（电力系统及其自动化专业论文）变电所智能监控系统的应用研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e mi n d u s t r y , t h ep o w e r 鲥db e c o m e sl a r g e r a n dl a r g e ca st h eb r a n c ho ft h ep o w e r 鲥d ，t h eg r i di nc o a lm i n ea l s ob e c o m e s l a r g e ra n dl a r g e nt h ee x p a n s i o no ft h eg r i di nc o a lm i n ec a u s e st h a tt h et r a d i t i o n a l m a n u a l d i s p a t c h i n gm e t h o di s n ol o n g e rc o m p e t e n tf o rt h e d i s p a t c h i n ga n d s u p e r v i s i n gw o r k , s oi ti si n e v i t a b l et i e n dt oi m p l e m e n ti t si n t e g r a t e da u t o m a t i o n a c c o r d i n gt o t h i ss i t u a t i o n , t h i sp a p e ri s a b o u tt h es t u d yo fg r i d si n t e g r a t e d a u t o m a t i o n i nt h ep a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mi s s u m m a r i z e d , a n da ni n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mf o rx is h a hc o a lm i n ei sd e s i g n e d t h ed e s i g ns c h e m eo ft h eb a c k g r o u n d ss u p e r v i s i n gs y s t e ma n dt h ec o m m u n i c a t i o n s t a t i o ni sp a r t i c u l a r l yp r e s e n t e d c o n s i d e r i n gt h a tt h ef a u l th a n d l i n gb e c o m e sm o r e c o m p l i c a t e da l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gs c a l eo ft h eg r i a s , t h es c l f - d i a g n o s eo ff a u l ti n s u b s t a t i o no n l i n ei sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti ni n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m s ot h i s p a p e rg i v e st h es t u d yo ft h e 鲥d sf a u l td i a g n o s i sm e t h o d 缸l a s ts e c t i o n af a u l t d i a g n o s i sm e t h o db a s e do nr o u g hs e tt h e o r ya n dp e t r in e t st h e o r yi sp r o p o s e da n d a p p l i e di nt h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m i ti sa p p r o v e df e a s i b l ef o rg r i d sf a u r d i a g n o s i st h r o u g ha n a l y z i n g k e yw o r d s ：s u p e r v i s i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，c o m m u n i c a t i o ns t a t i o n ，f a u l td i a g n o s i s ， r o u g hs e t ，p e t r in e t s i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：蓣静良 h 7 年弓月re t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名：二粥了l 文 年月 日 妇7 年，月厂日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：黄祭液 2 ，门年弓月fe t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 i 井下电网自动化现状分析 1 1 i 变电所监控系统的现状与发展趋势 变电站综合自动化随着我国电力行业的大规模发展，已经越来越成为电力 系统发展的新趋势。随着经济的发展，用电需求的增加，我国新建了大量的电 站。根据电网的要求变电站也大量进行了各种技术改造，以提高自动化水平。 近十几年来，我国变电站自动化技术也大幅发展，变电站综合自动化可以 收集大量数据和信息，利用计算机高速处理，可以方便的监视和控制变电站内 各种设备的运行和操作。从而实现高智能的少人或者无人值班的变电站管理。 微机技术的发展，特别是单片机的发展和总线技术越来越多的引入了变电站综 合自动化技术中，新的原理和新算法的微机保护装置的研究，对变电站综合自 动化系统的发展必将起到极大的推动作用。 近几年来，我国电力生产得到了飞速发展，生产规模迅速扩大，电网规模 也随之飞速发展，对电力生产及调度监控系统的要求也越来越高，利用计算机 对电力运行参数进行在线检测、实时故障分析处理、运行状况的实时控制和调 度等，已经在电力生产及配电调度的可靠性、安全性、经济性以及提高电力的 综合管理水平等方面发挥了重要的作用。 随着电网复杂程度的增加，各级调度中心需要获得更多的信息以准确掌握 电网及变电所的运行状态。同时，为提高电力系统的可控性，要求更多地采用 远方集中控制操作反事故装置并逐步采用无人值班管理模式以提高劳动生产 率，减少人为误动作的概率，提高运行的可靠性。但传统的普通监控装置是很 难满足上述要求的，于是利用先进的计算机技术通信技术改变监控系统的传统 模式和方法以适应系统发展的要求，这是变电所监控技术发展的必然趋势。早 期的电力系统调控主要采用就地人工操作方法，为了合理地监视r 益扩大的系 统的运行情况并及时处理影响整个运行事故和异常情况，人们开始注意到电力 系统的远程监视和控制问题。但在开始阶段，由于技术装备的限制运行人员所 能获得的信息量和数据量是有限的，所以监视和控制的实时性和正确性都受到 第1 章绪论 一定的限制。2 0 世纪7 0 年代末以来，世界上各主要工业化国家，如美、日、英、 法、德、瑞典等都开展了将变电所监控和保护综合在一起的研究，也就是国内 统称的变电所综合自动化系统，并很快引起了学术界的关注。国际供电会议、 国际电力系统保护进展会议、国际电力系统控制运行与管理发展会议等都组织 有关专家对该项技术发展过程中的若干问题进行了深入的研究与探讨使该项技 术随着微机技术信息传输技术的进一步发展而取得了重大进展。经过近3 0 年的 发展目前变电站综合自动化系统已进入推广应用阶段。据报道，在西欧、北美 及日本等发达国家，绝大多数变电所( 包括5 0 0 k v ，3 8 0 k v 及以下等级变电所) 都已做到无人值班，且管理人员很少，其管理水平、自动化程度及供电可靠性 很高。国内的研究开发工作从8 0 年代中后期开始并且迅速得到发展，也取得一 定的成绩，但是其发展无不与当时的工业水平相适应( 当然也有其独立性) ，我国 对变电所监控技术的研究主要有两个方面一是在中低压变电所中采用变电所综 合自动化技术以更好地实现无人值班达到减人增效的目的。二是对高压变电所 采用新的控制方式解决长期以来由于各专业在技术上保持相对独立而造成的重 复投资影响系统运行可靠性等问题。从理论上讲，无人值班变电所既可以利用 常规的二次设备实现也可采用综合自动化方式，后者是今后主要的发展方向。 总的来说，目前变电所综合自动化系统的重点集中在以下几个方面【2 】： 进一步提高综合自动化系统的可靠性、安全性、经济性和可用性： 控制保护接口标准的制定； 组态模式的探讨； 人机界面( m m i ) 的改进； 应用多媒体技术，使电力调度与运行管理一体化，为无人值班提供强有 力的支持和保证。 1 1 2 煤矿井下供电电网现状 我国是一个煤炭大国，产煤业相当发达。煤炭产业也为我国的经济发展做 出了巨大的贡献。特别是近年来，随着我国经济发展的需要，煤矿工业也得到 了迅速的发展。遗憾的是，由于许多煤矿管理不规范，技术水平和生产设备相 对落后，屡屡发生重大安全事故。总结这些血的教训，可以发现这些出事的矿 井大多缺少相应的监控设备，不能实时的监控井下的危险状况。即使有的井区 2 第1 章绪论 拥有监控设备，但是它们大多没有组网，因此不能在地面对井下各个采掘点进 行实时安全监控、统一指挥调度和保存历史记录。这也在一定程度上妨碍了操 作人员及时发现险情并做出相应的防范措施。十几年来的应用表明，矿井监控 系统特别是利用计算机进行实时监测已成为保障煤矿安全生产的重要技术手 段。 目前国内部分矿井已实现了井下电网的监测监控，其中低压部分只实现监 测功能，包括电流、电压、开关量等信号的监测；监控功能只在井下高压部分 得到实现，可实现遥控、遥信和遥测。监控功能实现的关键是井下开关的可靠 性，要求具有电动分合闸功能。调研结果表明，井下电网的监测监控系统功能 还很弱，系统构成方式也不是很合理，与电力系统几年前即已实现的电网监测 监控系统无法比拟，使用效果也一般。 至于井下电网实现无人值守的矿井目前国内还未出现，但它是将来发展的 必然趋势。目前国内已经实现井下电网综合自动化的只有神华集团神东公司，。 其井下变电所全部实现了无人值班，井下电网自动化系统的所有信息皆接入全 矿综合自动化系统。但其井下条件好，低瓦斯，所有微机保护系统皆直接采用 地面成熟的非矿用型产品，实现起来较简单。对其它深井开采矿井而言无法套 用此方案。 作为电力系统中正逐步普及的电网调度自动化和变电站综合自动化。矿井 电网的综合自动化也将是发展的必然。通过引进、消化，针对中国国情自主开 发了几十种煤矿井下监控系统，从内容上分有煤矿井下综合型和专用型r 如用于 轨道运输的信集闭系统、各种自动捧水、皮带控制、人员考勤等系统、。在地面 供电方面，没有比较成熟、定型、成系统的综合监控系统，大部分是小范围的 监测、显示，厂家也比较多，技术上也不难实现，因为距离近，容易采集、控 制和显示，不需要做性能、防爆等测试，一般厂家和技术人员都能设计。但在 井下供电方面，从有关公开资料、报道方面来看，未发现有定型的井下供电电 网监控系统，只有部分矿井和科研单位在研制和试用中。根据煤矿井下生产的 实际需要，许多新型井下高压真空配电装置在综合保护上也增加了许多功能， 由过去单一的短路跳闸保护增加了过流、欠压、漏电等保护和显示( 灯光或数码) ， 但它仍局限于变电所内的高压真空配电装置上，不能远距离显示和传输。 现有监控系统在信息传输方面尚存在许多无法克服的缺点，主要表现在： 现有各种形式的分站，包括一些固定式智能传感器均是在同一水平上开发的， 3 第1 章绪论 功能相似，但缺乏统一的规范和通信协议；可靠性低、实时性差，难于实现有 实时性测控功能的要求。目前，我国煤矿监控系统信息传输中广泛应用的是串 行通信总线，主要有r s 2 3 2 ，r s - 4 8 5 或基于上述的调制解调器传输方式等。由 于上述总线及其通信协议不完整或过于简化，使系统之间兼容性较差。此外， 上述总线在传输距离上往往较短，极大的限制了它们在长距离上的通信的可靠 性。 在煤炭行业引进的国外监测系统方面，主要有早期德国的t f 2 0 0 分频多路 监控系统，近期有代表性的是加拿大的s e n t u r i o n ( 森透里昂) 安全生产监测、监控 及管理系统，没有有关电网电路综合保护方面的监测( 电流、电压值除外) 。单台 的井下高压真空配电装置也很少见到有引进的型号。但据了解在国外发达国家， 电网电路的综合保护手段和技术使用的比较好【。 1 1 3 智能监控系统的可行性 事实上，就目前国内煤矿井下使用的井下高压真空配电装置的综合保护技 术虽然有些时候会出现些问题，且智能性比较差，每次调整操作后须重新复位 才能有效，但总的说来，在功能和可靠性上基本能满足煤矿井下现场的实际需 要。煤矿不同于其他行业，高压、大电器设备较多，使用环境差，尤其要不断 的移动，给维护带来了很大的不便。煤矿井下，为保证安全供电，各种高压开 关装置都装有漏电和短路保护，而一旦出现线路故障，首先引起高压开关掉电， 影响生产，况且由于保护设备质量的不完善性，还易发生误掉电，掉电后往往 采用人工送电。由于井下变电所的特殊性，很少有人值守，加之距离较远，发 现掉电到重新供电，花费较长时间，严重影响生产，因用电设备或区域因工作 需要，在某些特殊条件下。需变电所供电开关断电，一般采用人工断电操作， 给工作带来不便或损失，甚至危及人身安全。对一个现代化的或只有一个采煤 面的高产高效煤矿井下来说，一方面，耽误一个小时的电，可能就意味着少出 一个小时的煤，损失是巨大的；另一方面，为便于供电管理人员的科学管理， 实时了解某路负载的电流、电压、功率等参数也是非常重要的。目前，国内还 没有比较完整定型的井下供电电网自动监测和控制系统，我们研制了镇矿井下 变电所后台监控系统。该系统在实时监测显示各路负载用电参数的同时，能通 过地面计算机遥控井下变电所高压真空开关分、合闸，即由地面计算机遥控断、 4 第1 章绪论 送电，可真正实现井下变电所无人值守。 1 2 电网故障诊断概述 1 2 电罔故障诊断的必要性 随着现代科学技术与国民经济的发展，人们生活质量逐步提高，对电力供 应的需求飞速增长，电力产业发展迅猛。电网规模越来越庞大，结构越来越复 杂，对其安全性和效率要求也越来越高，如何有效管理电网，提升其安全性， 是一重大挑战。对于电网自动化来说，故障诊断与处理是其一大难点。由于自 然与人为的因素，电力系统不可避免的会发生事故，故障后如果不能迅速恢复 供电将造成巨大的经济损失与社会影响。因此保证电力系统运行的安全、可靠、 经济运行，防止事故的发生和扩大，是供用电双方共同的迫切要求。 一旦电网发生故障，调度员首先需要准确地判断出故障位置。经过多年的 努力，我国电力系统中己经装备了大量先进的微型机保护与测控装置，初步建 成了各级调度中心的数据采集与监视系统( s c a d a ) 与保护信息管理系统( r m s ) 。 但是目前s c a d a 对故障信息只显示不处理，电网发生故障后所有相关的监控设 备均会产生相应的报警信息送至控制中心，数量众多使调度员难分主次，完全 依靠人工判断故障位置不堪重负。 在这种情况下，电网故障诊断应运而生。电网故障诊断就是根据故障后 s c a d a 系统收到的各种保护、开关、录波信息，自动判断出故障元件与故障性 质。诊断过程中需要克服故障信息在传输过程中的差错，对相对冗余的遥信实 施化简、提取关键内容，最终使故障情况一目了然。目前故障诊断已经成为电 力系统的一个重要研究领域，受到国内外学者的广泛关注，具有重要的理论价 值和实用价值。 1 2 - 2 国内外故障诊断研究状况分析 变电站故障诊断，属于电网故障诊断，它是针对现有的s c a d a e h s 系统没 能很好的解决警报处理问题而发展起来的。主要是指针对各级各类保护装置产 生的报警信息、断路器的状态变化信息以及电流电压等电气量测量特征进行分 s 第1 章绪论 析，根据保护动作的逻辑和运行人员的经验来诊断可能的故障位置和故障类型。 电力系统故障诊断的研究始于1 9 6 9 年【矧，当时人们对继电器和断路器的自 动分析产生了浓厚的兴趣，并试图采用传统的数学建模技术来解决这一问题， 但是由于故障诊断过程很难用传统的数学模型来描述，也缺乏相应的数学计算 方法，因此很长一段时间内的研究都处于停滞状态。在7 0 年代初8 0 年代末， 随着人工智能技术的发展，人们开始尝试将人工智能技术引入电网故障诊断领 域【硐。在研究中人们发现人工智能技术具有善于模拟人类处理问题的过程，容 易计及人的经验以及具有一定的学习能力等特点，是解决诊断问题的理想方法。 此后，人们尝试将各种人工智能技术用于该领域，并进行了大量的探索经过几 十年的发展，人工智能方法已成为这一领域的研究主流，也产生了一些实用的 系统。 专家系统作为人工智能的重要分支，是最先被引入电力系统故障诊断领域 的，经过几十年的研究与发展，专家系统己成为变电站故障诊断中采用最多的 人工智能方法，人们发展了大量的系统，一些甚至已经通过了测试并得到了初 步得应用。比如日本电力公司针对5 0 0 k v 变电站和一个2 7 5 k v 变电站的故障诊 断专家系统，在国内，专家系统应用于变电站故障诊断也取得了实质的成果， 西安交通大学提出了一种用于变电站故障诊断及恢复处理的专家系统，该系统 采用面向对象技术集成了规则与过程两种知识表达方法，采用搜索无源连通区 域确定停电区的方法，找出故障区，判断故障点，经实验室离线测试，结果良 好1 1 5 】。 虽然专家系统在故障诊断领域得到了很多应用，但在实际应用中还是逐渐 显露出难以克服的缺陷，如容错性太差，推理速度太慢。为了改进专家系统的 性能人们尝试这其与其它人工智能技术结合，如为了改进专家系统的容错性， 人们将模糊逻辑与专家系统结合起来分析不确定因素对智能诊断系统的影响， 以提高诊断的准确率。在面对象专家系统的基础上，增加了基于模糊集的报警 信息处理，不但考虑了开关和保护动作的不确定性，还将故障时电压、电流不 同于正常运行时的特征信息用模糊集表示，利用模糊推来提高诊断结果的准确 性和可用性。另外，也有将神经网络与专家系统进行的结合，充分利用e s 和a n n 各自的优点减少不确定性的影响，该方法具有容错性好，通用性强等优点。 随着人工神经元网络的发展与成熟，国内外又探讨采用人工神经元网络进 行故障诊断，利用a n n 本身的固有纠错能力来解决故障诊断中的不确定。人们 6 第1 章绪论 在这一方面进行了大量的研究，目前主要是采用应用最广泛的b p 网络，利用其 所具有的强大的学习能力及高度的容错性等特点，实现对变电站故障元件的诊 断。过去的研究多是利用来自s c a d a 的保护动作信息和断路器的信息，针对某 变电站进行故障诊断，随着研究的不断深入，人们意识由于保护配置的数量太 大，很难把各种保护信息都送到中心，这种基于s c a o a 信息进行故障诊断的方 法在诊断准确性和完备性上有不足之处，如能充分利用变电站的其他信息源， 可能会有更好的效果 如今，随着众多故障诊断方法的研究深入，综合利用各种故障诊断方法，最 快最优地解决问题，己经成为当前学者研究的一个新课题。 1 3 本文主要研究内容 变电所综合自动化是必然趋势，本文以西山镇矿井下变电所的综合自动化 为研究基础，讨论了变电所综合自动化的现状与发展趋势，并以此为依据，经 过分析比较制定镇矿井下变电所自动化系统的方案。详细论述了变电所综合自 动化后台监控系统的设计流程及其在综合自动化系统中所扮演的角色，对其主 要功能作了较清晰的介绍。同时，设计了变电所综合自动化系统的嵌入式通信 分站，阐述了分站的软硬件设计以及其功能，研究了综合自动化系统的通信网 络，采用以太网作为后台监控系统与分站的通信网络，对其通信协议作了分析 介绍。最后，本文对电网故障诊断方法作了研究，提出结合粗糙集理论与p e t r i 网理论的电网故障诊断方法，并建立诊断模型以及故障切除模型。 7 第2 章井下变电所综合自动化系统 2 1 引言 第2 章井下变电所综合自动化系统 变电站自动化是应用控制技术、信息处理和通信技术，通过计算机软、硬 件系统或自动装置代替人工进行各种运行作业，提高变电站运行、管理水平的 一种自动化系统。变电站自动化的范畴包括综合自动化技术、远动技术、继电 保护技术及变电站其他智能技术等 变电站综合自动化系统实现了电网变电站的现代化管理，使运行监控、正 常和事故操作、继电保护、变电站电压和无功功率自动化控制、事故和动态过 程的记录等功能由计算机完成，站内和站外的信息交换由通讯网实现，从而改 变了传统变电站控制室、保护室的主体结构和值班维护方式，成为当前技术发 展的必然趋势。 井下变电所综合自动化系统可说是变电站综合自动化的一个分支，是利用 计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规的测量和监视仪表、控 制屏、中央信号处理系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，避免 了常规继电保护装置不能与外界通信的缺陷。变电所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，可方 便监视和控制变电站内各种设备的运行和操作，具有功能综合化、结构微机化、 操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。 随着电网技术与自动化技术的发展，地面变电站的综合自动化已经取得了 较大的成果，而井下变电所综合自动化也是必然的趋势，虽然至今国内真正实 现井下电网综合自动化的屈指可数，但是随着研究的深入，技术的进步，井下 电网的综合自动化必将进一步的扩展，更多的井下变电所将能享受来自电网自 动化技术所带来的各种优势和革新。依据不同井下电网的环境，合理设计综合 自动化系统是必要的，本文针对镇矿井下变电所的综合自动化系统，主要功能 可概括如下： ( 1 ) 保证煤矿井下安全供电、合理用电的需要，体现煤矿现代化的管理水平 和计算机管理水平。 8 第2 章井下变电所综合自动化系统 ( 2 ) 正确区分电网运行状态、实现削峰填谷，实现最佳的经济效益。 ( 3 ) 正确反映电网故障，故障信号通过通讯线路进入微机监控系统，记录下 相关信息。 ( 4 ) 确保井下电网及变电所安全优质的运行，迸一步完善变电所运行管理的 科学化和企业的现代化。 ( 5 ) 各种用电及故障信息通过上局域网使各级领导观察及决策 ( 6 ) 实现变电所无人值守，减轻现场维护人员的工作量。 该综合自动化系统具有功能综合自动化、设备操作和监视微机化，结构分 布分层化，通信网络光缆化以及运行管理智能化的特征。为变电所的小型化， 智能化，扩大监控范围以及变电所安全可靠，优质经济运行提供了现代化手段 和基础保证。 2 2 分布式变电所综合自动化系统 2 2 1 变电所综合自动化系统的结构分析与比较 根据系统设计思想以及安装的物理位置不同，综合自动化系统的结构有很 多种。由于国内目前暂无统一标准和规范，故其定义不尽相同。尽管如此，对 综合自动化系统由以下共识：从系统设计思想上归类有集中式，分布式和分层分 布式；从安装的物理位置有集中组屏，分层组屏和分散组屏【3 j 。以下就设计思想 归类的三种类型作分析比较。 1 集中式 集中式结构的变电所综合自动化系统是按功能划分的模式。系统各个功能 模块与硬件无关。各功能模块用模块化软件连接来实现，并且集中采集信息， 集中处理运算。具有结构简单，性能价格比高等优点，但该系统存在以下问题： ( 1 ) 对计算机性能要求高，系统可扩性，可维护性较差。 ( 2 ) 软件开发周期长。由于变电所综合自动化系统是一个集保护、控制、通 信、计算机等多学科、跨专业的高技术，同时系统控制水平要求比较高， 应用软件的编制比较困难，使得开发周期加长针对以上的问题，可以 利用性能较高的计算机或者双c p u 来解决系统的可靠性，该模式对于小 型变电所仍具有一定的生命力和使用范围。 9 第2 章井下变电所综合自动化系统 2 分布式 分布式变电所综合自动化系统一般按功能设计，采用主从c p u 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c p u 系统提高 了处理并行多发事件的能力，解决了c p u 运算处理的瓶颈问题。特点是减少了 变电所内的二次设备和信号电缆，避免了电缆传送信息时的电磁干扰，节省了 投资，系统扩展性和可维护性提高。同时最大限度地压缩了二次设备的占地面 积，由于装置之间相互独立因而也提高了系统的可靠性。 3 分层分布式 分层分布式系统是从逻辑上将变电所自动化系统划分层次，即变电所层( 测 控装置) 、间隔层( 通信分站) 、站控层( 监控主机) 。它是采用“面向对象”即面 向电气一次回路或电气隔离的方法进行设计的，间隔层中各数据采集、控制单 元和保护单元就地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近，各个单元的设备 相互独立，仅通过通信网互连，并同所级测控主单元通信。该结构集中了分布 式的所有优点。系统本身配置灵活，从安装配置上除了能分散安装在间隔层开 关柜上以外，还可以实现在控制室内集中组屏或分层组屏，既可以一部分集中 在控制室内，另一部分集中在低压开关室内分别组屏等。系统具有很好的可扩 展性和维护性该结构模式是目前国内外变电所自动化系统中最热门，比较先 进的模式之一。它可以应用在各种电压等级的变电所中，用在高压变电所的合 理性和经济效益会更好。 2 2 2 分布式变电所综合自动化系统的优点 通过以上各组态结构的分析比较，可以看出分层分布式结构模式具有很好 的发展前景，其主要优点有如下几方面1 4 j ： ( 1 ) 可靠性 分层分布式综合自动化系统的间隔层横向按所内一次设备每个电气间隔分 布式配置。目前，国产的综合自动化设备已普遍具备在高温、强电磁场干扰、 潮湿等恶劣环境下长期可靠运行的条件。因而对3 5 k v 及以下的设备，通常可将 间隔层设备安装在开关柜上。各间隔设备相对独立，仅通过所内通信网互联， 并与变电所层的设备进行通信。在功能组合和分配上，采取可下放的尽量下放 的原则，凡是可在本间隔就地完成的功能( 继电保护、备用自投、电压控制等) ， 1 0 第2 章井下变电所综合自动化系统 均在相应间隔内设置了专用的独立装置，完全不依赖站内通信网，避免或减少 了其他装置或通信的异常对功能运行的影响。即使发生了所内通信网完全瘫痪 的情况，各间隔都仍能保证上述重要功能的不间断执行，从而提高了可靠性。 与此同时，装置的有关外部回路都实行了分类，如保护测控单元在电源回路上， 将工作电源回路、控制电源回路、信号输人回路分开，避免了相互之间的影响， 提高了整体的可靠性。 ( 2 ) 可扩展性 运行实践证明，分散分布式综合自动化系统面向对象设计，实现单元化结 构，具有较强的可扩展性。如新增一条线路，一般其功能同已有的元件，对于 保护测控单元而言，增加一套设备即可，有关系统功能，如修改电气主接图、 修改数据库、修改系统控制功能的参数等，均可通过主计算机上提供的辅助工 具，方便地进行修改、扩充，从而使原有的投资充分发挥其效益。 ( 3 ) 经济性 对于分层分布式系统，每个间隔的一次设备与其对应的二次设备之间的连 接电缆是一对一的，对低周减载、小电流接地选线、故障录波等，需要多套装 置参与和协调来实现的功能，直接集成到相应的保护测控单元中，由系统组织 协调，各相关保护测控单元参与提供信号和负责控制执行及闭锁。因此，各间 隔之间不需要任何其他电缆的连接，仅通过通信电缆或光纤与上层系统联系， 打破了以往大量的信号、测量，控制、保护信息通过电缆引人主控室的常规， 节省了大量的二次电缆，缩小了控制室的占地面积，从而降低了变电所的投资。 ( 4 ) 便于建设、运行和维护 根据有关变电所的施工情况，由这种分散分布式系统每个间隔的各种功能 都已经在制造厂内调试完毕，取消了到现场连接二次电缆的工作，消除了复杂 的电缆互连线引起的现场调试问题，从而大大缩短了变电所二次部分的施工周 期。从早期投运的集中组屏式综合自动化系统来看，监控系统与微机保护装置 往往不属于同一厂家，微机保护的详细信息由通信管理机来取得，通过通信口 与监控系统进行通信，实现与监控系统的信息共享，这就存在保护与监控系统 的接口问题。实践中，生产保护的厂家自带的系统与其他厂家的监控系统进行 互联时，总是不十分顺利，给施工调试和运行维护带来不便。上述问题对分散 分布式系统是不存在的。 通过上述分析，不难看出，分层分布式系统在技术上充分体现了“控制分 1 1 第2 章井下变电所综合自动化系统 散、信息集中”的特点；在经济上，显示了降低工程投资的长处，因而是综合 自动化系统较为理想的一种模式。 2 2 3 分布式变电所综合自动化系统应用 对于企业变电所综合自动化系统的结构配置，是根据企业供电网络的规模 和控制管理方式来确定。井下变电所综合自动化系统一般采用分布式结构比较 合适。因此，针对镇矿井下变电所的情况，采用了分层分布式结构配置。 1 变电所综合自动化的结构配置及功能 变电所分层分布式综合自动化系统系统，一般按三层结构配置，即设备层， 间隔层，站控层，其一般配置如下： ( 1 ) 设备层 设备层设备的配置按回路设计( 如进线回路，馈线回路，电机回路等) ，其 功能要具有相对的独立性，即控制操作可以在当地运行，也可以由站级远方控 制。为了实现资源共享，对分散布置的设备级，可以将控制与保护由一块c p u 实现。对于重要负荷，可以用双块c p u 实现。 设备层设备主要完成的功能有： 微机保护通信 电容器组，母线和变压器的保护与控制 开关设备的保护与控制 系统接地保护 保护值的现场整定计算 变电所的数据采集( 状态量、模拟量、脉冲量和数字量) 根据目前计算机控制系统的发展趋势，强化设备层设备的功能是必须的。 企业在选择综合自动化设备时，应该重视设备层级的功能配置。在本文中设备 层设备配置对应高低压智能测控保护单元，该测控保护单元功能齐全，能很好 的完成设备级的任务和功能。具体功能见节2 3 1 。 ( 2 ) 间隔层 间隔层的设备配置主要起着中转作用，即在设备层与站控层之间建立联系 纽带，由于设备层设备地处井下变电所内，而站控层设备一般在地面控制中心， 距离变电所有一定距离，且设备层的设备数量较多，直接与控制中心建立通信 1 2 第2 章井下变电所综合自动化系统 联系的话，通信接口可能无法满足，因此，间隔层设备是必须的，一方面延长 通信距离，一方面能分流设备层设备，使变电所自动化系统整体结构更清晰。 在本变电所综合自动化系统中，通信分站担当了间隔层级设备的功能，实现了 通信网络的承上启下作用，下接智能测控保护单元，上连后台监控系统。 ( 3 ) 站控层 该层设备相当于控制中心，负责系统总调度和监控，在本文的系统中 p s 1 2 0 0 3 后台监控系统即处于站控层中，其主要完成的功能有： 数据处理和记录 控制与操作闭锁 越限报警与异常状态报警 实现与设备级的通讯 远动r t u 功能 监控系统的自诊断及自恢复 良好的人机界面 站控层除了要实现以上功能以外，还应该配置丰富的系统软件以及开发应 用软件如数据库生与维护软件，图形库生成软件等。本文的后台监控系统选用 专用电力组态软件构建，基本能满足站控层级的各项指标要求。 3 合理建设变电所综合自动化系统【3 】 ( 1 ) 从运行效益来说，应当要注意以下几点： 简化变电所二次设备的硬件配置，尽量避免重复； 减少施工和维护工作量，减少总占地面积，降低总造价和运行费用； 提高运行可靠性和经济性，保证电能质量； 有利于电力系统的安全，稳定控制。 ( 2 ) 综合自动化系统的结构一般宜采用开放式分布式结构，网络的接口应符合 国际标准或工业标准。 ( 3 ) 在变电所综合自动化系统中，继电保护是一个非常重要的组成部分，现阶 段仍应保持相对独立性，其要求如下： 要有独立供给保护装置的电流互感器和电压互感器回路； 保护装置逻辑判断回路所需要的各种输人量，不要和其他设备合用； 要有单独的供给保护装置的直流供电回路； 保护装置在不与监控设备联用时能独立运行。 第2 章井下变电所综合自动化系统 ( 4 ) 综合自动化系统中，继电保护装置和监控系统的测控单元的安装位置可以 根据情况集中布置在主控制室，或者在靠近被保护设备的地方设立保护小室以 安装相应的继电保护装置。 4 镇矿井下变电所综合自动化系统结构 图2 1 镇矿井下变电所综合自动化系统结构简图 镇矿井下变电所主要包括中央变电所、中央泵房、低硫变电所、8 2 0 变电所、 南一变电所及南四变电所6 个控制室。其结构示意图如图2 1 所示。 2 3 镇矿井下变电所综合自动化系统设备组成 根据镇矿井下电网及采区变电所开关布置情况、井下高低压供电系统接线 图，本“p s m 2 0 0 3 煤矿井下电网综合自动化系统”决定由下列设备组成： 1 4 第2 章井下变电所综合自动化系统 z n c k _ 2 a 型高压智能测控保护单元 z n b t i - i 型低压智能测控保护单元 k j a 安全隔离器 k j f 电力通信分站 光纤收发m o d e m 以太网光纤交换机 k 明隔爆兼本质安全型电源箱 p s m 2 0 0 3 煤矿井下电网计算机监控系统 地面工作站微机和相应设备 图2 2 所示为该变电所设备组成结构示意图。 图2 2 系统结构示意图 2 3 1 智能测控保护单元 本测控保护单元采用先进的1 6 位计算机技术，辅以工业级外围芯片，精密 第2 章井下变电所综合自动化系统 小型互感器，小型专用继电器，高精度的a o 转换器对交流信号进行直接采样 运算，更加真实的反映出电网的实时运行状况，保护可靠灵敏，测量精度高。 装置配有带隔离的r s 一4 8 5 串行通信接口，支持“四遥”功能，便于接入井 下电网综合自动化系统。各装置之间仅通过网络联结，网络组态灵活，使整个 系统的可靠性得到很大提高，任一装置故障仅影响到相对应的元件。 在软件上保护模块与其他模块完全分开，装置中保护部分功能独立，而且 保护功能不依赖通讯网，网络瘫痪与否不影响保护正常运行。通信速率可选 1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 b p s 。 装置采用全密封设计，加上精心设计的抗干扰组件，使抗震能力，抗电磁 干扰能力有较大提高。 全中文液晶显示，菜单式操作，使控制操作更简单、显示信息更丰富。除 保护控制功能外，还具有诊断功能，开关状态、负荷电流、电网电压、有功功 率的实时显示功能，电度计量功能，故障类型及故障参数的记忆查询等功能。 1 ) z n c k - 2 a 型高压智能测控保护单元 用于与矿用隔爆型高压真空配电装置配合，对额定电压6 ( 1 0 ) k v ，额定频 率5 0 h z ，额定电流至4 0 0 a 6 3 0 a 的中性点不接地或经消弧线圈接地方式的供电 系统进行控制和保护。 保护功能： 短路保护 过负荷保护 选择性接地( 漏电) 保护 绝缘监视保护 过压保护 欠压保护 测控功能： 开关遥信状态信号、装置遥信变位信号、事故遥信信号采集 断路器遥控跳闸、合闸( 包括停电状态下的分闸) 有功功率、电度w 、电网电压u a c 、电流i a 、。电流i c 的遥测 2 ) z n b h 一1 型低压智能测控保护单元 用于与矿用隔爆馈电开关配合，对额定电压6 6 0 v 、1 1 4 0 v ，额定频率5 0 h z ， 额定电流至4 0 0 a 6 3 0 a 的井下低压供电系统进行控制和保护。 1 6 第2 章井下变电所综合自动化系统 保护功能： 短路保护 过负荷保护 选择性漏电保护 漏电闭锁保护 过压保护 欠压保护 断相保护 测控功能： 开关遥信开入采集、装置遥信变位、事故遥信 接触器遥控跳、合( 包括停电状态下的分闸) 有功功率、电网电压u a c 、电流i a 、电流i b 、电流i c 遥测 2 3 2k j a 安全隔离器 k j a 安全隔离器采用光电隔离技术，浇封为一体化结构，实现本安输出的 r s 一4 8 5 信号到非本安信号输出监测设备的r s - 4 8 5 远距离传输信号之间的隔离， 从而实现对煤矿井下监测监控设备的双向信息传输，并确保整个传输线的本质 安全性能。是井下电网综合自动化系统的配套产品。 2 3 3 光纤收发m o d 蜘l 和交换机 在传统的以太网中起连接作用的介质主要是双绞线。双绞线传输距离的极 限大约为2 0 0 米左右，如此短的传输距离制约了网络的发展，同时双绞线受电 磁干扰的影响较大，这也无疑使数据通讯质量受到较大的影响。工业以太网光 纤交换机及光纤收发器的运用，将以太网中的连接介质换为光纤，光纤的低损 耗、高抗电磁干扰性，在使网络传输距离从2 0 0 米扩展到2 公里至几十公里， 乃至于上百公里的同时，也使数据通讯质量有了较大的提高。它使服务器、中 继器、集线器、终端机与终端机之间的互联更加简捷。是井下电网综合自动化 系统的配套产品。 2 3 4k j f 电力通信分站 1 7 第2 章井下变电所综合自动化系统 电力通信分站安装于煤矿井下变电所，采用本安供电，带1 个k s 一4 8 5 串行 通信接口和1 个以太网接1 3 ，从串口可以集中采集8 路监测、监控回路的电力 参数，进行分析和处理，然后通过以太网将监测数据以及分站数据和状态上传 至井下变电所后台监控系统。 2 3 5k d w l 5 a 隔爆兼本质安全型电源箱 k d w l 5 a 隔爆兼本质安全型电源箱允许在有瓦斯、煤尘爆炸危险的环境中使 用，用于向本质安全型设备提供稳定的、高性能的本安型直流电源。 2 3 6p s m 2 0 0 3 煤矿井下电网计算机监控系统 p s m 2 0 0 3 煤矿井下电网计算机监控系统是为适应井下电网综合自动化的发 展需要，开发研制的新一代电网综合自动化系统，此软件系统安装在地面监控 计算机中。本系统可以实现以下基本功能： 数据采集和处理 运行监视和报警 事件顺序记录( s o e ) 开关顺序控制 报表存储和打印 与外部系统的通讯 2 4 综合自动化系统的通信网络 由于数据通信在变电站综合自动化系统内的重要性，经济、可靠的数据通 信成为系统的技术核心，而由于变电站的特殊环境和综合自动化系统的要求， 变电站通信网络应具备以下要求： 。 ( 1 ) 快速的实时响应能力。 变电站综合自动化系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信息和操 作控制信息。在电力工业标准中对系统的数据传送都有严格的实时性指标，网 络必须很好地保证数据通信的实时性。 ( 2 ) 很高的可靠性。 1 8 第2 章井下变电所综合自动化系统 电力系统是连续运行的，数据通信网络也必须连续运行，通信网络的故障 和非正常工作会影响整个变电所综合自动化系统的运行，设计不合理的系统， 严重时甚至会造成设备和人身事故、造成巨大的经济损失，因此变电所综合自 动化系统的通信网络必须保证很高的可靠性。 ( 3 ) 良好的电磁兼容性能。 井下变电所是一个具有强电磁干扰的环境，存在电源、雷击、跳闸等强电 磁干扰，通信环境恶劣，数据通信网络必须注意采取相应的措施消除这些干扰 的影响。 ( 4 ) 分层式结构。 这是由整个系统的分层分布式结构决定的，也只有实现通信系统的分层， 才能实现整个变电站综合自动化系统的分层分布式结构，系统的各层次又具有 特殊的应用条件和性能要求，因此每一层都要有合适的网络系统。 目前，广泛应用的控制网络有j 串行总线网，现场总线，工业以太网。下 文就本文所应用的串行总线网以及工业以太网作介绍。 2 4 1 串行总线网 早期的变电所自动化系统中，广泛采用串行通信技术来实现站内通信，如 r s 一4 8 5 总线，其优点在于接口简单，且能挂接多个设备，对于简单的组网非常 容易实现，但是其缺点也是必然存在的，在工程实践过程中主要暴露出以下问 题： 1 ) 通信速率低，一般不超过9 6 k b p s ，在需实时传送大量数据时力不从心。 2 ) 在采用星形拓扑结构时系统站点和功能的扩展困难。 3 ) 若使用总线形拓扑结构，由于不能实现平衡传输，不能实现多主站共享 网络资源，只能运行p o l l i n g 规约，开销大，效率低。 4 ) 只能在通信网中设置一个主机，因而不能享有多主机带来的各种优越性 能。 5 ) r s 一4 8 5 总线的传输距离一般不大于1 2 千米，对于更长距离的通信难 以胜任。 由于以上原因，导致通信网络规模增大变复杂的情况下，使用串行总线组 网，其性能低下，且组网困难。随着用户对变电所自动化系统功能和性能不断 1 9 第2 章井下变电所综合自动化系统 提出新的需要，只靠串行通信技术己经不能满足要求。 2 4 2 工业以太网的发展及应用 在串行总线逐渐不能满足对系统功能和性能的要求时，人们把目光转向了 现场总线，但是由于现场总线技术发展至今，己形成了4 0 余种各具特色的现场 总线协议，这些协议分属不同的国家和跨国公司。由于竞争和利益的关系，这 些现场总线之间的互连互通一直是难以解决的问题。因此，如今人们开始把目 光投向当今世界使用最广的局域网技术一以太网。以太网在办公自动化领域已 成功运行了二十多年，随着信息互通、共享的需要，网