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李瑞榮（1965—）
副教授，研究方向為電傳動控制、計算機在工業過程中的應用等。
摘要：本文討論了變電站自動化系統的一般結構，并提出了一個構建在現場總線網絡之上，采用PLC作為控制單元的變電站自動化系統的實現方案。
關鍵詞：變電站自動化；現場總線；PLC；WinCC
Abstract: This paper discusses the generic architecture of substation automation system and puts forward a substation automation system solution based on Fieldbus with PLC as its control unit.
Key words: Substation Automation System；Fieldbus；PLC；WinCC
1 引言
變電站綜合自動化系統是利用計算機軟硬件技術、網絡通信技術和自動化技術對在線運行的變電站全部設備進行實時監視、測量、保護、控制和管理的自動化系統。它集繼電保護、故障濾波、本地監控和遠動等變電站二次系統的功能于一體，對變電站進行全方位的控制和管理，完全取代了常規監視儀表、操作控制屏柜、模擬屏柜、中央信息系統、變送器及常規遠動裝置等設備，提高了變電站的安全與經濟運行水平。變電站綜合自動化系統全面取代或更新傳統的變電站二次系統已成為當前主要的發展趨勢之一。
2 變電站自動化系統的一般結構
從上世紀八十年代到現在，變電站自動化系統的結構有了很大變化，總括來說，一般可以將變電站自動化系統的體系結構劃分為集中式、分布集中式、分層（散）分布式三種[1]。各種結構形式的變電站自動化系統所實現的功能、適用的場合各有所不同，在進行系統開發時可根據具體要求選擇合適的系統結構。
2.1 集中式結構
集中式結構是將變電站的全部信息（模擬量、開關量、脈沖量）輸入到一套計算機系統中并由計算機系統進行集中采集、集中處理和集中監控的系統。該類系統實際上是在常規的繼電保護及二次接線的基礎上，增設RTU以實現“四遙”功能。
2.2 分布集中式結構
分布集中式按功能或間隔劃分控制單元，每個控制單元負責實現一定的功能，或負責一個間隔設備的控制。分布集中式結構的各個單元集中在控制室組屏安裝。各個控制單元之間采用串行總線進行控制，而控制單元與控制設備之間的二次接線仍然是采用一對一的方式。
2.3 分層分布式結構
分層分布式結構以電氣一次回路設備或電氣間隔設備為控制對象劃分控制單元，各間隔層設備控制單元分散安裝在開關柜上或其他一次設備附近，各個控制單元各自完成各自間隔層內的數據采集、監控、保護、遠動等全面控制功能。
圖1 分層分布式變電站
分層分布式系統的一般結構如圖1所示。按IEC61850-1的建議，分布式變電站自動化系統分為三層，分別是過程層（設備層）、間隔層、變電站層[2]。間隔層所有控制單元相互間通過工業控制網絡相連，這類工控網絡可以是CAN、LonWorks、PROFIBUS等現場總線網絡，或者是采用工業以太網，通信介質可以是雙絞線或光纖。變電站層設備的通信采用以太網和TCP/IP實現。變電站層與間隔層之間采用網關或通信控制器實現。
這種結構充分利用了現場總線的技術優勢，省去了大量二次接線，控制設備之間僅通過雙絞線或光纖連接，設計規范，設備布置整齊，調整擴建也很簡單，成本降低，運行維護方便；系統裝置及網絡魯棒性強，大量重要的保護動作基本上在二次設備中完成，不依賴通信網和主機，主機或其中一個控制單元損壞并不影響其它設備的正常工作，這樣系統運行可靠性有了保證。對于較大的系統，一般在間隔層采用現場總線光纖環網，以增強系統的可靠性和冗余能力。
3 采用現場總線和PLC構建的變電站自動化系統
3.1 系統概述
構建的變電站自動化系統實現的是對一個配電所的控制。在配電所控制室配置一臺PC負責對所有設備進行監控和控制，完成后的系統運行主畫面見圖2。該系統有2路10kV進線，每路進線向獨立的一段母線供電，每段母線設2回饋出線和一組補償電容器。平時2段母線獨立運行，當其中一段母線發生故障時，母線聯絡開關（母聯）閉合，由一條進線向2段母線供電，實現了互為暗備用控制。
圖2 變電站自動化系統主運行畫面
3.2 系統硬件方案
控制系統的硬件結構如圖3所示，系統間隔層網絡采用Profibus-DP現場總線[3]。系統由一臺監控PC、一個S7-300系列PLC 313C-2DP組成的1類DP主站，和7個S7-200系列PLC S7-224構成的DP從站組成。每個DP從站負責控制一路進線型或饋線，實現分散控制。所有的主站和從站都掛接在一條DP總線上。
圖3 控制系統結構
監控PC采用Windows 2000 Server中文版作為操作系統。監控PC采用工業控制計算機，在監控PC的PCI插槽中安裝一塊5611通訊網卡，作為PC與DP總線的通信接口，構成2類DP主站。
DP主站在系統中完成系統總體控制和通訊管理功能，使用自帶的DP接口與DP總線連接。這個CPU本身集成了16點數字量輸入和16點數字量輸出，作為手動控制功能，我們在控制系統中設計了一個控制盤，可以在控制盤中采用按鈕控制整個配電所，因此增加了一塊16點數字量輸入信號模塊SM321，以提供足夠的數字量輸入點。
DP從站采用SIEMENS的S7-200系列小型PLC中的CPU224，以節省系統成本。S7-200本身不帶DP通訊口，因此每個子站需要插入一塊專用的DP通訊模塊EM277，才能構成DP從站。由于采用了分散控制的方式，每個從站只控制一條線路，因此集成的14點數字量輸入和10點數字量輸出已經足夠，只需添加模擬量輸入模塊EM231，作為模擬量輸入擴展。各電壓、電流和有功、無功等電量參數采用廣東雅達電子公司的YD系列變送器采集，由變送器轉換為標準的0~20mA信號后通過EM231輸入到CPU224中。
S7-300和S7-200分別采用西門子公司的功能強大的STEP 7 5.3和STEP 7-Micro/WIN組態軟件作為編程工具。
3.3 上位機與監控組態軟件
上位監控PC負責完成現場設備的數據采集、監控、報警和對歷史數據進行存貯、查詢和顯示、打印等功能。同時還需將現場設備數據轉送到上級信息管理層的控制中心，并能接受控制中心操作員站指令，轉發給下層設備，因此，監控PC還承擔了下層設備層和上層信息網絡之間的中繼功能，以實現設備層和上層信息管理層的通訊。
利用WinCC提供的組態和編程工具，本系統實現下列變電站自動化系統的常見功能。
（1）利用圖形編輯工具，建立了圖形操作界面，實現了圖形監視和操作功能。圖形監視功能包括：所有監控數據的動態監視，所有斷路器的分、合閘情況的動態顯示，及線路與設備帶電情況的動態跟蹤。圖形操作功能包括：各主設備的分、合閘操作，系統保護定值的動態修改。
（2）利用變量記錄編輯器對過程變量進行歸檔，并對歸檔數值進行轉換處理，以圖表和趨勢曲線的方式在圖形界面上顯示。
（3）利用報警編輯器建立了斷路器變位報警和模擬量越限報警，實現SOE功能。
（4）利用WinCC提供的API函數，編寫C腳本程序中實現了雙操作員登錄驗證，保證操作安全。
4 結語
分層分布式變電站自動化系統采用總線控制方式，控制單元可在間隔設備附近就近安裝，大大減少了二次系統接線的數量和長度，提高了系統的可靠性。現場總線控制系統的網絡結構與IEC61850建議的變電站自動化系統結構相符，非常適合于用作變電站系統的通信網絡。PLC作為一種通用的智能電子設備，性能可靠，使用方便，易于編程，相信其在變電站自動化系統中的應用范圍將會日益擴大。
WinCC提供了豐富的圖形操作功能、數據記錄、報警記錄功能，和報表系統，本身又是電力系統監控軟件PowerCC的重要組成部分，作為SCADA/HMI軟件，非常適合于變電站自動化系統。它與自動化系統和自動化網絡系統的緊密結合，使用戶可以輕松地實現由監控端到控制系統低層的無縫集成。
參考文獻
[1] 程躍森. 變電站綜合自動化系統體系結構研究[J]. 河南電力, 2004, (l).
[2] IEC 61850-1. Communication networks and systems in substations. Part 1: Introduction and Overview, 2001.
[3] 崔堅, 李佳. 西門子工業網絡通信指南(上冊)[M]. 北京: 機械工業出版社, 2005.
作者信息：
李瑞榮，童巧新 （廣州鐵路職業技術學院, 廣東 廣州 510430）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號