李瑞荣（1965—）
副教授，研究方向为电传动控制、计算机在工业过程中的应用等。

摘要：本文讨论了变电站自动化系统的一般结构，并提出了一个构建在现场总线网络之上，采用PLC作为控制单元的变电站自动化系统的实现方案。

关键词：变电站自动化；现场总线；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

    变电站综合自动化系统是利用计算机软硬件技术、网络通信技术和自动化技术对在线运行的变电站全部设备进行实时监视、测量、保护、控制和管理的自动化系统。它集继电保护、故障滤波、本地监控和远动等变电站二次系统的功能于一体，对变电站进行全方位的控制和管理，完全取代了常规监视仪表、操作控制屏柜、模拟屏柜、中央信息系统、变送器及常规远动装置等设备，提高了变电站的安全与经济运行水平。变电站综合自动化系统全面取代或更新传统的变电站二次系统已成为当前主要的发展趋势之一。

2　变电站自动化系统的一般结构

    从上世纪八十年代到现在，变电站自动化系统的结构有了很大变化，总括来说，一般可以将变电站自动化系统的体系结构划分为集中式、分布集中式、分层（散）分布式三种[1]。各种结构形式的变电站自动化系统所实现的功能、适用的场合各有所不同，在进行系统开发时可根据具体要求选择合适的系统结构。

    2.1　集中式结构

    集中式结构是将变电站的全部信息（模拟量、开关量、脉冲量）输入到一套计算机系统中并由计算机系统进行集中采集、集中处理和集中监控的系统。该类系统实际上是在常规的继电保护及二次接线的基础上，增设RTU以实现“四遥”功能。

    2.2　分布集中式结构

    分布集中式按功能或间隔划分控制单元，每个控制单元负责实现一定的功能，或负责一个间隔设备的控制。分布集中式结构的各个单元集中在控制室组屏安装。各个控制单元之间采用串行总线进行控制，而控制单元与控制设备之间的二次接线仍然是采用一对一的方式。

    2.3　分层分布式结构
   
    分层分布式结构以电气一次回路设备或电气间隔设备为控制对象划分控制单元，各间隔层设备控制单元分散安装在开关柜上或其他一次设备附近，各个控制单元各自完成各自间隔层内的数据采集、监控、保护、远动等全面控制功能。

图1  分层分布式变电站

图3  控制系统结构

    监控PC采用Windows 2000 Server中文版作为操作系统。监控PC采用工业控制计算机，在监控PC的PCI插槽中安装一块5611通讯网卡，作为PC与DP总线的通信接口，构成2类DP主站。

    DP主站在系统中完成系统总体控制和通讯管理功能，使用自带的DP接口与DP总线连接。这个CPU本身集成了16点数字量输入和16点数字量输出，作为手动控制功能，我们在控制系统中设计了一个控制盘，可以在控制盘中采用按钮控制整个配电所，因此增加了一块16点数字量输入信号模块SM321，以提供足够的数字量输入点。

    DP从站采用SIEMENS的S7-200系列小型PLC中的CPU224，以节省系统成本。S7-200本身不带DP通讯口，因此每个子站需要插入一块专用的DP通讯模块EM277，才能构成DP从站。由于采用了分散控制的方式，每个从站只控制一条线路，因此集成的14点数字量输入和10点数字量输出已经足够，只需添加模拟量输入模块EM231，作为模拟量输入扩展。各电压、电流和有功、无功等电量参数采用广东雅达电子公司的YD系列变送器采集，由变送器转换为标准的0~20mA信号后通过EM231输入到CPU224中。

    S7-300和S7-200分别采用西门子公司的功能强大的STEP 7 5.3和STEP 7-Micro/WIN组态软件作为编程工具。

    3.3　上位机与监控组态软件

    上位监控PC负责完成现场设备的数据采集、监控、报警和对历史数据进行存贮、查询和显示、打印等功能。同时还需将现场设备数据转送到上级信息管理层的控制中心，并能接受控制中心操作员站指令，转发给下层设备，因此，监控PC还承担了下层设备层和上层信息网络之间的中继功能，以实现设备层和上层信息管理层的通讯。

    利用WinCC提供的组态和编程工具，本系统实现下列变电站自动化系统的常见功能。

    （1）利用图形编辑工具，建立了图形操作界面，实现了图形监视和操作功能。图形监视功能包括：所有监控数据的动态监视，所有断路器的分、合闸情况的动态显示，及线路与设备带电情况的动态跟踪。图形操作功能包括：各主设备的分、合闸操作，系统保护定值的动态修改。

    （2）利用变量记录编辑器对过程变量进行归档，并对归档数值进行转换处理，以图表和趋势曲线的方式在图形界面上显示。

    （3）利用报警编辑器建立了断路器变位报警和模拟量越限报警，实现SOE功能。

    （4）利用WinCC提供的API函数，编写C脚本程序中实现了双操作员登录验证，保证操作安全。

4 　结语

    分层分布式变电站自动化系统采用总线控制方式，控制单元可在间隔设备附近就近安装，大大减少了二次系统接线的数量和长度，提高了系统的可靠性。现场总线控制系统的网络结构与IEC61850建议的变电站自动化系统结构相符，非常适合于用作变电站系统的通信网络。PLC作为一种通用的智能电子设备，性能可靠，使用方便，易于编程，相信其在变电站自动化系统中的应用范围将会日益扩大。

    WinCC提供了丰富的图形操作功能、数据记录、报警记录功能，和报表系统，本身又是电力系统监控软件PowerCC的重要组成部分，作为SCADA/HMI软件，非常适合于变电站自动化系统。它与自动化系统和自动化网络系统的紧密结合，使用户可以轻松地实现由监控端到控制系统低层的无缝集成。

参考文献

    [1] 程跃森. 变电站综合自动化系统体系结构研究[J]. 河南电力, 2004, (l).

    [2] IEC 61850-1. Communication networks and systems in substations. Part 1: Introduction and Overview, 2001.

    [3] 崔坚, 李佳. 西门子工业网络通信指南(上册)[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

作者信息：

    李瑞荣，童巧新 （广州铁路职业技术学院, 广东  广州  510430）