自动化系统设计原则

自动化系统设计原则【摘要】：综合自动化系统是运用自动化系统、计算机技术、信息解决技术和通信技术等高科技对的继电保护、测量、控制、故障滤波、信号解决、运动装置和自动装置等二次设备功效进行优化组合，实现对全部设备运行状况的测量和控制。本文重要研究了综合自动化系统的设计和实现，并对核心技术进行解剖分析。【核心词】：控制工程；安全生产；安全管理；监控系统；报警系统；氧气浓度1综合自动化系统简述电气综合自动化系统（简称综自系统）是指在多个硬件方法和自动化妆置的基础上，运用数据分析、通信技术、控制技术和解决技术对的各类功效进行组合与优化，取代了人工操作方式，在综合管理方面实现了智能化管理，实现了低误差率，提高了运行的可靠度。由于我国用电需求的增大，对电网运行的规定也越来越高，这便规定调度中心能够获得精确具体的和电网运行数据，进行集中操作、集中控制和反事故方法等，通过无人值守的方式，不仅避免了人工操作的失误，又能提高效率和电网运行的安全性。随着通讯技术和微机技术等科技的运用，不仅变化以往的二次设备形式，也在缩减了的用地面积、减少电缆量、减少了成本、实现信息共享、简化系统等方面变化了以往的运行风格。由于上述的优势，综合自动化系统已被行业完全接纳，用于提高电网的管理水平。不少厂家也陆续推出多个综合自动化系统，作为本身竞争的筹码，以满足不同公司电网运行需求。从上世纪九十年代开始国外各大出名电气公司，例如西门子公司、通用公司、ABB公司等都不停推出多个成套的综自系统，我国随着数字化设备的不停使用与发展，综合自动化系统也被广大的电网顾客所接受[3]。在电网中使用综自系统有两个重要优势：（1）能够实现无人值守，减少一定的人工成本。（2）在高中压的中使用综自系统能够综合多个技术，采用更加可靠的控制系统，提高运行的安全性。2综合自动化系统的构造随着多个高科技技术的运用，综自系统的构造体系也随之发生变化，其功效、性能与可靠性等都得到提高，的综合自动化系统构造重要有集中式的构造形式、集中式分布式的构造形式、分层分布式的构造形式[4]。2.1集中式的构造形式集中式是指用功效比较强大的计算机向外增加多个I/O接口，对的开关量和脉冲量等信息进行集中采集和解决，依次完毕微机的监控、自动控制及保护等功效。集中式系统并不是只有一台微型计算机。大多数集中式系统是由不同的计算机完毕微机的保护、监控和调度等功效，只是不同的微型计算机承当的任务有所不同。例如一台微机保的计算机可能需要承当多个回路的低压线路微机保护计算；一台监控机需要负责人机联系、数据的采集与解决等多个任务等，集中式系统的构造如图2-1所示。显示屏显示屏调度控制中心计算机调度控制中心计算机打印机开关信号输入控制输出直交流采样打印机开关信号输入控制输出直交流采样图2-1集中式构造形式集中式构造含有下列优点：（1）能够对的数字量、开关量、模拟量等信息进行实时采集，完毕的实时监控、数据采集、打印、制表等功效；（2）能够对的进出线和重要设备进行保护；（3）体积小、构造紧凑，较大的减少了用地面积；（4）成本低，对于小规模的较为实用。集中式构造的缺点：（1）功效较为集中在少数几台计算上，如果一台微型计算机出现差错或故障，对电网和的运行影响较大。只有采用双机并联的运行方式能够提高集中式系统的可靠性；（2）组态太呆板，对于不同规模的或者不同的主接线，集中式系统的硬软件都需要重新设计，造就工作量过大；（3）软件设计较为复杂，修改和调试工作太繁琐；（4）与常规的一对一保护方式相比，集中式系统不够直观，且与维护和运行人员的习惯不同，这种系统较合用于逻辑较为简朴的保护。集中式系统在许多方面的解决都不够抱负，在微机技术出现之后，综自系统的构造也得不停的改善。2.2分布式机构形式分布式系统的特点是根据功效进行设计，分散综自系统的各个功效到多台微型计算机。这种系统采用主从CPU,多个CPU并行解决多发事件的工作方式，更加好的解决CPU瓶颈的运算解决问题。综自系统的各个功效之间采用串行或网络技术的方式更加好的完毕了数据通信，同时网络系统采用优先级的方式也解决了数据传输问题。分布式系统如果局部发生故障不会对其它功效造成影响，且方便系统的维护与扩张，这种模式在中低压的中较常使用，其模式构造可见如2-2所示。计算机计算机打印机调度控制中心通信控制器打印机调度控制中心通信控制器操作控制解决器操作控制解决器操作控制解决器操作控制解决器操作控制解决器操作控制解决器操作控制解决器操作控制解决器保护单元保护单元控制输出交流采样交流采样开关信号输入开关信号输入保护单元保护单元控制输出交流采样交流采样开关信号输入开关信号输入控制输出开关控制TV控制TA变送器开关位置设备状态开关控制TV控制TA变送器开关位置设备状态图2-2分布式构造形式2.3分层分布式构造形式从逻辑方面来看，该系统能够将综自系统划分为站控台和间隔层的两层构造，或者是站控台、间隔层和通信层的三层构造。这种构造是按照断路器间隔和元件进行设计的，由一种或多个智能控制单元负责单个断路器间隔的数据采集、控制、保护等功效。测控单元互相之间是用特殊电缆或光缆连接，安装在断路器的器柜或间隔附近。这种系统能够较大程度的减少电缆的连接量和电磁干扰，含有较强的可靠性，实现了故障之间互不影响，且利于系统的扩展与维护，是现在综自系统的发展趋势。该系统可见图2-3所示。分层分布式系统含有下列优点：（1）对的二次设备进行简化，减少了控制室的使用面积；（2）间隔控制单元实现了原则化、自动化系统；（3）全部的间隔控制单元的功效都设立在间隔层中；（4）软件控制全部的逻辑组态批示；（5）该系统的组态较为灵活，方便检修。打印机运行工作站打印机运行工作站操作控制中心操作控制中心电网控制中心GPS校时通信控制器GPS校时通信控制器智能采集设备智能采集设备智能采集智能采集设备智能采集设备智能采集设备智能采集设备智能采集设备图2-3分层分布构造形式3综自系统的功效综自系统重要有检测、监控、远传和保护四个重要部分。3.1综自系统监测功效检测功效是通过综自系统对运行数据进行收集、显示、解决及打印等，使工作人员能够全方面精确的理解电网运行状况，能够及时采用应急方法，系统采集数据能够分为开关量信号、脉冲量信号、模拟量信号。3.2综自系统监控功效系统能够检测统计手动跳闸和事故跳闸的次数。当电网单相接地出现故障时，系统能够根据零序电流电压增量、功率办法和相电压降等办法来判断接地相别和线路；同时能够通过电流电压的计算来判断投切电容器或者调节分接头的位置。3.3综自系统远传功效远传规约普通分为三种类型：PoIlink规约、CDT规约、和特殊规约。当处在正常运转或出现事故和报警事件时，远传就会立刻向上级传送该信息，方便调度人员及时掌控该站的运转状况。3.4综自系统保护功效综自系统的保护功效重要是运用微机保护装置，不仅在使用方面较为方便，并且含有较强的敏捷性及可靠性。其重要含有下列特点：（1）含有实时自检功效。它能针对保护柜，其中涉及主机在内的各个组件在线进行检查。（2）可通过使用显示屏和键盘显示出电压、电流和开关的状态，以及整定值，并可对其进行修改。（3）含有事故追忆功效。它能精确的统计事故发生前后的母线电压及线路电流。保护可选择使用下列几个类型:（1）变压器保护：涉及本体保护(轻瓦斯、有载轻瓦斯、重瓦斯、有载重瓦斯等)、低压侧备电源自投、高压侧备用电源自投和、过负荷保护、过流保护(涉及复合电压启动、低压启动)、零序保护、带二次谐波制动的比例差动保护、差电流速断保护。（2）线路保护：涉及零序电流、电压和方向保护、定时限过电流保护、反时限过流保护、电流速断保护、距离保护、方向性电流保护、双回线方向横差保护、高频保护和低周减载保护。（3）母线保护：涉及电流比相式母线保护和完全电流差动母线保护。（4）电容器保护：涉及相间低电压保护、相间过电压保护、零序过电压保护、过流保护、电流速断保护、反时限过流保护。4微机保护微机保护是以计算机为主导，接上外围线路以实现计算机监控保护功效。为了实现微机保护作用，微机保护装置必须含有数据采集作用，能够把电压互感器PT与电流互感器CT模拟信号精确及时转换成计算机能够识别的数字信息。同时人机对话工作界面能够完毕告警行为统计、定制输入、保护调试等一系列功效。在计算技术发展的带动下，微机保护装置的硬件设备功效变得更加强大，特别为芯片和微解决器的发展为微机保护功效提供了较好的技术支持。微机保护从CPU系统发展到现在的DSP技术，保护装置更新很快，但是其硬件构造基本相似，如图2-4所示。信号输入是将电压互感器PT、电流互感器CT、变压器采集油温、瓦斯等信号通过保护装置A/D转换、低通滤波、电平转换、隔离等解决，使保护装置能够获得现场实际状况的精确数据，方便微机分析计算。检测部分是对信号输入解决过的信号进行计算分析，通过与定值的比较，产生“是”或“非”的一组逻辑信号，以判断与否启动保护命令。逻辑判断部分是根据检测部分输出信号进行逻辑运算，判断断路器与否跳闸或者与否发出信号，同时将命令输送给现场设备。惯用逻辑指令有“非”、“与”、“或”、“记忆”和“延时”等。输出执行部分根据逻辑判断输送的信号来完毕信号告警或跳闸等一系列动作，并且在执行对应的保护动作时，还将进行电平转换和隔离及信息反馈等任务。现场设备输出执行逻辑判断监测信号输入现场设备输出执行逻辑判断监测信号输入图2-4微机保护基本构造4.1微机保护的硬件构造微机保护装置[5]普通是将功效不同的插件组合成完整的保护装置，不同的插件为不同功效的模块。如果按照功效进行划分插件可分为：保护CPU和监控CPU插件、开关量输入/输出插件、人机对话插件、电源插件、交流输入/输出插件等。微机保护装置构造原理如图2-5所示。图2-5微机保护装置构造原理4.1.1数据采集器数据采集器普通采集来自电压互感器PT和电流互感器的模拟信号，但是由于微机保护的计算机无法识别模拟信号，因此数据采集器能够进行模拟滤波、电压形成、模数转换、多路转换、采样保持等解决，将模拟信号转换成数字信号。4.1.2微机系统微机系统（微型计算机系统）是由显示屏、微型计算机、输入/输出设备、电源等构成。其重要完毕数据解决、数据自检、故障解决和微机保护的主程序。微机主系统涉及存储器、微机解决器、定时器等。早期微机主系统是单CPU系统，在微型计算机的容错技术和多重化技术的出现后，微机主系统开始逐步使用多CPU系统。普通微机保护在出现采样脉冲信号使才会进入中断服务的程序，其它时候都是在自检循环中。但是，微机保护的自检功效仅仅能够检测出软硬件的故障，而元件出现问题就会使被保护的对象失去保护。容错技术能够使软硬件含有冗余度，当部分软硬件出现问题时，系统仍能正常运行工作，这种技术比较合用于时刻需要调节命令和输出控制的系统，多重化技术能够在一套硬件发生故障时，发出报警信后，由另一套硬件继续完毕工作，而不引发误动。图2-6是一套CPU与DSP[6]构成的微机系统，其中DSP重要负责对数据采集器中数据进行计算，然后把数据成果通过RAM的双端口输送到CPU，而CPU负责微机保护逻辑判断、通信管理、开关量输入/输出计算等，这种系统运用了DSP（数字信号解决）运算速度快的特点，由DSP完毕全部繁重的数据计算，而CPU只需进行保护逻辑判断，避免单CPU多任务的冲突。图2-6CPU+DSP构成的微机系统构造图4.1.3开关量输入/输出模块微机保护不仅需要接受模拟信号，同时也需要接受发送开关量信号。例如人机对话界面键盘输入和遥控信号等。而这些信号只能由开关量输入/输出模块来接受与发送。开关量输入/输出模块是由微型计算机并串联接口、继电器和光电耦合件构成。微型计算机主系统与人机对话模块都存在开关量输入/输出插件，但是两者插件的功效不同。开关量输入/输出插件在微型机主系统中重要是完毕保护出口跳闸和遥信输入，在人机对话模块中重要是完毕液晶显示、按键输入、保护通信和告警信号的发送等功效。开关量输入电路能够分为内部和外部两种类型的开关量，其中内部开关量有软压板和键盘输入等，重要安置在面板触电上，外部开关量有硬压板、继电器触点等，重要反映外部装置触电状况。内部开关量是直接接到微机并行接口的芯片上，而外部开关量通过光电耦合装置将并行接口和开关量的回路隔离，如图2-7所示，这种方式既能够传递K2外部触点信息，又能够电气隔离，确保微机保护的安全性。图2-7开关量输入模块原理图开关量输出电路能够完毕微机保护跳闸和合闸任务，这种电路能够将合、跳闸的出口信号进行电平转换，驱动断路器执行合、跳闸指令。如图2-8所示。并联接口输出控制了KM继电器，同时也能够采用光电隔离的办法来提高整体抗干扰的能力。图2-8开关量输入模块原理图在进行打印机和通信接口之类的信号输出时，可用图2-9的办法连接。由于数字信号不是控制合跳闸，因此对重要性和实时性规定不高，只需用一种并联接口的输出方式就能够完毕信号输出，同时光电耦合器不仅能够实现电平转换还能电气隔离。图2-9数字信号接口4.1.4人机对话模块这种模块是借助微解决器完毕继电保护调试、工作设定、定时检查保护装置、统计多个保护动作、系统通信等，其硬件构造如图2-10所示。图2-10人机对话界面4.2微机保护的软件设立软件系统好坏不仅影响到保护装置的稳定性，还能提高保护性能的灵活性。随着硬件构造的提高，也会加强微机保护系统功效，因此，在微机保护的软件设计中需要注意系统的精确性、可靠性、继承性、可读性、易修改和维护等。在增强系统的继承性和可读性时，系统采用了高级语言进行程序编制。但是涉及硬件电路控制时，系统同时采用汇编语言相结合的方式。根据构造化的程序设计想法，进行模块化思路设计不同功效的模块，每块功效不同模块间实现互相独立，且模块均使用单入口/出口的构造，易于进行程序的调试、维护和维护。现在绝大数的微机保护都是双CPU的构造，即由保护和监控构成的双CPU系统。这两类CPU系统都是由采样中断服务和主程序构成，只是两者在采样中端服务系统中功效不同，下面以保护CUP系统为研究对象分析其程序。4.2.1保护CPU系统该部分系统重要实现对整个系统监控和各项实时性原则低的辅助功效。从保护CPU系统显示图2-11所示，该系统重要涉及上电复位和自检循环两个程序。在保护装置硬件复位或上电后来，系统首先进行初始化，其中涉及读取全部开关量输入的、状态、定时器初始化、定义硬件电路开关量输入与输出系统的并行接口，寄存器、计数器、整定值的加载和换算以及多个标志的设立，并进行初始化自检。自检是通过软件自动对硬件系统的工作状态以及重要元器件进行检测，确保系统元器件以及工作完好。在自检过程中能够及时发现保护装置中出现的问题，并发出报警信号，及时闭锁保护出口，再由技术人员排除故障。因此，自检功效是微机保护装置中独有的智能技术。自检程序分为运行自检和初始化自检，运行自检是在系统保护装置运行的时候，针对实时性规定高且后续出现运算的部件进行自检，方便及时发现问题，运行自检则在下面自检循环中进行着。初始化自检是在系统保护装置复位或上电时进行全方面性自检，由于此时的时间较为充足，允许进行全方面的自检，其中自检的重要内容涉及：程序、定值、输出通道、ROM、RAM\以及FLASH等，确保微机保护在投入使用时是完好的。在初始自检顺利通过后，就需立刻执行初始化数据采集以及定时采样中断的启动，到此为止上电复位流程全部走完，随即将进入自检循环的流程。图2-11保护CPU系统构造自检循环程序[7]为实现保护装置的软件和硬件的自检，其采用了分时的方法。另外，在自检循环时还进行工作方式的选择、故障报告文献解决、人机对话解决、通信任务解决以及调试任务的解决。正常状况下，自检循环系统是无限循环。在自检循环时，一旦中断，CPU立刻暂停自检循环程序当中运行的任务，中断响应，并转向中断服务的程序，立刻执行一次中断服务的程序，当中断服务完毕后，则又返回自检循环。其关系如图2-12所示：图2-12程序流程时序关系其中（a）为自检程序；（b）自检程序与采样服务程序的时序关系式中TS代表一种完整的采样周期。CYZD表达的是一种完整的采样中断服务程序的流程，MN表达自检循环程序的整个流程。当微机保护主程序中断后，每隔一种系统采用周期，定时器就立刻发出一种采用脉冲，假设定时器在A点发出采用脉冲且出现中断，则微机系统将自动将此处的工作进行保护，随即将实施一套完整的CYZD程序，当中断程序结束后，A处被暂停执行的自检循环程序将恢复执行，直到下一种中断B点，AB段自检循环程序使用的时间为t2，采样周期Ts则为t1+t2。此后，如果系统保护装置无复位且无端障操作，微机系统则将对以上的程序重复执行。每逢单数时间段将执行整套采样中断服务程序，在双数时间段则执行自检循环程序。4.2.2采样中断服务程序的功效继电保护系统对系统实时性规定很高：第一，需实时理解运行状况，也就是随时采集开关量输入信号以及多个模拟量；另外，当系统出现故障时，需立刻鉴别短路的区域或位置，并切除该部分。为了满足继电保护的实时性以及快速性的规定，微机的中断机能够有效的实现。从下列面2-13图中能够看出，采样中断服务程序的重要功效除了对数据进行周期性采集以及解决外，还需对通信数据进行首发、自检以及故障解决等任务，由于采样定时器发起中断，因此将其称作采样中断服务程序[8]。图2-13采样服务程序示意图采样中断服务程序[9]的数据采集以及解决重要是对模拟量的采集，并进行A/D变换，同时将采集的数据按照时间先后和通道存入数据缓冲区，并使地址指向最新的采样数据。采集的信号除了模拟信号外，还需将脉冲信号、采集开关量输入信号以及频率测量信号等。通信数据的收发完毕在中断服务时需快速执行的通信任务。在中断服务程序中尚有少量的自检任务，在中断程序中执行自检任务的重要因素是最新的数据会立刻对后续保护功效的对的性做出影响，并且这些自检任务工作量相对较少，其安置在中断服务程序中只占用了少量的中断程序时间，一旦装置出现故障，它能立刻发出警告，同时闭锁保护。在微机保护系统中通过使用启动元件的方式对故障扰动进行敏捷且快速的监视，等到故障扰动启动元件的动作后，程序才对其进行故障解决，最后判断故障与否在区内。将故障解决程序和启动元件相结合的重要优势体现在下列几点：①启动元件可将计算解决量较大的故障解决程序不投入运行，从而提高了CPU的运行效率。②能够通过理解启动云间的动作时间来判断故障发生的时间，方便故障解决程序成功获取故障发生前后的数据，确保计算的精确以及故障的鉴别。③微机保护系统的出口继电器的电源，只在启动元件启动后才投入，这样能够提高了出口回路的可靠性。普通状况下根据被保护设备的不同，故障解决程序也有不同的选择。就拿线路保护来说，故障解决程序涉及：过流保护、零序保护以及纵联保护等故障解决程序。5惯用的微机保护算法与比较微机保护的算法中软件是最为重要的问题，其核心考虑的是计算的速度及精度，而其速度有涉及两个方面：一是算法的运算工作量，而是算法时规定的采样点数，与此同时还需将算法的数字滤波功效纳入考虑范畴之内。5.1正弦函数算法这类微机保护算法是运用正弦函数[12][13]的特性，假定电流电压的基波是正弦函数，对正弦电流、电压选用采样值，计算出电流或电压的测量阻抗、功率、相位、电流电压的幅值等，再根据数据的比较和判断，完毕微机保护动作。这种算法将非周期与谐波分量视为噪音和干扰信号。当系统出现故障时，普通会在基波上叠加非周期和多个谐波分量。因此需要保护装置预先对输入的信号进行解决，在最大程度滤掉衰减非周期和多个谐波分量后，再使用这种算法，能够减少误差的出现[14]。这种算法能够分为采样值计算法、导数算法和半周积分算法这三种类型。5.1.1采样值积算法采样值积算法是持续采样相似时间间隔的正弦电流电压值，并计算正弦电流电压有效值。这种计算办法能够规避系统频率对正弦电流电压有效值计算的影响。以正弦电压有效值计算为例，分别采样两个相似时间间隔（Δt）的时刻电压u1、u2u1=sin[θ0u+ω(tn+Δt)]Um=Usin(ωΔt+θ1u)（2-1）u1=sin(θ0u+ωtn)Um=Usinθ1u（2-2）其中θ0u是电压的初相角；ω是角频率；tn是采集时刻相角；Um是电压电幅；U是电压的有效值；将（2.1）和（2.2）整合可得到：（2-3）同理可得到正弦电流的有效值以下所示：（2.4）在采样值积算法[15]中时间间隔Δt能够是一种很短的采样间隔，在理论上计算过程中所需要用到的时间窗很短，但是运算中涉及到加减法、乘除法、开方和平方的复杂运算，这些都加长了运算时间，因此在实际运用中这种算法并不惯用。5.1.2导数算法导数算法是由澳大利亚出名科学家Morrison与Mann于1971年提出，这种算法基于正弦函数与余弦函数之间的关系，计算出电流电压的测量阻抗等。以正弦电压有效值计算为例：U=U（2-5）正弦电压的导数为：U’=U（2-6）将（2-5）、（2-6）代入（2-3）式中能够得到：（2-7）这种算法只需要采样一种时间间隔，因此在所需要的用到的数据窗比较短。但是这种算法容易产生误差，这种误差一种是来自差分求导近似产生的误差，另一种是来自电流和电压平均值替代产生的误差。5.1.3半周积分算法[16]该算法是根据随意半个周期中正弦量的绝对值积分是常量S，并且积分起点初相角与积分常量S无关。以正弦电压有效值计算为例，半个周期积积分值S计算以下：（2-8）=（2-9）≈（2-10）这种算法的运算量不大，采用简朴硬件或者软件程序就能够计算出，但是运算成果的误差比较大，比较合用于规定较低的某些电流和电压保护。在计算半周积分值时，部分正负的谐波半周将互相抵消，而未被抵消剩余部分占总体比例不高。因而，这种算法含有一定滤波的作用，但是并不能滤除全部的滤波分量，在使用的过程中仍需要搭配滤波器一同使用。5.2傅氏算法在出现故障时，系统实际输入量是基波、多个谐波和直流分量，不是简朴的纯电流电压的正弦函数。如果采用正弦函数的运算办法，必须预先进行滤波解决，而运算和滤波所用的总时间及运算的容量将会非常大，傅氏算法是基于输入信号作为周期性函数或者近视周期函数的基础，把输入信号分解成一系列函数之和。傅氏算法[17]是微机保护最惯用的一种运算办法，它能够分解周期函数为正弦分量与余弦分量，并且这种运算办法本身能够分辨出基