基于现场总线CAN的变电站综合自动化系统_0

2019-06-10 11:29

1.引言

  电力系统是一个特殊的系统,其安全性、可靠性要求高,为了实现系统的安全可靠运行,必须实现电力系统的调度、运营和管理的自动化。随着电力系统自动化程度的提高,现场总线技术的日臻完善,以及电力系统减员增效要求的提出,实现电站综合自动化,从而达到无人值班,已成为电力系统自动化发展的趁势。目前,采用符合现代工业控制技术方向的高性能微控制器,现场总线技术,实时多任务操作系统等多项先进技术,能实现对中低压输配电线路及主设备的综合自动化功能。而且能集保护、监控 、调控、通信于一体,既可联网构成综合自动化系统,也可独立运行,既可适合有人监控中心,也可适合无人值班的要求。众所皆知,变电站综合自动化关键在于大量的现场采集信息和数据快速、准确,实时上传到监控中心,也能将监控中心下达的控制命令准确无误地发送到控制单元,及时采取措施避免事故发生,这就需要变电站综合自动化系统有可靠的通信保障。随着现场总线技术在电力系统自动化中的广泛应用,有效地解决了变电站综合自动化系统中的通信问题。

2.变电站综合自动化系统

2.1 变电站综合自动化系统的构成

  变电站综合自动化系统一般由站控层、通信管理层和间隔层构成的计算机监控系统,采用分布式结构,设备分为站控层、通信管理层及间隔层,间隔层原则上按一次设备组织,每一间隔层设备包括测量、控制、保护、信号、通信、录波等基本功能,并完成各自的特殊功能,系统能实现信息共享及保护、监控功能的综合化,极大简化二次回路,节省系统投资,由于间隔层设备可放在开关柜或一次设备附近,大为减少主控室面积,节约控制电缆,大大提高了整个系统的可靠性和可扩展性。通信管理层由于各间隔层设备通信协议的多样性,要实现不同装置的数据链接,可加入前置机(通信管理装置)完成通信控制和规约转化,使其在功能上实现通信接收、发送、规约转化等功能;通信协议采用电力行业标准协议,能实现不同厂家设备的互联,采用全球定位系统(GPS),支持硬件对时网络,减少GPS与设备间的连接,并保证对时精度,硬件上采用模块化设计以支持多种通信接口,包括以太网、串行通信接口、可扩充的其他现场总线接口等;软件上具有规约库以支持RS-232、RS-485、LONWORKS及标准网络协议(TCP/IP)等多种类型的标准通信接口,从而具备良好的软、硬件扩展性。站控层包括数据库服务器、Web服务器、运行工作站、维护工作站、监视工作站等。

2.2 变电站综合自动化系统功能

  以某110KV变电站为例,根据变电站高压供电系统一次系统的整体要求,变电站综合自动化系统决定采用CL2000变电站综合自动化系统,在此,结合工程实践,介绍该系统用于变电站监控系统中的经验。

  变电站综合自动化系统由WXH-322A/01微机线路保护装置,WBH-90系列微机变压器保护装置,ZBH-91A/05变压器本体保护装置,WBH-92A/02微机变压器后备保护装置,WMC-31A03微机母线差动保护装置,WBH-93A/02微机厂用电保护装置,WBT-31A/01微机备用电源自投装置,微控制器SAB-C167CR(SIEMENS公司产),工作站微机及相应设备组成。CL2000变电站综合自动化系统系列保护装置具有一般的主要功能,如开关量的变位遥控,电压电流的模拟输入,断路器遥控分口,脉冲累加,遥控事件记录及顺序记录(SOE),逻辑闭锁等。

  WXH-322A/01微机线路保护装置是多CPU并行设计,距离保护,零序保护及录波,测距分别由单独CPU完成,各CPU插件在电气及结构上相互独立,无依赖关系,它能实现以下功能:

  (1)保护功能:a) 三段式相间距离保护; b) 三段式接地距离保护; c) 四段式零序方向过流保护;d) 故障测距; e) 振荡闭锁; f) 三段式反向及低压闭锁过流保护; g) 检无压、检同期三相一次重合闸,手动同期合闸; h) 低周低压减载保护; i) 过负荷保护或报警; j) PT断线告警。

  (2)测量功能:a) 采集测量电压,三相或二相测量电流,计算有功功率,无功功率,功率因数; b) 测量频率,每周波72点自适应采样; c) 采用12路开关量; d) 采用4路脉冲量(正负脉冲 均可); e) 远方及本地操作。

3.由现场总线技术实现的通信功能

  通信功能是综合自动化出别于常规站最明显的标志之一,通信网络变电站内间隔信息可充分共享,并通过通信接口与外界信息系统交换信息,同时节省大量电缆,构成一个快速、稳定、可靠的通信网络是变电站自动化系统的基本要求,也是电力系统运行管理功能的基本前提。

  近年来,随着我国电力自动化的不断发展,电力系统通信方式也不断改进,现场在总线技术因其组网方便,抗干扰能力强等特点得到广泛应用。现场总线标准很多,电力自动化系统中最常用的是LONWORKS和CAN总线。

  LONWORKS总线通信速率为78Kbps和1.25Mbps,CAN总线通信速率为1Mbps。CAN总线是一种有效支持分布控制和实时控制的串行通信网络,是一种通信速率可达1Mbps的多主总线[1]。

  具有优先抢占方式进行总线仲裁的作用机理,通信速率高,错误帧可自动重发,永久故障可自动隔离,不影响整个网络正常工作,可靠性高,而且协议简单,开放性强,组网灵活,成本低等特点,能为电力自动化提供开放性、全分布及可互操作性的通信平台。

  CAN总线的主要特点:

  (1)CAN为多主方式工作,网络上任意节点,任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主次,通信方式灵活,且无需站地址等节点信息;

  (2)CAN采用短帧结构,数据最多8个字节,这样不仅满足控制领域中传递控制命令,工作状态和测量数据的一般要求,且保证了通信的实时性,CAN网络上的节点信息分为不同等级,可满足不同实时要求,高优先级最多可在134S内得到传输;

  (3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线发送信息时,优先级较低的节点主动退出发送,而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据,从而大大节省了总线冲突时间。CAN的直接传输距离最远可达10Km/ 5Kbps,通信速率最高可达1Mbps/40m。可挂接设备最多可达110个。CAN节点在自身发生错误时具有自动关闭功能,以使总线上其他节点的操作不受影响。

  本系统间隔层主要由保护单元和测控单元组成,每个测控单元监控多路馈进馈出,采用先进现场总线CAN,现场通信采用双绞线,总线速率达1 Mbps,快速、可靠、方便灵活,通信规约支持IEC-60870-5-101格式,克服RS485网络上只能有一个主节点而无法构成多冗余系统的缺陷,具有很高的价格比。另外,采用双CAN现场总线内部定期对备用CAN进行备用检测,提高了内部网络的冗余度。

  站控层采用双10 Mbps双绞线以太网结构(能保证变电站自动化系统内部通信网络传输的实时性),由双服务器组成,站控层为值班人员提供全厂系统的监视、控制和管理功能,界面友好,容易使用。通过组件技术,软件功能能实现即插即用,能较好地满足电气监控系统的需要,软件系统采用模块化结构,开放性较好。站控层操作系统可采用Windows2000/NT,数据库选用SQL服务器,软件主要功能模块有前置、数据库生成器、数据库组态、报表管理、报警信息、曲线、棒图、动作告警、SOE、事故追忆、录波分析、人机界面、自动抄表、设备管理、定值管理、设备在线诊断、系统组态等。电气监控系统中提供了故障信息传输系统、各级调度中心、电能计量系统、直流系统通信等接口驱动软件。

  总之,系统完成的主要功能有:实时数据采集与处理、数据库的建立与维护、控制操作、同步检测、报警处理、顺序记录(SOE)、事故追忆、画面生成及显示、在线计算及制表、电能量处理、远动功能、电气五防、时钟同步、人机接口、系统自诊断与自恢复、与其他智能设备接口、运行管理功能等。

4.主要软件设计

  本系统中,微处理器SAB-C167CR的数据处理速度可达10 MHz,能完成所有测量、控制及通信等功能,其特点是任务较多,各任务之间协调较为复杂,为了便于个任务之间协调与功能扩充,CPU软件系统采用了实时多任务操作系统RTOS来优化和分配CPU时序和资源,保证程序的实时性和可靠性,以任务为对象进行资源管理,任务调度和异常处理,通过RTOS管理系统根据数据处理的轻重缓急来合理分配占有CPU,优化时序分时执行,使之不闲置,不拥挤,每个处理过程又有多个不同优先级别的任务组成,采用优先抢占操作方式有效保证任务执行的实时性,采用这一软件结构的突出特点是使程序实现了真正的模块化,各个任务单独编程,不受其他任务的影响,任务的增减,调度非常方便。

  软件设计分为两部分:一部分是SAB-C167CR微处理器的软件设计,包括与间隔层设备间CAN总线数据传输及上位机UBS的数据通信(使用USB接口方便现场,即插即用,便于PC机的维护与升级,满足变电站数据通信的需要);另一部分为PC机上位机软件的设计。这部分上位机软件设计较为复杂,若采用面向对象的语言编写程序,可使用ActiveX控制实现数据通信。对于微处理器和上位机的软件设计,考虑到将来间隔层设备结构的变化和硬件升级需要,程序设计分为两层,底层负责数据接收和发送;上层负责数据帧上午打包、解包及协议的解释。

5.结论

  随着现场总线技术的发展和电气设备微机化程度的提高,为数字化形式实现变电站自动化监控系统提供了技术保证。变电站自动化系统应具有开放性,应能实现不同厂家设备的互操性(互换性)。因此,现场总线技术的应用是变电站综合自动化发展的需要,运用现场总线技术 ,能解决变电站综合自动化系统的通信问题,能保证数据通信的速度、质量、抗干扰能力,从而保证了变电站综合自动化技术的有效实施。

参考文献:

  1.邬宽明. CAN总线原理与应用系统设计. 北京:北京航天航空大学出版社,1996

  2.闵涛,黄冰. 变电站自动化系统一种智能测控装置的设计. 电力系统及自动化学报.2003[6]:87~90

  3.李娟. 现场总线在煤矿变电站综合自动化系统中的应用. 重庆:电工技术,2004[5]:2~3

  4.CL2000变电站综合自动化系统系列装置技术说明书. 哈尔滨光宇电气自动化有限公司

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