（机械工程专业论文）变电站自动化系统的设计及应用.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 变电站自动化系统的设计及应用 机械工程 施荣卫( 签名) 樊玉光( 签名) 李南征( 签名) 摘 要 本文论述了变电站自动化系统国内外的发展状况，乌石化公司变电站自动化系统的 发展现状，阐明了变电站自动化系统的结构、功能和通讯网络，设计了化纤厂总降压站 自动化系统，并对它的实现不停电换型改造提出了自己的技术方案，以及它的运行维 护编写了操作规程和事故处理规程。 理论和应用实践证明：变电站自动化是配电系统的发展方向，分层分布式结构是变 电站自动化的发展趋势，其中监控系统是它的核心，整体性能取决于变电站自动化的通 信网络的性能，而以太网在带宽、可扩展性、可靠性、经济性、兼容性等方面的优势使 其逐渐成为变电站自动化系统中通信网络的最优选择。 变电站自动化的产品和应用日趋成熟，经济效益显著，因此，掌握变电站自动化系 统的设计原则及应用注意事项，对于提高乌石化电力系统自动化的应用水平，推动乌石 化电力系统联网管理、变电站无人值守具有非常重要的意义。 乌石化化纤厂总降压站自动化系统的改造建立，采取的方案是不停电改造。所谓不 停电改造是指系统整体不停电，仍向装置供电，但改造部分停电，实现安全改造的一种 改造方案。实现不停电改造的办法是负荷转移一腾空带电负荷，实现停电改造。 关键词：不停电；变电站自动化系统：监控后台；综合保护器 论文类型：应用研究 筵 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m a b s 支a c 。l 。 i nt h i s p a p e r , o ni n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo ft r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mi nt h ea s p e c to fd o m e s t i ca n da b r o a d ，w u l u m u q ip e t r o c h e m i c a lc o m p a n y a b o u tt h i s t e c h n o l o g y , t h es t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a r e i l l u m i n a t e d t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi s d e s i g n e di nt h ef i b r ef a c t o r y , t e c h n o l o g ys c h e m eo w nt or e a l i z et h er e b u i l d i n gi sa p p l i e db yt h en o np o w e rc u ta n d m a i n t e n a n c em a n u a la b o u tt h eo p e r a t i n go rm a l f u n c t i o ni sc m p i l e d ，n l et e n d e n c yo ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi s p r o v e db yt h e o r ya n d a p p l i c a t i o nt ot h es t a t i o ns y s t e m , t h es t r u c t u r eo fd e l a m i n a t i o na n dd i s t r i b u t i o ni st h et e n d e n c y o ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，m o n i t o r i n gs y s y t e mi si t sp i t h e n t i r ec a p a b i l i t y i sd e c i d e db yi t sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , e t h e m eo ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e mi so p t i m a lc h o i c ei ni t sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb yt h eb a n d w i d t h 、e x p a n s i b i l i t y 、 r e l i a b i l i t y 、e c o n o m ya n dc o m p a t i b i l i t y 1 1 l eb e n e f i ti sm a r k e d 、) i r i n lt h er a p i dr i p e n e s so fi t sp r o d u c ta n da p p l i c a t i o n i ti sv e r y i m p o r t a n tt oh o l dd e s i g np r i n c i p l ea n dp r o c e s s ，i m p r o v i n ga p p l i c a t i o nl e v e lo fe l e c t r i cp o w e r s y s t e mi nw u l u m u q ip e t r o c h e m i c a lc o m p a n y , p r o m o t i n gn e t w o r km a n a g e m e n to fe l e c t r i c p o w e rs y s t e mi nw u l u m u q ip e t r o c h e m i c a lc o m p a n ya n dr e a l i z i n gn oo p e r a t o ro nd u t yi nt h e s u b s t a t i o n t e c h n o l o g ys c h e m ei s n o np o w e rc u to nt h er e b u i l d i n go ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mi nf i b r ef a c t o r y i tm e a n st h a te n t i r es y s t e mi sn o n p o w e rc u tb u tr e b u i l d i n g p a r tr e a l i z i n gs a f er e b u i l d i n g m e t h o do fn o np o w e rc u ti st h a tl o a dd i s p l a c e m e n tm e a n s d i s p l a c i n ga l ll o a dt op o w e rc u tr e b u i l d i n g k e y w o r d s ：n o np o w e rc u t ；t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ；m o n i t o r i n g s y s y t e m ；m u l t i f u n c t i o n a lp r o t e c t i o nu n i t ； t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i h 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：查垂罄 日期： 学位论文使用授权的说明 砌孳。b 。卤。 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期： y 蠕。睑哂 日期：竺墨：型y 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 颦越 第一章绪论 第一章绪论 1 1 变电站自动化系统的国内外现状和发展趋势 1 1 1 变电站自动化系统的定义 依据大电网会议w g 3 4 0 3 工作组的分析，变电站自动化系统较为严格的定义为变电 站自动化系统是采用了变电站自动化技术的变电站控制和保护系统，它包括7 个功能组： 远动功能，自动控制功能，测量表计功能，继电保护功能，与继电保护相关的功能，接 口功能和系统功能。“变电站自动化系统，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。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。 综合自动化理论最初是在1 9 9 3 年提出来的，当时国内微机型远动装置逐渐走向成 熟，变电站内的微机化保护和控制设备的使用量大幅度增加。综合指从全局考虑全微机 化的变电站二次部分的优化设计。综合自动化是变电站自动化系统的理论构造。该理论 的提出和应用，大大推动了我国变电站自动化技术的发展。变电站综合自动化是一种将 当今的各种新技术、新方法和新工艺引入到变电站控制系统中的新理念，它是多学科、 多领域专业知识在电力系统中的相互融合、渗透。 这一理论的基本出发点有三个：面向间隔设计，功能下放；分层构造；完全 的信息共享。按照综合自动化理论，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 1 2 国外变电站自动化系统的发展现状 国外变电站综合自动化的研究工作始于7 0 年代。根据1 9 8 1 年5 月在英国召开的第 六届国际供电会议资料报道，英国、西德、意大利、法国、澳大利亚等国家，于7 0 年代 末，新装的变电站远动装置已开始淘汰，当时仅英国南威尔电网还在使用( 该地区当时已 计划用微机远动装置代替) ，同时第六届国际供电会议的有关文章资料提出，监控系统的 功能有扩大的趋势。供电网的监控功能正以综合自动化为目标迅速发展，除三遥外，一 般有：寻找并处理单相接地故障；寻求作为保护拒动或断路器拒动的补充保护； 负荷管理；成组数据记录，其中包括负荷曲线，运行数据，事故及事件顺序记录等； 自动重合闸及继电保护。日本在微处理器应用于电力系统方面的研究，虽晚于欧美， 但后来者居上。于1 9 7 5 年在关西电工公司和三菱电气有限公司的协助下，开始研究用于 配电变站的数字控制系统( 称为s d c s 1 ) ，于1 9 7 9 年9 月完成样机，同年1 2 月在那须 其竹里变电站安装并进行现场调试，1 9 8 0 年开始商业化生产。 西安彳i 油人学硕十学俺论文 8 0 年代以后，研究变电站综合自动化系统国家和大公司越来越多。例如：德国西门 子公司、a b b 公司、a e g 公司、美国g e 公司、西屋公司、法国阿尔斯通公司等有自己的 综合自动化系统产品。西门子公司于1 9 8 5 年在德国汉诺威正式投运第一套变电站自动化 系统l s a 6 7 8 ，至1 9 9 3 年已有了5 0 多套同类型的系统在德国本土及欧洲其它国家不同用 电等级的变电站投运，取得显著业绩。1 9 9 5 年该公司在中国也陆续建立十几个l l o k v 城 市变电站，成功地投运了变电站综合自动化系统。 由此可见，国外研究变电站综合自动化系统始于7 0 年代后期，8 0 年代发展较快， 其突出的特点是他们彼此间开始就十分重视这一领域的技术规范和标准的制定与协 调。这方面为我国在8 0 年代引进和研究变电站综合自动技术，提供了宝贵的经验。 1 1 3 我国变电站自动化系统的发展现状 我国变电站综合自动化的研究工作始于8 0 年代中期。1 9 8 7 年清华大学电机工程系 研究成功国内第一个符合国情的综合自动化系统。同年在山东威海望岛变电站成功地投 入运行。望岛变电站是一个3 5 k v l o k v 城市变电站，有2 回3 5 k v 进线，2 台主变，8 回 l o k v 出线，2 组电容器。该系统担负全变电站安全监控、微机保护、电压无功控制、中 央信号等任务。按功能分为3 个子系统：安全监控子系统；微机保护子系统；电 压、无功控制子系统。这是我国第一个变电站综合自动化系统，其成功的投入运行，证 明了我国完全可以自行研究，制造出具有国际先进水平，符合国情的变电站综合自动化 系统。9 0 年代中期后，综合自动化系统迅速发展，变电站综合自动化的研究单位和生 产厂家快速发展如南京的南瑞公司、上海的申瑞、北京四方华能电网控制系统有限公 司、北京清华大学的紫光公司等，特别是近几年来，变电站综合自动化技术更是精益求 精，大规模集成电路技术和通信技术，在其研究的领域得到广泛应用，其功能和性能得 到不断完善，己成为今后新建变电站以及变电站进行技术改造的主导技术。 乌石化变电站自动化系统的推广应用得到了公司的肯定，从2 0 0 0 年起新建、改建 的2 2 0 k v 以下中、低压变电站采用自动化系统的有炼油厂建南、建北3 5 6 k v 配电室，化 肥厂二化配电室，化纤厂3 5 6k v 配电室，热电厂二期配电室，动力厂3 5 6k v 配电室， 6 套均采用国内生产商制造的自动化产品，运行效果良好，对电网的稳定运行和生产装 置的平稳生产做出了巨大贡献，培养了批自动化系统技术专家，提高了乌石化电力系 统自动化的应用水平，对进步推动乌石化电力系统联网管理、变电站无人值守具有非 常重要的意义。 1 1 4 变电站自动化系统的发展趋势 1 1 4 1 保护监控一体化 这种方式在3 5 千伏及以下的电压等级中已普遍采用，今后在i i 0 千伏及以上的线 路间隔和主变三侧中采用此方式也已是大势所趋。它的好处是功能按一次单元集中化， 2 第一章绪论 利于稳定的进行信息采集以及对设备状态进行控制，极大地提高了性能效率比。其目前 的缺点也是显而易见的：此种装置的运行可靠性要求极高，否则任何形式的检修维护都 将迫使一次设备的停役。可靠性、稳定性要求高，这也是目前1 1 0 千伏及以上电压等级 还采用保护和监控分离设置的原因之一。随着技术的发展，冗余性、在线维护性设计的 出现，将使保护监控一体化成为必然。 1 1 4 2 设备安装就地化、户外化 综合自动化装置将和一次设备整合在一起，其电气的抗干扰性能，设备抗热寒、抗 雨雪、防腐蚀等各项环境指标将达到极高的地步。目前的综合自动化装置都是安装在低 电压的中置柜上和室内的开关室内，户外的仅是一些实现简单功能的柱上设备。随着高 电压等级的推广，其设备都将就地安装在户外的端子箱上，对环境条件要求高。这种方 式最终将带来无人值班变电站( 没有建筑小室或仅设一个控制小室，最多也就是一台控 制显示终端) 。这将极大地减少整个变电站的二次电缆，使变电站的建设简单、迅速，设 备调试快捷方便，极大地提高变电站的运行稳定性、可靠性。 1 1 4 3 人机操作界面接口统一化、运行操作无线化 无人无建筑小室的变电站，变电运行人员如果在就地查看设备和控制操作，将通过 一个手持式可视无线终端，边监视一次设备边进行操作控制，所有相关的量化数据将显 示在可视无线终端上。 1 1 4 4 防误闭锁逻辑验证图形化、规范化、离线模拟化 在2 2 0 k v 及以上的变电站中，随着自动化水平的提高，电动操作设备日益增多，其 操作的防误闭锁逻辑将紧密结合于监控系统之中，借助于监控系统的状态采集和控制链 路得以实现。而一座变电站的建设都是通过几次扩建才达到终期规模，这就给每次防误 闭锁逻辑的实际操作验证带来难题，如何在不使一次设备停役的情况下模拟出各种运行 状态来验证其正反操作逻辑的正确性? 图形化、规范化的防误闭逻辑验证模拟操作图正是 为解决这一难题而作，其严谨性是建立在监控系统全站的实时数据库之上的，使防误闭 锁逻辑验证的离线模拟化成为可能。 1 1 4 5 就地通讯网络协议标准化 强大的通讯接口能力，主要通讯部件双备份冗余设计( 双c p u 、双电源等) ，采用光 纤总线等等，使现代化的综合自动化变电站的各种智能设备通过网络组成一个统一的、 互相协调工作的整体。 1 1 4 6 全站数据标准化 变电站的智能监控装置将无电压等级划分，只是下载参数设置版本不同。全站统一 数据库，统一维护组态工具软件，分类分单元下载参数设置数据。其实时运行数据库可 3 - 两安彳i 油人学硕十学位论文 通过严密的安全防护措施与整个电力系统实时数据连在一起。 1 1 4 7 数据采集和一次设备一体化 除了常规的电压电流、有功无功、开关状态等信息采集外，对一些设备的在线状态 检测量化值，都将紧密结合次设备的传感器，直接采集到监控系统的实时数据库中。 高技术的智能化开关、光电式电流电压互感器的应用，必将给数据采集控制系统带来全 新的模式。 随着国民经济的飞速发展，电力工业作为龙头产业十分重视电力综合自动化技术 的发展，实现变电站综合自动化，这是电力工业发展的趋势。对电力技术的发展来讲， 具有划时代意义，也是电力工业发展的显著标志。虽然变电站综合自动化技术在8 0 年代 才被开发应用，但出于其在技术、性能上的潜在能力，必将被广泛地应用于祖国的各个 城网和农网。变电站综合自动化技术，以先进计算机和信息技术为依托，其应用前景是 巨大的。 1 2 变电站自动化系统的研究意义和内容 1 2 1 变电站自动化系统的研究意义 电力系统变电站的安全、可靠和经济运行在很大程度上依赖于变电站继电保护、控 制和监测技术的完善程度以及它们的可靠性、技术特性指标和经济性等多方面的因素。 计算机技术的发展，推动了电力系统计算机自动化技术的发展，变电站综合自动化技术 也日趋完善，它为调度中心提供了厂站端的运行情况，通过控制操作和闭锁，可以实现 变电站的当地和远方的监视和控制；为实施的遥测、遥调、遥信、遥控和反事故措施提 供了可靠的技术保障；无人职守的变电站提高了供电可靠性又实现了减员增效。通过对 变电站综合自动化系统的研究，对于电力系统的可靠运行，保护和控制以及对变电站的 设计的更加合理化，布局更加紧凑化都具有很重要的意义。 变电站综合自动化系统是一种以计算机为主、将变电站的一、二次设备( 包括测量、 信号、控制、保护、自动、远动等) 经过功能组合形成的标准化、模块化、网络化的计算 机监控系统。变电站综合自动化，是将变电站的二次设备经过功能的重新组合和优化设 计，利用先进的计算机技术、自动化技术和通信技术，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、控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。 变电站综合自动化系统代替了常规的测量和监视仪表，代替了常规控制屏、中央信号系 统和远动屏，用微机保护代替了常规的继电保护屏，解决了常规的继电保护装置不能与 外界通信的问题。变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算 机的高速计算能力和逻辑判断功能，可以方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和 操作，它具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化的显著特点。 利用先进的综合自动化技术，提高了供电质量、提高了电压合格率、提高了变电站的安 4 第一章绪论 全可靠性和系统的运行管理水平，缩小了变电站占地面积、降低了造价、减少了总投资、 减少了维护工作量、减少了值班员劳动强度。 1 2 2 变电站自动化系统的研究内容 对2 2 0 k v 及以下中、低压变电站采用自动化系统：利用现代计算机和通信技术，对变 电站的二次设备进行全面的技术改造，取消常规的保护、监视、测量、控制屏，实现综 合自动化，全面提高变电站的技术水平和运行管理水平。逐步实行无人值班或减人增效。 对2 2 0 k v 以上的变电站，主要采用计算机监控系统，提高运行管理水平。采用新的 保护技术和控制方式，促进各专业在技术上的协调，达到提高自动化水平和运行管理的 目的。变电站综合自动化的内容应包括电气量的采集和电气设备( 如断路器) 的状态监视、 控制和运行，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。发生 事故后，由智能化装置，完成瞬态电气量的采集，监视和控制，并进行故障录波，迅速 排除故障。从长远角度看，综合自动化系统是实现以上目标的一项重要的技术措施。 1 3 本文主要工作 阐述变电站自动化系统的国内外发展现状，乌石化行业变电站系统应用自动化的情 况，结合乌石化公司化纤厂总降压站3 5 k v 6 k v 自动化系统的换型改造，论述变电站自动 化的设计内容、设计原则、设计范围和作用及使用维护注意事项，完成乌石化公司化纤 厂总降压站分散分布式自动化系统设计，最后将设计的变电站自动化系统投入生产应用 时，如何实现总降压站自动化系统的不停电换型改造作者提供了解决方案。 5 两安彳i 油人学硕十学1 _ 7 ：论文 第二章变电站自动化系统的设计 2 1 变电站自动化系统的结构、功能和保护 2 1 1 变电站综合自动化系统的结构形式 变电站综合自动化系统的组成在结构形式上主要可分为集中式、分布集中式、集 中和分散结合式、分散式四种。 2 1 1 1 集中式综合自动化系统 图2 1 为集中式变电站综合自动化系统示意图。它是按功能要求配置相应的继电 保护装置及远动装置并安装在变电站的中央控制室内。变压器、各进出线及其它电气设 送远方调度中心 监控后台 i o 通讯控制器1iii o 通讯控制器2 单回路保 护装置 单回路数 采和监控 开关柜1 单回路保 护装置 单回路数 采和监控 开关柜i l 保护装置i 数采和 l 监控 其它电气设备 图2 - - - 1 集中式变电站综合臼动化系统框图 备的运行状态通过c t 、f y r 、开关辅助触点由电缆传送到变电站的中央控制室的保护装置 和远动装置内，经初步处理后送到i 0 通信控制器进行数据格式的变换( 规约转换) ，并 将变电站所有保护、测量、信号和控制信息统一处理，与当地的后台机和远方调度中心 进行信息交换。其特点是变电站中的所有信息统一集中处理，形成一个系统、并符合传 统的变电站运行模式。此种方式实际上是现有微机保护与微机远动的系统集成。缺点是 组屏多，占地面积大，需要敷设大量电缆，投资和工程量大，应用会越来越少。 2 1 1 2分布式( 分散式) 综合自动化系统 随着单片机技术、网络技术特别是总线技术的不断成熟和可靠，用于变电站自动化 的分布式系统相继出现，如图2 2 所示。该系统按回路进行设计，每一个开关柜上或其 它次设备上就地安装微机保护单元和单回路的数采监控单元，故开关和其它一次设 6 第二章变电站臼动化系统的没计 备与单回路的数采监控单元和微机保护单元在同柜内，可免去大量的电缆联接，同 时也提高了抗干扰能力。微机保护单元和单回路的数采监控单元与i 0 通信控制器相 互之间用网络电缆或光缆连接起来，仅作数据信息的传送。分布式综合自动化系统的优 点除了省电缆、抗干扰能力强外，无须再设置继电保护和远动装置屏，大大减化了二次 设备，减小了占地面积。故分布式变电站综合自动化系统自问世以来，显示出强大的生 命力。国外s i e m e n s 公司的l s a 6 7 8 ( 继电保护7 s 7 u 系列和监控单元6 m b 系列) ，a b b 公司的s c s l 0 0 、s c s 2 0 0 ( s p a c 系列、r e 系列) ，g e 公司的d f p _ 1 0 0 和s e g 公司的c s n 都是分布式的变电站综合自动化装置，国内不少厂家也开始生产同类设备与系统。 i 监控后台 i 继电保护装置 c t盯 远动装置 t下t t t 遥遥 遥遥 遥 调信 测控 脉 葜 量 状 态 赣 量 脉 冲 量 图2 - 2 变电站分布式( 分散式) 综合自动化系统框图 出 口 继 电 器 变 压 器 分 接 头 2 1 1 3分布集中式综合自动化系统 将整个变电站的一、二次设备分为3 层，即变电站层、单元层和设备层。变电站层 称为2 层，单元层为1 层，设备层为0 层。设备层主要指变电站内的变压器，断路器、 隔离开关及其辅助接点，电流、电压互感器等一次设备。变电站综合自动化系统主要位 7 两安彳i 油人学硕十学位论文 于l 层和2 层。单元层一般按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部件。 单元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局域网络或串 行总线与变电站层联系；也可能设有数采管理机或保护管理机，分别管理各测量、监视 单元和各保护单元，然后集中由数采管理机和保护管理机与变电站层通信。单元层本身 实际上就是两级系统的结构。变电站层包括全站性的监控主机、远动通信机等。变电站 层设现场总线或局域网，供各主机之间和监控主机和单元层之间交换信息。 2 1 1 4集中与分散结合式综合自动化系统 随着单片机技术和通信技术的发展，特别是现场总线和局部网络技术的应用，一种 发展趋势是按每个电网元件( 如；一条出线，一台变压器、一组电容器等) 为对象，集测 量、保护、控制为一体，设计在同一机柜中。至于高压线路保护装置和变压器保护装置， 仍可采用集中组屏安装在主控室内。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。因而具 有以下特点：就地安装，节约控制电缆，通过现场总线与保护交换机交换信息。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内，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。其他自动装置中，备用电源自投装置和电压、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。电能计量。采用电能管理机采集各脉冲电表 的脉冲量，计算出电能量，然后送给监控主机，再转发给控制中心；或采用带串行通信 接口的智能型电能计量表，通过串行总线，由电能管理机将采集的各电能量送往监控机， 再传送给控制中心。因为中低压变电站的一次设备比较集中，所以此种结构方式比较适 用于中低压变电站。 现在分散( 分层) 分布式是以后发展的趋势。 2 1 2 变电站综合自动化系统的功能 变电站综合自动化系统主要包括监测、监控、远传和保护四部分。 2 1 2 1 监测 综合自动化系统通过对变电站的数据进行采集、处理、显示和打印，使运行人员 了解变电站的运行工况，并采取相应的措施。所采集的数据分为三大类：模拟量、开关 量和脉冲量。 2 1 2 1 1 模拟量 变电站需要监测的各种模拟量，包括主变一次、二次和各线路的电流，各段母线 及重要线路的电压；各线路零序电流、母线零序电压、主变温度和室温、变压器分接头 位置等( 后三项也可用开关量或脉冲量) 。 8 第二章变电站自动化系统的设计 2 1 2 1 2 开关量 变电站内需要监测的各种开关量，包括各个开关、刀闸、变压器分接头、继电保 护动作信息、开关机构运行状态、变压器运行状态、交直流电源运行状态、各微机运行 状态等。开关量输入的方式有接点输入或微机串行口输入。对于开关等重要监测对象可 采用状态互异的双接点输入，以提高可靠性。 2 1 2 1 3 脉冲量 变电站需要监测的各种脉冲量。包括线路、主变一次和二次的有功电度量和无功 电度量、电容器的无功电度量、所用变的有功电度量等采样方式为脉冲输入。 2 1 2 2 综合自动化系统监控 综合自动化系统提供方便可靠的人机对话，运行人员利用键盘鼠标和显示器操作开 关、刀闸和变压器分接头。系统还可根据电网运行工况自动控制开关或变压器分接头。 所有操作的可靠性在软硬件设计中都应符合双重化原则。操作方式：手动操作开关有三 种方式：键盘鼠标操作、把手操作和保护柜操作。正常时利用键盘鼠标操作；非正常情 况下可通过模拟屏把手操作或保护柜操作。保护柜操作可通过保护机键盘或柜上按键实 现。当调度端发出遥控开关或遥调变压器分接头的命令后，该系统能可靠地执行。 变电站监控的内容主要有以下几个方面： 跳闸统计：统计开关跳闸次数。有事故跳闸次数、手动跳闸次数两种。 接地选相：对于中性点不接地系统，当电网出现单相接地故障时，利用零序电压、 零序电流增量及相电压压降可判断接地线路及相别，也可以利用功率方向法等其它方法 来判别。为了保证可靠性，应多次采样后方能确定。确定后，主机报警，并显示和打印。 运行人员按照提示，转移负荷，跳开开关，验证主机的判断。 无功电压自动控制：根据电网无功、电压计算结果来判断是投切电容器，还是调 节变压器分接头位置，以使无功和电压满足要求。在变压器、电容器或电网故障时不应 误动。当电容器检修时，不应参与控制。 事件记录和故障录波测距：事件记录应包含保护动作序列记录，开关跳合记录。 2 1 2 3 综合自动化系统远传 当变电站正常运行或发生事故及报警等事件时，远传机会实时地向上级调度传送该 站信息，使调度人员了解该站的运行情况。远传规约大体分为三种：c d t 规约、p o l i n g 规约和其它规约。 2 1 2 4 综合自动化系统保护 微机保护不仅有较高的可靠性和灵敏性，而且使用方便。其特点如下：用键盘和 八段显示器( l e d ) 显示采样值( 电流、电压和开关状态) 和整定值，并可修改整定值。具 备事故追忆功能。能够记录事故前后的线路电流和母线电压。具备实时自检功能。能 9 两安彳i 油人学硕十学位论文 够对保护柜包括主机在内的各元件进行在线检查。 变电站保护分为下述类型，可选择使用： 线路保护：包括电流速断保护、定时限过电流保护、方向性电流保护、零序电压、 电流及方向保护、反时限过流保护、高频保护、距离保护和低周减载保护。 变压器保护：包括差动电流速断保护、带二次谐波制动的比例差动保护、本体保 护( 重瓦斯、轻瓦斯、有载重瓦斯、有载轻瓦斯等) 、过流保护( 包括低压启动、复合电压 启动) 、过负荷保护、零序保护、高压侧备用电源自投和低压侧备电源自投。 电容器保护：包括电流速断保护、过流保护、反时限过流保护、相间过电压保护、 相间低电压保护和零序过电压保护。 母线保护：包括完全电流差动母线保护和电流比相式母线保护。 2 1 3 综合自动化系统的硬件配置 2 1 3 1 按综合自动化变电站主控室的结构分为三类 模拟屏式在主控室模拟屏前设微机台，台内装微机及u p s 电源，台上放主机显 示器c r t 、键盘和打印机。模拟屏主结线图上安装仪表和操作把手。其它如保护柜、变 送器柜、电度表柜、监控柜、交直流电源柜等均放在模拟屏后，或分置于其它房间。 控制台式在主控室前部设控制台，无模拟屏。在控制台对面设保护柜、变送器 柜、监控柜、电度表柜和交直流电源柜等设备。控制台上或旁边放主机显示器c r t 、打 印机和键盘。模拟主结线、操作把手、必要的仪表和光字均安装在控制台面上。 微机台式在主控室前部设微机台，无模拟屏，无控制台。主控室后部设保护框、 变送器柜、监控柜、电度表柜、交直流电源柜等设备。微机台内装主机和微机电源，微 机台上放c r t 、打印机和键盘。 2 1 3 2 硬件的配置原则 综合自动化系统硬件配置应遵循下列原则： 各自独立，相互配合。不同功能的硬件之间只能有信息交换，不应有电的直接联 系，采用光电隔离和继电器接点转换的方法实现，如保护和监控之间、电度和监控之间、 保护和开关操作机构之间等。保护柜内各单元应有独立交流输入、独立电源、独立出口， 应有可靠的抗干扰措施。监控部分在监控机、电度机、采样机、远传机任一故障情况下， 应不影响其它机的正常工作。 软硬件模块化，方便维护与扩展。各单元应具有模块化的主机板、开关量输出板、 开关量输入板、模入板等，便于维护，并可在此基础上进一步开发。 具备较强的抗干扰能力。满足在强电场、高频影响和谐波冲击等环境下可靠工作， 并能防止雷电冲击。 随着微机保护的发展，一些新的改善继电保护性能的原理和方案，特别是基于故障 1 0 第二章变电站自动化系统的设计 波形特征或者高频分量的保护原理，以及神经网络和模糊集原理的智能保护方案，受到 更多的重视并逐步得到实际应用，这也对微机保护装置硬件提出了更高的要求。由于集 成电路和计算机技术的飞速发展，微机保护装黄硬件的发展也十分迅速。 微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段： 第一阶段以单c p u 的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式a d 模数转换器 构成，硬件及软件的设计符合“四统一 设计标准，其代表产品为微机高压输电线路保 护装置。 第二阶段以多单片机构成的多c p u 硬件结构为主，数据采集系统为电压频率转换 原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置成功运行经验， 利用多c p u 的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保护的跳闸出口 回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动与误动的措施。 第三阶段以高性能的1 6 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出芯片， 电路简单的特点，抗干扰性能进一步加强，并且完善了通信功能，为实现变电站自动化 提供了方便。如今，在一些微机继电保护装置中，个别产品也采用了性能更好、功能更 强大的工业控制计算机。 2 2 变电站自动化系统的通讯网络 变电站内通信网络连接各设备层，使独立的各自分散的设备形成协同工作的有机总 体，并与外部系统紧密相连。描述通信网络的主要因素有：网络拓扑结构，通信载体及通信 控制方式等。网络拓扑结构上有星型、总线型和环型：星型网络结构的可靠性比较低， 当控制中心发生故障的时候，会导致整个网络的瘫痪；总线型网络结构适合分布式控制， 可靠性好，便于采用广播式传输，扩充性和灵活性好，增减节点容易；环网结构一般采用的 都是令牌传递方式，网络中各个节点平等，都不能长期占用传输线路，没有信息冲突问题， 但是和星型、总线型网络相比较，在增减节点的时候，会暂时影响环网的运行，整个环路的 传输会中断一段时间。针对三种网络结构的不同特点，变电站中一般采用的是总线型网络 结构。通信载体有光纤、电缆和双绞线。通信控制方式有三种类型：r s 2 3 2 4 8 5 接口总 线网、c a n b u s 和l o n w o r k s 现场总线网和以太网。 2 2 1 通信网络的发展 目前，国内变电站综合自动化系统采用较多的是以太网和现场总线并存构成多层次 的总线式通信网络。该系统最早采用r s 一2 3 2 总线，后来用到r s 一4 8 5 总线。近年来 随着新型现场总线l o n w o r k s 和c a n b u s 的推出及以太网的使用，变电站综合自动化系统 的网络通信得到了新的发展。 2 2 1 1r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 和r s 4 8 5 接口总线网 r s 一2 3 2 串口通信标准是由美国电子工业协会( e i a ) 于1 9 6 9 年公布的，该标准定 两安彳i 油人学硕十学位论文 义了数据终端设备和数据通信设备之间按位串行传输的接口通信。通常在近距离传输时， 可以将两台具有r s 一2 3 2 接口的通信设备( p c 机或微控制器) 直接相连，如要进行远距 离传输，可以再加调制器( m o d e m ) 。r s 一4 2 2 为全双工，可以同时接收和发送。采用r s 一4 2 2 标准，可以削弱干扰的影响，获得更长的传输距离和允许更大的信号衰减，采用 r s 一4 2 2 标准通信时位速率可达l o m b i t s 。r s 4 8 5 则为半双工，在某一时刻，一个 发送另一个接收，当用于多站互联时，可节省信号线，便于高速远距离传送。许多智能 仪器设备均配有r s 一4 8 5 总线，将它们互联十分方便。 2 2 1 2 现场总线网l o n w o r k s 和c a n b u s 现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统之间的全数字、串行、双向、多 站的通信网络。现场总线技术的应用，通过一根通信电缆将所有现场设备由具有某种通信 协议的通信接口连接起来，使在设备层传递的不再是i 0 信号，而是基于现场总线的数字 化通信。把i o 通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用减少到最小， 实现了彻底的分散控制。 现场总线是用于过程自动化最底层的现场设备和现场仪表互联的通信网络，是现场 通信网络与控制系统的集成，它是网络技术在控制底层的应用。现场总线的节点是现场设 备如变送器、执行器、编程器和智能仪表等等，目前在国内变电站常常采用的现场总线有 两大类：l o n w o r k s 和c a n b u s 。 l o n w o r k s 是美国e c h e t o n 推出的一种新型现场总线。它的基本思想是将控制系统按 局域网络的方式构造，用网络节点代替局域网中的工作站，网络节点安装于监控现场， 直接与各种传感器和控制器相连。l o n t a l k 是l o n w o r k s 的通信协议，固化在神经元芯片 内。l o n t a l k 局部操作网协议是为l o n w o r k s 中通信所设的框架，支持i s o 组织制定的o s i 参考模型的7 层协议，并可使简短的控制信息在各种介质中非常可靠地传输。 l o n w o r k s 的技术特性：开放性。网络协议开放，对任何用户平等。通信介质开 放。可在任何通信介质条件下通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、射线电缆、 红外线等，并且多种介质可在同一网络中混合使用。互操作性。l o n w o r k s 通信协议 l o n t a l k 是符合i s o 的开放系统互连( o s i ) 模型，任何制造商的产品都可以实现互操作。 l o n w o r k s 通信采用了“网络变量 ，使网络通信的设计简化成为参数设置，增加了通 信技术的可靠性。通信的每帧有效字节，可达到从0 到2 2 8 个字节；通信速度可达 1 2 5 m b i t s ，此时有效距离为1 3 0 m 。( z ) l o n w o r k s 技术的一个测控网络的节点数可达 3 2 0 0 0 个。 l o n w o r k s 直接通信距离长达2 7 0 0 m ( 双绞线，7 8 k b it s ) 。( 亘) l o n w o r k s 技 术的核心是神经元芯片( n e m - - r o nc h i p ) 该芯片内部装有3 个微处理器：g a c 处理器完 成介质访问控制；网络处理器完成o s i 的3 6 层网络协议；应用处理器完成用户现场控 制应用。它们之间通过公用存储器传递数据。 控制局域网络( c a n 一- c o n t r o l e ra r e a n e t ) 是德国b o s c h 公司为工作条件极为恶劣的 1 2 第二章变电站臼动化系统的设计 汽车监测和控制而设计的，后来，逐步发展到工业控制中。它是一种基于优先级的高速、 抗干扰能力强并具有检错功能的现场总线，可采用多种媒体通信( 例如光缆和双绞线) ， c a n b u s 通信设备本身又具有较低的造价，因而它的应用范围遍及工业领域，从高速网络 到低成本的多线路网络，特别是在电气自动化领域。 c a n b u s 主要技术特性：b u s 可以多主方式工作，网络上任意一个接点均可以在 任意时刻主动向其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。( 喜) c a n b u s 网络上节点 可分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。c a n b u s 采用非破坏性总线裁决技术， 当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级别低的自动地主动停止数据发送，而优先 级别高的网络节点不受任何影响继续传送数据，大大节省了总线冲突裁决时间。 c a n b u s 可以点对点，一点对多点( 成组) 全局广播几种方式传送接收数据。o c a n b u s 直接通讯距离最远可达l o k m ，c a n b u s 的通讯速率最高可达1 m b i t s 。 c a n b u s 上的节 点数实际可达1 1 0 个，理论值可达2 0 0 0 多个。( i ) c a n b u s 采用短帧结构，每一帧的有效 字节数为8 个，这样传输时间短，受干扰的概率低，重新发送时间短，尤其适合在强电 磁场环境下工作。( 亘) c a n b u s 每帧信息都有c r c 校验及其它检验措施，保证了数据出错率 极低。删节点在错