[科普中国]-分层分布式结构

随着微机技术和通信技术的发展，特别是在20世纪80年代后期，单片机的性能价格比越来越高，给变电站综合自动化系统的研究和开发工作注入了新的活力，使研制者有条件将微机保护单元和数据采集单元按一次回路进行设计。1

分层分布式结构的概念所谓分布式结构，是在结构上采用主从CPU协同工作方式，各功能模块之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力、解决了集中式结构中独立CPU计算处理的瓶颈问题，方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。1

按照IEC61850变电站通信网络和系统协议，变电站通信体系分为三层：变电站层、间隔层、设备层，这就是所谓的分层式结构。在变电站综合自动化系统中，通常把继电保护、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能综合在一起的装置称为保护单元，而把测量和控制功能综合在一起的装置称为控制单元，两者通称为间隔层单元。设备层主要是指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，电流互感器、电压互感器等一次设备，图1是变电站综合自动化系统的分层分布式结构示意图。1

间隔层按一次设备组织，一般按断路器的间隔划分，包括测量、控制和继电保护部分。测量、控制部分负责该单元的测量、监视、断路器的操作控制和连锁及事件顺序记录等；保护部分负责该单元线路或变压器或电容器的保护、各种录波等。因此，间隔层本身是由各种不同的单元装置组成，这些独立的单元装置直接通过总线接到变电站层。变电站层由一台或多台微机组成，这种微机操作简单方便、界面汉化。1

中、小型变电站的分层分布式集中组屏结构分层分布式系统集中组屏结构是把整套综合自动化系统按其功能组装成多个屏(或称柜)，例如主变压器保护屏(柜)、线路保护屏、数据采集屏、出口屏等。一般来说，这些屏都集中安装在主控室中，为简单起见，把这种结构称为“分布集中式结构”，其系统结构如图2所示。1

为了提高综合自动化系统整体的可靠性，图2所示的系统采用按功能划分的分布式多CPU系统，每个功能单元基本上由一个CPU组成，也有一个功能单元由多个CPU完成的，例如主变压器保护，有主保护和多种后备保护，因此往往由2个或2个以上CPU完成不同的保护功能，这种按功能设计的分散模块化结构具有软件相对简单、调试维护方便、组态灵活、系统整体可靠性高等特点。1

由图2可知，在综合自动化系统的管理上，采取分层(级)管理的模式，即各保护功能单元由保护管理机直接管理。一台保护管理机可以管理多个单元模块。它们之间可以采用总线连接，如RS-485总线、CAN总线等；而交流采样，由数采控制机负责管理；开关屏和控制屏分别处理开入/开出的信息。保护管理机和数采控制机以及控制处理机等是处于单元层的第二层结构。正常运行时，保护管理机监视各保护单元的工作情况，一旦发现某一保护单元本身工作不正常，立即报告监控机，并报告调度中心。如果某一保护单元有保护动作信息，也通过保护管理机，将保护动作信息送往监控机，再送往调度中心。调度中心或监控机也可通过保护管理机下达修改保护定值等命令。数采控制机和开关量采集处理机则将数采单元和开关单元所采集的数据和开关状态送给监控机和送往调度中心，并接受由调度或监控机下达的命令。总之，这第二层管理机的作用是可明显减轻监控机的负担，协助监控机承担对间隔层的管理。1

变电站的监控主机或称上位机，通过局域网络与保护管理机和数采控制机以及控制处理机通信。监控机在无人值班变电站，主要负责与调度中心的通信，使变电站综合自动化系统具有RTU的功能，完成四遥的任务；在有人值班的变电站，除了仍然负责与调度中心通信外，还负责人机联系，使综合自动化系统通过监控机完成当地显示、制表打印、开关操作等功能。1

大型变电站分层分布式集中组屏结构用于大型变电站的综合自动化系统则在变电站管理层可能设有通信控制机，专门负责与调度中心通信，并设有工程师机，负责软件开发与管理功能，其结构图如图3所示。另外在功能间隔层可能还有各种录波装置等。

分层分布式集中组屏综合自动化系统结构特点(1)分层分布式结构配置。采用功能可以下放的尽量下放原则，凡是可以在本间隔层就地完成的功能，绝不依赖通信网。这样的系统结构与集中式系统比较，其明显的优点是可靠性高、任一部分设备有故障时只影响局部、可扩展性和灵活性高、站内二次电缆大大简化，既节约投资也减少了维护量。

(2)模块化结构，可靠性高。分布式系统为多CPU工作方式，各装置都有一定数据处理能力，从而大大减轻了主控制机的负担。

(3)继电保护相对独立。继电保护装置是电力系统中对可靠性要求非常严格的设备，在综合自动化系统中，继电保护单元宜相对独立，其功能不依赖于通信网络或其他设备。

(4)具有与系统调度中心通信功能。综合自动化系统本身具有对模拟量、开关量、电能脉冲量进行数据采集和处理的功能，也具有收集继电保护动作信息、事件顺序记录等功能，因此不必另设独立的RTU装置，不必为调度中心单独采集信息，而将综合自动化系统采集的信息直接传送给调度中心，同时也接受调度中心下达命令。

分布系统集中组屏结构的主要缺点是安装时需要控制电缆相对较多，增加了电缆投资。1

本词条内容贡献者为:

郑国忠 - 副教授 - 华北电力大学