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高压变电站自动化系统的总体配置
Selim Trabulus
（YILDIZ技术大学 电气工程系 TR-80750 YildiznstanbuYTurkiye trablus@yildiz.edu.tr）
摘要
提供快速，准确和优先的电力系统信息的需求可能会对电力公司的资源产生重大影响，挑战其保持竞争力的能力。 变电站自动化系统将帮助满足这些需求，降低运营和维护成本，同时最大限度地提高总投资回报。 本文以最新的技术设计探讨了建立高压变电站自动化系统通用配置的硬件，软件，远程控制，网络和监控等主要单元。
1.介绍
变电站自动化基本上使用的电源管理控制系统（PMCS）是用于工业或机构配电系统的监督管理和控制系统（SCADA）。 电源管理控制系统包括四个基本部分：（1）电源管理设备，（2）将这些设备连接到（3）运行电源管理控制系统软件的主机和动态数据交换（DDE）服务器的网络，其中 监视（4）客户端软件程序所请求的数据的设备，并将该数据反馈给请求它的客户端。 图1显示了一个真正的PMCS网络的例子。 构建PMCS的硬件和软件部分在下面的章节[1,2,3]中进行解释。
2.硬件
系统操作员界面托管在变电站计算机上。 根据要求，系统可能包含几十到几百个智能电子设备（IED），这些智能电子设备都通过多层通信网络连接，由主机PC监视和控制[4]。 这些IED通常包括：
·电机，馈线，发电机和变压器保护继电器
·能量和电能质量计
·负载分接开关，电压调节器和电容器控制
·可编程逻辑控制器（PLC）。
图1 具有真实设备的PMCS系统示例
2.1 PMCS操作
电源管理设备的复杂性和预期用途各不相同，但通常它们的功能是相似的：它们收集关于特定电子计量，状态和事件参数（电压，电流，功耗，峰值，跳闸等）的数据。他们监控的各种信息记录在称为寄存器的特定存储位置。注册由地址组织。完整的清单
设备的寄存器，它们的地址和它们的内容被称为寄存器映射。 PMCS预编程有寄存器映射和其他设备。当用户配置PMCS的细节时
设备连接到他的网络，软件会自动将适当的寄存器映射关联给定的设备类型。这使软件能够根据设备的类型定位设备中的信息。 PMCS使用称为DDE - 动态数据交换的客户端 - 服务器架构进行操作。 DDE是在PC上运行的软件程序之间交换信息的手段[5]。客户端程序从服务器程序请求信息;服务器程序填充这些请求。对于PMCS DDE服务器，这些请求用于通过连接到PC的物理电源管理设备收集电源管理信息。图2显示了PMCS DDE通信的一个例子。
图2. PMCS DDE通信周期
客户端软件（如PMCS事件记录器或波形捕获）用于分析来自设备的特定数据。每个客户端程序都需要来自特定设备的特定数据段。客户端向服务器发送DDE请求，服务器向设备查询请求的信息，以及何时从设备接收到信息，它会用客户要求的信息回复客户端的请求。DDE的一个重要方面是其“动态”性质; 一旦客户端已经从服务器请求信息，就建立了到该数据的“DDE链接”。服务器将继续监控该信息，如果发生任何更改，则会将新数据转发给客户端。
2.2 PMCS DDE服务器
PMCS动态数据交换（DDE）服务器是一个Windows 0 NT应用程序，允许其他Windows 0 NT应用程序访问设备中的数据。 PMCS DDE服务器充当远程终端单元（RTU）或以太网电源管理网络与符合DDE标准的软件应用程序之间的桥梁，用于显示，分析和控制。 RTU协议（例如Modbus）是在RS485网络上运行的通信协议。监控和数据采集（SCADA）系统，楼宇管理系统（BMS）和分布式控制系统（DCS）广泛支持RTU协议。
RTU协议的开放式架构提供了高度的灵活性，同时降低了与专有通信协议相关的风险。 RTU协议的主要优点包括：
- 设备和系统可以轻松升级
- 支持来自各种制造商的各种兼容设备
- 通信非常灵活，无论是上游（DCS，SCADA和BMS系统）还是下游（至米和跳闸单元）。
PMCS DDE服务器有两个基本功能：从附属设备收集数据，并向客户端应用程序（主机和联网PC）提供数据。 PMCS DDE服务器跟踪连接到PMCS网络的设备，监听来自客户端应用程序的数据请求，并且在指定的时间间隔内从适当的设备轮询所请求的数据并将其报告给客户端。服务器不会持续轮询来自每个设备的所有数据，除非被告知这样做;做这些将需要巨大的网络带宽并导致性能下降。相反，PMCS DDE服务器仅检索客户端应用程序请求的特定数据[6]。
2.3电源管理设备
这些设备主要是测量设备 - 它们测量各种与功率相关的数据或描述设备上发生的事件的控制数据。这些数据可以通过电源管理软件（如PMCS DDE服务器）远程读取（通过网络）。这些设备读取的数据存储在寄存器中，这些寄存器是设备内存中特殊的定义点。客户端向服务器发送请求以获取来自特定设备的数据。服务器知道设备的寄存器映射并请求包含请求数据的寄存器块。每个设备的寄存器映射被编程到PMCS DDE服务器中。然后，服务器可以将客户端应用程序的请求转换为发送到特定设备的请求，以获取特定寄存器的内容;客户端不需要知道哪个寄存器包含什么信息，只需要哪些设备需要哪些信息。 PMCS DDE服务器负责处理细节，并在数据请求发出后，服务器继续监视来自特定设备的数据，并更新客户端应用程序并对数据进行任何更改。
2.4网络
主机与IED之间的通信可以通过直接连接到主机上的串行I/O端口，也可以通过Ethemet远程连接。 支持的串行接口包括RS232和RS485，使用导线或光纤连接。标准TCPAP堆栈中提供了局域网（LAN）或广域网（WAN）支持。
3.软件
电源管理控制系统软件（PMCS）在Microsoft Windows reg; NT操作系统上运行，并使用不同的软件提供变电站设备状态和趋势的图形表示，设备的远程控制以及对系统状况的自动响应。PMCS DDE服务器将计量、状态、事件和报警数据从网络上的计量，控制和保护设备收集并传送到其他PMCS软件工具，如事件记录器，波形捕获或通用HMI（人机界面）向导形成一个poweil和灵活的电源管理系统[7]。数据可以轻松导入到电子表格中，例如Microsoft Excel，以进行分析和演示。标准系统包包括以下屏幕：
·系统架构图
·动画单线图
·维护监视屏幕
·控制屏幕
·表格设备信息屏幕
·内置系统性能监控
4.控制
用户界面提供了对开关，断路器和其他设备的手动控制。该软件可以协调断路器尖端的监控和关闭，集中/解除/暂停重合闸和电容器组切换。广域网通信可用，并且可以将监控控制扩展到下游重合闸，线路开关和电容器组。可以提供以下用于控制变电站运行的可选功能：
·标记 - 根据具体的操作和维护程序进行定制
·联锁 - 可编程用于所有设备操作和场景
·负载脱落和恢复 - 变电站操作可根据系统电压和/或频率进行定制，以减少和恢复负载
·用于传统SCADA接口的PC SCADA仿真器
·热备份冗余备份选项
5.分析
5.1系统性能评估
系统的主机提供自己的健康报告，包括每个串行通信链路的平均CPU利用率、磁盘空间可用性和通信错误率，简化通信诊断并降低故障排除成本。
以下功能将允许分析重要的变电站运行数据：
·示波观察器
·事件序列日志和排序工具
·系统性能状态
·与Microsoft Excel和等几种流行的桌面数据管理工具兼容，为用户提供访问所需的关键信息，以便轻松生成定制报告和操作操作数据。
5.2通信
PMCS旨在提供所需的灵活性，以满足最具挑战性和多样化的应用需求[8]。可用的功能有助于确保系统在扩展时继续具有成本效益，其中包括：
5.2.1 IED接口
主计算机直接或通过以太网与IEDs进行通信，或者以每个IED端口为单位进行通信。在单设备/单端口模式下，每个端口可以支持不同的协议驱动程序。 IED与主机的硬件连接可通过光纤电缆或铜线进行。
5.2.2视图节点能力
该系统可以支持基于客户端/服务器架构的多个终端和站点。在任何一个站点中，可以有选择地将多个主机配置为冗余模式，即任何单主机的故障都会导致将所有功能自动传输到备用主机。
5.2.3传统的SCADA接口
PMCS能够连接现有的SCADA系统。来自动态数据库的任何数据都可以映射到SCADA传输。
5.2.4本地和远程访问
主机系统可以安装远程终端仿真软件，该软件允许通过包含类似软件的标准PC/笔记本电脑进行本地或远程访问。然后可以通过拨号电话线路访问主机，或通过串行端口或以太网在本地访问主机。电源管理系统设计用于与公用事业企业网络（即WAN）集成，增强远程实用位置之间的控制能力和数据访问。这样的系统可以很容易地获得准确、详细的信息并执行各种各样的监视和控制功能，使用一系列完全集成的应用工具。PMCS为RTU兼容设备和其他通信设备提供通信和控制功能。集中器轮询来自通信设备的数据并将该数据与PMCS进行通信。PMCS还可以与其他Modbus RTU本地设备如可编程逻辑控制器（PLC））和电子功率计（EPM）波形捕获计量器进行通信。
5.2.5 IED-时间同步
系统中包括主机在内的所有IED都可以通过标准时间网络连接到绝对时间源。该网络为连接的IED提供事件时间同步，精确到毫秒。
6.监测
6.1测量/ IED状态
设备状态和实时值可以从反映物理变电站布局的自定义单线图目标库中获得。从IED持续查询选定的值并将其加载到主机的动态数据库中，以实时查看用户变电站中的关键数据。
6.2事件的顺序
诸如线路故障、断路器操作以及由IED捕获时间标记的控制操作等事件都以标准数据库格式捕获并存储在主机上，以便通过其他Windows reg;兼容的数据管理程序轻松访问。事件日志根据用户可选择的排序参数（如时间、日期、事件类型和设备类型）提供显示选项。用户还可以在捕获的事件上定义自定义查询以增加灵活性。
6.3状态和诊断
系统软件维护每个连接的IED的实时状态的数据库，例如自测故障、输出触点位置、维护间隔、本地控制启用等。继电器故障报告和断路器健康状况也被捕获并显示在事件日志，便于系统评估和数据管理（可用数据与IED相关）。
6.4示波器和故障报告
系统自动上传由连接到系统的IED创建的录波，干扰和故障报告。这些数据在捕获时刻记录在原始设备中，与事件序列记录同步，并保存在PC的硬盘上，可以在本地或远程访问，以供操作员或分析员显示。
6.5用PMCS监视操作
在这种情况下，监视器可以作为主机上PMCS软件的备份设备，也可以作为远程监视器，从而可以在主机PC以外的位置查看PMCS设备数据。
当网络上存在PMCS DDE服务器时，网络上的监视器作为主站的PMCS系统的从站运行。由于RTU网络运行在只允许主设备发起通信的主从架构上，监视器不能直接从它需要跟踪的设备请求信息。称为代理权监督机的特殊客户端应用程序为RTU监视器提供了从网络设备获取所需数据的手段。该代理与PMCS DDE服务器一起在主机上运行。启动代理权监督机应用程序时，其首要任务是查询PMCS DDE服务器，检查该段上的任何监视器设备。如果找到监视器设备，代理服务器将记录它们的设备名称，然后向DDE服务器询问每个监视器的请求列表信息。监视器的请求列表是监视器需要显示的所有设备和特定数据的列表。监视器将其请求列表发送回服务器，服务器将此信息传递给监视器代理，完成DDE事务。代理现在知道每个监视器需要跟踪数据和事件的设备。代理使用监视器请求列表中的信息与设备和相应寄存器的服务器建立DDE链接。服务器开始轮询这些设备的数据并将数据发送回代理服务器。作为从属设备，监视器无法启动通信或数据请求。但是，没有什么可以阻止监视器对网络流量进行“窃听”。监视器监视段的请求和它应该跟踪的设备的响应，并使用这些信息更新其显示。代理本身不需要来自设备的数据，因为它的目的只是创建对话，以便监听可以窃听回复[9]。代理丢弃从DDE服务器接收的所有设备数据。图3显示了代理在DDE通信中协助监视器的角色。
图3 监视代理和PMCS DDE通信
代理还可以在请求时将PMCS事件日志发送到监视器。 如果PMCS事件记录器客户端在具有DDE服务器的主机PC上运行，则监视器可以存储PMCS事件。
7.客户应用程序
客户端应用程序通过DDE或NetDDE通信从PMCS DDE服务器请求特定设备数据，然后在屏幕或打印机上提供计算、趋势和数据显示。PMCS DDE服务器从电源管理设备收
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