（电气工程专业论文）220kv变电站综合自动化系统改造工程.pdf

i n t e g r a t e da u t o m a t i cs y s t e mr e c o n s t r u c t i o np r o je c to f 2 2 0 k vs u b s t a t i o n a b s t r a c t t h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ni s o fa u t o m a t i o n , t e c h n o l o g i e su s e di nt h es u b s t a t i o n i t sa c t i v e c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n t m e a n i n gt oc a r r yo u tr e f o r m a t i o no f o l d2 2 0k vs u b s t a t i o n st oi m p r o v eo p e r a t i o nm o d ea n db o o s ta u t o m a t i o nl e v e la n d c o n s o l i d a t es a f eo p e r a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h et y p e s ，f u n c t i o n sa n d d e v e l o p m e n to ft h es 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 ，i n t r o d u c e sn e w t e c h n i q u e si n c l u d i n gt h es y s t e m sc o n f i g u r a t i o n , p e r f o r m a n c e ，c o m m u n i c a t i o na n d p r o t o c o le t c t h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h es 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 s y s t e mi sa l s of o r e c a s t e d 。s e c o n d l y ，t h es t a t u sq u oo ft h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ni s p r e s e n t e di nt h ea s p e c t so fe o m m t m i c a t i o nn e t w o r ka n de q u i p m e n tl o c k o u ta n ds t a f f m a n a g e m e n t c o m m o np r o b l e m se x i s t i n gi nt h e s e a s p e c t s a r ea n a l y z e d ，a n d s e t t l e m e n ts u g g e s t i o n sa r ep u tf o r w a r d c o m b i n i n gt h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h e r e f o r m a t i o no fi n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mi nas u b s t a t i o n , t h ep r i n c i p l e sa n dt h e p o i n t sn e e d i n ga t t e n t i o na r ed i s c u s s e di nt y p es e l e c t i o na c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n ， s t r u c t u r a lt y p e ，n e t w o r kp r o t o c o la n dt r a n s f e rp r o t o c 0 1 k e yw o r d s ： s u b s t a t i o n ；i n t e g r a t e da u t o m a t i o n ：t y p es e l e c t i o n ；r e c o n s t r u c t i o n 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及取得的研究成果。 据我所知，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 过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太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 并表示谢意。 学位论文作者签 签字日期泌厶r 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 肥王些太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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期吻蔷年6 月，u 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 丁护易 签字日期：j - ，寸年6 月f 多日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师孙鸣教授的精心指导下完成的，论文的选题、研究工作的 每一个进展无不倾注着导师的心血，值此论文完成之际，特向恩师孙鸣教授致 以衷心的感谢。恩师严谨的治学风格和执着的敬业精神使我受益匪浅，永生难 忘。 在论文的完成过程中，我还得到了电气学院诸位老师对我的关心和爱护关 心，感谢他们为我创造了一个充满友爱、互助、真诚的生活和工作环境。是他 们为我艰苦的求学生涯带来了众多的乐趣。 最后，感谢所有关心我的亲人、朋友，在整个研究生学习期间，他们一直 理解、关心、支持着我，本论文的完成是和他们的无私奉献分不开的。 学生：李宗 二o o 八年五月十日 第一章绪论 1 1 变电站综合自动化系统的基本概念 随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，变电站综合自动化技术 也得到了迅速发展，近年来，变电站综合自动化已成为趋势。变电站综合自动 化系统 4 1 是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术 等实现对变电站二次设备( 包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动 装置及远动装置等) 的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行 情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。通过变电站综 合自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站运行监视和控 制任务。变电站综合自动化是提高变电站安全稳定运行水平、降低运行维护成 本、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技术措施。 目前国网公司要求新建或改造2 2 0 k v 及以下电压等级变电站时，综合自动 化系统均按典型设计来实施，之所以如此，是因为m 。：随着我国电力工业和 电力系统的发展，对变电站的安全、经济运行要求越来越高。实现变电站综合 自动化，可提高电网的安全、经济运行水平，减少基建投资，并为推广变电站 无人值班提供了手段；随着电网复杂程度的增加，各级调度中心要求更多的 信息，以便及时掌握电网及变电站的运行情况；为提高变电站的可控性，要 求采用更多的远方集中控制，集中操作和反事故措施等；利用现代计算机技 术、通信技术等，提供先进的技术装备，可改变传统的二次设备模式，实现信 息共享，简化系统，减少电缆，减少占地面积；对变电站进行全面的技术改 造。 近几年来，随着计算机技术、通信技术、微电子技术的发展，变电站综合 自动化技术取得了长足的进展。如今，变电站综合自动化技术已成为当前我国 电力工业推行技术进步的重点之一。利用该技术开发的变电站综合自动化系统 也已成为变电站运行的主要设施之一。 1 2 传统的变电站存在的问题 众所周知，变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负着电能转换 和电能重新分配的繁重任务，电网的安全和经济远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运和超高压远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，如果仍依靠原来的人工抄表、记录、人工操作 为主，依靠原来变电站的旧设备，而不进行技术攻造的话，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 叫。 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装置、远动装置等 ( 有不少变电站没有自动装置和远动装量) 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整定值的校验 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，家用电器、个人计算机越来越多地进入各家各户。不仅各 工矿企业，而且居民用户对保证供电质量的要求越来越高。衡量电能质运的主 要指标是频率和电压，目前还应考虑谐波问题。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 传统的变电站，大多数不具备调压手段，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，主控制空、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 口密度很大的城市来说，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 不适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才能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型或晶体管型，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以上缺点，无法满足电力系统安全、稳定和经济、 优化运行的要求。因此对于老式的变电站应逐步进行技术改造时，要尽量采用 先进的技术来提高变电站的自动化水平，逐步实现无人值班和调度自动化一”。 变电站实现综合自功化的优越性主要有以下儿方面。 ( 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 2 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，有的自控装置并兼有监视其控制 对象工作是否正常的功能，发现其工作不正常及时发出告警信息。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 ) 提高电力系统的运行、管理水平。变电站实现自动化后，监视、测量、 记录、抄表等工作都由计算机自动进行，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，可将检测到的数据及时送往调度中心。使调度员能及时掌握各变电站 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， 由于采用微计算机和通信技术可以实现资源共享和信息共享，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，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处理器和大规模集成电路 的不断降价，微计算机性能价格比逐步上升。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员劳功，实现减人增效。由于综合自动化系 统中，各子系统有故障白诊断功能，系统内部有故障时能自检出故障部位，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决、记 录，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 变电站综合自动化的发展趋势 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8 0 年代已有分散式变电站自动化系统问世，西门子( s i e m e n s ) 公司的第l 套 全分散式变电站自动化系统l s a 6 7 8 早在1 9 8 5 年就在德国汉诺威投入运行，至 1 9 9 3 年初已有3 0 0 多套系统在德国及欧洲的各种电压等级的变电站运行。我国 的变电站自动化工作起步较晚，大约从9 0 年代开始，初始阶段主要为生产集中 式的变电站自动化系统，例d i s a _ l 型，b 卜l 型，i e s 邓0 型，x w j i 卜1 0 0 0 a 型，f d _ - 9 7 等。9 0 年代中期开始研制分散式变电站自动化系统，如d i s a _ 2 型， d i s a 一3 型，b j _ - f 3 ，c s c 一2 0 0 0 型，d c a p 3 2 0 0 型，f d k 型等。随着高新技术的 引进和应用，可以预计，国内产品与国外技术的差距会逐步缩小，而且以其适 应性强和维护方便将逐渐占据主导地位。技术的发展是不可逆的，变电站综 合自动化技术亦将在以下几个方面得到发展幢u ： 1 ) 保护监控一体化：这种方式在3 5 k v 及以下的电压等级中己普遍采用，今 后在l l o k v 及以上的线路间隔和主变三侧中采用此方式已是大势所趋。它的好 处是高度地功能按一次单元集中化，以利于稳定信息采集和设备状态控制，极 大地提高了性能效率比。其目前的缺点也是显而易见的：此种装置的运行可靠 性必须极高，否则任何形式的检修维护都将迫使一次设备的停役。这也是目前 l l o k v 及以上的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一 个极高的地步。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，对环境条件要求不严。这种方式 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，其内最多也就 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、快速，设备调试简单、易行。同时也极大提高变电站的运行稳定性、 可靠性。 3 ) 人机操作界面接口统一化、运行操作设备无线化：前面一点所提到的无 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和控制操作，将通 过一个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 化数据将都显示在可视无线终端上，巡视操作非常简洁明了，并随时配合有软 件防误操作的逻辑判断和语音提示，还可通过加配数字摄像头，将图象传给远 方监护人员或技术分析人员。所有的这些人机界面数据来源，都将通过本变电 站的一个无线网络节点，和整个变电站的数据网连在一起，并通过此变电站的 远传广域接口，和整个电网的实时s c a d a 系统连接在一起，给远方监护诊断以 条件，并在控制操作时可实现站间逻辑闭锁。目前在奥地利v a t e c h 公司( 原来 的伊林) 的变电站监控系统组网图( 图1 ) 就出现了这种运行监控模式。 4 图1 1 先进的变电站监控系统组网图 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。而一个变电站的建成都是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摆 出各种运行状态来验证其正反操作逻辑的正确性。图形化，规范化的防误闭锁 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 u 、双电源等) ，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，正如图l 所 示的那样。标准化的通讯网络协议( 如i e c 6 0 8 7 0 一5 1 0 3 ) 是关键，目前国外 变电站智能化设备小到一个油温仪，也采用此协议作为s c a d a 采集系统的标准 接口。另外就地运行巡视所需的音、视频信息也可一体化集成到一个网络内， 并实现远程监控。 6 ) 全所数据标准化：变电站的智能监控装置( i o 设备) 将无电压等级划分， 只有下载参数设置版本不同。全站统一数据库包，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和 整个电力系统实时数据连在一起。 7 ) 数据采集和一次设备一体化：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。控制操作也不局限于开关和闸刀的分合，如门锁的开启、清洁系统 曰 的开启等等也将纳入控制范围。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 5 论文工作主要内容 本文以西山变电所改造为背景。研究如何通过继电保护、自动化装置的改 造，以及如何利用光纤主干网与省调、区调以网络方式传输信息，将大型老旧 的变电站建设成为综合自动化运行管理模式。 6 2 1 变电站概况 第二章改造方案的设计 图2 12 2 0 k v 变电站一次接线图 7 lii 2 2 0 k v 西山变电站现有两台容量为1 2 0 m v a 的2 2 0 k v 1 1 0k vk 3 5k v 自耦无 载主变，一台容量为3 1 5 m v 的1 1 0 k v 3 5k v 1 0k v 三圈有载主变，一台容量 为2 0 b i v a 的1 1 0k v 1 0k v 两圈有载主变。2 2 0 k v 、ll o k v 、3 5 k v 均为双母线带 旁路接线，l o k v 为单母线分段带旁路接线，2 2 0 k v 有3 条出线1 个旁路1 个母 联共7 个间隔，1 l o k v 有4 条出线1 个母联1 个旁路共1 0 个间隔，3 5 k v 有1 3 条出线1 个母联1 个旁路共1 8 个间隔，l o k v 有1 6 条出线1 个母联1 个旁路共 2 0 个间隔。变电站一次接线图如图一所示。 2 i 1 一次设备概况 目前，变电站一次设备已改造完毕，其中# 2 7 3 5 、# 2 7 4 1 开关已更换为s i m e n s 产s f 6 弹簧操作机构开关，# 2 7 0 0 、# 2 7 0 1 、# 2 7 0 2 开关已更换为s i m e n s 产三相 联动弹簧操作机构s f 6 开关，以上开关均具备双跳圈，可以完成双重化配合。 2 2 0 k v 各间隔的c t 、2 2 0 k vi 、i i 母t v 已于同期全部更换完毕。一次设备运行 状况已满足综合自动化变电站运行的要求。 2 1 2 二次设备概况 目前，变电站二次设备配置如下表： 表2 1 变电站二次设备配置 间隔名称型号、厂家装置类型 # l 主变w b z 一0 3 ，南自厂微机型 # 2 主变w b z 一0 3 ，南自厂微机型 # 3 主变电磁电磁 # 4 主变电磁电磁 # 2 7 3 5 开关 l ip 一9 0 1 a 南瑞公司、w x b - i i c 南自厂微机型双高频 # 2 7 3 6 开关l f p 一9 0 1 a 南瑞公司、w x b i i c 南自厂微机型双高频 # 2 7 4 1 开关l f p 一9 0 l a ，l f p 一9 0 2 a ，南瑞公司微机型双高频 # 2 7 1 0 开关 1 i r l b - i i c 南自厂微机型 2 2 0 k v 故障录波器w d s 一2 ，南瑞公司 微机型 2 2 0 k v 母差电磁，许继 电磁型 i l o k v 母差电磁 电磁型 间隔名称型号、厂家 装置类型 1 l o k v 线路 l f p - 9 4 1 ，南瑞公司：w x h - i i ，许继 微机型 8 3 5 k v 线路电磁电磁型 中央信号电磁，许继电磁型 远动装置 继远公司 微机型 由表2 1 可见，变电站二次设备也基本具备综自改造条件。 2 1 3 其它方面设备概况 变电运行方面：微机五防闭锁已经投运，所内所有一次设备的倒闸操作有 可靠安全闭锁；控制室内环境已按照微机保护及自动装置运行环境要求设置， 无须另外改造。 通讯方面：地区光纤环网已形成，此变电站属于地区光纤环网的一个接点。 由上可见，变电站从一、二、三、四次方面均已具备继电保护及自动化等 综合技术改造条件。 2 2 变电站综合自动化改造主要内容 2 2 1 继电保护 # 3 主变、# 4 主变保护装置更换； 2 2 0 k v2 7 3 5 线路保护装置更换； 2 2 0 k v 母线保护装置更换； 2 2 0 k v 电压切换及并列装置； l l o k v 旁路1 1 0 开关保护装置更换； 3 5 k v 线路保护更换； 2 2 0 k v 故障录波器及主变故障录波器改造； 2 2 2 自动化 自动化系统测控设备选型； 远动工作站设计，自动化系统内部联调； 保护通讯柜选型； 当地监控系统选型； 2 3 改造目标 ( 1 ) 改造后的设备均可直接下放至开关场就地安装，比改造前减少大量的二 次接线。 ( 2 ) 改造后的各间隔设备相对独立，仅通过通讯网互联，并同变电站层的设 备通信，取消了改造前原本大量引入主控室的中央信号、测量、控制、保护等 使用的电缆，节约投资，提高系统可靠性。 ( 3 ) 改造后在采样网络中，选用高精度、高稳定的器件，保证正常运行的高 9 精度，避免改造前因环境改变或长期运行而造成采样误差的增大。 2 4 系统设计改造原则 2 4 1 总体性原则【3 l l 改造后的变电站综合自动化作为电网调度自动化的一个子系统，应服从电 网调度自动化的总体设计要求。其配置、功能应满足电网安全、优质、经济运 行以及信息分层传输、资源共享原则。 2 4 。2 可靠性原则 综合自动化系统应是对变电站运行状况进行监控的唯一手段，其稳定性和 可靠性极其重要，不因单个模块故障影响整个系统正常运行。 2 4 3 运行管理原则 鉴于2 2 0k v 非终端变电站属有人值班模式，故系统应提供相应用户界面； 日常所需的功能，用户通过简单培训即可操作。同时，从提高变电运行管理水 平角度出发，系统还应提供相应智能化运行管理软件，以期做到实用性和多样 性的结合。 2 4 4 保护独立性原则 继电保护按现有电力设备单元相对独立设置的原则不变，保护动作出口直 接操作相应的跳闸线圈：继电保护功能相互独立，完全不依赖通信网。但从保 护管理集中角度出发，所有保护信号须通过保护管理机和监控系统接口，才能 达到信息共享的目的。 2 4 5 分层分布原则 系统采用分层、分布式结构，组成间隔层、网络层和站控层结构。站控层 应能实现对整站监视、保护、控制以及设备检测功能的综合管理。站内通信网 应采用现场总线标准的计算机网络或以太网。网络层和站级层应尽可能双重化， 冗余配置，如双网、双机结构。从网络化原则出发，系统应能直接接入计算机 网络。 2 4 6 防误原则 从值班员培训、管理功能严密、报警多样、操作权限分级和防误操作闭锁 等方面人手，提高系统防误性能。目前，微机“五防”闭锁系统在有人值班运 行中具有独特优势，故微机监控系统必须能和“五防 系统通信。 2 4 7 采样原则 优先采用交流采样技术，以减轻测量回路的负载，提高精度。保护和测量 1 0 可分别采用不同的t a ( 电流互感器) 、t v ( 电压互感器) 绕组。 2 4 8 经济性原则 在技术先进的前提下，力求经济的合理性，以获得较高的功能价格比。 鉴于1 0k v 开关室距中控室较远，1 0k v 线路部分仍保留原有模式，仅对信号回 路改造。但系统保留相应的接口功能，并以按对象设计为准则的分散式结构作 为下期改造目标。 2 5 改造技术方案 变电站综合自动化是将变电站的二次设备经过功能的组合和优化设计，利 用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，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、自动控制和微机保护以及 与调度通信等综合性的自动化功能。 2 5 1 主要设计思路 变电站综合自动化应采用分层分布式计算机监控系统，按纵向分为间隔层 设备和站控层设备，按横向分为不同电压等级的输电线路、母线设备以及主变 压器等一次元件，根据面向对象的设计思想，将同一安装单位的二次功能如测 控、同期合闸、防误操作闭锁集成在间隔层测控单元实现，从而间隔层设备所 需配置的功能只影响本单元，以取得较好的独立性和并发性能。系统方案配置 以无人值班管理模式为原则，取消常规控制屏、模拟屏以及操作员工作站，以 计算机远方遥控手段为主方式实现对整个变电站的监视、测量、控制和运行管 理。 本次设计将配合一次设备改造，对二次设备全面改造。改造2 2 0 k v 母线保 护、电压回路、2 7 3 5 线路保护、l l o k v 旁路保护、3 5 k v 线路保护、3 5 k v 电压回 路、中央信号回路等。 由于变电站原来采用了大量南瑞公司生产的设备，对于南瑞产品的应用已 经具备了一定的经验，另外，南瑞公司的产品可靠性好，性价比高，并且为了 和原来设备的统一，达到统一性原则，这次的设备选型大部分仍采用南瑞公司 的产品。 设计改造技术方案时，需注意的问题有： ， ( 1 ) 监控范围： 遥信：变电站内的2 2 0 k v 开关、刀闸位置，l l o k v 、3 5 k v 开关位置( 1 l o k v 刀闸量后续接入) ，主变中性点地刀位置信号、主变档位( b c d 码) ，保护和各类 自动装置硬接点信号、公用系统信号。 遥测：主变、母线、开关潮流、公用系统信号、主变温度。 遥控：对开关、2 2 0 k v 刀闸、2 2 0 k v p t 刀闸、主变有载调压开关、中性点地 刀实现遥控。 信息包：保护和各类自动装置、智能设备信息。 ( 2 ) 电压并列柜： 电压并列柜应能实现各电压等级交流二次电压切换、并列、输出，通过测 控装置遥测母线电压，配置合理，并预留足够电压输出备用端子。 ( 3 ) 间隔层： 按电气单元配置，集中组柜，主要由测控装置完成遥控、遥信、遥测。使 各间隔具备接受远程遥控操作功能，完成数据采集、控制、监测等功能。 设置有主变测控柜，应能通过温度显示仪直流5 v 接口经测控装置传送至远 动工作站，应配有足够的遥控执行和遥信采集模块，主要用于变压器档位控制、 温度采集，中性点接地闸刀遥控。 设置公用测控装置，可用于采集所用电交流3 8 0 v 电压、电流，直流柜直流 2 2 0 v 电压、电流遥测、遥信数据，装置失电信号等。变电站用变设备为智能设 备，与其通信可以采用串口方式。 测控装置柜上应预留微机闭锁插座开孔及回路。 各间隔的一次设备异常信号、继电保护、故障录波器、自动装置的“装置 失电 、“控制回路断线”、“装置闭锁 等关键信号以硬接点遥信方式接入各间 隔测控柜。 间隔层采用工业级双网方式通信，经智能网关转换为双以太网接入综合自 动化系统，同时通过专用路由器通过数据网接入省调。 ( 4 ) 保护、故障信息系统： 故障信息系统本期考虑安装子站，主站仅考虑安装软件系统。省调保护以 光纤2 m 口调度专用数据网方式通过r c s 一9 7 9 3 规约转换器用所需保护、故障录 波器信息( 保护装置故障文件、定值、采样值状态，故障录波数据远传及现场 运行状态监控、复位、修改定值、查询定值、校时等) ，省调、操作员工作站通 过以太网调用保护故障信息。 故障录波器通过以太网接口与故障录波信息系统通讯，实现故障录波数据 远传及现场运行状态监控、校时等功能。 对于老一代保护装置，考虑其与新上的综自系统兼容性，保护装置以r s 4 8 5 或r s 2 3 2 方式与故障录波信息系统通讯，采集其故障文件、定值、采样值状态， 并实现远方修改保护定值。 新型保护装置通过以太网接口与与故障录波信息系统通讯，采集其故障文 件、定值、采样值状态，并实现远方修改保护定值、远方校时。 ( 5 ) 直流、所用电系统： 通过公用测控装置接入直流、所用电系统状态信息( 遥测、遥信) 。 ( 6 ) 通信： 1 2 采用电力行业标准的d l t 6 6 7 - 1 9 9 9 ( i e c 6 0 8 7 0 _ 5 一1 0 3 ) 规约，提供保护和 测控的综合通信，实时性强，可靠性高，具有不同厂家的同种规约的互操作性。 站控层采用双以太网结构，可选用光纤网络，间隔层所有设备采用双w o r l d f i p 现场总线，通讯速度2 5 m 。 ( 7 ) 操作闭锁： 操作控制权限按当地功能一就地控制开关的顺序下放，原则上就地控制开 关只作为操作后备手段。任何一级在操作时，闭锁其它级操作。 2 5 2 改造后将实现以下功能 1 监控 监控系统应取代常规的测量系统，取代指针式仪表；改变常规的操作机构 和模拟盘，取代常规的报警、中央信号和光字牌等；取代常规的远动装置等。 其功能应包括以下几部分内容： 1 ) 数据采集 变电站的数据包括模拟量、开关量和电能量。 ( 1 ) 模拟量的采集。变电站需采集的模拟量有：各段母线电压、线路电压、 电流、有功功率和无功功率，主变压器电流、有功功率和无功功率，电容器的 电流、无功功率，各出线的电流、电压、功率以及频率、相位和功率因数等。 此外，模拟量还有主变压器油温、直流电源电压和站用变压器电压等。对模拟 量的采集，有直流采样和交流采样两种方式。 ( 2 ) 开关量的采集。变电站的开关量有：断路器的状态、隔离开关状态、 有载调压变压器分接头的位置、同期检测状态、继电保护动作信号和运行告警 信号等。以上信号可通过串行口或局域网络通信方式输入计算机。 ( 3 ) 电能计量。电能计量即指对电能量( 包括有功电能和无功电能) 的采集。 要求数据采集系统能够利用交流采样得到的电流、电压值，通过软件计算出有 功电能和无功电能。 2 ) 事件顺序记录 事件顺序记录( s e q u e n c eo fe v e n t s ，s o e ) ，包括断路器跳合闸记录、保护 动作顺序记录。微机保护或监控系统采集环节必须有足够的内存，能存放足够 数量或足够长时间段的事件顺序记录，确保当后台监控系统或远方集中控制主 站通信中断时，不丢失事件信息，并应记录事件发生的时间( 应精确至毫秒级) 。 3 ) 故障录波和测距、故障记录 ( 1 ) 故障录波与测距。变电站的故障录波和测距可采用两种方法实现，一 是由微机保护装置兼作故障记录和测距，再将记录和测距的结果送监控机存储 及打印输出或直接送调度主站，这种方法可节约投资，减少硬件设备，但故障 记录的量有限；另一种方法是采用专用的微机故障录波器，并且故障录波器应 具有串行通信功能，可以与监控系统通信。 ( 2 ) 故障记录。故障记录是记录继电保护动作前后与故障有关的电流量和 母线电压，记录时间一般可考虑保护启动前两个周波( 即发现故障前两个周波) 和保护启动后1 0 个周波以及保护动作和重合闸等全过程的情况。 4 ) 操作控制功能 操作人员能够通过c r t 屏幕对断路器和隔离开关( 如果允许电动操作的话) 进行分、合操作，对变压器分接开关位置进行调节控制，对电容器进行投切控 制，同时要能接受遥控操作命令，进行远方操作：为防止计算机系统故障时， 无法操作被控设备，在设计时，应保留人工直接拉、合闸方式。断路器操作应 有闭锁功能( 包括断路器操作时，应闭锁自动重合闸；断路器在当地和远方操作 时应互相闭锁；断路器与隔离开关间的闭锁等) 。 5 ) 安全监视功能 监控系统在运行过程中，对采集的电流、电压、主变压器温度和频率等量 要不断进行越限监视，如发现越限，立刻发出告警信号，同时记录和显示越限 时间和越限值，另外，还要监视保护装置是否失电，自控装置工作是否正常等。 6 ) 人机联系功能 ( 1 ) 人机联系桥梁是c r t 显示器、鼠标和键盘。变电站采用微机监控系统 后，无论是有人值班还是无人值班站，最大的特点之一是操作人员或调度员只 要面对c r t 显示器的屏幕，通过操作鼠标或键盘，就可对全站的运行工况和运 行参数一目了然，可对全站的断路器和隔离开关等进行分、合操作，彻底改变 了传统的依靠指针式仪表和依靠模拟屏或操作屏等手段的操作方式。 ( 2 ) c r t 显示画面的要求。 显示采集和计算的实时运行参数。监控系统所采集和通过采集信息所计 算出来的玖厶只驮c o s 由、有功电能、无功电能以及主变压器温度丁和系统 频率，等，都可在c r t 的屏幕上实时显示出来，同时在显示潮流等运行参数的 画面上，应显示出日期和时间( 年、月、日、时、分、秒) 。屏幕刷新周期可在 2 s - - 一l o s 间( 可调) 。 显示实时主接线图。主接线图上断路器和隔离开关的位置要与实际状态 相对应。进行对断路器或隔离开关的操作时，在所显示的主接线图上，对所要 操作的对象应有明显的标记( 如闪烁等) 。各项操作都应有汉字提示。 事件顺序记录( s o e ) 显示。显示所发生的事件内容及发生事件的时间。 越限报警显示。显示越限设备名、越限值和发生越限的时间。 值班记录显示。 历史趋势显示。显示主变压器负荷曲线和母线电压曲线等。 保护定值和自控装置的设定值显示。 其他。包括故障记录显示和设备运行状况显示等。 ( 3 ) 输入数据。变电站投入运行后，随着送电量的变化，保护定值、越限 1 4 值等需要修改，甚至由于负荷的增长，需要更换原有设备，例如更换t a 变比。 因此在人机联系中，必须有输入数据的功能。需要输入的数据至少有以下几种 内容。 t a 和t v 变比。 保护定值和越限报警定值。 自控装置的设定值。 运行人员密码。 7 ) 打印功能 对于有人值班的变电站，监控系统可以配备打印机，完成以下打印记录功 能。 ( 1 ) 报表和运行日志定时打印。 ( 2 ) 开关操作记录打印。 ( 3 ) 事件顺序记录打印。 ( 4 ) 越限打印。 ( 5 ) 召唤打印。 ( 6 ) 抄屏打印。 ( 7 ) 事故追忆打印。 对于无人值班变电站，可不设当地打印功能，各变电站的运行报表集中在 控制中心打印输出。 8 ) 数据处理与记录功能 监控系统除了完成上述功能外，数据处理和记录也是很重要的环节。历史 数据的形成和存储是数据处理的主要内容。此外，为满足继电保护专业和变电 站管理的需要，必须进行一些数据统计，其内容包括如下几项。 ( 1 ) 主变和输电线路有、无功功率每天的最大值和最小值以及相应的时间。 ( 2 ) 母线电压每天定时记录的最高值和最低值以及相应的时间。 ( 3 ) 计算受、配电电能平衡率。 ( 4 ) 统计断路器动作次数。 ( 5 ) 断路器切除故障电流和跳闸次数的累计数。 ( 6 ) 控制操作和修改定值记录。 9 ) 谐波分析与监视 保证电力系统的谐波在国标规定的范围内，也是电能质量的重要指标。随 着非线性器件和设备的广泛应用，电气化铁路的发展和家用电器的不断增加， 电力系统的谐波含量显著增加，并且有越来越严重的趋势。目前，谐波“污染” 已成为电力系统的公害之一。因此，在变电站综合自动化系统中，要重视对谐 波含量的分析和监视。对谐波污染严重的变电站，采取适当的抑制措施，降低 谐波含量，是一个不容忽视的问题。 2 微机保护 微机保护是综合自动化系统的关键环节，它的功能和可靠性如何，在很大 程度上影响了整个系统的性能，因此设计时必须给予足够的重视。 微机保护的各单元，除了具有独立完整的保护功能外，还必须具有以下功 能： ( 1 ) 保护装置必须满足快速性、选择性、灵敏性和可靠性的要求，其工作 不受监控系统和其他子系统的影响。保护系统的软、硬件结构要相对独立，而 且各保护单元必须有各自独立的c p u ，组成模块化结构；主保护和后备保护由不 同的c p u 实现，重要设备的保护，采用双c p u 的冗余结构，保证在保护系统中 一个功能部件模块损坏，只影响局部保护功能而不能影响其他设备的保护。 ( 2 ) 故障记录功能。当被保护对象发生事故时，能自动记录保护动作前后 有关的故障信息，包括短路电流、故障发生时间和保护出口时间等，利于分析 故障。 ( 3 ) 具有与统一时钟对时功能，以便准确记录发生故障和保护动作的时间。 ( 4 ) 存储多种保护整定值。 ( 5 ) 当地显示与多处观察和授权修改保护整定值。对保护整定值的检查与 修改要直观、方便、可靠。除了在各保护单元上要能显示和修改保护定值外， 考虑到无人值班的需要，通过当地的监控系统和远方调度端，应能观察和修改 保护定值。同时为了加强对定值的管理，修改定值要有校对密码措施，以及记 录最后一个修改定值者的密码。 ( 6 ) 设置保护管理机或通信控制机，负责对各保护单元的管理。保护管理 机( 或通信控制机) 把保护系统与监控系统联系起来，向下负责管理和监视保护 系统中各保护单元的工作状态，并下达由调度或监控系统发来的保护类型配置 或整定值修改等信息；如果发现某一保护单元故障或工作异常，或有保护动作 的信息，应立刻上传给监控系统或上传至远方调度端。 ( 7 ) 通信功能。变电站综合自动化系统中，由保护管理机或通信控制器与 各保护单元通信，各保护单元必须设置有通信接1 ：3 ，便于与保护管理机等连接。 ( 8 ) 故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。每个保护单元应有完善的故障自 诊断功能，发现内部有故障，能自动报警，并能指明故障部位，以利于查找故 障和缩短维修时间，对于关键部位的故障，则应自动闭锁保护出口。如果是软 件受干扰，造成“飞车”的软故障，应有自启动功能，以提高保护装置的可靠 性。 3 电压、无功综合控制 电力系统中电压和无功功率的调整对电网的输电能力、安全稳定运行水平 和降低电能损耗有极大影响。因此，变电站综合自动化系统能够对电压和无功 功率进行综合调控，以保证包括电力部门和用户在内的总体运行技术指标和经 1 6 济指标达到最佳。 4 低频减负荷控制 电力系统的频率是电能质量重要的指标之一。电力系统正常运行时，必须 维持频率在5 0 ( 0 1 0 2 ) h z 的范围内。在系统发生故障时，有功功率严重缺 额，系统频率急剧下降，为了使频率回升，需要切除部分负荷，这时应做到有 次序、有计划地切除负荷，并保证所切负荷的数量合适，以尽量减少切除负荷 后所造成的经济损失。实现低频减负荷可采用以下的两种方法。 。 1 ) 采用专用的低频减负荷装置实现 将全部馈电线路分为一至八轮( 也可根据用户需要设置低于八轮的) 和特殊 轮，然后根据系统频率下降的情况去切除负荷。 2 ) 把低频减负荷的控制分散装设在每回馈电线路的保护装置中 在线路保护装置中，增加一个测频环节实现低频减负荷的控制功能。 2 5 3 综合自动化系统结构 g ps l 。 譬 - 一一”。 一 塑 一。x 互巧】 上作竭5 。一 v a j 曩嬲纛曩 飘网关规约 w o r l d f i 口j 总盎姹 i i i缀嘭_ i 嬲辨_ i鞠翳- 1 # 钡q 控装置# n 钡u 控鞭置 保护钡g 控装置保护装置智膏邕设备 图2 2 综合自动化系统网络结构图 系统采用分层分布式结构。所谓分层分布式结构，是将变电站信息的采集 和控制分为管理级、站控级和现场级三个级次分层布置，保护单元分布式布置 的一种结构形式。现场级单元按一次设备组织，使控制和故障得到分散，减少 了大量的控制电缆，降低了电流互感器二次负担，减少了占地面积，从而从根 本上提高了系统长期运行和抗故障的能力。各保护单元通过总线连接到站控级 设备，站控计算机工作站起着上传下达的作用，使系统现场维护过程清晰、责 任明确，并与管理级建立联