（高电压与绝缘技术专业论文）变电站综合自动化测控终端的研制.pdf

啥尔滨理丁大学t 学坝+ 学位论文 变电站综合自动化测控终端的研制 摘要 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，整个社会信息化和电气化 程度的不断提高，电力供应作为国民经济的基础，其安全性和质量就显得尤 为重要。因此，电力管理部门迫切要求电力设备集成化、综合化、自动化， 希望能用科学的手段来管理变配电系统。这也是电力产业发展的新趋势。 变电站自动化是电力系统自动化的必然趋势，它是综合应用现代电子技 术、通信技术、网络技术和图形技术并与配电设备相结合，将配电系统在正 常和事故情况下的监视、保护、控制和供电企业的工作管理有机融合在一起 的综合性先进技术。它可以大大提高电网安全运行水平，改善供电质量，降 损节能。 为满足电力系统可靠性的基本要求，本文结合变电站自动化的发展趋势 设计了智能化变电站测控系统的硬件电路、控制系统和测控软件。该测控系 统由高性能十六位单片机m 3 7 7 5 3 为核心组成，可对变电站二次侧电压、电 流等电量进行监测，并采集开关的分合状态信息，根据需要对丌关的分合状 态进行控制，具有遥信、遥测、遥控和遥调即“四遥”功能及与上位机的通 信功能，实现了变电站的实时监控。硬件电路与软件设计中采用有效的抗干 扰措憨，使整个系统运行稳定、可靠。该变电站测控系统在相关试验条件下 运行正常，实现了预期功能。 关键词变电站自动化；测控系统：四遥；抗干扰 呛尔滨理t 大学下学硕1 t 学位论文 d e v e l o p m e n t o f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e r m i n a li n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n di m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d s ，t h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h ew h o l es o c i a li n f o r m a t i o n a n de l e c t r i z a t i o n ，p o w e rs u p p ly a st h ef o u n d m i o no fn a t i o n a le c o n o m y ，i t s s e c u r i t ya n dq u a l i t yb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s ot h en a t i o n a le l e c t r i c a d m i n i s t r a t i v ed e p a r t m e n tr e q u i r e st h ee l e c t r i ce q u i p m e n ti n t e g r a t i o n ，t o t a l i z a t i o n a n da u t o m a t i z a t i o ni nh i g hs p e e d i ti s h o p e t om a n a g ea n dc h a n g et h e d i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t ht h es c i e n t i f i cm e a n s i ti sa l s ot h en e wt r e n di nw h i c ht h e e l e c t r i ci n d u s t r yd e v e l o p s s u b s t a t i o na u t o m a t i o ni sac e r t a i nt r e n dt or e a l i z et h ea u t o m a t i o no ft h e p o w e rs y s t e m i ti s t h ec o m p r e h e n s i v ea d v a n c e dt e c h n o l o g yw h i c hc o n t a i n s m o d e r ne l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，n e t w o r kt e c h n o l o g y a n dg r a p h i c st e c h n o l o g y i tc a nn o to n l yk e e pw a t c ho nb u ta l s op r o t e c ta n d c o n t r o lt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mi nt h ec a s eo fn o r m a la n da c c i d e n ts u b s t a t i o n a u t o m a t i o nc o m b i n e dw i t hm a n a g e m e n to ft h ep o w e rs u p p l ye n t e r p r i s ec a n i m p r o v et h es a f eo p e r a t i o nl e v e lo fg r i dg r e a t l ya n db e t t e rp o w e rs u p p l yq u a l i t y ， m e a n w h i l e ，d e c r e a s ew a s t ea n ds a v ee n e r g y i no r d e rt om e e tt h eb a s i cn e e d o fr e l i a b i l i t yf o rp o w e rs y s t e m ，t h e s u b s t a t i o n sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h e t e c h n o l o g i c a ld e m a n d sa n dt r e n do fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n ，m a i nc i r c u i t ，c o n t r o l s y s t e ma n dc o n t r o ls o f t w a r ea r ed e s i g n e d 。t h es i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r m 3 7 7 5 3i sc h o s e na st h ec o r eo ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mw h i c h a c h i e v e si n t e l l i g e n tc o n t r o lo v e rt h es u b s t a t i o n t h es y s t e mc a nm e a s u r ec u r r e n t a n dv o l t a g ei nt h es u b s t a t i o n so u t p u tl i n e sa n dc a l c u l a t ec o r r e s p o n d i n ge l e c t r i c a l p a r a m e t e r s ，s a m p l ed i g i t a ls i g n a l so nt h es w i t c h e sa n dc o n t r o li t so n o f fb ya c t u a l d e m a n dt h ee f f e c t i v ei n t e r f e r e n c er e s i s t a n c em e a n sa r cd e s i g n e df o rm a i nc i r c u i t a n ds o f t w a r e t h es y s t e mr u n sa c c u r a t e l yu n d e rr e l a t i v ec o n d i t i o n sa n da c h i e v e s - i i 堕尘堡矍三盔：三兰堡三耋竺鎏兰 s u c c e s s f u l l y k e y w o r d s s u b s t a t i o na u t o m a t i o n ；m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ；f o u r - r e m o t ec o n t r o l ；i n t e r f e r e n c er e j e c t i o n 1 1 1 - 哈尔演理丁大学t 学颤1 ：学也论义 1 1 概述 第1 章绪论 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，整个社会信息化和电气化程 度的不断提高，电力供应作为国民经济的基础，其安全性和质量就显得尤为重 要。因此，国家电力管理部门迫切要求电力设备集成化、综合化、自动化。希 望能用科学的手段来管理变配电系统，这也是电力产业发展的新趋势。 变电站综合自动化和无人值守是当今电网调度自动化领域的热门课题，其 发展势头币方兴未艾。国外有一种观点认为，人容易受环境、情绪、性格、疾 病等诸多因素影响，因此本身就是一个不可靠因素。确实有不少事故是由人为 误操作引起的，从这个角度看，无人值守确实可以提高运行可靠性。例如郑州 地调早在1 9 5 9 年就开始采用遥控技术，3 0 多年来从未发生误操作；又如深圳 供电局实现变电站无人值守后误操作事故率降低了6 0 。 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。开始采用微机技术而成为微机型继电保护装置、微机监 控、微机远动、微机录波装置。微机化后的设备体积缩小，可靠性提高。这些 微机型的装置尽管功能不一样，其硬件配置都大体相同。除微机系统本身外， 无非是对各种模拟量的数据采集，以及输入输出接口电路。并且装胃要采集 的量、要控制的对象还有许多是共同的，因而使得设备重复、数据不共享、通 道不共用、模板种类多等问题依然存在。近几年来，变电站综合自动化已经成 为热门话题，引起了电力工业部门的注意的和重视，并成为我国电力工业推行 技术进步的重点之一。 1 2 变电站综合自动化发展及应用 从6 0 年代后期开始，一些国家就着手研制基于微型计算机的变电站监控 装置，并逐步完善为监控和数掘采集系统s c a d a t “。但是上述成果还不是综 合的系统。从7 0 年代开始，出现了综合式数字保护系统的第一个原型，即闩 本k a b s i a 公司与三菱公司合作的s d s c i 型系统，实现了一个7 7 6 6k v 配电 所的所有测量、控制和保护功能。美国、英国、法国等国家的一些公司也相继 开展了这种全新概念的变电站综合自动化系统的研制，其中规模较大的是美国 坠玺鎏矍二全兰三兰筌! ：兰堡鎏苎 电力研究院( e p r i ) 和西屋公司合作的s p s c 系统；瑞典的a b b 公司生产了适用 于低压系统的s c s l 0 0 及适用于高压系统的s c s 2 0 0 1 。这些示范性工程的成 功，为这种技术的推广起了积极的作用。进入8 0 年代，由于计算机技术的飞 速发展，综合式数字变电站控制和保护系统进入了实用阶段。并且目前国外一 些发达国家已经在各种电压等级的变电站实现了无人值守，取得了显著的社会 经济效益。 目前我国5 0 0 k v 电压等级的变电站大多数基本上为有人值守运行方式 且自动化水平及可靠性也不够高。新建的2 2 0 k v 及以下电压等级的变电站都按 无人值守的运行方式设计，并且对原有变电站也在进行综合自动化设备的更新 和安装1 4 1 。 如今西安交大、清华大学、华北电力大学、南京自动化研究院、北京四 方继保公司等科研院所对变电站综合自动化系统都进行了理论与应用研究，部 分理论和算法达到了国际先进水平。 国内许多生产厂家在这方面也进行了大量的研究与丌发，经过近二十年的 实践与应用，变电站自动化系统从集中式到分布式其技术特点及运行要求等 方面均取得了极大的发展。特别是近年来，随着我国国民经济的增长，电力系 统也获得了前所未有的发展，电力需求的增长也使得变电站也得到了广泛的推 广及应用，为满足电力系统运行管理现代化的迫切要求，研究变电站综合自动 化已追在眉睫。国内已有科研单位和厂家推出了产品并投入现场运行取得 了一定的效果”。总的来说，己推出的产品具有一定的技术应用价值，也得到 了些用户的认可；另一方面，由于近年来国家在配网改造方面投入大量的资 金，各电力公司对配网的进一步重视以及新的用电需求的出现从功能上来 看，现有装置存在的欠缺正逐步显露出来，如精度低、不能进行谐波分析计算 以及电压质量统计功能简单等。更多的问题是，设计时算法的选择不完善、没 有断路器在线监测、故障诊断功能；未考虑与配网自动化多种通讯方案接口， 预留通讯接口不够等缺陷。这些缺陷影响了装置的大量推广和运行”“。 变电站自动化技术发展趋势： 随着继承电路和计算机技术的飞速发展，各种新型的大规模集成电路将会 进一步应用在测控装嚣上，如数字信号处理芯片d s p 、高速数据采集系统、嵌 入式实时操作系统、大容量f l a s h 、可编程逻辑器件c p l d 、f p g a 等。这些新 器件的应用将使保护和测控装置的电路板更j i l 4 x 型集成化，装置通信、数据存 储及处理能力更强。将控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数 据处理等功能。通过模块化设计集成在个统一的多功能数字装置内间隔内 l l f ；尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论义 和之间以及间隔同站级间的通信可统一用光纤以太网来实现。高集成化系统的 发展，降低成本、提高系统可靠性，有利于实现统一的运行管理。 智能开关设备、光电式电压和电流传感器、智能电子装置等的出现，使变 电站自动化技术进入了数字化阶段。智能化一次设备的数字化传感器、数字化 控制回路逐渐取代传统一次回路，使变电站层、问隔层、过程层最终用网络连 接起来，并实现统一的通信标准。 目前变电站自动化系统的通信标准直处于多种标准同时存在，且有些标 准格式互不统一，造成各个厂家的设备互相不兼容。因此，通信标准的统一也 是将来变电站综合自动化发展中一个重要方向。i e c6 1 8 5 0 是国际f e i 委员会 t c 5 7 制定的变电站通信网络和系统系列标准，也是国家电力行业相关标准的 基础。经过多年酝酿和讨论，该标准2 0 0 3 年已经正式发布了大部分内容。它 是全世界唯一的变电站网络通信标准，也将可能成为通用网络通信平台的工业 控制通信标准”。 变电站综合自动化测控装置主要是用于电网中箱式变电站以及更高电压等 级的变电站中，以满足对变电站监测、控制和通讯的需要。该装置主要监测变 压器高低压侧电流与电压、频率及丌关状态，计算有功功率、无功功率、有功 电量、无功电景，分析电能质量，统计电能数据等，同时还可实现遥信、遥 控、遥调等功能”。实现电网自动化各种功能的要求和对原有变电站技术的的 完善与补充“。 变电站综合自动化装置有以下几个方面的特点： l 外壳技术先进安全可靠、抗干扰 外壳部分采用目前国内领先技术及工艺，般采用镀铝锌钢板，缝隙采用 隔磁板覆盖，框架采用标准集装箱材料及制作工艺有良好的防腐性能，及抗 电磁干扰性能，内封板采用铝合金扣板，夹层采用防火保温材料设备运行不 受自然气候环境及外界污染影响，可保证在一4 0 + 4 0 的恶劣环境下正常运 行。 2 自动化程度高 全站智能化设计，保护系统采用变电站微机综合自动化装置，分散安装， 可实现”四遥”，即遥测、遥信、遥控、遥调，每个单元均具有独立运行功能， 可对运行参数进行远方设置对箱体内湿度、温度进行控制和远方报警，满足 无人值守的要求：根据需要还可实现图像远程监控。 3 设计安装简单方便 设计时，只要设计人员根据变电站的实际要求，作出一次主接线图和站外 哈尔滨理工人学t 学坝i j 学位论文 设备的设计，就可以选择由厂家提供的装置的规格和型号。所有设备的安装调 试方便，可真j 下实现变电站建设工厂化，缩短了设计制造周期：现场安装仅需 箱体定位、箱体间电缆联络、出线电缆连接、保护定值校验、传动试验及其它 需调试的工作，整个变电站从安装到投运大约只需5 8 天的时问，大大缩短 了建设工期。 4 组合方式灵活 由于装置结构紧凑、安装方便、通用性较强，因此，可以与各种变电站、 丌闭所、柱上开关等电气设备任意组合”。 1 3 变电站综合自动化测控装置研制的意义 在现代社会中，社会的生产、生活对电力的需求与只俱增，电力已经成为 世界经济发展的生命线。保障供电质量已成为电力部门的紧迫任务。变电站是 供电系统中的重要节点，监测了解其负荷、运行及故障情况非常重要。传统的 做法是由人工定期对其进行测量、记录和分析。这样做的缺点是：工作量大， 人工处理数据极为不便。且统计周期长，可靠性也无法得到保证。结合变电站 目前的应用情况，人们当然希望它能应用自动化控制技术、计算机数据采集和 处理技术、通信技术，来代替人工对变电站进行正常运行的监视、操作、无功 控制、测量记录和统计分析、故障运行的监视、报警和事件顺序记录等一1 4 。 因此研制开发一种满足国家电力标准、准确可靠的变电站综合自动化装置 势在必行。 采用变电站综合自动化测控装置的意义主要有： 1 提高安全性 变电站有很多事故是人为因素造成的，操作人员的误操作，往往带来不应 出现的事故。而程序控制的开关操作，可以排除运行人员素质的影响和误操作 的可能性。 2 改善电能质量，提高经济效益 由计算机控制执行的无功补偿能稳定电压范围，调整功率因数，降低电 能损耗提高经济效益。 3 减轻运行人员负担 计算机控制系统进行了信息的采集与处理，运行入员不必再做抄表、统计 等工作。计算机管理更加方便、准确。 4 为变电站综合自动化奠定基础 哈尔滨理t 夫学t 学硕i ：学位论文 变电站的监控系统通过远动设备，可以实现遥信、遥控、遥测、遥调等功 能。并为继续完成线路保护、电容器保护等实现整个配电自动化打下良好的基 础。 综合自动化测控装胃投入使用后，可以实现对变电站进行不问断的监测， 完全实现无人值守的要求，并且各种信息不用到现场就可以直接得到，大大减 少了人员的劳动时间与强度，提高了工作效率。同时还提高了变电站工作的可 靠性，取得很好的经济和社会效益i ”】l ”j 。 呛尔演理丁人学丁学颅i ：学位论文 第2 章变电站综合自动化结构功能 2 1 变电站综合自动化基本概念 变电站自动化是指应用自动控制技术、信息处理和传输技术，通过计算机 硬软件系统或自动装置代替人工进行各种运行作业，提高变电站运行、管理水 平的一种自动化系统。变电站综合自动化是指将二次设备( 包括控制、保护、 测量、信号、自动装置和远动装置) 利用微机技术经过功能的重新组合和优化 设计，对变电站实行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系 统，它是自动化技术和计算机、通信技术在变电站领域的综合应用mj f j w 。其具 有以下特征； 1 功能综合化：是按变电站自动化系统的运行要求，将二次系统的功能综 合考虑，在整个系统设计方案的指导下，进行优化组合设计。以达到协调一致 的继电保护及监控系统。综合( i n t e g r a t e d ) 并非指将变电站所要求的功能 以拼凑的方式组合，而是指在满足基本要求的基础上，达到整个系统性能指 标的最优化。表现在： ( 1 1 简化变电站二次设备的硬件配置。尽量避免重复设计。如远动装置和微机 监测系统功能的重复设置。 ( 2 1 简化变电站各二次设各之间的互联线，节省控制电缆，减少p t 、c t 的负 载。力争克服以前计量、远动和当地监测系统所用的变送器各自设置，不 仅增加投资而且还造成数据测量的不一致性。 ( 3 ) 保护模块相对独立，网络及监测系统的故障不影响保护功能的正常工作： 对于1 1 0 k v 及以上电压等级变电站，由于其重要程度，应考虑保护、测量 系统分开设置；而对于l1 0 k v 以下低压变电站，就目前的技术应用水平及 工程应用角度而言，可以考虑将保护与测控功能合为一体的智能单元，这 样不但利于运行管理及工程组合，而且降低投资成本。 ( 4 ) 减少安装施工和维护的工作量，减少总占地面积，降低总造价或运行费 用。 ( 5 ) 提高运行的可靠性和经济性，保证电能质量。 f 6 ) 有利于全系统的安全、稳定控制。 2 系统构成的数字化及模块化：保护、控制、测量装置的数字化( 即采用 微机实现，并具有数字化通信能力) 。利于把各功能模块通过通信网络连接起 来，便于接口功能模块的扩充及信息的共享岬1 。另外方便模块的组念，适应工 哈尔滨理t 大学t 学坝 ：学位论立 程的集中式、分布分散式和分布式结构集中式组屏等方式。 3 操作监视屏幕化：当变电站有人值班时，人机联系在当地监控系统的后 台机( 或主机) 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，不管那种方式，操作维护人员面对的 都是c r t 屏幕，操作的工具都是键盘或鼠标。 4 运行管理智能化：体现在无人值班、人机对话及操作的屏幕化、制表、 打印、越限监视和系统信息管理、建立实时数据库和历史数据库、开关操作及 防误操作闭锁等方面，能够减轻工作人员的劳动及人工无法做到的工作。 2 2 变电站综合自动化结构 自从1 9 8 7 年清华大学研制成功第套变电站综合自动化系统投运1 0 多年 来，由于技术水平的不断提高，体系结构也在不断改进。根据综合自动化系统 设计思想、安装的物理位置不同，综合自动化系统硬件结构形式也分成很多种 类。但从国内外变电站综合自动化系统发展过程来看，其结构形式有集中式、 分布式、分散分布式；从安装物理位置上来划分有集中组屏、分层组屏和分散 在一次设备间隔设备上安装等形式。 2 2 1 集中式综合自动化系统 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，只是每台微机 承担的任务多一些。例如监控机要负担数据采集、数据处理、开关操作、入机 联系等多项任务：担任微机保护的计算机，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问世的初期，如图2 1 所示。这种结构形式的综合自动化系统国内早期产品较多。如南京自动化研究 院系统研究所的f j 2 型、烟台东方电子信息产业集团的基于w d f 1 0 的综合 自动化系统等。 这种结构形式是按变电站的规模配置相应容量、功能的微机保护装置和监 控主机及数据采集系统，它们安装在变电站主控室内。主变压器、各种进出线 路及站内所有电气设备的运行状态通过电流互感器、电压互感器经电缆传送到 主控制室的保护装置或监控计算机上，并与调度控制端的主计算机进行数据通 坠查鎏型三查兰三主堡! 兰竺鎏兰 信。当地监控计算机完成当地显示、控制和制表打印等功能。 打印机ic r t 届示器l 键盘、鼠标 当地脏控讣算机 微机保护装置 主 变 压 器 t a 下v 输出 接l 保 护 动 作 信 号 输 出 调度( 控制) 中心 模 拟 r 里 输 入 输入接f 开 关 状 态 量 输 入 脉 冲 量 输 入 输出 接 监 控 动 作 信 号 输 出 图2 1 集中式变电站综合自动化系统结构框图 f i g 。2 一it h es t r u c t u r ef l o w c h a r to f 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 m 2 2 2 分层分布式结构集中式组屏的综合自动化系统 随着微机技术和通信技术的发展，特别是2 0 世纪8 0 年代后期单片机的性 能价格比越来越高。给变电站综合自动化系统的研究和丌发工作注入了新的活 力。使研制者有条件将微机保护单元和数据采集单元按一次回路进行设计。所 谓分布式结构，是在结构上采用主从c p u 协同工作方式，各功能模块f 通常是 各个从c p u ) 之闻采用网络技术或串行方式实现数据通信，多c p u 系统提高了 处理并行多发事件的能力，解决了集中式结构中独立c p u 计算处理的瓶颈问 题，方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。各自完成各自 的功能，增加了保护的可靠性。 在变电站综合自动化系统中，通常把继电保护、自动重合闸、故障录波、 故障测距等功能综合在一起的装置称为保护单元，而把测量和控制功能综合在 一起的装置称为控制或i o 单元，两者通称为间隔级单元( b a yl e v e lu n i t ) 。各种 类型的间隔级单元搜集到的状态量和测量值，通过软件来实现各种保护闭锁， 工次设备状态量蛾工 输一 工输电线路仆 哈尔滨理t 人学t 学硕卜学位论文 取消或大大简化传统设计中为实现闭锁功能所需要的二次回路，以组成变电站 综合自动化系统。所谓分层式结构，是将变电站信息的采集和控制分为管理 层、站控层和间隔层三个级分层布置【2 0 i 。如图2 2 所示。 管理层 站控层 间隔层 圈2 - 2 变电站综合自动化分层系统结构框豳 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r ef l o w - c h a r co f m u l t i - l e v e ld i s t r i b u 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 m 阊隔层按一次设备组织，一般按断路器的间隔划分，具有测量、控制和继 电保护部分。测量、控制部分负责单元的测量、监视、断路器的操作控制和 连锁及事件顺序记录等：保护部分负责该单元线路或变压器或电容器的保护、 各种录波等。因此，间隔层本身是由各种不同的单元装置组成，这些独立的单 元装置直接通过总线接到站控层。 站控层的主要功能就是作为数据集中处理的保护管理，担负着上传下达的 重要任务，对下它可以管理各种间隔单元装置，包括微机监控、保护、自动装 置等，收集各种数据并发出控制命令，起到数据集中作用，还可以通过现场总 线完成对对保护单元的自适应调整：对上则通过设立开放式结构的站级网络接 口，与管理层建立联系。将数据传送给管理后台机或调度端，起到数据处理作 用。 管理层由一台或多台微机组成，这种微机操作简单方便，界面汉化，使运 行值班人员极易掌握。 哈尔滨理t 大学丁学坝j 学位论文 2 2 3 分散分布式与集中式相结合的综合自动化系统 这是目前国内外最流行、受到广大用户欢迎的一种综合自动化系统。它是 采用“面向对象”即面向电气一次回路或电气问隔( 如一条出线、一台变压 器、一组电容器等) 的方法进行设计的，问隔层中各数据采集、监控单元和保 护单元做在一起，设计在同一机箱中，并将这种机箱就地分散安装在开关柜上 或其他一次设备附近。这样各间隔单元的设备相互独立，仅通过光纤或电缆网 络由站控机对它们进行管理和交换信息。这是将功能分布和物理分散两者有机 结合的结果。通常，能在问隔层内完成的功能一般不依赖通信网络，如保护功 能本身不依赖于通信网络。这就是分散式结构。 人机接口 ”1 地调试或 俯控 电能管理机 4 8 , 5 总线 主控机( 或双机) 卜_ + 调度所挖制操作中心 保护管理机 下一 观场总线或其他总线 智 能 电 能 表 智l线路开关 誊【性 能fl 保护与监 表i 控单兀 线路开关 柜n 保护与监 控单兀 主变胝器 保护屏 雌拧单元 高胝线路 保护脐 监挖单元 t a出 t a 出 t a 出 t a出 t vu丁v l j t vut v u 【u l【u ll u l【u 1 路路路 路 图2 - 3 分散与集中相结台的变电站练合自动化系统结构框幽 f i g 2 3t h es t r u c t u r ef l o w - c h a r to f s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mo f d i s p e r s ea n dc o n c e n t r a t eo n c o m b i n i n gt o g e t h e r 这样组态模式集中了分布式的全部优点，此外还最大限度地压缩了二次设 备及其繁杂的二次电缆，节省土地投资。这种结构形式本身配置灵活，从安装 l一绷螺悯拟凝上慨脚屏 配置上除了分散安装在间隔开关柜上以外，还可以实现在控制室内集中组屏或 分层组屏，即一部分集中在低压开关室内分别组屏等。这种将配电线路的保护 和测控单元分散安装在开关柜内，而高压线路保护和主变压器保护装置等采用 集中组屏的系统结构称为分散和集中相结合的结构。如框图2 - 3 所示。这种结 构是目前国内外变电站综合自动化系统结构中最热门的、比较先进的模式之 一a 目f i i 变电站综合自动化系统的功能和结构都在不断地向i i 发展，全分散式 的结构定是今后发展的方向，究其原因，主要是：分层分散式的自动化系 统的突出优点；随着新设备、新技术的进展如电一光传感器和光纤通信技术 的发展，使得原来只能集中组屏的高压线路保护装置和主变压器保护也可以考 虑安装于高压场附近，并利用日益发展的光纤技术和局域网技术，将这些分散 在各开关柜的保护和集成功能模块联系起来，构成一个全分散化的综合自动化 系统，为变电站实现高水平、高可靠性和低造价的无人值班创造更有利的技术 条件。 2 3 变电站综合自动化内容及主要功能 2 3 1 变电站综合自动化内容 常规变电站二次设备由以下凡个部分组成：继电保护、自动装置、测量仪 表、操作控制屏和中央信号屏及远动装置。在微机化以前，这几大部分不仅功 能不同，实现的原理和技术也各不相同，因而长期以来形成了不同的专业和管 理部f 3 t “】。8 0 年代以来，由于集成电路技术和微机技术的发展，上述二次设备 开始采用微机型的，例如：微机继电保护装置、微机型自动装置、微机监控系 统和微机r t u 等。这些微机型装旨尽管功能不同，但其硬件结构大同小异。 除微机系统本身外，一般都是由各种模拟量的数据采集回路和i o 回路组成， 而且所采集的量和所控制的对象还有许多是共同的。促使研制者思考如何打破 原来常规的二次设备的框框，从变电站的全局出发，着手研究全微机化的变电 站二次部分的优化设计问题，这就是变电站综合自动化系统的出来【2 2 l 。 由于变电站综合自动化系统投入运行以后显示出许多原来变电站常规的二 次设备所不能具备的优越性。因此，变电站综合自动化在短短几年内便成为热 门话题，引起了电力行业各有关部门的注意和重视。 虽然采用常规的继电保护和控制设备，加上完备的四遥远动装置也可实 现上述一些要求，但全面满足上述要求则是变电站综合自动化系统需要解决的 墼玺鎏些三垒兰三耋翟! ：兰堡堡兰 问题。 因此，我国开展变电站自动化的研究与开发工作，主要包括如下两个方面 内容：对2 2 0 k v 及以下中、低变电站，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：对2 2 0 k v 以上的变电站，主要是采用计 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、管理水平的目的。 总之，变电站综合自动化内容应包括： 1 。电气量采集和电气设备( 如断路器等) 的状念监视、控制帮调节。 2 实现变电站正常运行的监视和操作，保证变电站f 常运行和安全。 3 发生事故时。由继电保护和故障录波等完成瞬忿电气量的采集、监视 和控制，并迅速切除故障设备和完成事故后的恢复操作。 从长远观点看，综合自动化系统的内容还应包括高压电气设备本身的监视 信息( 如断路器、变压器和避雷器等的绝缘和状态监视等) ，除了需要将变电站 所采集的信息传送给调度中心外，还要送给运行部门和检修中心，以便为电气 设备的监视和制定检修计划提供原始数据口”。 实现变电站综合自动化的目标是提高整个变电站全面的技术水平和管理水 平，提高安全、可靠、稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，提 高供电质量，促进配电系统自动化。实现变电站综合自动化是实现上述目标的 一项重要技术措施。 2 3 2 变电站综合自动化系统的基本功能 变电站综合自动化系统的概念在国际上一直没有一个明确的定义。最近， 国际电工委员会( i e c ) 已不再采用综合自动化名词，而称为变电站自动化系 统。而现在所说的综合自动化是一种习惯说法。变电站综合自动化是多专业性 的综合技术，它是以微型计算机为基础，实现对变电站传统的继电保护、控制 方式、测量手段、通信和管理模式的全面技术改造，实现了电网运行管理的 一次变革。仅从变电站自动化系统的构成和所完成的功能来看，它是将变电站 的监视控制、继电保护、自动控制装置和远动等所要完成的功能组合在一起， 通过计算机硬件、模块化软件和数据通信网构成一个完整的系统l “) 1 2 s ) 。因此， 其功能为： ( 一) 继电保护的功能 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论义 变电站综合自动化系统中的微机继电保护主要包括输电线路保护、电力变 压器保护、母线保护、电容器保护、小电流接地系统自动选线、自动重合闸。 由于继电保护的特殊重要性，综合自动化系统绝不能降低继电保护的可靠性。 ( 二) 监视控制的功能 变电站综合自动化系统应能改变常规继电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 动机构，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：取代常规的电磁式和机械式防误 闭锁设备；取代常规远动装胃等。 1 实时数据采集与处理 采集变电站电力运行实时数据和设备运行状惫，包括各种状惫量、模拟 量、脉冲量、数字量和保护信号，并将这些采集到的数据去伪存真后存于数据 库供计算机处理之用。 2 运行监视功能 所谓运行监视，主要是指对变电站的运行工况和设备状态进行自动监视， 即对变电站各种状态量变位情况的监视和各种模拟量的数值监视。 通过状态量变位监视，可监视变电站各种断路器、隔离开关、接地开关、 变压器分接头的位置和动作情况、继电保护和自动装置的动作情况以及它们的 动作顺序等。 模拟量的监视分为正常的测量和超过限定值的报警、事故模拟量变化的追 忆等。 当变电站有非正常状态发生和设备异常时。监控系统能及时在当地或远方 发出事故音响或语音报警，并在c r t 显示器上自动推出报警画面，为运行人 员提供分析处理事故的信息，同时可将事故信息进行打印记录和存储。 3 故障录波与测距 1 1 0 k v 及以上的重要输电线路距离长、发生故障影响大，当输电线路发生 故障时必须尽快查出故障点，以便缩短维修时间，尽快恢复供电，减少损失。 变电站的故障录波和测距可采用两种方法实现：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矗接送调度主 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：采用专用 的微机故障录波器，并且录波器应具有串行通信功能，可以与监控系统通信。 4 事故顺序电录与事故追忆功能 事故顺序记录就是对变电站内的继电保护、自动装置、断路器等在事故时 坚玺玺型三查兰三耋堡：耋譬鎏兰 动作的先后顺序自动记录。记录事件发生的时间应精确到毫秒级。自动记录的 报告可在c r t 显示器上显示和打印输出。 事故追忆是指对变电站内的一些主要模拟量，如线路、主变压器各侧的电 流、有功功率、主要母线电压等，在事故前后一段时间内作连续测量记录。通 过这一记录可了解系统或某一回路在事故前后所处工作状态，对于分亳旰和处理 事故起辅助作用。 5 控制及安全操作闭锁功能 操作人员可通过c r t 屏幕对断路器、隔离开关进行分闸、合闸操作；对 变压器分接头进行调节控制；对电容器组进行投切控制，同时要能接受遥控操 作命令，进行远方操作：并且所有的操作控制均能就地和远方控制、就地和远 方切换相互闭锁，自动和手动相互闳锁。 6 数据处理与记录功能 测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，必须具备一些测控数据统计功能。 7 人机联系功能 无论是普通变电站还是无入值班的变电站都必须能够通过c r t 显示器、 鼠标、键盘等工具使操作人员与变电站内部设备进行交互联系，进行对全站的 状态监视和操作等功能。 8 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各种监控数据以及 操作记录、事故追忆等的打印：对无人值班变电站，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。 9 运行的技术管理功能 变电站综合自动化系统能对运行中各种技术数据、记录进行管理。主要体 现在三个方面： ( 1 ) 历史数据处理、存档、检索。 ( 2 ) 统计值处理。监控系统可以对电压、潮流、功率因数等参数进行统计，统 计值包括时统计、日统计、月统计、典型日统计等。 ( 3 ) 累计值处理。累计值包括小时、只、月、典型日累计等。 进行技术管理内容主要有变电站主要设备的技术参数档案表；各主要 设备故障、检修记录；断路器的工作次数记录；继电保护和自动装胃的动 作记录；运行需要的各种电录、统计等。 哈尔滨理t 人学t 学硕j 学位论史 1 0 谐波的分析和监视功能 一个理想的电力系统和供电系统，仅用恒定的工业频率和规定的电压水平 这两个指标来表征电能的质量是很不完善的。波形畸变、电压闽变和三相交流 电力系统及供电系统中三相电压或电流的不平衡也是影响电能质量的重要因 素。随着电力电子技术的发展及其在工业和交通部门以及在用电设备上的广泛 应用等，使谐波对电力设备、电力用户和通信线路等的有害影响己十分严重。 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抑制措施，降低谐波含量。 1 1 自诊断、自恢复和自动切换功能 自诊断功能是指对监控系统的硬件、软件故障的自动诊断，并给出自诊断 信息供维护人员及时检修和更换。 在监控系统中设有自恢复功能。当由于某种原因导致系统停机时，能自动 产生自恢复信号，将对外围接口重新初始化，保留历史数据，实现无扰动的 软、硬件自恢复，保障系统的正常可靠运行。 自动切换指的是双机系统中，当其中一台主机故障时，所有工作自动切换 到另一台主机，在切换过程中所有数据不能丢失。 ( 三) 自动控制装置的功能 变电站综合自动化系统必须具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自 动控制功能。为此，典型的变电站综合自动化系统都配置了相应的自动控制装 置，如电压、无功综合控制装置、低频率减负荷控制装置、备用电源自投控制 装置、小电流接地选线装置等。 ( 四) 远动及数据通信功能 变电站综合自动化的通信功能包括系统内部的现场级间的通信和自动化系 统与上级调度的通信两部分。 2 4 本章小结 本章主要介绍了变电站综合自动化的基本概念及主要功能，并介绍了几种 变电站综合自动化的结构， 堕堡堡矍三查兰三耋竺：主竺兰兰 第3 章测控终端的硬件结构设计 此研制的变电站综合自动化系统的测控装置结构为1 9 2 英寸机箱。前插 拔，嵌入式安装，后接线。插件顺序从左至右依次为电源插件、跳闸插件、 c p u 插件、交流插件( 见图3 1 ) 。 电 跳 c 交 预源闸预 p 流 留插插留 u 插 插 什什 什 什 图3 - 1 装置及插什位置图 f i g 3 1t h cf i g u r eo f d e v i c ea n dm o d u l ep o s i t i o n i ! 一，路盘线：j j ! 一一。也线一! 一j 图3 - 2 测控装置整体结构框剀 f i g 3 - 2t h es t r u e t u r cf l o w - c h a r to f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 兰尘堡矍三奎：二茎丝圭兰竺垩兰 测控装置整体硬件原理图见图3 2 ，主要包括单片机测控系统、变电站内 变压器、断路器、开关、出线等各个部分。 整个系统通过接入母线电压，经电力变压器和无功补偿装置作用，可以得 到满足用户需求电压等级，分别由1 路和2 路出线输出，并且该输出线路的数 量可根据用户多少增减。以m 3 7 7 5 3 为核心的单片机测控系统可以采集负荷开 关、断路器和隔离开关的分合状态信息，根据需要控制它们的分合，并对出线 的电量、频率等参数进行采集和计算( 1 个测控系统可以控制2 个丌关的分台， 测量、计算2 路出线的电参量) 。 主控模块( 如图3 3 ) 包括单片机最小系统、模拟量输入电路、开关量输入电 路、开关量输出电路、通信接口电路等组成。单片机最小系统出单片机 m 3 7 7 5 3 、复位电路、时钟电路、外部程序存储器等组成。单片机的模拟量输 入电路由两片m a x l 2 5 、6 个微型精密电压变送器和6 个微型精密电流变送器 组成，该电路分两次采集到相应的1 2 路电压、电流信号在单片机的内部进 行处理，并