第8章微機監控與綜合自動化8.1傳統監控系統工作模式及其存在的問題8.2微機監控與綜合自動化系統概述8.3模擬量輸入、輸出通道8.4開關量輸入、輸出通道與輸入方式8.5變電所綜合自動化系統舉例8.6綜合系統軟件設計本章學習目標l

變電所傳統控制、監視與中央信號電路工作模式和存在的某些缺陷l

系統用以取代傳統的二次接線系統與二次設備的意義l

微機遠動與綜合自動化的關系與作用l

綜合自動化典型結構l

綜合自動化中常用的輸入/輸出通道形式l

應用軟件概況返回本章首頁8.1傳統監控系統工作模式及其存在的問題8.1.1變電所信息流與傳統監控系統工作模8.1.2現有監控系統存在的問題與缺陷返回本章首頁8.1.1變電所信息流與傳統監控系統工作模式

變電所的二次接線系統與設備，由監控系統、繼電保護和自動、遠動（RTU）裝置組成，它對一次系統各種信息進行采集、處理，并執行對系統設備的監視、控制、保護和調節，可統稱為信息處理系統和功能實現環節，用以保證一次系統及其設備的安全、可靠運行。變電所的信息流程，可用圖8.1的局部主電路設備及其與信息處理系統之間的連接關系表示。圖8.1牽引變電所的兩類信息流及信息流程示意圖返回本節8.1.2現有監控系統存在的問題與缺陷（1）信息變換、檢測依靠傳統電磁測量儀表、繼電器等模擬式設備，測量誤差大、設備數量多。（2）依靠人的感官和判斷。人的感官對信息接受不可避免的會存在誤差。（3）信息傳輸方面，由于采用強電流信號直接傳輸，雖然抗干擾性能好，但其主要缺點是通道中功耗大，導致誤差增大，傳輸距離有限（小于1km），且用作通道的控制電纜截面大、數量多，造成一次性投資增高。（4）二次系統無自檢、存儲記憶和復讀功能，若元器件及儀表繼電器本身損壞，不能及時發現、診斷和報警（對繼電器保護危害更大），影響了系統可靠性。（5）二次系統中二次設備間信息交換和通信功能差、信息資源無法綜合利用、不能進行畫面顯示和集中監控，監控系統的整體功能不能發揮和體現。返回本節8.2微機監控與綜合自動化系統概述8.2.1微機監控與綜合自動化發展簡史8.2.2微機監控與綜合自動化系統基本構成及其特點8.2.3微機監控與綜合自動化系統類型返回本章首頁8.2.1微機監控與綜合自動化發展簡史1977年日本三菱公司研制的以微處理機為基礎的分布式控制、監測與保護多微機系統投入試運行，取代了全部傳統的模擬式二次設備，首次實現了變電站全部數字化，并取得有益的技術經濟效果，該系統于1980年交付商業應用。美、德、瑞典等國在同時期內也相繼進行了變電站綜合自動化（或稱控制保護一體化）的大量研究和試驗，至20世紀80年代中期微機變電站綜合自動化技術逐步趨于實用，且功能日益完善。我國于20世紀80年代中期首先在一些城市變電站和電力系統超高壓變電站、發電廠引進國內外技術或國內研制的簡單監控裝置，取得成功運行經驗。返回本節8.2.2微機監控與綜合自動化系統基本構成及其特點在變電所中應用分布式多微機系統完成一次設備監視、控制，中央信號、數據采集、時間順序記錄和屏幕顯示、打印等功能，一般稱為微機監控系統。在微機監控系統的基礎上，介入微機保護和自動裝置（含遠動RTU），承擔整個變電所信息處理、與上層調度通信以及全部監控、中央信號和保護自動化的功能，這種一體化綜合系統稱為變電綜合自動化系統。微機變電站綜合自動化的基本構成如圖8.2的框圖所示。

圖8.2變電站綜合自動化系統構成框圖1．變電所綜合自動化系統的確定原則（1）由于采用信息傳輸的分時制，有效的利用通信聯系在各功能模塊間以及各功能模塊與監控主機之間傳送監控，保護公用數據信息和控制命令是經濟、合理的，并可增強系統的整體功能。（2）除特殊的電能測量精度、諧波測量精度與實時錄波器對帶寬要求比微機保護要求高，需另考慮數據采集系統外，多數情況下，保護功能模塊的輸入、輸出通道，完全能滿足監控功能的需要。（3）為保證保護動作的可靠性，跳、合閘執行繼電器應對保護和監控系統分別設置，以免由于頻繁操作而影響保護正確動作。（4）綜合利用全系統的硬件冗余和通信手段，使控制、保護功能的配置靈活性增大，并增強后備功能（例如不同設備保護的互為后備）。2．變電所綜合自動化系統的基本特點（1）綜合自動化系統的信息流是數字量，取代了傳統二次系統的模擬量信息。（2）增強了變電站整體功能。（3）設備操作、故障狀態采用屏幕監視，值班人員面對大屏幕顯示器進行變電站所有設備的全面監視與操作。（4）運行管理智能化、自動化。（5）綜合自動化系統工作的可靠性、精確性大大提高（6）經濟上合理（7）變電所的工作環境的變化，決定必須采取有效的抗干擾、抗溫度變化、抗震等措施。返回本節8.2.3微機監控與綜合自動化系統類型1．微機監控系統2．微機變電所綜合自動化系統3．無人值班變電所微機綜合自動化系統返回本節8.3模擬量輸入、輸出通道8.3.1模擬量輸入通道的一般構成與基本要8.3.2應用模/數轉換器的采樣方式8.3.3并行處理系統的VFC模擬量信號離散化與數字化（V-F電壓-頻率轉換）

8.3.4模擬量輸出通道一般構成返回本章首頁8.3.1模擬量輸入通道的一般構成與基本要求1．電量變換器和傳感器（如圖8.3（a）所示。）2．模擬信號預處理器3．采樣－保持器4．多路轉換器5．模/數（A/D）轉換器模擬量輸入通道的典型結構如圖8.3（a）、（b）所示，按照模擬信號性質的不同，它由電量變換器/傳感器、模擬信號預處理裝置、采樣/保持器、多路轉換器、模/數轉換器（A/D）與并行接口電路構成。器中圖（a）是電流、電壓模擬量輸入通道，圖（b）是用作非電量傳感器模擬信號的輸入通道。返回本節8.3.2應用模/數轉換器的采樣方式1．異步采樣和同步采樣2．多通道同時采樣3．多通道順序采樣圖8.4同時采樣圖8.5順序采樣返回本節8.3.3并行處理系統的VFC模擬量信號離散化與數字化（V-F電壓-頻率轉換）對于有高速處理能力的多CPU并行處理系統模擬量信號的離散化（采樣）與數字化，廣泛地采用VFC電壓-頻率轉換器和計數器來實現，其通道結構示意圖如圖8.6所示。圖8.6采用VFC的模擬量輸入多通道-----多CPU系統返回本節8.3.4模擬量輸出通道一般構成1．數字量保持、每通道設有D/A轉換器的方式每路模擬量輸出通道設有單獨寄存器和D/A轉換器，其原理結構圖如圖8.7所示。寄存器的作用是保存數字量控制信號。圖8.7每通道設有D/A轉換器，數字量保持方式的模擬量輸出通道2．模擬量保持、共用D/A轉換器的方式該方式模擬量輸出通道的原理結構圖如圖8.8所示。微機輸出的控制信息數字量在CPU控制下，按一定代碼經接口電路送至共用D/A轉換器轉換成相應模擬量信號，經多路轉換器依次傳送到相應的通道，由模擬保持器保持當前值并輸出給執行機構。圖8.8共用D/A轉換器，模擬量保持方式的模擬量輸出通道返回本節8.4開關量輸入、輸出通道與輸入方式8.4.1開關量、脈沖量輸入通道的基本構成8.4.2開關量信號輸入方式及其工作原理8.4.3開關量輸出通道返回本章首頁8.4.1開關量、脈沖量輸入通道的基本構成開關量、脈沖量輸入通道的基本構成如圖8.9所示。它由信號處理電路、輸入寄存器或計數器、控制器單元與接口等組成。各主要組成器件的作用和原理簡述如下：1．信號處理電路2．輸入寄存器和計數器3．控制單元圖8.9開關量、脈沖量輸入通道的構成光電耦合式處理電路的主要器件是光電隔離器OI，它有發光二極管和光敏三極管組成，如8.10（a）。繼電器耦合式信號處理電路如圖8.10（b）所示。當開關（接點）S斷開時，繼電器K線圈不通電，其接點斷開，“非”門輸入為高電平，輸出u0為低電平；當開關（接點）S接通時，繼電器勵磁，其結果輸出u0變為高電平。圖8.10信號處理電路返回本節8.4.2開關量信號輸入方式及其工作原理開關量信號輸入方式一般區分為兩種，即中斷輸入方式和開關量信號巡檢掃查方式。圖8.11（a）是開關量輸入通道分組編碼輸入方式的一種示例。其中64路開關量信號分為8組，每組8位由8個輸入開關量構成一字節的輸入數據。圖中8組開關量的組號編碼采用3位二進制碼，依次為000-111號，它們分別由8個緩沖器（寄存器）接受各組輸入信號。圖中各組數字量D0—D7的每一位，都是相應的每路輸入開關量信號經圖8.9所示的信號處理電路變換得到的。圖8.11開關量輸方式與工作原理（a）圖8.11（b）是上述各組開關量信號輸入巡檢掃查程序和中斷服務程序流程圖。圖8.11開關量輸方式與工作原理(b)返回本節8.4.3開關量輸出通道開關量輸出通道傳送的開關量信號，經轉換和增大驅動能力后，用以控制斷路器或開關的開、合，實現變壓器組的自動啟停和切換，以及控制電動機的啟動或停止等。同時也送往監控主機，后者給出相應位置信號和音響報警信號，顯示變電所的運行狀態。因此，開關量輸出通道是微機輸入輸出系統中很重要的組成部分。開關量輸出通道的基本構成如圖8.12所示，它由并行接口、控制器單元、輸出寄存器、驅動控制電路等器件構成。

圖8.12開關量輸出通道基本構成一種是光電隔離式驅動控制電路，如圖8.13（a）所示，它輸出的是電平信號；另一種是光電隔離與中間繼電器（或干簧繼電器）式驅動控制電路，它輸出接點信號（稱空接點），用以閉合斷路器的跳（合）閘出口繼電器回路，如圖8.13（b）所示。圖8.13（a）和（b）中設置反相器B及與非門A的目的，一方面因為并行口帶負載能力有限，不足以驅動發光二極管，另一方面采用與非門后要同時滿足兩個條件才能使J動作，增加了抗干擾能力，對開關量輸出電路，這是很重要的一種可靠性措施。圖8.13驅動控制電路返回本節8.5變電所綜合自動化系統舉例8.5.1牽引變電所綜合自動化系統典型結構形式與電路

8.5.2牽引變電所綜合自動化系統主要功能及其實現

8.5.3系統硬件結構設計若干關鍵技術問題返回本章首頁8.5.1牽引變電所綜合自動化系統典型結構形式與電路牽引變電綜合自動化系統的結構形式，在遵循分層、分布式硬件配置的原則下，根據變電所進線一次接線方式、進線數量與電壓等級（220/110kV）、配電裝置類型、饋線電壓（50/25kV）與饋線（含備用）數量、主變壓器容量與臺數，其它被控設備數量、變電所重要程度、對監控功能和自動化完善程度的不同要求，以及是否為無人值班等情況，可區分為下列幾種：1．分布、分散式配置的綜合自動化系統2．分布式結構集中組屏的綜合自動化系統1．分布、分散式配置的綜合自動化系統圖8.14分布、分散式配置的綜合自動化系統結構圖2．分布式結構集中組屏的綜合自動化系統這種形式的典型結構電路如圖8.15①所示。該系統的監控主機和保護、數據采集各子系統的功能模塊全部設置在主機控制室內，后者集中組屏。整個系統分為兩層，第一層是模擬量、開關量與脈沖量數據采集處理機、控制處理集和各種微機保護子系統。第二層是通信（前置）處理機和監控主機，通信處理機一方面通過調制解調器（modem）使主機與調度中心進行遠方通信；另一方面，它又將第一層各子系統與監控主機之間實現通信（通過并行或串行接口）。第一、二層子系統和監控主機都掛在網絡上，其傳輸介質采用雙絞線或電纜。適用于變電所的網絡總線有局域網（LAN）網絡技術和BitBus（位總線）網絡總線等。后者是以串行接口SIU、RUPI-44系列單片機為基礎的串行位總線，由它可構成的局部網具有較高性能價格比、靈活可擴、使用方便等優點，且通行距離可達幾公里。為此，可在BitBus總線上按需要連接管理終端和繼電保護終端，如圖8.15②所示，以適應附近供電管理部門（供電段）進行技術管理、監視；繼電保護技術人員改變保護定值、進行二次系統檢驗和調整等技術工作的需要。圖8.15分散式結構集中組屏的綜合自動化系統返回本節8.5.2牽引變電所綜合自動化系統主要功能及其實現系統中有關全局性的功能，如全所監視、控制和遠動信息傳送接收等，均由上層的監控主機系統實現；有關變電所內的局部屬性，則由下層的各功能模塊子系統完成，現分別加以說明。1．監控系統功能2．微機保護、故障點測距與錄波功能3．遠動功能4．無功綜合補償自動控制與自動調壓功能5．系統在線自檢與自診斷功能返回本節8.5.3系統硬件結構設計若干關鍵技術問題1．監控主機的配置形式及其工作方式（1）熱備旁待系統。（2）暖備旁待系統。2．綜合自動化系統中對微機、CPU選型的一般要求（1）關于微機、CPU的字長、存儲容量與主頻。（2）指令系統功能完善程度。（3）中斷能力。（4）寄存器結構和微機尋址方式。（5）微機的系列化和抗強電磁干擾。

1．監控主機的配置形式及其工作方式對于可修復的單機系統的可靠性指標用可用度A0或平均無故障工作時間MTBF0表示，其定義分別為：（1）熱備旁待系統。即一臺主機工作。旁待主機處于“熱備用”狀態，它同時完成在線主機的工作，但不接入系統，即對系統不發生效用。它的可靠度或MTBF1與雙機并聯冗余系統相同。即：（2）暖備旁待系統。一臺主機工作，旁待主機承擔部分在線任務，即處于輕載工作狀態。此時根據工作主機與旁待主機在單位時間內可能工作狀態及其狀態轉移分析，并設兩主機的故障率分別為λ0和λ’，且λ0>λ’（輕載主機），則經數學運算得到暖備旁待系統的MTBF2為：兩種雙機冗余系統與網絡總線的連接方式如圖8.16所示，其中主機和前置處理機的連接一般采用固定連接方式（如實線連接），若需要增加靈活性和可靠性，可增加虛線所示的切換電路，但硬件設備和軟件都相應復雜化。圖8.16雙機冗余監控主機連接電路返回本節8.6綜合系統軟件設計8.6.1模擬量輸入信號掃描處理與算法8.6.2開關量監視（掃查）與處理判斷8.6.3開關設備控制與監視8.6.4應用軟件系統組成及其基本設計方法概述返回本章首頁8.6.1模擬量輸入信號掃描處理與算法1．模擬量信號分類及其掃描、處理過程（1）高電平的電流、電壓信號，電平高達5—10V（穩態），變化速度相對較快，掃描周期一般為幾分鐘以內，它們用以監視電氣參數和計算越限值。（2）非電量模擬信號，如熱電偶溫度信號、壓力信號等，為低電平（以毫伏計）信號，其變化較緩慢，相應的掃描周期比第一類更長（達幾十分鐘），它們用以監視越限參數值。圖8.17輸入模擬量處理計算流程框圖2．模擬量信號發送和接收軟件舉例圖8.18示出模擬量數據發送、接收（掃描）的主要程序框圖。其中圖（b）為監控主機接收程序，它按模擬量信號的分組號、點號設定后，每次對每點模擬量發送地址碼，并待模擬量采集子系統應答后，發送模擬量數據傳送（掃描）命令，得到對方應答后，最后接收模擬量數據，依次循環至全部模擬量掃描一次完后結束。圖（a）為各個模擬量采集子系統處理機的發送程序，它由中斷服務程序接收監控主機信息后發動，并進行各種判別。圖8.18數據發送與接收程序返回本節8.6.2開關量監視（掃查）與處理判斷

1．開關量跳變與跳變方向的處理判斷（1）開關量跳變邏輯