礦區(qū)變電站“三遙”RTU的研制

張冬梅（青島建筑工程學(xué)院） 孟祥忠 曹 娜（山東礦業(yè)學(xué)院濟南分院）

摘 要：根據(jù)煤礦生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展，提出了礦區(qū)變電站遙測、遙信、遙控，即“三遙”RTU系統(tǒng)的設(shè)計思想，并將其付諸實踐，可有效地節(jié)能降耗，提高礦山電網(wǎng)的安全運行水平，縮短故障時間，減小故障范圍。

關(guān)鍵詞：變電站；遠動；微機監(jiān)控；三遙

一、概述

變電站是電力系統(tǒng)的一個重要組成部分，它的安全可靠運行是電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的根本保證。當前變電站正以分項自動化向著綜合自動化方向發(fā)展，綜合自動化的近期目標是把變電站的保護、測量、監(jiān)控、遠動等融為一體，取得數(shù)據(jù)共享，資源共享，大幅度提高自動化的功效。

對于電力系統(tǒng)，為了進行現(xiàn)代化管理，往往實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化，雖然省、地、縣各級調(diào)度有不同的職能和責(zé)任，但其組成基本相同，一般是由主站和遠動終端（RTU）組成。遠動終端就是電網(wǎng)監(jiān)視和控制系統(tǒng)中安裝在發(fā)電廠或變電站的一種遠動裝置，它負責(zé)采集所在發(fā)電廠或變電站電力運行狀態(tài)的模擬量和狀態(tài)量，監(jiān)視并向調(diào)度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調(diào)度中心發(fā)往所在發(fā)電廠或變電站的控制和調(diào)度命令。然而，隨著煤礦現(xiàn)代化管理的飛速發(fā)展，實施煤礦安全生產(chǎn)微機監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)已是大勢所趨，該系統(tǒng)通過設(shè)置在礦調(diào)度室的主計算機能實時地監(jiān)視煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境安全參數(shù)和全礦重要機電設(shè)備的工況，從而對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行控制和調(diào)節(jié)，使生產(chǎn)的指揮管理和控制融為一體，成為礦井生產(chǎn)的中樞。

由于礦調(diào)度室遠離生產(chǎn)現(xiàn)場，因此，礦井上下需要設(shè)置多個遠動分站。毋庸置疑，煤礦變電站是企業(yè)生產(chǎn)的核心和動力源泉，它關(guān)系著安全生產(chǎn)和人體安危。變電站的安全管理也是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)。通常變電站與煤礦生產(chǎn)調(diào)度中心往往相距較遠，必須采用遠動技術(shù)，在變電站設(shè)置遠動終端即RTU，與調(diào)度中心計算機通過信道相連接，RTU與調(diào)度中心之間通過遠距離信息傳輸完成RTU的遠方監(jiān)控功能。RTU與主站配合可以實現(xiàn)三遙功能，即：遙測、遙信、遙控。

二、“三遙”功能的實現(xiàn)

1、遙測

即遠程測量，它是將采集到的被監(jiān)控變電站的主要參數(shù)及時編碼成遙測信息，按通信規(guī)約傳送給調(diào)度室。遙測量是指變電站的變壓器、母線、饋電線路的電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及變壓器油溫等模擬量的采集與處理。模擬遙測量編碼過程如圖1所示。

圖1　遙測量編碼過程原理圖

2、遙信

即遠程信號，它是將采集到的被監(jiān)控變電站的設(shè)備狀態(tài)信號，按規(guī)約傳送給調(diào)度中心。這些設(shè)備狀態(tài)可能是斷路器、隔離開關(guān)的位置狀態(tài)，繼電保護與自動裝置的動作狀態(tài)，漏電保護裝置的運行狀態(tài)，模擬操作中模擬開關(guān)器件位置等。這些位置狀態(tài)，動作狀態(tài)和運行狀態(tài)都只取兩種狀態(tài)值。如開關(guān)位置只取“合”或“分”；設(shè)備狀態(tài)只取“運行”或“停止”。因此，可用一位二進制數(shù)即碼字中的一個碼元就可以傳遞一個遙信對象的狀態(tài)。

遙信信息采集的輸入電路如圖2所示。

圖2　遙信信息采集的輸入電路

3、遙控

即遠程命令。它是從調(diào)度中心發(fā)出改變運行設(shè)備狀況的命令。這種命令包括操作變電站各級電壓回路的斷路器、投切補償電容器和電抗器，因此，這種命令只取兩種狀態(tài)命令，如斷路器的“合”或“分”命令。一臺RTU可以實現(xiàn)對幾十個設(shè)備的遠方操作。

遙測和遙信是變電站向調(diào)度室傳送信息，遙控則是調(diào)度室向變電站端下達的操作命令，直接干預(yù)供電系統(tǒng)的運行。所以，遙控要求有很高的可靠性。在遙控過程中，通常采用“返送校核”的方法，實現(xiàn)遙控命令的傳送。在遙控過程中，調(diào)度室發(fā)往變電站RTU的命令有三種，即遙控選擇命令、遙控執(zhí)行命令和遙控撤消命令。遙控選擇命令包括兩個部分：一是選擇的對象，用對象碼指定對哪一個對象進行操作；另一個是遙控操作的性質(zhì)，用操作性質(zhì)碼指示是合閘還是分閘。遙控執(zhí)行命令指示RTU按接收到的選擇命令，執(zhí)行指定的開關(guān)操作。遙控撤消命令指示RTU撤消已下達的選擇命令。

RTU端返校內(nèi)容：①校核遙控選擇命令的正確性，即檢查性質(zhì)碼是否正確，檢查遙控對象號是否屬于本站；②檢查RTU遙控輸出對象繼電器和性質(zhì)繼電器是否能正確動作。遙控信息的傳送過程如圖3所示。

圖3　遙控信息的傳送過程

三、RTU系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計

1、系統(tǒng)指標

根據(jù)煤礦35kV或110 kV變電站的容量及供配電線路路數(shù)的設(shè)計，RTU的三遙達到如下指標即能滿足基本配置要求。

（1）遙測量：模擬量64路，電能脈沖量32路；

（2）遙信量128路；

（3）遙控量16路。

2、RTU系統(tǒng)的硬件組成

一般地，RTU除具有上述“三遙”遠動功能外，對于有人值班的變電站，RTU還具有當?shù)毓δ?。RTU的當?shù)毓δ苁侵窻TU通過自身或連接的顯示、記錄設(shè)備，就地實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能。所以在變電站就要設(shè)置一臺計算機與RTU相連接?？梢燥@示所在變電站的電氣主接線圖，實時顯示電氣設(shè)備運行狀態(tài)，斷路器的位置狀態(tài)等重要遙信量；也可以在線顯示變電站的實時運行參數(shù)，以及顯示事故變位遙信和越限報警遙測信息。計算機將數(shù)據(jù)信息打印記錄，存檔以備查索，完成定時制表打印、召喚打印、事件記錄打印，繪制打印負荷曲線及柱狀統(tǒng)計圖等。同時，RTU還配有人機對話單元，即功能鍵盤和LED顯示器。通過操作功能鍵，在顯示器上顯示有關(guān)信息，以實現(xiàn)巡測、定測、選測、顯時等功能。一個完整的變電站RTU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4　RTU系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理

系統(tǒng)中采用了多CPU串行總線結(jié)構(gòu)，各功能板均有其獨立的CPU協(xié)同工作，通信板負責(zé)管理各功能板及調(diào)度中心的通信，同時也肩負與當?shù)赜嬎銠C通信的任務(wù)。由于系統(tǒng)采用先進的開放式結(jié)構(gòu)，原理上系統(tǒng)容量不受限制，可任意擴展。

3、軟件設(shè)計思想

（1）RTU軟件

RTU的CPU選用8031或80196單片微機，因此，這部分軟件可以采用最常用的匯編語言或C語言編寫程序，以實現(xiàn)遠動調(diào)度及SCADA功能（微機采集與監(jiān)控）。

（2）就地計算機軟件

這部分軟件采用WINDOWS 95作為平臺的VB           5.0進行設(shè)計，它是以面向?qū)ο筮M行程序設(shè)計的，一改過去面向過程設(shè)計的復(fù)雜性。其界面友好，圖形顯示直觀、報表靈活，易于實現(xiàn)多媒體監(jiān)控功能，易于用戶掌握，便于用戶操作。

四、設(shè)計中的幾個要點

1、變送器的選擇

在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，電量變送器是將一種電量變換為另一種供測量用的電量的儀器，它在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中屬首要環(huán)節(jié)，起著十分重要的作用，它的精度直接影響著RTU的系統(tǒng)誤差。

目前，在變電站中，從輸入方式看，國內(nèi)外監(jiān)控系統(tǒng)一般都采用傳統(tǒng)的模擬變送器輸入，即將各種交流電量經(jīng)過降壓、整流、濾波、非線性校準等各種電子電路變?yōu)橄鄳?yīng)大小的直流電量，如輸出DC           1～5 V,4～20           mA。如果輸入幾百個電量，就要配備各種相應(yīng)的變送器幾百個，需要組成很多變送器屏，投資大，占空面積大，精度也相對較低。

同時，由于常規(guī)電量變送器以直流模擬信號輸出，其電路的濾波時間常數(shù)較大，動態(tài)響應(yīng)速度可長達幾百毫秒。但是隨著單片微機在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)外已研制出采用單片微機組成的微機變送器，為提高變送器的性能開辟了一條新的途徑。微機變送器在輸入端去掉了模擬變送器，只保留降壓、變流這部分模擬元件，其他功能均由單片機直接采集交流輸入量，通過一定的算法，算出各輸入變流電量的有效值。由于一臺微機變送器可代替多臺常規(guī)變送器，從而大大降低了監(jiān)控系統(tǒng)所占的成本。

另外，由于計算機計算更精確，因而，還提高了測量精度。根據(jù)RTU處理信號任務(wù)、速度的要求，也可設(shè)計多CPU的RTU。

2、遙信輸入的形式

（1）采用定時掃查方式的遙信輸入；

（2）采用中斷方式的遙信輸入；

（3）采用中斷觸發(fā)掃查方式的遙信輸入。

3、電能量信息的采集

電能量信息主要來自兩個方面：一是脈沖電度表，另一是電能變送器。不論采用哪種方式，都是將電能量轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)脈沖數(shù)。即累計的脈沖個數(shù)與電能量成正比，脈沖計數(shù)芯片主要采用8253可編程定時器／計數(shù)器，因此，電能量信息的采集電路就是對脈沖電能表或電能變送器輸出脈沖的計數(shù)電路。可以采用兩種方式：

（1） 檢測電能脈沖跳變采集電能量；          　　（2）掃描電能脈沖電平采集電能量。

如果變電站中還具有有載調(diào)壓變壓器，也可以設(shè)置遙調(diào)功能，但一般煤礦不具備此條件。

五、結(jié)語

綜上所述，一個現(xiàn)代化煤礦，為了實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度綜合自動化，在現(xiàn)代化變電站中設(shè)計遠動終端RTU，從而對變電站實行“三遙”管理，對煤礦的供電系統(tǒng)實現(xiàn)SCADA功能是十分必要的。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，像電力系統(tǒng)那樣，建立無人值班的企業(yè)變電站已是大勢所趨，本系統(tǒng)就可以起到減員增效、降低煤炭生產(chǎn)成本，減少人員參與，使變電站更加安全、經(jīng)濟、可靠地運行。那么，“三遙”RTU的設(shè)計，在現(xiàn)代變電站中就具有更重要的意義。