智能变电站测控装置文献综述.docx

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智能变电站测控装置文献综述

文献综述

智能变电站测控装置研究

摘要：

智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑,是电网运行数据的采集源头和命令执行单元,与其他环节联系紧密,是统一坚强智能电网安全、优质、经济运行的重要保障,也是实现智能电网自动化特征的主要体现。

智能化变电站是以IEC61850的数字化变电站为基础和前提的,是数字化变电站的发展和升级。

数字化变电站基本上所有的自动化功能和技术特征智能化变电站都具备，智能变电站是是从传统变电站到数字化变电站发展的必然结果。

建立智能电网是一项巨大的历史性工程,而智能变电站是智能电网的核心内容之一。

测控装置是间隔层中的最基本同时也是最重要的装置，它提供了具有智能集成一体化功能的面向工业测控系统的应用开发平台。

测控装置作为智能变电站运行数据信息采集和执行设备操作控制的主要设备，是实现系统安全稳定运行的重要基础。

第1章研究背景

1.1　智能变电站

智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站[1]。

与常规变电站相比,智能变电站具有节能、环保、结构紧凑、提高自动化水平、消除大量安全隐患等优点,其实现了一二次设备的智能化,运行管理的自动化,更深层次体现出坚强智能电网的信息化、自动化和互动化的技术特点[2-5]。

传统的电网主要注重的是信息化传输，数字化变电站或数字电网注重的是实现信息的网络交互，而升级后的智能电网则更加注重信息的互换互用以及功能的智能化应用。

确切地说，智能化电网是在网络信息交互共享的基础上实现信息互用，这需要建立电力企业的大信息平台,并在此基础上逐步实现智能电网所要求的诸多强大功能。

随着信息技术、微电子技术、网络通信技术的发展，智能化自动装置在电网控制邻域得到广泛的应用，我国的变电站自动化系统也经历了飞速发展[6]。

智能变电站是由数字化变电站发展演变而来。

智能变电站的研究与建设离不开数字化变电站在技术和实际运行积累的长期经验。

国内的一些电力企业和科研院所在国家电网公司的组织下，开展了数字化电网的框架性研究，同时各个电压等级的数字化变电站试点也在不同层次上进行。

随着多个不同电压等级的数字变电站的陆续投入运行，为变电站的全数字化建设取得了宝贵的经验,这对我国智能变电站的建设有非常重要的意义。

1.2　ＩＥＣ６１８５０标准

IEC61850标准是由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission）第57技术委员会于2004年颁布的、应用于变电站通信网络和系统的国际标准。

作为基于网络通讯平台的变电站唯一的国际标准，IEC61850标准吸收了IEC60870系列标准和UCA的经验，同时吸收了很多先进的技术，对保护和控制等自动化产品和变电站自动化系统（SAS）的设计产生深刻的影响。

它将不仅应用在变电站内，而且将运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间。

国内外各大电力公司、研究机构都在积极调整产品研发方向，力图和新的国际标准接轨，以适应未来的发展方向。

变电站通信体系IEC61850将变电站通信体系分为3层:

变电站层、间隔层、过程层。

测控装置是间隔层的重要装置。

智能变电站中的测控装置，是实现测量和控制功能的前端二次设备，能够实现对站内设备的遥控以及对各个间隔遥测、遥信量的采集[7]，为运行人员提供最原始的信息，是变电站实现综合自动化的基础[8]，也是实现系统安全稳定运行的重要基础。

对测控装置进行研究具有非常重要的意义，对于智能变电站的研究以及推广能够发挥积极的作用。

第2章智能变电站测控装置

2.1测控装置介绍

测控装置是变电站自动化系统间隔层的核心设备，主要完成变电站一次系统电压、电流、功率、频率等各种电气参数测量（遥测），一

（二）次设备状态信号采集（遥信）。

接受调度主站或变电站监控系统操作员工作站下发的对开关、刀闸、变电站分接头等设备的控制命令（遥控、遥调），并通过联闭锁等逻辑控制手段保障操作控制的安全性。

同时还要完成数据处理分析，生成事件顺序记录等功能。

测控装置在变电站二次系统中的位置如图2-1所示，左图为传统变电站，右图为智能（数字化）变电站。

图2-1测控装置在变电站自动化系统中的位置

2.２测控装置功能实现方式

变电站测控功能的实现方式经历了集中式和单元式两个阶段[2]。

1980年代及以前，变电站的远动功能主要依靠集中式RTU装置实现，通过变送器及一些数字接口电路对变电站二次系统的一些测量和信号进行采集，对采集量进行集中处理。

RTU装置按照功能分为遥信单元、遥测单元、遥控单元、遥调单元等。

此类系统称为集中RTU模式，RTU模式二次系统接线复杂，不利于维护和扩展。

1990年代初期，随着嵌入式处理器及网络通信技术的发展，集中式RTU向单元式测控装置转变，测控功能按一次设备对象单独形成装置，完成一个设备间隔内的测量与控制功能。

这种面向对象、分层分布的系统模式大幅度地减少了二次连接电缆，减少了电磁干扰对传送信息的影响，具有更高的可靠性，并且易于使用、方便管理及维护，目前被大量应用。

2.３测控装置类型及功能

目前，变电站的测控装置均采用按一次设备间隔配置的方式。

根据监测对象的不同，测控装置主要分为线路或断路器测控、母线测控、主变测控、公用测控等类型不同类型测控装置功能配置见表2.1。

表2.1测控装置功能分配

序号

类型

功能配置

1

线路测控

主要用于变电站线路或断路器单元的测量与控制，采集线路电压、电流、频率、功率等电气量，实现间隔内的断路器、刀闸等一次设备的控制。

2

母线测控

主要用于变电站内母线电压的采集和母线刀闸设备的控制。

3

主变测控

主要用于变电站内变压器间隔的电气参量采集，实现变压器档位调节控制，并实现变压器温度等非电气量的监测。

4

公用测控

主要用于集中采集站内的辅助系统状态量信号以及二次设备的告警信号，有时也兼顾站内所用变的运行状态监测和控制。

2.４测控装置相关文献

在文献[9]中，作者指出了智能变电站一些关键技术研究方向，其中之一就是数字化测控技术，提出了在数字化变电站平台上，研究设备数字化测控技术。

文献[10]中指出测控装置在变电站综合自动化系统中肩负着测量与控制的任务，它的功能的实现对变电站有着重要的意义。

作者结合变电站综合自动化系统的设计思路的发展，电子、通信等技术和测量控制的理论进步，提出了新型测控装置的设计方案。

新型测控装置是基于间隔设计的，外部通信接口选用以太网，能够方便、灵活地实现与变电站层的通信，网络带宽高，并可实现间隔之间的信息共享和遥控操作的全局防误闭锁，并以软件的方式实现可编程逻辑运算；内部通信采用CAN总线，双CAN互为冗余，可靠性高，处理突发事件能力增强。

装置采用模块化设计，各功能模块可按现场的要求灵活配置；交流采样按功能模块设计，算法上可实现多种配置，并可对误差进行补偿，测量精度高；文献[11]中也基于变电站综合自动化系统，设计了智能化变电站测控系统的硬件电路、控制系统和测控软件。

该测控系统由高性能十六位单片机M37753为核心组成，可对变电站二次侧电压、电流等电量进行监测，并采集开关的分合状态信息，根据需要对开关的分合状态进行控制，具有遥信、遥测、遥控和遥调即“四遥”功能及与上位机的通信功能，实现了变电站的实时监控。

文献[12]、[13]、[14]中，都提出了将各种具有高性价比的新型处理器芯片和外围芯片大量应用到变电站测控装置上。

文献[15]中，研究间隔层保护测控装置的通信，一方面是间隔层保护测控装置与站控层监测主机之间的通信，将保护测控装置底层通信映射到制造报文规范MMS上。

另一方面是实现间隔层保护测控装置之间的GOOSE通信，用于实时性要求比较高的间隔闭锁和传送跳闸信号。

文献[16]中基于数字化变电站的理论基础，本文分析与研究了变电站间隔层中的保护测控装置的软硬件平台，提出了一种基于DSP与ARM的双处理器的保护测控装置的设计方案，对硬件结构进行了设计，主处理器采用高性能的DSPTMS320F2812芯片作为运算处理、保护功能，从处理器采用ARMS3C44BOX芯片作为通信、人机接口等功能，详细阐述了主从处理器间通过双口RAM交换数据的问题，同时也着重对以太网通信功能模块进行了阐述，实现了符合IEC61850标准统一的以太网接口，并通过移植集成有完整的TCP/IP协议栈的uCIimix操作系统到保护测控装置上,实现了嵌入式操作系统在IED上应用的例证。

文献[17]中，指出随着变电站智能化的发展，面对全新的数据接口和其带来的相应问题，对测控设备的测量功能提出了一种实用的新方案，从理论分析和仿真实验的角度验证了其正确性，并应用于实际系统中。

文献[18]中提出了一种新的测控装置硬件方案，将CAN总线引入到测控装置,增强了装置的抗干扰能力；在装置内设立了MASTER主站,专门负责通讯,MASTER插件的CPU带有嵌入式以太网接口，可以方便地接入以太网，提高了装置的实时性；用14位逐次逼近型ADC代替VFC构成新的数据采集系统，在设计中采用大量可配置信息，并在人机接口插件上采用了大液晶显示器，使人机界面更加友好。

在文献[19]中，设计出的测控装置能够实时测量两段母线电压的相位等，以MMS报文等方式上送后台和远动，从而实现装置或监控的自动核相，以达到准同期合闸的目的。

在文献[20]中，作者结合数字化变电站保护测控装置的研发经验，全面总结和阐述了智能变电站保护测控装置开发设计的一般思路，保护测控装置采用IEC61850标准建立对象模型，利用IEC61850模块化思想和面向对象技术进行装置的程序设计，采用PLC可编程组态技术生成装置程序，并选择高可靠性的网络拓扑及冗余技术来保证通信网络的可靠性。

文献[21]中，总结了目前几种典型的不同电压等级智能变电站的测控实现方案，并对比分析其优缺点，最后提出智能变电站测控技术的发展方向，提出今后测控将呈功能集成化、结构紧凑化方向发展，多功能测控和集中式测控技术的深入研究。

文献[22]中，作者指出了智能变电站线路保护测控装置相关技术的研究包括智能变电站结构研究、电子式互感器技术的研究以及合并单元研究。

并设计了智能变电站线路保护测控装置的硬件架构和软件架构，硬件架构包括CPU插件、通讯扩展插件、电源插件等相关插件；软件设计基于IEC61850标准的统一软件平台，采用Vxworks嵌入式实时操作系统,引入面向对象的设计思想，装置的测控类功能如测量模块、遥信处理模块,保护类功能距离保护、过流保护、重合闸功能等都变成了一个个“对象”，在IEC61850标准中称之为“逻辑节点”，在程序中对每个功能对象进行封装。

第３章　总结与展望

变电站经历了常规变电站、综合自动化变电站、数字化变电站到智能变电站的发展，“数字化”是变电站自动化的基础，智能变电站是变电站朝自动化方向发展的必然结果。

2009年年底国家电网推出了《智能变电站技术导则》作为新的变电站标准，并在随后又发布了一系列相关细化标准，对智能变电站的设计、改造原则与技术规范作了详细的规划。

测控装置也随之获得了相应的发展。

早期的发展中，主要的问题是通信的一致性问题，导致变电站内不同厂商智能电子设备（IED）之间存在互操作性问题。

早期的变电站测控装置主要是由单片机作为其处理器，软件设计采用结构化的程序设计语言原则，其缺点是功能简单、处理能力较差、响应速度较慢等，因而这些装置能够完成的功能和应用范围都受到限制。

2004年，国际电工委员会制定了IEC61850标准,这是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准,也是我国电力行业相关标准的基础。

随着集成电路和计算机技术的飞速发展，高性能低价位处理器芯片和外围芯片的大量出现,各