（电力系统及其自动化专业论文）小型变电站监控系统的设计.pdf

小型变电站监控系统的设计 摘要 变电站监控系统是通过将站内原有的控制、仪表、信号等一次设备重 新组合，再通过模块系统互连，计算机自动化管理而形成的一个系统。监 控系统集测量、监视和控制于一体，用计算机系统代替了人工手动运作， 在管理的有效性、精确度、自动化等方面有着巨大的优越性。 偏远地区较早建成的小型变电站基本上是二次设备管理模式的小型变 电站，因此，在偏远地区的小型变电站上构建监控管理系统具有一定的现 实意义。本文采用如下方法来实现：对原变电站进行设备自动化改造，监 控系统的整体结构设计，各自动化设备之间的连接设计，合适的硬件设备 安装等。 本文的研究重点包括：如何在监控系统中采集相应的变电站数据信息、 如何实现输出电压无功补偿如何利用计算机软件对变电站进行管理及控 制、以及如何通过网络通信系统实现远程监控。 本文设计的监控系统已经在小型变电站上运行，性能稳定，安全可靠， 实践证明了该系统的便利性和实用性。 。 关键词：监控系统管理无功补偿通信网络 i i i d e s i g no ft h es m a l ls u b s t a t i o nm o n i t o r i n g s y s t e m a b s t r a c t t h es u b s t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi sak i n do fc o m p u t e rs y s t e mw i t ht h e r e c o m b i n a t i o no ft h eo r i g i n a lc o n t r o l ，i n s t r u m e n t a t i o n ，s i g n a la n do t h e r p r i m a r y e q u i p m e n t ，m o d u l ei n t e r c o n n e c t i o na n dc o m p u t e ra u t o m a t i o nm a n a g e m e n t m o n i t o r i n gs y s t e mi n t e g r a t e st h ef u n c t i o n so fs u b s t a t i o nc o n t r o l ，m e a s u r e m e n t a n dm o n i t o r i n g ，a n du s e s c o m p u t e ro p e r a t i n gs y s t e mr a t h e rt h a nm a n u a l 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 变电站采用监控系统管理的意义1 1 2 变电站监控系统在国内外发展情况1 1 2 1 国外电力监控系统技术的发展情况1 1 2 2 国内变电站监控系统的发展情况；2 1 2 3 变电站监控系统发展方向3 1 3 本课题设计的背景及内容4 第2 章小型变电站监控系统设计方案6 2 1 监控系统设计原则：6 2 2 变电站的设备配备及改造8 2 2 1 变电站的主要设备及相应参数值8 2 2 2 变电站设备的自动化改造9 2 2 3 无功补偿9 2 3 监控系统的设计方案：1 0 2 3 1 系统结构一。1 0 2 3 2 网络结构：1 3 2 3 3 软件系统1 3 2 3 4 监控系统的配置1 4 第3 章监控系统的数据管理及继电保护功能：1 5 3 1 数据采集的原理1 5 3 1 1 采集信号的类型一1 5 3 1 2 模拟量的采集原理1 6 3 1 3 开关量( 状态量) 的采集原理1 6 3 2 设计系统中采集信号的处理方法1 6 3 2 1 模拟量处理方法一1 8 3 2 2 开关量( 状态量) 处理方法一1 9 3 3 监控系统对变电站的继电保护功能一一2 0 3 3 1 变电站继电保护的方式2 1 目录 3 3 2 监控系统的继电保护功能2 2 第4 章监控系统的电压无功补偿功能2 5 4 1 电压无功补偿的方法2 5 4 2 监控系统对变电站实行电压无功补偿的方法2 6 4 2 1 变电站变压器运行方式的识别2 6 4 2 2 变电站运行状态的检测和识别2 7 4 2 3 监控系统对电压无功补偿的对策2 7 第五章监控系统的通信方式2 9 5 1 变电站内的信息传输2 9 5 1 1 变电站内传输的信息分类2 9 5 1 2 变电站内传输的信息内容2 9 5 2 监控系统的站内通信方式3 0 5 2 1 l o n w o r k s 现场总线通信网络简介3 0 5 2 2l o n w o r k s 现场总线通信网络的结构3 1 5 2 3l o n w o r k s 现场总线网络的优点3 2 5 3 变电站与上级调度中心的通信方式3 3 第6 章监控系统对变电站的操作控制及软件管理3 5 6 1 监控系统对变电站的控制操作3 5 6 2 利用r d - 8 0 0 软件系统对变电站进行监控管理3 6 6 2 1 窗口组成及基本操作3 6 6 2 2 监测3 7 6 2 3 系统报警一4 0 6 2 4 事故记录及打印4 1 + 6 3g p s 时钟同步技术4 1 6 4 系统自诊断及自启动功能4 2 6 5 监控系统投入使用后的实际情况4 2 总 结一一4 5 参考文献4 6 致谢4 7 声 明一4 7 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 变电站采用监控系统管理的意义 变电站自动化是电力系统自动化一个重要方面，变电站实现自动化的核心是监控系 统，国内变电站综合自动化变电站监控系统( i n t e r g r a t e as u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ) 的定义【l 】：是一种集合保护、测量、控制与远动传输等功能为一体，通过数字通信及网 络技术实现信息共享的智能化设备及系统，用以取代常规的仪表盘、控制屏、继电保护 屏及中央信号屏等设备。 最初变电站监控系统是面向功能进行设计，之后逐渐发展成采用面向对象进行设 计，可靠性与功能均有了很大提高，变电站采用监控管理系统促进了无人值班变电站的 实现，对变电系统的现代化运行管理具有以下意义【2 】： ( 1 ) 监控系统可以利用远动技术迅速而准确的在线监视变电站运行的实时信息、 设备运行状况、完整掌握变电站的实时运行状态，对设备本身的异常运行进行诊断，及 时发现变电站运行过程中设备的故障，如出现故障则自动报警或自动跳闸，减少设备的 损坏程度及事故范围，确保变电站正常运行。 ( 2 ) 监控系统可对变电站所有信息量进行自动采集，对变电站运行参数在线计算、 存储、统计、分析报表、远传，并通过自动和遥控调整的方式实现电压无功补偿，保证 电能质量，减少网络损耗，节约大量的成本。 ( 3 ) 借助于监控系统，可使值班管理人员根据变配电系统的运行情况，进行负荷 分析、合理调度、远程控制合分闸，把握安全控制、事故处理的主动性，减少和避免操 作、误判断，缩短事故停电时间，也减轻了管理人员的工作量。 q2 变电站监控系统在国内外发展情况 1 2 - 1 国外电力监控系统技术的发展情况 从2 0 世纪6 0 年代开始，国外电力监控系统技术的发展经历了三个阶段【3 毛 ( 1 ) 从2 0 世纪5 0 年代到6 0 年代中期是第一阶段提出经典控制理论。由于自 第1 章绪论 动控制的需要，以及经典控制理论的指导，单一控制过程中自动化、自动设备等局部自 动化也就应运而生，把人从单调的、繁重的手工操作状态中解放出来。国外变电站自动 化系统工程最早是用微机型号远动装置代替布线逻辑型号远动装置。 ( 2 ) 从2 0 世纪6 0 年代中期到8 0 年代初期的第二阶段现代控制理论阶段。 这个阶段随着控制理论的完善、计算机技术的发展，日本、欧美等发达国家开始采 用计算机自动控制技术对电力系统进行数据的采集和设备的监控，同时在变电站开始采 用远端测控单元装置r t u ，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。这些技术的运用， 对变电站控制的便捷性、检修的速度、数据采集管理的精确度有了很大的提高，但是由 于站内数据运用过于集中、重复，控制的可靠性得不到保证。 ( 3 ) 从2 0 世纪8 0 年代以来进入了第三阶段大规模集成系统智能控制阶段。 这个阶段是通过庞大的集成系统模块对电网进行控制，首选总体提出整个变电站系 统控制的总任务，再用任务分解的办法，分配给各分散的小系统模块具体的指标去完成 各个任务。此时以单片机模块、微型机和小型机组成的分布式控制系统逐渐占据了市场 主流，其运算速度快、可靠性高、价格合理，适应了电网大系统调节的需要，变电站 s c a d a 系统也逐渐发展成熟，可以简单到只需通过一对导线连在远端的一个开关进行 控制，也可复杂到由许多无线远程终端设备( r 1 u ) 与站内的设备组成功能强大的微机 通信网络系统对电网进行控制。 这些新型的电网监控系统模块分布于变电站各个电子设备中，将变电站的保护、测 量、监控、远动等功能融为一体，取得数据共享、资源共享，大幅度提高自动化的功效， 与发电厂自动化系统配合一起完成电力系统复杂、安全、经济的发供电任务。 1 2 2 国内变电站监控系统的发展情况 国内电网自动化始于2 0 世纪6 0 年代初期，只有一两家变电站开始利用国外的技术 进行自动化改造，造价非常高；到了2 0 世纪7 0 年代后期，国产远动装置问世，自动化 改造的费用降低，较多变电站利用国产装置进行自动化控制，但由于国产元件质量不过 关，调度端计算机系统故障多，可用率低，监控系统的运用并不广泛：2 0 世纪8 0 年代 中期随着微机的出现以及p j 3 p 、蝴等控制性能良好的计算机开发应用，调度端s c a d a 开始进入实用阶段 这个时期国内超高压电网已形成，配合超高压输电电路引进的一批 2 第1 章绪论 自动化设备取得了运行经验，同时引进国外的s c a d a 和r t u 设备、开发了先进的软 件，加快了电力系统的自动化改造进程；2 0 世纪9 0 年代以后，计算机、通信技术的飞 速发展以及微机型继电保护装置的大量采用，变电站监控系统在功能和可靠方面逐渐完 善和提高发展。 到目前为止我国电力系统自动化控制的规模在不断扩大，已初步实现全国联网，逐 步实现形成覆盖全国各地的、多电压等级组成的超大型自动化控制电力系统网络，经查 询资料了解，我国已投入运行的3 5 k v 一5 0 0 k v 变电站约2 0 0 0 0 多座，每年新增变电站数 量约为5 ，即每年大约有上千座变电站投入电网运行，而新建和扩建的变电站基本上 采用了自动化监控系统的管理模式。 1 2 3 变电站监控系统发展方向 一、变电站监控系统向标准化方向发展 自动化控制技术的进步和电力行业标准的制约，变电站计算机监控系统将逐步向标 准化方向发展。其表现形式为：系统基本功能的设计和控制的方式逐步规范化，自动化 设备、仪器的对外接口和通讯协议的规范、标准化，即变电站内不同厂家的设备可以做 到互通互连 4 】。 目前，国际电工委员会第5 7 技术委员会( ( i e c t c 5 7 ) 带u 定了变电站通信网络和系 统系列标准，也就是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准 i e c 6 1 8 5 0 标准。 i e c 6 1 8 5 0 标准的内容：( 1 ) 面向对象建立模型；( 2 ) 定义了数字式t a 、t v 、智能 式开关等一次设备的模型；( 3 ) 规范保护测控装置的模型；( 4 ) 配置通信协议标准化； ( 5 ) 通信服务接口统一标准化。变电站自动化i e c 6 1 8 5 0 标准定义了公共数据的格式、 标识符的标准；确定了设计方案和控制方式等建模的规范化 5 】。 制定i e c 6 t 8 5 0 标准的作用：( 疆) 解决了变电站自动化系统产品之间互相操作和连 接通信协议转换的问题；( 2 ) 使变电站自动化设备具有即插即用的特性；( 3 ) 极大的方 便了自动化系统各模块的集成，降低了变电站自动化系统建设的工程费用【6 】。 二、变电站监控系统向数字化、高集成化方向发展 随着变电站的监控系统的发展，逐渐实现了各类数据从源头实现数字化，如利用光 3 第1 章绪论 电电子式互感器采集电流、电压等，实现电气量数据采集的数字化应用。数字化电气量 监测系统具有体积小、重量轻等特点，可以有效地集成在智能开关设备系统中，使得原 来分散的二次系统装置具备了进行信息集成和功能合理优化、整合的基础。 变电站数字设备的发展促使监控系统向高度集成化的方向发展，如采集、测量、控 制等面对变电站一次设备测控的功能被集成为的监控模块，由模块中的c p u 芯片对设 备运行的情况进行管理，而继电保护、故障录波及事件记录等功能也被模块化集成于数 字装置内，高集成化降低了运营成本，减少设备故障率，有利于实现统一的运行管理。 1 3 本课题设计的背景及内容 经过对变电站监控系统的发展情况及发展趋势的了解，监控系统多运用于大型变电 站及省级市级等发达地区的变电站改造，各级电力公司还无暇顾及一些地处较偏远的农 村、山区的小型变电站的自动化改造、管理及监控，这些变电站由企业自主管理，仍延 用常规的二次设备，利用人工巡视的管理模式，设备及管理方式均非常落后。针对这一 现象对南宁市周边及桂林市兴安县周边乡镇进行考察，情况如下： 1 、目前在南宁市地区周边县镇新建的变电站都采用自动化系统管理模式，原有的 小型变电站已经或正在进行自动化改造，使用自动化监控的变电站极大的提高了检修效 率且节约了大量的成本。 2 、桂林市兴安县的乡镇进行自动化改造的小型变电站不太多，对原有小型变电站 进行自动化改造的需求迫切，地处较偏远的农村、山区多少都有用电困难的现象，这是 因为当地变电站修建时间较早，原有的设备是常规的二次设备，使用的是人工手动操作 等的工作模式，造成监控不到位、数据误差大、资源浪费及检修速度慢。 经过以上考察对比，与华江乡的马口变电站合作课题项目，为该变电站设计监控系 统，并选择该设计课题作为毕业论文，记录课题设计的主要工作内容： a 、对电力系统自动化监控系统的发展、意义进行研究阐述，实地对小型变电站监 控系统的应用进行考察，确定合作项目。 2 、分析变电站的当地的用电情况、根据变电站的实际规模及运营情况，制定小型 变电站监控系统的总体设计方案。 3 、对小型变电站原有场所及设备进行改造，选择加装自动化设备的型号及选择相 丑 第1 章绪论 应系统软件、通讯方式，组织安装硬件设备并分析研究设备对变电站的管理方式，详细 介绍系统软件的使用功能。 4 、实际验证监控系统投入小型变电站使用后的效果，证明该系统针对小型变电站 监控、管理的经济性、实用性。 第2 章小型变电站监控系统设计方案 第2 章小型变电站监控系统设计方案 课题通过对兴安县华江镇马口3 5 k v 小型变电站进行监控系统的设计、研究及实际 投入使用验证该系统的可靠性及应用的普遍性，i i o d , 型变电站通过使用这一系统来改善 管理、降低成本，达到促进小型变电站无人值班的实现。 华江镇辖区设有8 个村民委、2 个社区、有2 0 0 多个村民小组，总人口3 万多人， 全镇耕地面积近8 万亩，农业生产以种植水稻、甘蔗、玉米、木薯、水果、经济林为主。 乡镇企业有淀粉厂、砖厂等。近年来，随着人民生活水平的提高，用电量增长较快，造 成马口变电站的管理与维护的压力巨增，当线路检修或出故障时，停电涉及半个乡镇的 负荷，原有的人工管理工作模式无法适应逐渐繁杂的用电需要的管理，出错率较高，排 故障、检修花费的时间长，甚至给全镇乡的居民生活、生产带来了不便。现该站迫切需 要利用自动化管理手段代替原有的人工管理方式，降低管理成本，提高管理、监控效率。 马口变电站建在该镇一块荒坡地上，处于负荷中心，交通便利，进出线便于架空线 的引入和引出比较方便。为此，本案在原变电站基础上进行自动化改造，其设计思路为 设备选择以提高供电可靠性、经济运行水平和自动化水平为前提，与调度自动化相结合， 并考虑实行无人值班管理模式。 2 1 监控系统设计原则 本监控系统由分层分布式监控主机和各种功能模块( 子系统) 组成，其设计原n t n 包括： ( 1 ) 使用设计的监控系统代替常规的二次设备。 马口变电站原有的设备是常规的二次设各，使用的是肉眼监视、人工抄表、手动操 作等的工作模式，造成监控不到位、数据误差大、可信度低；大量人工记录的数据记录 堆积，无法迅速调用有用数据；同时需要大量的人力从事巡逻、排查、管理工作，造成 资源浪费及检修速度慢。 针对这一现象，本着节约资源、提高效率的原则，本课题设计的监控系统将常规的 仪表、中央信号、模拟屏、控制屏和运行控制装置拆除或改装，重新安装监控系统综合 6 第2 章小型变电站监控系统设计方案 模块，也就是把采集和控制等功能综合在一起的装置，由装置内的c p u 芯片对信号进 行统一管理；同时利用把继电保护、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能综合在一 起的装置微机继电保护装置，对一次设备进行保护；然后把这些装置统一安装在系 统的间隔层保护小室中。最后将间隔层采集到的信息采用网络技术传输到系统的站控层 进行统一管理，通过软件组对数据进行分析、管理，提高变电站的自动化监控技术水平 和可靠性。 ( 2 ) 监控系统要有可靠、先进的通信网络，利用数字通信的优势，实现数据共享。 对于站内的通信，在本设计中通过借鉴别的自动化改装后的变电站的通信模式、分 析对比各通信方式、结构，再选择适合本变电站的通信网络系统。站内与站外的通信则 是租用当地电信部门的宽带电路，来完成远程调度与控制的功能。 监控系统必须通过通信网络将采集的信息资源进行共享、综合利用，在优化监控、 保护系统硬件设备的前提下，减少设备的重复，才能降低造价。 ( 3 ) 监控系统必须具有高可靠性、精确性、及时性。 确保变电站安全运行是变电站监控系统设计的基本要求，在考虑计算机监控系统的 总体结构时，要注意主、次分清，依靠各种抗干扰和数字滤波技术、冗余技术、独立的 故障自诊断技术，及时发现故障向主控端报警，及时精确的处理发生的事故。 ( 4 ) 监控系统接地要求遵照“一点接地 原则阎。 变电站的一次电气设备属于强电设备，需要采取防电措施，监控系统不设置单独的 接地网，遵循耐一点接地原则。 监控系统中两个保护小室之间、间隔层与站控层之间的连接、以及站内设备通讯接 口之间的连接、系统各智能设备均要采取隔离措施，其隔离接地原则是：保护接地、工 作接地( 称逻辑接地) 均不得混接，工作接地应实现一点接地。 系统中所有的屏柜体、打印机等设备的金属壳体可靠接地。装设敏感电子装置的屏 柜设置专用的、与柜体绝缘的接地铜排母线；并列布置的屏柜体的接地铜线直接连通； 而当屏柜上布置有多个系统插件时，各插件与插件箱体绝缘并将其接地点分别引至屏柜 内专用的接地铜排母线接地。 ( 5 ) 经济上合理节约、适用性强。 本系统的安装应本着节约重复性硬件设备，节约大量控制电缆( 数量少、截面减小) ， 7 第2 章小型变电站监控系统设计方案 缩小占用控制室建筑面积的原则，尽量节约成本。但是由于变电站的工作环境的影响， 如：温度变化、湿度过大、污染和震动，特别是强电磁干扰，必须采用有效的抗干扰、 抗温度变化、抗震等措施，比如要选用高级别的芯片等。 2 2 变电站的设备配备及改造 根据设计需要，对马口变电站的电气设备进行考察后，根据自动化改造的需要，对 该变电站的设备进行了一些自动化改造。 2 2 1 变电站的主要设备及相应参数值 ( 一) 主要设备型号及相应参数值： ( 1 ) 主变压器：变电站装设两台容量为6 3 0 0 k v a 主变压器，型号为s z l l - - 6 3 0 0 3 5 ， 额定电压比为3 5 3 2 5 1 0 5 k v ，额定容量比1 0 0 1 0 0 ，接线组别为y n d l l ，阻抗电 压为u d = 7 5 ，为节能型、低损耗、调压三相双绕组、自冷式油浸有载调压变压器。 ( 2 ) 3 5 k v 线路进出线各1 回，采用单母线接线方式；隔离开关1 组。 ( 3 ) 1 0 k v 开关柜共7 面，其中主变进线1 面，电容器1 面，出线5 面，柜型为 k y n 1 2 ( z ) 型，是金属铠装移开式高压开关柜，柜内配置真空断路器、电流互感器、氧 化锌避雷器、干式电压互感器。 ( 二) 变电站使用导体及电缆的情况 表2 - 1 导体及电缆的使用表 r l b l e2 1 t h eu s eo f c o n d u c t o ra n dc a b l et a b l e 8 第2 章小型变电站监控系统设计方案 2 2 2 变电站设备的自动化改造 为了实现监控系统的控制、监测、通信等功能，需要对变电站的原有设备进行一些 改造，为此后设备安装与连接、实现自动化功能作好准备。 一、对3 5 k v 设备的改造： 1 、加装3 5 k v 母线p t l 组、隔离开关1 组，加装3 5 k v 进线间隔一回( 使用g w 5 3 5 型隔离开关2 组和p r w 9 2 型( 熔丝8 0 a ) 熔断器1 台) 。 2 、加装3 5 k v 进出线地流速断保护和p w s 型主变压器保护装置( 为实现监控系统 主变继电保护功能而配置的设备) 。 二、对1 0 k v 设备的改造： 1 、加装一面1 0 k v 开关柜，作为母联及母线p t 柜。 2 、对1 0 k v 柜内的自动重合器等一次设备保留，拆除其二次保护、控制设备，更 换为保护测控一体化单元装置及远动通信管理单元装置。 3 、在一次设备的测量控制仪表中安装专用的微处器，使它们各自都具有数字计算 和通信功能。 4 、加装保护通信管理机，用微机保护装置代替常规保护装置。把该装置的软件控 制开关即软件连接片与常规保护所设立的连接片串联起来，再把保护通信管理机与监控 模块系统连接，利用微机程序控制的方式对变电站进行保护监控。 三、对电量表的改造： 淘汰常规的脉冲式机械电能表，改为数字式电子电能表，实现变电站监控系统通过 r s - 4 8 5 总线与数字式电能表通信，定时采集各电能表的电量，并将采集的电量传递到 站内，通过系统软件直接对电量进行统计分析。 2 2 3 无功补偿 根据无功管理及供用电规则，并联电容器补偿装置的容量按就地补偿、便于调整电 压及不发生谐振的原则进行配置，每台主变设一组补偿装置，装设在1 0 k v 母线上，容 量按主变容量的1 0 1 5 配置。 马口变电站无功补偿器安装在t o k v 母线上，取主变容量的1 0 1 5 ，使高峰负 9 第2 章小型变电站监控系统设计方案 荷时功率因数达到0 9 - - 一0 9 5 。该变电站补偿电容6 0 0 k v a r ，使用s f 6 断路器和隔离开关 作控制设备。 2 3 监控系统的设计方案 针对以上所考察的马口变电站情况，该变电站规模较小，占地面积不大，不适合另 外新建隔间来安装自动化设备，故本系统所需要的设备直接在站内继电保护室及控制室 中心安装，便于与原有设备相连接、减少线路的安装，也方便原设备的自动化改造。设 计的监控系统结构图如图2 1 所示： 2 3 1 系统结构 图2 1 马口变电站监控系统结构图 f i g 2 - 1t h e c h a r to f m aj k o us u b s t a t i o nm o n i t o r i n g 本监控系统包括两部分：站控层和间隔层，为开放式分层分布式结构。站控层建在 马口变电站的中央控制室，为全站设备监视、测量、控制、管理的中心，通过l o n w o r k s 现场总线网络与间隔层相连，对间隔层的电气设备进行监视、管理；通过租用宽带通道 1 0 第2 章小型变电站监控系统设计方案 与县级的远方调度联通，随时向县级调度中心汇报变电站的运行情况。间隔层在原继电 保护室里进行改造，根据站内的不同电压等级和电气设备情况，改建两个相对独立又能 互相联通的保护小室，在站控层控制及网络通信系统失效的情况下，间隔层仍能独立完 成变电站的监测和控制功能。 ( 1 ) 站控层设备 监控主机：即为一台服务器配置的电脑，具有服务器的数据共享、远动数据处理 及通信功能，而且是对整个系统进行监控与操作的平台，是站控层数据收集、处理、存 贮及信息发送的中心。该主机安装网络操作系统，并选择现在运用比较成熟的监控系统 软件，对整个站内监控系统进行人机界面的操作。通过监控主机，运行值班人员能实现 对站内设备的运行状态进行监测、远动操作控制、记录故障、查询事件等功能。本系统 在站控层配置2 台相同的监控主机，当一台主机故障时，备用机自动提升为主机、实现 无扰动切换，且为了保障联通外网后的数据安全，只通过备用主机2 与外网连接。 声响报警装置：站控层内设置一套声响报警装置。系统根据事故信号和预告信号 的不同信息，驱动声响报警装置发出不同的声音及闪烁不同颜色灯光进行报警。 ( 2 ) 间隔层设备 间隔层设备用于直接采集、处理站内现场设备的原始数据，通过通信网络系统将采 集、处理的信息传送给站控层主机，同时接收站控层发来的控制操作命令对间隔层的一 次设备进行控制操作。根据马口变电站的规模，本系统设制一个3 5 k v 保护小室，一个 1 0 k v 保护小室，这些保护小室由测控单元、继电保护装置、网络系统等构成，各保护 小室相对独立，通过通信网互联。 测控单元：本监控系统使用d f l 7 3 5 综合控制系统装置作为保护小室的测控单元， 用以采集监控变电站所需要的遥测、遥信量，并实现对变电站的无功电压补偿。 选择变电站的综合控制系统是本设计方案的核心，现在运用于变电站的成熟综合控 制系统装置非常多，经过查阅资料及对已经改造成功的小型变电站进行考察，并针对马 口变电站的设备型号、规模及运行状况，本方案选择了d f l 7 3 5 综合控制系统模块作为 系统的测控单元，该系统模块性价比较高，具有很高的稳定性和强大的处理能力，功能 全、配置灵活、易于扩充，具有面向功能设计的各种遥信、遥测、遥控、遥调等功能模 块，所有模块的软件操作系统均采用高可靠性的嵌入式实时多任务操作系统，测控模块 1 1 第2 章小型变电站监控系统设计方案 全面采用多种抗电磁干扰措施，采用多层电路板设计，采用表面贴装工艺，全金属屏蔽 外壳，所有测控模块均通过i e c 6 1 0 0 0 4 的级( 最高等级) 多项标准，各测控模块均 可安装于开关柜上等强电磁干扰现场。 保护装置：由于本站是3 5 k v 的小型变电站，3 5 k v 电压的线路主接线比较简单， 隔离开关数量较少，而且使用的是不用电动操作的隔离开关，因而遥信遥控开入开出量 不多，且这种电压的线路保护功能也比较简单，故而本监控系统在3 5 k v 保护小室安装 一台p w s 主变保护装置，对主变进行保护。 又由于本站配电线路及各功能都较简单，故本设计方案在1 0 k v 保护小室安装保护 通信管理机，与站内原配电保护装置的开关设备连接，该装置在一个箱体内可以省去许 多外部互连线，提高了整体可靠性，节省了大量接线；且该装置设有防跳继电器及断路 器位置继电器等，有足够的开关装置可以测量并连接一次设备的隔离开关及断路器，设 有执行通信网下达的操作断路器分合的相应继电器，可直接通过网络由软件对开关进行 控制。 网络系统：包括交换机、与l o n w o r k s 现场总线网络连接的双绞线连线。为了简 化网络连接的线路，变电站的一次设备还进行了自动化改造，为站内一些开关、仪器、 仪表安装了l o n w o r k s 现场总线网络系统配备的专用微处理器，这样这些一次设备就有 独立的通信功能，可以做为网络的一个节点直接连接到网络系统中。 ( 3 ) 时钟接收和同步系统 监控系统在站控层安装卫星时钟主接收系统，在每个保护室装设时钟同步系统，接 收与同步系统通过无线时间信号传输通道进行连接，主接收系统接收全球卫星定位系统 a s 的标准授时信号，通过时钟同步系统对站内保护小室中的监控系统模块、继电保护 装置等有关智能设备的时钟进行校正，各分布层之间的对时误差小于, 1 m s 。 变电站的时钟同步系统由主时钟、时间信号传输通道、时间信号用户设备接口( 扩 展装置) 组成。主时钟设在本变电站的站控层的中央控制室，由标准机箱、接收天线及 设备、电源、时间信号输出等部分构成，对变电站的一次设备和保护小室的智能化设备 ( 包括智能电能表等) 按要求实现g p s 对时，并具有时钟同步网络传输校正措施。 当变电站收不到外部时间基准信号时，时钟同步系统会保持一定的时间准确度，直 到外部时间基准信号恢复时自动切换到正常工作状态。马口变电站改造后安装的主变线 1 2 第2 章小型变电站监控系统设计方案 路测控装置、 ! | 1 主变保护、| 2 主变保护及1 0 k v 小室的所有线路保护等都有b 码的接 口，采用了4 2 2 b 码对时，选用了r v v p 两芯的屏蔽通讯电缆，1 为+ ，2 为，依次将各 装置接入g p s 同步时钟装置的b 码输出标号段。 2 3 2 网络结构 本站的监控系统由两层网络构成，两层网络分别为：站控层与间隔层数据通信网络； 站控层与远方调度的通信网络。 站控层与间隔层数据通信网络结构使用l o n w o r k s 现场总线通信系统进行连接。 l o n w o r k s 现场总线【1 0 】是美国e c h e l o n 公司推出并由经与摩托罗拉、东芝公司共同倡导， 于1 9 9 0 年正式公布而形成的一种网络通信系统，具有安装方便、结构简单、对设备接 口兼容性强、易于扩充重构等突出的优点，在制造业、流程工业、特别是在电力系统的 自动化应用中具有巨大的优越性，已经逐渐代替了传统的局域网的构建，广泛运用到变 电站的分层分布式综合自动化管理中。 至于站控层与远方调度的通信，该系统租用当地桂林市兴安县电信部门的宽带电路 进行联通，通过此网络可以实现互联网访问及远方调度等功能应用。 2 3 3 软件系统 监控系统选择采用国内外流行的、先进的、标准版本的数据库软件，软件为模块化 结构、开放性好、成熟可靠、操作简单，本变电站使用r d 一8 0 0 系统为后台系统软件， 操作系统采用, u n i x 系统。 r d 8 0 0 分布式监控系统 1 l 】是基于r i s c 工作站的电网监控系统。该系统采用分布式 体系结构，基于国际标准软件开放平台及关系型实时数据库管理系统，解决了系统扩容、 功能扩展等问题。该系统具有以下主要特点：1 开放的系统平台。该系统采用了u n i x 、 x - w i n d o w 、t c p i p 等国际标准或工业标准，使得系统易于升级，便于移植。2 分布 式体系结构。该系统基于局域网，提供高效的通信支持，功能和数据分布合理，系统配置 灵活，扩充方便，可靠性高。3 关系型数据库管理系统。在关系数据库的基础上加入了 层次描述，实时性高，使用和维护方便。4 友好的人际界面。图形、报表、数据库界面 采用全图形交互式全汉化的人机界面，直观易懂，使用灵活，维护方便。5 处理系统容 1 3 第2 章小型变电站监控系统设计方案 量大，采用网络通信方式，数据传输速率高，可靠性高并支持多种r t u 规约。 2 3 4 监控系统的配置 根据以上设计原则，监控系统的配置型号及价格如下表，价格近9 万元。 表2 - 2 马口变电站g t t t 系g 的设备配置表 t a b l e2 - 2d e v i c ec o n f i g u r a t i o nt a b l eo f m ak o us u b s t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m 1 4 第3 章监控系统数据采集及继电保护功能 第3 章监控系统的数据管理及继电保护功能 通过监控系统对变电站进行控制管理，系统正常运转的前提是必须要采集到准确的 数据，包括遥测量、遥信量、交流量等，再通过系统将采集的数据进行分析、计算、处 理后传输到主机中，作为对变电站进行管理的依据与数据指标。要采集这些信息在系统 中通常是由数据采样模块完成，这是为了实现自动化装置的扩展，将采样模块从c p u 逻辑部分独立出来，形成有特殊接1 ：3 的插件。在本系统中，使用d f l 7 3 5 综合监控模块 的来完成数据的采集、管理功能。 3 1 数据采集的原理 3 1 1 采集信号的类型 ( 1 ) 模拟量信号：分为电气量和非电气量两类。电气量有电流、电压、有功功率、 无功功率、频率等；非电气量有变压器、电抗器的油温、压力等。 本站需要采集的模拟信号即遥测量有：1 、主变压器3 5 k v 、1 0 k v 侧电流；2 、主变 压器1 0 k v 侧电度量；3 、主变压器1 0 k v 侧有功功率；4 、1 0 k v 电容器无功功率；5 、 1 0 k v 母线电压；7 、1 0 k v 出线有功电度量；8 、主变压器油温；9 、交流所用电压等。 ( 2 ) 开关量( 状态量) 信号：断路器、隔离开关的状态、继电保护信号、事故信 号、报警信号等。 本站要采集的开关量信号即遥信量有：1 、主变压器3 5 k v 侧断路器、隔离开关位置， 主变压器1 0 k v 侧断路器、隔离开关位置；2 、主变压器有载分接开关位置；3 、主变压 器及有载分接开关动作信号；4 、主变压器过流动作信号：5 、主变压器1 0 k v 侧断路器 弹簧未储能；6 、主变压器超温信号；7 、主变压器油位信号 8 、主变差动保护、主变 后备保护动作信号；9 、3 5 k v 线路断路器、隔离开关位置 1 0 、3 5 k v 线路保护动作信 号；1 , 1 、1 0 k v 线路和分段断路器、隔离开关位置；1 2 、1 0 k v 线路和分段保护动作信号； 1 3 、1 0 k v 线路和分段断路器弹簧未储能；1 4 、1 0 k v 电容器断路器、隔离开关位置；1 5 、 1 0 k v 电容器保护动作信号；1 6 、 1 0 k v 电容器断路器弹簧未储能；1 7 、3 5 k v 控制回路 断线 1 、8 、1 0 k v 控制回路断线；, 1 9 、1 0 k v 交流电压回路断线：2 0 、t o k v 系统接地信 1 s 第3 章监控系统数据采集及继电保护功能 号；2 1 、u p s 异常信号；2 2 、所用电失电信号；2 3 、全所事故总信号等。 3 1 2 模拟量的采集原理 目前变电站监控系统中普遍采用交流采样技术【1 2 】对模拟量进行采集，即电站现场回 路的电流、电压，由t a ( 电流互感器) 和t v ( 电压互感器) 引出信号后，通过传感器 将互感器引出的电流变成交流电压，再经低通滤波器将变换后的电压转换成a d 转换芯 片所允许的电压( 通常要求输入的电压为5 v 或1 0 v ) ，然后经滤波器采样的数据通 过采样保持器保持a d 转换器输入端的模拟信号电压保持不变，提高数据采集的采样频 率，最后这些数据通过a d 转换器把模拟信号转换成c p u 能处理的数字信号，送c p u 进行处理后，计算出相应的功率、功率因数等其他测量值，其采样原理图如图3 1 所示。 用 t v 图3 1 模拟量采样原理图 f i g 3 - 1a n a l o gs a m p l i n gs c h e m a t i c 3 1 3 开关量( 状态量) 的采集原理 开关量输入电路就是将变电站内各开关设备的开合状态信号引入监控系统，经c p u 处理后输出再对变电站开关设备进行调节、控制、管理等。开关信号主要通过从变电站 的各断路器、隔离开关等装置引出触点，接至计算机的并行口端，再由c p u 通过软件 进行查询各触点的开合状态。 由于开关量的是从装置外部引入触点，会因接线及空间的问题给计算机产生信号干 扰，可能会使输入状态发生错误，故输入信号都必须通过光电隔离元件，使其输入部分 与c p u 逻辑有效隔离，防止干扰，其采集原理图如图3 - 2 所示： 图3 - 2 开关量采样原理图 f i g 3 - 2s w i t c h i n g c a p a c i t ys a m p l i n gs c h e m a t i c 3 2 设计系统中采集信号的处理方法 在本变电站监控系统设计中，对于采集信号的采集、处理是通过东方公司的o f l 7 3 5 1 6 第3 章监控系统数据采集及继电保护功能 综合监控模块系统操作的。该模块系统由电源单元、模拟量变换板、a d 转换模块、开 关量采集模块、开关量输出模块、键盘与显示模块、c p u 处理系统、输出控制模块、通 信模块等部分组成，其中把模拟量、开关量等各种不同类型的数据处理功能集中共用 c p u 系统处理，仅将输入回路与a d 转换等元件独立出来使用，这样使得装置中各种 元件资源得到更合理的利用，有效降低了生产成本，又统一由c p u 管理，加强了系统 的可靠性、稳定性。d f l 7 3 5 综合监控模块系统组成结构与变电站一次设备的连接关系 图如图3 3 所示： 1 号 2 高压侧u c 、u 雎 中压侧u c 低压侧u a c 、3 u o 主变压器 高压侧电流i 、i c 高压侧u a c 、u e c 中压侧u c 低压侧u c 、3 u b 加 转 换 模 块 开 关 量 输 入 模 块 键盘、 c r t c p u 处 理 系 统 ( a d 采 样时序逻 辑处理、 遥信事项 预处理 等) 采 集 量 输 出 模 块 输 出 继 电 器 输 出 继 电 器 串行接口h 外部通信 调节1 号主变分接头 i 段电容器组投切 1 号主变连调制动 报警信号 调节2 号主变分接头 i i 段电容器组投切 2 号主变连调制动 报警信号 图3 - 33 5 k v 保护小室的d f l 7 3 5 综合监控模块系统电路连接图 蕾培3 - 3t h e c i r c u i tc o n n e c t i o nd i a g r a mo f d f l 7 3 5i n t e g r a t e dc o n t r 0 1 m o d u l es y s t e mi n3 5 k vp r o t e c ts m a l ll o o m d f l 7 3 5 综合监控模块通过前面板的键盘、c r t 对整个测控单元进行维护、操作。 该模块前面板上侧有6 个显示灯，以显示模块的运行状态，中间有液晶显示器观察数据， 下侧有9 个按键对各模块进行各种设置和操作。 1 7 模拟量变换板一一模拟量变换板二输入继电器隔离板 一一 一一一一一一一| 第3 章监控系统数据采集及继电保护功能 1 、状态显示灯： 电源、运行、串口1 ( 维护用串口收发灯) 、串口2 ( 通信用串口收发灯) 、合信号 ( 灯亮表示断路器处于合闸位置) 、分信号( 灯亮表示断路器处于分闸位置) 。 2 、按键定义： 上下左右移一格键：fl 、一、一；将光标指示处的数值加、减l 键：+ 、一； 确认、取消、复位键 3 、液晶显示板： 液晶显示板的主界面如图3 4 所示，包括6 项功能， 可以查看实时遥测数据、实时遥信数据、实时电量数据； 可以操作遥控、查看事项记录；可以修改日期、时间。 3 2 1 模拟量处理方法 本监控系统是通过d f l 7 3 5 综合监控系统的相应模块 对变电站内的电压、电流等模拟量进行采集处理的。 。 d f l 7 3 5 综合监控模块 主菜单 1 遥信2 遥测3 电量 4 遥控5 事项记录 6