电网调度自动化技术人员培训教材.doc

i 80 省电网调度自动化 技术人员培训班教材 厂站部分 省省电电网网中中心心调调度度所所 2011 年年 10 月月 i 80 目录 1 变电站综合自动化系统的概念及优越性变电站综合自动化系统的概念及优越性 2 1 1变电站综合自动化系统的概念 2 1 2对变电站保护和监控的要求的变化 2 1 3传统变电站存在的问题 3 1 4变电站实现综合自动化的优越性 4 1 5变电站综合自动化对无人值班的促进作用 5 1 6变电站自动化技术的发展过程 7 2 变电站综合自动化系统的内容和功能变电站综合自动化系统的内容和功能 15 2 1变电站综合自动化系统的研究内容 15 2 2变电站综合自动化系统的基本功能 15 3 变电站综合自动化装置原理介绍变电站综合自动化装置原理介绍 30 3 1硬件原理介绍 30 3 2保护软件原理介绍 32 3 3实时多任务系统介绍 35 3 4测控保护算法介绍 36 4 变电站通讯网络变电站通讯网络 40 5 超高压变电站自动化系统的发展策略讨论超高压变电站自动化系统的发展策略讨论 42 6 iES M80 变电站自动化系统介绍变电站自动化系统介绍 47 6 1系统特点 47 6 2系统构架 51 6 3以太网为核心构建通讯网络 51 6 4系统功能部署 53 6 5间隔装置和功能部署 56 7 变电站的干扰及其防护措施变电站的干扰及其防护措施 63 7 1主要干扰源简述 64 7 2抗干扰措施 65 2 80 1 变电站综合自动化系统的概念及优越性变电站综合自动化系统的概念及优越性 1 1变电站综合自动化系统的概念变电站综合自动化系统的概念 随着微机技术的发展和在电力系统的普遍应用 自 80 年代以来 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 逐步采用微机型的装置 即微机保护 微机监控 微机远动等 这些微机装置尽管功能不一 但其硬件配置却大体相 同 装置所采集的信息量和要控制的对象许多是共同的 但由于这些设备分属不同的专业 加上管理体制上的一些原因 在变电站上述各专业的设备出现了功能重复 装置硬件配置重 复 互连复杂等问题 这就迫切需要打破各专业分界的框框 从全局出发来考虑全微机化的 变电站二次设备的优化设计 这便提出了变电站综合自动化的问题 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 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 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 变电站综合自动化系统以全微机化的新型二次设备替代常规设备 尽量做到硬件资源 信息资源共享 用不同的模块软件实现常规设备的各种功能 用计算机局域网代替大量信号 电缆的连接 用主动模式代替常规的被动模式 简化了变电站二次部分的硬件配置 减轻了 安装施工和运行维护工作量 降低了变电站总造价和运行费用 使变电运行更安全 可靠 为提高运行管理自动化水平打下了基础 1 2对变电站保护和监控的要求的变化对变电站保护和监控的要求的变化 使变电站综合自动化成为电力系统自动化的发展方向原因有两个方面 一是随着电力系 统的发展 对变电站保护和监控的要求发生了很大的变化 而现有的常规保护和监控系统渐 渐不能满足要求 二是变电站现有的常规保护和监控系统设计本身具有很多缺点和不足 继电保护要求的变化继电保护要求的变化 当前的电力系统具有电网规模大 电压等级高和机组容量大的特点 为了最大限度的发 挥电网的经济性 电力系统越来越多地运行在其稳定极限附近 这就要求一旦发生故障 继 3 80 电保护装置能更快地切除故障 220kV 及以上的超高压输电线路要求的典型故障切除时间 30ms 严重故障时要求故障 切除时间更短 母线保护要求内部故障切除时间 10ms 能自动识别母线运行方式并作出相 应调整 能在近端外部故障下抗 CT 饱和并可闭锁 差动保护作为变压器的主保护 其关键 问题仍是励磁涌流的鉴别 传统的办法是监测差流中的谐波成分 但是对超高压大容量变压 器接长距离输电线或低压侧接无功补偿装置时 内部故障电流中也会含有丰富的谐波成分 在这种情况下就难以判别故障还是涌流 自动监控装置作用的变化自动监控装置作用的变化 电力系统监控方面最主要的变化在于对监控装置在降低发电成本和跳提高电网运行水平 方面的要求越来越高 电力系统经济运行需要更多有关电网运行的信息和更精确可靠的监控 这就需要更多通道和手段来采集和分析电网信息并作出监控 另外在电网进行安全分析 特 别是进行网络偶然事故分析时还要求对电网信息采集和监控功能进行协调 变电站扩容改造的要求变电站扩容改造的要求 一般来讲 大型变电站开始仅有几回进线 经过几年后逐步发展成为具有多回联络线 变电站扩容改造的每一步都要增加保护和监控设备 甚至需要重新安排母线的布置 因此要 对现用的监控设备和保护装置进行较大的调整或重新配置 这就要求这些装置具有较大的灵 活性和可扩充性以便以最小的费用和最短的时间完成扩容和改造 变电站无人值班运行的要求变电站无人值班运行的要求 由于具有明显的技术经济效益 运行可靠性高 劳动生产率高 建设成本低 发达国 家早在七十年代就开始实施这种新的变电站运行管理模式 实现变电站无人值班的技术基础是变电站中的测量 监视 保护 监控等二次设备具有 高度的安全性与可靠性 优越的协调性与兼容性 变电站综合自动化系统的运用是实现变电 站无人值班运行的有效途径 1 3传统变电站存在的问题传统变电站存在的问题 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 对电网的安全和经济运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 传统的变电站进入九十年代以来越来越暴露出其固有的缺陷和局限性 1 安全性 可靠性不能满足现代电力系统高可靠性的要求 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 4 80 自动装置和远动装置 采用电磁型或晶体管式设备 设备本身结构复杂 可靠性不高 而且 又没有故障自诊断的能力 目前的办法是依靠对常规二次系统进行定期的测试和校验来发现 问题 这不但增加了维护人员的工作量 而且仍无法保证装置绝对的可靠 往往是等到保护 装置发生拒动或误动后才能发现问题再进行调整与检修 另外维护人员在定期检测中造成装 置误动或形成新的隐患的情况也时有发生 同时硬件设备基本上是按功能独立配置的 彼此 间联系很少 设备型号庞杂 在组合过程中协调性差 也容易造成设计隐患 2 供电质量缺乏科学的保证 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 衡量电能质量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 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 主控制室 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 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 电站主要用指示灯显示监控操作 用各种各样的模拟式表盘反映模拟量瞬时值 大部分的历 史数据 操作记录和事件记录主要靠手工完成或用专门的记录器记录 费时费力且易出错 不能满足向调度中心及时提供运行参数的要求 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 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 4变电站实现综合自动化的优越性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 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 5 80 实现无人值班和调度自动化 变电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 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 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 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 CRT 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 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 功能强 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 减少值班员劳动 实现减人增效 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 1 5变电站综合自动化对无人值班的促进作用变电站综合自动化对无人值班的促进作用 对变电站来说 无人值班和有人值班是两种不同的管理模式 它与变电站一 二次系统 技术水平的发展 与变电站是否实现自动化没有直接关系 一 二次设备可靠性的提高和采 用先进技术 可以为无人值班提供更为有利的条件 但不是必须具备的条件 早在四 五十年代 无人值班已经在我国一些大城市实行 例如上海 广州 天津等城 市 对一些不是很重要的 35kV 变电站 实行无人值班 平时把变电站的门锁起来 一旦出 6 80 现故障 保护跳闸停电 则用户会用电话或其他方式要求供电局去检修 恢复供电 供电局 在确认停电事故后 便派出检修人员去查找并修复故障 恢复供电 这种无人值班变电站的 一 二次设备与有人值班变电站完全一样 没有任何信息送往调度室 其一 二次设备的运 行工况如何 只能由检修人员到现场后 才能知道 因此这类无人值班只适合于重要性不高 的变电站 到了 60 年代 由于远动技术的发展 在变电站开始应用遥测 遥信技术 从而进入了 远方监视的无人值班阶段 这时 在调度中心 调度人员可以了解到下面无人值班站的运行 工况 这比起元四遥功能的无人值班站来说 已前进了一大步 但是 这个阶段的遥测 遥 信功能还是很有限的 例如遥信只传送事故总信号和一些开关位置信号 值班员通过事故总 信号知道变也站发生故障 可及早派人到变电站或线路寻找放障和进行检修 这对及早恢复 供电无疑是很有好处的 相对无四遥功能的无人值班站来说 是一大进步 但是 如果要对 开关进行操作 还必须到变电站现场才行 80 年代中后期以后 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 RTU Remote Terminal Unit 的功能和性能有很大提高 具有遥测 遥信和遥控功 能 有的还有遥调功能 这使无人值班技术又上了一个台阶 经过几十年的努力 电网装备技术和运行管理水平及人员素质都有了很大提高 一次设 备可靠性提高 遥控技术逐步走向成熟 特别是 八五 期间 全国电网调度自动化振兴纲 要的实施 电网调度自动化实用化工作的开展取得了很好的经验 为全国特别是中心城市开 展无人值班工作奠定了扎实的基础 因此 1995 年国家电力调度通信中心要求现有 35kV 和 110kV 变电站 在条件具备时逐步实现无人值班 新建变电站可根据调度和管理需要以及 规划要求 按无人值班设计 这几年的实践证明 变电站实行无人值班有明显的经济效益和 社会效益 特别是提高了运行的可靠性 减少人为事故 保障系统安全 提高了劳动生产率 降低了建设成本 推动了电力行业的科技进步 上述分析可见 无人值班与变电站综合自动化是不同范畴的问题 变电站有人值班与无 人值班是变电站运行管理采用 当地 还是 远方 两种管理模式选择哪一种的问题 而变 电站综合自动化是指变电站的技术水平问题 两者表面看来没有直接的关系 采用常规的二 次设备 没有实现自动化 只要有 RTU 远动设备 便可以实现无人值班 但变电站自动化 技术的发展和自动化水平的提高 对无人值班元疑将起很大的推动作用 它可以明显地提高 无人值班变电站运行的可靠性和技术水平 而且我们今天提倡的无人值班不能回到 40 年代 60 年代的简单水平 必须建立在高可靠性 高技术水平的基础上 变电站综合自动化可适应 这种高的要求 用于与常规二次设备配合的 RTU 远动装置对模拟量的采集 一般是通过变 送器采样 对继电保护信息的采集是通过信号继电器的辅助触点 连接电缆多 因此采集的 信息量往往受到限制 而变电站综合自动化系统可以提供更丰富的信息 它不仅能完成常规 的 RTU 的全部功能 而且由于各子系统几乎都是由微处理机构成的 因而可以实现资源失 享 因此 实现综合自动化的变电站 一般不必再配置单独的 RTU 而是由监控系统所采集 的模拟量和开关状态信息 通过通信管理单元直接送往调度 对于继电保护动作信息的采集 7 80 可以由各微机保护单元 将动作信息通过综合自动化系统内部网络送给通信管理单元再送给 调度 并由通信管理单元转发或执行调度下达的命令 由于综合自动化系统内部各子系统间 通过网络连接 既减少了彼此间的连接电缆 简化了设备 又可以传送更多的信息 更为突 出的特点是可将各微机保护子系统和各自动装置的定值送往调度端 上级调度也可对其修改 定值 而且综合自动化系统还能将三次进条路 1 运行此态和投摩启诊断时信 击耐调度主席 才报苦 这些都是常规的变电所没有办法达到的 因此 目前新建的变电站在投资允许的情 况下 采用综合自动化系统不仅可以全面提高无人值班变电站的技术水平 也可提高其可靠 性 1 6变电站自动化技术的发展过程变电站自动化技术的发展过程 国外从 70 年代末 80 年代初就开始进行保护和控制综合自动化新技术的开发和试验研 究工作 80 年代中期 我国亦开始研究变电站综合自动化技术 尤其是近年来 国内变电站 综合自动化技术也得到了飞速的发展 下面就国内外变电站综合自动化技术的现状与发展作 一总结和分析 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 70 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 微处理器为核心的智能自动装置阶段 1971 年 世界上第一片微处理器问世 美国 Intel 公司率先做出了贡献 接着许多厂家 都纷纷开始研制微处理器 逐步形成了以 Intel 公司 Motorola 公司 Zilog 公司为代表的三 大系列微处理器产品 由于该产品集成度高 体积小 性能价格比高 被微型机迅速渗透和 占领了各个技术领域 为计算机应用的普及和推广提供了现实的可能性 另一方面 工农业 生产和科学技术发展的需求 反过来又促进了微处理器技术的迅速发展 使之在 70 年代的 10 年中便更新了三代 20 多年来 几乎每两年微处理器的集成度便翻一翻 每 2 4 年便更 新换代一次 现已进入第五代 即 64 位高档微处理器阶段 80 年代 随着国家改革开放方针的进展 微处理器技术开始引人我国 并且吸引了许 8 80 多为电力行业服务的科技工作者 他们都把注意力放在如何将大规模集成电路技术和微处理 器技术应用于电力系统各个领域上 在变电站自动化方面 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 80 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 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和变电 站自动控制技术发展的必然结果 变电站综合自动化系统的发展阶段 国外变电站综合自动化的发展概况国外变电站综合自动化的发展概况 国外从 70 年代末 80 年代初就开始进行保护和控制综合自动化系统的新技术开发和试 验研究工作 如由美国西屋电气公司和美国电力科学研究院 EPRI 联合研制的 SPCS 变 电站保护和控制综合自动化系统 由日本关西电力公司与三菱电气公司共同研制的 SDCS I II 保护和控制综合自动化系统 SDCS I II 系统从 1977 1979 年进行了现场 试验及试运行 80 年代初已交付商业应用 目前 日本日立 三菱 东芝公司 德国西门子 公司 SIEMENS AEG 公司 瑞士 ABB 公司 美国通用电气公司 GE 西屋电气公 司 Wesinghouse 法国阿尔斯通公司 AL STHOM 瑞士 Landis 注入法 但无论哪一种原理 均采用零序过 压作为单相接地的认定启动条件 通过相电压降低判别故障相别 1 拉路选线 拉路选线 这是传统的选线方法 即逐路拉开出线断路器 当拉开某条出线后 若指针表指示 3U0 降低为正常值 则表明此线路接地 对拉开的线路 一般可人工或通过重 合闸送上 目前国内部分综合自动化厂家也提供了类似的远方命令实现拉路选线功能 2 零序电流和零序功率方向 零序电流和零序功率方向 对于完全不接地系统 由于接地线路零序电流稍大 是非接地线路零序电容电流的总和 且零序电流方向滞后于零序电压 90o 非接地线路 零序电流方向超前于零序电压 90o 所以可根据以上两特性进行线路接地判别 若工作出 线较多 接地线路零序电流增大明显 则仅通过零序过流即可正确选出接地线路 若工作出 线较少或零序过流灵敏度不能满足要求 则应考虑选用零序功率方向进行选线 零序过流选 线使用条件可参考 其中 3I0min 线路单相接地时的最小零序电流 Klm 灵敏系数 取 2 3I0max 正常运行时的最大接地电容电流 Kk 可靠系数 取 1 5 2 Ibp 一次侧的不平衡电流 Kk 可靠系数 取 1 2 1 3 3 五次谐波判别法 五次谐波判别法 中性点非直接接地系统单相接地时 由于发电机电动势的非正 弦特性和变压器铁芯 负荷的非线性 电压 电流总是包含有谐波分量 其中五次谐波较大 在经消弧线圈接地的系统中单相接地时 消弧线圈仅能补偿电容电流中的基波分量 对于五 次谐波分量 由于消弧线圈感抗增大为基波感抗的 5 倍 而线路五次谐波容抗为基波容抗的 1 5 所以消弧线圈中的五次谐波电感电流相对于五次谐波对地电容电流来说是非常小 起不 到补偿作用 与中性点完全不接地系统相似 可以不考虑消弧线圈的影响 五次谐波在电网 中的分布规律与基波电流一样 接地线路的五次谐波零序电流较非接地线路的五次谐波零序 电流大 且非接地线路的五次谐波零序电流超前于五次谐波零序电压 90 接地线路的五次 谐波零序电流滞后于五次谐波零序电压 90 据此可采用五次谐波零序电流方向判断接地线 路 五次谐波判别法既适用于经消弧线圈接地系统 同样也适用于完全不接地系统 但由于 谐波分量的大小与电网结构 运行方式 故障处的过渡电阻 电弧电阻 导线与地之间电阻 等 有关 因此保护的灵敏度有时不能得到保证 h bpkk dzbp lm kdz lm K IKIK II K I IKI K I max0 0 min0 max00 min0 3 3 3 3 26 80 4 反应暂态分量首半波 反应暂态分量首半波 小电流接地系统单相接地时还有以下特点 故障线路的暂 态电流首半波比非故障线路的暂态电流大得多 且故障线路的首半波暂态零序电流与暂态零 序电压相位相反 而非故障线路的首半波暂态零序电流与暂态零序电压相位相同 所以也有 研究人员提出反应零序电流暂态分量首半波进行接地选线的方法 可用于中性点不接地系统 也可用于中性点经消弧线圈接地系统 由于此元件需要反应暂态电流 因此要求速动 动作 后还需要自保持 但如果接地故障发生在相电压瞬时值过零点附近时 保护的灵敏度较低 可能拒动 国内现行综合自动化系统的接地选线方法大多采用 2 3 两种原理 根据各自系统设计 的不同又有不同的实现方式 有的通过专门的选线装置实现 也有的分散于各测控保护装置 专门的选线装置由于全部采集了零序电压和所有线路零序电流信息 所以具有加强各线路零 序电流幅值 方向的比较的优势 而且尽可能多地采用多种原理和算法 包括第 4 项原理 而分散于各测控保护装置进行选线的方式 一般仅在各线路装置上以零序电流和零序功率方 向分散实现接地选线 部分系统设计各线路装置完成线路零序电流基波幅值及相角的采集和 计算 但不进行选线 而通过通讯控制器 管理机 全部收集后 全盘比较确定接地线路 以上无论何种原理均需要提供零序电流 对电缆出线或经电缆引出的架空线有条件通过 安装零序电流互感器获取零序电流 而单纯的架空线则无法安装零序电流互感器 若必须获 取零序电流则只能通过三相电流捏合 此时由于 CT 变比较大 三相 CT 不平衡等因素均降 低了以上的灵敏度和准确性 为了提高接地选线可靠性 解决此类问题 1995 年 原山东 工业大学电力系桑在中 潘贞存教授等提出 注入法 接地选线新概念 获得国家专利并研 制出相应装置投放市场 5 注入法 注入法 注入法选线的设备分主机 辅机两部分 主机装于主控室 辅机装于各 线路出口处 当通过 3U0 升高确认发生单相接地后 由主机通过母线 PT 接地相二次测向电 网注入一个特殊频率的信号电流 它在 PT 一次侧的感应电流通过接地线路经接地点形成通 路 而在非接地线路上不流通 这样通过辅机进行电流信号探测 并与主机通讯即可判断出 接地线路 注入法选线是一种比较新颖的思路 它克服了根据零序电流进行选线的诸多缺点 适用于各种非直接接地系统的单相接地选线 若能在产品实现等方面继续探索 有望在选线 准确率等方面较基于零序电流原理的设备有更好表现 故障记录 故障录波和测距故障记录 故障录波和测距 110kV 及以上的重要输电线路距离长 发生故障影响大 必须尽快查找出故障点 以便 缩短修复时间 尽快恢复供电 减少损失 设置故障录波和故障测距是解决此问题的最好途 径 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 一般为保护启动前 2 4 个周波 即发现故障前 2 4 个周波 和保护启动后约 10 个周波的数据 并适当地考虑了保护动作和重合闸等全过 程的情况 在保护装置中最好能保存连续 3 次的故障记录 110kV 及以下变电站一般采用此 27 80 种方式 另一种方法是采用专用微机故障录波屏 另外配置相应的硬件采集相应模拟量 信 号量 并根据一定启动条件进行录波 故障录波屏均带有相应的显示器及配套显示分析软件 但也应具有与上级通信的功能 由于故障录波屏的录波数据量大 一般为保护启动前到重合 闸动作后全过程约 10s 甚至几分钟的数据 数据上传最好采用专用局域网 同期操作同期操作 随着电网发电容量的不短增大 发电机组的不短增多 特别是一些自备电厂或小水电站 的不断增加 在变电站实现同期操作的要求也越来越多 变电站的同期操作主要有 检同期 重合闸 检同期并列合闸 自备电厂电站或小水电站的准同期合闸 检同期重合闸由于两系统分列时间短 约 1 2s 一般不考虑两系统频率有较大差异 所以仅需检测两侧电压相角满足要求即可重合闸出口 同时也不需设置 导前时间 等参数 检同期并列合闸和准同期合闸均须检测三个条件 频率差异一般最大不超过 0 4Hz 电压差异一般线电压不超过 10V 相角差异一般不宜超过 10O 准同期功能另 外还具有调整待并机组励磁电压 输出电压 转速 输出频率 的控制功能 以使待并机 组尽快满足并网条件 声音图象远程监控声音图象远程监控 近两年 声音图象远程监控也逐步成为变电站综合自动化系统的一部分 它具有以下优 越性 1 声音图象异常自动识别功能 当变电站发生异常情况时能够及时发出报警信息 2 声音图象信息存储存储功能 便于事后对异常情况的了解分析处理 3 真正的全天候 24 小时监控 在夜晚 雨天等情况下均可实现有效监控和告警 4 部分系统具有门禁控制功能 有效管理记录人员进入情况 远动监控子系统 远动监控子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 取代常规的告警 报警 中央信号 光字牌等 取代常规的远动装置等等 总之 其功 能应包括以下几部分内容 一 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 模拟量的采集 变电站需采集的模拟量有 系统频率 各段母线电压 进线线路 电压 各断路器电流 有功功率 无功功率 功率因数等 此外 模拟量还有主变油温 直 流合闸母线和控制母线电压 站用变电压等 28 80 2 开关量的采集 开关量的采集 变电站需采集的开关量有 断路器的状态及辅助信号 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 继电保护及安全自动控制装置信号 运行告警信号等 3 电电度量采集 度量采集 现行变电站综合自动化系统中 电度量采集方式包括脉冲和 RS485 接口两种 对每断路器的电能采集一般不超过正反向有功 无功 4 个电度量 若希望得到更 多电度量数据 应考虑通过独立的电量采集系统 二 事件顺序记录 SOE 事件顺序记录 SOE Sequence of Events 包括断路器跳合闸记录 保护动作顺序记 录 并应记录事件发生的时间 应精确至毫秒级 微机保护和远动监控系统必须有足够的 内存 能存放足够数量或足够长时间段的事件顺序记录 确保当后台监控和远方集中控制主 站设备故障或通信中断时 不丢失事件信息 详细指标见调度自动化规范 三 操作控制功能 操作人员应可通过远方或当地显示屏幕对断路器和电动隔离开关进行分 合操作 对变 压器分接开关位置进行调节控制 为防止计算机系统故障时无法操作被控设备 在设计时 应保留人工直接跳 合闸手段 对断路器的操作应有以下闭锁功能 1 断路器操作时 应闭锁自动重合闸 2 当地进行操作和远方控制操作要互相闭锁 保证只有一处操作 以免互相干扰 3 根据实时信息 自动实现断路器与隔离开关间的闭锁操作 4 无论当地操作或远方操作 都应有防误操作的闭锁措施 即要收到返校信号后 才执行下一项 必须有对象校核 操作性质校核和命令执行三步 以保证操作的正确性 四 人机联系功能 数据处理与记录功能 打印功能 这几项功能与调度主站基本类似 此处不再赘述 通信管理子系统 综合自动化系统的通信管理功能包括三方面内容 一是各子系统内部产品的信息管理 二是主通讯控制器 管理机 对其它公司产品的信息管理 三是主通讯控制器 管理机 与 上级调度的通信 有关变电站通信网络后面还将独立阐述 本处仅就这三方面作概括介绍 与与上级调度的通信上级调度的通信 变电站综合自动化系统应具有与电力调度中心通信的功能 而且每套综自系统应仅有一 个主通讯控制器完成此功能 对 110kV 及以下中低压变电站 综自厂家的通讯控制器即作为 主通讯控制器 对 220KV 及以上高压变电站 目前采用保护 远动监控独立的系统模式且 大多属于两个厂家产品 此时一般远动监控厂家的通讯控制器即作为主通讯控制器 29 80 需要说明的是 对专用故障录波屏 独立的电量采集系统 声音图象远程监控系统 由 于其数据量较大 目前一般不通过主通讯控制器进行信息管理 而采用各自独立的通讯网送 至远方相应信息监控管理系统 主通讯控制器把变电站所需测量的模拟量 电能量 状态信息和 SOE 等测量和监视信 息传送至调度中心 同时从上级调度接收数据和控制命令 例如接收调度下达的开关操作命 令 在线修改保护定值 召唤实时运行参数 主通讯控制器与调度中心的通信通道目前主要有 载波通道 微波通道 光纤通道 而 且对重要变电站 为了保证对变电站的可靠监控 常使用两条通道冗余设置 互为备用 载 波通道一般采用 300 或 600bps 也有特殊要求的 1200bps 情况 微波通道 光纤通道可达 到 9600bps 现在越来越多的地方在逐步实施光纤通讯手段 也有一些地方在尝试采用局域网实现对变电站的监控 但安全性的考虑也是要慎重对待 的 一般的问题可以通过防火墙设置来过滤一些有害信息 在通讯控制器上最好还要实现一 个网关的功能 可以设置不同的网段进行隔离 但为了保险起见最好采用完全独立局域网 对其它公司产品的信息管理对其它公司产品的信息管理 变电站综合自动化系统技术涉及面广 各子系统间功能要求差异大 所以现在大多数厂 家不能全部提供满足其中各种功能和不同用户需求的产品 所以根据变电站综合自动化优化 资源 信息共享的目的 这就必然要求主通讯控制器对其它公司的产品进行通信和管理 主通讯控制器对其它公司产品的信息管理一般包括 保护和安全自动装置信息的实时上 传 保护和安全自动装置定值的召唤和修改 电子式多功能电能表的数据采集 智能交直流 屏的数据采集 向五防操作闭锁系统发送断路器刀闸信号 根据系统设计要求接收其闭锁信 号 其它智能设备的数据采集 所有设备的授时管理和通讯异常管理 主通讯控制器与其它公司产品的通讯一般采用 RS232 RS422 485 接口 常用速率有 1200 2400 4800 9600bps RS232 接口的最大传输距离是 15m 若超出此距离或考 虑增强可靠性 以及抗雷击和抗干扰能力 则应每对 RS232 接口配置 1 对光电隔离长线收 发器 由于近年来光电隔离长线收发器的技术发展和大量使用 其价格已比较便宜 连接设 计也越来越方便 对仅使用 2 TXD 3 RXD 5 GND 三个信号线的 RS232 接口 一般仅需要 4 根线两端压接连接即可 对线的介质无特殊要求 由于加装光电隔离长线收发 器可明显减少误码率和意外损外 并有较好的抗雷击能力 能有效提高 RS232 接口的可靠 性 所以我们建议用户在每对 RS232 接口均配置 1 对光电隔离长线收发器 包括对调度中 心通讯采用微波通道 光纤通道时 主通讯控制器与微波机 光端机的 RS232 接口 子系统内部产品的信息管理子系统内部产品的信息管理 子系统内部产品的信息管理 即为综合自动化系统的现场级通信 主要解决各子系统内 部各装置之间及其与通讯控制器 管理机 间的数据通信和信息交换问题 它们的通信范围 是变电站内部 对于集中组屏的综合自动化系统来说 实际是在主控室内部 对于分散安装 30 80 的自动化系统来说 其通信范围扩大至主控室与子系统的安装地 最大的可能是开关柜间 即通信距离加长了 常规远动 RTU 因采集和处理的数据量相对较少 实时性能很好地达到有关标准规定的 技术指标 并满足电力调度的需要 随着变电站综合自动化系统的信息量大大增大 为保证 实时性 对现场通信网络的速度及可靠性都提出了更高的要求 现行变电站综合自动化的现场通讯网主要有 RS485 CANBUS 控制局域网 LONWORKS 局部操作网 其中 CANBUS 网络由于具有载波侦听多路访问 冲突检测 CSMA CD 多优先级 多主节点 通讯距离远 5KBPS 10KM 速率高 1MBPS 40M 等特点 同其它通讯网相比具有较大优势 站内通信网一般采用电缆作为 通信介质 根据我们的经验 CANBUS 网络推荐采用铠装屏蔽电缆作为通信介质 材料方便 获取 连接可靠性高 并经多年现场应用验证可满足应用要求 90 年代以来以太网技术进一步发展成熟 以及近年来基于单片机的嵌入式以太网的出 现 为变电站综合自动化系统提供了实现现场通讯网的心途径 目前国外一些著名公司已经 将嵌入式以太网技术应用于最新推出的变电站综合自动化系统 如 GE 公司的 UR 系列通用 微机保护装置 GE HARRIS 公司的 D25 测控装置 以及 ABB 公司的 R580 间隔控制装置 国内综自厂家也在积极进行这方面的探索和研究 并已在面向 220kV 及以上变电站的高压监 控装置中实现 但应该指出 嵌入式以太网协议目前还没有得到很好统一 虽然美国电力科 学研究院已提出 UCA 嵌入式以太网通信协议体系 现在为 2 0 版本 但为世界范围厂家 希望共同遵从的 IEC 61850 规范迟迟未最终定稿 所以目前不同厂家的产品无法实现同网互 联 另外嵌入式以太网技术比较复杂 现在还未完全成熟 国内国际上各保护厂家对嵌入式 以太网在保护装置的应用模式和传输模式上还存在一些分歧 对其复杂性是否会影响保护功 能还存在疑虑 所以国外部分保护厂家新研发的保护产品采用两 CPU 板独立实现保护和嵌 入式以太网功能 而国内厂家在保护装置上实施嵌入式以太网技术还比较谨慎 3 变电站综合自动化装置原理介绍变电站综合自动化装置原理介绍 3 1硬件原理介绍硬件原理介绍 变电站综合自动化装置实际上是一种依靠单片机智能地实现保护 监控等功能的工业控 制装置 典型的变电站综合自动化装置结构是由五个部分构成的 即数据采集部分 数据处 理部分 开关量输入 输出部分 人机接口及电源部分 结构示意图如下 31 80 辅 助 变 换 器 低 通 滤 波 器 采 样 保 持 器 多 路 开 关 模 数 变 换 器 电 源 保护 CPU 模入 开入光隔 开关量 输入 U 5V 15V 24V 继 电 器 保护出口 告 警 启 动 测控 CPU 串行通信 跳合闸出口 RAM EPROM EEPROM 通讯 遥控出口 信 号 一 数据采集部分 将模拟输入量转换为所需的数字量 主要包括辅助变换器 低通滤波器 ALF 采样 保持器 S H 多路转换开关 MPX 及模数变换器 A D 等功能部件 变换器 压频 变换器 VFC 计数器等 二 数据处理部分 即单片机主系统 CPU 主系统 它将数据采集单元输出的数据进行分析处理 完成 各种继电保护和测量控制功能 包括微处理器 MPU 只读存储器 EPROM E PROM 随机存储器 RAM 时钟 CLOCK 等器件 三 开关量输入 输出部分 完成保护的出口跳闸 开关量信号的采集 主要由多重输入 输出接口芯片 PIO 或 PIA 光电隔离器等部件构成 四 人机接口部分 主要通过键盘 汉化液晶显示 打印及信号灯等来实现人机对话 五 电源部分 为前述各种芯片和外围器件提供电源 一般输入电压为交流或直流 220V 输出的压有 5V 15V 24V 等 数据采集单元是微机保护中很重要的电路 保护装置的动作速度和测量精确度等性能都 与该电路有密切关系 以下着重介绍数据采集单元各部分功能实现 其他部分将结合软件算 法进一步介绍 一 电压形成回路 32 80 微机保护要从电流互感器和电压互感器取得信息 单其二次侧的电流或电压不能适应模 数变换器的输入范围 故需对他们进行变换 一般采用电流变换器 并在其二次侧并联电阻 以取得所需电压 电流变化器优点就是其二次侧电流及并联电阻上电压的波形可基本保持与 一次电流波形相同且同相 即不失真 电压回路除了起电量变换作用外 还起到隔离作用 减弱了来自高压的电磁干扰 二 低通滤波器 ALF 这主要是针对保护模拟量而设置的 因为对于微机保护一般都是反映工频变化量的 或 者是反映某种高次谐波 如 5 次谐波分量 所以在采样之前需将最高信号频率分量限制在 一定频带之内 即限制输入信号的最高频率 滤出高频成分 以降低采样频率 fs 一 方面降低了对硬件的速度要求 另一方面对所需的最高频率信号的采样不至于发生失真 要限制输入信号的最高频率 只要在采样前用一个模拟低通滤波器 ALF 将 fs 2 以 上的频率分量滤去即可 采用 ALF 消除频率失真现象后 采样频率就取决于保护原理和算法 的要求了 对于每周波 12 点采样 600 次 秒 采样间隔 Ts 为 1 66ms 每周波 24 点采 样 1200 秒 采样间隔 Ts 为 0 83ms 目前国内保护每周波采样点大多是 12 点或 24 点 基本能够满足硬件速度及对频率不失真采样的要求了 近年 DSP 数字信号处理器 芯片 开始在模拟量采集上大量应用 其优势即在于对 A D 后的数字信号有非常强的快速运算能力 在今后的保护产品研发中 DSP 技术也必将被广泛采用 通过 DSP 技术的应用将使保护每 周波采样点达到 64 点甚至 128 点 这也将有利于降低对低通滤波的要求和获取更多故障信 息 三 采样保持电路 S H 多路转换开关 MPX S H 电路的作用有两方面 首先是为了保证在 A D 转换过程中输入模拟量保持不变 其 次是为了保证各模拟量间的相位关系在采样后保持不变 各通道必须同步采样保持 微机保 护多采用多路通道共用一片 A D 变换器 在每路通道各用一个 S H 芯片在同一时刻对各路模 拟量进行采样并保持 然后通过多路开关依序将各 S H 采样保持的模拟量由 A D 变换为数字 量供 CPU 处理 采样保持器何时采样受来自 CPU 的控制信号的管理 四 模数变化 A D A D 变换器的作用是将模拟通道中已离散化的信号变化为计算机所需的数字量 A D 变 33 80 换器多采用逐次逼近型原理实现 3 2保护软件原理介绍保护软件原理介绍 微机保护主程序框图如下 初始化 初始化是指保护装置在上电或复位时首先执行的程序 主要对单片机及可编程扩展芯片 的工作方式 参数的设置以便在后面的程序中按照预定的方案工作 主要包括采样定时器 的初始化 控制采样间隔时间 对 RAM 区中所有运行时要使用的软件计数器及各种标志位 清零等程序 自检 初始化完成之后 开始对保护装置进行全面的自检如果自检不正常则显示装置故障信息 然后开放定时采样中断和串行口中断 等到中断发生后转入中断服务程序 自检的内容和方 式 1 CPU 自检 34 80 上电或复位后 执行一组特定的指令 根据其运行结果即得到其状态信息 2 RAM 自检 对 RAM 的某一单元写入一个数 如 AAH 再从其中读出来 并比较两者是否相等 如 不相等则应显示 RAM 故障 信息 主程序运行时 除进行上述 RAM 写检查外 还要针对 定值参数区等重要数据可进行 CRC 校验 如 CRC 校验正确 即证明此区数据可用 如 CRC 校验错误 即证明此区数据已损坏 应从 E PROM 内读取