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CSPA2000发电厂电气监控系统
说明书
四方华能电网控制系统有限公司
1.CSPA2000发电厂电气监控系统
1.1.CSPA2000系统概述
四方华能电网控制系统有限公司主要从事电力系统自动化及继电保护装置的研究、开发、生产和销售，是一家的顺应国家电力发展，特别是城网改造、厂网分开需要的专业从事电力自动化的高新技术企业。
公司的主营产品包括CSF系列微机继电保护和自动装置、CSLC2000变电站综合自动化系统、CSDA2000配电自动化系统、CSPA2000发电厂电气监控系统等，到目前为止，在全国各级电网及电厂中已有公司生产的四万多套新型微机保护装置和1000多个分布式综合自动化系统成功运行。
CSPA2000发电厂电气监控系统是公司总结了在电力行业10多年的研制开发经验，采用当今最新的网络技术、硬件技术、软件技术，遵循主流国际标准，推出的发电厂电气自动化系统，CSPA2000系统适合于各种装机容量及各种类型发电厂（包括热电厂、火电厂、水电站等）的新建和对已建老厂的改造。
CSPA2000发电厂电气监控系统基于先进的计算机网络通信技术设计，具有开放式结构，能方便地接入不同厂家的保护测控装置及用户现有的自动化系统，实现发电机组、厂用电系统、网控系统的保护与监控，CSPA2000同时对DCS/FCS系统完全开放，便于实现发电厂机、炉、电系统监控一体化，使得发电厂电气自动化系统的管理结构更加清晰，提高了自动化水平，节省了大量的控制电缆和DPU资源，同时降低了运行维护成本，为发电厂在电力市场的竞争赢得了先机。
传统发电厂电气自动化系统采用物理硬接线和变送器等大量硬件设备采集及控制电厂电气设备，电气系统的测量量、保护动作、整定、事故追忆等信息在DCS/FCS系统无法充分反应，电气设备保护测控功能依赖于后台系统，系统一旦出现问题或瘫痪便会失去保护测控功能，保护测控功能在系统级实现风险性较大。
CSPA2000发电厂电气监控系统采用先进、可靠的通信网络技术，取消原有硬接线、变送器等传统设备，使全厂全面信息化、数字化，电气设备保护测控功能分散就地实现，后台系统通过通信网络和就地综合保护测控设备通信，实现遥测、遥信、遥控、电量管理、SOE、事故追忆等功能，综保测控设备的保护控制功能不依赖于系统，风险最大程度降低，设备自诊断信息丰富，提高了整个发电厂电气系统的可靠性，它拓宽和完善了DCS/FCS系统的监控范围和自动化程度。
采用CSPA2000的优点是：
设备就地安装，与DCS间通过数据交换实现连接，可节省大量测量、控制电缆，经济效益显著（根据设计院对一个应用CSPA2000的2×30MW电厂电气自动化工程的计算，直接经济效益约400万元）；采用CSPA2000后，系统的电气信息量极大丰富，且交换不受限制，与系统投资基本无关；省略变送器；可实现运行分析、画面显示、报表生成、打印、人机接口、事件记录、报警、事故追忆、防误闭锁等丰富的电气自动化应用功能。
CSPA2000系统设计思想
CSPA2000系统为我公司专门开发适用于发电厂电气自动化系统的版本，采用先进、成熟、可靠的技术和设计思想，针对发电厂电气自动化特点而推出的产品。
CSPA2000系统采用全通信方式替代传统DCS硬接线，实现发电厂电气系统的监控，能够节省DCS监控I/O点数、变送器设备及大量电缆，提供丰富的设备运行信息，极大提高发电厂电气系统的自动化水平。
CSPA2000率先实现了电厂电气自动化系统和DCS系统紧密集成。
通过CSE通信处理机与DPU以RS232方式互联直接交换数据，通过EDPU（虚拟DPU）以太网方式与DCS系统交换数据，将电气监控系统的功能全面融入DCS系统，并可接受DCS系统的遥控命令，实时性、可靠性达到实用要求，从而实现发电厂的机、炉、电监控一体化。
这种综合的电厂电气自动化技术方案大大发展了DCS系统，同时也全面提高了发电厂运行的自动化程度，将成为该领域技术的发展趋势。
电气系统与发电厂DCS接口方式：
1）CSPA2000监控计算机系统后台通过通信网关与DCS以太网通信。
2）CSPA2000通过电气主控单元通信处理机与DCS的DPU通信。
3）经硬接线接到DPU的I/O卡件接入DCS系统
（CSPA2000接入DCS系统示意图见附图1所示）
CSPA2000系统对本公司自动化系统继承：
1）分层分布式综合自动化设计思想，测控保护装置层设备按一次设备为对象布置，CSPA2000系统由监控计算机系统、通信处理机及现场总线层、测控保护装置层三层设备结构构成，功能齐全、配置灵活、具有极高的可靠性，各间隔综合保护设备控制单元保留紧急手动操作跳、合闸，就地完成保护、控制、监视、测量和报警等功能，并通过通信处理机及现场总线层与监控计算机系统主站系统及DCS系统通信，保护、控制、监视、测量和报警等功能均可以通过综合自动化系统来完成。
2）安全可靠的通信网络技术，通信网络是综合自动化系统与传统发电厂自动化系统的最明显的区别之一，只有采用通信网络，才能节省大量电缆、变送器等传统硬件设备，但通信网络必须安全、可靠，传输速度必须满足自动化系统要求。
CSPA2000系统通信网络技术建立在我公司1000多套综合自动化系统成功运行经验的基础上。
公司的产品已成为电力系统继电保护与控制领域的主流产品，其网络的安全性、可靠性、高速等各项指标，既有大量的事实依据又有充分的技术保证。
3）数字式测量控制装置、综合保护测控装置的软硬件设计思想，保证测控保护装置层设备运行安全、稳定和可靠性，保证设备配置的灵活性和维护的方便性。
CSPA2000系统对本公司自动化系统的改进：
1）CSPA2000系统针对发电厂特点，采用电力系统配网自动化系统设计思想，测控保护装置层设备根据电压等级与安装位置就地组网，通过通信处理机及现场总线层与主站系统和DCS系统接口，通信处理机及现场总线层负责收集、整理测控保护装置层设备信息，实现信息分层管理，减少监控计算机系统网络数据流量，提高系统的稳定性和可靠性。
2）CSPA2000系统主控单元：
收集、管理测控保护装置层设备信息，分析、整理相应信息并存储在主控单元的实时数据库中；与监控计算机系统主站系统通信，减少监控计算机系统网络数据流量，提高系统的网络传输速率；与DCS系统的DPU通信，可以通过DPU向DCS系统传送CSPA2000测控保护装置层设备信息，并接收实施来自DCS系统的控制命令，实时数据库保证与DCS系统通信的实时性。
主控单元是CSPA2000系统以全通信方式接入DCS系统并保证实时性、可靠性的重要设备之一。
3）CSPA2000后台监控系统采用网络分布式组件、面向对象的总体设计思想和DCOM/CORBA国际最先进的编程技术，系统运行稳定可靠及运行效率高，采用高度优化的客户机/服务器分布式体系结构，系统配置灵活，系统规模扩展不受限制，适用于不同规模的电厂监控系统。
1.2.CSPA2000系统功能简介
CSPA2000系统用途
✧大、中、小型发电厂电气监控系统包括ECS、NCS部分
✧水电站综合自动化系统
CSPA2000系统监控范围
✧发电厂厂用电电气设备，包括高压厂用电、低压厂用电、发电厂数字式厂用电快切装置及公共部分的继电保护、监控、信息管理和设备维护，并经ECS系统融入DCS；
✧发电厂机组电气自动化设备，,包括发变组保护、发电机录波、励磁、同期、UPS、直流系统、电度表等的监控和管理，并经ECS系统纳入DCS；
✧柴油发电机组的监控和管理，并经ECS系统纳入DCS；
✧发电厂网控自动化系统（NCS）：
实现对升压站的监控和远动功能，并实现NCS与DCS的接口。
CSPA2000系统功能
1）实现在DCS的操作员站上对电厂所有电气部分进行控制和设备管理，DCS系统也可以授权在ECS操作员站上实现电气操作；
2）实现发电厂厂用电自动化：
使用综合保护测控一体化智能设备，实现高压厂用电、低压厂用电、厂用电快切及公共部分的继电保护、监控、信息管理和设备维护，并经ECS系统融入DCS；实现
3）实现发电厂机组电气自动化（机组ECS）,包括发变组保护、发电机录波、励磁、同期、UPS、直流系统、电度表等的监控和管理；
4）发电厂网控自动化系统（NetworkControlSystem，简称NCS）：
实现对升压站的监控和远动功能，并实现NCS与DCS的接口；实现对柴油发电机组的监控和管理，并经ECS系统纳入DCS；
5）配合五防工作站，实现发电厂电气系统的防误闭锁及操作票。
1.3.CSPA2000系统特点
1）全厂数字化、信息化
CSPA2000采用网络通信技术替代DCS硬接线对电气设备的监控方式，实现全厂数字化，减少了DCS硬接线电缆、测量变送器、I/O接口柜等设备的一次性投资，大大减少用户维护工作量；
2）分布式系统
CSPA2000系统采用分布式面向对象的设计理念，采用分层分布的配置方法。
测控保护装置层装置面向被控设备对象设计，综合保护测控装置集保护、测控、控制于一体。
3）开放式结构
CSPA2000系统具有良好的开放性，备有完整的通信规约库，并提供规约开发平台，方便地与各类系统和设备接口，可挂接各种设备和仪表、可方便地与其他厂家的多种智能设备接口，方便地与DCS、厂级生产监控信息系统（SIS）、厂级管理信息系统（MIS）等系统完全接口，实现不同系统的无缝接入；
4）灵活配置系统
CSPA2000系统组网和设备配置灵活，规模扩展不受限制，针对不同装机容量和使用场合提供性价比高的组网和设备配置解决方案；
5）先进、可靠、冗余网络设计
CSPA2000系统采用成熟、先进的网络通信技术，采用动态网络和冗余配置，通信速度快，通信速率高，系统具备高度的实时性和可靠性，可以完全满足发电厂自动化系统的需求。
6）先进计算机编程技术
CSPA2000系统采用先进DCOM/COBRA技术，采用国际大型实时监控平台，系统运行效率高、CPU负载极低；系统具有良好稳定性、可靠性，双机冗余运行，可以实现快速双机切换。
CSPA2000发电厂电气监控系统结构
2.1基本结构
CSPA2000发电厂电气监控系统采用先进的设计理念,采用分层分布式结构，系统分为监控计算机系统及网络层、通信处理机及现场总线层和测控保护装置层三层，保护功能不受测控和通信网络的影响，确保厂用电系统和网控系统的安全性和可靠性，为发电厂电气自动化提供一个完整的解决方案。
Ø监控计算机系统
监控计算机系统由CSPA2000后台监控系统构成，是整个ECS系统的控制中心，完成对整个ECS系统的数据收集、处理、显示、监视功能，并且经过相应授权，能对相应的设备进行控制。
监控计算机系统对DCS/FCS系统完全开放，同时为运行人员提供厂用电系统及网控系统的控制、管理功能。
监控计算机系统详细信息请参见第3章。
Ø通信处理机及现场总线层
通信处理机及现场总线层是整个系统构成的关键纽带，完成监控计算机系统和测控保护装置层之间的实时信息交换，并可以直接与DCS系统的DPU进行通信，并完成各种自动化装置的接入，实现通讯物理介质和通讯规约的转换、接入功能。
通信处理机及现场总线层支持现场总线、以太网、RS485等通讯方式。
通讯管理层采用双网冗余配置，有效保证网络传输的可靠性，通信处理机及现场总线层由主控单元通信处理机CSE及相关的通讯网络设备组成。
通信处理机及现场总线层详细信息请参见第4章。
Ø测控保护装置层
测控保护装置层主要由各种保护及测控装置组成。
测控保护装置层装置大致可分为3个类别，第一类适用于LonWorks现场总线高速通信网络装置；第二类适用于以太网装置；第三类为第三厂家提供的通信接口经规约转换接入系统的智能装置。
测控保护装置层装置详细信息请参见第5章。
2.2基本配置
CSPA2000发电厂电气监控系统设备配置分三个层次，即监控计算机系统、通信处理机及现场总线层和测控保护装置层。
Ø监控计算机系统（监控主站层）
监控计算机系统监控后台基本配置：
冗余配置的两台后台服务器（兼网关）、一台WEB服务器（可选）、一台操作员工作站/工程师站、五防工作站（可选，可以单独配置，也可以在操作员站实现）、冗余配置的两台网络交换机（提供双网运行环境）和一套卫星对时装置GPS等。
（具体配置可以根据系统规模和用户要求修改）
Ø通信处理机及现场总线层
通信处理机及现场总线层设备有主控单元（CSE200通信处理机）及相关组网设备：
主控单元CSE200通信处理机提供LonWorks现场总线、RS485、RS232等多种方式与多种智能设备接口，并可通过以太网连接到当地监控系统和调度端，起到通信数据处理作用，从而提高信息报文的传送速率；主控单元CSE200通信处理机为通信转换和接口设备，实现多种设备通讯协议、通讯介质的转换，提高系统的通信速率。
主控单元CSE200通信处理机通过RS232、RS485或以太网与DCS-DPU接口。
主控单元CSE200通信处理机建议接入测控保护装置层设备数量20个（通信处理机及现场总线层设备按工程实际情况来选择和配置）。
Ø测控保护装置层
测控保护装置层设备包括发变组保护、测控装置、综合保护测控装置，它对相关电气设备进行保护、测量和控制，各间隔单元互相独立、互不影响。
测控保护装置层装置有：
✧发变组、励磁、同期、UPS、直流系统测控装置；CSI-200E
✧适应于LonWorks现场总线综合保护测控装置：
CSF206L、CSF206GA、CSF206GB、CSF206TA、CSF206TB、CSF102V等
✧适应于以太网综合保护测控装置：
CSF202A、CSF202B等
✧发变组保护：
CSG300、CSC300系列保护装置
✧数字式厂用电快切装置：
CSC-381
✧其他厂家提供的智能设备
2.3网络结构
CSPA2000系统监控计算机系统和通信处理机网络采用以太网；
CSPA2000系统测控保护装置层采用LonWorks现场总线为基本测控网络，已经经过了充分的实验验证和现场考验，是理想的综合自动化系统的测控网络，站级工作站配合以太网的使用，将更有利于对站级工作站的监视和功能的分配等，适用于发电厂电气自动化系统。
CSPA2000系统方案网络示意图，该方案特点：
●适用于发电厂电气自动化系统，可以接入大量的测控保护装置层设备；
●ECS与DCS系统采用通信方案接口，取消DCS硬接线，但用户可以根据需要对重要的设备如电动机、发变组保护、励磁系统等保留部分硬接线，如起、停，增励、减励等，其他控制及测量量通过通信方式与DCS进行信息交换；
●通信处理机采用冗余配置配置，主控单元为并行运行方式，多台CSE通信处理机同时可与DCS的DPU的多块通信卡连接，实现通信，减少投资；
●测控保护装置层设备根据用户需求和现场实际情况，采用以太网通信接口综保装置（以太网组网）或LonWorks现场总线通信接口综保装置（LonWorks组网）；
●为了方便工程布线和实施，测控保护装置层设备按照高压厂用电段、低压厂用电段设备和不同机组来划分组网；
●测控保护装置层设备组网方式为以太网时，传输通道距离较短时物理介质采用五类线，传输通道距离较长时，物理介质采用光纤；测控保护装置层设备组网方式为LonWorks现场总线时，传输通道物理介质采用屏蔽双绞线；
●通过通讯处理机可将外厂家需要规约转换设备接入CSPA2000系统，转发到DCS系统。
2.4网络介绍
2.4.1LonWorks现场总线测控网络
现场总线简介
现场总线用于现场仪表与控制装置和控制室之间的一种全数字化、全分散化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信系统。
可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全符合环境要求，造价低廉、维护成本低。
对自动化技术的变革
●用一对通信线连接多台数字仪表代替一对信号线只能连接一台模拟仪表；
●用多变量、双向、数字通信方式，代替单变量、单相、模拟传输方式；
●用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表；
●用分散的控制站代替集中式控制站；
●用现场控制系统代替集散控制系统；
●变革传统的信号标准、通信标准和系统标准；
●变革传统的自动化系统的体系结构、设计方法和安装调试方法。
LonWorks网络技术性能
美国Echelon公司推出的LonWorks实时测控网络，主要特点有：
●采用Lontalk通信协议，该协议遵循国际标准化组织ISO定义的开放系统互联OSI全部七层模型，网络协议开放，可以实现互操作。
●可在任何介质下通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆等，并且多种介质可在同一网络中混合使用。
●网络操作系统可以是主从式、对等式、客户/服务式结构。
●提供总线型、星型、环型、混合型等网络拓扑结构。
●改善了CSMA，采用一种新的称为PredictiveP-PersistentCSMA，可以在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能性最小化。
●网络通信采用面向对象的设计方法，LonWorks技术将其称之为“网络变量”，不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。
●网络的主要组成部分Neuron芯片，由美国Motorala和日本东芝二大芯片制造商同时生产，在Neuron芯片中有三个CPU，第一个CPU为介质访问控制处理器，处理Lontalk协议的第一层和第二层，它包括驱动通信子系统硬件和执行冲突避免算法；第二CPU为网络处理器，处理Lontalk协议的第三到第六层，它进行网络变量的处理、寻址、事务处理、证实、背景诊断、软件计时器、网络管理和函数路径选择等，它还控制网络通信口、向物理地发送和从物理地接收数据包；第三个CPU为应用处理器，它执行用户编写的代码及用户的代码所调用的操作系统服务。
LonWorks主要性能指标
下表列出了带隔离变压器驱动器的双绞线网的LonWorks的重要指标：
波特率
最大通信距离
78Kbps
2000m
1.25Mbps
500m
*在平均帧长为12字节时测量
LonWorks网络适合于发电厂电气自动化
●LonWorks网络采取了配置1500伏直流隔离变压器隔离等适合于工业现场环境等措施，具有很强的抗干扰、抗震动性能，适用于较大的温度范围，适合于发电厂较恶劣的工业环境。
运行至今，未发生过任何LonWorks网因受干扰而误响应的情况。
●总线型CSMA/CD（载波监听多路访问/冲撞检测）协议，并且采用重要报文加优先级方式，适合于发电厂电气自动化系统。
●ISO七层规约中，六层固化，减少了二次开发的工作量，同时提高了可靠性。
●根据理论计算、试验及现场运行证明LonWorks现场测控网络满足发电厂电气自动化系统传输速度的要求。
2.4.2以太网网络系统
概述
利用以太网使许多计算机之间能够进行通信和信息共享，是计算机应用方面最主要的变化。
发展到今天，以太网是使用最广泛的局域网技术，在所有的网络中，80％都是基于以太网。
扩展性
以太网的传输速度有10Mbps系统、100Mbps系统和1000Mbps系统。
对大部分应用来说，10Mbps系统是足够快了，当10Mbps系统有必要提高至100Mbps系统时，可以直接互连，扩展非常容易。
ECS主站网采用10M/100M自适应以太网络，与DCS系统接口采用100M以太网。
可靠性
以太网是一种可靠的网络系统，它使用的是一种虽简单但又很可靠的传输机制，这种传输机制每天在世界范围的各个站点之间可靠地传输数据。
以太网技术的发展，使其作为工业控制网络得到广泛使用。
网络技术
●网络管理：
基于标准的管理工具，使网络管理员能在中心站点管理以太网的所有设备。
内嵌在以太网中继器、交换机和计算机接口中的网络管理功能提供了强有力的网络监控和故障排除能力。
●多播地址和广播地址：
多播地址允许各站点接收同一个以太网信息帧。
网络软件可以设置站点的以太网接口以监听特定的多播地址，这就使一组站点能够被合并成一个具有特定多播地址的多播组，一个发往这个多播地址的包就能够被该组中所有的站点接收。
●CSMA/CD协议：
该协议工作起来有点象黑屋子里举行的晚餐会，参加者只能互相听到别人的声音，桌旁每个人在说话前必须先倾听，以便等到一段安静的时间（载波监听）。
一旦出现安静的时间，则每个人都有平等的机会讲话（多重访问）。
如果两个人在同一时刻开始说话，他们就会发现这一情况，并停止讲话（冲突检测）。
●避免冲突：
以太网具有较高的带宽，但由于其协议为CDMA/CD方式，当带宽占用率过高时可能会引起冲撞而降低通过率。
由于这种技术特点，当带宽占用率低于37％时，可以基本避免冲撞，充分满足实时要求。
性能
●以太网是标准通信网，可以很方便地与服务器、PC机、工作站通信。
●使用10M/100M以太网，网络带宽增大到10M/100M，网络通讯状况大为改善，通讯可靠性提高。
●使用TCP/IP协议，协议的开放性为整个系统的可扩展性留出很大空间。
通信介质
以太网可以采用五类线、光纤作为传输介质，五类线传输距离为200米左右，对于长距离传输需要采用光纤，但是网络设备和工程费用随着增加。
2.
CSPA2000监控后台软件及功能
CSPA2000系统采用大型实时监控系统支撑平台，在平台上开发针对机组ECS（包括厂用电自动化）、网控NCS（升压站自动化）等应用功能，与测控装置、继电保护及主控单元紧密结合，构成一个集测控、保护、录波、通信于一体的新一代自动化系统。
该系统可广泛应用于各个类型的发电厂电气自动化，也可以拓展应用在热工自动化部分。
2.1.监控后台系统特点
1）技术先进：
CSPA2000监控系统采用面向目标的总体设计和DCOM/CORBA等国际最先进的编程技术。
系统运行稳定、可靠性和运行效率高，杜绝“死机”现象的发生。
2）配置灵活：
采用高度优化的客户/服务器分布式体系结构。
系统配置灵活，规模扩展不受限制，适用于不同规模的电厂监控系统，扩展方便。
3）监控功能强：
可快速、可靠、全方位地监视控制一次系统的运行工况，并及时发现系统本身的工作异常并告警，同时具有自动化系统网络监视功能。
4）可靠性高：
硬件配置采用先进、可靠的设备和装置，采用高冗余度的双机双网结构，确保任何情况下主要功能的可靠执行。
监控应用软件具有故障检出能力强、主备机故障切换快（<1秒）、运行效率高（主服务器CPU负载极低）、响应速度快和事件处理方式优越等优点。
5）使用维护方便：
具有强大的图形编辑和显示功能，用户界面友好，操作控制简单明了。
系统自诊断、恢复能力强,系统恢复无需专业人员参与。
6）抗干扰能力强：
采用优化的系统配置，具有抵抗电磁干扰、射频干扰以及各种传导性暂态浪涌干扰等干扰因素的能力。
7）性能价格比高：
系统运行稳定、效率高。
一次性投资、系统升级和运行维护费用低。
2.2.操作系统
CSPA2000监控后台采用WindowsNT/2000作为系统平台，该操作系统具有进程管理（包括批处理、分时及实时进程管理）、进程间的同步或异步通信、虚拟内存管理及内存保护、中断处理和I/O管理服务、事件驱动、多线程多队列管理、资源分配控制、文件管理、共享例程库支持、动态链接、应用编程接口等功能。
特点：
Ø界面风格符合用户的操作习惯，可维护性好，易学易用；
Ø实时性好，Windows2000是32位占先式多线程操作系统；
Ø网络功能好，支持Client/Server通信方式和流行的多种标准的
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