線或光纖連接，設計規(guī)范，設備布置整齊，調(diào)整擴建也很簡單，成本降低，運行維護方便;系統(tǒng)裝置及網(wǎng)絡魯棒性強，大量重要的保護動作基本上在二次設備中完成，不依賴通信網(wǎng)和主機，主機或其中一個控制單元損壞并不影響其它設備的正常工作，這樣系統(tǒng)運行可靠性有了保證。對于較大的系統(tǒng)，一般在間隔層采用現(xiàn)場總線光纖環(huán)網(wǎng)，以增強系統(tǒng)的可靠性和冗余能力。

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

　　3.1　系統(tǒng)概述

　　構(gòu)建的變電站自動化系統(tǒng)實現(xiàn)的是對一個配電所的控制。在配電所控制室配置一臺PC負責對所有設備進行監(jiān)控和控制，完成后的系統(tǒng)運行主畫面見圖2。該系統(tǒng)有2路10kV進線，每路進線向獨立的一段母線供電，每段母線設2回饋出線和一組補償電容器。平時2段母線獨立運行，當其中一段母線發(fā)生故障時，母線聯(lián)絡開關(母聯(lián))閉合，由一條進線向2段母線供電，實現(xiàn)了互為暗備用控制。

　　圖2 變電站自動化系統(tǒng)主運行畫面

　　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)絡采用Profibus-DP現(xiàn)場總線[3]。系統(tǒng)由一臺監(jiān)控PC、一個S7-300系列PLC 313C-2DP組成的1類DP主站，和7個S7-200系列PLC S7-224構(gòu)成的DP從站組成。每個DP從站負責控制一路進線型或饋線，實現(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)控制計算機，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CPU本身集成了16點數(shù)字量輸入和16點數(shù)字量輸出，作為手動控制功能，我們在控制系統(tǒng)中設計了一個控制盤，可以在控制盤中采用按鈕控制整個配電所，因此增加了一塊16點數(shù)字量輸入信號模塊SM321，以提供足夠的數(shù)字量輸入點。

　　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，每個從站只控制一條線路，因此集成的14點數(shù)字量輸入和10點數(shù)字量輸出已經(jīng)足夠，只需添加模擬量輸入模塊EM231，作為模擬量輸入擴展。各電壓、電流和有功、無功等電量參數(shù)采用廣東雅達電子公司的YD系列變送器采集，由變送器轉(zhuǎn)換為標準的0~20mA信號后通過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　上位機與監(jiān)控組態(tài)軟件

　　上位監(jiān)控PC負責完成現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、報警和對歷史數(shù)據(jù)進行存貯、查詢和顯示、打印等功能。同時還需將現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到上級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)給下層設備，因此，監(jiān)控PC還承擔了下層設備層和上層信息網(wǎng)絡之間的中繼功能，以實現(xiàn)設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)實現(xiàn)下列變電站自動化系統(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)控數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)視，所有斷路器的分、合閘情況的動態(tài)顯示，及線路與設備帶電情況的動態(tài)跟蹤。圖形操作功能包括：各主設備的分、合閘操作，系統(tǒng)保護定值的動態(tài)修改。

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

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

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

　　4 　結(jié)語

　　分層分布式變電站自動化系統(tǒng)采用總線控制方式，控制單元可在間隔設備附近就近安裝，大大減少了二次系統(tǒng)接線的數(shù)量和長度，提高了系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與IEC61850建議的變電站自動化系統(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。PLC作為一種通用的智能電子設備，性能可靠，使用方便，易于編程，相信其在變電站自動化系統(tǒng)中的應用范圍將會日益擴大。

　　WinCC提供了豐富的圖形操作功能、數(shù)據(jù)記錄、報警記錄功能，和報表系統(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化系統(tǒng)。它與自動化系統(tǒng)和自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)的緊密結(jié)合，使用戶可以輕松地實現(xiàn)由監(jiān)控端到控制系統(tǒng)低層的無縫集成。