智能建筑变电站综合自动化的分析和实施 作者：史旺旺/陈虹/刘敏华/沈金宝

摘要：基于现场总线的变电站综合自动化技术已经成熟，但在智能建筑中并不多见，介绍了利用lonworks技术实现高层建筑的设备综合自动化，使测量、控制、显示、保护等各种功能实现一体化，使各种实时数据共享，为智能建筑管、控一体化打下基础。关键词：综合自动化；lonworks；软件设计在智能建筑中，设备自动化是实现楼宇高效、功能全、舒适的基本保证。而设备自动化最重要的部分之一就是变电站的自动控制。目前基于现场总线的变电站综合自动化技术已经成熟，考虑到使用lonworks 总线的诸多优点，可广泛应用于其他设备自动化系统连接，构成整个智能建筑的设备自动化、通信自动化和办公自动化的现场底层，使实时数据共享，提高设备使用效率，降低运行成本［1-3］。1自动化系统的基本功能一个典型的智能建筑变电站自动化系统，通常由测量、控制、显示、保护等部分组成。由于单一的用电性质及特殊的地理环境，造成了供电半径小，负荷性质单一，负荷变化率大。一般情况下采用10kv供电，出线为三相四线制（400v）。供电可靠性要求较高，并且考虑到将变电站自动化系统归纳到设备自动化中，由统一的网络管理中心进行监控，变电站为无人值班，因此实行自动化系统时安全放在第一位。有条件的话还要采用冗余技术。按照国际流行惯例，变电站自动化系统需完成63种功能，智能建筑变电站自动化系统结合自己的特点，可将其归纳为5个功能组。1.1保护保护包括进线保护、配电线路保护、变压器保护、小电流接地监测、备用电源自动投入、电容器保护等。保护相对独立，其功能不依赖通信网络或其他设备。1.2计量与监测采集各进出线及变压器的电流、电压、有功、无功功率、功率因数以及各断路器、隔离开关接地信号、开关的状态值。在主接线图通过变色显示，使运行人员掌握一次系统的运行状态。同时测量由电能表输出的脉冲量，计算出有功、无功电量。1.3控制功能控制功能可就地也可远方实现。无论何处发送操作命令，只有在返送校验无误后方可在防误逻辑闭锁系统监视下执行。一般情况下，根据命令和断路器、隔离开关的闭合、开启条件实现电容器组的自动投切、备用电源的自动投入与变压器的有载调压。1.4报警打印对各种需要记录的参数构成的值班记录，实时数据组成的曲线、事件顺序记录、保护动作，均可进行定时打印或召唤打印。对采集到越限的各种参数进行声光报警，并进入相应的处理程序。1.5通信通过局域网将变电站与网络中心或城市的电管（调度）部门相连，实现变电站的四遥（遥测、遥控、遥信、遥调）。2智能建筑变电站自动化系统设计智能建筑变电站综合自动化已经开始应用智能开关、光电互感器和数字化控制回路，并且将小型化后的保护、监控装置完整地安装在开关柜上。因此物理结构是由智能开关、控制机构和数字化测量仪表构成的开关柜为主的一次设备和带有神经元芯片和微处理器的lonworks网络构成的保护、控制装置组成的二次设备组成。在逻辑结构上分为3个层次，根据iec6185a通信协议草案定义为“过程层”、“间隔层”和“站控层”。这样可以使得系统结构的独立性增强，不同设备的相互影响减小。在功能上站控层实现通信连接作用，完成汇接全变电站的实时信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库，并根据有关规定将一些关键数据送当地调度中心。也可将有关控制信号和命令通过间隔层送往过程层，对变电站内的一次设备运行进行遥控或遥调。在站控层内的工程师工作站和操作员工作站组成的后台完成显示、操作、报警打印等，并具备对间隔层、过程层诸设备的维护、组态、参数修改的在线功能。间隔层设备主要功能是汇总本间隔层的实时信息，对采集到的电流、电压等信号进行处理、统计、运算及按设定好的方案进行控制，同时做到在间隔层的操作如何实现闭锁和防误动。必要时利用网络接口的全双工方式提高信息通道的冗余度，保证通信畅通无阻。过程层是一次设备和二次设备的结合面，主要为光电互感器、智能开关和操作控制的执行与驱动。具体结构见图1。 这是一种分布式面向对象的变电站自动化系统，它将大部分原来在控制室完成的电流、电压、频率等模拟量信号的测量，各类断路器、隔离开关的闭合控制，变压器、线路保护和电能计量均下放至一次设备现场，并采用lonworks现场总线技术。这样不仅减少许多控制和信号电缆，还使得控制室面积大大减小，电缆的一次性投资减少，从而降低整套设备成本。间隔层使用了单元控制器方式，每个单元控制器均安装在开关柜中，对一次设备中的互感器采用光电式互感器，此类互感器的工作特点在小电流时由铁心电流互感器测量，大电流时由rogowski线圈测量，保证了测量回路和保护回路电流信号的准确性。因此单元控制器将测量和保护合二为一，完成一条线路的测量、保护和控制，这样使得间隔层的每个开关柜中的单元控制器集保护、控制、测量和通信为一体，万一某一单元出现故障时，不会影响到其他间隔层单元。单元的控制器防潮、抗震性能要良好，保证在分、合闸时不会出现故障。单元控制器是以lonworks神经元芯片和80c196cpu芯片为主的集成电路组成的，是基于neuron芯片宿主型结构（见图2），分成数据采集处理和控制计算现场通信2个部分。单元控制器只是lonworks测控网上的一个节点，在数据采集处理部分有光电继电器组、滤波、隔离放大、模/数转换和通道选择控制电路以及80c196cpu芯片。为了保证保护能正确、有效、及时地动作，将互感器二次侧和电阻分压器的模拟信号通过通道选择控制电路，控制光隔离继电器选择要测量的输入通道。滤波电路用于滤除模拟输入信号中的高频干扰，使neuron 芯片电路与外部模拟输入信号不共地。模拟转换电路实现12位a/d转换，将对应通道的模拟信号送至neuron 芯片中的相应的应用处理器与保护用80c196cpu 中。 采集的数据为母线电压，进线线路有功、无功功率、馈线电流，变压器一、二次侧三相电流、电压以及有功、无功功率、主变温度等。另外还有断路器及有关刀闸的启闭状态、保护动作信号和电能表输出的脉冲信号。数据计算及控制主要是对重要参数超越限监视与处理和数据统计。这里将监控与保护采用双cpu技术，做到合理分配任务，防止系统满负荷工作，特别是有利于提高系统处理问题的速度和能力，同时也保证了系统的安全性。通信完全是利用lonworks 技术。神经元芯片中的mac处理器和网络处理器包含了lonworks bus的通信协议（lontalk）全部7层，概括起来lonworks协议具有高可靠性、支持多种传输媒体、响应时间快、安全、生产成本低、互用性强等特点。在mac 处理器中包括了驱动通信系统硬件和执行mac 算法。在网络处理器中实现了lontalk协议的3~6层，包括处理网络变量、寻址、事务处理、权限证实、软件计时、网络管理和路由等。通过控制网络通信口，发送和接受数据包，实现在lonbus 网上的数据流动。除此而外lonworks 总线有时钟模块和网络变量显示模块。前者为自动化系统提供同步时钟，各个智能节点的运行时间的运算都以时钟节点提供的时间为依据，实现全站设备对时，对时精度可达毫秒级。后者为现场即在开关柜上提供了观测“窗口”，及时反应保护动作后的情况。3智能建筑变电站自动化系统软件在智能建筑变电站综合自动化中想要使其与建筑物其他设备自动化优化集成得以顺利实现，软件设计是一个十分关键的部分。要积极寻求开放性及标准化的自动化系统软件，它应为面向对象的体系结构，将数据表示和对数据的操作封装在对象中，对象之间通过彼此的接口调用发生相互作用，系统通过对象的相互作用完成系统功能。因此在软件设计中考虑到组态软件的优点，将智能建筑变电站综合自动化软件组成分为图形界面、实时数据库、第三方程序接口和控制功能组件。这样就可完成报警、系统主结线的动态页面生成、报表组态、打印、历史数据查询与趋势图显示等。实时数据库将被长期存储，特别是事故记录，保证今后对事故原因进行正确的分析，起到黑匣子作用。由于智能建筑变电站综合自动化只是建筑物电气设备自动化的一部分，因此通信及第三方程序接口组件必须对其他自动化子系统开放，实现与第三方程序交互，做到智能建筑物业管理中心或市电力调度所对其进行远程数据访问。系统软件功能应具有实时多任务功能，采用iec1131-3的规范编程语言，通信协议采用tcp/ip标准协议，建立的实时数据库是进行历史数据的存储与检索，报警处理与存储，数据运算处理，数据库冗余控制和i/o数据连接，其软件基本结构见图3。 实时数据库的设计过程是先确定需求，用er模型建立数据之间的数学模型。针对不同类型的数据，如模拟量、开关量、计算量等设计它们各自的数据结构。其结构为机器世界的结构数据模型，便于机器实现。实时数据库的存储结构力求简单，在实时数据库中的每一项一般都对应一个点标识符（id）。各点以id号顺序排列，根据id号可以直接确定点的位置，加速点的查找。实时数据库既是面向事件的，又是面向时间的，面向时间因其特殊性应专门设置一任务定时更新数据，面向事件则可分成为一点全记录写，一点全记录读，模拟量点值和状态读，开关量点值和状态读，修改某点某些项内容等。智能建筑变电站综合自动化软件是通过i/o驱动程序从现场i/o设备获得实时数据，其方法是在计算机内插入一块智能光电隔离网络控制卡，对变电站内安装的所有节点登录，记录各种节点的编号，所属子网号，节点类型。在网络运行时，也可对节点的状态进行诊断，同时将现场智能节点来的信息变换为规范的数据表示格式，以提高及时显示更新实时数据的速度。该卡与计算机之间采用dma通信方式。在初始化时完成对lonworks智能网络控制卡的驱动，使用neuron c提供的库函数发送对智能网络控制卡的“握手”信息。然后从监控网络上各个节点获取实时信息，并经过必要的加工，一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上，另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给i/o设备，对现场开关断路器等实施监控或修改保护定值。站控层客户机和服务器之间采用tcp/ip协议通信，以浏览器, 服务器形式完成的监测和控制功能，将程序、数据库以及其他程序集中在服务器上，客户端只需配置操作系统和浏览器即可实现对服务器的访问。采用activex控件将现场对象的工作状态和实时数据与www结合起来tcp/ip通信在实现时考虑实现的效率，采用了较低层次的异步winsock即mfc中的casyncsocket实现，再用activex控件封装以支持浏览器操作。在客户端，客户首先发出连接请求，在连接确认后即可接收和发送数据，连接、发送、接收在服务器端，服务器的cmyserversocket不断侦听连接请求，侦听到连接请求，创建一个新的cnewsocket用于发送和接收数据。关系数据库中存放着系统中按一定组织结构存放的各种信息，关系数据库采用sql server 2000。实时性要求不高的历史数据的访问，采用ado（activex）+asp（activex server page）方式。asp是一种动态设计站点的web技术，它提供了一个可以集成scripts语言到html主页的环境，利用它可以执行动态的、交互式、高效率的web服务器应用程序。在asp中采用ado对数据库访问，通过建立对象把访问数据库的细节高度抽象，充分利用了ado的快速、简便和低内存开销的优点。而对数据显示和画面更新的实时性要求高的数据通信，采用上述casyncsocket直接进行通信。4结语智能建筑变电站的综合自动化只是高层建筑电气设备自动控制系统中的一部分，要能够很好地将这些设备实现智能控制，首要条件是解决如何利用网络或异构网络实现各个设备自动控制子系统的集成，使各种信息和实时数据都能够在网络中流动。而lonworks总线起到了沟通电气设备监控实时数据与管理信息的桥梁作用。因此探讨基于现场网络体系结构，深入研究其通信与控制方法，可以收到事半功倍的效果。特别是在实现了智能建筑各电气设备的自动化和高层建筑物业管理计算机化后，才能为真正实现智能建筑“智能”的功能奠定了基础。参考文献：［1］杨育红.lon网络控制技术及应用［m］.西安：西安电子科技大学出版社，1994.［2］赵谷泉.变电站综合自动化的结构模式及通信总线选择［i］.电力自动化设备，1999，19（5）：55-56［3］白树忠.变电站综合自动化实时数据库管理系统的研究与开发［i］.电力系统及其自动化学报，2002，14（3）：43-46.来源：《电力自动化设备》