自动化系统设计原则.docx

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自动化系统设计原则

自动化系统设计原则

【摘要】：

综合自动化系统是利用自动化系统、计算机技术、信息处理技术和通信技术等高科技对的继电保护、测量、控制、故障滤波、信号处理、运动装置和自动装置等二次设备功能进行优化组合，实现对所有设备运行情况的测量和控制。

本文主要研究了综合自动化系统的设计和实现，并对关键技术进行解剖分析。

【关键词】：

控制工程；安全生产；安全管理；监控系统；报警系统；氧气浓度

1综合自动化系统简述

电气综合自动化系统（简称综自系统）是指在各种硬件措施和自动化装置的基础上，利用数据分析、通信技术、控制技术和处理技术对的各类功能进行组合与优化，取代了人工操作方式，在综合管理方面实现了智能化管理，实现了低误差率，提高了运行的可靠度。

由于我国用电需求的增大，对电网运行的要求也越来越高，这便要求调度中心能够获得准确详细的和电网运行数据，进行集中操作、集中控制和反事故措施等，通过无人值守的方式，不仅避免了人工操作的失误，又能提高效率和电网运行的安全性。

随着通讯技术和微机技术等科技的运用，不仅改变以往的二次设备形式，也在缩减了的用地面积、减少电缆量、降低了成本、实现信息共享、简化系统等方面改变了以往的运行风格。

由于上述的优势，综合自动化系统已被行业完全接纳，用于提高电网的管理水平。

不少厂家也陆续推出各种综合自动化系统，作为自身竞争的筹码，以满足不同企业电网运行需求。

从上世纪九十年代开始国外各大知名电气公司，例如西门子公司、通用公司、ABB公司等都不断推出各种成套的综自系统，我国随着数字化设备的不断使用与发展，综合自动化系统也被广大的电网用户所接受[3]。

在电网中使用综自系统有两个主要优势：

（1）可以实现无人值守，减少一定的人工成本。

（2）在高中压的中使用综自系统可以综合多种技术，采用更加可靠的控制系统，提高运行的安全性。

2综合自动化系统的构造

随着各种高科技技术的运用，综自系统的结构体系也随之发生改变，其功能、性能与可靠性等都得到提升，的综合自动化系统结构主要有集中式的结构形式、集中式分布式的结构形式、分层分布式的结构形式[4]。

2.1集中式的结构形式

集中式是指用功能比较强大的计算机向外增加多个I/O接口，对的开关量和脉冲量等信息进行集中采集和处理，依次完成微机的监控、自动控制及保护等功能。

集中式系统并不是只有一台微型计算机。

大多数集中式系统是由不同的计算机完成微机的保护、监控和调度等功能，只是不同的微型计算机承担的任务有所不同。

例如一台微机保的计算机可能需要承担多个回路的低压线路微机保护计算；一台监控机需要负责人机联系、数据的采集与处理等多个任务等，集中式系统的结构如图2-1所示。

图2-1集中式结构形式

集中式结构具有以下优点：

（1）可以对的数字量、开关量、模拟量等信息进行实时采集，完成的实时监控、数据采集、打印、制表等功能；

（2）可以对的进出线和主要设备进行保护；（3）体积小、结构紧凑，较大的减少了用地面积；（4）成本低，对于小规模的较为实用。

集中式结构的缺点：

（1）功能较为集中在少数几台计算上，如果一台微型计算机出现差错或故障，对电网和的运行影响较大。

只有采取双机并联的运行方式可以提高集中式系统的可靠性；

（2）组态太呆板，对于不同规模的或者不同的主接线，集中式系统的硬软件都需要重新设计，造就工作量过大；（3）软件设计较为复杂，修改和调试工作太繁琐；（4）与常规的一对一保护方式相比，集中式系统不够直观，且与维护和运行人员的习惯不同，这种系统较适用于逻辑较为简单的保护。

集中式系统在许多方面的处理都不够理想，在微机技术出现之后，综自系统的结构也得不断的改进。

2.2分布式机构形式

分布式系统的特点是根据功能进行设计，分散综自系统的各个功能到多台微型计算机。

这种系统采取主从CPU,多个CPU并行处理多发事件的工作方式，更好的处理CPU瓶颈的运算处理问题。

综自系统的各个功能之间采取串行或网络技术的方式更好的完成了数据通信，同时网络系统采用优先级的方式也处理了数据传输问题。

分布式系统如果局部发生故障不会对其他功能造成影响，且方便系统的维护与扩张，这种模式在中低压的中较常使用，其模式结构可见如2-2所示。

图2-2分布式结构形式

2.3分层分布式结构形式

从逻辑方面来看，该系统可以将综自系统划分为站控台和间隔层的两层结构，或者是站控台、间隔层和通信层的三层结构。

这种结构是按照断路器间隔和元件进行设计的，由一个或多个智能控制单元负责单个断路器间隔的数据采集、控制、保护等功能。

测控单元相互之间是用特殊电缆或光缆连接，安装在断路器的器柜或间隔附近。

这种系统能够较大程度的减少电缆的连接量和电磁干扰，具有较强的可靠性，实现了故障之间互不影响，且利于系统的扩展与维护，是目前综自系统的发展趋势。

该系统可见图2-3所示。

分层分布式系统具有以下优点：

（1）对的二次设备进行简化，减少了控制室的使用面积；

（2）间隔控制单元实现了标准化、自动化系统；（3）所有的间隔控制单元的功能都设置在间隔层中；（4）软件控制所有的逻辑组态指示；（5）该系统的组态较为灵活，方便检修。

图2-3分层分布结构形式

3综自系统的功能

综自系统主要有检测、监控、远传和保护四个主要部分。

3.1综自系统监测功能

检测功能是通过综自系统对运行数据进行收集、显示、处理及打印等，使工作人员能够全面准确的了解电网运行情况，能够及时采取应急措施，系统采集数据可以分为开关量信号、脉冲量信号、模拟量信号。

3.2综自系统监控功能

系统可以检测统计手动跳闸和事故跳闸的次数。

当电网单相接地出现故障时，系统可以根据零序电流电压增量、功率方法和相电压降等方法来判断接地相别和线路；同时可以通过电流电压的计算来判断投切电容器或者调节分接头的位置。

3.3综自系统远传功能

远传规约一般分为三种类型：

PoIlink规约、CDT规约、和特殊规约。

当处于正常运转或出现事故和报警事件时，远传就会立即向上级传送该信息，方便调度人员及时掌控该站的运转情况。

3.4综自系统保护功能

综自系统的保护功能主要是利用微机保护装置，不仅在使用方面较为方便，并且具备较强的灵敏性及可靠性。

其主要具备以下特点：

（1）具备实时自检功能。

它能针对保护柜，其中包括主机在内的各个组件在线进行检查。

（2）可通过使用显示器和键盘显示出电压、电流和开关的状态，以及整定值，并可对其进行修改。

（3）具备事故追忆功能。

它能准确的记录事故发生前后的母线电压及线路电流。

保护可选择使用以下几种类型:

（1）变压器保护：

包括本体保护（轻瓦斯、有载轻瓦斯、重瓦斯、有载重瓦斯等）、低压侧备电源自投、高压侧备用电源自投和、过负荷保护、过流保护（包括复合电压启动、低压启动）、零序保护、带二次谐波制动的比例差动保护、差电流速断保护。

（2）线路保护：

包括零序电流、电压和方向保护、定时限过电流保护、反时限过流保护、电流速断保护、距离保护、方向性电流保护、双回线方向横差保护、高频保护和低周减载保护。

（3）母线保护：

包括电流比相式母线保护和完全电流差动母线保护。

（4）电容器保护：

包括相间低电压保护、相间过电压保护、零序过电压保护、过流保护、电流速断保护、反时限过流保护。

4微机保护

微机保护是以计算机为主导，接上外围线路以实现计算机监控保护功能。

为了实现微机保护作用，微机保护装置必须具备数据采集作用，可以把电压互感器PT与电流互感器CT模拟信号准确及时转换成计算机可以识别的数字信息。

同时人机对话工作界面可以完成告警行为记录、定制输入、保护调试等一系列功能。

在计算技术发展的带动下，微机保护装置的硬件设备功能变得更加强大，尤其为芯片和微处理器的发展为微机保护功能提供了很好的技术支持。

微机保护从CPU系统发展到现在的DSP技术，保护装置更新很快，但是其硬件结构基本相同，如图2-4所示。

信号输入是将电压互感器PT、电流互感器CT、变压器采集油温、瓦斯等信号通过保护装置A/D转换、低通滤波、电平转换、隔离等处理，使保护装置能够获得现场实际状况的准确数据，方便微机分析计算。

检测部分是对信号输入处理过的信号进行计算分析，通过与定值的比较，产生“是”或“非”的一组逻辑信号，以判断是否启动保护命令。

逻辑判断部分是根据检测部分输出信号进行逻辑运算，判断断路器是否跳闸或者是否发出信号，同时将命令输送给现场设备。

常用逻辑指令有“非”、“与”、“或”、“记忆”和“延时”等。

输出执行部分根据逻辑判断输送的信号来完成信号告警或跳闸等一系列动作，并且在执行相应的保护动作时，还将进行电平转换和隔离及信息反馈等任务。

图2-4微机保护基本结构

4.1微机保护的硬件结构

微机保护装置[5]通常是将功能不同的插件组合成完整的保护装置，不同的插件为不同功能的模块。

如果按照功能进行划分插件可分为：

保护CPU和监控CPU插件、开关量输入/输出插件、人机对话插件、电源插件、交流输入/输出插件等。

微机保护装置结构原理如图2-5所示。

图2-5微机保护装置结构原理

4.1.1数据采集器

数据采集器一般采集来自电压互感器PT和电流互感器的模拟信号，但是由于微机保护的计算机无法识别模拟信号，所以数据采集器可以进行模拟滤波、电压形成、模数转换、多路转换、采样保持等处理，将模拟信号转换成数字信号。

4.1.2微机系统

微机系统（微型计算机系统）是由显示器、微型计算机、输入/输出设备、电源等组成。

其主要完成数据处理、数据自检、故障处理和微机保护的主程序。

微机主系统包括存储器、微机处理器、定时器等。

早期微机主系统是单CPU系统，在微型计算机的容错技术和多重化技术的出现后，微机主系统开始逐渐使用多CPU系统。

通常微机保护在出现采样脉冲信号使才会进入中断服务的程序，其他时候都是在自检循环中。

但是，微机保护的自检功能仅仅可以检测出软硬件的故障，而元件出现问题就会使被保护的对象失去保护。

容错技术可以使软硬件具有冗余度，当部分软硬件出现问题时，系统仍能正常运行工作，这种技术比较适合用于时刻需要调节命令和输出控制的系统，多重化技术可以在一套硬件发生故障时，发出报警信后，由另一套硬件继续完成工作，而不引起误动。

图2-6是一套CPU与DSP[6]组成的微机系统，其中DSP主要负责对数据采集器中数据进行计算，然后把数据结果通过RAM的双端口输送到CPU，而CPU负责微机保护逻辑判断、通信管理、开关量输入/输出计算等，这种系统利用了DSP（数字信号处理）运算速度快的特点，由DSP完成所有繁重的数据计算，而CPU只需进行保护逻辑判断，避免单CPU多任务的冲突。

图2-6CPU+DSP组成的微机系统结构图

4.1.3开关量输入/输出模块

微机保护不仅需要接受模拟信号，同时也需要接受发送开关量信号。

例如人机对话界面键盘输入和遥控信号等。

而这些信号只能由开关量输入/输出模块来接受与发送。

开关量输入/输出模块是由微型计算机并串联接口、继电器和光电耦合件构成。

微型计算机主系统与人机对话模块都存在开关量输入/输出插件，但是两者插件的功能不同。

开关量输入/输出插件在微型机主系统中主要是完成保护出口跳闸和遥信输入，在人机对话模块中主要是完成液晶显示、按键输入、保护通信和告警信号的发送等功能。

开关量输入电路可以分为内部和外部两种类型的开关量，其中内部开关量有软压板和键盘输入等，主要安置在面板触电上，外部开关量有硬压板、继电器触点等，主要反映外部装置触电状况。

内部开关量是直接接到微机并行接口的芯片上，而外部开关量通过光电耦合装置将并行接口和开关量的回路隔离，如图2-7所示，这种方式既可以传递K2外部触点信息，又可以电气隔离，确保微机保护的安全性。

图2-7开关量输入模块原理图

开关量输出电路可以完成微机保护跳闸和合闸任务，这种电路可以将合、跳闸的出口信号进行电平转换，驱动断路器执行合、跳闸指令。

如图2-8所示。

并联接口输出控制了KM继电器，同时也可以采用光电