变电站综合自动化（Substation ）教案.docx

变电站综合自动化 教案第一章 变电站综合自动化系统(SAS，Substation Automation System)概述 1.1 变电站综合自动化(SA，Substation Automation)的概念 1.1.1 SA概念 常规变电站自动化存在的主要问题: 1) 装置相互独立 2) 运行管理自动化水平低 3) 测量显示不精确 SA: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、远动装置等)经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、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。 SAS:由基于微电子技术的智能电子装置(IED)和后台控制系统所组成的变电站运行系统，包括监控、保护、电能质量自动控制等多个子系统。 SAS的核心是自动监控系统，纽带是局域通信网络。 1.1.2 SAS的基本特征 1) 功能综合化 2) 分级分布式、微机化的系统结构 3) 通信网络化 4) 运行管理智能化 5) 测量显示数字化 6) 操作监视屏幕化 1.1.3 SA的优越性 1) 在线运行的可靠性高 2) 供电质量高 3) 供电可靠性高 4) 运行管理自动化水平高 5) 减少控制电缆，缩小占地面积 6) 维护调试方便 7) 为变电站无人值班提供了可靠的技术条件 1.2 SAS的基本功能 1) 测量、监视、控制功能 取代常规测量装置，取代常规信号系统 采集数据信息化 取代常规操作机构、闭锁设备、远动装置 2) 继电保护功能 微机保护:输电线路保护、变压器保护、母线保护、电容器保护;根据需要装配故障录波和测距。 3) 自动控制智能装置 (1) 电压无功综合控制 (2) 低频减载 (3) 备自投 (4) 小电流接地选线控制 (5) 同期检测和同期合闸 4) 远动及数据通信功能 (1) 现场级通信 (2) 与上级调度通信 取代常规RTU(Remote Terminal Unit) 四遥: 遥信:远程信号。采集并传送各种保护和开关量信息。 遥测:远程测量。采集并传送运行参数包括各种电气量和负荷潮流等。 遥控:远程控制。接受并执行遥控命令主要是分合闸。 遥调:远程调节。接受并执行遥调命令调节变压器分接头等。 5) 自诊断、自恢复和自动切换功能 6) 人机联系功能 1.3 SAS结构形式 1.3.1 集中式结构 集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制功能(安装在主控室内)。 1.3.2 分层分布式结构 计算机技术、网络技术 1) 结构特点 (1) 分层式的结构 变电站层(站控层) 2 间隔层 1 过程层 0 (2) 分布式的结构 分布式计算机系统 (3) 面向间隔的结构 间隔层设备是面向电气间隔的 (开关柜) 2) 组屏及安装方式 (1) 集中式 将间隔层中各保护测控装置集中安装在主控室内。 (2) 分散与集中相结合 将配电线路的保护测控装置分散安装在对应开关柜内，将高压线路、变压器等的保护测控装置集中安装在主控室内。 (3) 全分散式 所有间隔的保护测控装置均安装在对应的开关柜内，或一次设备附近的保护小间内。 1.4 SAS的配置 自学讨论: 1. 五防, 1、防止带负荷分、合隔离开关。 2、防止误分、误合断路器。 3、防止接地开关处于闭合位置时关合断路器。 4、防止在带电时误合接地开关。 5、防止误入带电间隔 2. 何谓面向对象设计, 3. AVQC是指什么, 4. 图1-19采用的是何种组屏方式, 提问: (1) 常规变电站自动化系统存在哪些缺点, (2) 何谓“四遥”, (3) 按照IEC61850标准，变电站综合自动化系统可以分为哪三层, (4) 分层分布式变电站综合自动化系统的具体实现可分为几种方式, 1.5 SA技术的发展趋势 (1) IED的发展 (2) 非常规互感器 电子互感器(有源)、光互感器(无源) (3) IEC61850标准 互操作性、开放式系统 (4) 网络通讯技术 现场总线、以太网 (5) 设备的状态监测与故障诊断 (6) 多媒体监视 (7) 电能质量 (8) 满足电力市场改革及分布式电源接入的需要 第二章 SAS的过程层设备 (补充内容) 第三章 SAS的间隔层设备 间隔层设备可分为 1) 保护、测控装置 (1) 测控装置 主要完成对某间隔的测量(电压、电流、温度、压力等)和控制(断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头)，以及其他相关任务。 (2) 保护装置 对于某一间隔设备的保护任务，如线路保护、主变保护、母线保护、电容器保护等。 (3) 保护测控综合装置 主要用于完成相应电气间隔中设备的保护、测量以及断路器、隔离开关等的控制。 一般用于中低压级别(110KV以下系统) 对于110kV及以系统，保护装置和测控装置一般相互独立 2) 公用间隔层装置 变电站中的一些公共信号及测量值，如直流系统故障信号、合闸电源故障等。需要一个或几个公共间隔层装置进行信息的采集和处理。 3) 自动装置 备自投、电压无功控制等 4) 其他智能装置 3.1 保护、测控装置 3.1.1 输电线路间隔的保护与监控装置 1)监控功能 (1)测量及监视 模拟量采集:电流、电压、有功、无功、功率因数、频率、运行小时数 开关量的采集:如断路器触头位置、弹簧储能微动开关位置、远方/就地等 脉冲量采集:电能表脉冲量采集 (2)控制功能 断路器、隔离开关等的正常分合操作 (3)同期功能 合闸两次电压是否满足合闸条件 (4)防误联锁 本间隔自身内的闭锁与其他间隔之间的闭锁 (5)其他功能 2)保护功能 (1)三段式定时限过流保护功能 (2)三段式定时限零序过流保护功能 (3)小电流接地选线功能 (4)过负荷保护 (5)自动重合闸 (6)稳控装置:低频减载、低压解列 3)事故记录 故障录波、事件顺序记录等 4)通信功能 设备调试RS232接口 网络通信:RS485接口，现场总线接口、工业以太网接口等 3.1.2 主变压器的保护与监控 1)监控项目 (1)测量监视 模拟量采集(遥测对象): 电压、电流、功率、COS，油温等 开关量采集(遥信对象): 主变高中低压侧断路器的位置信号、有载调压开关位置信号，保护装置的动作信号 (2)控制 遥控对象及遥调对象 主变高中低压侧断路器、隔离开关、中性点接地开关，有载调压开关的调节 2)保护项目 (1)差动保护或电流速断保护 (2)过电流保护、零序电流保护、过负荷保护等 (3)非电量保护(重瓦斯、轻瓦斯保护等) 变压器的故障: 内部故障:指油箱内的短路故障 变压器绕组的相间短路 包括 变压器绕组的匝间短路 中性点接地侧的单相接地短路 外部故障:指油箱外引出线的短路故障 相间短路 单相接地短路 变压器不正常工作状态: 外部短路引起的过电流 油箱漏油造成油面降低 外部接地短路引起中性点过电压 过负荷 绕组过电压 频率降低引起的过励磁 油温过高等应装设的继电保护装置 (1) 瓦斯保护 防御变压器油箱内各种短路故障 重瓦斯 跳闸 轻瓦斯 信号 (2) 纵差动保护或电流速断保护(小容量变压器) 防御变压器绕组和引出线的多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路 (3) 过电流保护 作为(1)(2)的后备 (4) 零序电流保护:防御大接地电流系统中变压器外部接地短路 (5) 过负荷保护:防御变压器对称过负荷 (6) 过励磁保护:防御变压器过励磁 3.1.3 保护测控装置的典型硬件机构 打印机开关量输入液晶显示器数据采集系统人机接口触模按键u/i微型机系统开关量输出继电器 驱动电路? 数据采集系统 微机系统只能识别数字量，保护所反应的电流、电压等模拟信号需转换为相应的微机系统能接受的数字信号。 ? 微机系统 保护测控装置的核心，一般包括:微处理器(CPU)、存储器、定时器等。CPU是微机系统自动工作的指挥中枢; 存储器是用于保存程序和数据; 定时器用于触发采样信号，在V/F变换中，是频率信号转换为数字信号的关键部件。 ? 开关量输入/输出系统 输入系统用于采集有接点的量(如瓦斯保护、温度信号等)作为开关量输入;执行通过开关量输出，起动信号、跳闸继电器等，完成保护各种功能。 ? 人机对话接口 用于调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。 包括:打印、显示、键盘及信号灯、音响或语言告警等。 ? 电源 电源是微机保护装置重要组成部分，通常采用逆变稳压电源。 一般集成电路芯片5V 数据采集系统芯片正、负15V或12V。 继电器回路则需要24V 3.2 自动控制装置 3.2.1 电压无功综合自动控制装置 1) 控制目标 (1) 维持供电电压在规定的范围内 允许电压偏移: VV,N(%)*100,V VN35kV及以上电压供电的负荷:?5% 10kV及以下电压供电的负荷:?7% 低压照明负荷: +5%，-10% 农村电网(正常): +7.5%，-10% 农村电网(事故): +10%，-15% (2) 保持电力系统稳定和合适的无功平衡 (3) 保证在电压合格的前提下是电能损耗最小 2) 控制原理 以降压变电所为例 ?U=U-U=(PR+QX)/U 12LTLT2调压手段 (1)调整变压器变比KT U偏低，减小K;U偏高，增大K 2T2T(2)无功补偿 ?U=U-U=(PR+(Q-Q)X)/U12LTLCT2 传统控制方式:运行人员根据控制计划调整 电压无功综合自动控制装置 3) 对综合自动控制装置的基本要求 (1) 自动对变电站的运行方式和运行状态进行监视并识别 (2) 对目标电压、允许偏差范围、功率因数上下限能灵活整定 (3) 考虑各种条件的限制 (4) 发出控制命令后自动检查是否成功;若不成功，应作出相应处理;打印记录 (5) 对变电站运行情况予以显示 (6) 自检、自恢复 (7) 闭锁 4) VQC实现方式 自带I/O的独立硬件装置;软件VQC 5) 装置主要功能简介 (1) 运行方式识别 以两台主变的变电站为例，四种运行方式: 两台主变并列运行;分列运行;1号主变运行，2号停运;2号运行，1号停运 (2) 运行状态的检测和识别 各电气量的所处状态 九区图 0区，电压和功率因数均合格 简单越限 1区电压超过上限，5区低于下限，调分接头 7区功率因数超上限，切电容器;3区低于下限，投电容器 双参数越限 2区，电压超上限，功率因数低于下限，先调分接头，再投入电容器 4区，电压和功率因数同低于下限，先投电容器，再调分接头 6区，电压低于下限，功率因数超上限，先调分接头，再切电容器 8区，电压和功率因数同超上限，先切电容器再调分接头 控制方式 (1) 集中控制 调度中心，全局优化 (2) 分散控制 各个变电站，局部优化 (3) 关联分散控制 各个变电站的装置已整个系统的角度进行自动调控 (3) 闭锁 P88页 (4) 监视与记录功能 3.2.2 备用电源自动投入装置 备用电源自动投入装置是电力系统故障或其他原因使工作电源被断开后，能迅速将备用电源或备用设备或其他正常工作的电源自动投入工作，使原来工作电源被断外的用户能迅速恢复供电的一种自动控制装置，简称AAT装置。 1) 备用方式 (1) 明备用 系统正常时，备用电源不工作，称为明备用。 (2) 暗备用 系统正常运行时，备用电源也投入运行的，称为暗备用。暗备用实际上是两个工作电源互为备用。 2)基本要求 (1)工作电源确实断开后，备用电源才投入。这是为了防止备用电源投入到故障元件上。 (2)手动跳开工作电源时，备用电源自动投入装置不应动作。 (3)备用电源自动投入装置只允许动作一次。 “充放电” (4)工作母线上的电压不论因何原因消失时，AAT均应动作。 工作母线失压时还必须检查工作电源无流，才能启动备用电源自动投PT二次侧断线造成误投。 人装置，以防止(5)备用电源不满足有压条件，备用电源自动投入装置不应动作。 (6)应具有闭锁备用电源自动投入装置的功能。 (7)切除工作电源断路器必须经延时。 这是为躲过工作母线引出线故障造成的母线电压下降。 3)工作原理 (1)硬件结构 这是一个较简单的单CPU系统。由于备用电源自动投入的功能并不是很复杂，为简单起见，采样、逻辑功能及人机接口均由同一个CPU完成。由于备用电源自动投入对采样速度要求不高，因此此硬件中模数转换器可以不采用VFC类型，宜采用普通的A/D转换器。 一般由CPU插件、电源插件、逻辑及跳闸插件、人机对话插件组成。 (3) 软件原理 动作逻辑由允许条件、闭锁条件和充放电逻辑三部分组成。 计数器“充电”的条件是:?不是所有允许条件都满足;?且时间超过10s。以上条件同时满足后为“充电”满状态。 计数器“放电”的条件是:?任一闭锁条件满足;?或备自投动作出口。以上条件满足任一个，立即对该计数器“放电”。 3.2.3 自动低频减载装置 事故情况下，系统可能产生严重的有功缺额，因而导致系统频率大幅度下降。若所缺功率已经大大超过系统热备用容量，只能在系统频率降到某值以下，采取切除相应用户的办法来减少系统的有功缺额，使系统频率保持在事故允许的限额之内。这种办法称为低频自动减负荷(低频减载)。 运行规程要求电力系统的频率不能长时期的运行在49.5,49Hz以下;事故情况下不能较长时间的停留在47Hz以下，瞬时值则不能低于45Hz。 在系统发生故障，有功功率严重缺额，需要切除部分负荷时(尽可能做到有次序、有计划地切除负荷，并保持所切除负荷的数量合适，以尽量减少切除负荷后所造成的经济损失。这就是自动按频率减负荷装置的任务。 1) 自动按频率减负荷的基本工作原理 f1fN2f,1f03f6,(2)4f525f,(1)f,(0)3,tt12to图3-23系统频率的变化过程fff,nP,aP，aP()，aP()，,，aP() L,LN,LN,LNnLNfffNNN2) 实现方式 目前，用微机实现自动技频率减负荷的方法大体有两种:?采用专用的自动按频率减负荷装置实现。?把自动按频率减负荷的控制分散设在每回馈电线路的保护装置中。 3) 硬件结构 3.3 故障录波装置 故障录波装置是当电力系统发生故障时，能迅速直接地记录下与故障有关的运行参数的一种自动记录装置。 微机式故障录波可根据需要采用两种方式实现，一是配置专用微机故障录波器，并能与监控系统通信;另一种则由微机保护装置兼作记录及测距计算，再将数字化的波形及测距结果送监控系统，由监控系统存储及打印波性。 3.3.1 主要作用 1) 为正确分析故障原因、研究防范对策提供原始资料。 2) 帮助寻找故障点。 3) 积累运行经验，提供运行水平。 4) 为检修工作提供依据。 5) 核对系统参数的准确性。 6) 统计分析系统振荡的有关参数。 3.3.2 启动判据 1) 模拟量启动 (1) 突变量启动 (2) 越限启动 (3) 频率启动 (4) 振荡启动 2) 开关量启动 3) 手动和遥控启动 3.3.3 录波数据的记录方式和存储格式 1)记录方式 整套装置的数据记录方式分为稳态记录和动态记录:能连续记录电压、电流(含负序电流)、有功功率、频率等重要电气量。 (1)稳态数据记录。记录时间间隔可整定，稳态数据记录包含所有的模拟量通道信息和开关量状态信息以及频率信息。稳态量数据记录的最小时间间隔为 20ms;可保留至少4天的稳态数据。 (2)动态数据记录。 当发电机组或电网有大扰动时，装置自动启动，进入暂态记录过程: A时段:系统大扰动开始前的状态数据，输出原始波形(采样率大于4800Hz)，记录时间0.12s到0.5s可调，调节步长0.02s(默认4800Hz/0.12s)。 B时段:系统大扰动后初期的状态数据，输出原始记录波形(采样率大于4800Hz)，记录时间0.1s到0.3s可调调节步长0.02s(默认4800Hz/0.2s)。 C时段:系统大扰动的中期状态数据，输出低采样率的原始波形(采样率600Hz)，记录时间3s。 D时段:系统动态过程数据，每0.1s输出一个工频有效值，记录时间20s。如果D时段20s记录结束后启动量依然没有复归，新开文件按照D时段记录10min，如果10min记录满启动量依然没有复归，追加10min，最多追加20min文件结束。 如果在录波过程中又发生不同录波启动方式的另一种故障即有新的启动，则重新进入B 段或C 段录波。 ?记录方式 1.单一启动的记录 符合任一模拟量启动或开关量启动条件，按A?B?C?D时段顺序执行。 2.记录过程中有新启动的记录 新启动是指:突变量启动;断路器跳合闸信号启动。 a)在记录的B阶段中，如遇新启动，从新启动点按B?C?D执行(B1?C1?D1)，见图2。注:A1?B1?C1?D1记录时长及采样频率同A?B?C?D，下同;b)在记录的C阶段过程中，如遇新启动，则按A?B?C?D执行(A1?B1?C1?D1);如果已经记录的C阶段时间不小于A1阶段，C阶段最后一段时间(A1阶段时长)的数据用A1阶段数据替换，见图3; 例:A阶段设置为4800Hz/0.12s，B阶段设置为4800Hz/0.2s。在C阶段记录到2s时发生了新启动，则C阶段最后0.12s的数据用A1阶段相应数据替换，C阶段变为1.88s。如果已经记录的C阶段时间小于A1阶段，C阶段全部数据用A1阶段相应时间段数据替换，A1阶段记录时长变为原C阶段已经记录的时长，见图4。 例:A阶段设置为4800Hz/0.12s，B阶段设置为4800Hz/0.2s。在C阶段记录到0.1s时发生了新启动，则C阶段数据全部用A1阶段最后0.1s数据相应替换，C阶段取消，A1阶段变为0.1s。c) 在记录的D阶段过程中，如遇新启动，则结束本文件(文件1)，新开录波文件(文件2)按A?B?C?D执行(A1?B1?C1?D1)，见图5。2)存储格式 Comtrade格式 3.3.4 发展 故障录波装置经历了三个阶段:第一阶段是机电式、光线式故障录波装置;第二阶段是微机故障录波装置;第三阶段是嵌入式故障录波装置。 3.3.5 结构及工作原理 (自学) 1) 结构模式 2) 数据采集单元 3) 分析管理单元 4) 工作流程 第四章 变电站综合自动化系统的数据通信 4.1 概述 4.1.1 变电站自动化系统的通信 1) 变电站内的信息传输 (1)过程层与间隔层的信息交换 过程层提供的信息主要有两种: ?模拟量 ?状态信息，主要为断路器或间隔刀闸的辅助触点。 (2)间隔层内设备间的通信 间隔层设备间内部通信，主要解决两个问题: ?数据共享 ?互相闭锁 (3)间隔层与变电站层的通信 间隔层和变电站层的通信内容很丰富，概括起来有以下4类: ?测量信息 ?状态信息 ?操作信息 ?参数信息 (4)变电站层的内部通信 变电站层不同设备间的通信，根据各设备任务和功能的特点，传输所需的测量信息、状态信息和操作信息等。 2) 变电站自动化系统与调度中心或控制 中心的通信 四遥 4.1.2 变电站自动化系统通信网络的要求 1) 快速的实时响应能力 (1) 响应速度 (2) 传输时间 2)高的可靠性 3)优良的电磁兼容性能 4)分层式结构 4.1.3 数据通信的传输方式 1) 并行与串行数据通信 ? 并行 ? 串行 2) 异步与同步数据传输 同步是要接收方按照发送方发送的每个位的起止时刻和速率来接收数据，否则会产生误差。通常可以采用同步或异步的传输方式对位进行同步处理。 (1) 异步数据传输 通常，异步传输是以字符为传输单位，每个字符都要附加 1 位起始位和 1 位停止位，以标记一个字符的开始和结束，并以此实现数据传输同步。 异步传输是指字符与字符(一个字符结束到下一个字符开始)之间的时间间隔是可变的，并不需要严格地限制它们的时间关系。异步传输常用于低速设备。 (2) 同步数据传输 发送前，收发双方先约定同步字符的个数及相应的代码，以便实现接收与发送的同步:接收端一旦检测到同步字符SYN，即可按双方约定的时钟频率接收数据，并以约定的算法进行差错校验，直至帧结束字段出现。 3) 工作方式 (1) 单工 单工通信只支持信号在一个方向上传输(正向或反向)，任何时候不能改变信号的传输方向。 为保证正确传送数据信号，接收端要对接收的数据进行校验，若校验出错，则通过监控信道发送请求重发的信号。 (2) 半双工 半双工通信允许信号在两个方向上传输，但某一时刻只允许信号在一个信道上单向传输。因此，半双工通信实际上是一种可切换方向的单工通信。 传统的对讲机使用的就是半双工通信方式。 (3) 全双工 全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，即有两个信道，因此允许同时进行双向传输，如图2-1-9所示。全双工通信是两个单工通信方式的结合，要求收发双方都有独立的接收和发送能力。 4.2 远距离数据通信 4.2.1 基本模型 (1) 信源/信宿 信源指信息的来源或发送者，信宿指信息的归宿或接收者。在计算机网络中，信源和信宿可以是计算机或终端等设备。 (2) 信道 信道是传输信号的通路，由传输线路及相应的附属设备组成。同一条传输线路上可以有多个信道。例如:一条光缆可以同时供几千人通话，有几千条电话信道。 (3) 噪声 噪声是指信号在传输过程中受到的干扰。 (4) 变换器 变换器的主要功能是在信源或信宿与信道之间进行信号的变换。如果在模拟信道上传输数字信号，变换器采用调制解调器(MODEM);如果在数字信道上传输模拟信号，变换器采用编码解码器(CODEC)。 4.2.2 调制与解调 调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。 根据所控制的信号参量的不同，调制可分为: 调幅，使载波的幅度随着调制信号的大小变化而变化的调制方式。 调频，使载波的瞬时频率随着调制信号的大小而变，而幅度保持不变的调制方式。 调相，利用原始信号控制载波信号的相位。Modem，其实是Modulator(调制器)与Demodulator(解调器)的简称。 4.2.3 信息通道 1) 有线信道 (1) 音频电缆 电力系统专用