变电站综合自动化系统及其关键技术

【中心议题】

•     *概述了变电站自动化系统
•     *分析了微控制器

【解决方案】

•     *从系统模型、硬件、软件、结构等多方面加以考虑
•     *微控制器的高级应用

1.概　述

要提高变电站运行的可靠性及经济性,一个最基本的方法就是要提高变电站运行管理的自动化水平,实现变电站综合自动化,所谓变电站综合自动化,就是广泛采用微机保护和微机远动技术,分别采集变电站的模拟量、脉冲量、开关状态量及一些非电量信号,经过功能的重新组合,按照预定的程序和要求实现变电站监视、测量、协调和控制自动化的集合体和全过程,从而实现数据共享和资源共享,使变电站设计简洁、布局紧凑,使变电站的运行更加安全可靠。

2.变电站自动化( SubstationAutomation,SA/EMS )

变电站是电网参数和各种信息的主要来源和枢纽,是保护、数据采集、控制以及数据共享的对象,因此是实现自动化的重点,变电站自动化SA是指能够不经干预的,在一个或多个变电站内进行数据采集和控制,包括微机保护、微机监控及自动调控等智能电子装置,实现电网运行工况监视、继电保护、综合调控、远动、接口以及信息管理等,是一项集控制技术、计算机应用、数据传输、现代化设备及管理于一身的综合信息管理系统,其目的是提高供电可靠性、改进电能质量、降低运行费用、减轻运行人员的劳动强度。

2.1继电保护

继电保护是保障电力设备安全和电网稳定运行的最重要、最有效的技术手段,随着我国电力系统向大机组、高电压、现代化大电网发展,继电保护技术及应用水平也取得了长足的进步。

2. 1. 1微机保护

微机保护是以微处理机作为基本的实现手段和方法,具有长记忆特性和强大的数据处理能力,通过快速数字处理实现故障诊断、出口、通讯以及更为复杂的控制功能,功能完善、使用维护方便、智能化程度高、体积小、适应一次系统灵活性大,以超强的技术性能、可靠性为整个电力系统的专家层、决策者、应用面所接收而得到了广泛的应用。

2. 1. 2网络保护

网络保护是以局域电网为对象的系统保护。各变电站之间通过光纤建立系统联网,使各单元保护之间可以快速传递控制信号,及时获取过程数据和信息,从而做出最优的选择,进一步提高响应的速度和灵敏度。网络保护的关键是快速有效的通讯技术,因而光纤得以广泛的应用。网络化概念也是未来继电保护和安全自动装置的重要特征。

2. 1. 3预测保护

保证系统安全稳定运行是所有电力工作者追求的永恒主题,如何预测故障,准确地捕捉故障的早期特征,在故障给系统造成冲击以前,切除故障对于提高系统稳定性,延长电气设备的使用寿命是非常有意义的。比如ULP机组失磁保护在机组失磁以后,测量阻抗在还没有进入异步运行下抛阻抗圆(系统失步)以前,根据有功和励磁电压的变化提前确定故障并迅速跳闸,避免由于系统失步引起的系统电压降低和转子发热和震动。预测保护是未来继电保护的发展趋势,也是对电力科技工作者新的挑战。

2.2监测控制

电网监控SCADA/EMS是变电站自动化系统的主要功能之一,早期主要指“四遥”功能,现在SCADA的内容已经涉及到故障检测、网络优化、提高电网运行效率、降低线损的高级的应用,所以在变电站自动化系统中起到越来越重要的作用。

3.智能电子装置IED( IntelligentElectronic Device )

　　为保证电力系统IED的安全性、可靠性、实时性和准确性,必须从系统模型、硬件、软件、结构等多方面加以考虑,据统计现代IED装置所涵盖的技术达近百项,大量先进的技术和高级应用在IED上得以充分发挥,使得IED的智能化程度和控制水平都产生了飞跃。

4.微控制器

嵌入式控制( Embedded Control)是智能电子装置的核心,而微控制器MCU(Micro ControlUnit)是嵌入式控制的关键。微处理机执行速度的提高是进行大量复杂计算、提高实时性的基础,目前高性能32位机的执行速度可达30MIPS,而且在片资源不断丰富,资源容量也在不断地扩大,构成单片机最小单元的外设资源全部集中在片内,称为片上系统SOC( System On Chip),总线不出芯片有效抵制了高频信号干扰,另外新型微控制器广泛地采用了快闪存储器FLASHROM、多级流水线、PLL锁相环、低功耗及休眠模式等多种先进技术,使主控单元的性能大大提高,也为微控制器的高级应用奠定了基础。

4.1间隔层通讯

通讯网络是综合自动化站区别于常规站最明显的标志之一,构建一个快速、稳定、可靠的通讯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。常规通讯方式数据传输速度较慢,有较明显的“瓶颈”现象,而且传输距离短、安全性差,一个节点故障将霸占整个总线,导致通讯网络瘫痪。现场总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯数据链路,是一种小数据量工业控制通讯网络,它具有优先抢占方式进行总线仲裁的作用机理,通讯速率快(最快速率为1Mbps)、错误帧可自动重发、永久故障节点可以自动隔离,不影响整个网络正常工作,可靠性高、协议简单、开放性强。现场总线目前主要有两种形式:

CANBUS总线,底层协议、短包通讯,适用于通讯数据量较小的场合; LONWORKS总线,高层协议,长包通讯,适用于通讯数据量较大的场合。

将Ethernet通过光、电接口直接应用于IED是未来间隔层通讯的发展趋势,使用TCP/IP协议,可方便地与广域网直接相联。IEEE802. 3以太网标准为国际标准化组织ISO认定的国际标准,为真正的开放系统。

4.2软件设计

目前,嵌入式控制系统中的软件设计广泛采用实时多任务操作系统(微控制器操作系统)。由于现代工业控制对智能化程度的要求越来越高,除了像DSP(数字信号处理)、FPGA(现场可编程门阵列)等能够进行特定的数据处理和过程逻辑控制可由硬件实现,大部分比较复杂、智能化程度较高的处理要通过软件来实现,软件编程越来越复杂, CPU同时要做很多事情,所以软件工程师希望有功能强大,使用方便灵活的软件环境支持,实时多任务操作系统由此产生,如RTOS、NucleusPlus等。

RTOS为面向任务的程序设计风格,不同于传统顺序结构的程序设计方法,以任务为对象进行资源管理。优先抢占操作方式,按优先级进行任务调度,并合理分配CPU的时序资源,使之既不拥挤,也不空闲,可有效保证任务执行的实时性。另外描述编程风格使软件开发变得容易,编程大大简化,且结构清晰、可读性好、便于扩展。采用实时多任务操作系统对保证软件的可靠性和实时性起到了关键性的作用,是产品先进性的重要标志和技术支撑,目前已成为嵌入式控制系统中的热点技术。

4.3新原理、新技术应用

新产品的开发主要解决两个方面的问题,作用机理和实现方法,理论研究是基础,实现方法是保证,所以以现代数学、物理学为基础的理论研究、分析方法成为电力自动化产品开发强有力的工具,新原理、新技术不断涌现。

◇模糊控制理论模拟人脑的思维功能,基于在实践经验基础上建立的一些模糊概念,不用一个确切的数学函数来表达。模糊控制一般是根据被控制量的偏差及偏差的变化率按模糊推理规则来确定控制量。模糊控制理论在同期装置的均频控制、机组振动故障诊断等方面取得了较好的效果。

◇小波变换作为一种新的时频分析工具,可以方便地研究信号的动态特性,小波分析在时域和频域同时具有良好的局部化特性。从信号的微小波动中提取电流或电压的变化特征、检测信号的微弱变化(傅氏算法无法检测)是小波变换最为突出得特长。小波变换对于提高距离保护突变量死区检测、机组定子接地保护灵敏度有很好的效果。

◇神经网络传统的线性控制方法,如反馈控制、PID控制、最优控制等只能在很小的范围内保证系统的稳定性,近年来,利用神经网络来解决非线性复杂系统的控制问题越来越受到人们的重视,通常用它来构造非线性受控对象的单位逆系统使输入输出一致,提高系统运行的稳定性。

4.4电磁兼容EMC

硬件设计是系统设计的基础,而电磁兼容设计则是硬件设计的关键。目前,随着国际和国内电磁兼容标准的强制性执行,电磁兼容设计将是硬件设计师必须掌握的基本技能之一,也是变电站自动化装置可靠运行的技术支撑和重要保证。根据国际电工委员会( IEC)对工业控制自动化装置电磁兼容能力的要求,对可靠性和抗干扰能力要求极高的电力系统继电保护装置, IED装置设计必须符合IEC255- 22及GB14598标准,分散安装或集中组屏应无需任何外部抗干扰器件。所以产品开发要从硬件、软件、结构、电气连接等多方面加以考虑。

结束语

得变电站是电力系统中的一个重要环节,它的运行情况直接影响到电力系统的可靠、经济运行。而一个变电站运行情况的优劣,在很大程度上取决于其二次设备的工作性能,所以变电站综合自动化已是势在必行。