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1、高速铁路电力变配电所 自动化系统,电气工程学院 林国松,目 录,一、变电所自动化系统的组成 二、变电所自动化系统通信网络 三、变电所自动化系统通信协议 四、变电所自动化系统站控层 五、监控子系统实例,1.概述,一、变电所自动化系统的组成,变电所自动化系统是将变电所的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全所设备的自动监视、自动测量、自动控制和保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。,变电站自动化系统： 7个功能组：,一、变电所自动化系统的组成,控制、监视功能 自动控制功能
2、测量表计功能 继电保护功能 与继电保护有关的功能 接口功能 系统功能,一、变电所自动化系统的组成,监控子系统 继电保护子系统 通信子系统,铁路变配电所3个子系统：,（1）故障记录功能； （2）统一时钟对时功能，以便准确记录发生故障和保护动作的时间； （3）存储多种保护整定值； （4）当地显示与多处观察和授权修改保护整定值； （5）故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。,通信子系统包括系统内部现场级的通信和系统与上级调度的通信两部分。,2.结构形式 分层分布式结构的概念,一、变电所自动化系统的组成,所谓分布式结构，是在结构上采用主从CPU协同工作方式，各功能模块（通常是各个从CPU）之间采用网络技术或
3、串行方式实现数据通信。,变电所分层结构,变电所分层结构,变电所自动化系统按照设备的功能被分为三层：变电所层、间隔层（或称单元层）、过程层（或称设备层）,2.结构形式 分层分布式结构的几种方式,系统集中组屏 分散安装与集中组屏相结合 全分散模式,一、变电所自动化系统的组成,全分散式的自动化系统是指以变压器、断路器、母线等一次主设备为安装单位，将保护、测量、控制、闭锁等功能单元就地分散安装在一次主设备的开关柜上，安装在主控制室内的变电所层设备通过网络与这些分散的单元进行信息交换。,一、变电所自动化系统的组成,集中组屏的铁路配电所自动化系统结构图,铁路电力配电所全分散安装结构图,一、变电所自动化系统
4、的组成,二、变电所自动化系统通信网络,1.通信概述 变电所自动化系统通信子系统功能,变电所内的信息交换,现场一次设备与间隔层间的信息传输 间隔层内部的信息交换 间隔层之间的信息交换 间隔层与变电所层的信息交换 变电所层内部信息交换,二、变电所自动化系统通信网络,1.通信概述 变电所自动化系统通信子系统功能,变电所和调度中心的信息交换,（1）遥测信息，变电所上送模拟量的相关信息。 （2）遥信信息，变电所上送开关位置信号、有关状态信号、保护动作信号等。 （3）遥控命令，调度中心下发命令控制断路器、隔离开关位置，保护装置的保护元件的投入/退出，装置复归等。 （4）遥调命令，调度中心下发命令改变变电所
5、设备的工作状态和参数调整。,二、变电所自动化系统通信网络,1.通信概述,变电所自动化系统通信的要求,变电所通信网络的要求,信息传输响应速度的要求,快速的实时响应能力 高的可靠性 优良的电磁兼容性能 分层式结构,我国电力行业标准DL/T5149-2001“220500kV变电所计算机监控系统设计技术规程”的规定，模拟量越死区传送2秒；遥信变位和状态告警信号传送2秒；全系统实时数据扫描周期2秒；变电所画面整幅调用响应时间：实时画面1秒；其他画面2秒。,二、变电所自动化系统通信网络,2.常用的通信技术 现场总线技术（背景）,采用RS422/RS485通信接口虽然可实现多个节点（设备）间的互连，但连接
6、的节点数一般不超过32个，在变电所规模稍大时，便满足不了自动化系统的要求 在多节点下其通信方式只能采用查询方式，即由主机查询，保护单元或自控装置应答，通信效率低，难以满足较高的实时性要求 整个通信网上只能有一个主节点对通信进行管理和控制，其余皆为从节点，这样主节点便成为系统的瓶颈，一旦主节点出现故障，整个系统的通信便无法进行,二、变电所自动化系统通信网络,2.常用的通信技术 现场总线技术（种类）,目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司
7、的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGavazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。,二、变电所自动化系统通信网络,2.常用的通信技术 现场总线技术（缺点）,不同的现场总线都有其产生的背景和应用领域，在变电所自动化系
8、统中，各个厂家采用的现场总线也各不相同，这就造成了在同一变电所中，不同厂家的智能装置必须通过网关进行转换才能通信，使装置的互换和互操作成为问题。另外作为监控系统的主机一般采用通用计算机，只具备串口、以太网接口，并没有现场总线接口。装置并不能直接和监控计算机进行通信，必须使用网关或插卡进行接口转换。,二、变电所自动化系统通信网络,2.常用的通信技术 工业以太网,以太网是我们经常提到的局域网LAN（Local Area Network）的一种，有四种体系结构在局域网中占主导地位：以太网、令牌总线、令牌环、光纤分布式数据接口（FDDI）。,LAN和OSI模型比较,IEEE802标准体系,IEEE将数
9、据链路化分为两个子层：逻辑链路控制层LLC（Logic Link Control）和介质访问控制MAC（Media Access Control）,二、变电所自动化系统通信网络,2.常用的通信技术 工业以太网,TCP/IP（Transfer Control Protocol/Internet Protocol）是传输控制协议/网际协议的简称，最早是美国国防部的高级研究规划局ARPA（Advanced Research Projects Agency）制定的，现在广泛地应用于计算机之间的网络连接和通信，是事实上的通信标准。,TCP/IP和OSI模型,TCP/IP协议的体系结构分为四层：应用层、传
10、输层、网络层和链路层,二、变电所自动化系统通信网络,2.常用的通信技术 工业以太网,工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制功能对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性及实时性、互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。,二、变电所自动化系统通信网络,3.网络结构,规约转换器/网关 通信管理机 远动管理机,变电所自动化系统的网络结构和自动化系统采用的通信技术有关，和变电所的规模有关，和智能装置采用集中组屏或分散
11、安装有关，还和厂家给每个智能装置的功能分配有关。另外变电所中还有一些其它的智能设备如交直流屏，智能电度表、一次设备在线监测装置等，它们的信息也可以通过通信接口接入变电所自动化系统中，这些设备一般都是第三方厂家的产品，我们将其称为智能设备，或称其为第三方设备。,变电所自动化的通信装置,二、变电所自动化系统通信网络,3.网络结构 变电所自动化系统的以太网网络结构形式,星形结构 星型环网结构 间隔层环网的以太网结构,星型以太网自动化系统结构,二、变电所自动化系统通信网络,主干环网的自动化系统结构,间隔层环网的自动化系统网络结构,二、变电所自动化系统通信网络,三、变电所自动化系统通信协议,1. 变电所
12、层和间隔层设备通信的内容 故障信息 整定值功能 事件、自检信息 历史数据查询功能 其他功能,变电所自动化系统的通信有间隔层设备和变电所层设备的通信，变电所与调度中心的通信，这两者的通信规约是不一样的。间隔层设备之间、变电所层内部的通信不在变电所自动化系统通信规约讨论的范围内。,三、变电所自动化系统通信协议,2. 通信规约介绍 间隔层设备通信规约,规约采用三层参考模型，采用了OSI模型的物理层、链路层和应用层。,IEC 60870-5-103“继电保护设备信息接口配套标准”是其工作的一部分，它规定了继电保护设备（或间隔单元）的信息接口规范。该标准被等同采用为我国的国标，标准号为DL/T 667-
13、1999。,规约结构,三、变电所自动化系统通信协议,2. 通信规约介绍 间隔层设备通信规约,103规约采用查询方式的工作过程，主站发起通信，从站响应。继电保护设备上的数据分为1级数据和2级数据，1级数据的优先级高于2级数据，1级数据又包含多种数据，数据仍然存在优先级。2级数据一般定义为测量值，其余数据定义为1级数据。1级数据的优先级在规约中有规定，用户也可以根据系统的需要对数据的优先级进行调整。,用户数据收集过程,三、变电所自动化系统通信协议,2. 通信规约介绍 与调度中心通信规约,实际通信中存在的问题,循环传送远动规约 IEC 60870-5-101：2002远动规约 IEC 60870-5
14、-104：2002远动规约,变电所内部通信存在的问题 远动通信中存在的问题,四、变电所自动化系统站控层,1. 监控子系统的功能 数据采集（模拟量、开关量、电能量、数字量） 运行监视和控制,安全监视 事件记录功能（历史记录） 故障记录、故障录波和故障测距功能 操作控制 运行监视与人机联系功能 报表管理和打印 谐波分析与监视,站控层，即变电所自动化系统中的变电所层，包括监控子系统和远动通信功能。,四、变电所自动化系统站控层,1. 监控子系统的功能 数据处理和记录 其他功能,主变压器和输电线路有功功率和无功功率每天的最大值和最小值以及相应的时间； 母线电压每天定时记录的最高值和最低值以及相应时间；
15、计算受配电电能平衡率； 统计断路器动作次数； 断路器切除故障电流和跳闸次数的累计数； 控制操作和修改定值记录。,四、变电所自动化系统站控层,2. 监控子系统的结构 数据服务器 操作员站 继保工程师站 五防工作站 时钟同步的概念和方法,（1） 硬件脉冲对时方式（硬对时）。 （2）串行口对时方式（时间报文）。 （3）网络对时方式。 （4）IRIG-B时钟码对时方式。 （5）互联网时间同步技术。,五、变电所自动化系统监控子系统实例,1. 概述,当地监控子系统是通过图形化的方式实现对牵引变电所、配电所的监视和控制，主要完成一次设备实时状态的监视和控制功能。 系统可以打开各种图纸，如电气主接线图、地理图
16、等等。系统具备自动拓扑分析功能，可根据开关状态对主接线图的线路自动进行带电推导，用不同的颜色分别显示带电和不带电的线路。,五、变电所自动化系统监控子系统实例,2. 用户界面,五、变电所自动化系统监控子系统实例,3. 操作说明,图纸操作：打开主页,五、变电所自动化系统监控子系统实例,3. 操作说明,图纸操作：打开主页,五、变电所自动化系统监控子系统实例,3. 操作说明,图纸操作：打开图纸,五、变电所自动化系统监控子系统实例,3. 操作说明,图纸操作： 打开图纸,五、变电所自动化系统监控子系统实例,3. 操作说明,图纸操作： 打开图纸,五、变电所自动化系统监控子系统实例,3. 操作说明,缩放,跳转和刷新,五、变电所自动化系统监控子系统实例,3. 操作说明,关闭,打印图纸,五、变电所自动化系统监控子系统实例,3. 操作说明,总召,召电度,五、变电所自动化系统监控子系统实例,3. 操作说明,遥控操作,五、变电所自动化系统监控子系统实例,3. 操作说明,五、变电所自动化系统监控子系统实例,
