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變電站綜合自動化概述 -學員培訓 國網(wǎng)技術(shù)學院 電網(wǎng)運行培訓部 韓冬 講義目錄 第一章 變電站自動化的基本概念 第二章 變電站自動化的基本功能 第三章 變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 第四章 變電站自動化系統(tǒng)的通信 第一章 變電站綜合自動化的基本概念 變電站綜合自動化是將變電站的二次設備（包括控制、信號、測量，保護、自動裝置、遠動裝置等）利用計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)，經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設計，對變電站執(zhí)行自動監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)的一種綜合性的自動化系統(tǒng)，是自動化、計算機、通信技術(shù)在變電站的綜合應用。 變電站綜合自動化實質(zhì)是 自動化、計算機、信息處理、通信、電力、電子技術(shù)的綜合。 實現(xiàn)設備間信息交換、共享，完成變電站的監(jiān)、測、控。 取代了常規(guī)站的指示儀表、中央信號、控制屏等設備。 第二章 變電站綜合自動化的功能 事故數(shù)據(jù) 事件順序記錄（SOE：Sequence Of Event recording）：實時檢測遙信變位（YXBW）（帶時標的遙信），立即記錄變位時刻、變位設備序號、變位狀態(tài)等組成SOE優(yōu)先傳送（CDT下）。 事故追憶（PDR：Post Disturbance Review）：凍結(jié)某時刻全網(wǎng)的重要的遙測點、遙信點的畫面（如照相），每個這樣的畫面稱為一幀，其循環(huán)周期可為數(shù)秒到數(shù)分。典型的PDR記錄長度為：事故前10min，事故后5min。 四遙功能的實現(xiàn) 遙信（TI或TS :Teleindication Telesignalisation） 遙測（TM:Telemetering） 遙控（TC:Telecommand） 遙調(diào)（TA:Teleadjusting） 系統(tǒng)概述 遙信 開入量 開關(guān)、刀閘的位置信號 國際電工委員會IEC標準規(guī)定，以“0”表示斷開狀態(tài)，以“1”表示閉合狀態(tài)。 遙信 斷路器的位置信號來源有： 直接利用斷路器的輔助觸點， 利用操作箱中的跳位繼和合位繼。 對刀閘位置的采集： 直接利用刀閘的輔助觸點， 利用五防鎖。 遙信 遙信 遙信采集電路中的繼電器隔離 遙信 遙信采集電路中的光電隔離 ① 過程：當（PB0，PB1）=（0，1）時，H1輸出0，光敏三級管導通，繼電器K吸合，跳合閘回路接通，動作于斷路器。反之類似（PB0，PB1）=（1，0）。 ② 設置與非門原因：并行口的負載能力有限，不足以直接驅(qū)動發(fā)光二級管，還有是增加2個條件以抗干擾能力。 遙信 狀態(tài)量采集示意圖 遙信 開關(guān)變位的識別 現(xiàn)狀⊕原狀=1，表示有變位 現(xiàn)狀⊕原狀=0，表示無變位 遙信 遙信采集的幾種形式： 1、定時掃查方式 以一定時間間隔周期性對遙信輸入狀態(tài)成組掃查。 2、中斷方式 采用中斷方式，只有當遙信有變位時才向CPU申請讀遙信狀態(tài)。 在變電站自動化系統(tǒng)中，開關(guān)信號的采集基本取自開關(guān)的輔助觸點，或者經(jīng)過中間繼電器觸點接入。開關(guān)機構(gòu)在操作一定次數(shù)時，輔助觸點機械部分會出現(xiàn)縫隙導致間隙放電，引起信號抖動； 繼電器觸點在運行時受環(huán)境影響，易氧化和臟污，導致接觸不良，引起信號抖動。 軟件延時判別消抖  控制回路斷線信號=TWJ 常閉接點+HWJ 常閉接點。 若TWJ 和HWJ 不同步，則誤發(fā)控制回路斷線信號。  事故總=KKJ常開接點+TWJ常開接點。 若手合開關(guān)時，由于KKJ由0變1，TWJ由1變0，因開關(guān)機構(gòu)老化，TWJ變位慢會導致誤發(fā)事故總。 定義：KKJ=1 代表開關(guān)為人為（手動或遙控）合上； KKJ=0 代表開關(guān)為人為（手動或遙控）分開。 遙測 遙測量:U、I、P、Q、COSφ、f、T 遙測 從TA、TV中取得電流和電壓量。由于A/D轉(zhuǎn)換器只能接收電壓信號，且不同型號A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍各不相同，如雙極性有0～±2.5 V、0～±5V、0～±10V，單極性有0～5V、0～10V、0～20V等，因此需要對模擬量信號進行電壓幅值變換，使之能滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍要求。 遙控 遙控就是發(fā)出命令去控制斷路器或隔離開關(guān)進行合閘或分閘操作。 遙控 遙控過程 遠動終端：電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中安裝在發(fā)電廠、變電站的一種具有四遙遠動功能的自動化設備。遠動裝置=遠方終端=遠動終端=RTU（Remote Terminal Unit）。  RTU在電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中具有重要的作用。（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：調(diào)度端SCADA/EMS＋遠動信道＋廠站端RTU）。 第2種類型 集中式 早期的變電站綜合自動化系統(tǒng) 由一臺或兩臺計算機完成變電站的所有繼電保護、測量監(jiān)視、操作控制、中央信號數(shù)據(jù)通信和記錄打印等功能。系統(tǒng)各功能模塊與硬件無關(guān)，采用模塊化軟件連接來實現(xiàn)，集中采集信息，集中處理運算。具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高等優(yōu)點，但可擴充性、可維護性差。 第3種類型 分散式 第2代綜合自動化系統(tǒng) 從硬件結(jié)構(gòu)上按功能對裝置進行了劃分，摒棄了集中式單 CPU結(jié)構(gòu)而走向分散，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元(模擬量、開關(guān)堡、脈沖量)，主機單元(總控單元)、遙控執(zhí)行單元、保護單元組成。各功能單元(設備)通過通信網(wǎng)絡等手段實現(xiàn)有機結(jié)合，構(gòu)成系統(tǒng)。該類系統(tǒng)可替代常規(guī)的保護屏、控制屏、中央信號屏、遠動屏、測量儀表等。它具有較強的在線功能。各種功能比較完善，且人機界面較好。但系統(tǒng)仍然比較復雜，聯(lián)結(jié)電纜較多，系統(tǒng)可靠性不太高。這類系統(tǒng)雖然做到了一定程度上的分散(功能分散)，但沒有從整體上來考慮變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、一般僅是監(jiān)控系統(tǒng)和保護系統(tǒng)簡單的相加。由于我國保護和遠動分屬不同的部門和專業(yè)。故我國目前的大多數(shù)綜合自動化系統(tǒng)均屬此類結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 設備分變電站層設備(站控級)和間隔層設備(間隔級)。間隔層設備原則上按一次設備組織，例如 l條線路、 l臺主變壓器。每一間隔層設備包括保護、控制、測量、通信、錄波等所有功能。設計的原則是：凡是可以在本間隔層設備完成的功能，盡量由間隔層設備就地獨立處理，不依賴于通信網(wǎng)和變電站層設備。變電站層設備是通過間隔層設備了解和掌握整個變電站實時運行情況、并通過間隔層設備實現(xiàn)變電站控制，它還負責站內(nèi)信息收集、分析、存儲以及與遠方調(diào)度中心的聯(lián)系，這類系統(tǒng)實現(xiàn)了信息資源的共享以及保護、監(jiān)控功能的綜合化，大大簡化了站內(nèi)二次回路，它完全消除了設備之間錯綜復雜的二次電纜。由于間隔層設備可放在開關(guān)柜上或放置在一次設備附近，從而可大大縮小主控制室面積，節(jié)省控制電纜、減少 CT負擔。同時大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性、可擴展性，是綜合自動比系統(tǒng)的發(fā)展方向。 第四章 變電站自動化系統(tǒng)的通信 串行通信方式連接 串行通信：按照一定的格式一位一位地順序傳送數(shù)據(jù)。信息在一根信號線上傳輸。 優(yōu)點: 便于長距離傳送 缺點: 傳送速度較慢 串行數(shù)據(jù)傳輸主要出現(xiàn)在接口與外部設備、計算機與計算機之間。 PC系列機上有兩個串行異步通信接口、鍵盤、鼠標器與主機間采用串行數(shù)據(jù)傳送。 需要進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。 并行通信方式連接 并行通信：數(shù)據(jù)的各位同時發(fā)送或同時接收 優(yōu)點: 傳送速度快 缺點: 不便長距離傳送 計算機“主機”部件之間，如CPU與存儲器、CPU與接口電路，多采用并行方式傳輸數(shù)據(jù)。 并行通信通常是以“字節(jié)”為單位進行信息傳輸?shù)摹?在變電站綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)部，各種自動裝置間或繼電保護裝置監(jiān)控系統(tǒng)間，為了減少連接電纜，簡化配線，降低成本，常采用串行通信。 串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收 計算機并行方式處理數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)傳送用串行方式，故需要進行并/串轉(zhuǎn)換。 發(fā)送端：并/串轉(zhuǎn)換器：CPU控制→發(fā)送緩沖器→移位寄存器→在發(fā)送脈沖控制下字節(jié)的低位先發(fā)。發(fā)空后用中斷提示。發(fā)送時鐘控制發(fā)送速度。 接收端：串/并轉(zhuǎn)換器：類似同上。 依靠同步字符保持通信同步。 由1～2個同步字符和多字節(jié)數(shù)據(jù)位組成，同步字符作為起始位以觸發(fā)同步時鐘開始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；多字節(jié)數(shù)據(jù)之間不允許有空隙，每位占用的時間相等；空閑位需發(fā)送同步字符。 同步通信傳輸速度較快，但要求有準確的時鐘來實現(xiàn)收發(fā)雙方的嚴格同步，對硬件要求較高，適用于成批數(shù)據(jù)傳送。 通信工作方式:單工、半雙工與全雙工 單工 只有一個信道，傳輸方向只能是單向的 半雙工 只有一個信道，在同一時刻，只能是單向傳輸 全雙工 雙信道，同時可以有雙向數(shù)據(jù)傳輸 主站和分站間通信模式 ——CDT、 Polling CDT －－循環(huán)式：分站自動循環(huán)地向主站發(fā)送采集到的并經(jīng)一定處理后的遙測量、遙信量、數(shù)字量、脈沖量等。 Polling－－問答式：分站按照主站的要求發(fā)送相應的數(shù)據(jù)。國際標準：IEC60870-101 Polling：正常傳輸 Polling ：詢問幀出錯 Polling ：詢問幀丟失 Polling ：應答幀丟失 變電站內(nèi)部通信模式 ——總線通信方式 、網(wǎng)絡通訊方式 總線通信方式：由主模塊控制通信總線，主模塊可以主動向任何一個分模塊發(fā)送信息，分模塊則必須得到主模塊的允許，才能向主模塊發(fā)送信息。主模塊不斷地查詢各個分模塊，查到誰，誰才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這種主模塊和分模塊的通信方式類似于主站和分站之間采用的Polling通信方式。 網(wǎng)絡通訊方式類似于PC機之間通信時采用的以太網(wǎng)。通信線路不需要由某個模塊控制，主模塊可以主動向任何一個分模塊發(fā)送信息，任何一個分模塊也可以主動向主模塊發(fā)送信息。當有兩個或兩個以上的模塊同時發(fā)送信息而產(chǎn)生沖突時，有一種仲裁機制，使沖突得以檢測到或得以避免，使信息不會丟失。 通信協(xié)議定義 通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定，約定包括對數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳遞速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。 IEC60870-5-101主要是運用在遠動（串口） IEC60870-5-102主要是運用在電度表（串口） IEC60870-5-103主要運用在保護裝置（串口） IEC60870-5-104主要運用在遠動（以太網(wǎng)） 、 IEC61850規(guī)約基于MMS （Manufacturing Message Specification）的TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)信息互連—國際標準。 其它遠動規(guī)約： CDT92、CDT85 主要運用在遠動（串口） MODBUS（以太網(wǎng)口） 通訊規(guī)約是指系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換規(guī)則，其中系統(tǒng)可以是裝置，也可以是軟件系統(tǒng)。 一般情況下，設備之間互不通訊，規(guī)約轉(zhuǎn)換是在相對于監(jiān)控系統(tǒng)的外部設備接入系統(tǒng)時進行的。 通訊規(guī)約應該包含三個方面的信息：介質(zhì)、數(shù)據(jù)格式和時序。 介質(zhì)是通訊建立的基礎. 數(shù)據(jù)格式或稱為報文格式、幀格式，指明報文中的各部分的含義. 時序是指數(shù)據(jù)的交換次序。通訊的一般可以分為啟動、設置、輪詢、操作幾個部分。 通訊的一般可以分為啟動、設置、輪詢、操作幾個部分。 啟動過程是電力通系統(tǒng)通知設備復位，同步各種狀態(tài)，準備進行下一步通訊。 設置過程是由電力通系統(tǒng)給設備下發(fā)各種參數(shù)或取得設備的參數(shù)，下發(fā)時鐘進行對時等。 輪詢過程是通訊的主要過程，電力通系統(tǒng)通訊規(guī)約模塊的絕大部分時間都在該過程中，例如要召喚遙測、遙信的變化數(shù)據(jù)，定時召喚電度數(shù)據(jù)，處理事件數(shù)據(jù)等，該過程中的每一步操作，往往必須由上一步的操作以及設備的回答來確定。 當操作人員在系統(tǒng)上操作時，如果向設備發(fā)送命令，則進入操作過程，由于操作過程是隨機插入的，因此在處理上要特別注意該過程與輪詢過程所產(chǎn)生的時序上的交叉。 規(guī)約轉(zhuǎn)換 一個規(guī)約轉(zhuǎn)換的例子： 監(jiān)控系統(tǒng)采集直流設備的信息（遙測量、遙信量等） 假設監(jiān)控系統(tǒng)采用IEC104規(guī)約，而直流設備采用CDT規(guī)約。就需要經(jīng)過規(guī)約轉(zhuǎn)換。 規(guī)約轉(zhuǎn)換 CDT 循環(huán)遠動規(guī)約 CDT規(guī)約按照自身的數(shù)據(jù)傳送規(guī)則循環(huán)向主站傳送數(shù)據(jù)，不管主站是否正確接收。 IEC104規(guī)約 對于遙測量：有一種模式是設備主動上送；對于遙信量：如果設備遙信有變位，則要求主動上送至監(jiān)控系統(tǒng)；在監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)總召喚時，設備要回應其全部遙信當前值， 規(guī)約轉(zhuǎn)換 規(guī)約轉(zhuǎn)換主要過程： 1、定時接收直流設備原始數(shù)據(jù)，存放在緩沖區(qū)中，將其轉(zhuǎn)換成IEC104規(guī)約的遙測、遙信格式并保存； 對于遙測：如果遙測上送時間到，則將轉(zhuǎn)換過的遙測數(shù)據(jù)打包成IEC104規(guī)約的報文上送至主站， 對于遙信：判斷當前值與前一時刻值是否有變位，如果有則將數(shù)據(jù)打包成IEC104規(guī)約的遙信變位報文上送至主站，并將前一時刻值重新賦值； 2、接收來自監(jiān)控系統(tǒng)的下發(fā)命令，判斷如果是總召喚，則將當前遙信數(shù)據(jù)打包成IEC104規(guī)約的遙信報文上送至主站； OSI與TCP/IP 協(xié)議分層 網(wǎng)絡通信的過程很復雜 數(shù)據(jù)以電子信號的形式穿越介質(zhì)到達正確的計算機，然后轉(zhuǎn)換成最初的形式，以便接收者能夠閱讀 為了降低網(wǎng)絡設計的復雜性，將協(xié)議進行了分層設計 協(xié)議分層 分層設計的意義 用戶服務層的模塊設計可相對獨立于具體的通信線路和通信硬件接口的差別 而通信服務層的模塊設計又可相對獨立于具體用戶應用要求的不同 郵局對于寫信人來說是下層 運輸部門是郵局的下層 －－下層為上層提供服務 寫信人與收信人之間使用相同的語言 郵局之間的約定 －－同層次之間使用相同的協(xié)議 OSI的七層框架 數(shù)據(jù)的封裝與解封裝過程3－1 數(shù)據(jù)的封裝與解封裝過程3－2 數(shù)據(jù)的封裝與解封裝過程3－3 兩種國際標準 法律上的(de jure)國際標準 OSI 并沒有得到市場的認可。 是非國際標準 TCP/IP 現(xiàn)在獲得了最廣泛的應用。 TCP/IP 常被稱為事實上的(de facto) 國際標準。 TCP/IP協(xié)議參考模型 TCP/IP是20世紀70年代中期美國國防部為ARPANET開發(fā)的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu) 物理層 物理層－網(wǎng)絡的基礎 物理層是TCP/IP模型的最底層 物理層為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠環(huán)境 物理層的功能 物理層的傳輸介質(zhì) 有線介質(zhì) 雙絞線 光纖 無線介質(zhì) 無線電 微波 激光 紅外線 物理層的設備 網(wǎng)絡接口卡 連接計算機和網(wǎng)絡硬件 有一個惟一的網(wǎng)絡節(jié)點地址 按照速率可分為10M網(wǎng)卡、10/100M自適應網(wǎng)卡和千兆網(wǎng)卡 按照總線類型可分為ISA網(wǎng)卡、PCI網(wǎng)卡等 按照提供的線纜接口類型可分為RJ-45接口網(wǎng)卡、光纖網(wǎng)卡等 便攜式電腦可使用PCMCIA網(wǎng)絡接口卡 物理層的設備 中繼器 能放大信號 延長網(wǎng)絡傳輸距離 只包含有一個輸入端口和一個輸出端口，所以只能接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流 成本低 物理層的設備 集線器 最初只是一個多端口的中繼器 可用于星形拓撲結(jié)構(gòu) 能夠支持各種不同的傳輸介質(zhì)和數(shù)據(jù)傳輸速率 有些集線器具有內(nèi)部處理能力，例如，可以接受遠程管理、過濾數(shù)據(jù)或提供網(wǎng)絡診斷信息 被交換機所取代 數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層的功能 數(shù)據(jù)鏈路層 位于網(wǎng)絡層與物理層之間 以太網(wǎng) 以太網(wǎng)在 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層上運行。 以太網(wǎng)MAC地址 網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層的功能 定義了基于IP協(xié)議的邏輯地址 連接不同的媒介類型 選擇數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡的最佳路徑 IP地址的作用 子網(wǎng)掩碼的使用 劃分子網(wǎng) 劃分子網(wǎng)的作用 通過將子網(wǎng)掩碼變長，將大的網(wǎng)絡劃分成多個小的網(wǎng)絡 未劃分子網(wǎng)的IP地址 網(wǎng)絡172.16.0.0，掩碼255.255.0.0 劃分子網(wǎng)后的IP地址 掩碼變成255.255.255.0， 網(wǎng)絡劃分為172.16.1.0、172.16.2.0、……172.16.254.0 交換機和集線器的區(qū)別 集線器為共享方式，即同一網(wǎng)段的計算機共享固有的帶寬，傳輸通過碰撞檢測進行，同一網(wǎng)段計算機越多，傳輸碰撞也越多，傳輸速率會變慢。 交換機和集線器的區(qū)別 交換機則采用一種與集線器完全不同的、獨特的傳輸方式。無論是網(wǎng)卡還是交換機端口，都具有獨一無二的MAC地址，因此，MAC地址便可用作識別其身份的號碼，而交換機上的每個端口都能夠在其地址表中記憶若干個MAC地址，從而建立一張端口號與MAC相對應的地址表。 交換機和集線器的區(qū)別 當交換機控制電路從某一端口收到一個Ethernet包后，將立即在其內(nèi)存中的地址表（端口號—MAC地址）進行查找，以確認目的MAC的網(wǎng)卡連接在哪一個端口上，然后將該包轉(zhuǎn)發(fā)至該端口。如果在地址表中沒有找到該MAC地址，也就是說，該目的MAC地址是首次出現(xiàn)，則將其廣播到所有端口。擁有該MAC地址的網(wǎng)卡在接收到該廣播包后，將立即作出應答，從而使交換機將其端口號—MAC地址對照表添加到地址表中。 路由器 路由器（Router）是一種典型的網(wǎng)絡層設備。 一般說來，異種網(wǎng)絡互聯(lián)與多個子網(wǎng)互聯(lián)都應采用路由器來完成。  路由器的主要工作就是為經(jīng)過路由器的每個數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)有效地傳送到目的站點。 路由器中保存著各種傳輸路徑的相關(guān)數(shù)據(jù)――路徑表（Routing Table），供路由選擇時使用。路徑表中保存著子網(wǎng)的標志信息、網(wǎng)上路由器的個數(shù)和下一個路由器的名字等內(nèi)容。路徑表可以是由系統(tǒng)管理員固定設置好的，也可以由系統(tǒng)動態(tài)修改，可以由路由器自動調(diào)整，也可以由主機控制。  什么是路由？ 路由 跨越從源主機到目標主機的一個互聯(lián)網(wǎng)絡來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的過程 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 定義了通信的兩個重要內(nèi)容： 傳遞什么？ 如何傳遞？ 定義了設備和變電站的配置； 面向未來，通信協(xié)議可選擇； 對自動化設備協(xié)同工作的方式進行了發(fā)展； 具有通用性，可應用于其他領(lǐng)域； 是一套技術(shù)體系，而不僅僅是通信協(xié)議。 國際電工委員會（IEC）TC 57技術(shù)委員會（電力系統(tǒng)控制和通術(shù)委員會）在制定IEC 61850（變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)）標準時，把變電站自動化系統(tǒng)的功能在邏輯上分配在3個層次（變電站層、間隔層或單元層、過程層），這3個層次分別通過邏輯接口1～9建立通信，如圖所示。 （1）過程層（Process level）功能 過程層的功能實際上是與變電站一次設備斷路器、隔離開關(guān)和電流互感器TA、電壓互感器TV接口的功能。 （2）間隔層（Bay level）功能 變電站自動化系統(tǒng)在間隔層的設備主要有各種微機保護裝置、自動控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和RTU等等。 (3）變電站層（Station level） 　 變電站的功能有2類：與過程有關(guān)的站層功能： 與接口有關(guān)的站層功能 對IEC 61850的理解 IEC 61850工作組所做的所有工作其實都是圍繞一個核心問題：如何將過程信息不丟失語義地在過程層、間隔層和站控層之間傳遞。3JW紅軟基地

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