采用现场总线和PLC构建的变电站自动化系统

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

分层分布式系统的一般结构如图1所示。按IEC61850-1的建议，分布式变电站自动化系统分为三层，分别是过程层(设备层)、间隔层、变电站层[2]。间隔层所有控制单元相互间通过工业控制网络相连，这类工控网络可以是CAN、LonWorks、PROFIBUS等现场总线网络，或者是采用工业以太网，通信介质可以是双绞线或光纤。变电站层设备的通信采用以太网和TCP/IP实现。变电站层与间隔层之间采用网关或通信控制器实现。

这种结构充分利用了现场总线的技术优势，省去了大量二次接线，控制设备之间仅通过双绞线或光纤连接，设计规范，设备布置整齐，调整扩建也很简单，成本降低，运行维护方便;系统装置及网络鲁棒性强，大量重要的保护动作基本上在二次设备中完成，不依赖通信网和主机，主机或其中一个控制单元损坏并不影响其它设备的正常工作，这样系统运行可靠性有了保证。对于较大的系统，一般在间隔层采用现场总线光纤环网，以增强系统的可靠性和冗余能力。

3　采用现场总线和PLC构建的变电站自动化系统

3.1　系统概述

构建的变电站自动化系统实现的是对一个配电所的控制。在配电所控制室配置一台PC负责对所有设备进行监控和控制，完成后的系统运行主画面见图2。该系统有2路10kV进线，每路进线向独立的一段母线供电，每段母线设2回馈出线和一组补偿电容器。平时2段母线独立运行，当其中一段母线发生故障时，母线联络开关(母联)闭合，由一条进线向2段母线供电，实现了互为暗备用控制。

图2 变电站自动化系统主运行画面

3.2　系统硬件方案

控制系统的硬件结构如图3所示，系统间隔层网络采用Profibus-DP现场总线[3]。系统由一台监控PC、一个S7-300系列PLC 313C-2DP组成的1类DP主站，和7个S7-200系列PLC S7-224构成的DP从站组成。每个DP从站负责控制一路进线型或馈线，实现分散控制。所有的主站和从站都挂接在一条DP总线上。

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