（电气工程专业论文）矿井变电站综合自动化系统的研究与设计.pdf

辽宁工襁技术大学醭士学位论文 摘要 髓家坨矿自投产以来，地颇3 5 k v 变电站的二次设备一直保持在上 世纪7 0 年代投产时的水平，融不能适应众业生产经营对供电系统的基 本要求，其二次设备熬改造积势在必行。这次昌家圪嶷电站二次设备 的改逡采用了交嘏站综合自动他的技术，将陈l 珏的嘏磁式保护龛部更 新为微机保护，撼高了保护的灵敏度和准确性、稳定性，把原来仅有 单一像护功能的继电器改造成了集保护、测量、控制和通信予一体豹 傈护溯控装置；农交电菇综念鸯动亿酌技术串采磊分层分布式网络结 构，戳置了功能强大的监控系统软件。实现了变电站的“四遥”功能， 同时弓l 进了先进的w e b 发布技术和无线j l 麓管系统技术。实现了变电站 运霉猿怠豹嚣城掰售患共享秘无线移动餐爱手壤土豹夔懿夔臻戆查 看。 关键溺：交珏嚣敬造综会鑫动纯技零 j | 蒸控系统w e b 发农援零 无线般管系统 垦主兰塑堡查查堂堡生登垡笙茎 a b s t r a c t s i n c et h el vj i at u oc o a lm i n ep u t si n t op r o d u c t i o n , t h es e c o n d a r ye q u i p m e n t s o f3 5 k vs u b s t a t i o ni ss t i l li nt h el e v e lo fl a s tc e n t u r ya n dc a nn o tm e e tt h eb a s i c r e q u i r e m e n to fp o w e rs u p p l ys y s t e m i ti sn e c e s s a r yt o r e f o r mt h es e c o n d a r y e q u i p m e n t s t h er e f o r m a t i o na d o p t a u t o m a t i ct e c h n o l o g y , c h a n g et h ee l e c t r o m a g n e t i c p r o t e c t i o nt od i g i t a lp r o t e c t i o n , i n c r e a s et h es e n s i t i v i t ya n da c c u r a c y , r e f o r mt h e o u t d a t e ds y s t e mt ot h en e wp r o t e c t i o ns y s t e mw h i c hh a st h ef u n c t i o no fp r o t e c t i o n , l n e s s u r e ，c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n t h ea u t o m a t i cs y s t e ma d o p t st h eh i e r a r c h i c a l s t n l c t m ea n dh a sp o w e r f u lm o n i t o r i n gf u n c t i o n , r e a l i z et h e y o u rr e l l y t e s * * ，a tt h e s a m et i m e ，i n t r o d u c ew e bi s s u ea n dw i r e l e s sm o n i t o rs y s t e mt e c h n o l o g y , t h e s u p e r i n t e n d e n tc a ns k i pt h es u b s t a t i o ni n f o r m a t i o nt h r o u g ht h e l o c a ln e t w o r ka n d w i r e l e s sm o b i l ep h o n e 。 k e y w o r d s ：t r a n s f o r m a t i o n r e f o r m a t i o na u t o m a t i ct e c h n o l o g yw e bi s s u e t e c h n o l o g y w w e l e s sm o n i t o rs y s t e m 辽宁工程技术大学硕士学位论文 蒸绪论 1 1变电站综合自动化系统概述 “变电站自动化系统”( s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m s a s ) 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( s a s s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ：t h es a sp r o v i d e sa u t o m a t i o n i nas u b s t a t i o ni n c l u d i n gt h ec o m m u n i c a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) ”。 变电站综合自动化采用自动控制和计算机技术实现变电站二次系统的 部分或全部功能。为达到这一目的，满足电网运行对变电站的要求，变电 站综合自动化系统体系由“数据采集和控制”、“继电保护”、“直流电 源系统”三大块构成变电站自动化基础。“通信控制管理”是桥梁，联系 变电站内部各部分之间、变电站与调度控制中心之间使其相互交换数据。 “变电站主计算机系统”对整个综合自动化系统进行协调、管理和控制， 并向运行人员提供变电站运行的各种数据、接线图、表格等画面，使运行 人员可远方控制断路器分、合操作，还提供运行和维护人员对自动化系统 进行监控和干预的手段。“变电站主计算机系统”代替了很多过去由运行 人员完成的简单、重复和繁琐的工作，如收集、处理、记录、统计变电站 运行数据和变电站运行过程中所发生的保护动作、断路器分、合闸等重要 事件，还可按运行人员的操作命令或预先设定执行各种复杂的工作。“通 信控制管理”连接系统各部分，负责数据和命令的传递，并对这一过程进 行协调、管理和控制。 与变电站传统电磁式二次系统相比，在体系结构上，变电站综合自动 化系统增添了。变电站主计算机系统”和“通信控制管理”两部分；在二 次系统具体装置和功能实现上，计算机化的二次设备代替和简化了非计算 机设备，数字化的处理和逻辑运算代替了模拟运算和继电器逻辑：在信号 传递上，数字化信号传递代替了电压、电流模拟信号传递。数字化使变电 站自动化系统与传统变电站二次系统相比，数据采集更精确、传递更方便、 处理更灵活、运行维护更可靠、扩展更容易。 变电站综合自动化的结构模式： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 变电站综合自动化系统的结构模式主要有集中式、集中分布式和分散 分布式。 ( 一) 集中式结构 集中式一般采用功能较强的计算机并扩展其i 0 接口，集中采集变电 站的模拟量和数量等信息，集中进行计算和处理，分别完成微机监控、微 机保护和自动控制等功能。集中式结构也并非指只由一台计算机完成保护、 监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控和与调度等通信 的功能也是由不同的微型计算机完成的，只是每台微型计算机承担的任务 多些。例如监控机要担负数据采集、数据处理、断路器操作、人机联系等 多项任务；担负微机保护的计算，可能一台微机要负责多回低压线路的保 护等。 ( 二) 分布式结构 该系统结构的最大特点是将变电站自动化系统的功能分散给多台计算 机来完成。分布式模式一般按功能设计，采用主从c p u 系统工作方式，多 c p i j 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。 各功能模块( 通常是多个c p u ) 之间采用网络技术或串行方式实现数据通信， 选用具有优先级的网络系统较好地解决了数据传输的瓶颈问题，提高了系 统的实时性。分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其它模块 正常运行。该模式在安装上可以形成集中组屏或分层组屏两种系统组态结 构，较多地使用于中、低压变电站。 ( 三) 分布分散( 层) 式结构 分布分散式结构系统从逻辑上将变电站自动化系统划分为两层，即变 电站层( 站级测控单元) 和间隔层( 间隔单元) 。也可分为三层，即变电站层、 通信层和间隔层。 该系统的主要特点是按照变电站的元件，断路器间隔进行设计。将变 电站一个断路器间隔所需要的全部数据采集、保护和控制等功能集中由一 个或几个智能化的测控单元完成。测控单元可直接放在断路器柜上或安装 在断路器间隔附近，相互之间用光缆或特殊通信电缆连接。这种系统代表 了现代变电站自动化技术发展的趋势，大幅度地减少了连接电缆，减少了 辽宁工程技术大学硕士学位论文 电缆传送信息的电磁干扰，且具有很高的可靠性，比较好的实现了部分故 障不相互影响，方便维护和扩展，大量现场工作可一次性地在设备制造厂 家完成。 1 2 变电站综合自动化系统的现状分析 1 2 i国内变电站综合自动化系统的发展状况 自改革开放以来，中国经济得到了长足的发展，对于关系到国民经济 命脉的电力，首当其冲。电力系统的飞速发展对电力自动化系统不断提出 新的要求，以满足用户的要求，电子技术、计算机技术和通信技术的飞速 发展为电力自动化的发展提供了深厚的技术背景。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。 自2 0 世纪9 0 年代以来，变电站自动化技术一直是我国电力行业的热 点技术之一。目前全国己投入运行的3 5 5 0 0 k v 变电站约2 0 0 0 0 座( 不包括 用户变) ，而且每年新增变电站的数量约为3 5 ，也就是说每年都有千百 座新建变电站投入电网运行，新建变电站基本上都采用了自动化系统模式， 同时每年还有许多老变电站的技术改造，也基本上以自动化系统模式为主。 在已采用自动化技术的变电站中，早期采用较多的国外产品有：如a b b 、 s i e m e n s 、g e 等公司的产品。但随着国内厂家的产品技术含量、工艺水平的 提高以及国家产业政策的支持，目前2 2 0 k v 及以下电压等级变电站的自动 化大都采用了国产产品，3 3 0 k v 及以上电压等级变电站也大量使用了国产产 品。目前，国产产品厂家主要有：南瑞集团、北京四方、许继电气、国电 南自等。 我国变电站自动化发展阶段 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： ( 1 ) 第一阶段：面向功能设计的集中式r t u 加常规保护模式 8 0 年代及以前，是以r t u 为基础的远动装置及当地监控为代表。该类 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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r t u 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r t u 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。 ( 2 ) 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9 0 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。 ( 3 ) 第三阶段：面向间隔、面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 设计的分层分 布式结构模式 第三阶段始于9 0 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。1 1 0 k v 以下电压等级变电站，保护测控装置要求一体化、 1 l o k v 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。 1 2 2 变电站综合自动化系统的发展的现状分析 1 2 2 1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 ) 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。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 当她监控功髓作为当地运行入员的入机交互窑口，以图形显永、报表 打印、谮音报警等释种方式实现当地的“四遥”。通过“五防”系统联锁 控制牙芙及刀阀的跳含，并对颧鼹器舍婀掇传耋动检嗣期，按v q c 原理调 节变压器挡位或投仞电容器缰，戳及与m i s 系统安全联接实现信惑共享。 保护信息管理功能作为当地继保人员的人机交互衡口，也可以图形显 示、报袭打印、语嚣缀警等各种方式对继电保护及安众自动装置的运行状 凝翔装纛蹩否敖簿、定僮是否改变、采群楚否准薅等遴行实辩鍪巍，稷摇 运行需璎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。 运秀逶羡殛戆蹩将当建懿撩秘保护镶惑譬理功戆逶过遥痿褒远方实 现，是变电站实现无人值班的前提条件。避方监控和保护信息管瓒功能同 样可以备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 理主菇，也霹班会：必一帮逶遨惩一逶遴接至远方主懿。 ( 2 ) 网络层完成信息传递和系统对时等功能。通道信息交抉，实现信 息共享，减化变电站的设备配鬣，从整体上提高变电站自动化系统的安全 性和经济悭。丑翦灏内外产品流行两种网终层结构：期双层弼和纂层网结 梅。 目前采用的现场总线有：l o n w o r k s 、c a n b u s 、w o r l d f i p 、p r o f i b u s 等， 速率为l “1 2 m b p s ；以太网通信方式，速率大多为l o m b p s l o o m b p s 自适应。 瑶场惫线具有使用努使、蓠攀、经济豹特赢，淤太瓣懿骞秘络标潦、舜藏 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威用特点 上仍不能完全替代现场总线，顾向实时控制的工业以太网技术及标准正处 手骚究籁翻定j 童程审，爨虢瑗绥总线萼冬会耩瑷太嚣劳存槎当长辩瓣。 ( 3 ) 间隔层主簧是继保、腋控设备层。可集中组群也可分布在各继电 保护小阃内或安装在开关柜上。继保、监羧既可以各自独立也可以合二为 一。它瓣甥关一次设冬进行保护、测量和按剿，响应裁缝层、交魄站墨、 远方主站的操作要求，对采集的信息进行处理上送，并在变电辩滕、远方 主站控制失效的情况下仍能完成保护、测墩和控制功能。 三燃之阋豹关聚。变电站鼷、阏络层、阕隔层既鞠誊独立又稳置联系。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 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 2 继电保护技术的发展 谈到变电站自动化，必须关注继电保护技术的发展，关注保护与监控 当前及今后在自动化技术发展中的相互融合关系。 ( 1 ) 继电保护技术的发展史 从9 0 年代初至今，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具 特色，为电力系统提供了一批性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护 装置。随着微机保护装置的深入研究，在微机保护软件、算法等方面也取 得了很多理论成果。微机保护已成为电力系统保护、监控、通信、调度自 动化系统的重要组成部分。 ( 2 ) 继电保护的现状 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c p u 、1 6 位c p u 等几个阶段， 当前已发展到利用d s p 进行信号处理、3 2 位c p u 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。 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，t a 饱和影响较大等缺点。 在1 1 0 k v 及以下电压等级的变电站综合自动化系统中，主变后备保护、 线路( 馈线) 保护、电容器保护等继电保护装置普遍采用保护测控一体化技 术，即所谓的四合一装置。每个四合一装置不但可完成继电保护功能，而 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 且还可完成测量、控制、数据通信功能，成为整个电力系统计算机网络上 的一个智能设备。 1 2 3变电站综合自动化系统的发展趋势 i e c 6 1 8 5 0 标准的推广应用 i e c6 1 8 5 0 是国际电工委员会t c 5 7 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。i f , c6 1 8 5 0 制定的思路是： ( i ) 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 s c a d a 系统。i e c6 1 8 5 0 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。 i e c6 1 8 5 0 标准经过多年的酝酿和讨论，至2 0 0 3 年己正式发布大部分 内容。i e c6 1 8 5 0 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i e c6 1 8 5 0 开展工作，并提出i e c6 1 8 5 0 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，i e c 6 1 8 5 0 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。 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 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 将会进一步应用在继电保护和测控装置上，如3 2 位c p u 、数字信号处理芯 片d s p 、高速数据采集系统、嵌入式实时操作系统、大容量f l a s h 、可编程 逻辑器件c p l d 、f p g a 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( i e d ) 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。 1 2 4变电站综合自动化系统和传统电磁继电器保护的比较 传统的保护系统与微机保护装置系统的主要区别，在于用微机控制的 多功能继电器替代了传统的电磁式继电器，并取消了传统的信号屏等装置， 相应的信号都输入至计算机。为便于集中控制，采用集中式设计一一将所 有的控制保护单元集中布置，整个变电站二次系统结构非常简单清晰，所 有设备由微机保护屏、微机采集屏、交直流屏和监控系统组成。屏柜的数 量较传统的设计方式大量减少。由于各种微机装置均采用网络通讯方式与 当地的监控系统进行通讯而不是传统的接点输出到信号控制屏，因此二次 接线大量减少。同时由于采用了技术先进的当地监控系统来取代占地多、 操作陈旧的模拟控制屏，使得所有的操作更加安全、可靠、方便。 1 2 5吕家坨矿变电站现状和本课题的研究背景与意义 开滦( 集团) 有限责任公司的前身为开滦矿务局。始建于1 8 7 8 年，迄 今已有1 2 7 年历史，是国有特大型煤炭企业。开滦地处河北省唐山市境内， 北倚燕山，南望渤海，毗邻京津大城市群，处于环渤海经济开发区腹地； 京沈、通坨、大秦和坨港四条铁路干线，京沈、唐津、唐港三条高速公路 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 纵横其中；秦皇岛港、塘沽港毗邻相接，新崛起的京唐港建有开滦业主码 头，煤炭可直抵华东、华南市场和全国各地，并远销海外。开滦煤田富庶 广袤。煤田总面积为8 9 0 平方公里。开滦( 集团) 公司现有生产矿井1 1 座。 吕家坨矿就是现有的1 1 座矿井之一 吕家坨矿业公司是开滦( 集团) 有限责任公司的一座大型现代化矿井， 一座历史悠久的煤矿地处河北省唐山市境内。该矿井是开滦集团主要矿井 之一，年生产优质原煤3 0 0 万吨。交通运输条件十分便利，矿区自备铁路 在古冶站与京山线相接，南距京唐港9 2 k m ，东距秦皇岛港儿2 k m ，西距天 津塘沽港1 1 1 k m 。矿区内公路四通八达，京唐港2 号泊位是开滦自建的 业主码头，可以停靠2 - 3 万吨级船舶，服务质量优越。 吕家坨矿自投产以来，经历了几十年的风风雨雨，逐步发展成了一座 现代化矿井，逐步实现了综合机械化采煤，采掘机械化程度1 0 0 。多年来 吕家坨矿以建设高产高效矿井为主线，大力实施科技兴矿战略，先后完成 了主井自动化改造、电液控自移支架等新型设备，基本形成了生产系统现 代化、关键部位自动化、安全监测网络化的格局，使矿井产量、劳动效率 和经济效益同步大幅度提升。 随着矿井机械化水平的大幅提高，对于矿井的供电系统的稳定水平 也越来越高，可以说保证整个矿井可以高产、高效、安全、稳定的生产， 供电网络的可靠运行至关重要，从目前阶段煤矿发生的特大型事故来看， 也都与煤矿的供电网络不可靠有关联。目前吕家坨矿的供电网络重要是有 3 5 k v 枢纽变电站和各分区变电站( 包括各地面与井下分区变电站) 构成， 对于井下供电系统随着采掘设备的更新，大多数供电设备也得到了更新， 某种程度上已经实现了井下供电的自动化系统，包括井下高压开关设备的 继电保护设备也已经使用了大量的微机保护，部分设备完成了变电站综合 自动化系统中的。四遥”。但是对于矿井的供电网络中的核心部分一地面 3 5 k v 变电站来说，从该变电站正式投运到目前为止，由于种种原因，变电 站基本内部设备没有进行过更新，特别是变电站二次设备，更是保持在矿 井7 0 年代投产时的水平，主要表现在以下几个方面： 变电站中继电保护仍然全部采用的是电磁继电器的保护，大部 辽宁工程技术大学硬士学位论文 分继电嚣严重老化，僳护动作不可靠，经常出现保护籀动和保护谡动情况。 0 站内直流系统严重老化，输出电压不稳定鼠波动大，凭法保证 变电站= 次设备的巍漉供电静要求。 辔由于保护和直流的睬暇，一量设备出现故障和损坏也无法找到 台适的零部件更换，造成设备瘫痪、无法遴行。 由于设备的信息化穗度低，报警的自动化程度不完善，也带来 一量出现电力设备放漳，僮斑入受和耜关镶导不鸵及辩得躲情嚣，不能微 到故障的及时处理，严重影响电力设备的安全、正常递杼。 变电站是输配电系统中的燕要环节，是电网的主要监控点。随着计算 襁技术在电力系统豹应用秘发展，越来越多豹耘建交壤嫔采溺综务是动纯 设计，该设计在河北省南部电网所有新建变电站中已成为成熟的定型设计。 但在电力系统中，仍存在大量服役多年的常规变电站，这些老变电站一般 都是电网豹枢纽变墩菇，容量大、出线多、毅运久，其一次设备老纯、损 坏及瘸蚀严重，维护更新的工作量及费用逐年增加，盟效果不碉照。站内 二次设备从电磁型继电器保护、晶体管保护、集成电路保护、弱电选控设 备到“甄合一”的集控台都在网时运行。这些设备的老化对变电站嬲安全、 优震、离效运行构成很大藏胁，对电网系统静安全、稳定、最优运行也是 一大隐患。鉴于每年对这类变电站投入大擞人力、物力、财力进行维护整 治而效果不理想，因此，对这魃旧站合理的、经济的、先进可行的改造， 使箕渍懋无入毽班或少人篷班鹣要求，已戚隽电力系统工程技术人员垂罄 的迫切问题。 结合吕家坨供电网络的现状，对于核心部分一地面3 5 k v 变电站，其二 次设备蠡子是上整纪7 0 年鼗投遂良来，始终没有遴雩亍过更薪，已不藐满足 现代煤矿企业的正常运行对于供电系统的要求。其信患化的落后程度更是 无法适应企业的生产运营和发展，不能提供变电站运觜情况的及时准确的 信息。鞠此吕家坨3 5 k v 变电鳆麓次设备熬改建已势在必行，以提薅变电菇 的自动纯承平和信息化程度，使吕家坨3 5 k v 变电站满足企业对于供电系统 的要求，从而推动企业的生产和发展。 结务实际情况秘当翦国内变电站鑫动纯秘企业信患纯豹发展农平，吕 辽宁工程技术大学颈士学位论文 家坨3 5 k v 变电站酶：次设备静改造必须达到敷下改造翻的： a 实现对变电站所有电气设备的实时监控，提高变电站运行的安全可 靠性。 b 。运弱无a 馕班少a 毽班鲍要求，敬善工俸条伟，实瑶变瑰菇运行 状况的蜜时监控及运行记录自动化，提高变电站的自动化水平和远行效率。 c 满足屯网调度自动化的功能要求和对远动数据的实时性，l 玎靠性、 正确往耱准确性懿簧求，实瑗“因遥8 ，戳健变电蛙壤班人曼挺菇工雅效 率、以及及时掌握故障情况。 d 提高变电站的信息化水平，充分利用先进的有线网络和无线网络的 技瘩，使撂变电站豹运行警理入爨湛及相关领导能够穷便爰封建攀羟变电 站的运行情况。 在进行变电站的二次设各改造中，同时黉遵循以下原则： a 。 充分利用艨有设备，尽曩晦低改造成本；合理设计回路，躐小改造 难度。 b 增强“四遥”功能，利用综合自动化系统组建变电站内自动化系统 以及相应的分布式遴信婀络，实现全站自动化。保证变电站运行信息直采 直送，控餐命令霹纛送至耱关设备。信惠传输采用数罐瓣串行接鞘r 5 4 8 5 接口通信和远程计算机网络接口通信2 种方式相结合。 c 。 保护装置和系统安全自动装置独立设置，保护信号采用双燕采集， 帮微辊穰护装置的裳保护信号毅堙接点方式分掰接入中央傣号帮整控系 统，数字输出通过串行口或由保护管理机接入以太网与监控系统相连。 d 电能量信息由监控系统根据采集的电量信息计算得到，并自动生成 基报、穷摄等形式，萄汇基、打印。 e 自动化系统的电气模拟惫采用交流采样，系统框架和容量按变屯站 现有规模考虑，并考虑适当的增加和变化。 f 。 艇控系统要其有高度鹣信息化程度，能以局域潮耧无线嬲络豹方式 使相关领导和相关部门及时、准确的了解变电站运行的实时情况。 1 3课题来源及内容提要 本漾题来源于舄家坨变电站二次设备的改造工程，结合吕家煽变电站 辽宁工程技术大学硕士学能论文 的实际情况和二次设备改造的簧求， 动化系统的模式选择以及实现方法、 息化程度豹提高。 1 2 确定蠡动化改造静设计方案，包括自 变电站保护和监控的改造、变电站信 交奄始垂动证改造的关键帮蕾先要解凌瓣闯蘧是鑫渤纯模式静选撵，登 须根据搬电站的实际情况全面、系统考虑。目前国内黛电站实现自动化改 造主要露以下2 种模式。 1 ，3 。1豢溪运凄方茂 常舰远动方式怒指采用调魔自动化系统的远动r t u 实现自动化改造。 该方式采用以太网或r s 4 8 5 星膨结构，由功能分布式网络化的r t u 构成监 控系统，增热稳应豹测控功戆及甾号。控铡室嚣继毫绦护羼窝中央信号系 统保持原设计不变，保留原二次系统，仅对原有二次阐路进行改动，易于 运行和维护。充分利用原有设备，投资小、改造施工简便、工作嫩小，但 改造后熬= 次回路设诗较复杂。源爨| j 上运摇一、二+ 冬豹变电站疯采用该 方案。 1 3 2 综合自动化方式 综会自动化方妓是指采用保护、测量、控制一体化的监控系统实现自 动纯。该方式集变嗽菇二次功戆为一律，傣惠高度莛攀，结稳筏蘩、功能 较多。需进行全面的二次系统改造，取消中央信号系统( 信号屏、控制屏) ， 保护屏煲换为保护测控屏，远动系统和计算机监控系统统一考虑，采用分 爰分毒袋维棱戆嚣款式系统，将信号秘控铡螯路接入谤舞瓤整控系统。该 方案需鼹换大量原有保护及二次设备，投资高、改造难度大、施工复杂、 工作量火。 采掰该方式霹l 嚣继送行改逡魄较困难，毽改造爱瓣= 次霞臻设谤丈蠹 简化。通常适用于新建站，运杼超过3 0 年的变电站可考虑。 考虑到吕家坨变电站的实际情况以及对于变电站蔗作的目的、原则和 要求本潆题选择综会塞动证方式来完成变巍楚二次设备翡改造。 辽宁工程技术大学硕士学彼论文 1 3 2吕家院矿变电辩综合自动化系统改造设计研究 变电站的二次设备改造方案采用综合自动化方式来实现，同时也要满 足墨家圪变电站改造豹骧刚，懋量减少施工豢以及施工对闽，尽爨不停电 或多停魄，因忿改造后的综合自动纯系统的醚置淤及绦鑫系统静分布式弼 络结构，按如下原则设计： a 。 6 k v 线路的保护以分散安装为主，各线路的保护测控装鬻安装于 各开关裁乏孛，莠狻立运行。 b 3 5 k v 线路以及变压器的保护以缎屏方式为主。 c 综自系统的分布式网络结构分成三层：综自靛置层、通储管理机 藩彝主壤撬瑟。 d 综自装置以4 8 5 接口的方式接入通信管理机，通信管理帆和上位 机系统以以太网的方式相联。 图1 吕家坨3 5 k v 变电站综龠自动化系统网络结构 辽宁工程技术大学硬士学位论文 l 现场电量信号及告警信号按以下原赋接入各自的装麓： a 遥测部分：需要进入计算机监控系统的测量参数根据有必规定和 实际震要来确定。嗽流、电压僚号接入综囊装置。3 5 k v 豹测量电漉串接在 电凄表之后。 b 遥信部分：断路器和隔离刀闸的位置信号、控制回路断线、弹簧 未贮能、主变压器的报警信号( 包括温度越限、重瓦糍、轻瓦颏、油位异 鬻、錾爨器静莲力舅鬻等) 揍入褪应翡装薰。 c 事故信号：从保护装麓发出的事敞信息一方砥由保护装殿经硬节 点输出黧中央信号装置产生事战总信号，嬲一方面由保护装置按综自系统 援约经遴信警理撬发至上篷援系绫。 d 。遥控部分；将综自装鬻上每路遥控输出端“十”、遥分、邂合、分 别接至原控制回路中正电源、就地操作开哭k k 的分闸接点和合闸接点即可 实现，势经综囊侧聪援 羲镁；将综自装置土每劈遥控输滋端。+ ”、遥分、 遥台分粥与手控开关并联接至暇控制回路巾的正电源、操作箱，并增加就 地远方控制选择开篾。 2 ，1若家院矿交毫鳐综合鑫魂耗系统设诗蕤慧 随潜科学技术的不断发展，计算机已渗透到了世界每个角落。电力系 统也不掰避免地进入了微机控制时代，变电站综合自动化系统取代传统的 交毫蘩：次系统，纛裁秀姿蘩亳力系统发矮瓣趋势。 变电站综合自动化系统以凝简单可靠、可扩展性强、兼容性好等特点 逐步为圜内用户所接受，并在一些大型变电站监控项目中获得成功的应用。 完熬豹交电站综会自动纯累绫狳在各蔽麓爨护萃露保蟹紧急警动操终 跳、合闸的手段外，其余的全部控制、监筏、测量和报警功能均w 通过计 算机监摭系统来完成。变电站晃需另设远动设备，监控系统完全满足遥信， 遥测、避控、遥调的功毙以及燹入毽班之鬟要。麸系统设计和工羧藏工 ；王 及节约嗽缆耱旌工惫的角度来番应有以下特点： ( 1 ) 分胺分布式设计； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 系统采用模块化、分布式开放结构，各控制保护功能均分布在各自独 立的综保单元，所有的控制、保护、测量、报警等信号均在就地单元内处 理成数据信号后经现场总线传输至中间层的通信管理机，再由通信管理机 经以太网传输至主控室的监控计算机，各就地单元相互独立，不相互影响 ( 2 ) 可集中组屏安装和分散安装； 系统采用模块化设计，各个综保装置独立工作，装置之间由现场总线 相联，6 k v 的综保装置安装在各开关柜中，这样可节约电缆和减少工程量， 变压器和3 5 k v 部分的综保装置集中组屏，这样可便于操作和日常维护。 ( 3 ) 简单可靠。 由于用综保装置替代了传统的继电器，可大大简化二次接线。分散式 安装在开关柜与主控室之间仅有一对通信线相联，其余接线在采集、控制 保护柜内部完成。 ( 4 ) 可扩展性。 由于采用模块化结构，系统也易于扩展，可方便地适应今后变电站一 次设备的更改和扩容。 2 2 变电站微机保护的改造设计 变电站综合自动化系统采用三层分布式结构，其关键的是间隔保护层， 间隔保护层由综合保护装置组成，各个装置独立工作，对变电站的一次设 备隔离故障、保护设备的重要作用。 吕家坨3 5 k v 变电站有3 个双圈主变，对每台主变配置一台差动主保护 w p d - 2 5 0 1 c 和高压侧、低压侧后备保护w p d 一2 5 1 d 各一台：主保护配置差动 速断、二次谐波制动的比率差动保护、非电量保护、和c t 断线告警功能； 后备保护配置三段复合电压闭锁过流保护，每段一时限，其中i 、段可 带方向闭锁；三段零序电压闭锁零序电流保护，其中i 、段两时限， 段一时限，其第段可由控制字选择投退零序电压闭锁，i 、i i 段可由控制 字选择带方向，考虑间隙零序电流保护、零序电压保护；启动风冷；p t 断 线自检功能；过负荷告警。 后备保护配置的是具有测控功能的综合自动化装置w p d - 2 5 1 d ，该装置 除了上述保护功能外，还具有测控功能：可就地和远方控制断路器的分合， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 高压侧和低压侧的p 、q 、l a 、i c 、u a 、u b 、u c 、u a b 、u b c 、u c a 、u o 、f 、 c o s o 等模拟量的遥测，最多2 2 路遥信开关量输入端可接入断路器位置、 刀闸位置、弹簧未储能信号、控制回路断线信号以及其它位置遥信采集、 事故遥信采集并具有开关事故分合次数统计及事件s o e 等。 变压器保护的改造由原来的一种保护一个继电器的做法，改变成为一 个装置具有多种保护功能，保护功能的投退均由软件设定，极大地改变了 以前电磁式保护整定值不精确，保护启动不灵敏的现象。同时保护装置数 量的减少也节约了电缆的用量，减少了工程量、维护量，也减少因电缆引 起的保护装置的异常和故障现象。经保护试验，变压器的主保护和后备保 护不拒动、不误动，保护定值精确、保护启动灵敏，完全符合对变电站变 压器保护的要求。变压器保护装置在独立完成对变压器的保护功能外，装 置也由4 8 5 总线形式接入变电站综合自动化系统，变压器的异常信息、故 障情况、变压器高低压侧的断路器分合情况以及变压器高低压侧的电流、 电压、有功功率和无功功率等都能在综自系统的上位机上及时准确地显示 和记录。 对于三条进线由微机测控装置w p d 一9 0 0 和操作箱s c x 一2 0 0 配合完成各 条进线的测量和控制功能。该测控装置可采集进线的三相电流、三相电压 并计算出相应的p 、q 、f 、c o s 中等，采集进线的断路器和刀闸位置，并实 现对断路器的控制。 对于吕家坨矿3 5 k v 变电站的三条进线，在综合自动化系统中，要求具 有测量和控制功能，其保护功能由上级保护完成。进线测控装置也由4 8 5 总线形式接入变电站综合自动化系统，三条进线的断路器分合情况以及电 流、电压、有功功率和无功功率等都能在综自系统的上位机上及时准确地 显示和记录。 对于3 5 k v 母联也由微机测控装置w p d 一9 0 0 和操作箱s c x 一2 0 0 配合完成 母联的测量和控制功能；采集母联的三相电流、三相电压并计算出相应的p 、 q 、f 、c o s 等，采集母联的断路器和刀闸位置，并实现对断路器的控制。 母线测控装置也由4 8 5 总线形式接入变电站综合自动化系统，3 5 k v 母线的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 断路器分合情况以及电流、电压、有功功率和无功功率等都能在综自系统 的上位机上及时准确地显示和记录。 3 5 k v 侧和6 k v 侧都配置微机母线绝缘监测装置w p d 一9 1 0 ，该装置针对 二段母线p t 进行监测。具有交流采样法测量、开入量输入、控制输出、中 央信号及网络通讯等功能。对母线电压的异常情况以及故障具有告警功能 包括二段母线p t 的失压、断线、接地告警，同时转发中央信号。w p d 一9 1 0 同时具有测控功能：可对三个开关进行遥控分合：可测量两段母线的交流量 包括u a l 、u b l 、u c l 、u a b l 、u b c l 、u c a l 、u 0 1 、f 1 、u a 2 、u b 2 、u c 2 、u a b 2 、 u b c 2 、u c a 2 、u 0 2 、f 2 等；具有1 8 路遥信开入采集包括装置遥信采集、事 故遥信：另外还具有开关事故分合次数统计及事件s o e 等。母线绝缘监测装 置w p d - 9 1 0 也由4 8 5 总线形式接入变电站综合自动化系统，3 5 k v 母线和6 k v 母线的母线电压以及母线的接地故障、母线的p t 失压和p t 断线等信息都 能在综自系统的上位机上及时准确地显示和记录。 以上综保装置以组屏方式安装，便于值班人员操作和维护。 对于6 k v 的馈线、母联和电容器的保护改造采用分散安装的方式，馈 线和母联的保护采用w p d - 2 0 0 d 型微机保护测控装置，电容器保护采用 w p d - 2 2 0 d 型微机保护测控装置。 w p d - 2 0 0 d 型微机保护测控装置具有三相式三段定时限过流保护、三段 零序电流保护、低周减载保护、过负荷保护( 可选择发信号或跳闸) ；具有 故障录波功能。不用的功能可通过软件控制字将其退掉，零序电流可经过 专门的c t 接入，其变比与相电流保护不同。该装置还具有测控功能：包括 一路断路器的遥控分合和p 、q 、i a 、i c 、u a 、u b 、u c 、u a b 、u b c 、 j c a 、u o 、 f 、c o s 中等模拟量的遥测以及最多2 2 路遥信开入采集、装置遥信采集、事 故遥信并具有开关事故分合次数统计及事件s o e 等功能。 w p d - 2 2 0 d 型微机保护测控装置具有二段相电流保护、低电压保护、过 电压保护、零序电流不平衡电流保护、零序电压不平衡电压保护。可选 择电流闭锁失压保护功能。该装置还具有测控功能：包括一路断路器的遥控 分合和p 、q 、i a 、i c 、u a 、u b 、u c 、u a b 、u b c 、u c a 、u o 、f 、c o s o 等模拟 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 量的遥测以及最多2 2 路遥信开入采集、装置遥信采集、事故遥信并具有开 关事故分合次数统计及事件s o e 等功能。 6 k v 馈线和电容器的保护测控装置由于采用分散安装方式，各个装置安 装在相应的开关柜内，所有接线都在柜内完成，每个测控装置取代了原来 的多个电磁式保护和有功电度表、无功电度表，接线简洁明了，减少工程 量也易于维护。保护功能的投退和保护定值的设置均由软件设定，极大地 改变了以前电磁式保护整定值不精确，保护启动不灵敏的现象。经保护试 验，馈线保护和电容器保护没有出现拒动、误动，保护定值精确、保护启 动灵敏，完全符合对变电站馈线保护和电容器保护的要求。馈线和电容器 的保护测控装置在独立完成对馈线和电容器的保护功能外，装置也由4 8 5 总线形式接入变电站综合自动化系统，馈线和电容器的异常信息、故障情 况、断路器分合情况以及电流、电压、有功功率和无功功率等都能在综自 系统的上位机上及时准确地显示和记录。原有的有功电度和无功电度的电 度表功能也由上位机根据各条馈线和电容器的有功功率、无功功率计算得 到，精度满足吕家坨矿对矿内各部门的供电管理要求。 2 3变电站监控系统的改造设计 变电站监控系统的改造是这次吕家坨矿3 5 k v 变电站二次设备改造的重 头戏，也是这次变电站改造提高自动化水平、增强变电站管理的信息化、 现代化程度的关键和基础。 吕家坨矿3 5 k v 变电站原有的二次设备的监控一直停留在人工观察、手 工记录的水平，需要变电站值班人员定时、定点地检查、记录、计算、汇 总，工作量巨大，并且容易造成差错。 这次吕家坨3 5 k v 变电站二次设备的改造全面引入变电站综合自动化的 先进技术，整个变电站综合自动化系统采用分层分布式网络结构，其面向 一次设备的间隔保护层全面采用既有保护功能、又有监控和通信功能的保 护测控装置，装置除具有保护功能外，还具有友好的人机界面，在装置面 板上有大屏幕液晶显示，值班人员和维护人员可通过装置面板上的按键查 询各条线路、电容器、变压器、母线等的电量数据、运行参数、告警信息、 故障信息