（电气工程专业论文）基于以太网的变电站自动化在钢铁行业的应用.pdf

摘要 为了满足当今钢铁行业对电力技术越来越高的要求，研究基于以太网的变电 站综合自动化技术在钢铁行业变电站中的推广使用具有重要的实践价值。 本文在对现有综合自动化技术的概念、发展历程、基本功能、设计原则及结 构形式以及通信组网等方面进行深入分析研究的基础上，针对钢铁行业供电系统 的特点，通过对钢铁供电系统的实地考察，总结了钢铁系统对电能质量的特殊要 求、并结合电力系统供电网络多年的设计经验，提出了基于以太网的综合自动化 技术应用于钢铁行业变电站的总体解决方案。 设计了一套钢铁行业变电站基于以太网技术的综合自动化系统，经过大量的 理论分析和相关技术的研究对比，在总体原则、控制模式、系统结构、系统功能、 通讯模式等方面制定了科学可靠、安全方便的技术方案，并在抗干扰等应用过程 中的关键技术上进行了详细的方案设计。 论文作者在近两年的课题研究中，完成了1 3 个钢铁行业的变电站自动化改 造工作；遇到了一些与电力系统不同的关键技术问题，通过认真研究制订了相应 的处理方案，经过运行实践，证实了其有效性。 关键词：以太网；变电站自动化；钢铁行业 a b s t r a c t f o rs p e c i f i cr e q u i r e m e n to ft h es t e e lp l a n tp o w e rs u p p l y , r e s e a r c ht h es c h e m e a p p l y t os t e e lp l a n tp o w e r s u p p l yw h i c hw a sb a s e do ne t h e m e ta n ds u b s t a t i o ng e n e r a l a u t o m a t i c o nr e s e a r c ho ft h eg e n e r a la u t o m a t i ct e c h n o l o g y , w h i c hi n c l u d ec o n c e p t i o n , d e v e l o p m e n t , b a s i c f u n c t i o n , p r i n c i p l e o f d e s i g n , s t r u c t u r a l s t y l e ， a n d c o m m u n i c a t i o nn e t ，t h r o u g ht h ef i e l dr e s e a r c ha n da g a i n s tt h ef e a t u r e sa n ds p e c i f i c r e q u i r e m e n to ft h es t e e lp l a n tp o w e rs u p p l y , b a s e do nt h ed e s i g ne x p e r i e n c eo ft h e e l e c t r i cp o w e rs y s t e m , ag e n e r a ls c h e m ea b o u tt h es u b s t a t i o no ft h ei r o na n ds t e e l i n d u s t r yw a sp r o p o s e d ，w h i c hw a sb a s e do ne t h e m e ta n ds u b s t a t i o ng e n e r a la u t o m a t i c ， a n dan e ws y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h i ss c h e m e t h r o u g ha m o u n to fa c a d e m i cr e s e a r c ha n dc o n t r a s t ，w ew o r ko u tac o n v e n i e n c e a n dr e l i a b i l i t ys c h e m e ，w h i c hi n c l u d e g e n e r a lp r i n c i p l e ，c o n t r o lm o d e l ，s y s t e m o r g a n i z a t i o n , s y s t e mf u n c t i o n , c o m m u n i c a t i o nm o d e l ，a n da n t i i n t e r f e r e n c e b a s e do nt h i ss c h e m e ，a b o u t13r e n o v a t i o np r o j e c t sh a v eb e e n d o n ei nt w o y e a s ，a l o to ft e c h n i q u ep r o b l e m sh a v eb e e ns o l v e d , d u r i n gw h i c h , t h ev a l i d i t yo ft h i ss c h e m e w a sp r o v e d t h es t u d yo ft h i ss u b j e c tm e e tw i t ht h ed e m a n do fp o w e rs u p p l y t e c h n o l o g yi n t h ei r o na n ds t e e li n d u s t r y , a n dw h i c hi sp r o p i t i o u st ot h ep r o m o t i o na n d a p p l i c a t i o no ft h ee t h e r n e ta n ds u b s t a t i o ng e n e r a la u t o m a t i ci nt h ei r o na n ds t e e l i n d u s t r ys u b s t a t i o n k e yw o r d s ：e t h e r n e t ；s u b s t a t i o na u t o m a t i o n ；i r o na n ds t e e l i n d u s t r y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：焉诒形簪 签字日期： 缈_ 7 年l 月趵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞鲞叁堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：焉增影弘 导师签名： z 存勿丑 签字日期：力一年 f 狷加日签字同期：砂啊年f 月z 日 第一章绪论 1 1 选题意义 第一章绪论 近几年，随着入世后国际市场的强烈冲击，国内钢铁行业正面临着严峻的考 验，要想在一体化的国际市场上不被淘汰，占领一席之地，唯一的出路就是降低 生产成本同时提高产品质量，降成本就是在增效益，提高产品质量才有市场竞争 力。而从现今钢铁工业的生产工艺流程来看，无论是采矿、碎矿、选矿还是炼钢、 炼铁、轧制、运输等，各生产环节在能源消耗上都是以电力为主，各工序产品质 量都受电能质量的严重制约，所以，减少供电损失、降低供电成本、提高供电质 量对钢铁企业提高产品质量，扩大利润空间，增强市场竞争力起着致关重要的作 用。 再看钢铁行业的电力供应模式，因受其工艺的复杂性及场地的特殊性所限， 电力公司无法将电能供应到钢铁系统的终端用电负荷处，钢铁行业必须建立自己 的电力输送分配网，该网负责将自备电厂及电力系统的电能转变为合适的电压等 级和电能品质之后送到钢铁生产线的各个位置以满足生产需要。因此，减少供电 损失、降低供电成本、提高供电质量的关键在于钢铁企业内部电网的建设。内部 电网应具备足够的灵活性、安全性、可靠性和供电经济性，在追求供电能力供电 质量最大化的同时还要追求运行费用的最小化。钢铁企业内部电网无论是设备的 配置、自然环境还是运行管理水平较电力系统相比都有很大差距。目前，电力系 统变电站以真空和s f 6 断路器及g i s 组合电器为主，2 2 0 k v 及以下电压等级站所综 合自动化基本得到普及，6 6 k v 及以下站所大多实现无人值班。而钢铁企业内部电 网变电站多数为油断路器和真空断路器，在保护上还是以传统的电磁继电器为 主。这样不仅电力系统的电能资源没能得到充分利用，增加了用电成本，最主要 是异常情况下低下的反应能力和自恢复能力严重影响企业生产，制约企业的进一 步发展。电网的快速反应能力至关重要，近年来世界各地越来越频繁的大停电事 故就是由于未及时做出准确的分析和判断，没有在事故间隙内及时采取有效措 施，导致系统在多重相继开断下变得脆弱，最后发展为大停电。 所以对内部电网的改造势在必行，而电网改造的首要环节应是变电站的综合 自动化改造。因为变电站总是电网中最重要的环节，它的运行情况直接影响到整 个电网的可靠、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 第一章绪论 其二次设备的工作性能。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。使设备设置复杂、重复。占地面积大，日常维护 管理工作繁重。这种常规变电站的一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靠性及经济性，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、监测及远动等功能为一体，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。另外，综自技术最初是针对电力系统变电站开发的，在电力系统早己被普 遍应用，但在电力系统以外企业变电站中应用综自技术是近几年才兴起的，还处 于试用阶段。这些电力系统外的企业由于受自身生产工艺影响，在电力供应方面 有其特殊的要求及运行模式，这样在综自技术的应用过程中，无论是设计的整体 理念，还是具体技术问题的处理方式上都要做相应的调整，所以本课题的成功开 展对于综自技术的不断完善及能否向更宽的领域发展同样具有重要意义。 1 2 课题研究现状 1 2 1 变电站自动化概念及其发展过程 1 变电站自动化概念 变电站自动化是指将变电站的二次设备( 包括控制、保护、信号、测量、自 动装置、远动工作站等) 应用自动控制技术、微机及网络通信技术，经过功能的 重新组合和优化设计，组成计算机的软硬件设备对变电站执行自动化、保护、测 量、运行操作管理、信息远传及其协调的一种自动化系统n 吲。它具备统一规划、 整体管理、功能综合化( 其综合程度可以因不同的技术而异) ，结构微机化，操 作监视屏幕化，运行管理智能化等特征。 2 变电站自动化技术的发展历程 1 ) 传统的变电站运行方式 2 0 世纪8 0 年代早期，变电站的保护设备还是以晶体管、集成电路为主。变 电站二次设备均按传统方式布置：控制屏实现站内监控，保护屏实现电力设备保 护，远动设备实现实时数据采集1 。它们各司其职、互不相联。 2 ) 远动r t u 方式 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代中、后期，随着微处理器和通信技术的发展，利用微型机构 成的远动装置( 简称r t u ) 的功能和性能有很大提高，该方式在原常规有人值班 变电站的基础上在r t u 中增加了遥控、遥调功能，站内仍保留传统的控制屏、指 示仪表、光字牌等设备。所有信号由r t u 集中采集，遥控、遥调指令通过r t u 装 置硬接点输出，由控制电缆引入控制回路，与数字保护不能交换信息，保护动作 信号仍需通过继电器接点采集。采用这种方式使二次设备增加，二次回路更复杂， 它适用于已建变电站的自动化改造。 3 ) 变电站自动化方式 随着电力系统对变电站保护、监测、控制、远动、信息管理以及无人值守等 方面的要求的不断提高，计算机技术的迅猛发展及其应用技术的不断进步，变电 站自动化系统经历了由简单到复杂再到简单，功能由单一到完备，系统结构由低 级到高级，技术水平不断先进的发展历程。可分为以下4 个发展阶段。 ( 1 ) 全集中式监控系统 这是一种将变电站的全部信息输入到一套计算机系统中并由计算机系统进 行集中采集、集中处理和集中监控的系统。其结构简单，系统内部无通信，成本 低。但是系统冗余，局部损坏可能导致全系统瘫痪，可靠性极低，过于集中是此 型系统的致命缺点。 ( 2 ) 按功能分布集中式系统 该型系统国夕1 , 8 0 年代中期开始出现，国内出现于8 0 年代末。当时计算机技术 已经发展到以i b mp c 机以及8 0 5 1 、8 0 9 8 单片机为主导的阶段，出现了大量的基于 这类计算机的站内微机化功能装置，如微机保护、微机录波、微机当地监控、微 机r t u 、微机电表计费、微机小电流接地选线等。因而将这些微机化功能“组合 拼装”，即产生了所谓的按功能分布式变电站自动化系统，各功能装置用串行通 信( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 ) 联结，前置机集中管理通信，后分机实现高级数据处理，远 动和监控。 与第一代相比，按功能进行分布，由串行通信集中，已部分地克服了过于集 中的缺点，提高了可靠性，但增加了复杂性，同时仍存在下列不足： a ) 一次设备与功能装置之间，各功能装置之间的联结线相当复杂，二次电 缆数量多，系统安装调试以及运行维护困难，屏柜数量多，占地面积大。 b ) 各功能装置可能由不同厂家生产，因而结构、操作方法、维护方法不尽 相同，给调试、运行和维护增加了很多不必要的麻烦。 c ) 一台功能装置兼管全站的该项功能，一旦该装置出故障，可能会导致全 站丧失此功能，因而这种分布方式仍属于功能集中型。 d ) 通信由前置机集中统一管理，因而对前置机的可靠性及容量提出很高要 第一章绪论 求。一旦前置机故障可能会影响全站运行。因此前置机不仅要采用工控 机之类的高可靠性微机而且在大型变电站中往往还采用双机冗余技术， 增加了系统的复杂性和开发费用。另外，在系统出现故障或特殊情况时， 站内信息流量可能会有爆炸性增长，如果前置机容量不够，可能导致通 信拥塞或丢失，发生所谓的“瓶颈现象。 ( 3 ) 间隔分布集中式系统 系统各个间隔的装置结构基本一致，硬件相似，功能接近，操作方法相似， 具有一定的互换性，间隔与装置之间的接线一对一设计，电缆数量少，结构简单， 占地面积小。因而与按功能分布相比，不仅故障的影响面有所减少，可靠性有所 提高，而且设计、安装、调试、操作、维护更方便。 系统的通信仍采用常规串行通信方式及前置通信管理机的结构模式，通信 “瓶颈现象”依然存在，应用在大型变电站时表现尤其突出。另外，系统级的许 多特殊功能，如小电流选线、电压无功控( v q c ) 及母差保护等功能实现起来比 较困难。 ( 4 ) 基于工控网络的分层分布系统 这是9 0 年代初国际国内出现的一种系统，是目前国际国内变电站自动化系统 的最新水平，也是未来的发展方向。它针对第三代系统存在的不足作了以下改进： a ) 数据通信系统采用工控网络。各间隔的测控保护设备及远动、监控等由 工控网络相联接，取消了前置机，这类工控网络一般为l o n w o r k 网或c a n 网。采用总线网络结构，双绞线或光纤介质。 b ) 打破保护装置相对独立于系统的传统观念，采用先进的微电子技术将测 控、录波等功能融进保护装置，形成统一的综合测控保护单元。由各单 元完成各自间隔内的全部功能，简化了间隔层设备的结构。缩小了体积， 提高了该部分的可靠性。 c ) 系统分为间隔层和变电站层，间隔层装置负责对一次间隔设备进行保护、 测量、控制等工作，将采集的数据送入网络，变电站层从网络中获取数 据，进行数据处理，实现运行监控、操作、远动通信等高级功能。变电 站层不直接面对现场设备，保证系统具有很高的可靠性。另外，变电站 层中的专设数据处理环节实现了系统级的特殊功能，如小电流选线，电 压无功控制等慢速控制功能。 因此，与前几代系统相比，它具有下面两个显著的特点： a ) 由于采用了工控机数据通信网络，间隔层采集的数据由通信网络实现全站 共享，技术先进，通信速率高，网络安全性好，可靠性高。由工控网络取 代常规的串行通信是变电站自动化系统通信结构的质的进步。 第一章绪论 b ) 总线式网络所联结的各设备( 节点) 地位完全平等，任一节点可以与其他 节点进行通信，通信方式灵活，不存在通信“瓶颈现象，而且总线网络 的节点数目理论上没有上限，因而系统扩充容易，通用性好，移植方便。 但是，目前此型系统在实际应用特别是在大型厂站的引用中，还存在一些 在将来完全可以克服的不足。例如，目前广泛采用的l o n w o r k 及c a n 网络 属于总线式网络，这种工控网络与商用网络相比，通信速率明显偏低，数 据流量偏小限制了系统在更高级数据处理功能方面的实现。它的综合测控 单元通常是由保护装置扩充测控功能发展而来，结构偏重于保护装置，集 成度不够高，稳定和调试都比较复杂。 1 2 2 变电站自动化的基本功能 变电站自动化的功能要求主要包括下面几个方面： 1 保护 保护包括线路保护、变压器保护、馈出线保护、母线保护、电容器保护、备 用电源自动投入装置以及接地选线装置等，变压器及高压线路则包括主保护和后 备保护。作为变电站自动化重要环节的微机保护应具有以下功能h 1 ： ( 1 ) 故障记录报告( 分辨率2 m s ) ，且掉电保持； ( 2 ) 时钟校时( 中断或广播方式或其他方式) ； ( 3 ) 实时显示保护状态( 功能投入情况及输入量值等) ； ( 4 ) 与监控系统通讯，主动上传故障信息、动作信息、动作值及自诊断信息， 接受监控系统命令上传整定值及历史事件，与监控系统通讯应采用标准规约。 2 监测 变电站监测包括状态量、模拟量、脉冲量等的监测畸1 。 ( 1 ) 状态量有：断路器状态、隔离开关状态、变电站一次设备状态及报警信号、 变压器分接头位置信号等。 ( 2 ) 变电站监测的典型模拟量有：各段母线电压、线路电压、电流和功率值、 馈线电流、电压及功率值、频率等。此外还有变压器油温、变电站室温、直流电 源电压、所用电电压和功率等。 ( 3 ) 脉冲量是指电能表输出的电能量。 3 事件记录及故障录波测距 事件记录包括保护动作序列记录和开关跳合记录。分辨率可根据不同电压等 级的要求确定，一般在1 - 5 m s 之间。微机保护或监控采集环节必须有足够的内存， 能存放多个事件顺序记录，确保当后台监控系统或远方监控站通讯中断时不丢失 事件信息。 第一章绪论 对高压变电站故障录波可根据需要采用两种方式实现：一是配置专用微机故 障录波器，并能与监控系统通讯：另一种则由微机保护装置兼作记录及测距计算， 再将数字化的波形及测距结果送监控系统，由监控系统存储及打印波形。 对低压变电站可给出故障报告，包括故障类型、动作类型及开关遮断电流大 小。 4 控制与操作闭锁 操作人员可通过c r t 屏幕对断路器、隔离开关的开合进行操作，可以对变压 器分接头进行调节控制，可对电容器组进行投切。为防止计算机系统故障时无法 操作被控设备，在设计上应保留人工直接跳合闸手段。操作闭锁应包括以下内容 6 】 ( 1 ) 操作出口应具有跳、合闭锁功能。 ( 2 ) 操作出口应具有并发性寨作闭锁功能。 ( 3 ) 根据实时信息，实现断路器、刀闸操作闭锁功能。 ( 4 ) c r t 屏幕操作闭锁功能。只有输入正确的操作口令和监护口令才有权进 行操作控制。 5 同期检测和同期合闸 同步检测断路器两侧电压的幅值、相位和滑差，并发出同期合闸启动或停止 信号。此分为手动和自动两种方式实现，一般应具有两种方式供选择，同期装置 可以是独立的设备。 6 电压和无功潮流就地控制 为了将电压和无功潮流调整到预定值，通常通过调整变压器组的分接头以及 投切电容器组、电抗器组及调整同步调相器实现。 运行方式可手动可自动；人工操作可就地可远方。 7 远方整定保护定值 除当地外还可远方实现查询和整定保护定值。此功能应具有远方、当地闭锁， 操作权限闭锁措施。 8 数据处理与记录 历史数据的形成与存储是数据处理的主要内容，它包括上级调度中心、 变电管理和保护专业要求的数据，这些数据主要有口1 ： ( 1 ) 断路器动作次数。 ( 2 ) 断路器切除故障时故障电流和跳闸操作次数的累计数。 ( 3 ) 输电线路的有功、无功，变压器的有功、无功，母线电压定时记录的最 大值、最小值及其时间。 ( 4 ) 独立负荷有功、无功每天的峰值和最小值，并标以时间。 第一章绪论 ( 5 ) 指定测点上的趋势、平均值、积分值和其他计算值。 ( 6 ) 控制操作及修改整定值的记录。 9 与远方调度中心通讯 本功能即常规的远动功能或扩充的远动功能，在实现遥测、遥信、遥控、遥 调的基础上还增加了远方修改整定保护定值、故障录波与测距信号的远传等。 通讯规约应适应调度中心的要求，符合国家标准和i e c 标准。 变电站自动化应具有统一时钟的功能。 1 0 人机联系功能 当变电站有人值班时，人机联系功能在当地监控系统的后台机( 或称主机) 上进行，当变电站无人值班时，人机联系功能在远方的调度中心或操作控制中心 的主机或工作站上进行，不管哪种方式，操作维护人员面对的都是c r t 屏幕，操 作的工具一般是键盘或鼠标器。 人机联系的主要内容是： 显示画面与数据、时间、日期；单线图的状态，潮流信息；报警画面与提示 信息；事件顺序记录；事故记录；趋势记录；装置工况状态显示；保护整定值； 控制系统的配置显示，包括退出运行的装置的显示以及信号流程图表；值班记录； 控制系统的设定值显示等。 输入数据和运行人员代码及密码；运行人员密码更改；保护定值的改设；控 制范围及设定的变化；报警界限；告警设置与退出；手动、自动设置；趋势控制 等。 控制操作断路器及隔离开关的操作排序；分接头位置控制；控制闭锁与允许； 保护装置的投入或退出；设备运行、检修的设置：当地、远方控制的选择；信号 复归等。 无人值班站应保留一定的人机联系功能，以保证变电站现场检修或巡视的要 求，能显示站内各种数据和状态量；操作出口回路具有人工当地紧急控制设施； 变压器分接头应备有当地人工调节手段。 1 1 自诊断功能 系统内应具有自诊断功能，自诊断信息也像采集的数据一样周期性地送往后 台机和远方调度中心或操作控制中心。 1 2 3 变电站自动化系统的设计原则及结构形式 1 变电站自动化系统的设计原则船叫 ( 1 ) 高可靠性原则：可靠的网络结构：元器件有较强的干扰能力。对强磁场、 电磁干扰、射频干扰以及各种传导性暂态浪涌干扰、谐波电压干扰、感应过电压 第一章绪论 要有可靠的抗干扰措施和防范措施陋1 。对于分散式结构的系统最好用光纤连接各 分散单元。 ( 2 ) 易用性、扩展性原则：操作、使用人性化，留有扩展空问，后台软件界面 中文化、操作简单化。 ( 3 ) 结构分散式、单元独立化：各个单元相对独立。每个单元由各自的保护单 元、监控单元及智能通讯单元组成，模块标准化、单元之间能互换。 ( 4 ) 有较强的数据处理功能和实时控制功能。 ( 5 ) 网络带宽足够大，支持多种通讯规约。 ( 6 ) 系统连接简单化：减少电气连接。 ( 7 ) 报表、数据、界面实用化。 本着以上原则，选用比较实用的系统结构和高质量、高可靠性的元器件单元， 做到各单元独立运行，双网相互切换。电气连接尽可能减少，软件的稳定性高、 操作简单、维护方便。 2 变电站自动化系统结构形式 1 ) 集中式 该结构的变电站自动化系统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、开关量和数字信息，再进行集中计算与处理，分别完成 微机控制、保护和一些自动控制等功能。这种系统结构紧凑、体积小、占地面积 小、造价低，适用于3 5 k v 或规模较小的变电站，但运行可靠性较差，组态不灵活 【9 】 0 2 ) 分散与集中相结合式 该结构的变电站自动化系统是指将线路的保护和测控单元分散安装在开关 柜内，而将高压线路和变压器保护测控装置等采用集中组屏的系统结构，其特点 如下： ( 1 ) 3 5 k v 馈线保护采用分散式结构，就地安装，可节约控制电缆。 ( 2 ) 高压线路和变压器保护采用集中组屏结构，保护安装在控制室或保护室 中，使这些重要的保护装置处于较好的环境中，对可靠性有利。 ( 3 ) 其他自动化装置，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。 3 ) 全分散式 该结构是以一次主设备如开关、变压器、母线为安装单位，将控制、i o 、 闭锁、保护等单元分散，就地安装在一次主设备屏柜上。其特点如下： ( 1 ) 简化变电站二次装置，大大缩小了控制室面积。 ( 2 ) 减小施工和设备安装工程量。由于安装在开关柜的保护和测控单元在开 第一章绪论 关柜出厂前已由厂家安装、调试完毕，再则加上敷设电缆的数量大大减少，因 而现场施工、安装和调试的工期随之缩短。 ( 3 ) 简化变电站二次设备之间的主连接，节省了大量连接电缆。 ( 4 ) 全分散结构可靠性较高、组态灵活、检修方便，且抗干扰能力强、可靠 性高。 三种形式的变电站自动化系统结构各有特点，可根据变电站的实际情况选 择。 1 2 4 变电站自动化系统的通信 变电站自动化系统要求站内设备的信息可充分共享，并通过远动通信接口实 现与外部系统的信息共享。构建一个快速、稳定、可靠和富有弹性的通信网络是 变电站自动化系统的基本要求，也是整个电力系统运行管理自动化的根本前提。 1 变电站内通信网络 国际大电网会议( c i g r e ) w g 3 4 0 3 工作组根据变电站自动化领域发展状况和 信息技术的发展趋势，在“变电站内数据流通信要求”的报告中将变电站自动化 系统完成的功能分为7 组n 伽： ( 1 ) 远动功能；( 2 ) 自动控制功能：( 3 ) 测量表计功能；( 4 ) 继电保护功能；( 5 ) 与继 电保护有关的功能；( 6 ) 接口功能；( 7 ) 系统功能。 各组功能对通信均有不同要求，其中( 1 ) ，( 2 ) ，( 4 ) ，( 6 ) 要求具有较高的实时性； ( 2 ) ，( 3 ) ，( 5 ) 需较高的数据吞吐能力等，对变电站通信网络的设计也提出了很高要 求。 2 变电站自动化发展过程中出现的通信方案 在变电站自动化发展过程中，先后出现过几类通信方案。最初用r s 4 8 5 总线 将保护设备连在一起采用主从方式通信，这种方式较简单，实际上是串行点对点 通信，技术上缺陷很多，后来各种现场总线技术被引入国内，由于其具有简单易 用、组网方便、抗干扰能力强等特点，很快被电力自动化设备业界采用来构成变 电站内的通信网。现场总线种类较多，用得较多的是l o n w o r k s 和c a n 。用现场总 线来做通信网从工程实践来看是较成功的，但是随着变电站自动化技术的不断发 展，引发了很多新的技术问题，其中主要的一个问题是：使用新的、高性能的通 信网络以满足不断增长的技术要求n 1 】。 首先，随着变电站从以前的3 5 k v ，1 1 0 k v 等中低压变电站向2 2 0 k v 甚至5 0 0 k v 高压超高压大型变电站发展，系统的通信量大为增加，这是因为，一方面，变电 站自动化系统要监视和控制的对象数目剧增。另一方面，高压、超高压变电站自 动化系统会使用比中、低压系统更多的数字式继电保护等智能化电子设备( i e d ) ， 第一章绪论 这些设备需要通过内部通信网络传输大量的遥测、故障录波等信息，特别是在发 生故障时需要传输的信息量会更大。因此高压、超高压变电站自动化系统对内部 通信网提出了更新、更高的技术要求，目前在变电站自动化系统中广泛使用的现 场总线通信网络由于速度和带宽上的限制，满足不了这些要求，必须使用新的通 信技术，研制出高性能的通信网络来满足高压、超高压变电站自动化系统发展的 需要。 其次，目前工业测控领域所使用的现场总线技术，都是自成体系，互不开放 的。国际上对现场总线技术也长期争议不休，i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准包括了8 种 不同的类型现场总线，它们采用不同的通信协议，要使它们互相兼容和互可操作 几乎是不可能的。 因此，现场总线这类专用实时通信网络在速度、带宽、兼容性以及互操作性 等方面的缺陷制约了它的发展。随着计算机技术和通信技术的发展，系统网络化 和体系开放性成为工控技术发展的趋势，以太网技术顺应这种趋势，正被引入变 电站自动化系统过程层的采集、测量单元和间隔层的保护、控制单元中，构成基 于网络控制的分布式变电站自动化系统。 3 变电站内使用以太网的优势 ( 1 ) 以太网的通信带宽宽 以太网的带宽高达1 0 m p b s 以上，i o o m 以太网也广泛使用，即使用于超大规模 变电站也游刃有余。以太网一个冲突域可支持1 0 2 4 个节点，当节点小于1 0 0 时， i o m 的以太网即使负载达到5 0 ，响应时间也小于0 o i s 。由于用交换式集线器能 把一个以太网分成数个冲突域，可以把节点数大于i 0 0 的变电站分成若干个节点 小于1 0 0 的子网来保证响应速率。变电站自动化系统的通信节点一般不会大于2 0 0 个，数据流量的峰值最高能达至u l o o k b s ，以太网完全能满足实时性要求n 副。 ( 2 ) 以太网通信媒介多样 以太网可使用同轴电缆、双绞线、光纤等通信介质，甚至在一个网络中可混 合使用，也可根据需要灵活选用。 ( 3 ) 以太网的拓扑结构灵活 网络的拓扑结构可为总线型或星型，或两者混用n 3 1 。基于集线器的星型拓扑 结构和结构化布线技术可使以太网的可靠性达到很高标准，任何节点的故障都会 被集线器隔离而不会扩散。集线器又是高可靠设备，m t b f 大于2 0 年，不会降低网 络可靠性，若使用双以太网效果更好。以太网即使使用双绞线也有很高的电磁兼 容性能，在4 级快速瞬变干扰实验中误码率仍保持小于1 0 呻。在超强电磁污染场合 还可使用光纤彻底解决抗干扰问题。 ( 4 ) 以太网的资源支持多 第一章绪论 以太网的成本低，各种高层规约都对以太网提供充分支持，而且还在不断发 展更新。 4 站内通信的发展趋势 e t h e m e t 由于具有传输速度快、成本低、稳定性高、应用广泛、共享资源丰 富等诸多优点，成为最受欢迎的通信网络之一。在现场设备层采用以太网，不仅 可以省去各种现场总线之间以及现场总线与以太网之间复杂的网关设备，而且可 以将商业以太网中成熟的应用技术方便的移植到工业控制系统，始终保持工业控 制系统不游离于网络发展的主流技术之外。积极采用以太网技术是现场总线的发 展趋势，它一定能够延伸到现场总线的最底层n 蜘。 1 3 本论文的工作 本文所做的工作主要包括： ( 1 ) 对变电站综合自动化技术的发展历程、基本功能、通信模式、结构形式 及常规设计原则进行了深入的研究。 ( 2 ) 对钢铁系统对电能质量的要求进行了调研分析，对钢铁系统电力负荷的 特性进行了调研分析。 ( 3 ) 分析了钢铁企业供电网络目前的现状，将国内钢铁系统电网与电力系统 电网进行了科学的对比论证，阐述了钢铁系统变电站进行综合自动化改造的重大 意义。 ( 4 ) 研究设计了钢铁企业变电站综合自动化技术的整体方案，主要包括总体 原则性要求、结构形式的选择、功能的选择、通讯模式的选择、可靠性方面的措 施等。 ( 5 ) 对钢铁企业变电站综合自动化系统改造中遇到的关键问题，进行了深入 的分析探讨，并设计了具体的处理方案，主要包括抗干扰措施、主备机切换问题， 差动保护误动问题。 ( 6 ) 验证了基于以太网的综合自动化系统能够在钢铁企业变电站中安全稳定 运行，为基于以太网的变电站综合自动化系统在钢铁企业变电站中的推广打下了 基础。 ( 7 ) 探讨了钢铁行业变电站未来综合自动化改造的方向及前景。 第二章钢铁行业供电系统特点 第二章钢铁行业供电系统特点 2 1 钢铁系统对电能质量的要求 在钢铁工矿企业中，各类负荷的运行特点和重要性不一样，因此，它们对供 电的可靠性和电能质量的要求程度则不相同。有的要求很高，有的要求较低，必 须根据不同的要求来考虑供电方案。为了合理地选择供电电源及设计供电系统， 以适应不同的要求，钢铁工业企业的电力负荷通常按其用电设备对供电可靠性的 要求划分为三个等级n 副： 1 一级负荷 这类负荷如突然中断供电将造成人身伤亡，或造成重大设备损坏且难以修 复，或给国民经济带来极大损失。在钢铁工矿企业，一级负荷较多，例如高炉炉 体的冷却水泵、热风炉助燃风机；转炉的吹氧管升降机构及烟罩升降机构；大型 连轧机；加热炉助燃风机；有淹没危险的矿井主排水泵；有爆炸、发生火灾危险 或对人身有危害性气体的生产厂房以及矿井的主通风机等等。一级负荷要求应由 两个独立电源供电。对特殊重要的一级负荷( 如高炉炉体的冷却水泵等) 应由两个 独立电源点供电。 所谓独立电源是指若干个电源中，任一电源因故障而停止供电时，不影响其 它电源继续供电。凡同时具备下列条件的发电厂、变电站的不同母线段均属独立 电源： 每段母线的电源来自不同的发电机； 母线段之间无联系，或虽有联系但当其中一段母线发生故障时，能自动断开联 系，不影响其余母线段继续供电。 而独立电源点是指若干个独立电源来自不同的地点，任一独立电源点因故障 而停止供电时，不影响其它电源点继续供电。例如两个发电厂，一个发电厂和一 个地区电力网，或者一个电力系统中的两个地区变电站都属于两个独立电源点。 如果工矿企业只建立一个企业总降压变电站，尽管电能取自电力系统的两 个独立电源点，但对企业内的一级负荷来说只能算是具有一个独立电源。只有当 企业建立两个或两个以上总降压变电站时；或虽有一个总降压变电站，但企业内 尚有自备发电厂时，对企业内的一级负荷才能保证有两个独立电源点供电。 第二章钢铁行业供电系统特点 特殊重要的一级负荷通常又叫做保安负荷。对保安负荷必须考虑当企业的工 作电源突然中断时，为保证企业安全停产，专供保安负荷应急使用的可靠电源。 这种为安全停产而应急使用的电源称为保安电源。譬如炼铁厂突然断电，保证高 炉安全停产的炉体冷却水泵，正常运行就必须不间断地由保安电源供电。保安电 源取自企业自备发电厂或其它总降压变电站，它实质上也是一个独立电源点。保 安负荷的大小和企业的规模、工艺设备的类型以及车间电力装备的组成和行政等 有关。对大、中型钢铁联合企业来说，保安负荷约占企业最大计算负荷的1 0 左 右。 2 二级负荷 这类负荷如果突然断电，将造成大量废品，产量锐减，生产流程紊乱且不易 恢复，企业内运输停顿等，因而在经济上造成较大损失者。对此级负荷允许短时 停电几分钟。这类负荷数量很大，例如矿井提升机、选矿车间、烧结机、高炉装 料系统、转炉上料装置、连铸机传动装置、各型轧机的主传动及辅助传动以及生 产照明等等。二级负荷应由两回线路供电，该两回线路应尽可能引自不同的变压 器或母线段。当取得两回线路确有困难时，允许由一回专用架空线路供电。 3 三级负荷 所有不属于一级和二级负荷的电力用户均属于三级负荷。如钢铁工矿企业内 的辅助性生产车间( 机修、电修、计器修路、机车车辆修理车间等) 、仓库、料场、 采暖锅炉房、办公楼及非生产照明等。三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时 间停电，可用单回线路供电。 冶金工业是重要的工业部门，是电能的主要用户，一、二级负荷占比例很大， 约占总负荷的6 0 和2 5 ，对于此类负荷，短时故障停电造成的经济损失一般都很 可观，三级负荷占的比例很小，约占总负荷的1 5 ，三者的比例关系见下图。 第二章钢铁行业供电系统特点 图2 1 各级负荷比例关系 2 2 钢铁系统电力负荷的特性 钢铁行业中的供电系统，有其自身的特殊性，与普通电力供电系统相差很大。 钢铁行业电网的特点是供电负荷大、距离短、输电线路密集、电压等级分布多， 电力网络复杂等n 6 _ ”1 。 j 1 馈出线多。电力系统中一般情况下一条母线只挂近十条馈线，而冶金行业 供电系统中则可能挂的馈线多得多，因此，母线管理相对复杂。 2 开关站多。同一电压等级下挂的开关站多，各开关站规模也较电力系统大。 3 谐波设备多。钢铁行业存在很多整流设备，这些设备在运行时都会产生丰 富的谐波。 4 电机多，并有部分同步电机。电机冲击电流大且频繁，起动电流大，负荷 波动大。 5 母线分段多。在同一电压等级中，电力系统一般是两到三段母线，而钢铁 行业中四段、五段、六段都会出现。 6 各自投要求特殊。在冶金行业中带有很多电动机，对可靠性要求很高。再 加上冶金行业供电系统结构复杂，对备自投要求很特殊。 7 智能设备多。存在微机保护、整流设备、p l c 设备等，这些设备之间有接 口问题。 8 钢铁行业的环境特点。钢铁行业的环境特点是粉尘大，污染、干扰严重。 影响微机继电保护装置可靠性的因素是多方面的，诸如电路板原理设计、参 数选配的合理性，模块、元器件的质量优劣，制造工艺技术水平，抗干扰能力的 第二章钢铁行业供电系统特点 强弱，调试与运行维护水平等。因此，钢铁行业选择的保护装置要有较高的“三 防”能力，即应有很强的防尘、防震、防干扰能力。 2 3 钢铁系统供电网络的现状 1 a t 无法配合 在钢铁系统中，经常可以碰到低电压等级的短线路，这种线路长度为 5 0 0 m - 2 k m 不等，各线路往往带一个开闭所，从变电站低压侧受总到最终负荷点 需要安装3 4 级保护( 一般设终端、开闭所、变电站出线、主变后备四级) n 羽。 由于线路太短，首、末端短路时故障电流无明显变化，一般只能靠时间上来 满足保护的选择性。由此带来严重故障无法快速切除，易引发开关爆炸、母线扭 曲，变电站停电、起火等等，造成事故扩大。 当一段母线分供下属几个配电所时，时限无法配合( 配电的内部故障时，进 线电源保护来不及动作，而上一级速断已瞬时动作而切除故障) ，导致整段母线 停电，扩大停电范围。 另外，部分6 k v 出线保护为微机保护，其装置本身的出口时间为0 0 4 s ，而 各二级厂配电所保护配置是常规电磁式，保护自身出口时间是o 2 s ，难免引起保 护越级动作。严重影响保护的可靠动作及系统稳定。 2 开关机构及开关可靠性差 继电保护与开关操作是紧密相连的，在发生故障时，保护已动作但开关机构 失灵，也会使保护越级。究其原因：部分开关年代久远，机械部分老化，弹簧机 构失效，连杆动作不灵敏，锈蚀磨损，以及参数调整不合格，导致开关工作时间 长、开关动作不可靠，严重影响保护的可靠性及系统稳定。实验结果存在偏差， 造成越级跳闸。 3 二次设备及二次回路老化 二次设备如继电器大部分是2 0 世纪7 0 至8 0 年代的老式继电器，节点氧化 尘太多，压力不够，也会造成保护误动，出口不可靠。二次回路分直流和交流两 部分，交流回路实验端子老化，锈蚀，接触电阻过大，严重时会引起开路，引起 保护误动或拒动。直流部分在系统失电和系统严重低电压时可靠性难以保证，事 故情况下更难以保证可靠动作，会导致越级跳闸，扩大事故范围。 4 继电保护定值管理与人员素质有待提高 由于某些定值整定人员对运行方式和设备情况了解不够，人为造成整定结 果出现偏差，导致越级跳闸。继电保护调试人员素质参差不齐，保护装置的调试 质量直接关系到保护的正确动作，因此保护的模拟实验不能马虎，跳闸压板接触 第二章钢铁行业供电系统特点 不良或因锈蚀造成接触电阻偏大、漏接都是保护误动与拒动的隐患。 5 中低压母线的快速保护 大型钢铁供电系统出线多，电机起动频繁，另外由于环境和技术力量等 原因，系统故障也较电力系统同等规模的变电站多。传统使用的母线保护就是变 压器的后备保护，为保证选择性，经几级时限配合后，后备保护的动作时间大约 是1 5 秒以后。这种情况下如果确属母线故障的话，切除时间太长，易引发其它 事故，对系统威胁很大。 6 冲击电流和非周期分量 钢铁行业供电系统中，冲击电流大而频繁，并含有显著的非周期分量和谐 波分量，这些量对灵敏度较高的微机保护是一个考验。一般来说，对于过电流等 保护元件，可以通过定值来躲过冲击电流及非周期分量，但对于差动保护来说， 这个问题解决起来比较困难。 由于差动电流是速动性的，只要有差动电流，差动保护一般在0 1 s 内就会 动作。理想情况下，外部故障或正常运行时流入差动元件的电流应该为接近于零， 但由于两侧c t 的变比误差、角度误差、变压器内部的激磁电流和励磁涌流、变 压器分接头调节等等原因，造成正常运行时就存在不平衡电流。当然，躲避这些 不平衡电流相对还是比较容易的，可以通过整定动作特性曲线和采用二次谐波制 动等原理来防止差动元件可能的误动。 然而如果是由于被保护设备两侧c t 暂态特性不一致，或是二次负载阻抗严 重不一致而导致区外故障或负荷冲击时产生的暂态不平衡电流，许多微机保护厂 家往往对此估计不足。而这种暂态不平衡电流在钢铁的供电系统内尤为突出，究 其原因，主要是由于大型电动机等设备两侧差动c 1 i 在空间上相距较远，有时距 离长达几百米，而差动保护往往安装在一侧c t 附近，此时另一侧c t 二次线需经 过较长距离连接到保护装置上，这样两侧c t 的二次负载不平衡是显而易见的， 它们的非周期分量衰减时间常数也是迥然不同的，由此造成了冲击负荷或外部故 障时存在着较严重的暂态不平衡分量。这种暂态不平衡分量很容易造成差动保 护误动。 7 谐波分量大 钢铁供电系统中含有丰富的谐波分量，如果保护装置在抗干扰方面存在缺陷 时，很容易造成保护元件的误动，或是造成保护的精度不够。在电力系统中，有 些保护装置厂家采用的差分算法来滤除高次谐波分量，即当前采样值与1 3 周期 前的采样值相减，以