（电力系统及其自动化专业论文）基层分层分布模式的变电站综合自动化系统的研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 本系统采用的实时多任务操作系统，通过它和通用式 操作系统在任务调度策略，内存管理，中断处理，共享资 源的互斥访问，系统调用以及系统内部操作的时间开销， 系统的可重入性，辅助工具等几个方面的比较，指出通用 操作系统侧重于系统的整体平均性能，而实时操作系统在 考虑系统整体性能的前提下更注重于个体的性能，具有更 好的实时操作和实时响应性。 数据采集系统比较了几种常用的模数转换器的设计方 案电压频率转换型模数变换器( v f c ) 和逐次逼近型a d 。 通过模数转换器的几个技术指标指出逐次逼近型a d 具有 更好的量化误差与分辨率而且还有较好的工作温度范围。 更适合于现场的应用。根据实际应用选择了a d 公司生产 的1 4 位a d 转换器a d 9 2 4 4 。 抗干扰性能的高低是衡量一套装置好坏的一个重要指 标，本文先分析了来自一次系统和二次回路电磁干扰，并 指出电磁干扰的传播途径，同时列举了几种常用的抗干扰 措施，首先是降低引入装置的抗干扰水平，再次是从微机 保护装置入手经屏蔽，接地，光隔，滤波等手段达到抗干 扰的目的，同时还提出了将安全栅引入装置的假想。 2 太原理工大学硕士学位论文 小电流接地选线是微机保护中的一个非常重要课题， 本节先分析了中性点不接地系统单相接地的特点和中性点 经消弧线圈接地系统单相接地的特点，然后比较了几种判 别方法，首半波原理，零序有功功率，五次谐波原理，群 体比幅比相原理，指出了它们不足之处，最后说明本系统 采用的“s ”注入法选线原理优势。 最后结合辽宁鞍山东烧i o k v 变电站改造工程来说明 了本系统装置的一些特性。重点介绍了比率差动及二次谐 波制动的原理，并结合现场中遇到的一些问题提出了今后 本系统装置需改进的一些意见。 关键词：变电站，分层，分布式，自动化系统 3 太原理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho ft h es u b s t a t l0 ns y n t h e sjzln g a u t o m a t10 ns y s t e ma c c o r dln gt 0l a y e rin g d l s t r i b u t l 0 nm o d e a b s t r a c t t h i st h e s i ss t u d i e st h e t e c h n i q u ep r o b l e m o ft h e s y n t h e s i z i n g a u t o m a t i o ns u b s t a t i o n s y s t e mt o w a r d s l a y e r i n gd is t r i b u t et y p e f i r s t ，i te x p l a i n s s i m p l y t h e n e c e s s i t y ， s u p e r i o ra n dt h ed e v e l o p m e n t h i s t o r ya n dt h em a i n f u n c t i o nf o rt h es y n t h e s i z i n ga u t o m a t i o ns u b s t a t i o n t h e ni tc o m p a r e st h ec o n s t r u c t i o no ft h r e es u b s t a t i o n t h e c o n c e n t r a t i n gt y p e t h ew a yo fc o n c e n t r a t i n ga n d s u n d e r i n gt o g e t h e r ，t h ew a yo fc o m p l e t e l ys u n d e r i n g t op o i n to u tt h ew a yo fc o m p l e t e l y s u n d e r i n gi st h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h e s y n t h e s i z i n g a u t o 4 太原理工大学硕士学位论文 s u b s t a t i o n a sa ne x a m p l e ，t h ep s 6 1 0 0s y s t e mo fs a c i si n t r o d u c e d t h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，o p e r a t i o n s y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n t ij a m m i n gw a y ，a n d s e l e c t i n gf a u l tl i n es m a l lc u r r e n ts y s t e ma r ec o m p a r e d a n d a n a l y z e d i nt h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，s o m e p o p u l a rc o m m u n i c a t i o nw a y sa sr s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，l a n w o r k s a n dc a n ，f i b e r o p ti ca r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h e s t r o n gp o i n ta n dt h e s h o r t c o m i n g a r e p o i n t e d a c c o r d i n gt os y n t h e s i z i n gc o m p a r e ，c a nc o m m u n i c a t i o n i ss e l e c t e da si t i s v e r yf i t t e di nm i d d l ea n dh i g h v o l t a g en e t w o r k r e a l t i m ea n dm u l t i t a s k i n gs y s t e mi s a d o p t e di n t h i s s y s t e m a c c o r d i n g t o c o m p a r ew i t hg e n e r a l o p e r a t i o ns y s t e mi ns u c hr e a l m sa st a s k s c h e d u l e s t r a t e g y ，m e m o r ym a n a g e m e n t ，i n t e r r u p t i n gh a n d l i n g ， m u t e xv i s i t a t i o no fs h a r e d r e s o u r c e ，s y s t e mc a l l s ， ti m eo v e r h e a di n s y s t e mi n n e r o p e r a t i o n ，s y s t e m c o m p l i c a c y ，a n ds u b s i d i a r yt 0 0 1 t op o i n t o u t ，a v e r a g e f u n c t i o no fi ti s m a d e m u c hi n g e n e r a lo p e r a t i o n 5 太原理工大学硕士学位论文 s y s t e m b u ti nr e a l t i m ea n dm u l t i t a s k i n gs y s t e m ，u n i t f u n c t i o ni st h o u g h tm u c ho fi nt h ec a s eo ft h i n k i n g h o l i s t i cf u n c t i o n s or e a l t i m ea n d m u l t i t a s k i n g s y s t e m i s v e r yg o o d i nr e a l t i m e o p e r a t i o n a n d r e a l ti m er e s p o n d e n c y i nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，s o m ec o m l n o n d e s i g n d e c i s i o n so i la da sv f ca n ds u c c e s s i v e o v e r h a n g i n ga d a r ei n t r o d u c e d i nt e r m so fs o m ep o i n t s ，s u c c e s s i v e o v e r h a n g i n ga di sm u c hf i n ei nq u a n t i f i c a t i o ne r r o r ， r e s o l u t i o na n dt e m p e r a t u r ea r e a s oi t v e r yf i t si n f i e l d s i nt h i sa d 9 2 4 4m a d ei na d c o m p a n yi sa d o p t e d a n t i j a m m i n gl e v e li sav e r yi m p o r t a n ti n d i c a n ti n e v a l u a ti o nad e v i c e i n t e r f e r e n c ef r o m p r i m a r ys y s t e m a n ds e c o n dc i r c u i ti sa n a l y z e da n d p r o p a g a t i o ng a t e w a y i sa l s oi n t r o d u c e d s o m em e a s u r e so na n t i j a m m i n ga r e e n u m e r a t e d f i r s t ， r e d u c i n ga n t i j a m m i n gl e v e l i n c o m i n gd e v i c e s e c o n d ，b ym e a n so f s h i e l d i n g ，g r o u n d c o n n e c t i o n ，o p t o i s o l a t i o n ，a n df i i t e r i n g i m a g i n a r y o n s i g n a ld i v i s i o ni sp u tf o r w a r d 6 太原理工人学硕士学位论文 s e l e c t i n gf a u l tl i n ef o rs m a l lc u r r e n ti sav e r y i m p o r t a n ts u b j e c t i nt h i st h e s i s ，t h ec h a r a c t e ro f s i n g l e p h a s e i nn e u t r a lp o i n t n o n g r o u n dc o n n e c t i o n s y s t e m a n d s i n g l e p h a s e i nn e u t r a l p o i n tg r o u n d c o n n e c t i o ns y s t e mb ya r c s u p p r e s s i o nc o i l f u r t h e r ， s o m em e a s u r e sa r ein t r o d u c e da n dt h ed i s a d v a n t a g eis e x p li c a t e d i nt h ee n d ，t h ea d v a n t a g eo f s e l e c t i n g f a u l t1i n e b ysi 姗is s i o np r i n c i p i u m s o m ec h a r a c t e r so nd e v i c e sa r ee x a m p l e di nt e r m s o ft h er e s h a p ep r o j e c t i o ni n d o n g s h a ol i a o n i n gi o k v s u b s t a t i o n t h ep r i n c i p i u mo fr a t ed i f f e r e n t i a la n d s e c o n dh a r m o n i cw a v eb r e a k i n ga r et o l de m p h a s i s s o m e i m p r o v i n gs u g g e s t i o n so nt h i ss y s t e ma r ep r o p o u n d e d a c c o r d i n gt os o m er e a lp r o b l e m k e yw o r d s ： a u t o m a t i o n s u b s t a t i o n ，l a y e r i n g ， d i s t r i b u t et y p e ，a u t o m a t i o n s y s t e m 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1电力系统信息化和自动化的趋势 变电站是电力系统中的一个重要环节，它的运行情况直接影响 到电力系统的可靠、经济运行。而一个变电站运行情况的优劣，在 很大程度上取决于其二次设备的工作性能。现有的变电站有三种运 行形式：一种是常规变电站；一种是部分实现微机管理、具有一定 自动化水平的变电站；再有另一种就是全面微机化的综合自动化变 电站。在常规变电站中，其继电保护、中央信号系统、变送器、远 动及故障录波装置等所有二次设备都是采用传统的分立式设备，且 站内配置有大量控制、保护、计量用屏盘。这种常规变电站的个 致命弱点是不具有自诊断能力，对二次系统本身的故障无法检测。 为了预防这种故障，需要频繁地定期进行各种试验和调试，而一旦 出现了所料未及的设备故障，便会给整个变电站的运行带来灾难性 的后果。 要提高变电站运行的可能性及经济性，一个最基本的方法就是 要提高变电站运行管理的自动化水平，实现变电站综合自动化，以 微机化的新型二次设备取代传统使用的分立式设备。集保护、控制、 监测及远动功能为一体，做到设备共享，信息资源共享，使变电站 设计简捷、布局紧凑，使变电站的运行更加安全可靠。从国内外电 力系统的发展趋势来看，变电站综合自动化已是势在必行。 1 2 传统的变电站存在问题 众所周知，变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行 起着举足轻重的作用。尤其是现在大容量发电机组的不断投入和超 高压距离输电和大电网的出现，使电力系统的安全控制更加复杂， 如果仍靠原来的人工抄表、记录、人工操作为主，依靠原来变电站 的旧设备，而不进行技术改造的话，必然没法满足安全、稳定运行 的需要，更谈不上适应现代电力系统管理模式的需求。 传统的变电站存在如下缺点： 1 ) 安全性、可靠性不能满足现代电力系统高可靠性的要求。 传统的变电站大多数采用常规的设备，尤其是二次设备中的 继电保护和自动设置、远动装置等( 有不少变电站没有自动 装置和远动装置) 采用电磁型或晶体管式，结构复杂、可靠 性不高，本身又没有故障自诊断的能力，只能靠一年一度的 接定值的校验发现问题，才进行调整与检修或必须等到保护 装置发生拒动或误动后才能发现问题。 2 ) 供电质量缺乏科学的保证。随着国民经济的持续发展，人民 生活水平和生活质量不断提高，家电、个人计算机越来越多地 进入各家各户。不仅各工矿企业，而且居民用户对用电质量的 要求越来越高。频率主要由发电厂调节、保证。而电压的合格， 不能单靠发电厂调节，各变电站，特别是枢纽变电站也应该通 过调节分接头位置和控制无功补偿设备进行调整，使其运行在 合格范围内。但传统变电站，大多数不具备自动调压手段，至 于谐波污染造成的危害，还没有引起足够的重视和采取有力的 解决措施，且缺乏科学的电能质量考核办法，不能满足目前 发展的电力市场的需求。 3 ) 占地面积大，增加了征地投资。实现了综合自动化的变电站 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 与传统的变电站相比，在一次设备方面，目前还没有多大的差别， 而差别较大的是二次设备。传统的变电站，二次设备多数采用电 磁式或晶体管式，体积大、笨重，因此，主控制室、继电保护室 占地面积大。这对于人口众多的我国，特别是对人口密度大的城 市来说，是一个不可忽视的问题。如果变电站实现综合自动化， 则会大大减少占地面积，这对国家眼前和长远的利益都是很有意 义的。 4 ) 应电力系统快速计算和实时控制的要求。电力系统要做到优质、 安全、经济运行，必须及时掌握系统的运行工况，采取一系列的 自动控制和调节手段。但传统的变电站不能满足向调度中心及时 提供运行参数的要求；一次系统的实际运行工况，由于远动功能 不全，一些遥测、遥信无法实时送到调度中心；而且参数采集不 齐，不准确，变电站本身又缺乏自动控制和调控手段，因此没法 进行实时控制，不利于电力系统的安全、稳定运行。 5 ) 维护工作量大，设备可靠性差，不利于提高运行管理水平和自动 化水平。常规的保护装置和自动装置多为电磁性或晶体管型，例 如晶体管型保护装置，其工作点易受环境温度影响，因此其整定 值必须定期停电校验，每年校验保护定值的工作量是相当大的： 也无法实现远方修改保护或自动装置的定值 1 3 变电站实现综合自动化的优越性 由于传统的变电站存在心上缺点，无法满足电力系统安全、稳 定和经济、优化运行的要求。解决这些问题的出路是用先进技术武 装变电站。对于老式的变电站，逐步进行技术改造；对新建的变电 站，要尽量采用先进的技术，提高变电站的自动化水平，增加四遥 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 功能，逐步实现人值班和调度自动化。 变电站实现综合自动化的优越性主要有以下几方面： 1 ) 提高供电质量，提高电压合格率。由于在变电站综合自动 化系统中包括有电压、无功自动控制功能。故对于具备有载调压变 压器和无功补偿电容器的变电站，可以大大提高电压合格率，保证 电力系统主要设备和各种电器设备的安全，使无功潮流合理，降低 网损，节约电能损耗。 2 ) 提高变电站的安全、可靠运行水平。变电站综合自动化系 统中的各子系统，绝大多数都是由微机组成的，它们多数具有故障 诊断功能。除了微机保护能迅速发现被保护对象的故障并切除故障 外，有的自控制装置并兼有监视其控制对象工作是否正常功能，发 现其工作不正常及时发现警告信息。更为重要的是，微机保护装置 和微机型自动装置具有故障自诊断功能，这是当今的综合自动化系 统比其常规的自动装置或四遥装置突出的特点，这使得采用综合自 动化系统的变电站一、二次设备的可靠性大大提高。 3 ) 提高电力系统的进行、管理水平。变电站实现自动化后， 监视、测量、记录、抄表等工作都有计算机自动进行的，既提高了 测量的精度，又避免了人为的主观干预，运行人员只要通过观看c r t 屏幕，对变电站主要设备和各输、配电线路的运行工况和运行参 数便一目了然。综合自动化系统具有与上级调度通信功能，可将测 到的数据及进送往调度中心、使调度员能及时掌握个变电站的运行 情况，也能对它进行必要的调节与控制，且各种操作都有事件顺序 记录可供查阅，大大提高运行管理水平。 4 ) 缩小变电站占地面积，降低造价，减少总投资。变电站综 合自动化系统，由于采用微机和通信技术，可以实现资源共享和信 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 息共享，同时由于硬件电路多数采用大规模集成电路，结构紧凑、体 积小、功能强，与常规的二次设备相比，可以大大缩小变电站的占地 面积，而且随着微机处理器和大规模集成电路的不断降低，微机性台旨、 价格比逐步上升，发展的趋势是综合自动化系统的造价会逐渐降低， 而性能和功能会逐步提高，因而可以减少变电站的总投资。 5 ) 减少维护工作量，减少值班人劳动，实现减人增效。由于 综合自动化系统中，各子系统有故障自诊功能，系统内部有故障进 能自检出故障部位，缩短了维修时间。微机保护和自动装置的定值 又可在线读出检查，可节约定期核对定值的时间，而监控系统的抄 表、记录自动化，值班员可不必定时抄表、启示，可实现少人值班， 如果配置了与上级调度的通信功能，能实现遥测、遥信、遥控、遥 调，则完全可实现无人值班，达到减人增效的目的。 1 4 国内外变电站综合自动化的发展及应用状况 国际上对于变电站综合自动化的研究，已经进行了多年，并取 得了令人瞩目的进展。早在七十年代末，日本就研制出了世界上第 一套综合数字式保护的控制系统s d c s - i 。此后，美国、英国、法国、 德国等一些发达国家也相继在此领域内取得不同程度的进展。在八 十年代初，美国一家电力公司研制了i m 模块化保护和控制系统。 美国西屋公司和e p r i 联合研制出y s p c s 变电站保护和控制综合自动 化系统。到1 9 8 4 年，瑞士的b b c 公司首次推出了他们研制的第一套 变电站综合自动化系统。1 9 8 5 年，德国的西门予公司又推出了他们 研制的第一套变电站综合自动化系统l s a 6 7 8 。变电站综合自动化日 前在国外已得到了较普遍的应用。例如美国、德国、法国、意大利 等国家，在他们所属的某些电力公司里，大多数的变电站都实现了 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 综合自动化及无人值班方式。 国内是从六十年代开始研制变电站自动化技术。至七十年代初， 便先后研制出了电气集中控制装置和集保护、控制及信号为一体的“ 四合一装置。在八十年代中期，出清华大学研制的3 5 k v 变电站微 机保护、监测自动化系统在威海望岛变电站投入运行。与此同时， 南京自动化研究院也开发出t 2 2 0 k v 梅河口变电站综合自动化系统。 此外，国内许多高等院校及科研单位也在这方面做了大量的工作推 出一些不同类型、功能各异的自动化系统。为国内的变电站自动化 技术的发展起到了卓有成效的推动作用。 纵观我国七、八十年代的变电站自动化发展状况，可以看到， 初期的变电站自动化，只是在常规二次设备配置的基础上增加了计 算机管理功能。如c 髓屏幕监视、数值计算、自动巡检打印及自动 报表等。所增加的这些计算机功能并不能取代常规的操作监视设备， 因而这种自动化方式只能称作计算机辅助管理。八十年以后，由于 微机技术的发展，使变电站自动化技术得到了进一步的提高，但是 此时的自动化管理仍未涉及到继电保护、故障录波等功能。只是在 原有i m j 的基础上增加了以微机为控制中心的就地功能。这种初期 的自动化管理方式，各专业在技术上相互独立，资源不能共享，设 备设置重复，功能交叉覆盖，无论在技术上或是经济上都不尽合理。 进入九十年代后，由于数字保护技术的发展，才使得变电站综合自 动化技术产生了一个飞跃，使这项技术在我国进入了实质性发展阶 段，目前国内已推出多种变电站综合自动化系统。 1 5 电站综合自动化系统的主要功能 一般的来说，变电站综合自动化主要包括数据采集及通讯、数 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 据处理、安全监视、微机保护、开头操作、电压无功控制、远动及 自诊断等功能。 1 5 1 数据采集及通讯功能 其中包括主变及各条线路的交流测量、温湿度等非电气量的直 流测量、开投刀闸等遥信量的实时采集、保护信息的收集、与上级 调度通讯、统一时钟等。 1 5 2 数据处理 主变及各条线路的功率及功效因数计算、电能计算及统计、事 件顺序记录及事故追忆等。 1 5 3 安全临控 系统运行工况监视，变电站一次系统运行状态监视，遥测量的 越限监视，遥信变位的声光报警，事故信号及预告信号的告警显示， 变压器分接头与电容器级人工、自动调节与投切，保护测定值的显 示与修改，在线自诊断等。 1 5 4 运行记录 电力系统事故记录及运行记录，系统历史数据记录，设备运行 记录，以及各种记录的统计，报表人工、自动打印，屏幕拷贝等。 1 5 5 微机保护功能 包括变压器保护、线路保护、母线保护、电容器保护及其他设 备的保护配置。 1 s 6 电压和无功控制功能 对有载调压变器分接头和并联补偿电容器组进行综合调节控制， 保证电压质量和优化无功补偿。 1 5 7 远动功能 包括常规的遥测、遥信、遥控、遥调，保护定值的远方监视与 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 修改，故障录波及测距的远方传输等功能 1 5 8 人机联系功能 在线生成、修改各种报表及画面。在线修改数据库参数，控制 暑锁与解除；多窗口显示，画面可放大、缩小、漫游以及方便的画 面调用，远方和当地操作以及当地操作的防误操作等功能。 1 5 9 小电流接地自动选线功能 1 5 1 0 备用电源自投功能 1 ，6 本论文工作 本论文对变电站综合自动化课题进行了认真的研究，主要作了 以下的工作。 ( 1 ) 电站综合自动化系统的结形式进行比较，指出了分层分布 式系统的技术优势。 ( 2 ) 站内通讯网的研究、比较和分析，针对变电站的特殊要求， 选择合适的站内通讯方案。 ( 3 ) 装置数据采集系统的选择。 ( 4 ) 抗干扰的设计 ( 5 ) 本系统的小电流接地选线 ( 6 ) 结合辽宁鞍山东烧1 0 k v 变电站改造工程介绍i t p s 6 1 0 0 系 统中的p s 6 2 0 1 的特点 ( 7 ) 将在实际工程中遇到的问题加以分析 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章综合自动化系统的硬件结构 变电站综合自动化系统的发展过程与集成电路技术、微计算 机技术、通信技术和网络技术密切相关。随着这些高科技的不断发 展，综合自动化系统的体系结构也不断发生变化，其性能和功能以 及可靠性等也不断提高。从国内外变电站综合自动化系统的发展过 程来看，其结构形式有集中式、分布集中式、分散与集中相结合和 全分散式四种类型。 2 1 集中式的结构形式 集中式结构的综合自动化系统、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 自动控制等功能，集中式结构也并非指出一台计算机完成保护、监 控等全部功能。多数集中式结构和微机保护、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。例如监控机要负担数据采集、数据处理、开关操 作、人机联系等多项任务；担负微机保护的计算机，可能一台微机 要负责几回低压线路的保护等。这种结构形式，主要出现在变电站 综合自动化系统s d c s 1 和1 9 8 7 年清华大学研制的我国第一套综合自 动化系统均属集中式结构。在日本在s d c s 一1 系统中，只有8 个保护 单元，负担了3 台主变压器、4 回7 7 k v 输电线和3 6 回6 6 k v 的馈电线 路保护和母线保护等功能。 显然，这种结构形式的存在与当时的微机技术和通信技术的实 际情况是相关的。国外电力系统自动化方面，从6 0 年代开始采用电 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 子数字计算机，最初是用于数据记录、事故报警等工作，后来逐步 发展成为密切人机联系、以电子数字计算机为核心的电网调度自动 化系统。到7 0 年代，这种系统发展为以小型机( 例如p d p 1 1 ) 为核 心物系统。由于电子数字计算机和小型机价格昂贵，只能是高度集 中的结构形式；所以直到7 0 年代中、后期，随着微处理器的发展、 微型计算机的性能价格比迅速优于小型机后，才开始开发并应用以 微处理机为核心的变电站自动化系统。 我国变电站综合自动化系统的研究工作开始于8 0 年中期。随着 微处理器技术的发展，到9 0 年代初，集中结构的变电站综合自动化 系统开始实用化，其结构如图2 1 所示。 图2 1 集中式结构的综合自动化系统框图 f i g u r e2 1 t i l ef i g u r eo ft h e c o n c e n t r a t i n g c o n s t r u c t e r s y n t h e s i z i n g a u t o m a t i o ns u b s t a t i o ns y s t e m 1 0 回上园圃上斟园丁圉回”网 太原理工大学硕士研究生学位论文 这种集中式的结构是根据变电站的规模、配置相应容量的集中 式保护装置和监控主机及数据采集系统( 也有的采用集中式的微机 型r t u ) ，它们安装在变电站中央控制室内。 主变压器和各进出线及站内所有电力设备的运行状态，通过t a 、 t v 经电缆传送到中央控制室的保护装置和监控主机( 或运动装置) 。 继电保护动作信息往往是取保护装置的信号继电器的辅助触点，通过 电缆送给监控主机( 或远动装置) 。 这种系统的主要功能及特点是： 1 ) 能实时采集变电站中各种模拟量、开关量，完成对变电站的 数据采集和实时监控、制表、打印、事件顺序记录等功能。 2 ) 完成对变电站主要设备和进、出线的保护任务。 3 ) 集中式结构紧凑、体积小，可大大减少占地面积。 4 ) 造价低，尤其是对3 5 k v 或规模较小的变电站更为有利。 集中式结构的缺点是： 1 ) 每台计算机的功能较集中，如果一台计算机出故障，影响面 大，因此必须采用双机并联运行的结构才能提高可靠性。 2 ) 集中式结构，软件复杂，修改工作量大，系统调试麻烦。 3 ) 组态不灵活，对不同主接线或规模不同变电站，软、硬件都 必须另行设计，工作量大，因此影响了批量生产，不利于推广。 4 ) 集中式保护与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直 观，不符合运行和维护人员的习惯，调试和维护不方便，程序设计 麻烦，只适合于保护算法比较简单的情况。集中式结构存在诸方面 的不足，因此随着微机技术的发展，综合自动化系统的结构必须不 断变革。 2 2 分层分布式系统集中组屏的结构形式 】4 太原理工大学硕士研究生学位论文 随着单片机技术和通信技术的发展，单片机于8 0 年代后期引入 我国，其性能价格比越来越高，因此，有条件将微机保护单元和数 据采集单元按回路设计，构成分层分布式的多c p u 的体系结构。每 一层完成不同的结构形式，每一层由不同的设备或不同的子系统组 成。按照皿0 t c 5 7 国际电工委员会电力系统控制与通信技术委员会 的划分，变电站内设备可以划分成三个层次： 即变电站层、单元层( 或称间隔层) 和设备层。图2 2 为变电站一、 二次设备的分层结构示意图 釜l 。 ：掣掣 兰 保 护 照 j ，胃同固一匿 l jl j 一世 屠元 层 1 j ：卤卤卤卤 凶l r1 o 设 liii 层备 层 图2 2 变电站的一、二次设备分层结构示意图 f i g u r e2 2 t h ec o n s t r u c t e rl a y e r i n gf i g u r eo f p r i m a r y a n ds e c o n df a c i l i t i e si n s u b s t a t i o n 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和断路器、隔离开关及其辅助 触点，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 于1 层和2 层。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 单元层一股按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保 护部件。测量、控制部件负责该单元的测量、监视、断路器的操作 控制和联锁及事件顺序记录等。因此。单元在层本身由各种不同的 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、运动通信机等。变站层设现 场总线或局域网，供各主机之间和监控主机与单元层之间交换信息。 变电站层的有关自动化设备一般安装于控制室，而单元层的设备最 好安装于靠近于现场设备，以减少控制电缆长度。但由于通信技术 的不断发展，不同时期研制的变电站综合自动化产品的动手术背景 和条件不同，通信技术基础有差异，因此单元层自动化设备的结构 和安装条件也不同。虽然9 0 年代的产品多为分层分布式的系统，但9 0 年代中、前期多采用集中组屏结构，9 0 年代中、后期才逐步发展为 分散与集中相结合和全分散式结构。 分层分布式系统集中组屏的结构是把整套综合自动化系统按其不 同的功能组装成多个屏( 或称柜) ，例如：主变压器保护屏( 柜) ， 线路保护屏、数采屏、出口屏等。一般来说，这些屏都集中安装在 主控室中，为简单起见，我们把这种结构形式简称为“分布集中式结 构”，其系统结构框如图2 3 所示。 图2 3 中保护用的微机大多数采用1 6 位或3 2 位单片机，保护单元 是按对象划分的，即一回线或一组电容器各用一台单片机，再把各 保护单元和数采单元分别安装于各保护屏和数采屏上，由监控机 集中对各屏( 柜) 进行管理，然后通过调制解调器与调度中心联系。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 其集中配屏布置示意图如图2 4 所示。 上述自动化系统可应用于有人值班或无人值班变电站。 分层分布式系统集中组成结构的特点如下： ( 一) 分层( 级) 分布式的配置 为了提高综合自动化系统整体的可靠性，图2 3 年所示的系统采 用按功能划分阶的分布式多c p u 系统，其功能单元有：各种高、低压 线路保护单元；电容器保护单元；电容器保护单元：主变压器保护 单元；备用电源自投控制单元；低额减负荷控制单元；电压无功综 合控制单元；数据采集与处理单元；电能计量单元等等。每个功能 单元基本上由一个c p u 组成，多数采用单片机，也有一个功能单元 由多个c p u 完成的，例如主变压器保护，有主保护和多种后备保护， 因此往往由2 个或2 个以上c p u 完成不同的保护功能，这种按功能设 计的分散模块化结构具有软件相对简单、调试维护方便、组态灵活、 系统整体可靠性高等特点。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 3 分层分布式系统集中组屏的综合自动化系统结构框图( 一) f i g u r e2 3t h ef i g u r eo f t h e l a y e r i n gc o n s t r u e t e r s y n t h e s i z i n ga u t o m a t i o n s u b s t a t i o ns y s t e m 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 4 集中配屏布置示意图 f i g u r e2 4t h ef i g u r e o ft h ec o n c e n t r a t i n gc o n f i g u r a t i o n 在综合自动化系统的管理上，采取分层( 级) 管理的模式，即 各保护功能单元由保护管理机直接管理。一台保护管理机可以管理3 2 个单元模块。它们间可以采用双绞线用r s - 4 8 5 接口连接，也可通 过现场总线连接：而模拟量和开入开出单元，由数采控制机负责管 理。保护管理机和数采控制机是处于变电站级和功能单元间的第二 层结构。正常运行时，保护管理机监视各保护单元的工作情况，一 旦发现某一单元本身工作不正常，立即报告临控机，并报告调控中 心。如果某一保护单元有保护动作信息，也通过保护管理机，将保 护动作信息进入败控机，再送往调度中心。调度中心或监控机也可 通过保护管理机下达修改保护定值等命令。数采控制机则将各数采 单元所采集的数据和开关状态送经监控机，它的作用是可明显地减 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 轻监控机的负担，协助监控机承担对单元层的管理。 变电站层的监控机或称上位机，通过局部网络与保护管理机和 数采控制机通信。监控机的作用，在无人值班的变电站，主要负责 与调度中心的通信，使变电站综合自动化系统具有r t u 的功能，完 成四遥的任务：在有人值班的变电站，除了仍然负责与调度中心通 信外，还负责人机联系，使综合自动化系统通过监控机完成当地显 示、制表打印、开关操作等功能。 当然，图2 3 所示的分级分布式的综合自动化系统只是一种典型 的形式，各个厂家的产品在系统结构上有所差异，但没有本质的区别。 例如，有的用于规模较小的变电站的综合自动化系统是由数采控制 机直接完成与调度通信的任务：用于规模较大的变电站的综合自动 化系统则在变电站层可能设有通信控制机，专门负责与调度中心通 信，并设有工程师机，负责软件开发与管理等功能，其结构框图如 图2 5 所示。另外，在功能单元层可能还有故障录波仪等。 图2 3 和图2 5 都属分层分布式的综合自动化系统，采用集中组屏 方式，区别在于图2 _ 3 可用于中、小规模的变电站，而图2 5 可用于规 模较大的变电站。 太原理工大学硕士研究生学位论文 设 备 级 t a ，下v 输入，断路器，隔离开关辅 助触点输入，断路基控翩等 图2 5 分层分布式系统集中组屏的综合自动化系统结构框图( 二) f i g u r e2 5t h ef i g u r eo ft h e a y e r i n gc o n s t r u c t e rs y n t h e s i z i n g a u t o m a t i o ns u b s t a t i o ns y s t e m ( 二) 继电保护相对独立 继电保护装置是电力系统中对可靠性要求非常严格的设备，在 综合自动化系统中，继电保护单元宜相对独立，其功能不依赖于通 信网络或其他设备。各保护单元要有独立的电源，保护的输入应仍 由电流互感器和电压互感器通过电缆连接，输出跳闸命令也要通过 常规的控制电缆送至断路器的跳闸线圈，保护的启动、测量和逻辑 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 功能独立实现，不依赖通信网络交换信息。保护装置通过通信网络 与保护管理机传输的只是保护动作信息或记录数据。为了无人值班 的需要，也可通过通信接口实现远方读取和修改保护整定值。 ( 三) 具有与系统控制中心通信功能 综合自动化系统本身己具有对模拟量、开关量、电能脉冲量进 行数据采集和数据处理的功能，也具有收集继电保护动作信息。事 件顺序记录等功能，因此不必另设独立的r t u 装置，不必为调度中 心单独采集信息，而将综合自动化系统采集的信息直接传送给调度 中心，同时也接受调度中心下达的控制、操作命令和在线修改保护 定值命令并进一步发展从全电力系统的范围更好的考虑潮流、电压 和稳定控制问题，虽然目前还不可能做到这一点，但是变电站综合 自动化系统为实现以上功能提供了技术上的支持，可能今后会给电 力系统带来很大效益，这是变电站综合自动化的发展方向。 ( 四) 模块化结构，可靠性高 由于各功能模块都由独立的电源供电，输入输出回路都相互 独立，任何一个模块故障，只影响局部功能，不影响全局，而且由 于各功能模块基本上是面向对象设计的，因而软件结构相对集中式 的简单，因此调试方便，也便于扩充。 ( 五) 室内工作环境好，管理维护方便 分级分布式系统采用集中级屏结构，全部屏( 柜) 安放在室 内，工作环境好，电磁干扰相对开关柜附近较弱，而且管理和维护 方便。对于3 5 1 i o k v 中、低压变电站，一次设备都比较集中，有不 少屏幕虽然比较分散式安装增加电缆，但其优点是集中组屏，便于 设计、安装、调试和管理，可靠性也比较高，尤其适合于老站改造。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 分布集中式结构的主要缺点是安装时需要的控制电缆相对较多，增 加了电缆投资。 2 3分布分散式的结构形式 ( 一) 分布分散式的结构特点 由于分布集中式的结构，虽具备分级分布、模块化结构的优点， 但因为采用集中组屏结构，因此需要较多的电缆。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，以及 变电站综合自动化技术的不断提高，有条件考虑全微机化的变电站 二次系统的优化设计问题。一种发展的趋势是按每个电网元件( 例 如：一条出线，一台变压器、一组电容器组等) 为对象，集测量、 保护、控制为一体，设计在同一机箱中。对于6 - - 3 5 k v 的配电电线路， 可以将这个体化的保护、测量、控制单元分散安装在各个开关柜 中，然后由监控主机通过光纤或电缆网络，对它们进行管理和交换 信息，这就是分散式的结构。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控制室内。这种将配电线路的保护 和测控单元分散安装在开关柜内，而高压线路保护和主变压器保护 装置等采用集中组屏的系统结构，称为分布和集中相结合的结构， 其框图如图2 6 所示，这是当前综合自动化系统的主要结构形式。 太原理工大学硕士研究生学位论文 t 状出t 状出t 状出t 状 t v 态口t v 态口t v 志d t v 态 信心信回信回 信 号路号路号路 号 他总线 图2 6 分散与集中相结合的综合自动化系统结构框图 f i g u r e2 6 t h ec o n s t r u c t e r f i g u r eo f d i s t r i b u t i o na n dc o i l c e n t ：r a t i o n s y n t h e s i z i n ga u t o m a t i o ns u