（机械工程专业论文）本钢球团变电所综合自动化.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文论述了变电站综合自动化的发展过程以及发展历史、变电站综合自动化系统研 究的意义以及国内外研究现状的论述，探讨了变电站综合自动化系统的结构形式及其特 点和变电站综合自动化系统功能配置需求。进一步研究了微机保护装置的硬件结构及特 点。并对常用的微机保护算法进行了比较。 通信网络作为变电站综合自动化系统的重要组成部分，对站内的可靠、快速信息传 送极为重要，并能做到对事故的及时分析、处理，论文介绍了变电站综合自动化系统通 信网络的发展、各种通信协议以及它们各自的特点。并对光纤通信、现场总线通信、无 线通信等各种通信形式进行比较。最后针对本钢球团变电所的工程建设，设计了变电站 综合自动化系统，包括保护和测控装置的配置、变电站内的通信网络系统。 通过对变电站综合自动化系统的研究，掌握了最新的设计理念，了解了变电站综合 自动化系统的特点，对于今后进行变电站综合自动化设计有很大的帮助。 关键词：变电站综合自动化保护；测控；微机保护；网络协议；通信协议 本钢球团变电所综合自动化 t h eb xs t e e lq i u t u a ns 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 t r a c t i nf i d sp a p e r , t h ed e v e l o p i n gh i s t o r yo ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o n t e c h n o l o g y ，a n dt h et e n d e n c ym s e a r c hs i g n i f i c a n c ea d v a n t a g ea n dt h ea s p e c to fd o m e s t i ca n d a b r o a da b o u tt h i st e c h n o l o g ya r ci n t r o d u c e d ；t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n tt o r e a l i z i n gt h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e ma r ei l l u m i n a t e d t h es t r u c r l r ea n dc h a r a c t e r i s t i co fh a r d w a r eu s e di np r o t e c t i o nb a s e do nm i c r o p r o c e s s o ri s r e s e a r c h e d ，a n dt h ep r o t e c t i o na r i t h m e t i cc o m m o ni sc o m p a r e di nt h en e x ts e c t i o n a sa n i m p o r t a n tp a r t o ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n n e t w o r kp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nk e e p i n go ft r a n s m i s s i o nc r e d i b l ea n dr a p i di ns u b s t a t i o n b o t hi n s i d ea n do u t s i d e ，a n di tc a r la n m y z c ，d e a lw i t ht h ef a u l td a t a n i sp a p e l i n t r o d u c e st h e d e v e l o p i n gt e n d e n c yo fi n t e g r a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r lv a r i e d c o r m n u n i c a t i o np r o t o c o la n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa l s oc o m p a r e sc o m m u n i c a t i o nf o r m ss u c ha s o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ；1 0 c a lb u sc o m m t m i c a f i o i l ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne t c f i n a l l y ， c o n t r a p o s i n ga ne n g i n e e r i n go ft h eb xs t e e lq i ut u a ns u b s t a t i o n t h ea u t h o rd e s i g n sa t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mi n c l u d i n gp r o t e c t i n ga n ds u p e r v i s o r y e q u i p m e n t ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks y s t e mi nt h es u b s t a t i o n i nt h ea n a l y s i so ft h et y p i c a l i t yo fi n t e g r a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e ma n dd e s i g n c o n c e p t ，t h ec o n c l u s i o nd e r i v e df r o ma n a l y s i sp r o v i d e sd e s i g ng u i d e l i n e sf o ri n t e g r a t e d s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：s u b s t a t i o na u t o m a t i o np r o t e c t i o ns y s t e m ；m e a s u r e & c o n t r o l ；p r o t e c t i o n b a s e do nm i c r o p r o c e s s o r ；n e t w o r kp r o t o c o l ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 独创性说明 作者郑重声明；本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：翘奎：莓日期：盈络f ! g 呈日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 型童：莓 聊虢趁缝 碰竺查年卫月蛩 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 变电站综合自动化系统的研究 1 1 1 变电站综合自动化系统研究的意义 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；为远方的遥测、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，对于电力系统的运行可靠，保护和控制以及对变电站 的设计更加合理，布局更加紧凑都具有重要的意义。 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f 装置不 能与外界通信的问一题。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，借 助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。通过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。变电站自动化是在计算机 技术和网络通信技术的基础上发展起来的。国外在上世纪8 0 年代已有分散式变电站自 动化系统问世。我国的变电站自动化起步较晚，大约从9 0 年代开始，初始阶段主要为 生产集中式变电站自动化系统。9 0 年代中期开始研制分散式变电站自动化系统，随着高 新技术的引进和应用，目前国外的许多产品也在国内缛到普遍应用。 与传统的继电保护相比较，微机保护有许多优点1 2 】： 本钢球团变电所综合自动化 ( 1 ) 改善和提高继电保护的动作特征和性能，使动作正确率高。主要表现在能得到 常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护：可引进自动控 制、新的数学理论和技术，如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行 正确率很高也已在运行实践中得到证明。 ( 2 ) 可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波，波形分析等，可以方便地附加低 频减载、自动重合闸，故障录波、故障测距等功能。 ( 3 ) 工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小， 减少了盘位数量；功耗低。 ( 4 ) 可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年 限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、 部件的工况以及功能软件本身。 ( 5 ) 使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时 间：同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。 ( 6 ) 可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统 的通信联络使微机保护具有远方监控特性。 1 1 2 变电站综合自动化发展趋势 ( 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1 1 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， 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。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，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。 ( 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，其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，使变电站的建设简化、几快速，设 备调试简单同时也极大地提高变电站的运行稳定性、可靠性。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 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几和控制操作，将通 过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。 ( 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者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，如何在不影响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。 ( 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 f 、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。 ( 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 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。 ( 7 ) 设备一体化 除了常规的电流电压、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，如主变的油位、开关的气体压力等等，都将紧密结合一次设备的传感器， 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。 1 1 3 国外变电站综合自动化的发展 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， 本钢球团变电所综合自动化 一般有：寻找并处理单相接地故障；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 i ) c s 一1 ) ，于1 9 7 8 年9 月完成样机，同年1 2 月在那 须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【3 ，4 】。 8 0 年代以后，研究变电站综合自动化系统的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 8 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1 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，而且在技术规范和标准的制定方面，为 我国在8 0 年代引进和研究变电站综合自动技术方面，提供了宝贵的经验。 1 1 4 我国变电站综台自动化技术的发展过程 我国变电站综合自动化的研究工作开始于8 0 年代中期，1 9 8 7 年清华大学电机工程 在山东威海望岛变电站成功地投入运行，系统主要由3 台微机及其外围接口电路组成。 该系统于1 9 8 7 年成功投入运行，1 9 8 8 年通过技术鉴定。鉴定结论为国内首创，填补了 国内一项空白。并达到国际8 0 年代先迸水平。在9 0 年代，研究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，已成为今后新 建变电站以及变电站进行技术改造的主导技术i s , 6 。 1 2 变电站综合自动化系统的研究内容 1 2 1 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、以全面提高变电站的技术水平和运行 管理水平。并逐步实行无人值班或减人增效。 - - 4 - - 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 2 对2 2 0 k v 以上的变电站采用计算机监控系统以提高运行管理水平 同时，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、控制和调行。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 变电站实现综合自动化的优越性 提高供电质量、提高电压合格率； 提高变电站的安全、可靠运行水平； 减少维护工作时间几，减少值班人员的劳动强度，并达到减人提效； 缩小变电站占地面积，减少总投资； 提高电力系统的运行管理水平【_ ”。 1 4 发展及前景展望 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。由于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 前景是广阔的【8 】。 1 5 本课题主要完成的工作 论述变电站综合自动化系统的结构、功能与保护配置，几种结构形式的优缺点以及 发展的趋势、综合自动化的基本原理、微机保护的算法比较、变电站综合自动化系统的 通讯设置和协议等等，最后通过球团变电所综合自动化系统的建设，配置各种保护装置 的功能，并通过了现场验收，已经投入运行。 本钢球团变电所综合自动化 2 变电站综合自动化系统的结构、功能与保护配置 2 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 和分散结合式及分散式四种0 j 。 2 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备 的运行状态通过c t p t 、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f 与微机远动的系统集成。缺点是 组屏多，占地面积大，而且需敷设大量电缆，投资和工程量大，应用会越来越少。 厂否蔬蕊赢药订 r 一 l i o 通信控制器 i ：0t， 远动装置 雪囱自国国【审自自自e 图2 。1 变电站集中式综合自动化系统框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo f s u b s t a t i o nc e n t r a l i z e dc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e m 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 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 它一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 备与单回路的数采监控单元和微机保护单元在同一柜内，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，并减小了占地面积。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 一1 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【6 】。 当地监控后台机 馈线间隔段 单回路l 单回路数fl 单回路l 单回路数| i 保护装置j 采和监控ll 保护装置l 采和监控| |j l l| | 保护装置l 采和监控 开关柜1 ff 开关柜n j其他电气设备 图2 2 变电站集中式综合自动化系统框图 f i g 2 2 b l o c k d i a g r a m o f s u b s t a t i o n c e n t r a l i z e dc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e m 2 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 于1 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 本钢球团变电所综合自动化 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 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，设计在同一机箱中。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。这种结构方式介乎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：( 1 ) 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。( 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。( 3 ) 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。( 4 ) 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e 较集中， 所以此种结构方式比较适用于中低压变电站。 集中分散式( 分布式) 是以后发展的趋势【l l 】。 2 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【囝。 2 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。 ( 1 ) 模拟量 大连理工大学专业学位硕士学位论文 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、主交温度和室温、变压器分接头位 置等垢三项也可用开关量或脉冲量。 ( 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口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。 ( 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、所用电的有功电度量等采样方式为脉冲输入。 2 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，运行人员利用键盘和显示器操作开关、 刀闸和变压器分接头。该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：键盘操作、把手操作和保护柜操作。正常时利用键盘操 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 或柜上按钮实现。遥控执行：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。 变电站监测的内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 接选选柜：对于中性点不接缝系统，当电网出现单相接地故障时，幂i j 用零序电 压，零序电流增量及相电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，用人工检除方法跳开开关自动重合，验证主机的判断。 ( 3 ) 无功电压自动控制：根据电网无功、电压计算和判断是投切电容器，还是调节 变压器分接头位置，以使无功和电压满足要求二在变压器，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f 1 。 本钢球团变电所综合自动化 2 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 l i n g 规约和特殊规约【l ”。 2 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。 能够对保护柜包括主机在内的各元件进行在线检查1 1 5 1 。 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、双回线方向横差保护和低周 减载保护。 变压器保护：包括差电流速断保护、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) 、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 3 综合自动化系统的硬件配置 2 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拒、变送器 柜、监控柜、电度表柜和交直流电源柜等设备。拉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。主控室后部设保护柜、 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【l6 j 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 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【1 7 , 1 8 1 ： 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闲离的方法实现，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、开出板、开入 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 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，微机保护装置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【1 9 0 0 】： i 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。 抗 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。 i i i r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 3 3 微机保护的硬件的结构 ( 1 ) 处理器 本钢球团变电所综合自动化 单片机 单片机通过大规模集成电路技术将c p u 、r o m 、r a m 和i o 接口电路封装在一块芯片 中，因此具有可靠性高、接口设计简易、运行速度决、功耗低、性能价格比高的优点。 使用单片机的微机保护具有较强的针对性，系统结构紧凑，整体性能和可靠性高，但通 用性、可扩展性相对较差。而且某些保护算法需要使用乘法、除法或者开平方运算，而 早期的单片机不具备这些运算功能，通常需要使用软件实现相应功能、此外，单片机的 片内资源有限，实际应用时常常需要对其功能进行补充和外部扩展。 新型高性能单片机性能得到很大提高，运算能力也得到大大加强，出现了无须进行 外部扩展的所谓总线不出芯片的新型微机保护。此保护采用了高集成度的1 6 位单片机， 其内部包含了1 2 4 k e p r o m ，4 k r w ，接近1 0 个内部计数器、定时器与中断口，2 个全双工 的串行口，以及数个内部a d 转换器。其高效丰富的指定系统使得编程及其应用既灵活 又简洁。高性能单片机包含了微机保护所需的各种硬件功能，使新型微机保护的电路设 计异常简单可靠。 由于单片机价格低廉，因此，微机保护由最初的单c p u 的硬件结构为主发展为多单 片机构成的多c p u 硬件结构为主。大量使用单片机的微机保护在电力系统中得到了成功 的应用，也由于新型单片机的卓越性能，现阶段使用单片机的微机保护仍将是我国微机 保护的主流产品。 数字信号处理器 数字信号处理器( d s p ) 与目前通用的c p u 不同，是一种为了达到快速数学运算而具 有特殊结构的微处理器。d s p 具有相当强大的处理能力，在相同的主频率下，甚至比目 前最先进的个人计算机快1 0 5 0 倍。快速的指令周期、哈佛结构、流水操作、专用的乘 法器、特殊的指令，加上集成电路优化设计，可以使d s p 的指令周期达到2 0 0 n s 。 d s p 的突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大，尤其是采用专用 硬件实现定点和浮点加乘( 矩阵) 运算，速度非常快。将数字信号处理器应用于微机继电 保护，极大地缩短了数字滤波、滤序和傅里叶变换算法的计算时间，不但可以完成数据 采集、信号处理的功能，还可以完成以往主要由c p u 完成的运算功能，甚至完成独立的 继电保护功能。随着数字信号处理器芯片和开发工具的价格下降，可以预期数字信号处 理器将会在微机继电保护装置中发挥重要的作用 2 1 1 。 ( 2 ) 数据采集系统 微机保护装置中数据采集的速度、精度以及动态范围对保护性能有十分重要的影 响。 逐次逼近式a d 转换器构成的数据采集系统 大连理工大学专业学位硕士学位论文 早期的微机线路保护中，考虑到a d 转换器价格昂贵，因此采用多个通道共用一个 a d 转换器的方案。每个通道各有一个采样保持器，其采样脉冲输入端并联后接到c p u 插件上的定时器输出端，以实现对各通道的同时采样。模拟量多路转换开关采用硬件电 路控制记数自动进位切换通道号。为了节省c p u 工作时间，数据采集系统在变化完成后 得到的数字输出不需要经过c p u 控制，而经d m a 控制直接存入本插件的r a m 中。在同一 时刻采样的全部通道转换完成并存入r a h i 后，才由d m a 请求中断，由c p u 作出相应的处 理。这种数据采集系统使用的芯片比较多，电路复杂，抗干扰性差，因此，在其改进型 产品中使用了电压频率转换原理的计数式数据采集系统。 电压频率转换原理的计数式数据采集系统 第二代微机线路保护的v f c 电压频率转换) 数据采集系统框图及转换特性见图 2 3 ( 该系统中电压频率转换采用a d 6 5 4 光电耦合器采用快速光耦6 n 1 3 7 ) 。为了提高数据 采集系统的采集速度，每个模拟输入通道都需要使用单独的电压频率转换光耦合器， 其输出频率信号送至可编程计数器8 2 5 5 进行频率测量，在每个数据采集周期由c p u 读 取可编程计数器的计数值，并进行标度变换以获得实际的采样值。主要优点是，通过光 电藕合器与c p u 接口，因此抗干扰能力强；容易实现与多单片机系统的多c p u 接口。 图2 3v f c 电压频率转换 f i g 2 3v f cv o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n 高速数据采集系统【2 2 】 近几年来，以a n n 为代表的人工智能技术和小波分析理论，以及行波保护、暂态保 护等概念逐步引入继电保护领域，对采样速度提出了更高的要求。在变电站的母线保护、 变压器保护和发电机保护中，由于需要进行采样的电流通道很多，对采样速度也有比较 高的要求。采样率的提高导致了采样间隔的缩短，从而留给c p u 进行采样数据预处理、 保护启动计算、主保护计算的时间大大缩短。因此，必须大大压缩数据采集的时间。 保护装置使用工控机时，通常采用工控机智能同步数据采集模板完成采样( 高速数 据采集模板数据转换速度可达2 0 m b i t s ) ，再将采样数据通过双口r a m ，f i f o 等方式传送 给主c p u 进行处理，因此并不占用主c p u 的处理时间。当保护装置、使用单片机时，目 前使用的v f g 数据采集系统难以满足要求，必须对此单独进行考虑。为了进一步简化电 路设计与调试，一些半导体厂家将完整的数据采集系统集成到一块芯片中，能够自动完 本钢球团变电所综合自动化 成所有输入通道的数据采集而无需c p u 干预。采用这种专用数据采集芯片，将极大简化 单片机型微机保护装置数据采集系统的设计、生产，调试方式，大大提高其数据采集系 统的数据采集能力田j 。 ( 3 ) 微机保护硬件的一般结构 高压线路微机保护 目前，我国高压线路微机保护装置的原理、性能、主要技术指标以及制造工艺方面 已达到国际先进水平，微机保护的动作正确率也已经超过了常规保护。对于高压和超高 压输电线路微机保护装置，多单片机构成的多c p u 硬件结构已成为现行的实际标准。这 种类型的微机保护装置硬件结构框如图2 4 所示。它的基本特点是，电压频率转换原 理的数据采集系统为整套装置的公共部分，其频率输出信号分别传送给各个保护插件， 再由各个保护插件完成相应的测频、采样值标度变换、保护功能计算。3 个保护c p u 分 别完成高频保护、距离保护、零序保护功能，监控c p u 主要负责人机接口、保护定值管 理、通信控制、保护c p u 运行状态监控等功能。3 个保护插件启动元件按“三取二”的 原则启动各套保护装置的出口回路，从而大大提高了保护装置的可靠性唧】。 l 麓挂c p ul 历矗司际彖面 滔儡经睇 t l o 接n 德妒c p ”2 像扩c p c 3 图2 4 微机保护装置硬件结构框图 f i g 2 4b l o c kd i a g r a mo f c o m p u t e rp r o t e c t i o nh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n 然而，这种多c p u 微机保护装置采用了不完全冗余技术。保护输入和输出通道不采 用冗余技术，而只是在信号处理部分采用。如果模拟输入通道和数据采集系统发生故障， 那么输入3 个c p u 插件的故障数据将不再准确，整套装置不能正确工作，跳闸出口通道 发生故障，整套装置同样不能正确工作。因此整个保护装置并不因为采用了多c p u 技术 而使可靠性大幅度提高。 多c p u 微机保护装置除完成本线路的继电保护功能之外，同时还必须完成相邻线路 的远后备保护功能。广泛使用的多c p u 微机保护装置中，距离保护三段和零序保护三段， 都具有远后备的功能。在距离保护c p u 插件或者零序保护c p u 插件发生故障时，即使线 大连理工大学专业学位硕士学位论文 路的主保护可以正常工作，仍然将失去远方后备保护的功能。基于上述原因，在高压和 超高压输变电线路中，不但主保护必须双重化配置，后备保护也必须双重化配置。不过， 数量庞大的1 1 0k v 及以下输电线路大多只配置一套微机线路保护，因此，对于可能失 去远方后备保护的问题应当引起足够的重视。 微机元件继电保护 微机元件保护的研究工作晚于线路保护，保护算法还在不断地研究当中，尤其是微 机变压器保护的算法相对复杂，大型发电机变压器组配置的保护种类繁多，电力系统重 要的枢纽变电站母线接线方式复杂，运行方式变化很多，因此，微机元件保护的研究和 应用具有一定的难度，现有的也没有微机线路保护装置成熟。微机元件保护种类很多， 硬件结构上也各具特色，基本的类型有单片机型和工控机型微机元件保护。一些厂家得 益于线路微机保护的成功开发和应用中的成功经验，推出了许多与微机线路保护硬件结 构相似的单片机型微机元件保护。例如，采用