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简介
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变电站综合自动化概述 -学员培训 国网技术学院 电网运行培训部 韩冬 讲义目录 第一章 变电站自动化的基本概念 第二章 变电站自动化的基本功能 第三章 变电站自动化系统的结构 第四章 变电站自动化系统的通信 第一章 变电站综合自动化的基本概念 变电站综合自动化是将变电站的二次设备（包括控制、信号、测量，保护、自动装置、远动装置等）利用计算机技术、现代通信技术，经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统，是自动化、计算机、通信技术在变电站的综合应用。 变电站综合自动化实质是 自动化、计算机、信息处理、通信、电力、电子技术的综合。 实现设备间信息交换、共享，完成变电站的监、测、控。 取代了常规站的指示仪表、中央信号、控制屏等设备。 第二章 变电站综合自动化的功能 事故数据 事件顺序记录（SOE：Sequence Of Event recording）：实时检测遥信变位（YXBW）（带时标的遥信），立即记录变位时刻、变位设备序号、变位状态等组成SOE优先传送（CDT下）。 事故追忆（PDR：Post Disturbance Review）：冻结某时刻全网的重要的遥测点、遥信点的画面（如照相），每个这样的画面称为一帧，其循环周期可为数秒到数分。典型的PDR记录长度为：事故前10min，事故后5min。 四遥功能的实现 遥信（TI或TS :Teleindication Telesignalisation） 遥测（TM:Telemetering） 遥控（TC:Telecommand） 遥调（TA:Teleadjusting） 系统概述 遥信 开入量 开关、刀闸的位置信号 国际电工委员会IEC标准规定，以“0”表示断开状态，以“1”表示闭合状态。 遥信 断路器的位置信号来源有： 直接利用断路器的辅助触点， 利用操作箱中的跳位继和合位继。 对刀闸位置的采集： 直接利用刀闸的辅助触点， 利用五防锁。 遥信 遥信 遥信采集电路中的继电器隔离 遥信 遥信采集电路中的光电隔离 ① 过程：当（PB0，PB1）=（0，1）时，H1输出0，光敏三级管导通，继电器K吸合，跳合闸回路接通，动作于断路器。反之类似（PB0，PB1）=（1，0）。 ② 设置与非门原因：并行口的负载能力有限，不足以直接驱动发光二级管，还有是增加2个条件以抗干扰能力。 遥信 状态量采集示意图 遥信 开关变位的识别 现状⊕原状=1，表示有变位 现状⊕原状=0，表示无变位 遥信 遥信采集的几种形式： 1、定时扫查方式 以一定时间间隔周期性对遥信输入状态成组扫查。 2、中断方式 采用中断方式，只有当遥信有变位时才向CPU申请读遥信状态。 在变电站自动化系统中，开关信号的采集基本取自开关的辅助触点，或者经过中间继电器触点接入。开关机构在操作一定次数时，辅助触点机械部分会出现缝隙导致间隙放电，引起信号抖动； 继电器触点在运行时受环境影响，易氧化和脏污，导致接触不良，引起信号抖动。 软件延时判别消抖 控制回路断线信号=TWJ 常闭接点+HWJ 常闭接点。 若TWJ 和HWJ 不同步，则误发控制回路断线信号。 事故总=KKJ常开接点+TWJ常开接点。 若手合开关时，由于KKJ由0变1，TWJ由1变0，因开关机构老化，TWJ变位慢会导致误发事故总。 定义：KKJ=1 代表开关为人为（手动或遥控）合上； KKJ=0 代表开关为人为（手动或遥控）分开。 遥测 遥测量:U、I、P、Q、COSφ、f、T 遥测 从TA、TV中取得电流和电压量。由于A/D转换器只能接收电压信号，且不同型号A/D转换器的输入电压范围各不相同，如双极性有0～±2.5 V、0～±5V、0～±10V，单极性有0～5V、0～10V、0～20V等，因此需要对模拟量信号进行电压幅值变换，使之能满足A/D转换器输入电压范围要求。 遥控 遥控就是发出命令去控制断路器或隔离开关进行合闸或分闸操作。 遥控 遥控过程 远动终端：电网调度自动化系统中安装在发电厂、变电站的一种具有四遥远动功能的自动化设备。远动装置=远方终端=远动终端=RTU（Remote Terminal Unit）。 RTU在电网调度自动化系统中具有重要的作用。（系统结构：调度端SCADA/EMS＋远动信道＋厂站端RTU）。 第2种类型 集中式 早期的变电站综合自动化系统 由一台或两台计算机完成变电站的所有继电保护、测量监视、操作控制、中央信号数据通信和记录打印等功能。系统各功能模块与硬件无关，采用模块化软件连接来实现，集中采集信息，集中处理运算。具有工作可靠、结构简单、性价比高等优点，但可扩充性、可维护性差。 第3种类型 分散式 第2代综合自动化系统 从硬件结构上按功能对装置进行了划分，摒弃了集中式单 CPU结构而走向分散，系统由数据采集单元(模拟量、开关堡、脉冲量)，主机单元(总控单元)、遥控执行单元、保护单元组成。各功能单元(设备)通过通信网络等手段实现有机结合，构成系统。该类系统可替代常规的保护屏、控制屏、中央信号屏、远动屏、测量仪表等。它具有较强的在线功能。各种功能比较完善，且人机界面较好。但系统仍然比较复杂，联结电缆较多，系统可靠性不太高。这类系统虽然做到了一定程度上的分散(功能分散)，但没有从整体上来考虑变电站综合自动化系统的结构、一般仅是监控系统和保护系统简单的相加。由于我国保护和远动分属不同的部门和专业。故我国目前的大多数综合自动化系统均属此类结构系统。 设备分变电站层设备(站控级)和间隔层设备(间隔级)。间隔层设备原则上按一次设备组织，例如 l条线路、 l台主变压器。每一间隔层设备包括保护、控制、测量、通信、录波等所有功能。设计的原则是：凡是可以在本间隔层设备完成的功能，尽量由间隔层设备就地独立处理，不依赖于通信网和变电站层设备。变电站层设备是通过间隔层设备了解和掌握整个变电站实时运行情况、并通过间隔层设备实现变电站控制，它还负责站内信息收集、分析、存储以及与远方调度中心的联系，这类系统实现了信息资源的共享以及保护、监控功能的综合化，大大简化了站内二次回路，它完全消除了设备之间错综复杂的二次电缆。由于间隔层设备可放在开关柜上或放置在一次设备附近，从而可大大缩小主控制室面积，节省控制电缆、减少 CT负担。同时大大提高了整个系统的可靠性、可扩展性，是综合自动比系统的发展方向。 第四章 变电站自动化系统的通信 串行通信方式连接 串行通信：按照一定的格式一位一位地顺序传送数据。信息在一根信号线上传输。 优点: 便于长距离传送 缺点: 传送速度较慢 串行数据传输主要出现在接口与外部设备、计算机与计算机之间。 PC系列机上有两个串行异步通信接口、键盘、鼠标器与主机间采用串行数据传送。 需要进行数据格式转换。 并行通信方式连接 并行通信：数据的各位同时发送或同时接收 优点: 传送速度快 缺点: 不便长距离传送 计算机“主机”部件之间，如CPU与存储器、CPU与接口电路，多采用并行方式传输数据。 并行通信通常是以“字节”为单位进行信息传输的。 在变电站综合自动化系统内部，各种自动装置间或继电保护装置监控系统间，为了减少连接电缆，简化配线，降低成本，常采用串行通信。 串行数据的发送和接收 计算机并行方式处理数据，而数据传送用串行方式，故需要进行并/串转换。 发送端：并/串转换器：CPU控制→发送缓冲器→移位寄存器→在发送脉冲控制下字节的低位先发。发空后用中断提示。发送时钟控制发送速度。 接收端：串/并转换器：类似同上。 依靠同步字符保持通信同步。 由1～2个同步字符和多字节数据位组成，同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据；多字节数据之间不允许有空隙，每位占用的时间相等；空闲位需发送同步字符。 同步通信传输速度较快，但要求有准确的时钟来实现收发双方的严格同步，对硬件要求较高，适用于成批数据传送。 通信工作方式: 单工、半双工与全双工 单工 只有一个信道，传输方向只能是单向的 半双工 只有一个信道，在同一时刻，只能是单向传输 全双工 双信道，同时可以有双向数据传输 主站和分站间通信模式 ——CDT、 Polling CDT －－循环式：分站自动循环地向主站发送采集到的并经一定处理后的遥测量、遥信量、数字量、脉冲量等。 Polling－－问答式：分站按照主站的要求发送相应的数据。国际标准：IEC60870-101 Polling：正常传输 Polling ：询问帧出错 Polling ：询问帧丢失 Polling ：应答帧丢失 变电站内部通信模式 ——总线通信方式 、网络通讯方式 总线通信方式：由主模块控制通信总线，主模块可以主动向任何一个分模块发送信息，分模块则必须得到主模块的允许，才能向主模块发送信息。主模块不断地查询各个分模块，查到谁，谁才可以发送数据。这种主模块和分模块的通信方式类似于主站和分站之间采用的Polling通信方式。 网络通讯方式类似于PC机之间通信时采用的以太网。通信线路不需要由某个模块控制，主模块可以主动向任何一个分模块发送信息，任何一个分模块也可以主动向主模块发送信息。当有两个或两个以上的模块同时发送信息而产生冲突时，有一种仲裁机制，使冲突得以检测到或得以避免，使信息不会丢失。 通信协议定义 通信协议是指通信双方的一种约定，约定包括对数据格式、同步方式、传递速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。 IEC60870-5-101主要是运用在远动（串口） IEC60870-5-102主要是运用在电度表（串口） IEC60870-5-103主要运用在保护装置（串口） IEC60870-5-104主要运用在远动（以太网） 、 IEC61850规约基于MMS （Manufacturing Message Specification）的TCP/IP协议的以太网信息互连—国际标准。 其它远动规约： CDT92、CDT85 主要运用在远动（串口） MODBUS（以太网口） 通讯规约是指系统之间的数据交换规则，其中系统可以是装置，也可以是软件系统。 一般情况下，设备之间互不通讯，规约转换是在相对于监控系统的外部设备接入系统时进行的。 通讯规约应该包含三个方面的信息：介质、数据格式和时序。 介质是通讯建立的基础. 数据格式或称为报文格式、帧格式，指明报文中的各部分的含义. 时序是指数据的交换次序。通讯的一般可以分为启动、设置、轮询、操作几个部分。 通讯的一般可以分为启动、设置、轮询、操作几个部分。 启动过程是电力通系统通知设备复位，同步各种状态，准备进行下一步通讯。 设置过程是由电力通系统给设备下发各种参数或取得设备的参数，下发时钟进行对时等。 轮询过程是通讯的主要过程，电力通系统通讯规约模块的绝大部分时间都在该过程中，例如要召唤遥测、遥信的变化数据，定时召唤电度数据，处理事件数据等，该过程中的每一步操作，往往必须由上一步的操作以及设备的回答来确定。 当操作人员在系统上操作时，如果向设备发送命令，则进入操作过程，由于操作过程是随机插入的，因此在处理上要特别注意该过程与轮询过程所产生的时序上的交叉。 规约转换 一个规约转换的例子： 监控系统采集直流设备的信息（遥测量、遥信量等） 假设监控系统采用IEC104规约，而直流设备采用CDT规约。就需要经过规约转换。 规约转换 CDT 循环远动规约 CDT规约按照自身的数据传送规则循环向主站传送数据，不管主站是否正确接收。 IEC104规约 对于遥测量：有一种模式是设备主动上送；对于遥信量：如果设备遥信有变位，则要求主动上送至监控系统；在监控系统下发总召唤时，设备要回应其全部遥信当前值， 规约转换 规约转换主要过程： 1、定时接收直流设备原始数据，存放在缓冲区中，将其转换成IEC104规约的遥测、遥信格式并保存； 对于遥测：如果遥测上送时间到，则将转换过的遥测数据打包成IEC104规约的报文上送至主站， 对于遥信：判断当前值与前一时刻值是否有变位，如果有则将数据打包成IEC104规约的遥信变位报文上送至主站，并将前一时刻值重新赋值； 2、接收来自监控系统的下发命令，判断如果是总召唤，则将当前遥信数据打包成IEC104规约的遥信报文上送至主站； OSI与TCP/IP 协议分层 网络通信的过程很复杂 数据以电子信号的形式穿越介质到达正确的计算机，然后转换成最初的形式，以便接收者能够阅读 为了降低网络设计的复杂性，将协议进行了分层设计 协议分层 分层设计的意义 用户服务层的模块设计可相对独立于具体的通信线路和通信硬件接口的差别 而通信服务层的模块设计又可相对独立于具体用户应用要求的不同 邮局对于写信人来说是下层 运输部门是邮局的下层 －－下层为上层提供服务 写信人与收信人之间使用相同的语言 邮局之间的约定 －－同层次之间使用相同的协议 OSI的七层框架 数据的封装与解封装过程3－1 数据的封装与解封装过程3－2 数据的封装与解封装过程3－3 两种国际标准 法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。 是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。 TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。 TCP/IP协议参考模型 TCP/IP是20世纪70年代中期美国国防部为ARPANET开发的网络体系结构 物理层 物理层－网络的基础 物理层是TCP/IP模型的最底层 物理层为数据传输提供可靠环境 物理层的功能 物理层的传输介质 有线介质 双绞线 光纤 无线介质 无线电 微波 激光 红外线 物理层的设备 网络接口卡 连接计算机和网络硬件 有一个惟一的网络节点地址 按照速率可分为10M网卡、10/100M自适应网卡和千兆网卡 按照总线类型可分为ISA网卡、PCI网卡等 按照提供的线缆接口类型可分为RJ-45接口网卡、光纤网卡等 便携式电脑可使用PCMCIA网络接口卡 物理层的设备 中继器 能放大信号 延长网络传输距离 只包含有一个输入端口和一个输出端口，所以只能接收和转发数据流 成本低 物理层的设备 集线器 最初只是一个多端口的中继器 可用于星形拓扑结构 能够支持各种不同的传输介质和数据传输速率 有些集线器具有内部处理能力，例如，可以接受远程管理、过滤数据或提供网络诊断信息 被交换机所取代 数据链路层 数据链路层的功能 数据链路层 位于网络层与物理层之间 以太网 以太网在 数据链路层和物理层上运行。 以太网MAC地址 网络层 网络层的功能 定义了基于IP协议的逻辑地址 连接不同的媒介类型 选择数据通过网络的最佳路径 IP地址的作用 子网掩码的使用 划分子网 划分子网的作用 通过将子网掩码变长，将大的网络划分成多个小的网络 未划分子网的IP地址 网络172.16.0.0，掩码255.255.0.0 划分子网后的IP地址 掩码变成255.255.255.0， 网络划分为172.16.1.0、172.16.2.0、……172.16.254.0 交换机和集线器的区别 集线器为共享方式，即同一网段的计算机共享固有的带宽，传输通过碰撞检测进行，同一网段计算机越多，传输碰撞也越多，传输速率会变慢。 交换机和集线器的区别 交换机则采用一种与集线器完全不同的、独特的传输方式。无论是网卡还是交换机端口，都具有独一无二的MAC地址，因此，MAC地址便可用作识别其身份的号码，而交换机上的每个端口都能够在其地址表中记忆若干个MAC地址，从而建立一张端口号与MAC相对应的地址表。 交换机和集线器的区别 当交换机控制电路从某一端口收到一个Ethernet包后，将立即在其内存中的地址表（端口号—MAC地址）进行查找，以确认目的MAC的网卡连接在哪一个端口上，然后将该包转发至该端口。如果在地址表中没有找到该MAC地址，也就是说，该目的MAC地址是首次出现，则将其广播到所有端口。拥有该MAC地址的网卡在接收到该广播包后，将立即作出应答，从而使交换机将其端口号—MAC地址对照表添加到地址表中。 路由器 路由器（Router）是一种典型的网络层设备。 一般说来，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。 路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。 路由器中保存着各种传输路径的相关数据――路径表（Routing Table），供路由选择时使用。路径表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路径表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。 什么是路由？ 路由 跨越从源主机到目标主机的一个互联网络来转发数据包的过程 路由器工作原理1 路由器工作原理2 路由器工作原理3 路由器工作原理4 路由器工作原理5 IEC61850 定义了通信的两个重要内容： 传递什么？ 如何传递？ 定义了设备和变电站的配置； 面向未来，通信协议可选择； 对自动化设备协同工作的方式进行了发展； 具有通用性，可应用于其他领域； 是一套技术体系，而不仅仅是通信协议。 国际电工委员会（IEC）TC 57技术委员会（电力系统控制和通术委员会）在制定IEC 61850（变电站通信网络和系统）标准时，把变电站自动化系统的功能在逻辑上分配在3个层次（变电站层、间隔层或单元层、过程层），这3个层次分别通过逻辑接口1～9建立通信，如图所示。 （1）过程层（Process level）功能 过程层的功能实际上是与变电站一次设备断路器、隔离开关和电流互感器TA、电压互感器TV接口的功能。 （2）间隔层（Bay level）功能 变电站自动化系统在间隔层的设备主要有各种微机保护装置、自动控制装置、数据采集装置和RTU等等。 (3）变电站层（Station level） 变电站的功能有2类：与过程有关的站层功能： 与接口有关的站层功能 对IEC 61850的理解 IEC 61850工作组所做的所有工作其实都是围绕一个核心问题：如何将过程信息不丢失语义地在过程层、间隔层和站控层之间传递。
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