毕业设计---变电站综合自动化系统的研究

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1、-论文题目：变电站综合自动化系统的研究专 业： 电气工程及其自动化本 科 生： 指导教师： 李磊老师摘 要本次毕业论文通过对变电站自动化的概念和发展趋势，以及变电站综合自动化系统研究的意义和国内外现在发展的状况的论述，探讨了变电站综合自动化系统的功能，结构，保护配置，并且进一步讨论了微机保护硬件的结构和特点。通过对变电站综合自动化系统通信方面的研究，介绍了当前各种总线方式和最新的通信技术，将各种通信方式进行了详细的说明，并将他们的优缺点进行了详细的分析，比较了各种方式的性价比。并且对此前景进行了简介。最后将变电站综合自动化系统的继电保护和综自设备的设置进行了详细的介绍。图文并冒，最后是将一些关

2、于变电站综合自动化系统的英文文章进行汉语翻译，这对了解变电站综合自动化系统的最新科技有着很大的帮助。关键词： 变电站综合自动化，通信协议， 微机保护，硬件配置。AbstractThe thesis of the substation automation concept and development trends, and integrated substation automation system and the significance of the study of the development of the domestic and international situation

3、 now e*position Discussion of integrated substation automation system functions, structure, protection configuration, and further discussion of the puter hardware protection of the structure and characteristics. Through the integrated substation automation system munication research, on the current

4、bus various ways and the latest munications technology, the various modes of munication for a detailed description, and the advantages and disadvantages of a detailed analysis to pare the cost-effectiveness of various forms. And the prospects for this brief. Finally, integrated substation automation

5、 systems and prehensive protection from the installation of equipment for a detailed briefing. Graphic and running, and finally some of the substation automation system for Chinese English translation of the article, This understanding of integrated substation automation system with the latest techn

6、ology in a great help.Keywords : integrated substation automation, munication protocols, microprocessor-based protection, hardware configuration. . z.-目录目录3第1章绪论51.1 变电站综合自动化系统的研究51.1.1 变电站综合自动化系统的研究意义51.1.2 变电站综合自动化系统的发展趋势61.2 国外变电站综合自动化系统的发展71.3 我国变电站综合自动化技术的发展71.4 变电站实现综合自动化的优越性81.5 变电站综合自动化系统的发展

7、前景81.6 小结8第2章变电站综合自动化系统的结构，功能与保护配置92.1 变电站综合自动化系统的结构92.1.1 集中式综合自动化系统：92.1.2 分散式综合自动化系统：102.1.3 分布集中式综合自动化系统：112.1.4 集中和分散结合式综合自动化系统：112.2 变电站综合自动化系统的功能122.2.1 监测：122.2.2 监控：122.2.3 远传：132.2.4 保护：132.3 变电站综合自动化系统的硬件配置132.3.1 综合自动化系统变电站主控室的结构分为三类：132.3.2 硬件的配置原则152.3.3 变电站综合自动化系统微机保护的硬件结构162.4 小节19第3

8、章变电站综合自动化系统的通信网络203.1 通信网络的发展：203.1.1 RS-232，RS-422 和RS-485总线：203.1.2 LONWORKS总线203.1.3 CANBUS现场总线213.1.4 各种总线技术的优缺点213.2 现场总线在变电站综合自动化内部网的应用223.2.2 嵌入式以太网方案：233.2.3 LONWORKS现场总线网方案和嵌入式以太网方案的比较和分析：24基于CANBUS总线的通信系统方案：243.3 内部通信网的传输实时性分析263.4 国外相关产品的比较263.5 通信协议的作用273.6 光纤通信技术273.6.1 光纤通信优点27光纤通信的类型以

9、及在配电自动化系统中的应用如下283.7 现场总线通信技术283.8 无线通信技术283.9 配电线载波通信技术293.10 小结29第4章继电保护设备和综自设备的设置304.1 35KV开关柜智能保护单元304.2 10KV开关柜智能保护单元304.2.1 变压器后备保护304.2.2 电容器保护314.2.3 配电变压器保护36馈线保护37备自投保护37测控及自检功能的配置374.3小结38第5章总结39致谢40参考文献41英文翻译42. z.-第1章 绪论1.1变电站综合自动化系统的研究变电站综合自动化系统的研究意义电力系统变电站的安全，可靠和经济运行再很大程度上依赖于变电站继电保护，控

10、制和监控技术的完善程度以及它们的可靠性，技术特性指标和经济性等多方面的因素。计算机技术的发展，推动了电力系统计算机自动化技术的发展，变电站综合自动化技术也日趋完善。它为调度中心提供了厂站端的运行情况，通过控制操作和闭锁，可以实现变电站当地和远方的监视和控制；为远方的遥调，遥测，遥控，遥信和反事故措施提供了可靠的技术保障；无人职守的变电站提高了供电的可靠性又实现了减员增效。通过对变电站综合自动化系统的研究，对于电力系统的运行可靠，保护和控制以及对变电站的设计更加的合理，布局更加紧凑都有很重要的意义。变电站综合自动化系统是一种以计算机为主，将变电站的一，二次设备经过功能组合形成的标准化，模块化，网

11、络化的计算机监控系统。变电站的综合自动化，是将变电站的二次设备经过功能的重新组合和优化设计，利用先进的计算机技术，自动化技术和通信技术，实现对全变电站的主要设备和输配电线路的自动监视，测量，控制和微机保护，以及调度通信等综合性的自动化功能。变电站综合自动化系统代替了常规的测量和监视仪表，代替了常规控制屏，中央信号系统和远动屏，用微机保护代替了常规的继电保护屏，解决了常规的继电保护装置不能与外界通信的问题。变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可以方便的监视和控制变电站内的各种设备的运行和操作，它具有功能综合化，结构微机化，操作监视屏幕化，运

12、行管理智能化等显著特点。通过利用先进的综合自动化技术，提高了供电质量，提高了电压合格率，提高了变电站的安全可靠性和系统的运行管理水平，缩小了变电站占地面积，降低了造价，减少了总投资，减少了维护工作量，减少了值班员劳动强度。变电站综合自动化系统是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来的。与传统的继电保护相比较，微机保护具有许多优点：（1）：改善和提高了继电保护的动作特性和性能，动作正确率高。（2）：可以方便的扩充其他的辅助功能。（3）：工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准。（4）：可靠性提高。（5）：使用灵活方便。（6）：可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变

13、电所微机监空系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。 变电站综合自动化系统的发展趋势（1） 保护监控一体化这种方式在35KV及以下的电压等级中已普遍采用，它的好处是功能按一次单元集中化，利于稳定的进行信息采集以及对设备状态进行控制。极大的提高了性能效率比。它的缺点是对运行的可靠性要求极高，任何形式的检修维护都将迫使一次设备的停止。可靠性和稳定性要求很高。(2)设备安装就地化，户外化综合自动化装置将和一次设备整合在一起，其电气的抗干扰性能，设备抗热，抗寒，抗雨雪，防腐蚀等各项环境指标将达到极高的地步。目前的综合自动化装置都是安装在低电压的中置柜上和室内的开关室内，户外的仅是一些实现简单功能的柱

14、上设备。随着高电压等级的推广，其设备都将就地安装在户外的端子箱上，对环境条件要求高。这种方式最终将带来无人值班变电站没有建筑小室或仅设一个控制小室，它最多也就是一台控制显示终端。这将极大的减少整个变电站的二次电缆，使变电站的建设简化，快速，设备调试简单。同时也极大的提高了变电站的运行稳定性，可靠性。(3)人机操作界面接口统一化，运行操作无线化无人无建筑小室的变电站，变电运行人员如果在就地查看设备和控制操作，将通过一个手持式可视无线终端，边监视一次设备边进行控制操作，所有相关的量化数据将显示在可视无线终端上。(4)就地通讯网络协议标准化强大的通讯接口能力，主要通讯部件双备份冗余设计（双CPU，双

15、电源等），采用光纤总线等等，使现代化的综合自动化变电站的各种智能设备通过网络组成一个统一的，互相协调工作的整体。(5) 全站数据标准化变电站的智能监控装置将无电压等级划分，只是下载参数设置版本不同。全站统一数据库，统一维护组态工具软件，分类分单元下载参数设置数据。其实时运行数据库可通过严密的安全防护措施与整个电力系统实时数据连在一起(6) 数据采集和一次设备一体化 除了常规的电流电压，有功无功，开关状态等信息采集外，对一些设备的在线状态检测量化值，直接采集到监控系统的实时数据库中。高技术的智能化开关。光电式电流电压互感器的应用，必将给数据采集控制系统带来全新的模式。1.2 国外变电站综合自动化

16、系统的发展70年代末80年代初，国外开始了对于ISA技术的研究，这是由于电网规模不断扩大，要求电网及变电站的控制和保护系统必须运行安全、可靠、经济。因此，各级调度中心需要更多的信息，以便及时掌握电网及变电站的运行情况。同时，采用无人值班管理模式，进行远方控制，减少人为误操作的可能性，提高运行可靠性，降低变电站的造价和运行维护费用。随着微处理器技术、计算机网络技术、数字通信技术的发展，人们可以利用现代先进的技术和设备来组成一个自动化的控制和保护系统，改变传统二次设备模式，做到设备简化，信息共享，减少变电站的造价和运行维护费用。世界发达国家率先研制出成熟系统，并推广应用，大大提高了变电站管理的自动

17、化水平，实现电力系统的安全、可靠、经济运行。目前，日本日立、三菱、东芝公司，德国西门子公司（SIEMENS）、AEG公司，瑞士ABB公司，美国通用电气公司（GE）、西屋电气公司（Westing house），法国阿尔斯通公司（ALSTHOM），瑞士Landis&Gyr公司等国际著名大型电气设备制造公司都开发和生产了变电站综合自动化系统（或称保护与控制一体化装置），并取得了较为成熟的运行经验.1.3 我国变电站综合自动化技术的发展我国变电站自动化系统的发展阶段：变电站内二次设备传统按功能可分为五类：继电保护，自动装置, 故障录波，当地监控和远动。五大类产品的不断发展及其功能相互渗透，推动了变电站

18、自动化系统的发展，产生了多种多样的系统模式，按系统模式出现的时间顺序可将变电站自动化系统的发展分为三个阶段： 第一阶段：面向功能设计的集中式RTU加常规继电保护模式80年代是以RTU为基础的远动装置及当地监控为代表。该类系统是在常规的继电保护及二次接线基础上增设RTU装置，功能主要为完成与远方调度主站通信实现四遥”(遥测，遥信，遥调，遥控)，继电保护及自动装置与系统联结采用硬接点状态接入。此类系统特点是功能简单，整体性能指标较低，系统联结复杂，不便于运行管理与维护，为自动化系统的初级阶段。 第二阶段：面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式90年代初期，微机保护及按功能设计的分布测控装置得以

19、广泛应用，保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到当地监控计算机或调度主站。此类系统的出现是由于当时国内电力系统保护和远动分属于不同部门和专业，另外对继电保护与测控装置在技术上如何融和没有达成一致的认识，故相当一部分尤其是110KV及以下电压等级自动化系统采用此类模式。该模式没有做到面向对象设计，信息共享程度不高，另外系统的二次电缆互联较多，扩展性不好，不利于运行管理和维护。 第三阶段：面向间隔和对象(object-oriented)的分层分布式结构模式90年代中期，随着计算机技术、网络和通信技术的飞速发展，行业内对计算机保护与测控技术不断争论和探讨达成了一致的认识，采用面向

20、设备或间隔为对象设计的保护及测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成了真正意义上的分层分布式自动化系统。该系统特点是针对110KV以下电压等级的设备或间隔采用保护测控一体化设计的装置，针对110KV及以上电压等级的设备或间隔采用继电保护装置与测控装置分别独立设计但共同组屏的原则，故障录波功能下放至各间隔或设备的继电保护装置中去，采用先进的网络通信技术，系统配置灵活，扩展方便，非常方便运行管理和维护。1.4变电站实现综合自动化的优越性（1）：提高供电质量，提高电压合格率（2）：提高变电站的安全，可靠运行水平。（3）：减少维护工作时间，减少值班人员的劳动强度，并达到减员增效（4）：缩小变电站占地面

21、积，减少总投资。5：提高电力系统的运行管理水平1.5 变电站综合自动化系统的发展前景随着国民经济的飞速发展，电力工业作为很重要的国家战略企业，十分重视电力系统综合自动化技术的发展，实现变电站综合自动化，这是电力工业发展的趋势。对电力技术的发展来说，具有重要的意义，也是电力工业发展的显著标志。虽然变电站综合自动化技术在80年代后才被开发应用。但由于在技术性能上的潜在能力，必将被广泛的应用于祖国各个城网和农网中。应用前景十分的巨大。1.6 小结本章先是介绍了什麽是电力系统综合自动化，以及变电站综合自动化系统研究的意义和发展趋势。下来介绍了国内外变电站综合自动化的发展过程和巨大的前景应用。第2章 变

22、电站综合自动化系统的结构，功能与保护配置2.1 变电站综合自动化系统的结构变电站综合自动化系统的组成在结构上主要可以分成：集中式，分布集中式，集中和分散式，分散式四种。集中式综合自动化系统：它是按功能要求配置相应的继电保护装置和远动装置并安装在变电站的中央控制室内。变压器。各进出线以及其他电气设备的运行状态通过ct,pt，开关辅助触点有电缆传送到变电站的中央控制室的保护装置和远动装置内。经初步处理后送到I/O通信控制器进行数据格式的变换，并将变电站所有保护，测量，信号和控制信息统一处理，与当地的后台机和远方调度中心进行信息交换。它的特点是将变电站中所有的信息统一集中处理，形成一个系统，并符合传

23、统的变电站运行模式。它实际上是微机保护和微机远动的系统集成。缺点是组屏多，占地面积大，而且需要铺设大量的电缆，投资量和工程量大，接线复杂，独立单元较多，维护工作量大，运行不可靠。如图所示：分散式综合自动化系统：该系统按回路进行设计，每一个开关柜上或其他一次设备上就地安装微机保护单元和单回路的数据采集和监控单元，这样不但可以节省大量的光电缆，同时也提高了抗干扰能力。微机保护单元和单回路的数据采集和监控单元与I/O通信控制器相互之间用网络电缆连接起来，仅做数据信息的传送。分布式综合自动化系统的优点除了减少了大量的电缆，抗干扰能力增强，并大大的简化了二次设备，减小了占地面积。缺点是运行时仍不是很稳定

24、。分布集中式综合自动化系统：整个变电站的一，二次设备分为三层，变电站层，单元层和设备层。设备层为0层，单元层为1层，变电站层为2层。设备层主要是指变电站内的变压器，断路器，隔离开关以及辅助接点，电流，电压互感器等一次设备。单元层一般按断路器间隔划分，具有测量，控制部件或继电保护部件。单元层本身是有各种不同的单元装置组成，这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联系，也有可能设有数据采集管理机或保护管理机，分别管理各测量，监视单元和各保护单元，然后集中由数采管理机和保护管理机与变电站层通信。单元层本身就是两级系统的结构。变电站层包括全站性的监控主机，远动通信机等。变电站层设现场总线

25、或局域网，供各主机之间和监控主机和单元层之间交换信息。变电站综合自动化系统主要集中在单元层和变电站层。集中和分散结合式综合自动化系统：随着单片机技术和通信技术的发展，特别是现场总线和局域网络技术的应用，一种发展趋势是按每个电网元件，比如一台变压器，一台断路器等为对象，集测量，保护，控制为一体，设计在同一机箱内。至于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍然可以按照集中组屏安装在主控室内。这种结构方式介于集中式和分散式之间。目前国内应用较多的是分散式结构集中式组屏。这种结构方式具有分散式结构的全部优点，并且由于采用了集中式组屏，有利于系统的设计，安装以及维护管理。但是这种结构比较适合用于中低压变电站

26、。2.2 变电站综合自动化系统的功能变电站综合自动化系统的功能主要包括监测，监控，远传，保护四部分。监测：综合自动化系统通过对变电站的数据进行采集，处理，显示和打印，使运行人员了解变电站的运行工况，并采取相应的措施。所采集的数据分为三大类：模拟量，开关量和脉冲量。(1)模拟量：变电站需要监测的各种模拟量包括主变一次，二次和各线路的电流，各段母线及重要线路的电压，各线路零序电流，母线零序电压，主变温度和室温。(2)开关量：变电站内需要监测的各种开关量，包括各个开关，刀闸，变压器分接头，继电保护动作信息，开关机构运行状态，交直流电源运行状态，各微机运行状态等。(3)脉冲量：变电站需要监测的各种脉冲

27、量，包括线路，主变一次和二次的有功电度量和无功电度量，电容器的无功电度量，所用电的有功电度量等。监控：综合自动化系统提供方便可靠的人机对话，运行人员利用键盘和显示器操作开关，刀闸和变压器分接头。该系统还可以根据电网运行情况自动控制开关或变压器分接头。所有操作的可靠性在软硬件设计中都应符合双重化原则。操作方式分为手动操作和遥控执行。手动操作分为三种方式：键盘操作，把手操作，保护柜操作。正常时利用键盘操作，非正常时通过模拟屏把手操作或保护柜操作。保护柜操作可通过保护机键盘或柜上按扭实现。遥控执行：当调度端发出遥控开关或遥调变压器分接头的命令后，该系统能可靠的执行。变电站监控的内容主要有以下几个方面

28、：(1) ：跳闸统计：统计开关跳闸次数。分为有事故跳闸次数和手动跳闸次数两种。(2)：接地选相：对于中性点不接地系统，当电网出现单相接地故障时利用零序电压，零序电流增量以及压降可判断接地线路及相别，也可以利用功率方向等其它方法来判别。也可利用功率方向法等其他方法来判别。为了保证可靠性，应多次采样后才能确定。确定后，主机报警，并显示和打印。运行人员按照提示，用人工检除方法跳开开关自动重合，验证主机的判断。(3) : 无功电压自动控制：根据电网无功，电压计算和判断是投切电容器，还是调节变压器分接头位置。以使无功和电压满足要求。在变压器。电容器。或电网故障时不应该误动。当电容器检修时，不应参与控制。

29、远传：当变电站正常运行或发生事故及报警等事件时，远传机会实时的向上级调度传送该站信息，使调度人员了解该站的运行情况。保护：微机保护不仅有较高的可靠性和灵敏性，而且使用方便。其特点：(1) : 用键盘和八段显示器（LED）显示采样值（电流，电压，和开关状态）和整定值，并可修改整定值。(2) :具有事故追忆功能。能够记录事故前后的线路电流和母线电压。(3):具备实时自检功能。能够对保护柜包括主机在内的各元件进行在线检查。变电站保护分为以下几种类型：(1): 线路保护：包括电流速断保护，定时限过电流保护，方向性电流保护，零序电压，电流及方向保护，反时限过流保护，高频保护，距离保护。双回线方向横差保护

30、和低周减载保护。(2):变压器保护：包括差电流速断保护，带二次谐波制动的比例差动保护。本体保护（重瓦斯，轻瓦斯，有载重瓦斯，有载轻瓦斯等），过流保护（包括低压启动，复合电压启动），过负荷保护。零序保护，高压侧备用电源自投和低压侧备电源自投。(3):电容器保护：包括电流速断保护，过流保护，反时限过流保护，相间过电压保护，相间低电压保护和零序过电压保护。4：母线保护：包括完全电流差动母线保护和电流比相式2.3 变电站综合自动化系统的硬件配置综合自动化系统变电站主控室的结构分为三类：(1) 模拟屏式：在主控室模拟屏前设微机台，台内装微机及UPS电源，台上放主机显示器CRT，键盘和打印机。模拟屏主接线

31、图上安装仪表和操作把手。其他如保护柜，变送器柜，电度表柜，监控柜，交直流电源柜等均放在模拟屏后，或分置于其他房间。(2) 控制台式：再主控室前部设控制台，无模拟屏。在控制台对面设保护柜，变送器柜，监控柜，电度表柜和交直流电源柜等设备。控制台上或旁边放主机显示器CRT。打印机和键盘。模拟主接线，操作把手，必要的仪表和光字均安装在控制台面上。(3)微机台式：在主控室前部设微机台，无模拟凭，无控制台。主控室后部设保护柜，变送器柜，监控柜，电度表柜，交直流电源柜等设备。微机台内装主机和微机电源，微机台上放CRT，打印机和键盘。硬件的配置原则综合自动化系统硬件配置应遵循下列原则：(1):各自独立，相互配

32、合。不同功能的硬件之间只能有信息交换，不应有电的直接联系。采用光电隔离和继电器接点闲离的方法实现。保护柜内各单元应有独立的交流输入，独立电源，独立出口，应有可靠的抗干扰措施。监控部分在监控机，电度机，采样机，远传机任一故障情况下，应不影响其他机正常工作。(2):软硬件模块化，方便维护和扩展。各单元应具有模块化的主机板，开出板。开入板，模入板等，方便维护，并可在此基础上进一步开发。(3)：具有较强的抗干扰能力。满足在强电场，高频影响和谐波冲击等环境下可靠工作，并能防止雷电冲击。微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段：第一阶段是以单cpu的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式A/D模数转换器

33、构成，硬件和软件的设计符合四统一设计标准，其代表产品为微机高压输电线路保护装置。第二阶段以多单片机构成的多cpu硬件结构为主，数据采集系统为电压频率转换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置的成功运行经验，利用多cpu的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动和误动的措施。第三阶段以高性能的16位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出芯片，电路结构简单的特点，抗干扰能力进一步加强，并且完善了通信功能，为实现变电站自动化提供了方便。再现阶段，在一些微机继电保护装置中，个别产品也采用了性能更好，功能更强大的

34、工业控制计算机。变电站综合自动化系统微机保护的硬件结构(1) 处理器分为单片机和数字信号处理器两种。单片机通过大规模集成电路技术将CPU ,ROM, RAM, 和I/O接口电路封装在一块芯片中，具有可靠性高，接口设计简单，运行速度快，功耗低，性价比高的优点。使用单片机的微机保护具有较强的针对性，系统结构紧凑，整体性能和可靠性高，但通用性和可扩展性相对较差。而且*些保护算法需要使用乘法，除法或是开平方运算，而早期的片内资源有限，实际应用时常常需要对其功能进行补充和外部扩展。新型高性能的单片机性能得到了很大的提高。运行能力也得到了大大的加强，出现了无须进行外部扩展的所谓总线不出芯片的新型微机保护。

35、此保护采用了高集成度16位单片机，其内部包含了124KEPROM， 4KRAM，接近10个内部计数器，定时器和中断口，2个全双工的串行口，以及整个内部A/D转换器。其高效丰富的指定系统使得编程及其应用即灵活又简洁。高性能单片机包含了微机保护所需要的各种硬件功能，使新型微机保护的电路设计异常简单可靠。由于单片机价格低廉，因此，微机保护由当初的单CPU的硬件结构为主发展到为多单片机构成的多CPU硬件结构为主。大量使用单片机的微机保护在电力系统中得到了成功的应用，也由于新型单片机的卓越性能，现阶段使用单片机的微机保护仍将是我国微机保护的主流产品。数字信号处理器DSP：它与目前通用的CPU不同，是一种

36、为了达到快速运算而具有特殊结构的微处理器。DSP具有强大的处理功能，在相同的主频率下，甚至比目前最先进的个人计算机快1050倍。快速的指令周期，哈佛结构，流水操作，专用的乘法器，特殊的指令，加上集成电路优化设计，可以使DSP的指令周期达到200ns。DSP的突出特点是计算能力强，精度高，总线速度快，吞吐量大，尤其是采用专用硬件实现定点和浮点加乘运算，速度非常的快。将数字信号处理器应用于微机继电保护，极大的缩短了数字滤波。滤序和傅立叶变换算法的主要时间，不但可以完成数据采集，信号处理的功能，还可以完成以往主要由COU完成的运算功能，甚至完成独立的继电保护功能。随着数字信号处理器芯片和开发工具的价

37、格下降，可以预期数字信号处理器将会在微机继电保护装置中发挥重要的作用。(2) 数据采集系统：变电站综合自动化的数据采集系统分为三种：逐次逼近式A/D转换器构成的数据采集系统， 电压频率转换原理的计数式数据采集系统 ，高速数据采集系统 逐次逼近式A/D转换器构成的数据采集系统：早期的微机保护线路中，考虑到A/D转换器价格昂贵，因此采用多个通道共用一个A/D转换器的方案。每个通道各有一个采样保持器，其采样脉冲输入端并联后联到CPU插件上的定时器输出端，以实现对各通道的同时采样。模拟量多路转换开关采用硬件电路控制记数自动进位切换通道号。为了节省CPU的工作时间，数据采集系统在变化完成后的得到的数字输

38、出不需要经过CPU控制，而经DMA控制直接存入本插件的RAM中。再同一时刻采样的全部通道转换完成并存入RAM后，才由DMA请求中断，由CPU做出相应的处理。这种数据采集系统使用的芯片比较多，电路复杂，抗干扰能力差，因此，在其改进型产品中使用了电压频率转换原理的计数式数据采集系统。 电压频率转换原理的计数式数据采集系统：第2代微机线路保护的VFC (电压频率保护) 数据采集系统中，为了提高数据采集系统的采集速度，每个模拟输入通道都需要使用单独的电压频率转换/光耦合器，其输出频率信号送至可编程计数器8255进行频率测量，在每个数据采集周期由CPU读取可编程计数器的计数值，并进行标度变换以获得实际的

39、采样植。主要优点是：通过光电耦合器与CPU接口，因此抗干扰能力强，容易实现多单片机系统的多CPU接口。 高速数据采集系统 ：近几年来。以ANN为代表的人工智能技术和小波分析理论，以及行波保护，暂态保护等概念逐步引入继电保护领域，对采样速度提出了更高的要求。在变电站的母线保护，变压器保护和发电机保护中，由于需要进行采样的电流通道很多，对采样的速度也有很高的要求。采样率的提高导致了采样间隔的缩短，从而留给CPU进行采样数据预处理，保护启动计算，主保护计算的时间大大缩短。因此，必须大大的压缩数据采集的时间。保护装置使用公控机时，通常采用工控机智能同步数据采集模板完成采样，再将采样数据通过双口RAM，

40、FIFO等方式传送给主CPU进行处理，因此并不占用主CPU的处理时间。当保护装置使用单片机时，目前使用的VFC数据采集系统难以满足要求，必须对此单独进行考虑。为了进一步简化电路设计和调试，一些半导体厂家将完整的数据采集系统集成到一块芯片中，能够自动完成所有输入通道的数据采集而无须CPU干预。采用这种专用数据采集芯片，将极大简化单片机型微机保护装置数据采集系统的设计，生产，调试方式，大大的提高其数据采集系统的数据采集能力。(3) 微机保护硬件的一般结构：微机保护的硬件类型分为三种：高压线路微机保护，微机元件继点保护，低压线路的微机保护.高压线路微机保护：目前我国的高压线路微机保护装置的原理，性能

41、，主要指标以及制造工艺方面以达到了国际先进水平，微机保护的动作正确率也已经超过了常规保护。对于高压和超高压输电线路微机保护装置，多单片机构成的多CPU硬件结构已成为现行的实际标准。这种类型的微机保护装置的基本特点是：电压频率转换原理的数据采集系统为整套装置的公共部分,其频率输出信号分别传送给各个保护插件，再由各个保护插件完成相应的测频，采样值标度变换，保护功能计算。3个保护CPU分别完成高频保护，距离保护，零序保护功能。监控CPU主要负责人机接口，保护定值管理。通信控制，保护CPU运行状态监控等功能。3个保护插件启动元件按三取二的原则启动各套保护装置的出口回路，从而大大的提高了保护装置的可靠性

42、。但是这种多CPU微机保护装置采用了不完全冗余技术。保护输入和输出通道不采用冗余技术，而只是在信号处理器部分采用。如果模拟输入通道和数据采集系统发生故障，那麽输入3个CPU插件的故障数据将不在准确，整套装置不能正确工作；跳闸出口通道发生故障，整套装置同样不能正确工作。因此整个保护装置并不因为采用了多CPU技术而使可靠性大幅度的提高。多CPU微机保护装置除完成本线路的继电保护功能外，同时还必须完成相邻线路的远后备保护功能。广泛的使用多CPU微机保护装置中，距离保护三段和零序保护三段，都具有远后备的功能。在距离保护CPU插件或者零序保护CPU插件发生故障时，即使线路的主保护可以正常工作，仍将失去远

43、方后备保护的功能。由于以上的原因，在高压和超高压输变电线路中，不但主保护必须双重化配置，后备保护也必须双重化配置。 微机元件继电保护：微机元件保护的种类很多，硬件结构也各有特色，基本的类型有单片机型和工控机型微机元件保护。许多厂家得宜于线路微机保护的成功开发和应用中的成功经验，推出了许多与微机线路保护硬件结构相似的单片机型微机元件保护。比如采用了高压线路保护类似的VFC数据采集系统和高性能单片机构成的双CPU系统，变压器主保护与变压器各侧的后备保护分别采用不同的CPU完成保护功能。为适合变电站自动化的发展，新型微机变压器保护也提供了基于现场总线的通信接口功能。采用工控机实现的微机保护，具有小型

44、化，低成本，高可靠性等优点。工控机总线接口简单，模块化程度高，容易结合，使用维护方便，系统功能容易扩展。可以大大缩短微机保护装置的开发周期，实现微机继电保护装置的系列化和标准化，便于运行部门的运行维护，必将在微机保护的发展中发挥重要的作用。 低压线路的微机保护：这种类型的保护装置可以分为两种：一种为一对一”方式，即一套装置实现一条线路的保护；另一种为一对N”方式，即一套装置实现多条线路保护。采用一对一：实现时，一套装置负责一条线路或一台变压器的测量，保护和控制。使用一对N”方式实现时，一套装置负责多条线路或变压器的测量，保护和控制。它具有分布式结构的全部优点而且又便于设计安装及运行维护。为中低

45、压变电站广为采用。2.4小节本节介绍了变电站综合自动化系统的结构形式，并介绍了各种结构形式的特点；变电站综合自动化系统主要包括监测，监控，远传和保护四部分，介绍了各部分的主要功能。介绍了综合自动化系统的硬件结构以及主要的配置，为下一章的通信协议做好了铺垫。. z.-第3章 变电站综合自动化系统的通信网络3.1 通信网络的发展：目前，国内变电站综合自动化系统用的通信网络主要是总线式网络。该系统最初使用RS-232总线，后来用到RS-485总线。近年来随着新型现场总线CANBUS和LONWORKS的推出，变电站综合自动化系统的网络通信得到了新的发展，新型现场总线CANBUS是变电站综合自动化系统通

46、信网络性价比最好的一种。RS-232，RS-422 和RS-485总线：RS-232串口通信标准是美国电子工业协会于1969年公布的，该标准定义了数据终端设备和数据通信设备之间按位串行传输的接口通信。通常用于近距离传输，此时可将两台具有RS-232接口的通信设备直接相连，如果要进行远距离传输，可以再加调制器即可。 RS-422为全双工，可以同时接收和发送。采用RS-422标准，可以削弱干扰的影响，获得更长的传输距离和允许更大的信号衰减。采用RS-422标准通信时位率可达到10Mbit/s。RS-485为半双工通信方式，在*一时刻，一个发送一个接受，当用于多站互连时，可节省信号线，便于高速远距离

47、的传送。 LONWORKS总线LONWORKS是美国Echeton公司推出的一种新型现场总线。它的基本思想是将控制系统按局域网络的方式构造，用网络节点代替局域网中的工作站，网络节点安装在监控现场，直接于各种传感器和控制器相连。LONWORKS总线的技术特性有以下9点：(1):开放性。网络协议开放，对任何用户平等。(2)：通信介质开放。可以在任何通信介质条件下通信，包括双绞线，电力线，光纤，同轴电缆，射线电缆，红外线等，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。(3)：互操作性。Lonworks通信协议符合OSI模型，任何制造商的产品都可以实现互操作。(4)：Lonworks通信采用了网络变量”，使

48、网络通信的设计简化成为参数设置增加了通信技术的可靠性。(5)：它的通信每桢有效字节可以达到0到228个字节。(6)：它的通信速度可达1.25Mbit/s，此时的有效距离为130m(7)：Lonworks技术的一个测控网络的节点数可达32000个。(8)：Lonworks直接通信距离长达2700m(9)：Lonworks技术的核心是神经元芯片。该芯片内部装有3个微处理器；MAC处理器完成介质访问控制。网络处理器完成OSI的3-6层网络协议。应用处理器完成用户现场控制应用。它们之间通过公共存储器传递数据。CANBUS现场总线CANBUS德国BOSCH公司设计的，它是一种基于优先级的高速。抗干扰能力

49、强并具有检错功能的现场总线，可采用多种媒体通信，比如光缆和双绞线。CANBUS通信设备本身又具有较低的造价，从而它的应用*围很广，特别是在电气自动化领域。CANBUS的主要技术特性如下：(1)：CANBUS可以多主方式工作，网络上任意一个接点均可以在任何时刻主动向其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。(2)：CANBUS网络上节点可分为不同的优先级，并可满足不同的实时要求。(3)：CANBUS采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级别低的自动的主动停止数据发送，而优先级高的网络节点不受任何影响继续传送数据，大大的节省了总线冲突裁决时间。(4)：CANBUS可以点

50、对点，一点对多点全局广播几种方式传送接收数据。(5)：CANBUS直接通信距离最远可达10km，CANBUS的通信速率最高可达1Mbit/s.(6)：CANBUS上的节点数实际上可达110个，理论上可达2000多个。(7)：CANBUS采用短砧结构，每一砧的有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，重新发送时间短，尤其适合在强电磁场环境下工作。(8)： CANBUS每砧信息都有CRC校验及其它检验措施，保证了数据出错率极低。(9)：CANBUS节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它和总线的联系，以使总线的其操作不受影响。(10):NZR编码/解码方式，并采用位填充技术。

51、各种总线技术的优缺点RS-232总线通信速度快，距离短。RS-422和RS-485虽然在传输速度和距离上有所提高，但存在以下缺点：网络上只能有一个主节点，无法构成多主冗余系统，系统可靠性差，数据通信方式为命令响应方式，从节点只有在接到主节点命令后才能响应，重要信息得不到及时传送，致使灵活性和实时性差，纠错能力差。LONWORKS总线性能较强，但系统复杂，造价较高。因而实用性较差。CANBUS总线是基于优先级的多主从节点结构，具有较强的纠错能力，克服了RS-422，和RS-485总线的缺点，而与LONWORKS总线相比，具有系统结构简单，造价低，实用性强等优点，因此CANBUS是变电站综合自动化

52、系统的一种性价比最优的选择。 3.2 现场总线在变电站综合自动化内部网的应用变电站综合自动化系统内部通信网主要可以分为三种：LONWORKS现场总线网方案，嵌入式以太网方案，基于CANBUS总线的通信系统方案。LONWORKS现场总线网方案：如图所示，变电站内部有两个LONWORKS网络，分别为监控网和录波网。监控网用来传送各种控制和状态信息。录波网则传送电力系统故障录波信息。网络的通信速率为78kb/s,最大通信距离为2km。通信介质为屏蔽双绞线或光纤。每个保护装置都带有LONWORKS网络接口，后台机，工程师站，远动机等pc机上均有PCLTA卡，于是保护装置和PC机就可以连接到LONWOR

53、KS网络上。这种方案适用于中低压变电站自动化系统，当用于220KV及以上的大型高压变电站时，由于网络节点增多，网络流量增大，网络带宽就显得不够了，特别是当多个保护共同动作时，网上冲突加剧，重发次数增多，通信效率降低，因此这种方案只使用于中小变电站自动化系统。嵌入式以太网方案：如图2所示，站内有3个相互独立的光纤以太网，网络1，2为监控网，网络3为录波网。将站内通信网络分为两层。间隔以上和间隔内部。间隔以上用10MB/S的嵌入式以太网构成站内通信的主干网络，负责后台机，远动机等PC机和各间隔进行通信。在间隔内部使用LONWORKS总线，网上的信息通过间隔层的测控单元上传到主干网上。最低层的各种设

54、备保护可不做任何改动，保持了向下的兼容性。这种方案实际上是将嵌入式以太网和LONWORKS现场总线技术相结合，发挥了各自的优势。测控单元是整个方案的核心和关键。图3中详细的介绍了测控单元的工作原理。其中Neuron芯片作为CPU的通信处理器完成了LONWORKS网络的通信任务，利用它可和保护装置通信。CPU采用32b单片机，CPU部分采用了嵌入式软件设计，利用实时多任务操作系统及TCP/IP模块，完成以太网的通信和测控任务LONWORKS现场总线网方案和嵌入式以太网方案的比较和分析：(1)：方案1中只有LONWORKS一层网络，站内的几十个保护装置均连接在其上。因此网上节点多，流量大，而带宽却

55、只有78kb/s，在多台保护同时动作等特殊情况下，网络负载突然加重，这时会出现较严重的网络冲突现象，网络通信效率下降。而方案2中有两层网，主干网的带宽已达10MB/s，虽然间隔内的网络仍为78kb/s带宽，但其上所连接的节点数目却大大的减少，只有几台。于是LONWORKS的网络负载极低，即使在各台保护同时动作的情况下，通信效率仍很高。而当信息传到主干网时，由于主干网的带宽很宽，所以站内的流量对于其而言仍属轻负载， 以太网在轻负载时效率极高，因此方案2能满足变电站综合自动化系统的要求，并且留有余地。(2)：故障录波数据上传输速度大大加快。 LONWORKS网主要支持侦长为几十B的短侦，当传送录波

56、数据时，效率较低，耗费时间较多，以太网支持最长可达1500B的长侦，因此方案2的录波数据传输速率大大的增强。(3)：与PC机接口。 PC机必须用PCLTA卡等专用卡与LONWORKS网络接口，这些板卡由于是专用品所以价格较高，PC机台数增多时，很不划算。而PC机用廉价的以太网卡也可以联到以太网上。所以方案2中更方便，更经济。(4)：易于广域网相连。 由于以太网使用开放式的TCP/IP协议，所以可以较为方便的与广域网相联。基于CANBUS总线的通信系统方案：图1 所示为变电站综合自动化基于CANBUS总线的分层结构图。在整个变电站综合自动化系统中，变电站内部各单元之间以及变电站与远方调度中心之间

57、的通信都通过通信管理机来处理，所以通信管理机在整个变电站自动化中占有重要地位。具体的方式如下图所示变电站综合自动化系统中通信管理机的主要任务是实现变电站内部的变电站子层和单元子层之间的通信。以及本地的变电站系统和远程调度中心的通信。：变电站内部的通信基于CAN总线，包含两层通信网络：站级CAN网络和现场级CAN网络。其中站级CAN网络用于实现上位机监控主机和通信管理机之间的通信。现场级CAN网络用于实现通信管理机和监控保护单元之间的信息传送。变电站和远程调度中心的信息传输基于公用网，通过终端的modem实现数字信号和公用网上的模拟信号之间的转换，通信管理机的外围设备包括键盘输入，液晶显示，程序

58、存储器EPROM，实时时钟RAM,以及备用的RS-232串口3.3 内部通信网的传输实时性分析方案一中的LONWORKS现场总线方式中由于带宽有限，特别是当多个保护共同动作时，网上冲突加剧，重发次数增多，通信效率降低。所以这种方案的传输实时性不好。方案二中的嵌入式以太网方案要从间隔内部的LONWORKS网络和间隔外部的以太网两方面来分析。首先分析间隔内部LONWORKS网络的实时性。LONWORKS网络通过网络变量来实现节点之间的通信，不同的网络变量可以设置成不同的优先级，这样开关变位等重要信息就可以用优先级高的网络优先传输。LONWORKS以这样的方式来保证网络传输的实时性。根据应用经验，当

59、站内节点数不超过40时，LONWORKS总线的网络实时性是很好的。在方案2中，内部间隔的LONWORKS网络节点数一般不超过10个，所以在这种情况下内部间隔的网络传输实时性是有保证的。 以太网虽然没有LONWORKS或CAN网络的优先级设置，但其带宽高达10MB/S，因此可以承受的网络负荷很大。实际应用中表明，当网络负荷不超过带宽的37%时，网络上的冲突率很低，以太网的传输效率是有保障的。事实上10MB/S的以太网完全可以满足系统数据传输的实时性保障。方案三中的CANBUS总线网络也同样设有优先级传输，而且CANBUS网络中的带宽，负荷率，通信效率等也完全可以满足变电站综合自动化系统实时性要求

60、。3.4国外相关产品的比较国外变电站综合自动化系统主要是由西门子公司生产的LSA678，该系统的结构主要分为完全分散和集中与分散相结合式，后者由于价格和灵活性上的优势而在国内应用较多。除了西门子公司外，还有ABB公司生产的SCS100和SCS200。德国AEG公司的ILS系统，美国通用电气，美国西屋电气，法国的阿尔斯通和瑞士的LANDIS公司都有该类产品。国内的生产厂家主要有*自动化研究所，自动化研究所，以及*的拓普公司，*的东方电子，*继电器厂等公司。它们相继开发了一系列产品，并在全国各个省市的变电站中得到了应用。与国外产品相比，国内产品虽然在技术性能上存在一定的差距，但是也有其本身的特点。

61、首先站控级的软件开发具有一定的水平，尤其是在汉化方面比国外公司更具优势，其次价格上也有一定的优势。再者国内产品在工程组织，现场调试，售后服务等方面比国外产品更具有优势。3.5 通信协议的作用要实现整个变电站综合自动化并与上一级控制中心实现四遥”，必须保证工作站，主机，工程师站，现场各CPU单元与控制设备间的实时，准确通信。而通信协议就是整个系统通信部分的核心。电力系统中所采集的信息需要很高的实时性，可靠性，所以认识认识通信协议对整个控制系统的影响就比较重要。在变电站控制系统中，CPU采集控制单元不仅要采集各类信号（开关位置，保护信号，有功，无功，电压，电流，功率因数，电量等），还要对各单元的开

62、关进行控制和完成逻辑判断等功能，这占用了很多CPU负荷以及内存空间等资源。同时采集来的信号要往主站送，承担和主站通信的功能。如果单纯采用扩大计算机内存的数量的方式不仅是不经济的，也是有限的。现在工业上用的采集器为了达到实时性，一般较少采用读写硬盘的方式，而多采用没有硬盘的内存。但这在变电站中也是不可行的，所以采用一个好的通信协议就能达到事办功倍的效果。目前用于电力系统的通信协议品种繁多，有国际标准，有国家标准，也有行业标准甚至是企业标准。目前我们主要使用的有以下通信协议:IEC870-5-101通信协议（远动通信标准），IEC870-5-102 通信协议（电量采集通信标准），IE870-5-1

63、-103通信协议（保护传输通信标准）。IE870-5-104网络通信协议（远动网络通信标准），DNPV3.0通信协议,MODBUS通信协议，CDT循环通信协议，SC1801通信协议，M4F通信协议等。3.6光纤通信技术光纤通信优点光纤通信是以光波做为信息载体，以光导纤维作为传输介质的先进通信手段。与其它通信技术相比，有以下优点：(1) ： 传输频带很宽，通信容量大。(2) ： 传输衰耗少，适合长距离传输。(3) ： 体积小，重量轻，可绕性强，利用电缆沟道和电力线杆，铺设方便。(4) ： 输入和输出间电隔离，不怕电磁干扰。(5) ： *性好。无漏信号和串音干扰。(6) ： 抗腐蚀和抗酸碱，可直接埋与地下。缺点是强度不如金属线，连接比较困难，分路和耦合不方便，弯曲半径不易太小。光纤通信的类型以及在配电自动化系统中的应用如下(1) ： SDH（同步数字体系）和PDH（准同步数字体系）。其中SDH光端机具有自愈功能，并可以支持多个光方向，通常用SDH光纤网组成主干通信通道，PDH用于信息量不大的点对点连接。与光端机配合使用的电端机PCM可实现语音和数据信号传送。(2) :光调制解调器。它是一种用于低速传输数字信号的光电合一产