[摘 要] CBZ-8000变电站综合自动化系统主干网络结构采用光纤自愈环型以太网，在间隔层采用了军工型32位浮点型DSP数据处理器及高精度、免调试的16位AD技术。间隔层设备统一软件平台，统一硬件平台，统一数据库管理。引进了实时多任务Nucleus Plus
操作系统。

[关键词]变电站 综合自动化 网络

    CBZ-8000变电站综合自动化系统是由许继电气股份有限公司在分析和借鉴了国内外10多家著名公司的成功经验，并引进北美变电站自动化的先进技术的基础上，开发的新一代变电站综合自动化系统，适用于高压、超高压等级变电站，满足35～500kV各种电压等级变电站自动化需要。
CBZ-8000变电站自动化系统包含了就地监控系统（SCADA）、远动通信接口、继电保护工程师站、一次设备状态检测及维护工作站、遥视系统、35～500kV各级电压等级的输配电系统成套保护与测控系统。在系统设计时充分考虑了电力系统信息化的要求，设计了MIS、远程及继电保护信息接口等各种信息化接口设备，提供变电站全面的信息服务支持。

1 系统设计理念
　　变电站综合自动化系统要求站内设备的信息可充分共享，并通过远动通信接口实现与外部系统的信息共享，构建一个快捷、稳定、可靠和富有弹性的通信网络是变电站综合自动化系统的基本要求，也是整个电力系统运行管理自动化的根本前提。CBZ-8000变电站自动化系统是一个开放的系统，站内局域网通信完全采用国际IEC60870-5-103和IEC60870-5-104通信协议，保证各设备之间的无缝连接。站内通信主要采用光纤自愈环型以态网，以及与其他智能设备的接口构成。间隔层采用了军工型32位浮点型DSP数据处理器及高精度、免调试的16位AD技术，间隔层设备统一软件平台，统一硬件平台，统一数据库管理，引进了实时多任务Nucleus Plus操作系统。

2 系统结构
　　CBZ-8000变电站自动化系统采用了分层分布式结构，纵向上分为站控层和间隔层（从整体上分为三层，既变电站层、通信层和间隔层），硬件主要由保护测控单元、通信控制单元及监控系统组成。CBZ-8000变电站自动化系统结构如图1所示。

图1 CBZ-8000变电站自动化系统结构图
　　站控层是变电站设备监视、测量、控制、管理的中心。站控层包括远动主站、工程师站、操作员站等。
　　远动主站完成变电站的“四遥”功能。使用不同的远动规约向调度系统传送数据。可以同时支持5个调度主站并行工作，每个通道具备的功能可以灵活配置。
　　工程师站按继电保护故障信息管理系统子站配置，除完成保护装置的定值管理、故障的分析和诊断功能以外，还向继电保护故障信息管理系统主站传送数据。
　　操作员站完成变电站的日常管理、维护和变电站的当地操作。
　　通信网络是站控层与间隔层数据传输通道通，可以按不同的电压等级和不同的客户需求，配置不同的网络结构。对于35kV及110kV变电站采用逻辑上的总线型网络，对于220kV及以上电压等级变电站采用光纤自愈环型以太网。在通信网络中取消了传统的通信管理机，站控层和间隔层共享通信网络，简化了网络结构，提高了数据传输的实时性，这种方案已经成为国际发展的趋势。
　　间隔层按照不同的电压等级、不同的电气间隔单元，不同的控制对象分散在各个保护小室中，或者是下放到高压设备现场，在站控层及网络层故障的情况下，间隔层仍能独立完成间隔层的监测和控制功能。间隔层设备包括保护装置、测控装置以及其他的智能设备。
　　对时分为硬脉冲对时和网络对时。硬脉冲对时主要对时毫秒级。 网络对时又分为组成专门的对时网络和通过远动主站对时两种。
　　另外在8000自动化系统里面，还集成了设备在线监测装置，以便早期发现故障，避免事故发生，增加设备的利用率，节约设备维护成本，在线监测装置还可以自己独立成系统。

3 后台监控系统
　　CBZ-8000后台监控系统根据其电压等级的不同分为35 /110kV、110 /220kV、500kV三类。
　　500kV CBZ-8000后台监控系统主要针对500kV大型超高压变电站设计，强调系统的可靠性和开放性，采用了北美先进成熟的SCADA平台。可以在Linux和Windows平台上运行。硬件平台可以选Intel/AMD的PC系统，Compaq/Alpha, HP工作站，IBMISC工作站，SUN工作站。
　　110/220kV CBZ-8000后台监控系统主要针对110～220kV中大型变电站设计，在保证可靠性的基础上，同时具有较高的性能价格比。基于Windows2000操作系统，采用面向对象的分层分布式设计思想，客户/服务器/Web服务器体系结构，具有多客户支持能力。直接通过以太网与间隔层的测量和保护设备进行通信。
　　35/110kV CBZ-8000后台监控系统主要针对35～110 kV中小型变电站设计，在保证可靠性的基础上，远动、监控、工程师站一体化，Windows2000操作平台。总线型以太网分布式系统结构，直接通过以太网与间隔层的测量和保护设备进行通信。
3.1功能
　　3.1.1数据采集与处理。实时采集模拟量、开关量、数字量、温度量、脉冲量以及各类保护信息。对实时数据进行统计、分析、计算，例如通过计算产生电压合格率、有功、无功、电流、总负荷、功率因数、电量日/月/年最大值/最小值及出现的时间、日期、负荷率、电能分时段累计值、数字输入状态量逻辑运算值等，设备正常/异常变位次数，统计计算支持丰富的表达式。
　　3.1.2报警处理。对设备故障、错误操作、保护事故告警等进行处理; 对画面、音响、语音报警、打印等通知运行人员进行检查，并进行历史存储。
　　报警处理分为事故报警和预告报警两钟方式。前者包括非操作引起的断路器跳闸和保护装置动作信号; 后者包括一般设备变位、状态异常信息、模拟量越限/复限、计算机站控系统的各个部件、间隔层单元的状态异常等。
　　3.1.3 SOE和事故追忆。重要的遥信变位、保护动作等信息上传SOE，保护事件发生时，系统自动启动相关的测量数据的记录，供系统将来进行事故追忆用。
　　3.1.4 控制功能。具备就地/主站/远方三级控制，带必要的安全检查和防误闭锁。完成对断路器、隔离开关的控制; 对主变压器分接头的调节; 保护功能连接片的投退; 信号复归以及设备的启停等控制功能。
　　3.1.5 用户管理功能。对不同用户可设置不同管理权限，以确保系统的安全性。
　　3.1.6 在线统计计算。对一些无法实测的量，提供逻辑、算术表达式由系统计算得到, 并可产生相关物理量的统计计算值，供系统产生各种运行报表。
　　3.1.7 画面显示和打印。提供功能强大、使用简洁的图形系统，可将系统信息以图形画面、曲线、趋势图、报表等多种形式表示，支持画面的漫游、缩放等操作，并支持各类图形页面的在线打印。
　　3.1.8 报表功能。系统提供功能强大、灵活自如的报表编辑工具。所见即所得，并可自动生成; 能够满足各类用户的需求，并提供典型报表模板，以方便用户使用; 支持定时和召唤打印两种方式，定时时间及打印输出报表可由用户任意设置。
　　3.1.9 支持SCADA实时信息发布的Web服务。通过Web服务使SCADA系统与MIS系统进行信息交互，且保证信息流是由SCADA到MIS单向通信，确保实时监控的安全性。
　　3.1.10 时钟同步。采用GPS卫星同步时钟保证全系统具有统一的标准时钟，并具备通过远动通信设备接收调度时钟保证全站时钟同步的能力。
　　3.1.11 防误闭锁功能（含操作票）。提供五防逻辑判别主站，对需要五防判别的断路器、隔离开关等控制量进行防误检查和闭锁，五防系统还具备操作票功能。
　　监控系统在站控层提供两种防误闭锁功能，一种是与专用微机防误系统配合完成全站的防误闭锁功能; 另一种是系统内嵌的软件防误闭锁功能。用户可通过友好的软件闭锁逻辑定义工具完成站控层闭锁逻辑的设计，两种功能可以配合使用，共同完成站控层的防误闭锁。
　　3.1.12 同期功能。监控主站或远方调度在对同期断路器进行合闸操作时，测控装置检查同期断路器两侧的电压、相位角和频率值，在检测到满足同期合闸条件且符合防误闭锁条件时，执行合闸命令，完成同期合闸 。
　　3.1.13系统的自诊断和自恢复。系统具备对硬件和软件的自诊断和自恢复功能，保证系统的整体安全性。
　　3.1.14维护功能。对系统数据库和保护定值、功能模块进行维护，并通过继电保护工程师站远程拨号服务提供远方诊断、维护功能。
　　3.1.15电压控制VQC。电压无功综合控制VQC是根据电压和功率因数（无功）越限情况，将控制策略化分为9个区域，每个区域依据不同的调节方式，采取相应的控制策略。适用于各种电压等级的变电站，可同时控制1～3台有载调压变压器的分接头和1～48组无功补偿电容器或电抗器的投切，在保证电压质量的前提下尽量减小供电网络的线路损耗。
　　3.1.16小电流接地选线。根据馈线保护装置上送的各条线路的零序基波分量的幅值和方向进行综合分析，确定单相接地线路，并可根据用户需要对接地线路进行试调选线以消除单相接地故障。
　　3.1.17事故追忆。可设置事故追忆点，并对事故前3min和事故后5min长达28点的数据进行存储，以图形和表格形式显示事故追忆的数据。
　　3.1.18 网络拓扑分析功能。主要实现网络动态拓扑着色，用不同颜色识别停电区域。在网络拓扑分析基础上完成事故反演功能。
　　3.1.19遥视系统。通过动态图像监视户外各设备的运行状态，安全状况等，并可通过专用通道将图像信息远传至调度或集控中心。
　　3.1.20 集控功能。可以作为枢纽变电站对低压无人值班站进行集中监视和完成遥控功能。
　　3.1.21专家系统。提供典型事故处理和操作员仿真培训功能。

4 继保工程师站
　　继电保护工程师站（简称继保工程师站）作为CBZ8000变电站自动化系统的主站之一，在系统中担负着继电保护处理、故障录波分析等功能，在电网的稳定运行及事故反措等方面发挥着极其重要的作用。功能上，继保工程师站相对独立于其他主站，所以在配置上它既可以作为CBZ8000系统的子系统，也可以单独使用。
4．1系统结构
CBZ-8000继保工程师站的结构如图2所示。

图2 CBZ-8000继电保护工程师站结构图
　　CBZ-8000继保工程师站采用“规约转换器”来完成规约转换，不同厂家的规约转换和通信接口方式的转换工作由“规约转换器”来完成。
　　继保工程师站内部采用光纤环网（主干网）和光纤以太网相结合的网络结构模式。在系统结构图中，“站内监控系统”是指除本系统以外的“变电站监控系统”，它一般由“操作员站”（１个或２个）、“远动站”（１个或２个）等监控后台组成。为简化起见，用“站内监控系统”表示。
　　在监控系统内部的主干网－光纤环网上，所有监控后台之间的通信规约采用IEC60870-5-104规约，“继保工程师站”与各继电保护装置间的通信规约采用IEC60870-5-103规约。许继800系列保护装置（采用RS485接口）采用的通信规约均为103规约，保护装置通过“规约转换器”转换为以太网（TCP/IP）后与“继保工程师站”相连接。
　　“继保工程师站”能够接入不同厂家和不同接口方式的继电保护装置。采用103规约、TCP/IP协议的继电保护装置可直接接入“继保工程师站”，其它厂家的非103规约或非TCP/IP协议的产品可通过“规约转换器”转换为103规约、TCP/IP协议后接入系统; 接入方式可采用RS232、RS485、RS422、以太网（TCP/IP）和Lonworks现场总线等方式。
　　继保工程师站与继电保护主站系统间的通信规约采用103规约，网络协议采用TCP/IP协议。即使是其它厂家的主站系统，只要采用103规约和TCP/IP协议，就可以方便实现子站和主站间的数据传送。
　　继保工程师站的继电保护主站系统间的通信可通过Modem拨号或广域网的方式进行。由于网络建设的阶段性，在前期，主要采用Modem拨号方式; 当广域网部分建成时，Modem拨号和广域网将并行运行一段时间，此时，其中一种通信方式作为另外一种通信方式的备份; 等到网络建设完善后，将主要采用广域网通信方式，只有当网络通信发生故障时，才会使用Modem拨号方式。
　　继保工程师站主要有监视和采集、操作、信息管理、界面显示、数据库管理、系统设置、小电流接地选线、信息安全保护、故障录波分析、与继保主站通信、与站内监控间的信息传送等功能。

5 远动主站
　　远动主站采用高性能工业控制计算机或者工作站，直接连接到以太网上，同间隔层的测控和保护设备直接通信，通过周期扫描和突发等方式采集数据，创建实时数据库作为数据处理的中枢，以满足调度主站对数据的实时性要求。软件的编程采用客户/服务模式，采用模块化设计完成逻辑上独立的功能，遵循开放系统要求，提供高级数据访问接口，用户可以实现定制扩展功能。在完成数据转发工作的同时，可以实现转发数据信息的监视、原始网络报文的监视、采用历史数据库保存事件记录和重要的控制操作、浏览测控设备及保护设备全部数据以及方便的调试手段等就地监控功能，服务器数据处理能力强大，操作方便，人机界面友好。服务器作为变电站自动化系统中的一个工作站，全部功能的实现具有独立性，可以作为变电站自动化系统中唯一的主站设备，完成变电站自动化系统中测控设备及保护设备的数据转发工作以及本章中描述的其他功能，适用于35～500kV电压等级的变电站自动化系统以及无人值班变电站中。

6 网络结构
6．1网络通信方案
　　整个系统采用面向对象的设计原则，由站控层和间隔层两层设备构成，站控层和间隔层共享以太网，取消了传统的通信单元。主干网络结构采用光纤自愈环型以太网，站控层与间隔层设备间直接采用以太网通讯，以星型方式接入主干网（单网、双网均可），实现了平衡高速无瓶颈数据传输。测控单元采用模块化的结构，可同时满足集中组屏式安装和全分散式安装的要求。对于其他具有以太网接口的间隔层设备可直接上网，否则通过网关接入系统。

图3CBZ-8000系列变电站自动化系统的网络通信方案
如图4所示，双环自愈的原理就是将所有的设备分布在信号流向相反的两个环上，平时只有主环在工作，次环处于备份状态; 当环上某处光纤断裂或某节点发生故障时，其相邻节点的主环、备环自动环回，这时，环网仍然是一个闭环，通信链路保持畅通。故障点链路恢复后，备环回到备份状态。这种自愈型环网极大地提高了光纤通信的可靠性。

图4 双环自愈式通信网络的描述
自愈的原理有以下特征:
　　（1）利用两根光纤与switch连成两个环。
　　（2）两个环上数据流向相反，正常运行时一个环上有数据，是主环，数据在主环上形成一个闭环流通，另一个环上没有数据（只有简单的链路测试数据），是备环。
　　（3）故障时离故障点最近的两个switch能够自动识别，实现自愈。
6．2 结构的特点
　　（1）网络的可靠性。光纤自愈环网在网络中任一点故障时，可快速切换通道，保证网络上设备的正常通信，其可靠性高于双总线网络，可满足110～500kV变电站自动化的要求，同时，由于光纤自愈环网的采用，避免了多级接入设备的级联，只要2～3级即可满足要求，进一步提高了网络的可靠性; 所有的环网接入设备全部针对工业环境设计，是普通的网络接入设备不可比拟的; 整个系统采用的星型和光纤自愈环网混合网络，避免了纯环型网络在节点过多时的缺点，且保存了星型以太网接口标准的优点。
　　（2）优越的网络监视能力。所有的环网接入设备可实时监视与之相连的网络通信状态以及直流电源供电情况，出现问题可通过输出触点及时反应，并能放应故障位置，极大地简化网络的维护。
　　（3）施工安装的方便性。由于主干网采用了光纤自愈环网结构，使得施工非常方便，特别是在控制室，将看不到专用的通信机架及上面的密密麻麻的光缆。系统扩容时，不会影响现存系统的正常运行。
　　（4）良好的灵活性和扩展性。由于整个系统采用的星型和光纤自愈环网混合网络，对所有的站控层及间隔层设备均采用星型网络连接，使得系统与其他设备的连接非常方便，所有的接口全部是通用的，因此，具有很好的灵活性和扩展能力。并且，对一些不具备双通信接口的设备亦可方便地接入系统并实现可靠的通信。
6．3 站内局域网通信方案

图5 CBZ-8000变电站自动化系统的站内局域网通信方案
　　CBZ-8000变电站综合自动化系统的站内局域网如图5所示，系统分为变电站主站层和间隔设备层。主站与间隔设备间采用（电连接或光纤）以太网通信。网络层协议为开放性很好的TCP/IP协议。应用层协议采用103和104协议。104协议用于远动、就地监控主站与IED设备间的通信。103协议仅用于继电保护故障信息管理主站与IED设备层的通信。103协议应用层ASDU与TCP/IP网络组合方式，完全采用104协议组合101协议的方式，即它的网络层协议为TCP/IP协议，应用层协议采用103协议的ASDU。为了保证应用层ASDU的通信可靠性，又包装了APCI传输接口，因此，即103协议具有与104协议完全相同的APCI传输接口，相同的应答和重发机制，具有很好地兼容性和可靠性。

7 结束语
　　自1987年我国自行研究出第一个变电站综合自动化系统以来，变电站综合自动化的研究与应用有了突飞猛进的发展，CBZ-8000变电站综合自动化系统由于在网络设计上采用了光纤自愈环型环网，在网络通信上严格采用了IEC60870-5-103和IEC60870-5-104通信规约，在间隔层采用了军工型32位浮点型DSP数据处理器及高精度、免调试的16位AD技术 ，在设计上采用了面向对象的设计理念，相信该系统的投入使用将会得到广大用户的青睐。