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变电站综合自动化原理 第一章 变电站综合自动化概述 孙 抗 Tel第一章 变电站综合自动化概述 1.1 基本概念 1.2 变电站综自的优越性 1.3 综自的主要内容和基本功能 1.4 综自的设计原则和要求 1.5 综自的硬件结构 1.6 综自的发展简介 2河南理工大学电气学院 1.1.1 变电站及其自动化 电力系统的概念：传统的说法叫做发、输、配、用电设备的组合体系统； 或发电机、变压器、电力线路、电容器、电抗器和各种用电设备组成 的有机整体。 电力系统的基本特点：连续运行的系统，电能的生产、传输、分配和消耗 必须同时完成。 变电站：介于发电厂和电力用户之间的中间环节，由主变压器、母线、断 路器、隔离开关、避雷器、电容器、电抗器、互感器等设备集合而成 。具有汇集电源、变换电压等级和分配电能等功能，是电力系统的重 要组成部分。 1.1 变电站综合自动化的基本概念 为了掌握系统运行状态，需要对有关电气量进行连续测量，供运行监视、记录 为了保障变压器、输电线路安全运行，需要实现过流、过压等故障的安全保护 为了向电网调度提供系统运行状态，需要将运行信息向上级调度传送 为了提供合格的电能，需要进行有关的控制调节 3河南理工大学电气学院 1.1.2 变电站综合自动化及其系统 变电站的组成 ： 一次系统完成电能的传输、分配和电压变换工作； 二次系统完成对一次设备及其流经电能的测量、监视和故障的 告警、控制、保护以及开关闭锁、厂站远动系统等工作。 常规变电站的二次系统主要包括继电保护(保护屏)、故障录波(录波屏 ) 、当地监控(控制屏)以及远动(中央信号屏)四部分。 存在的问题： 四个部分的硬件设备按各自功能单独配置，设备之间互不兼容 大量电缆及端子排的使用增加了投资，设计、配线、安装、调试复杂 难以实现“四遥”功能 1.1 变电站综合自动化的基本概念 4河南理工大学电气学院 1.1.2 变电站综合自动化及其系统 变电站综合自动化的概念： 将变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自 动装置和远动装置）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计 算机技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设 备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以 及与调度通信等综合性的自动化功能。 是利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统。 是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站领域的 综合应用。 1.1 变电站综合自动化的基本概念 5河南理工大学电气学院 比较项 目常规变电 站综合自动化变电 站 继电 保护及自动 装置 大多电磁型、小规模集成电路型 、晶体管型 微机型或大规模集成电路型 二次信息传输设 备 大量电缆 ，传输 模拟信号，强电 传输 （信息量小、灵活性差、可靠 性低、功耗大） 网线、光纤，传输 数字信号，弱电传 输 处理核心人（受值班人员的技术水平等条 件影响正确性、可靠性） 计算机（按规定程序执行） 指示仪表模拟式（表计指针式，误差大）数字指示（监控系统上） 信号系统灯光（光字牌）、音响（电笛、电 铃），为一对一信息。 告警信息、报文、音响（电笛、电铃 ）、语音，信息共享，一对多信息。 其他占地面积大，控制室设备 复杂。占地面积小，控制室设备简单 。 1.2 变电站综合自动化的优越性 6河南理工大学电气学院 传统的变电站存在的问题： 安全性、可靠性不能满足现代电力系统高可靠性的要求； 供电质量缺乏科学的保证（电能质量的主要指标是电压、频率和谐波 ） 占地面积大，增加了征地投资； 不适应电力系统快速计算和实时控制的要求； 维护工作量大，设备可靠性差，不利于提高运行管理和自动化水平。 变电站实现综合自动化的优越性： 提高变电站的安全、可靠运行水平； 提高供电质量，提高电压合格率； 简化了变电站二次部分的硬件配置； 提高电力系统的运行管理水平； 缩小变电站占地面积，减少总投资； 减少维护工作量，减少值班员劳动量； 有利于提高变电站无人值班管理水平。 1.2 变电站综合自动化的优越性 7河南理工大学电气学院 1.2 变电站综合自动化的优越性 型号生产厂家监控机操作系统 CSC2000 V2北京四方Windows/UNIX BSJ-2200南瑞科技UNIX RCS-9000南瑞UNIX RCS-9600/9700南瑞继保UNIX/Windows PS 6000国电南自Windows PowerComm2000上海惠安UNIX CBZ-8000许继自动化Windows/Linux 8河南理工大学电气学院 变电站综合自动化的主要内容： 实现变电站正常运行的监视和操作，保证变电站的正常运行和安全； 当发生事故时由继电保护和故障录波等完成瞬态电气量的采集、监视 和控制，迅速切除故障，完成事故后的恢复操作； 监视高压电气设备本身的运行； 将变电站所采集的信息传送给调度中心，必要时送给运行方式科和检 修中心等，以便为电气设备监视和制定检修计划提供原始数据。 变电站实现综合自动化的基本目标： 提高变电站的技术水平和管理水平 ； 提高电网和设备的安全、可靠、稳定运行水平 ； 降低运行维护成本 ； 提高供电质量，并促进配电系统自动化 。 1.3 变电站综合自动化系统的主要内容和基本功能 9河南理工大学电气学院 变电站综合自动化的基本功能（4大类）： 1. 监视和控制功能： 数据采集： 1.3 变电站综合自动化系统的主要内容和基本功能 1、模拟量的采集： 交流模拟量：U、I、P、Q 直流模拟量：T、DC220V、DC5V 有直流采样（有效值、均值）和交流采样（瞬时值）两种方式； 2、状态量的采集：各种开关状态、位置（开关、刀闸的位置信号） 国际电工委员会IEC标准,以“0”表示断开状态，以“1”表示闭合状态。 3、脉冲量的采集：主要是电能量的采集，目前也可用软件计算。 10河南理工大学电气学院 变电站综合自动化的基本功能（4大类）： 1. 监视和控制功能： 事件顺序记录SOE ：包括断路器跳合闸记录、保护动作顺序记录 故障录波与测距、故障记录： (1) 故障录波与故障测距（110kV以上线路） 输电线路长，故障影响大，须尽快查找出故障点以缩短修复时间 两种方法：微机保护装置兼作故障记录和测距；采用专用的微机故障录波器 (2) 故障记录（6-35kV） 记录继电保护动作前后与故障有关的电流量和母线电压 操作控制功能： 操作人员都可通过人机接口（键、鼠、显示器）对断路器和隔离开关进行 分、合操作； 对变压器分接开关位置进行调节控制； 对电容器进行投、切控制； 为防止计算机系统故障，在设计上应保留人工直接跳、合闸手段； 断路器操作应有闭锁功能。 1.3 变电站综合自动化系统的主要内容和基本功能 11河南理工大学电气学院 变电站综合自动化的基本功能（4大类）： 1. 监视和控制功能： 安全监视功能： 越限监视（电流、电压、主变温度、频率等） 监视保护装置是否失电 自控装置工作是否正常等 人机联系功能： 1.3 变电站综合自动化系统的主要内容和基本功能 变电站有人值班时，人机联系功能在当地监控系统的后台机（监控主机）上 实现；无人值班时，在远方调度中心或操作控制中心的主机或工作站上实现 。 (1)人机联系桥梁：CRT显示器、鼠标和键盘。 (2)CRT显示画面的内容 ： 1)显示采集和计算的实时运行参数 2)显示实时主接线图 3)事件顺序记录(SOE) 4)越限报警 5)值班记录 6)历史趋势 7)保护定值和自控装置的设定值 (3)输入数据：变比、定值、密码等 12河南理工大学电气学院 变电站综合自动化的基本功能（4大类）： 1. 监视和控制功能： 数据处理与记录功能 ： 谐波分析与监视： 谐波源的监视、谐波的治理。 1.3 变电站综合自动化系统的主要内容和基本功能 历史数据的形成和存储是数据处理的主要内容，包括上级调度中心、变电管 理和继电保护要求的数据。 主变和输电线路有功和无功功率每天的最大值和最小值以及相应的时间； 母线电压每天定时记录的最高值和最低值以及相应的时间； 计算受配电电能平衡率；统计断路器动作次数； 断路器切除故障电流和跳闸次数的累计数； 控制操作和修改定值记录。 打印功能 ： 定时打印报表和运行日志；开关操作记录打印； 事件顺序记录打印；越限打印；召唤打印；抄屏打印； 事故追忆打印。 13河南理工大学电气学院 变电站综合自动化的基本功能： 2. 微机保护功能 ： 微机保护的优越性 ： 1、灵活性强 ； 2、综合判断能力强 ； 3、性能稳定，可靠性高 ； 4、微机保护利用微机的记忆功能，可明显改善保护性 能、提高保护的灵敏性 ； 5、微机保护利用微机的智能特性，可实现故障自诊断 、自闭锁和自恢复； 6、体积小、功能全； 7、运行维护工作量小，现场调试方便。 1.3 变电站综合自动化系统的主要内容和基本功能 14河南理工大学电气学院 变电站综合自动化的基本功能： 2. 微机保护功能 ： 微机保护的功能 ：包括全变电站主要设备和输电线路的全套保护 。 1、高压输电线路的主保护和后备保护； 2、主变压器的主保护和后备保护； 3、无功补偿电容器组的保护； 4、母线保护； 5、配电线路的保护； 6、不完全接地系统的单相接地选线。 1.3 变电站综合自动化系统的主要内容和基本功能 15河南理工大学电气学院 变电站综合自动化的基本功能： 3. 自动控制装置功能： 电压、无功综合控制：电力系统长期运行的经验和研究、计算的结 果表明，造成系统电压下降的主要原因是系统的无功功率不足或无 功功率分布不合理。对发电厂来说，主要的调压手段是调整发电机 的励磁；在变电站主要的调压手段是调节有载调压变压器分接头位 置和控制无功补偿电容器； 1.3 变电站综合自动化系统的主要内容和基本功能 低频减负荷控制 ：电力系统的频率是反映系统有功功率是否平衡 的指标。系统有功功率有盈余时，频率上升 。负荷变化幅度小， 变化周期短所引起的频率偏移，由发电机的调速器进行调整（一 次调整）；负荷变化幅度大，变化周期长所引起的频率偏移，须 由调频器参加调整（二次调整）；事故情况下（大型发电机组突 然切除），必须采取紧急的低频减负荷控制措施。 备用电源自投控制：明备用（备用电源不工作）、暗备用 16河南理工大学电气学院 变电站综合自动化的基本功能： 4. 远动及数据通信功能 ： 通信功能： 1、现场级通信； 2、与上级调度通信； 3、符合部颁的通信规约 。支持最常用的Polling和CDT规约 1.3 变电站综合自动化系统的主要内容和基本功能 时钟功能： 与调度中心对时，统一时钟 17河南理工大学电气学院 系统运行的安全性； 信息共享； 充分体现综合性； 技术先进性； 结构上的灵活性； 通信的可靠性； 运行模式的适应性； 很强的抗干扰能力； 标准化和开放性。 1.4 变电站综合自动化系统的设计原则与要求 18河南理工大学电气学院 变电站综合自动化系统的结构形式通常可分为：传统改造式、集中组屏 式、分层分布式、完全分散式和分散集中结合式等五种类型。 1. 传统改造式，在变电站传统自动化的基础上，改进测控方式，增 加监控部分而组成的一类变电站综合自动化系统。分为： 保留RTU形式 取消RTU形式 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 19河南理工大学电气学院 CRT PC机 RTU微机保护 打印机 模 拟 量 开 关 量 脉 冲 量 控 制 量 调 节 量 上级调度 或监控中心 传统改造式（保留RTU） 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 系统构成：实际上是在常规的继电保护及二次接线的基础上增设 RTU装 置以实现“四遥”功能。 p 有关重要信息(如保护动作信息等)通过硬接点送给 RTU装置； p 变电所的监测量一般经变送器变换后送给 RTU p 开关监测量是直接引至RTU， RTU的控制输出一般经遥控执行柜发出控制命令 p PC机及其外设承担站内当地监控任务 p 变电站对外的信息交换均通过RTU与上级调度通信完成。 20河南理工大学电气学院 CRT PC机 RTU微机保护 打印机 模 拟 量 开 关 量 脉 冲 量 控 制 量 调 节 量 上级调度 或监控中心 传统改造式（保留RTU） 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 基本特点是： 1、结构简单； 2、投资少，只在常规远动装置外增加当地监控； 3、功能简单，综合性能差； 4、保留了变电站内原来的二次回路。 21河南理工大学电气学院 传统改造式（取消RTU） 上级调度或监控中心 总控单元当地监控微机保护 测控单元(n)测控单元(2)测控单元(1) RS485总线 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 系统构成：由微机保护、测控单元和总控单元等部分组成。与保留 RTU形式的系统相比，信息采集由一些独立的测控单元完成，RTU 的有关功能由总控单元完成。总线完成总控与测控单元之间的通信 。 基本特点是： 1、测量、控制、保护单元分布在原有柜层上，不增加屏柜； 2、不需改动原有的二次回路； 3、扩充性较好，增加的测控单元可连接到总线上； 4、综合性能不高。 该类系统仅为变电站综合自动化的初级形式（第一代），尚不能称为综合 自动化系统。特别适合于老站改造。 22河南理工大学电气学院 2. 集中组屏式，是指采用一台或两台计算机完成变电站的所有继电保护 、测量监视、操作控制、中央信号数据通信和记录打印等功能。系统各 功能模块与硬件无关，采用模块化软件连接来实现，集中采集模拟量、 开关量和数字量等信息，集中处理运算，分别完成微机保护、自动控制 等功能。 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 上级调度或监控中心 监控主机显示、打印总控单元 高压 微机 保护 RS232、 RS422、 RS485 中压 微机 保护 遥测 单元 遥信 单元 电能 单元 遥控 单元 交、 直流 单元 VQC 单元 时钟 单元 23河南理工大学电气学院 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 每台计算机的功能较集中，如果一台计算机出故障，影响面大，因 此必须采用双机并联运行的结构才能提高可靠性； 软件复杂，修改工作量大，系统调试复杂； 组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须 另行设计，工作量大； 不直观、不符合运行和维护人员的习惯，调试和维护不方便，程序 设计麻烦，只适合于保护算法比较简单的情况。 基本特点是： 按功能划分单元； 功能单元间相互独立，互不影响； 可集中也可分散安装； 扩充性好； 综合性能较强。 最大缺点是： 早期的变电站综合自动化系统。 24河南理工大学电气学院 3. 分层分布式，是指将整个变电站的一次、二次设备分为3层，即变电站 层、单元层（或称间隔层）和设备层。 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 监控主机 控 制测 量 保 护 单 元 1 远动主机 故障录波 保 护 单 元 n TV TA 高压 设备 TV TA 高压 设备 TV TA TV TA 断 路 器 断 路 器 单 元 层 设 备 层 变 电 层 0 层 1 层 2 层 n 从硬件结构上按功能对装置进行了划分，摒弃了集中式单CPU结构而走向分散。 n 各功能单元(设备)通过通信网络等手段实现有机结合，构成系统。 25河南理工大学电气学院 分层分布式基本特点： 分层分布式的配置：系统采用按功能划分的分布式多CPU系统，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；在综合自动化系统的管理上，采取分层管理的模式 ； 继电保护相对独立 ； 具有与控制中心通信功能 ； 可靠性高 ； 维护管理方便； 需要电缆较多。 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 这类系统做到了一定程度上的分散：将微机保护、监控、故障录波 、微机远动等按功能分散考虑，一个功能模块管理多个设备或单元 。 某个功能模块出现故障，将影响多个设备。 功能分散 26河南理工大学电气学院 4. 完全分散式 ：将设备分为变电站层设备(站控级)和间隔层设备(间隔级)。间隔层 以变压器、断路器、母线等一次主设备为安装单位，将保护、控制、输入/输出、闭 锁等单元就地分散安装在一次主设备的开关屏（或柜）上，安装在主控室内的主控 单元通过现场总线与这些分散单元进行通信，主控单元通过网络与监控主机联系。 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 显示、打印监控主机 总 控 A 总 控 B 上级调度 或监控中心 CANnet或LONWORK 测 量 控 制 保 护 1号开关柜 测 量 控 制 保 护 2号开关柜 测 量 控 制 保 护 N号开关柜 远方诊断 n 设计的原则是：凡是可以在本间隔层设备完成的功能，尽量由间隔层设备就地 独立处理，不依赖于通信网和变电站层设备。 n 变电站层设备是通过间隔层设备了解和掌握整个变电站实时运行情况、并通过 间隔层设备实现变电站控制，它还负责站内信息收集、分析、存储以及与远方 调度中心的联系。27河南理工大学电气学院 4. 基本特点是： 系统部件完全依主设备分散安装分层分布式的配置：独立性强， 硬件故障不会波及到其他单元； 节约控制室面积 ； 节约二次电缆 ； 综合性能强 。 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 综合自动化系统的发展方向 单元分散 28河南理工大学电气学院 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 29河南理工大学电气学院 5. 集中分散结合式 ，是指既有集中部分又有分散部分。按集中和分散的不 同结合可分为：局部集中总体分散结构、高压集中配电分散结构 。 对于枢纽级变电站，需要测量、控制、保护的主设备较多，不宜采用完全 分散式结构 根据变电站的电压等级和规模,设置几个设备控制小间,将测量、控制、保 护集中组屏安装在这些小间,多个设备小间由站级总控单元集中管理 兼有集中式和分散式结构的优点, 适用于容量大,进出线多的中高压变电站 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 30河南理工大学电气学院 5. 集中分散结合式 ，是指既有集中部分又有分散部分。按集中和分散的不 同结合可分为：局部集中总体分散结构、高压集中配电分散结构 。 将高压线路保护和测控及主变压器保护装置等采用集中组屏, 而将配电线 路的保护和测控单元分散安装在开关柜内 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 31河南理工大学电气学院 5. 集中分散结合式基本特点： 配电线路的保护和测控单元，分散安装在各开关柜内，简化了变电 站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积 ； 高压线路保护和变压器保护采用集中组屏结构，保护屏安装在控制 室或保护室中，处于比较好的工作环境中，有利于提高可靠性 ； 简化了变电站二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆 ； 模块与监控主机间通过局域网或现场总线连接，原来变电站内大量 的信号传输改变为数据传输，抗干扰能力强，可靠性高 ； 分层分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便。 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 32河南理工大学电气学院 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 33河南理工大学电气学院 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 34河南理工大学电气学院 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 35河南理工大学电气学院 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 36河南理工大学电气学院 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 37河南理工大学电气学院 1.5 变电站综合自动化系统的硬件结构 38河南理