毕业设计（论文）-灵武矿区古窑子110KV变电站综合自动化系统改造.pdf

论文题目：灵武矿区古窑子 110KV 变电站综合自动化系统改造 专 业：电力系统及其自动化 研 究 生：李 翔 （签名） 指导教师：付周兴 （签名） 摘 要 本文主要讨论了灵武矿区古窑子 110kV 变电站综合自动化系统改造的设计与实 现。 变电站综合自动化系统是集电力系统保护、控制、监视、测量、故障分析等多功能 为一体的自动化系统， 可以同步完成电力系统的优化控制、 经济运行和智能决策等功能， 能够全面改善电力系统的性能。古窑子 110KV 变电站作为灵武矿区枢纽变电站，因为 其对整个灵武矿区安全生产举足轻重的地位， 从而使综合自动化改造工作具有极大的挑 战性和潜在风险，按照设备选型原则并经过比较最终确定的系统为西瑞公司 XR-2000 型分布式变电站自动化系统，将常规继电保护、自动控制装置、远动采集、计量等综合 成一体，是实现古窑子 110KV 变电站综合自动化系统的关键部分。文章介绍了变电站 综合自动化系统的的功能和组成、古窑子 110KV 变电站综合自动化改造的设计思想及 所实现的功能、改造中遇到的疑难技术问题及对策等。该项目已成功实施，无论在供电 的安全性和可靠性方面，还是在提高运行管理的整体效率方面，都取得了有目共睹的显 著效果，更重要的是对以后类似的改造提供了可资借鉴的宝贵经验。 关 键 词：变电站综合自动化；改造；设计与实现 研究类型：应用研究 Subject ：The LingWu Mining Area Ancient Kiln Sub-110kV Transformer Substation Synthesis Automated System Transforms Specialty ：Power Systems and Automation Name ：Li Xiang （Signature） Instructor ：Zhouxing Fu （Signature） ABSTRACT This article mainly discussed the design and the realization which lingwu the mining area ancient kiln sub-110KV transformer substation synthesis automated system transforms. The transformer substation synthesis automated system is the collection electrical power system protection, the control, the surveillance, the survey, the fault analysis and so on multi-purpose is a body automated system, may synchronization complete function and so on electrical power system optimized control, economical movement and intelligent decision-making, can comprehensively improve the electrical power system the performance. The ancient kiln sub- 110KV transformer substation because it took lingwu the mining area key position transformer substation important status enable its synthesis automation transformation work to have the enormous challenge, determines the system in principle according to the equipment shaping for the xirui company XR-2000 distributional transformer substation automated system, the convention relay protection, the automatic control device, far moves synthesis and so on gathering，measurement synthesizes a body, is realizes the ancient kiln sub-110KV transformer substation synthesis automated system key to be partial. The article introduced transformer substation synthesis automated system the function and the composition, the ancient kiln sub-110KV transformer substation synthesis automation transformation design thought and realizes in the function, the transformation meets difficult technical question and countermeasure and so on.This project has succeeded the implementation, regardless of in power supply security and reliable aspect, in the enhancement movement management overall efficiency aspect, has all obtained the remarkable effect which is obvious to all, will provide more importantly to the later similar transformation has been possible to help the model valuable experience. Key word：Transformer substation synthesis automation transformation design and realization Thesis ：Application Research 目 录 I 目 录 1 绪论1 1.1 课题研究的背景及意义1 1.2 变电站自动化系统国内外研究动态及发展趋势2 1.2.1 变电站自动化技术现状.2 1.2.2 变电站自动化技术发展趋势.5 2 古窑子 110KV 变电站综合自动化改造的构想与功能设计8 2.1 古窑子 110KV 变电站现实情况8 2.1.1 主接线及主要一次设备.8 2.1.2 控制、保护及自动装置.8 2.1.3 其它辅助设备.9 2.2 改造的原则及构想.9 2.2.1 基本原则.9 2.2.2 基本构想.9 2.3 古 110KV 变电站自动化系统结构形式的选择.10 2.4 古 110KV 变电站综合自动化改造后实现的功能.11 2.4.1 继电保护功能 11 2.4.2 信息采集功能 12 2.4.3 设备控制及闭锁功能 12 2.4.4 报警功能 12 2.4.5 设备监视功能 12 2.4.6 操作票自动生成功能 12 2.4.7 数据处理及打印功能 13 2.4.8 人机接口功能 13 2.4.9 远程通信功能 13 3 古窑子 110KV 变电站综合自动化改造设备选型与功能实现14 3.1 古 110KV 变电站自动化设备选型遵循的原则.14 3.2 XR-2000 型变电站自动化系统概述14 3.2.1 系统总体结构 14 3.2.2 网络设计15 3.2.3 硬件设计16 3.3 古 110KV 变电站综自改造保护测控装置详细配置.16 目 录 II 3.3.1 110KV 侧保护测控装置配置.16 3.3.2 主变压器保护测控装置配置17 3.3.3 35KV 侧保护测控装置配置.25 3.3.4 6KV 侧保护测控装置配置.25 3.4 古窑子 110KV 变综合自动化改造工作实现的技术方案.27 3.4.1 采取的研究方案：27 3.4.2 采取的技术路线：28 3.5 改造中对系统抗干扰问题及试验检测采取的措施.28 3.5.1 变电所二次设备29 3.5.2 保护装置的调试和检验29 3.6 防误闭锁装置存在的问题及微机型防误闭锁装置的改造.30 3.7 综合自动化改造后的效果评估.32 4 古窑子 110KV 变电站综合自动化改造中遇到的技术难点及对策33 4.1 改造中保护测控及自动装置配置中存在的问题及对策.33 4.1.1 电压切换测控装置33 4.1.2 低压回路和备用电源自动投入装置34 4.2 综合自动化改造施工组织中的问题及对策.34 5 总结36 致 谢37 参考文献38 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 神华宁煤集团灵武矿区水电公司古窑子 110KV 变电站是整个灵武矿区的枢纽变电 站， 该站所采用的二次继电保护设备和综合自动化技术的水平直接影响到全矿区电力系 统的安全、可靠、稳定、经济运行及矿区的安全生产。 古窑子 110KV 变电站原采用的技术多为二十世纪八十年代末技术水平，截止目前 已运行 13 年，作为变电站的心脏保护和控制部分则采用当时较为成熟目前已基本 淘汰的晶体管四合一保护控制系统，6KV 系统则采用更为落后的电磁式保护装置。由于 使用年限已接近晶体管装置的使用寿命，相关配件原厂家已停止生产，元器件老化速度 加快，整个系统运行的稳定性和可靠性严重不足，曾多次发生由于元器件损坏造成的保 护误动和拒动事故，加之日常维护工作量大，供电安全性已满足不了其作为枢纽变电站 本身特殊地位的要求。随着变电站综合自动化技术和微机保护技术的日趋成熟，并结合 该变电站的实际情况经研究决定对该变电站进行综合自动化升级改造，本次升级改造， 确定使用了一套兼顾保护、控制、测量、故障测距、故障录波等多种功能的自动化系统， 从而扩大信息的综合应用范围， 提高设备的利用率， 完成变电所的优化控制和经济运行， 提高运行质量；同时全面提高变电站的决策智能化程度，提高变电站运行的安全性，使 变电站做到自动化运行；再者通过综合自动化系统的软硬件自检和自诊断手段，增加综 合自动化系统的可靠性，也使运行管理工作更加方便，系统所提供的各种打印机、显示 器、键盘等人机接口设备是运行人员的得力助手，对于改善运行维护的工作条件，监视 和控制变电站的有关设备十分有利，方便了变电站运行过程中的管理。在系统的选型上 综合研究采用了 XR-2000 型系列微机保护及变电站监控系统及 FY-2000 微机五防系统， 改造过程中测控保护设备采用集中组屏，设备安装方便简单，外围接线少，调试操作更 是简单，自动化监控系统及五防系统稳定、可靠，采用冗余设计方便系统扩展。在实现 自动化过程中，以继电保护为核心，将控制、测量、信号、管理信息、传输等功能高度 集合成一体，形成一个以微机监控管理系统、前置微机通讯机、测控保护装置三大部分 组成，实施遥控、遥信、遥测、遥调功能的变电站综合自动化系统。其中微机监控管理 系统设计采用一主一备的方式，主机出现故障的话会自动切换备用机进行监控管理，使 其实时性、可靠性大大提高。 同时在改造过程当中， 通过积极参与不仅可以熟练的掌握综合自动化系统的各个关 键性环节以及其内在的工作原理（包括先进的保护原理，设备硬件工作原理及技术参 数） ，同时也可以参与到其后台数据库的二次开发以及计算机通讯等多个技术性环节， 西安科技大学工程硕士学位论文 2 也能够更加深入了解和掌握微机线路保护、微机变压器保护、微机电压测控装置等的整 定调试技术，在改造工作中不断提升个人的业务技能和技术水平，增强驾驭变电站综合 自动化系统技术的能力， 为今后灵武矿区电网类似系统的运行改造以及今后矿区电网调 度自动化系统的上马做好前期技术储备。 1.2 变电站自动化系统国内外研究动态及发展趋势 “变 电站自动化系统”(Substation Automation System-SAS)名词，国际电工委员会解 释为“在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化系统(SAS-Substation Automation System: The SAS provides Automation in a Substation including the Communication infrastructure)”2。 在国内， 我们所说的变电站自动化系统， 包含传统的自动化监控系统， 继电保护、自动装置等设备,是集保护、测量、控制、远传等功能为一体，通过数字通信 及网络技术来实现信息共享的一套微机化的二次设备及系统。 变电站自动化技术经过十 多年的发展已经达到一定的水平， 在我国城乡电网改造与建设中不仅中低压变电站采用 了自动化技术实现无人值班， 而且在 220kV 及以上的超高压变电站建设中也大量采用自 动化新技术，从而大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可能 性，降低了变电站建设的总造价，这已经成为不争的事实。然而，技术的发展是没有止 境的，随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站 运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势 必对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响，全数字化的变电站自动化系统即将出 现。 1.2.1 变电站自动化技术现状 1、变电站自动化技术的目前状况 目前，国内外变电站自动化系统设计上大体可分为以下 3 种结构形式： (1) 集中式结构：集中式结构是将设备按其功能归类划分，形成若干个独立系统， 各系统分别采用集中装置来完成自身的功能。集中式结构一般由 1 个或 2 个 CPU 实现 对整个变电站的保护、监视、测量、远动的集中控制。集中式控制系统的优点是构成较 简单、主机控制系统集中、便于分配调度各种实时任务、响应速度快、节省投资；缺点 是主机系统负荷繁重、主机单 CPU 可靠性不高。为了提高可靠性，一般采用双系统互 为备用。 该系统可采用前置主机和后台辅机相结合的配置方式。 前置主机完成模拟量和开关 量以及脉冲量的采样输入、变电站各种一次设备的保护功能、开关量输出控制(断路器 跳合闸操作)与信号输出、向从机传送数据等功能。从机主要完成负荷显示、打印输出、 远动通信和主机间的数据串行通信等功能。前置主机可采用 STD 总线工业控制机，后 1 绪论 3 台辅机以管理为主，可采用 PC 机。为了提高系统可靠性，可采用双系统互为备用方案， 2 套 STD 系统通过管理器来协调运行。 管理器采用可编程序控制器(PC 机)， 系统正常运 行时，一套系统与 PC 机通信，PC 机监视其运行是否正常，一旦发现异常立即由控制回 路启动另一套系统，使之投入运行，同时退出故障系统。 (2) 分散式结构：这种结构方式一般是按一次回路进行设计。首先将设备按一次安 装单位划分成若干单元，将控制单元、微机保护单元、数据采集单元安装在户外高压断 路器附近或户内开关柜内。然后将各分布单元用网络电缆互联，构成一个完整的分散式 综合自动化系统。其优点：各个功能单元上既有通信联系，又能相对独立，便于系统扩 展，便于维护管理，当某一环节发生故障时，不至于相互影响；此外，它的抗电磁干扰 能力强、可靠性高，在二次系统设计上能最大限度地减少二次设备的占地面积并节省大 量电缆及接线。 (3) 集中与分散结合式结构：这种结构方式介于集中式与分散式两种结构之间，形 式较多。目前国内应用较多的是分散式结构集中式组屏。这种结构方式具有分散式结构 的全部优点，由于采用了集中式组屏，有利于系统的设计、安装与维护管理。因为中低 压变电站的一次设备比较集中，宜采用此种结构方式。 2、变电站内通信网络 目前变电站内的通信大多采用现场总线及部分以太网。基于网络技术的现场总线 无论在通信速率和实时性， 还是在可靠性和组网的灵活性上均远高于简单的串行通信技 术，因此在很短时间内便成为变电站自动化系统的主流通信技术，同时也使变电站自动 化系统的整体结构发生了本质的变化。 现场总线是专为小数据量工业控制领域的通信设计的廉价网络， 当作为变电站自动 化的主干网时，总体性能随节点数的增长迅速下降。由于强调专用性而牺牲了通用性， 长期缺乏统一的国际标准。在通信节点多，通信数据量大的变电站中，现场总线存在以 下局限性：当变电站通信节点超过一定数量后，响应速率下降到不能接受的水平，不能 适应大型变电站对通信的要求； 有限的带宽使录波等大量数据的传输延迟大到不能令人 满意的程度。 现场总线技术的成功和不足让我们认识到， 变电站自动化通信系统需要计算机网络 技术，更需要带宽、通用性和符合国际标准的网络技术。在带宽、可扩展性、可靠性、 经济性、通用性等方面的综合评估中，计算机网络技术必将成为变电站自动化系统中通 信技术发展的趋势。 目前，国内继电保护的发展已达到甚至超过国外同行业的水平。在保护硬件构成方 面，国内的微机保护经历了 8 位 CPU、16 位 CPU 等几个阶段，当前已发展到利用 DSP 进行信号处理、32 位 CPU 冗余设计、高精度模数变换、装置内采用网络通信技术、硬 件模块化设计等先进水平阶段。在电磁兼容设计方面均有独到之处，具有很高可靠性。 西安科技大学工程硕士学位论文 4 在保护的原理方面，国内微机保护的水平很多方面已领先于国外的同类产品。尤其 在高压线路保护方面，经多年研究，微机保护的性能比较完善，可以适应复杂的运行及 故障条件。由于通信通道技术的限制，早期的全线速动纵联保护主要由专用闭锁式或允 许式纵联方向保护和纵联距离保护构成。随着通信技术的发展，分相式光纤电流纵联差 动保护由于原理简单可靠而广泛应用。主设备保护方面，与线路微机保护相比，虽然起 步较晚，经过多年的研究已克服了早期的元件微机型保护可靠性不高，灵敏度低，动作 速度慢，TA 饱和影响较大等缺点，继电保护装置以微机原理为基础的新一代产品已经 很成熟。 3、变电站自动化技术发展阶段 变电站二次部分传统按功能分为四大类产品:继电保护、 故障录波、 当地监控和远动。 按系统模式出现顺序可将变电站自动化发展分为三个阶段： 第一阶段:面向功能设计的集中式 RTU 加常规保护模式。 80 年代及以前，是以 RTU 为基础的远动装置及当地监控为代表。该类系统实际上 是在常规的继电保护及二次接线的基础上增设 RTU 装置，功能主要为与远方调度通信 实现“二遥”或“四遥”(遥测、遥信、遥控、遥调);与继电保护及安全自动装置的联结通过 硬接点接入或串行口通信较多。此类系统称为集中 RTU 模式，目前在一些老站改造中 仍有少量使用，此阶段为自动化的初级阶段。 第二阶段:面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式。 第二阶段始于 90 年代初期，单元式微机保护及按功能设计的分散式微机测控装置 得以广泛应用，保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到后台 或调度端计算机。 特点是继电保护(包括安全自动装置)按功能划分的测控装置独立运行， 应用了现场总线和网络技术,通过数据通信进行信息交换。 此系统电缆互联仍较多， 扩展 性功能不强。 第三阶段:面向间隔、面向对象(Object-Oriented)设计的分层分布式结构模式。 第三阶段始于 90 年代中期，随着计算机技术、网络及通信技术的飞速发展，采用 按间隔为对象设计保护测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成真正意义上的分层 分布式自动化系统。目前国内外主流厂家均采用了此类结构模式。110kV 以下电压等级 变电站,保护测控装置要求一体化、 110kV 几以上电压等级保护测控大多按间隔分别设计, 对超高压变电站的规模比较大的系统,为减少中间环节,避免通信瓶颈,要求装置直接上以 太网与监控后台通信， 甚至要求保护和监控网络独立组网,由于采用了先进的网络通信技 术和面向对象设计，系统配置灵活、扩展方便。 分层分布式技术成为潮流 若按变电站自动化系统二次设备分布现状可纵向分为三层:变电站层、 网络层、 间隔 层;也有厂家或学者将网络层归入变电站层进行描述， 即纵向分为变电站层、 间隔层二层。 1 绪论 5 变电站层横向按功能分布为当地监控、保护信息管理及远方通信。变电站层功能分 布的形式取决于网络层的结构、变电站电压等级以及用户的实际需求。 当地监控功能作为当地运行人员的人机交互窗口，以图形显示、报表打印、语音报 警等各种方式实现当地的“四遥”。通过“五防”系统联锁控制开关及刀闸的跳合，并对断 路器合闸操作自动检同期， 调节变压器档位或投切电容器组， 以及与 MIS 系统安全联接 实现信息共享。 保护信息管理功能作为当地继保人员的人机交互窗口， 也可以图形显示、 报表打印、 语音报警等各种方式对继电保护及安全自动装置的运行状况如装置是否故障、 定值是否 改变、采样是否准确等进行实时监视，根据运行需要决定保护投退和定值修改，故障发 生后通过故障录波及保护动作信息进行故障分析和诊断。 远方通信功能是将当地监控和保护信息管理功能通过通信在远方实现， 是变电站实 现无人值班的前提条件。 远方监控和保护信息管理功能同样可以各自独立即通过不同的 通道和规约分别接至调度中心和保护信息管理主站， 也可以合二为一即通过同一通道接 至远方主站。 网络层完成信息传递和系统对时等功能。通过信息交换，实现信息共享，减化变电 站的设备配置，从整体上提高变电站自动化系统的安全性和经济性。目前国内外产品流 行两种网络层结构:即双层网和单层网结构。 目前采用的现场总线有:Lonworks、 Canbus、 WorldFIP、 Profibus 等， 速率为 112Mbps; 以太网通信方式，速率大多为 10Mbps/100Mbps 自适应。现场总线具有使用方便、简单、 经济的特点，以太网具有网络标准、开放性好、高速率、传输容量大的特点。但目前由 于以太网在性能和应用特点上仍不能完全替代现场总线, 面向实时控制的工业以太网技 术及标准正处于研究和制定过程中, 所以现场总线将会和以太网并存相当长时间。 间隔层主要是继保、监控设备层。可集中组屏也可分布在各继电保护小室内或安装 在开关柜上。 继保、 监控既可以各自独立也可以合二为一。 它对相关一次设备进行保护、 测量和控制，响应就地层、变电站层、远方主站的操作要求，对采集的信息进行处理上 送，并在变电站层、远方主站控制失效的情况下仍能完成保护、测量和控制功能。 三层之间的关系。变电站层、网络层、间隔层既相互独立又相互联系。变电站层功 能的实现依赖于网络层和间隔层的完好性;但是间隔层功能的实现， 特别是继电保护及安 全自动装置的功能的实现决不能依赖于网络层和变电站层;远方主站监控功能的实现应 不依赖于变电站层设备。 1.2.2 变电站自动化技术发展趋势 目前变电站综合自动化系统的设计还没有统一标准，因此标准问题（其中包括技术 标准、自动化系统模式、管理标准等问题）是当前迫切需要解决的问题。很多厂家的产 西安科技大学工程硕士学位论文 6 品只在乎经济效益而忽略了技术及质量问题， 并且电磁兼容问题是目前微机保护所有生 产厂家所遇到的难题。而且不同厂家的产品要在数据接口方面沟通，需花费软件人员很 大精力去协调数据格式、通信规约等问题。当不同厂家的产品、种类很多时，问题会很 严重。站内局域网的通信规约目前许多生产厂家各自为政，造成不同厂家设备通信连接 的困难和以后维护的隐患，不是难以通讯就是通讯上后不稳定。如果所有厂家的自动化 产品的数据接口遵循统一的、开放的数据接口标准，则上述问题可得到圆满解决，用户 可以根据各种产品的特点进行选择，以满足自身的使用要求56。 IEC61850 标准的推广应用 IEC 61850 是国际电工委员会 TC57 制定的变电站通信网络和系统系列标准， 为基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准， 也是国家电力行业相关标准的 基础。IEC 61850 制定的思路是； (1) 提高互操作性，工程实现方便； (2) 面向对象，即面向设备； (3) 满足应用技术迅猛发展要求； (4) 应对通信技术和网络技术发展的挑战。 指导工作方向为：适应现代技术水平的通信体系，实现完全的互操作，体系向下兼 容，基于现代技术水平的标准信息和通信技术平台， 通过标准化数据交换接口实现开 放式系统，例如该标准应用于所有类型的分布式 SCADA 系统。IEC 61850 不仅用于变 电站内通信，而且可用于变电站和控制中心通信。IEC 61850 标准经过多年的酝酿和讨 论，至 2003 年已正式发布大部分内容。IEC 61850 标准是全世界唯一的变电站网络通信 标准，也将可能成为电力系统中从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化无缝通信 标准，还可望成为通用网络通信平台的工业控制通信标准。当前，生产相关产品的国内 外各大公司都在围绕 IEC 61850 开展工作，并提出 IEC 61850 的发展方向是实现“即插 即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准”。为适应未来数 字化变电站发展的趋势，IEC61850 标准按通信体系及设备功能将变电站自动化系统分 为 3 层：变电站层、间隔层、过程层。变电站层设备由带数据库的计算机、操作员工作 台、远方通信接口等组成;间隔层设备由每个间隔的控制、保护或监视单元组成;过程层 设备典型的为远方 I/O、智能传感器和执行器等。 变电站自动化系统向高集成化、数字化、标准统一化方向发展 随着集成电路和计算机技术的飞速发展， 各种新型的大规模集成电路将会进一步应 用在继电保护和测控装置上，如 32 位 CPU、数字信号处理芯片 DSP、高速数据采集系 统、嵌入式实时操作系统、大容量 Flash 等。这些新器件的应用将使保护和测控装置的 电路板更加小型集成化,装置通信、数据存储及处理能力更强。将间隔的控制、保护、故 障录波、 事件记录和运行支持系统的数据处理等功能,通过模块化设计集成在一个统一的 1 绪论 7 多功能数字装置内是可行的， 间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信可统一用一层 网即光纤以太网来实现。高集成化系统的发展，无疑能降低成本，提高系统可靠性,有利 于实现统一的运行管理，目前在许多中低压站已实现。 变电站自动化系统最终向数字化发展， 指的是智能化电气的发展， 如智能开关设备、 光电式电压和电流互感器、智能电子装置(IED)等的出现，使变电站自动化技术进入了 数字化阶段。智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路逐渐取代传统的一次回 路, 使变电站层、间隔层、过程层最终用网络联接起来,并实现统一的通信标准。 本文的主要工作本文的主要工作： 1、 通过对变电站综合自动化技术现状和发展趋势的调研， 对灵武矿区古窑子 110KV 变电站现实情况，提出了古窑子 110KV 变电站综合自动化改造的整体方案。 2、提出古窑子 110KV 变电站综合自动化改造的系统构成、设备配置、保护功能设 置和网络结构，并进行设备选型。 3、针对装置之外的系统抗干扰问题和试验检测方面的注意事项，提出解决方案。 4、针对改造工作中的技术难题，提出针对性比较强及切实可行的解决方法。 西安科技大学工程硕士学位论文 8 2 古窑子 110KV 变电站综合自动化改造的构想与功能设计 2.1 古窑子 110KV 变电站现实情况 2.1.1 主接线及主要一次设备 图 2-1 古窑子 110KV 变电站一次接线系统示意图 (1)主变压器 2 台,型号为 SFS7-25MVA,接线方式为 Y/Y/, 电压为 110/38.5/6.3kV。 (2)110kV 侧为双母线接线，计有进出线线路 4 条，其中有 2 条已经配置南京南自的 WXB-87A 微机型线路保护装置。 (3)35kV 侧为双母线接线,采用 DW8 型及 LW8 型开关，有线路 10 条。 (4)6kV 侧为单母分段接线,采用 SN10 型开关,有线路 10 条。 2.1.2 控制、保护及自动装置 (1)全站公用部分：主控回路及中央信号集中于 80 年代的“四合一”集控台。站内 2 2 古窑子 110KV 变电站综合自动化改造的构想与功能设计 9 台主变压器、110kV 线路、35KV 和 6kV 线路的控制、测量及中央信号功能均采用“四 合一”集控台控制方式,另有 110kV 母差保护装置、6kV 小电流接地装置、35(6)KV 微机 消谐装置等。 (2)主变压器保护配置：主变差动保护由晶体管差动继电器及其相关回路构成；主变 重瓦斯动作于三侧开关，轻瓦斯发信号；零序电压闭锁零序电流保护；35kV(6kV)复合 电压闭锁过流保护及过负荷保护等。 (3)线路保护配置：110kV 进线分别配有 WXB-01B、WXB-51C 或 LH-11 型相间保 护、接地、距离和零序距离、接地距离 、零序电流保护（由于电力部门上级变电所保 护改造已退出运行） ，110KV（古羊线）出线配有南自 WXB-87A 微机型线路保护。35kV 线路均为“四合一”集控台中的晶体管保护(过流、速断、重合闸)。6kV 线路均为电磁式 相间电流保护，配置为过流、速断。 2.1.3 其它辅助设备 (1)计量部分分别设有 110kV 线路电度表屏、主变电度表屏、35kV 线路电度表屏、 6KV 线路电度表屏，其中部分电度表已更换为单输出式脉冲电度表。 (2)远动部分现运行南京自动化设备厂生产的WZY-1型交流采样远动装置一套,对全 站主要电气开关点实现了 YC、YX，但在改造时系统早已瘫痪。 (3)站用低压配电屏及直流屏一套。 2.2 改造的原则及构想 改造的基本原则是建立新型的中央集中控制系统，实现全站自动化；充分利用原有 设备以降低改造成本，尽可能增强各项功能。经过调研，综合分析古窑子 110KV 变电 站的实际情况，结合目前电力系统自动化技术的应用情况以及改造资金短缺的事实，在 改造之处提出几点基本构想，使古窑子 110KV 变电站最终实现综合自动化。 2.2.1 基本原则 (1)经过改造，实现全站自动化技术。 (2)充分利用原有设备进行技术改造。 (3)尽可能降低改造成本，同时尽可能增强“四遥”等各项功能。 2.2.2 基本构想 全面分析变电站的实际情况，结合目前国内自动化技术的发展水平，基于上述基本 原则，提出以下基本构想： (1)将两套 110kV 进线线路及母联开关的保护装置更换为微机型,要求其具备通信功 西安科技大学工程硕士学位论文 10 能。 (2)对已运行的 2 套南京南自 WXB-87A 型微机保护装置进行改造,使之具备测控和 通信功能。 (3)主变保护全部更换为微机保护，并组屏 2 面。 (4)拆除 “四合一”集控台，建立全站统一的自动化控制系统,并在各开关对应的控制 回路中增加就地操作功能。 (5)组建站内自动化系统以及相应的分布式通信网络。 (6)购置 2 面微机线路保护屏用于 35kV 线路,要求其具有低周减载等辅助功能。 (7)购置 2 面微机线路保护屏用于 6kV 线路,要求其具有低周减载等辅助功能。 (8)改造 2 台主变的温度测量回路，以适应测温的需要。 (9)逐步更换站内非脉冲式电度表为脉冲式电度表。 (10)采集站内隔离开关位置信号。 （11）采集站内微机小电流接地装置开关量信号。 （12）采集站内微机消谐装置开关量信号。 （13）将站内已改造的智能直流电源系统接入综合自动化系统，实现远程监测。 （14）利用 GPS 卫星对时系统进行全站统一时间。 2.3 古 110KV 变电站自动化系统结构形式的选择 目前应用较广泛的变电站自动化系统的结构形式主要有集中式、 分散与集中相结合 和全分散式三种类型。现将三种结构形式的特点简述如下。 2.3.1 集中式 集中式结构的变电站自动化系统是指采用不同档次的计算机，扩展其外围接口电 路，集中采集变电站的所有模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，分 别完成微机控制、微机保护和一些自动控制等功能。这种系统结构紧凑，体积小，可减 少占地面积，造价低，适用于对 35kV 或规模较小的变电站，但运行可靠性较差，组态 不灵活910。 2.3.2 分散与集中相结合 分散与集中相结合的变电站自动化系统是将配电线路的保护和测控单元分散安装 在开关柜内，而高压线路和主变压器保护装置等采用集中组屏的系统结构。此结构形式 较常用，它有如下特点： （1）1035kV 馈线保护采用分散式结构，就地安装，可节约控制电缆，通过现场 总线与保护管理机交换信息。 2 古窑子 110KV 变电站综合自动化改造的构想与功能设计 11 （2）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，同样通过现场总线与保护管理机通信，使这些重要的保护装置处于比较好的工作 环境，对可靠性较为有利。 （3）其他自动装置中，备用电源自投控制装置和电压、无功综合控制装置采用集 中组屏结构，安装于控制室或保护室中。 2.3.3 全分散式 全分散式的变电站自动化是以一次主设备如开关、变压器、母线等为安装单位，将 控制、I/O、闭锁、保护等单元分散，就地安装在一次主设备（屏柜）上。站控单元通 过串行口与各一次设备相连，并与管理机和远方调度中心通信。它有如下特点： （1）简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积。 （2）减少了施工和设备安装工程量。由于安装在开关柜的保护和测控单元在开关柜 出厂前已由厂家安装和调试完毕，再加上敷设电缆的数量大大减少，因此现场施工、安 装和调试的工期随之缩短。 （3）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。 （4）全分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便，且抗干扰能力强，可靠性高。 上述三种变电站自动化系统的推出，虽有时间先后，但并不存在前后替代的情况， 根据古窑子 110KV 变电站的实际情况，在确保安全的前提下综合比较决定采用全分散 式系统、 集中式布置， 其改造结构形式采用在集控室集中组屏， 即将全站 110KV、 主变、 35KV、6KV 所有的微机保护和测控装置集中组屏，统一接线的方案。集中通过现场总 线与通讯管理机通讯，通讯管理机另与直流系统、卫星对时系统，五防系统通讯，然后 经过以太网传输数据到后台。 2.4 古 110KV 变电站综合自动化改造后实现的功能 2.4.1 继电保护功能 变电站综合自动化系统要具备常规变电站系统保护及元件保护设备的全部功能，主 变保护要有主保护即差动保护，有本体保护（瓦斯、油温、压力释放），后备保护（复 合电压闭锁方向过流保护等）；线路保护有速断、过负荷、接地、重合闸等基本保护； 电容器保护的基本功能；并且有 PT 监测并列功能；所用变监测功能而且要独立于监控 系统，即当该系统各软、硬件发生故障退出运行时，继电保护单元仍然正常运行。 西安科技大学工程硕士学位论文 12 2.4.2 信息采集功能 分布式自动化系统的变电站，信息由间隔层 I/O 单元采集。电能量的采集宜用单独 的电能量采集装置。 系统对安全运行中必要的信息进行采集， 主要包括主变、 线路母线、 电容器、低压及直流系统等的功率、电压、电流等遥测量的采集；断路器刀闸位置信号、 各种故障信号、事故预告信号、异常报警信号、保护动作信号等遥信量的采集；断路器 分合、保护及安全自动装置信号的远方复归等遥控量的采集；全站有功无功电能量的采 集等。 2.4.3 设备控制及闭锁功能 (1) 对断路器进行分合控制。 (2) 投、切电容器组。 (3) 保护设备的检查及整定值的设定。 为了防止误操作，操作闭锁主要包括： 操作出口具有跳、合闭锁功能和具有并发性操作闭锁功能。 CRT屏幕操作闭锁功能，只有输入正确的操作命令和监控命令，才有权进行操作 控制。 当站内监控后台系统退出运行时，能满足非 CRT 屏幕操作、五防闭锁功能和适应 一次设备现场维修操作的五防闭锁功能。 2.4.4 报警功能 对站内各种越限，开关合、跳闸，保护及装置动作，上、下行通道故障信息，装置 主电源停电信号，故障及告警信号进行处理并作为事件记录及打印。 2.4.5 设备监视功能 其中包括主变油温监测、环境温度监测等内容。当上述各参量越过预置值时，发出 音响和画面告警，并作为事件进行记录及打印。 2.4.6 操作票自动生成功能 根据运行方式的变化，按规范程序，自动生成正确的操作票，以减轻运行人员的劳 动强度，并减少误操作的可能性。 2 古窑子 110KV 变电站综合自动化改造的构想与功能设计 13 2.4.7 数据处理及打印功能 运行管理部门和继保专业要求的数据可以以历史记录存档，实现站内日报表、月报 表的生成和打印，可将历史数据进行显示、打印及转储，并可形成各类曲线、棒图、饼 图、表盘图，该功能在变电站内能实现。 2.4.8 人机接口功能 具有良好的人机界面，运行人员可通过屏幕了解各种运行状况，并进行必要的控制 操作。 2.4.9 远程通信功能 具备条件时将站内运行的有关数据及信息远传至调度中心及设备运行管理单位，其 中包括正常运行时的信息和故障状态时的信息， 以便调度中心人员及时了解设备运行状 况及进行事故处理。 西安科技大学工程硕士学位论文 14 3 古 110KV 变电站综合自动化改造设备选型与功能实现 3.1 古 110KV 变电站自动化设备选型遵循的原则 按照“运行可靠、功能实用、技术先进、价格合理、维护方便、易于推广”的选型原 则来确定采用的综合自动化系统厂家12。 运行可靠体现在：（1）本身各模块能稳定协调地工作；（2）关键部分一定要有冗 余、备份等措施，不因单个模块的故障而影响整个系统的正常运行；（3）抗干扰能力 强。功能实用体现在：（1）基本功能、日常操作所需的功能必须完备、简明；（2）信 息分流，哪一层需要的信息才送往哪一层。 技术先进体现在：（1）采用当前的主流技术；（2）符合开放、分布分散分层的标 准。一定要改变可靠的必然在技术上落后、技术先进的必然不可靠的观念。要把握好设 计开发、生产制造、安装投运的各个环节，做到先进性与可靠性相统一。 维护方便体现在：（1）设备的质量可靠稳定；（2）设备之间插件的通用性；（3） 运行人员对系统操作的易掌握性。 综合以上原则，古窑子 110KV 变电站综合自动化系统改造通过比较南京南自控制 系统工程有限公司的 NAS900 系列、西安西瑞公司 XR2000 系列和石家庄科林 KL9200 系列综合自动化系统的优缺点后，觉得南自 NAS900 和西瑞 XR2000 系统均符合上述的 选型原则，能够实现所有预期的功能，而石家庄科林 KL9200 由于系统存在不稳定（在 灵武矿区枣泉 110KV 变电站使用）现象，经综合比较后，西安西瑞的 XR2000 系列变 电站自动化监控系统从整体造价方面更为合理， 因此决定采用西安西瑞的 XR-2000 系列 变电站自动化监控系统，其总体设备配置及通讯网络图见图 3-1。 3.2 XR-2000 型变电站自动化系统概述 XR-2000 变电站自动化系统采用完全分布式体系结构、 开放式标准网络环境和灵活 的组态方式，符合当今高、中、低压变电站自动化的发展方向。它适用于 110kV 及以下 各级变电站、开关站，实现监视、测量、控制、保护、记录、远动等功能。既可用于老 站改造，又可用于新建变电站，实现变电站的无人值守。 3.2.1 系统总体结构 XR-2000 变电站自动化系统采用完全分布式的体系结构。 变电站内所有的二次设备 从计算机网络方面看都是网络节点，所有节点由 CAN、RS485 通过双绞线或光纤等连 在一起，各个节点之间地位平等。 3 古窑子 110KV 变电站综合自动化改造设备选型与功能实现 15 图 3-1：系统配置及通讯网络图 XR-2000 变电站自动化系统分为变电站管理层和设备间隔层。 间隔层：按站内一次设备(一条线路，一台变压器等)分布配置保护和测控装置，各 装置功能相对独立，通过网络连接在一起，实现数据一处采集全网共享。 变电站层：由若干主站组成，各主站间相互独立，主站通过网络同各间隔层装置通 信， 收集由各间隔层装置采集的各种信息， 以及下达控制、 修改定值和参数等命令。 RTU 只承担规约转换功能，避免了采集硬件重复设置，提高了系统可靠性。 3.2.2 网络设计 变电站综合自动化技术一个重要特点就是变电站内部的二次设备通过计算机局域 网络连在一起，设备之间可以互相通信。CAN 总线作为 XR-2000 站内通讯网，具有完 全的开放性。CAN 总线符合 ISO11898 国际标准，CAN2.0B 标准现场总线有以下特点: (1) 具有灵活的总线构成方式，可以点对点或广播方式传递报文； (2) 具有可靠的自动校验和纠错措施，保证数据的可靠接收； (3) 具有在严重故障下自动脱离总线的功能，保证系统不因某个节点出现故障而导 致整个系统的瘫痪； (4) 具有多达 15 个报文收、发缓冲区，确保报文快速、可靠收发； (5) 具有很强的网上驱动能力，能支持 5kbps/10km 或高速 1Mbps/40m 通讯方式； (6) 数据段采用 8 字节传送，不会占用总线过长，从而保证通信的实时性。 总之，CAN 总线以其卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适用于工业 西安科技大学工程硕士学位论文 16 过程监控设备互连，并已公认为最有前途的现场总线之一。 3.2.3 硬件设计 XR-2000 系统所有装置按工业级标准设计， 采用全密封结构防振机箱， 防尘、 防潮、 防有害气体能力强；所有芯片采用军品或工业品，可稳定工作在-30+70范围内， 能够在恶劣环境(高温、低温、湿热、强电磁干扰)下长期可靠工作，可安装于控制现场。 硬件设计完全标准化、模块化，各装置硬件完全通用，生产、调试、维护十分方便。 CPU 采用 Intel 公司最新的微处理器，集成度高、功能强、速度快。模拟输入采用 小型精密电流和电压互感器，保护和测量 CT 分开，既保证了精度，又满足了线性范围 的要求，还降低了功耗。模/数转换采用 16 位 A/D，转换精度高，大大优于一般的 12 位 A/D。各装置有一个 CAN 工业控制现场总线接口，一个 RS485 接口，通信接口功能 强。开入量采用