Comprehensive Automation System of Substation Based on Field bus CAN Chen San-bao1， Qiu Ai-bing2 (Wuhan University of Technology and Engineering ，Wuhan Hubei，430063) Abstract: Through the description of comprehensive automation system and field bus of substation，combined with the engineering example， the paper introduces the basic function and characteristics of automation system of substation based on advanced field bus technology。 It also discusses that the Field bus technology is the trend of comprehensive automation system and electric system automation as well as ，it is useful for the designing of the engineering。 Key word: Substation comprehensive automation Electric system automation Field bus CAN Monitored control system 摘要：通過對變電站綜合自動化系統(tǒng)和現(xiàn)場總線CAN技術的介紹，結(jié)合具體工程實踐，介紹采用先進現(xiàn)場總線技術設計的變電站綜合自動化系統(tǒng)的基本功能和特點，論述了現(xiàn)場總線技術是實現(xiàn)變電站綜合自動化，乃至電力系統(tǒng)自動化發(fā)展的趁勢，供工程設計參考。 關鍵詞：變電站綜合自動化 電力系統(tǒng)自動化 現(xiàn)場總線CAN 監(jiān)控系統(tǒng) 1． 引言 電力系統(tǒng)是一個特殊的系統(tǒng)，其安全性、可靠性要求高，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運行，必須實現(xiàn)電力系統(tǒng)的調(diào)度、運營和管理的自動化。隨著電力系統(tǒng)自動化程度的提高，現(xiàn)場總線技術的日臻完善，以及電力系統(tǒng)減員增效要求的提出，實現(xiàn)電站綜合自動化，從而達到無人值班，已成為電力系統(tǒng)自動化發(fā)展的趁勢。目前，采用符合現(xiàn)代工業(yè)控制技術方向的高性能微控制器，現(xiàn)場總線技術，實時多任務操作系統(tǒng)等多項先進技術，能實現(xiàn)對中低壓輸配電線路及主設備的綜合自動化功能。而且能集保護、監(jiān)控 、調(diào)控、通信于一體，既可聯(lián)網(wǎng)構成綜合自動化系統(tǒng)，也可獨立運行，既可適合有人監(jiān)控中心，也可適合無人值班的要求。眾所皆知，變電站綜合自動化關鍵在于大量的現(xiàn)場采集信息和數(shù)據(jù)快速、準確，實時上傳到監(jiān)控中心，也能將監(jiān)控中心下達的控制命令準確無誤地發(fā)送到控制單元，及時采取措施避免事故發(fā)生，這就需要變電站綜合自動化系統(tǒng)有可靠的通信保障。隨著現(xiàn)場總線技術在電力系統(tǒng)自動化中的廣泛應用，有效地解決了變電站綜合自動化系統(tǒng)中的通信問題。 2． 變電站綜合自動化系統(tǒng) 2.1 變電站綜合自動化系統(tǒng)的構成 變電站綜合自動化系統(tǒng)典型結(jié)構如圖所示： 變電站綜合自動化系統(tǒng)一般由站控層、通信管理層和間隔層構成的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，采用分布式結(jié)構，設備分為站控層、通信管理層及間隔層，間隔層原則上按一次設備組織，每一間隔層設備包括測量、控制、保護、信號、通信、錄波等基本功能，并完成各自的特殊功能，系統(tǒng)能實現(xiàn)信息共享及保護、監(jiān)控功能的綜合化，極大簡化二次回路，節(jié)省系統(tǒng)投資，由于間隔層設備可放在開關柜或一次設備附近，大為減少主控室面積，節(jié)約控制電纜，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性和可擴展性。通信管理層由于各間隔層設備通信協(xié)議的多樣性，要實現(xiàn)不同裝置的數(shù)據(jù)鏈接，可加入前置機（通信管理裝置）完成通信控制和規(guī)約轉(zhuǎn)化，使其在功能上實現(xiàn)通信接收、發(fā)送、規(guī)約轉(zhuǎn)化等功能；通信協(xié)議采用電力行業(yè)標準協(xié)議，能實現(xiàn)不同廠家設備的互聯(lián)，采用全球定位系統(tǒng)（GPS），支持硬件對時網(wǎng)絡，減少GPS與設備間的連接，并保證對時精度，硬件上采用模塊化設計以支持多種通信接口，包括以太網(wǎng)、串行通信接口、可擴充的其他現(xiàn)場總線接口等；軟件上具有規(guī)約庫以支持RS-232、RS-485、LONWORKS及標準網(wǎng)絡協(xié)議（TCP/IP）等多種類型的標準通信接口，從而具備良好的軟、硬件擴展性。站控層包括數(shù)據(jù)庫服務器、Web服務器、運行工作站、維護工作站、監(jiān)視工作站等。 2.2 變電站綜合自動化系統(tǒng)功能 以某110KV變電站為例，根據(jù)變電站高壓供電系統(tǒng)一次系統(tǒng)的整體要求，變電站綜合自動化系統(tǒng)決定采用CL2000變電站綜合自動化系統(tǒng)，在此，結(jié)合工程實踐，介紹該系統(tǒng)用于變電站監(jiān)控系統(tǒng)中的經(jīng)驗。 變電站綜合自動化系統(tǒng)由WXH-322A/01微機線路保護裝置，WBH-90系列微機變壓器保護裝置，ZBH-91A/05變壓器本體保護裝置，WBH-92A/02微機變壓器后備保護裝置，WMC-31A03微機母線差動保護裝置，WBH-93A/02微機廠用電保護裝置，WBT-31A/01微機備用電源自投裝置，微控制器SAB-C167CR（SIEMENS公司產(chǎn)），工作站微機及相應設備組成。CL2000變電站綜合自動化系統(tǒng)系列保護裝置具有一般的主要功能，如開關量的變位遙控，電壓電流的模擬輸入，斷路器遙控分口，脈沖累加，遙控事件記錄及順序記錄（SOE），邏輯閉鎖等。 WXH-322A/01微機線路保護裝置是多CPU并行設計，距離保護，零序保護及錄波，測距分別由單獨CPU完成，各CPU插件在電氣及結(jié)構上相互獨立，無依賴關系，它能實現(xiàn)以下功能： （1）保護功能：a) 三段式相間距離保護； b) 三段式接地距離保護； c) 四段式零序方向過流保護；d) 故障測距； e) 振蕩閉鎖； f) 三段式反向及低壓閉鎖過流保護； g) 檢無壓、檢同期三相一次重合閘，手動同期合閘； h) 低周低壓減載保護； i) 過負荷保護或報警； j) PT斷線告警。 （2）測量功能：a) 采集測量電壓，三相或二相測量電流，計算有功功率，無功功率，功率因數(shù)； b) 測量頻率，每周波72點自適應采樣； c) 采用12路開關量； d) 采用4路脈沖量（正負脈沖 均可）； e) 遠方及本地操作。 3． 由現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)的通信功能 通信功能是綜合自動化出別于常規(guī)站最明顯的標志之一，通信網(wǎng)絡變電站內(nèi)間隔信息可充分共享，并通過通信接口與外界信息系統(tǒng)交換信息，同時節(jié)省大量電纜，構成一個快速、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡是變電站自動化系統(tǒng)的基本要求，也是電力系統(tǒng)運行管理功能的基本前提。 近年來，隨著我國電力自動化的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)通信方式也不斷改進，現(xiàn)場在總線技術因其組網(wǎng)方便，抗干擾能力強等特點得到廣泛應用。現(xiàn)場總線標準很多，電力自動化系統(tǒng)中最常用的是LONWORKS和CAN總線。LONWORKS總線通信速率為78Kbps和1.25Mbps，CAN總線通信速率為1Mbps。CAN總線是一種有效支持分布控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡，是一種通信速率可達1Mbps的多主總線[1]。具有優(yōu)先搶占方式進行總線仲裁的作用機理，通信速率高，錯誤幀可自動重發(fā)，永久故障可自動隔離，不影響整個網(wǎng)絡正常工作，可靠性高，而且協(xié)議簡單，開放性強，組網(wǎng)靈活，成本低等特點，能為電力自動化提供開放性、全分布及可互操作性的通信平臺。 CAN總線的主要特點： （1）CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡上任意節(jié)點，任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主次，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信息； （2）CAN采用短幀結(jié)構，數(shù)據(jù)最多8個字節(jié)，這樣不僅滿足控制領域中傳遞控制命令，工作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)的一般要求，且保證了通信的實時性，CAN網(wǎng)絡上的節(jié)點信息分為不同等級，可滿足不同實時要求，高優(yōu)先級最多可在134μS內(nèi)得到傳輸； （3）CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突時間。CAN的直接傳輸距離最遠可達10Km/ 5Kbps，通信速率最高可達1Mbps/40m?？蓲旖釉O備最多可達110個。CAN節(jié)點在自身發(fā)生錯誤時具有自動關閉功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。 本系統(tǒng)間隔層主要由保護單元和測控單元組成，每個測控單元監(jiān)控多路饋進饋出，采用先進現(xiàn)場總線CAN，現(xiàn)場通信采用雙絞線，總線速率達1 Mbps，快速、可靠、方便靈活，通信規(guī)約支持IEC-60870-5-101格式，克服RS485網(wǎng)絡上只能有一個主節(jié)點而無法構成多冗余系統(tǒng)的缺陷，具有很高的價格比。另外，采用雙CAN現(xiàn)場總線內(nèi)部定期對備用CAN進行備用檢測，提高了內(nèi)部網(wǎng)絡的冗余度。 站控層采用雙10 Mbps雙絞線以太網(wǎng)結(jié)構（能保證變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性），由雙服務器組成，站控層為值班人員提供全廠系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理功能，界面友好，容易使用。通過組件技術，軟件功能能實現(xiàn)“即插即用”，能較好地滿足電氣監(jiān)控系統(tǒng)的需要，軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構，開放性較好。站控層操作系統(tǒng)可采用Windows2000/NT，數(shù)據(jù)庫選用SQL服務器，軟件主要功能模塊有前置、數(shù)據(jù)庫生成器、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、報表管理、報警信息、曲線、棒圖、動作告警、SOE、事故追憶、錄波分析、人機界面、自動抄表、設備管理、定值管理、設備在線診斷、系統(tǒng)組態(tài)等。電氣監(jiān)控系統(tǒng)中提供了故障信息傳輸系統(tǒng)、各級調(diào)度中心、電能計量系統(tǒng)、直流系統(tǒng)通信等接口驅(qū)動軟件。 總之，系統(tǒng)完成的主要功能有：實時數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)庫的建立與維護、控制操作、同步檢測、報警處理、順序記錄（SOE）、事故追憶、畫面生成及顯示、在線計算及制表、電能量處理、遠動功能、電氣“五防”、時鐘同步、人機接口、系統(tǒng)自診斷與自恢復、與其他智能設備接口、運行管理功能等。 4．主要軟件設計 本系統(tǒng)中，微處理器SAB-C167CR的數(shù)據(jù)處理速度可達10 MHz，能完成所有測量、控制及通信等功能，其特點是任務較多，各任務之間協(xié)調(diào)較為復雜，為了便于個任務之間協(xié)調(diào)與功能擴充，CPU軟件系統(tǒng)采用了實時多任務操作系統(tǒng)RTOS來優(yōu)化和分配CPU時序和資源，保證程序的實時性和可靠性，以任務為對象進行資源管理，任務調(diào)度和異常處理，通過RTOS管理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理的輕重緩急來合理分配占有CPU，優(yōu)化時序分時執(zhí)行，使之不閑置，不擁擠，每個處理過程又有多個不同優(yōu)先級別的任務組成，采用優(yōu)先搶占操作方式有效保證任務執(zhí)行的實時性，采用這一軟件結(jié)構的突出特點是使程序?qū)崿F(xiàn)了真正的模塊化，各個任務單獨編程，不受其他任務的影響，任務的增減，調(diào)度非常方便。 軟件設計分為兩部分：一部分是SAB-C167CR微處理器的軟件設計，包括與間隔層設備間CAN總線數(shù)據(jù)傳輸及上位機UBS的數(shù)據(jù)通信（使用USB接口方便現(xiàn)場，即插即用，便于PC機的維護與升級，滿足變電站數(shù)據(jù)通信的需要）；另一部分為PC機上位機軟件的設計。這部分上位機軟件設計較為復雜，若采用面向?qū)ο蟮恼Z言編寫程序，可使用ActiveX控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。對于微處理器和上位機的軟件設計，考慮到將來間隔層設備結(jié)構的變化和硬件升級需要，程序設計分為兩層，底層負責數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；上層負責數(shù)據(jù)幀上午打包、解包及協(xié)議的解釋。 5． 結(jié)論 隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展和電氣設備微機化程度的提高，為數(shù)字化形式實現(xiàn)變電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術保證。變電站自動化系統(tǒng)應具有開放性，應能實現(xiàn)不同廠家設備的互操性（互換性）。因此，現(xiàn)場總線技術的應用是變電站綜合自動化發(fā)展的需要，運用現(xiàn)場總線技術 ，能解決變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信問題，能保證數(shù)據(jù)通信的速度、質(zhì)量、抗干擾能力，從而保證了變電站綜合自動化技術的有效實施。 參考文獻 1． 鄔寬明. CAN總線原理與應用系統(tǒng)設計. 北京：北京航天航空大學出版社，1996 2． 閔濤，黃冰. 變電站自動化系統(tǒng)一種智能測控裝置的設計. 電力系統(tǒng)及自動化學報.2003[6]：87～90 3． 李娟. 現(xiàn)場總線在煤礦變電站綜合自動化系統(tǒng)中的應用. 重慶：電工技術，2004[5]：2～3 4． CL2000變電站綜合自動化系統(tǒng)系列裝置技術說明書. 哈爾濱光宇電氣自動化有限公司