（机械工程专业论文）大连港新港区变电站综合自动化系统应用研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 目前，随着大连东北亚国际航运中心建设的推进，大连港集团不断加快功能结构的 调整，港口建设的投资力度逐年加大。以深水码头和集疏运体系为重点，全面加快港口 基础设施建设。国际航运中心的核心港区大窑湾、大孤山半岛等新港区已经形成。做为 大连港集团供电管理部门，如何做好港口电力系统的建设，充分利用好先进的技术，实 现供电自动化，提高港口供电的安全可靠性，是摆在工程技术人员面前的一个重要课题。 为实现港口电力系统的安全可靠性，必须实现港口电力系统调度、运行、管理自动 化。随着变电站综合自动化技术的发展，以及企业减员增效要求的提出，实现变电站综 合自动化，从而达到无人职守，已成为电力系统自动化发展的趋势。 本文通过对变电站综合自动化系统的基本功能，基本要求介绍，结合国内外发展现 状，针对港口实际对新港区变电站综合自动化系统地结构及通讯系统模式进行了分析选 择。提出大连港新港区高压、中压系统变电站综合自动化总体构想，提出新港区电力系 统调度自动化系统解决方案。供工程设计参考。 关键词：大连港新港区；变电站综合自动化；调度自动化 段玉峰：大连港新港区变电站自动化系统应用研究 r e s e a r c ho ni n t e g r a t e ds a su s e di nt h en e wp o r ta r e a so f p d a a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n t so ft h ei n t e r n a t i o n a ln a v i g a t i o nc e n t e ro fn o r t h e a s t e r na s i a t h e f a c i l i t i e so fs e a p o r ta r eb e i n gd e v e l o p e dm o r e i i lp d a t h ec e n t r a lh a r b o ro ft h ei n t e r n a t i o n a l n a v i g a t i o nc e n t e ri nd a y a o w a n 、d a g u s h a ni s l a n de t ci sb e i n gp l a n e d t op o w e rs u p p l y d e p a r t m e n to fp d a ，h o wt ow o r kw e l lt h ep o w e rs u p p l ye n g i n e e r i n g , b i g g e s tg e tt h ef u n c t i o n t h a td e v e l o pt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y ，g e tp o w e rs u p p l ya u t o m a t i o n ，i n c r e a s i n gs a f e t ya n d d e p e n d a b l e ，t h e ya r ei m p o r t a n tl e s s o nt oe n g i n e e r s t or e a l i z eas a f e t ya n dd e p e n d a b l ep o w e rs u p p l ys y s t e mo fp o r t ，w em u s t g e t d i s p a t c h i n ga u t o m a t i o n ，o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ta u t o m a t i o n i n t e g r a t e ds u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m o ra si ti sk n o w ns a s ，h a v eb e e nu s e df o rm o r et h a nad e c a d e t om a k es u b s t a t i o na u t o m a t i o n a n dn o n p r o t e c t i v ei st h et r e n do fe l e c t r i cs y s t e ma u t o m a t i o n t h r o u g ht h ed e s c r i p t i o nt h eb a s i cf u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e g r a t es u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ，c o m b i n e dt h es i t u a t i o no fa b r o a da n di n t e r n a l , t h ep a p e ri n t r o d u c et h e s t r u c t u r es e l e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt e c h n o l o g yr e q u i r e t or a i s et h eg r o s st h o u g h t o fh va n dm v i 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 mi nt h en e wp o r ta r e ao fp d a a n d t h en e to fp o w e rn c t w o r kd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o n i ti su s e f u lf o rt h ed e s i g n i n go ft h e e n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：t h en e wp o r t a r e a so f p d a ；i n t e g r a t e ds u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m d i s p a t c h i n ga u t o m a t i o n 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；星墅羔监日期 砂跽 段玉蜂：大连港新港区变电站自动化系统应用研究 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：盘兰：监 聊龆牮2 丝 丝年垡月星_ 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 工程背景与课题提出 1 1 1 工程背景 党中央十六大提出振兴老东北工业基地的战略构想，明确提出把大连建设成为东北 亚航运中心，大连市提出了建设东北亚航运中心的兴市战略，为大连港的建设提供了机 遇。近几年，大连港集团不断加快功能结构的调整，港口建设的投资力度逐年加大。以 深水码头和集疏运体系为重点，全面加快港口建设。重点推进3 0 万吨级矿石码头新增 堆场和转水码头项目、第二个3 0 万吨级原油码头及新港原油储罐项目、大窑湾二期 1 1 # 一1 6 # 泊位项目、大窑湾三期集装箱码头项目，大连湾通用泊位项目、汽车码头项 目、老港区搬迁改造项目、东海油脂1 1 # 泊位项目、金窑铁路复线项目、大窑湾大连 湾高速疏港公路项目、大窑湾港铁六号立交桥项目和大窑湾散粮筒仓扩建项目等工程的 建设。2 0 0 3 年完成投资额近2 0 亿元，2 0 0 4 年完成3 6 亿元，今年将达到5 0 亿元， 未来几年也将维持在一个较高的水平。高额度的投入将加快集团布局和功能结构的调 整，形成新的竞争能力。未来二、三年内，大窑湾二期、三期集装箱码头、大连湾通用 杂货码头、汽车码头等也将相继投入使用。与之相配套的供变电工程也随之加快了建设 步伐，现在已经新建6 6k v 变电所两座，1 0k v 变电所2 4 座。预期还将建设大窑 湾二期工程总变电所( 6 6k v ) ，新港总变电所增容改造工程等。同时，企业改制要求 不断减员。为此，提高供配电设备技术水平。提高大供电可靠性是电力管理部门的第一 选择。 1 1 2 课题提出 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 新分配的繁重任务对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。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。 i 3 ( 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 多数采用常规的二次设备，尤其是继电保护和自动装置、远动装置等采用电磁型或晶体 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 ) 占地面积大，增加了征地投资。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。如果变电站实 段玉峰：大连港新港区变电站自动化系统应用研究 现综合自动化，则会大大减少占地面积。 ( 3 ) 不适应电力系统快速计算和实时控制的要求。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。 ( 4 ) 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。 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。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 四遥功能，逐步实现无人值班和调度自动化。 目前，我港供配电设旌处于大量建设与更新阶段，如何利用这一有利时机做好变电 所设备的选型、保护配合、最大可能得发挥先进设备的功能，实现调度自动化，是摆在 我们供电管理部门面前的一个重要课题。在此背景下，我们提出了大连港新港区变电站 踪和自动化技术应用研究的课题。 1 2 国内外研究现状 如前所述，传统的变电站二次设备不能满足如下两方面的要求： ( 1 ) 降低变电站造价，即减少新建变电站的投资： ( 2 ) 提高变电站的安全与经济运行的水平，减少变电站的运行值班人员并逐步对 6 6k v 及以下电压等级的变电站实行无人值班。 很明显，上述两点要求是相互制约的，为此研制和开发以计算机技术为基础的各种 电压等级的变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统成为8 0 年代之 后各大电气公司纷纷追逐的目标。1 国内外有关单位从8 0 年代末开始在这一领域也 做了不少工作，取得了实质性进展。 a b b 公司的变电站综合自动化系统s c s l 0 0 ，在芬兰生产，用于中，低压变电站。 s c s 2 0 0 在瑞典生产，用于高压变电站。 德国电力行业协会( v d e w ) 为电子制造商协会( e v e i ) 制定的关于数字式变 电站控制系统的推荐草案于1 9 8 7 年公布，成为i e ct c5 7 在起草保护与控制之间标 准的参考，内容非常丰富。德国的三大电气公司( s i e m e n s ，a b b ，k e g ) 基本上是按这 一推荐规范设计和开发自己的产品。 西门子公司于1 9 8 5 年在德国汉诺威正式投运其第一套变电站自动化系统 l s a 6 7 8 ，至1 9 9 3 年已有3 0 0 多套同类型的系统在德国本土及欧洲其他国家不同电 压等级的变电站投入运行，至1 9 9 5 年，该公司在中国也陆续得到十儿个工程项目，基 大连理工大学专业学位硕士学位论文 本上是1 1 0k v 城市变电站。l s a 6 7 8 系统的结构有全分散式和集中与分散相结合两种 类型。 美国电力科学研究院e p r i 委托西屋电气公司研究起草的变电站控制与保护项目 的系统规范，于1 9 8 3 年8 月发表了( e l 一1 8 1 3 ) ，它涉及到基于微处理器的一整 套变电站控制与保护的设计与实施，1 9 8 9 年又对1 9 8 3 年发表的报告进行最终修改与 增补。 国际电工委员会第5 7 次技术委员会( i e ct c5 7 ) 为了配合变电站综合自动化 方面的进展，成立了”变电站控制和保护接口”工作组，负责起草该接口的通信标准， 该工作组共1 2 个国家( 主要集中在北美和欧溯，亚洲有中国，非洲有南非) 2 0 0 0 位 成员参加。从1 9 9 4 年3 月到1 9 9 5 年4 月举行了四次讨论会，于1 9 9 5 年2 月向 i e c 秘书处提交了保护通信伙伴标准i e c 8 7 0 5 1 0 3 ，为控制与保护之间的通信提供 了一个国际标准。 国外其它公司的变电站综合自动化系统 德国a e g 公司的变电站综合自动化系统称之为i l s ，其基本结构类似于西门子 的l s a ，不同之处在于控制部分采用了p l c 可编程逻辑控制器，而站控级硬件则采 用了多公共汽车技术或工业控制机。 美国g e 公司的综合自动化系统，已用于俄亥俄州的一个3 4 5k vm a r y s v i l l e 变 电站，该系统由站控级，数字式线路保护d l p 和数字式线路监视单元d l m 等组成美 国西屋电气公司。法国阿尔斯通公司，瑞士l a n d i s g 公司都有其产品。 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 程系研制成功第一个符合国情的变电站综合自动化系统，在山东威海望岛变电站成功地 投入运行。是全国第一个实现综合自动化的变电站。8 0 年代后期，投入变电站综合自动 化研究的高等院校、研究单位和生产厂家逐步增加。9 0 年代，变电站综合自动化已成为 热门话题，研究单位和产品如雨后春笋般蓬勃发展。初始阶段主要研制和生产集中式变 电站自动化系统，如d i s a 1 ， b _ 】r - 1 ， i e s 一6 0 ，x w j k 一1 0 0 0 a ，f d 9 7 等型；9 0 年代 中期开始研制分散式变电站自动化系统，如d 1 s a 2 ， d l s a 一3 ，c s c 一2 0 0 0 ， d c a p 3 2 0 0 ，f d k 等型，与国外先进水平相比大致有1 0 年的差距。规模比较大的有南 瑞公司、国电南自、四方公司东方电子、许继电器等电力行业自动化的领头企业等。 大部分国外系统在站控级和元件间隔级之间的通信，一般均用星形光纤连接，也 有的系统采用区域网络，i e e e 8 0 2 3 和i e e e 8 0 2 4 标准。 国内产品在价格等方面对外商产品相比有较大优势，约1 ：1 5 1 8 ， 1 3 本论文工作的主要内容 基于以上分析，针对大连港新港区电力系统建设，提出了变电站综和自动化系统的 应用研究以提高新建变电站的智能化水平，以实现电力调度自动化。本论文主要解决如下 段玉峰：大连港新港区变电站自动化系统应用研究 技术问题： ( 1 ) 通过分析比较变电站系统机构形式、通讯方式，结合自身实际，研究港口变 电站综合自动化系统的应用。 ( 2 ) 通过变电站综合自动化设备，采用先进的通信手段，实现电力调度自动化。 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 变电站综合自动化技术概述 2 1 变电站综合自动化的基本概念 变电站综合自动化是将变电站的二次设备( 包括测量仪表、信号系统、继电保护、 自动装置和远动装置等) 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。变电站综 合自动化系统，即利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规 的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的 继电保护屏，改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。41 因此，变电站综合 自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站领域的综合应用。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，利用计算机的高速计算能力和逻 辑判断功能，可方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。变电站综合自动化 系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。 2 2变电站综合自动化系统的优越性。 变屯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图像管屏幕，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，可将检钡, f j n 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。与常规的二次设备相比， 段玉峰：大连港新港区变电站自动化系统应用研究 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表、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。 2 3 变电站自动化技术的发展过程 从变电站自动化的发展过程来看，可分为以下几个阶段。 ( 1 ) 变电站分立元件的自动装置阶段 为了保证电力系统的正常运行，研究单位和制造厂家，长期以来陆续生产出各种 功能的自动装置，例如；自动重合闸装置、低频自动减负荷装置、备用电源自投和各种 继电保护装置等。电力部门可根据需要，分别选择配置。7 0 年代以前，这些自动装置主 要采用模拟电路，由晶体管等分立元件组成，对提高变电站的自动化水平，保证系统的 安全运行，发挥了一定的作用。但这些自动装置，相互之间独立运行，互不相干，而且 缺乏智能，没有故障自诊断能力，在运行中若自身出现故障，不能提供告警信息，有的 甚至会影响电网运行的安全。同时，分立元件的装置可靠性不高，经常需要维修、体积 大，不利于减少变电站的占地面积，因此需要有更高性能的装置代替。 ( 2 1 微处理器为核心的智能自动装置阶段 随着位微处理器技术的发展应用，在变电站方面，首先将原来由晶体管等分立元件 组成的自动装置逐步由大规模集成电路或微处理机代替，由于采用了数字式电路，统一 数字信号电平，缩小了体积，明显地显示出优越性，特别是由微处理器构成的自动装置， 利用微处理器的智能和计算能力，可以应用和发展新的算法，提高了测量的准确度和控 制的可靠性，还扩充了新的功能，尤其是装置本身的故障自诊断能力，对提高自动装置 自身的可靠性和缩短维修时间是很有意义的。这些微机型的自动装置，虽然提高了变 电站自动控制的能力和可靠性，但在8 0 年代，基本上还是维持原有的功能和逻辑关系 的框框，只是组成的硬件结构由微处理器及其接口电路代替，扩展了一些简单的功能， 多数仍然是各自独立运行，不能互相通信，不能共享资源，实际上形成了变电站的自动 化孤岛，因此仍然解决不了前述变电站设计和运行中存在的所有问题。 ( 3 ) 电站综合自动化系统的发展阶段 随着数字技术和微机技术的发展，变电站内自动化孤岛问题引起了国内外科技工作 者的关注，并对其开展研究和寻求解决的途径。因此变电站综合自动化是科学技术发展 大连理工大学专业学位硕士学位论文 和变电站自动控制技术发展的必然结果。 2 4 变电站自动化系统的功能、内容和要求 变电站综合自动化能实现的功能： 变电站综合自动化应该改变常规的保护装置不能与外界通信的缺陷，取代常规的测 量系统，如变送器、录波器、指针式仪表等；改变常规的操作机构，如操作盘、模拟盘、 手动同期及手控无功补偿等装置；取代常规的告警、报警装置，如中央信号系统、光字 牌等；取代常规的电磁式、机械式防误闭锁设备：取代常规的远动装置等等。归纳起来 其功能有如下凡方面。6 。1 2 1 ( 1 ) 微机保护( 数字式继电器) 微机保护包括线路保护、变压器保护、馈线保护、母线保护、电容器保护、备用电 源自投等，高压系统则包括主保护和后备保护。各类保护应具有下列功能： 故障记录( 分辨率1 i n s ) ： 存储多套定值； 显示及当地修改定值； 与监控系统通信，根据监控系统命令发送故障信息，动作序列( 重合闸) ，当时整 定值以及自诊断信号，接收监控系统选择或修改整定值的命令等，与监控系统通信应采 用标准规约，符合i e c 8 7 0 5 或其他国际标准。 ( 2 ) 数据采集 变电站数据采集包括状态量、模拟量、脉冲量等。 状态量数据采集 状态量数据的采集有：断路器状态，隔离开关状态，同期检测状态，锁定状态，变 电站一次设备运行告警信号，变压器分接头位置信号，网门及接地信号等。 这些信号大部分采用光电隔离方式的开关量中断输入或周期性扫描采样获得，其中 有些信号可通过“电脑防误闭锁系统”的串行口通信而获得。 对保护动作信号( 常规方式作为状态量输入) 则采用串行口或区域网络通过通信方 式获得，这样可大大节省信号电缆及采集系统的i o 接口量。 模拟量采集 变电站采集的典型模拟量有：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，相位等，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。 这些量的采集一般有两种方式可选，一是所谓交流采样方式，另一是常规变送器加 a d 变换方式，前者由于精度高，免调校而被逐渐广泛采用。 脉冲量 脉冲量指电能表输出的电度量 段玉峰：大连港新港区变电站自动化系统应用研究 这种量的采集在硬件接口上与状态量的采集相同。 ( 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( 一般由微机保护产生) 、开关跳合记录( 一般由 监控系统记录) 。分辨率可根据不同电压等级的要求确定，一般在1 5m s 之间选择。 微机保护或监控采集环节必须有足够的内存，能存放1 0 0 个事件顺序记录，确保当后 台监控系统或远方监控主站通信中断时不丢失事件信息。 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 能与监控系统通信；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 及测匣结果送监控系统，由监控系统存储及打印波形。 ( 4 ) 控制与操作闭锁 操作人员可通过图像管屏幕对断路器，隔离开关的开合进行操作，可以对变庄器分接 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： 操作出口具有跳、合闭锁功能。 操作出口具有并发性操作闭锁功能。 根据实时信息，自动实现断路器、刀闸操作闭锁功能。 适应一次设备现场的维修操作的“电脑五防操作及闭锁系统”。五防功能是：防 止带负荷拉、合刀闸：防止误入带电间隔；防止误分、合断路器；防止带电挂接地线： 防止带地线合刀闸。 图像管屏幕操作闭锁功能。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和相位，并发出同期合闸启动和停止信号。此功能 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，也可以由微机保护的软件模块实现。 ( 6 )电压和无功潮流的就地控制 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一相或所有相，投 运或断开某条输电线路以及切换电容器组、电抗器组、同步调相器实现。 该功能一般由一个专用软件包实现，输入的参数有；变压器抽头位置信号，电压、 潮流和无功负荷值以及电压值设置，控制参量( 频带宽度、偏差时延、允许偏差等) 设 置等。 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 大连理工大学专业学位硕士学位论文 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 ) 数据处理和记录 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： 断路器动作次数； 断路器切除故障时故障电流和跳闸操作次数的累计数； 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； 独立负荷有功、无功每天的峰值和最小值，并标以时间； 指定模拟点上的趋势，平均值、积分值和其它计算值； 控制操作及修改整定值的记录。 根据需要，该功能可在变电站当地全部实现( 有人值班方式) ，也可在运动操作中 心或调度中心实现( 无人值班方式) 。 ( 9 ) 与远方调度中心( 或操作控制中心) 通信 本功能即常规的运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，其信息量要比传 统远动大得多。 根据实际要求，可以与多个远方调度中心或操作中心通信，其通信口和调制解调器 应该互相独立，通信波特率可在6 0 0 2 4 0 0b p s 任选。必要时还应具有通道备用切换 功能。 保护与保障录波信号传输通道还可以与调度中心信息通道分开，这种情况下保护与 故障录波信号通道可以采用电话线路，修改保护定值和索取故障波形时采用电话拨号方 式接通线路，这种方式可能比较经济可行。通信规约应适应调度中心的要求，符合国家 标准和i e c 标准。 变电站综合自动化应具有与调度中心对时，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图像管屏幕，操作的工具都是键盘或 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显 段玉峰：大连港新港区变电站自动化系统应用研究 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；报警设置与退出；手动自动设置； 趋势控制等。 人工控制操作断路器及隔离开关操作： 开关操作排序；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。 诊断与维护故障数据记录显示： 统计误差显示： 诊断检测功能的启动。 无人值班站在检修或巡视中应具有最低限度的人机联系功能： 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需求，能 通过液晶或小屏幕图像管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旌；变压器分接头应备有当地人工调节手 段。 ( 1 1 ) 自诊断功能 系统内各插件应具有自诊断功能，自诊断信息也象采细的数据一佯周期性地送往后 台机( 人机联系子系统) 和远方调度中心或操作控制中心。 2 4 1 功能板块的划分与组态 ( 1 ) 功能划分 功能模块的划分以减少硬设备，减少数据的通信为前提，结构上采用分布式处理方 式，技术指标达到或超过变电站控制、事故分析及调度自动化实时性耍求，功能模块的 划分还应满足无人值班和有人值班方式选择的灵活性。因此，功能模块划分的具体要求 如下： 保护模块独立，不同的保护硬件模块尽量统一标准化，不同的保护功能用不同 的保护固件实现。 保护装置动作的事件顺序记录由保护系统直接产生，由通信网络送入监控系统， 这样可以提高事件记录的精度并节约硬设备和电缆。 一般要求的故障录波及测距功能由保护系统附带完成，如有较高要求，则可配置 专用装备并有通信接口。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 数据采集硬件模块应以回路单元式设计，便于扩充及分散就地安装的特殊需要。 数据处理与记录功能独立到后台机或工作站完成，以满足有人或无人值班选择的 灵活性。 各功能模块之间通信宣采用网络方式，便于接口功能模块的扩充网络结构可选 星形、总线形或环型，网络介质一般为电缆线或光缆。 ( 2 ) 模块组态 归纳起来，变电站综合自动化的模块组态可分为集中式、分布分散式和分布式结构 集中式组屏等类型。 集中组态模式一般要用功能和配置很强的计算机系统，各功能模块与硬件无关，用 模块化软件连接实现，在硬件方面，集中采集信息，集中处理运算。这种方式提出较早， 当时微机技术、网络通信技术还没有发展起来，这种模式扩充性和维护性都较差。 随着单片机技术、网络技术特别是位总线技术的问世，用于变电站控制的分布式组 态的系统相继出现，一般按回路进行设计，将数据采集、控制单元和微机保护单元就地 装在开关柜上或其他一次设备附近，相互之间用网络电缆或光缆连接起来构成一个分散 式的综合自动化系统，这种系统的最大优点省电缆，并具有很强的抗干扰能力，其次是 最大限度地压缩了二次设备的占地面积。这种模式在高压变电站应用更为合适，经济上 更合理。 另一种组态是分布式结构集中式组屏，这种方式在中低压变电所用得最多，其具 有分布式结构的全部优点，便于扩充，便于维护，一个环节故障不影响其他部件的正常 运行。考虑到中低压变电所一次设备比较集中，分布面不大，于扰不象高压站那样大， 所用信号电缆不太长，因而采用泡中式组屏，其优点是便于设计、安绞及维护，因而在 中低压站被广泛采用。至于保护装置安装的地点，如直接安装在配电柜上，装在室外开 关场的保护小问内，或仍放在控制室内，则应视现场条件和保护装置本身的抗干扰、抗 恶劣环境的能力而定。 2 5 变电站综合自动化系系统的特点 从上述变电站综合自动化系统的基本功能的介绍中，可看出变电站综合自动化系统 有以下几个突出的特点。 ( 1 ) 功能综合化 微机监控子系统综合了原来的仪表屏、操作屏、模拟屏和变送器柜、远动装置、中 央信号系统等功能；微机保护子系统代替了电磁式或晶体管式的保护装置：还可根据用 户的需要，微机保护子系统和监控子系统结合，综合了故障录波、故障测距和小电流接 地等予系统的功能。 ( 2 )分级分布式、微机化的系统结构 段玉峰：大连港新港区变电站自动化系统应用研究 综合自动化系统内各子系统和各功能模块由不同配置的单片机或微型计算机组成， 采用分布式结构，通过网络、总线将微机保护、数据采集、控制等各子系统联接起来， 构成一个分级分布式的系统。一个综合自动化系统可以有十几个甚至几十个微处理器同 时并行工作，实现各种功能。 ( 3 ) 测量显示数字化 长期以来，变电站采用指针式仪表作为测量仪器，其准确度低、读数不方便。采用 微机监控系统后，彻底改变了原来的测量手段，常规指针式仪表全被图像管显示器上的 数字显示所代替，直观，明了。而原来的人工抄表记录则完全由打印机打印、报表所代替。 这不仅减轻了值班员的劳动，而且提高了测量精度和管理的科学性。 ( 4 ) 操作监视屏幕化 变电站实现综合自动化后，不论是有人值班，还是无人值班，操作人员不是在变电 站内，就是在主控站或调度室内，面对彩色屏幕显示器，对变电站的设备和输电线路进 行全方位的监视与操作。常规庞大的模拟屏被c r t 屏幕上的实时主接线画面取代。常 规安装在断路器触或控制屏上的跳、合闸操作，被c r t 屏幕上的鼠标或键盘操作所取 代。光字牌报警信号，被c r t 屏幕画面闪烁和文字提示或语言报警所取代，即通过计 算机上的c r t 显示器，可以监视全变电站的实时运行情况和对各开关设备进行操作控 制。 ( 5 ) 运行管理智能化 变电站综合自动化的另一个最大特点是运行管理智能化。智能化的含义不仅是能实 现许多自动化的功能，例如：电压、无功自动调节，不完全接地系统单相接地自动选线， 自动事故判别与事故记录，事件顺序记录，制表打印，自动报警等；更重要的是能实现 故障分析和故障恢复操作智能化；而且能实现自动化系统本身的故障自诊断。自闭锁和 自恢复等功能。这对于提高变电站的运行管理水平和安全可靠性是非常重要的，也是常 规的二次系统所无法实现的。常规的二次设备只能监视一次设备，而本身的故障必须靠 维护人员去检查，本身不具备自诊断能力。总之，变电站实现综合自动化可以全面地提 高变电站的技术水平和运行管理水平，使其能适应现代化大电力系统运营的需要。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 新港区变电站综合自动化系统的结构形式选择 3 1 综合自动化系统结构形式比较 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等四种类 型i 1 3 1 。 3 1 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由一台计算机完成保护、 监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、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 问世的初期。 这种集中式的结构如图3 1 所示。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牧据采集系统( 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气设备的运行状态，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( 或远动装置) 。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6 6 k v 或规模较小的变电站更为有利。 ( 5 ) 实用性好。 ( 6 ) 符合国情。 段玉峰：大连港新港区变电站自动化系统应用研究 图3 1 集中式结构统框图 f i g 3 1t y p i c a lc e n t r a l i z e ds t r u c t u r e 集中式结构最大的缺点是； ( 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的变电站，软、硬件都必须另行设计，工作象大， 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。 3 1 2 分层( 级) 分布式系统集中组屏的结构形式 分层( 级) 分布式的多c p u 的体系结构。每一层完成不同的功能，每一层由不同 的设备或不同的子系统组成。一般来说，整个变电站的一、二次设各可分为3 层，即变 电站层、单元层( 或称间隔层) 和设备层。图3 2 为变电站一、二次设备分层结构示 意图。变电站层称为2 层，单元层为1 层，设备层为0 层。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 监控主机远动主机 ，ii i：i： 测量控匍 故障滤波| + 一 保保 护护 苴苴 兀兀 ln 丌1 下 l ， i i 11 1 、 7 高 压 t v 高 暑t 似v 璧阻t v | | t d 设各t a设 r 图3 2 变电站一、二次设备分层结构示意图 f i g 3 2p r i m a r ya n ds e c o n d a r ye q u i p m e n tl e v e li ns u b s t a t i o ns t r u c t u r e ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 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；保护部件负责该单元线路或变压器或电容器的保护、故障记录等。 因此，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。 ( 3 ) 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现 段玉峰：大连港新港区变电站自动化系统应用研究 场设各，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 合自动化产品的技术背景和条件不同，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相同。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”，其系统结构如图3 3 所示： 变 电 站 级 茁 一 兀 级 设 备 绱 图3 3 分层( 级) 分布式系统结构框图 f i g 3 3d e c e n t r a l i z e ds y s t e ms t r u c t u r e 分层分布式系统集中组屏结构的特点如下： ( 1 ) 分层( 级) 分布式的配景 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 大连理工大学专业学位硕士学位论文 等特点。 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。 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，还负责本地监控。 ( 2 ) 继电保护相对独立 继电保护装置在综合自动化系统中，继电保护单元宣相对独立，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。也可通 过通信