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(jì)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(cè)、遙信、遙控，即“三遙”RTU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，并將其付諸實(shí)踐，可有效地節(jié)能降耗，提高礦山電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平，縮短故障時(shí)間，減小故障范圍。

關(guān)鍵詞：變電站；遠(yuǎn)動(dòng)；微機(jī)監(jiān)控；三遙

一、概述

變電站是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它的安全可靠運(yùn)行是電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的根本保證。當(dāng)前變電站正以分項(xiàng)自動(dòng)化向著綜合自動(dòng)化方向發(fā)展，綜合自動(dòng)化的近期目標(biāo)是把變電站的保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)等融為一體，取得數(shù)據(jù)共享，資源共享，大幅度提高自動(dòng)化的功效。

對(duì)于電力系統(tǒng)，為了進(jìn)行現(xiàn)代化管理，往往實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化，雖然省、地、縣各級(jí)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(yuǎn)動(dòng)終端（RTU）組成。遠(yuǎn)動(dòng)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(yuǎn)動(dòng)裝置，它負(fù)責(zé)采集所在發(fā)電廠或變電站電力運(yùn)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(shí)施煤礦安全生產(chǎn)微機(jī)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)已是大勢(shì)所趨，該系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置在礦調(diào)度室的主計(jì)算機(jī)能實(shí)時(shí)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(jī)電設(shè)備的工況，從而對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)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(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，因此，礦井上下需要設(shè)置多個(gè)遠(yuǎn)動(dòng)分站。毋庸置疑，煤礦變電站是企業(yè)生產(chǎn)的核心和動(dòng)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(gè)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(yuǎn)，必須采用遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)，在變電站設(shè)置遠(yuǎn)動(dòng)終端即RTU，與調(diào)度中心計(jì)算機(jī)通過(guò)信道相連接，RTU與調(diào)度中心之間通過(guò)遠(yuǎn)距離信息傳輸完成RTU的遠(yuǎn)方監(jiān)控功能。RTU與主站配合可以實(shí)現(xiàn)三遙功能，即：遙測(cè)、遙信、遙控。

二、“三遙”功能的實(shí)現(xiàn)

1、遙測(cè)

即遠(yuǎn)程測(cè)量，它是將采集到的被監(jiān)控變電站的主要參數(shù)及時(shí)編碼成遙測(cè)信息，按通信規(guī)約傳送給調(diào)度室。遙測(cè)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(wú)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(cè)量編碼過(guò)程如圖1所示。

圖1　遙測(cè)量編碼過(guò)程原理圖

2、遙信

即遠(yuǎn)程信號(hào)，它是將采集到的被監(jiān)控變電站的設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，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(hù)與自動(dòng)裝置的動(dòng)作狀態(tài)，漏電保護(hù)裝置的運(yùn)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(dòng)作狀態(tài)和運(yùn)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(yùn)行”或“停止”。因此，可用一位二進(jìn)制數(shù)即碼字中的一個(gè)碼元就可以傳遞一個(gè)遙信對(duì)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(yuǎn)程命令。它是從調(diào)度中心發(fā)出改變運(yùn)行設(shè)備狀況的命令。這種命令包括操作變電站各級(jí)電壓回路的斷路器、投切補(bǔ)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(tái)RTU可以實(shí)現(xiàn)對(duì)幾十個(gè)設(shè)備的遠(yuǎn)方操作。

遙測(cè)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(dá)的操作命令，直接干預(yù)供電系統(tǒng)的運(yùn)行。所以，遙控要求有很高的可靠性。在遙控過(guò)程中，通常采用“返送校核”的方法，實(shí)現(xiàn)遙控命令的傳送。在遙控過(guò)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(gè)部分：一是選擇的對(duì)象，用對(duì)象碼指定對(duì)哪一個(gè)對(duì)象進(jìn)行操作；另一個(gè)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(dá)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(duì)象號(hào)是否屬于本站；②檢查RTU遙控輸出對(duì)象繼電器和性質(zhì)繼電器是否能正確動(dòng)作。遙控信息的傳送過(guò)程如圖3所示。

圖3　遙控信息的傳送過(guò)程

三、RTU系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)指標(biāo)

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(jì)，RTU的三遙達(dá)到如下指標(biāo)即能滿足基本配置要求。

（1）遙測(cè)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(yuǎn)動(dòng)功能外，對(duì)于有人值班的變電站，RTU還具有當(dāng)?shù)毓δ?。RTU的當(dāng)?shù)毓δ苁侵窻TU通過(guò)自身或連接的顯示、記錄設(shè)備，就地實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)計(jì)算機(jī)與RTU相連接?？梢燥@示所在變電站的電氣主接線圖，實(shí)時(shí)顯示電氣設(shè)備運(yùn)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(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，以及顯示事故變位遙信和越限報(bào)警遙測(cè)信息。計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)信息打印記錄，存檔以備查索，完成定時(shí)制表打印、召喚打印、事件記錄打印，繪制打印負(fù)荷曲線及柱狀統(tǒng)計(jì)圖等。同時(shí)，RTU還配有人機(jī)對(duì)話單元，即功能鍵盤和LED顯示器。通過(guò)操作功能鍵，在顯示器上顯示有關(guān)信息，以實(shí)現(xiàn)巡測(cè)、定測(cè)、選測(cè)、顯時(shí)等功能。一個(gè)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(dú)立的CPU協(xié)同工作，通信板負(fù)責(zé)管理各功能板及調(diào)度中心的通信，同時(shí)也肩負(fù)與當(dāng)?shù)赜?jì)算機(jī)通信的任務(wù)。由于系統(tǒng)采用先進(jìn)的開放式結(jié)構(gòu)，原理上系統(tǒng)容量不受限制，可任意擴(kuò)展。

3、軟件設(shè)計(jì)思想

（1）RTU軟件

RTU的CPU選用8031或80196單片微機(jī)，因此，這部分軟件可以采用最常用的匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編寫程序，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度及SCADA功能（微機(jī)采集與監(jiān)控）。

（2）就地計(jì)算機(jī)軟件

這部分軟件采用WINDOWS 95作為平臺(tái)的VB           5.0進(jìn)行設(shè)計(jì)，它是以面向?qū)ο筮M(jìn)行程序設(shè)計(jì)的，一改過(guò)去面向過(guò)程設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。其界面友好，圖形顯示直觀、報(bào)表靈活，易于實(shí)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(jì)中的幾個(gè)要點(diǎn)

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(cè)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(guó)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(guò)降壓、整流、濾波、非線性校準(zhǔn)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(gè)電量，就要配備各種相應(yīng)的變送器幾百個(gè)，需要組成很多變送器屏，投資大，占空面積大，精度也相對(duì)較低。

同時(shí)，由于常規(guī)電量變送器以直流模擬信號(hào)輸出，其電路的濾波時(shí)間常數(shù)較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度可長(zhǎng)達(dá)幾百毫秒。但是隨著單片微機(jī)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外已研制出采用單片微機(jī)組成的微機(jī)變送器，為提高變送器的性能開辟了一條新的途徑。微機(jī)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(jī)直接采集交流輸入量，通過(guò)一定的算法，算出各輸入變流電量的有效值。由于一臺(tái)微機(jī)變送器可代替多臺(tái)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(jì)算機(jī)計(jì)算更精確，因而，還提高了測(cè)量精度。根據(jù)RTU處理信號(hào)任務(wù)、速度的要求，也可設(shè)計(jì)多CPU的RTU。

2、遙信輸入的形式

（1）采用定時(shí)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(lái)自兩個(gè)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(duì)應(yīng)脈沖數(shù)。即累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)與電能量成正比，脈沖計(jì)數(shù)芯片主要采用8253可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，因此，電能量信息的采集電路就是對(duì)脈沖電能表或電能變送器輸出脈沖的計(jì)數(shù)電路?？梢圆捎脙煞N方式：

（1） 檢測(cè)電能脈沖跳變采集電能量；          　?。?）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(yǔ)

綜上所述，一個(gè)現(xiàn)代化煤礦，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度綜合自動(dòng)化，在現(xiàn)代化變電站中設(shè)計(jì)遠(yuǎn)動(dòng)終端RTU，從而對(duì)變電站實(shí)行“三遙”管理，對(duì)煤礦的供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)SCADA功能是十分必要的。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，像電力系統(tǒng)那樣，建立無(wú)人值班的企業(yè)變電站已是大勢(shì)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(jì)、可靠地運(yùn)行。那么，“三遙”RTU的設(shè)計(jì)，在現(xiàn)代變電站中就具有更重要的意義。