常规变电站LB数字化改造方案毕业论文.doc

本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 论文 设计 题目 常规变电站论文 设计 题目 常规变电站 LB 数字化改造方案数字化改造方案 学学 院 院 专专 业 业 班班 级 级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 2015 年 6 月 4 日 贵州大学本科毕业论文 设计 贵州大学本科毕业论文 设计 诚信责任书诚信责任书 1 本人在毕业论文 设计 撰写过程中遵守学校有关规定 恪守学术 规范 毕业论文 设计 是在指导教师的指导下独立成 2 论文所使用的相关资料 数据 观点等均真实可靠文中所有引用他 人观点 材料 数据 图表均已注释说明来源 3 论文无抄袭 剽窃或不正当引用他人学术观点 思想和学术成果伪 造 篡改数据的情况 4 本人知道学校对毕业论文 设计 中的抄袭 剽窃 弄虚作假等违 反学术规范的行为将严肃处理并可能导致开除学籍 取消学士学位资格或 注销并被追回已发放毕业证书 学士学位证书的严重后果 5 若在学校组织的毕业论文 设计 检查 评比中被发现有抄袭 剽 窃 弄虚作假等违反学术规范的行为 本人愿意接受学校按有关规定给予 的处理 并承担相应责任 特此声明 论文 设计 作者签名 日 期 目录 摘要 VI Abstrcat VII 第一章 变电站一次部分概述 1 1 1 一次设备和二次设备 1 1 1 1 何谓一次设备 1 1 1 2 何谓二次设备 1 1 1 3 一次和二次的相关联系 1 1 2 电气主接线 1 1 2 1 何谓电气主接线 1 1 2 2 典型主接线及其特点 1 1 3 各电压等级的典型间隔及主要设备 2 1 3 1 有哪些典型间隔 各典型间隔的主要组成设备 2 1 4 主要一次设备的作用 3 1 5 主要设备的选择原则 选作内容 4 第二章 变电站自动化系统概述 5 2 1 变电站自动化的主要功能及信息量 5 2 1 1 测量监视控制功能 5 2 1 2 继电保护功能 6 2 1 3 自动控制功能 7 2 1 4 远动与数据通信功能 8 2 2 变电站综合自动化微机系统的结构原理 9 2 2 1 模拟量输入输出回路 9 2 2 2 微机系统 9 2 2 3 开关量输入输出回路 10 2 2 4 人机对话接口回路 10 2 2 5 通信回路 10 2 2 6 电源 10 2 3 变电站综合自动化系统的硬件结构形式 10 2 3 1 集中式综合自动化系统 10 2 3 2 分层分布式结构集中式组屏综合自动化系统 11 2 4 变压器的保护与测控子系统 12 2 4 1 电力变压器微机保护的配置 12 2 4 2 电力变压器比率制动式差动保护 12 2 4 3 电力变压器后备保护 13 2 4 4 变压器危机监控 保护装置举例 13 2 5 输电线路的保护与测控子系统 14 第三章 数字变电站主要技术特征和架构体系 15 3 1 数字变电站的主要技术特征 15 3 1 1 数据采集数字化 15 3 1 2 系统分层分布化 15 3 1 3 系统结构紧凑化 16 3 1 4 系统建模标准化 17 3 1 5 信息交互网络化 18 3 1 6 信息应用集成化 18 3 1 7 设备检修状态化 18 3 1 8 设备操作智能化 19 3 2 数字化变电站的结构体系 19 3 2 1 基本结构 19 3 2 2 变电站二次回路通信模式 21 3 2 3 过程总线的组网方式 22 3 2 4 变电站总线的组网方式 22 3 2 5 系统的冗余性 23 3 3 对变电站二次系统的影响 24 3 3 1 一 二次系统实现有效的电气隔离 24 3 3 2 信息交互采取对等通信模式 24 3 3 3 信息同步采取网络同步机制 25 3 3 4 系统的可观性和可控性提高 25 3 3 5 信息的安全性问题凸现 25 第四章 非常规互感器和传统互感器的比较 27 4 1 传统互感器的原理 27 4 1 1 电磁式电流互感器 27 4 1 2 电磁式电压互感器 27 4 2 传统互感器存在的问题 27 4 2 1 电磁式电压互感器存在的问题 27 4 2 2 电磁式电流互感器存在的问题 28 4 3 非常规互感器原理及其特点 28 4 3 1 电子式互感器原理 28 4 3 2 光电式电流互感器原理 29 4 3 3 非常规互感器的基本特点 29 第五章 变电站数字化改造综述 30 5 1 变电站数字化改造的必要性 30 5 2 变电站数字化改造的可行性 30 5 3 改造后数字化变电站的特点和优势 30 第六章 变电站现状及改造内容 32 6 1 变电站现状 32 6 1 1 一次部分 32 6 1 2 二次部分 32 6 1 3 通信部分 33 6 2 本期改造内容 33 6 2 1 一次部分改造内容 33 6 2 2 二次部分改造内容 34 6 2 3 本期改造增加内容 36 6 2 4 电缆及光缆敷设 36 6 3 改造方案设计 36 6 3 1 变电站自动化系统 36 6 3 1 设计原则 36 6 3 2 监控范围 37 6 3 3 系统构成 37 6 3 4 网络结构 37 6 3 5 系统功能 38 6 4 设备配置 39 6 4 1 站控层设备配置 39 6 4 2 间隔层设备配置 43 6 4 3 过程层设备配置 46 2 2 3 1 互感器 46 2 2 3 2 合并单元 46 6 4 4 网络设备配置 49 6 4 5 与其他设备接口 50 6 4 6 高级应用 50 6 5 元件保护 52 6 5 1 元件继电保护及自动装置 52 6 5 2 35 kV 10kV 线路继电保护及自动装置配置 52 6 6 其他二次系统 53 6 6 1 设备状态监测系统 53 6 6 2 试验电源 53 6 6 3 低频减载装置 53 6 6 4 交流站用电系统 53 6 6 5 直流系统 53 6 6 6 交流不间断电源系统 53 6 6 7 小电流接地选线装置 53 6 6 8 智能辅助控制系统 53 6 6 9 二次设备的接地 防雷 抗干扰 54 6 7 二次设备组柜及布置 54 6 7 1 主要二次设备组屏原则 54 6 7 2 电气二次设备布置方案 54 小结 55 参考文献 57 致谢 58 常规变电站常规变电站 LB 数字化改造方案数字化改造方案 摘要 数字化变电站是指采用智能化的一次设备 以变电站一 二次设备为数字化对象 以高速网络平台为基础 通过对数字化信息进行标准化 实现站内外信息共享和互操作 并以网络数据为基础 实现测量监视 控制保护 信息管理等自动化功能的现代化变电 站 基于变电站自动化系统的发展 数字化变电站技术在近年得到长足的进步 本文阐 述了数字化变电站的概念 数字变电站的自动化以及与常规变电站本质的不同 关键词 数字化 变电站 信息化 Conventional substation digitization of LB Abstrcat Refers to the use of a digital substation equipment in intelligent substation with one or t wo times of equipment for the digital object with high speed network platform as the foundation through the standardization of digital information r ealize theinside and outside of the station information sharing and interoperability and to network data base realize the modernization of Subst ation control and protection measurement monitoring information management etc automati on function The development of substation automation system based on digital substation tec hnology in recent years has made great progress This paper expounds the concept of digital s ubstation automation digital substation and conventional substation is essentially different Keywords Digital substation information 第一章 变电站一次部分概述 1 1 一次设备和二次设备 1 1 1 何谓一次设备 直接用于生产和使用电能 比控制回路 二次设备 电压高的电气设备称为一次 设备 1 1 2 何谓二次设备 对电力系统内一次设备进行监察 测量 控制 保护 调节的补助设备 称为二 次设备 即不直接和电能产生联系的设备 1 1 3 一次和二次的相关联系 一次 在电力生产上主要指的是 主路 二次 主要是用来控制 一次 的 用 一次 来修饰设备 主要是为了体现设备属于主路或设备的电压等级比二次设备 的电压等级高 1 2 电气主接线 1 2 1 何谓电气主接线 电气主接线主要是指在发电厂 变电所 电力系统中 为满足预定的功率传送和 运行等要求而设计的 表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电路 电路中的高压电气设备包括发电机 变压器 母线 断路器 隔离刀闸 线路等 它们的连接方式对供电可靠性 运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用 一般在 研究主接线方案和运行方式时 为了清晰和方便 通常将三相电路图描绘成单线图 在绘制主接线全图时 将互感器 避雷器 电容器 中性点设备以及载波通信用的通 道加工元件 也称高频阻波器 等也表示出来 对一个电厂而言 电气主接线在电厂设计时就根据机组容量 电厂规模及电厂在 电力系统中的地位等 从供电的可靠性 运行的灵活性和方便性 经济性 发展和扩 建的可能性等方面 经综合比较后确定 它的接线方式能反映正常和事故情况下的供 送电情况 电气主接线又称电气一次接线图 1 2 2 典型主接线及其特点 1 可靠性 供电可靠性是电力生产和分配的首要要求 停电会对国民经济各部门带来巨大的损 失 往往比少发电能的损失大几十倍 导致产品报废 设备损坏 人身伤亡等 因此 主 接线的接线形式必须保证供电可靠 因事故被迫中断供电的机会越小 影响范围越小 停电时间越短 主接线的可靠程度就越高 研究主接线可靠性应注意的问题如下 2 灵活性 电气主接线应能适应各种运行状态 并能灵活地进行运行方式的转换 不仅正常运 行时能安全可靠地供电 而且在系统故障或电气设备检修及故障时 也能适应调度的要 求 并能灵活 简便 迅速地倒换运行方式 使停电时间最短 影响范围最小 同时设计 主接线时应留有发展扩建的余地 3 经济性 在设计主接线时 主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间 欲使主接线可靠 灵 活 必然要选高质量的设备和现代化的自动装置 从而导致投资的增加 因此 主接线的 设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理 此外 在系统规划设计中 要避免建立复杂的操作枢纽 为简化主接线 变电所接入 系统的电压等级一般不超过两种 设计变电所电气主接线时 所遵循的总原则 1 符合设计任务书的要求 2 符合有关的方针 政策和技术规范 规程 结合具体工程特点 设计出技术经济 合理的主接线 3 不同电压等级主接线的选择原则 考虑投资与变电站重要性有关 对于 110KV 及以下多采用单母线 单母分段 内外桥接线 线变组等 对于 220KV 级以上多为双母线 双母单分 双母双分 3 2 接线等主接线形式 1 3 各电压等级的典型间隔及主要设备 1 3 1 有哪些典型间隔 各典型间隔的主要组成设备 35KV电压等级的典型间隔及主要设备 1 电缆馈线间隔 断路器 电流互感器 电压互感器 隔离开关 接地开关 2 架空馈线间隔 断路器 电流互感器 电压互感器 隔离开关 接地开关 3 进线开关柜 断路器 电流互感器 电压互感器 隔离开关 接地开关 4 PT 间隔 高压熔断器 电流互感器 电压互感器 消谐器 5 分段间隔 断路器 电流互感器 电压互感器 隔离开关 接地开关 10KV电压等级的典型间隔及主要设备 1 馈线柜间隔 断路器 电流互感器 电压互感器 避雷器 接地开关 零 序互感器 消谐器 2 母线柜间隔 断路器 电流互感器 电压互感器 避雷器 高压熔断器 零序互感器 消谐器 3 厂用柜间隔 避雷器 高压熔断器 4 分段隔离柜 避雷器 5 分段开关柜 断路器 电流互感器 电压互感器 接地开关 6 电容柜 电流互感器 电压互感器 避雷器 接地开关 零序互感器 消 谐器 7 主变架空馈线柜 断路器 电流互感器 电压互感器 避雷器 8 主变架空进线柜 断路器 电流互感器 电压互感器 避雷器 110KV电压等级的典型间隔及主要设备 1 母线分段间隔 隔离开关 SF6 断路器 电流互感器 2 110KV出线及母线设备间隔 避雷器 电流互感器 电压互感器 电容式 电压互感器 隔离开关 F6 断路器 1 4 主要一次设备的作用 说明各主要设备的作用 变压器 变压器在电力系统中主要作用是变换电压 以利于功率的传输 升高电 压可以减少线路损耗 提高送电的经济性 达到远距离送电的目降低电压把高电压变 为用户所需要的各级使用电压 满足用户需要 断路器 能够关和 承载和开断正常回路条件下的电流 并能关和 在规定时间 内承载和开断异常回路条件下的电流 断路器的主要特点是具备灭弧能力 隔离开关 刀闸的主要特点是无灭弧能力 只能在没有负荷电流的情况下分 合 电路主要作用是分闸后 建立可靠的绝缘间隙 将需要检修的设备或线路与电源用一 个明显断开点隔开 以保证检修人员和设备的安全 根据运行需要环节线路 可用来 分 合线路的中小电流 如套管 母线 连接头 短电缆的充电电流 开关均压电容 的电容电流 双母线换接时的环流以及电压互感器的励磁电流等 根据不同结构类型 的具体情况可用来分 合一定容量变压器的空载励磁电流 电流互感器 把高电压 大电流变换成低电压 小电流提供给测量仪表及保护装 置 对系统主要参数进行测量和监控 电流互感器的主要作用 电流互感器的二次回路 不允许出现开路用 电压互感器 把高电压变换成标准值电压 100V 提供给测量仪表及保护装置 对系 统主要参数进行测量和监控 使二次设备和工作人员与一次高电压隔离 电压互感器 的二次回路不允许出现短路 接地开关 代替携带型地线 在高压设备和线路检修时将设备接地保护人身安全 造成人为接地 满足保护需求 接地开关配置在断路器两侧隔离开关站旁边 起到断 路器检修时两端接地的作用 避雷器 避雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压 操 作过电压 工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器 避雷器的类型主要有保护间隙 阀型避雷器和氧化锌避雷器 保护间隙主要用于限制大气过电压一般用于配电系统 线路和变电所进线段保护 阀型避雷器与氧化锌避雷器用于变电所和发电厂的保护 在 500KV 及以下系统主要用于限制大气过电压 在超高压系统中还将用来限制内过 电压或作内过电压的后备保护 1 5 主要设备的选择原则 选作内容 1 具有供电的可靠性 断路器检修时能否不停电 线路 断路器或母线发生故 障 母线检修时停运的线路回数和停电时间的长短 以及能否保证对重要用户的供电 是否存在变电站全站停电的可能性 2 具有一定的灵活性 调度灵活 操作简便 检修安全 扩建方便 3 经济性 投资省 占地面积小 电能损耗少 4 具有发展和扩建的可能性 选择主接线时 不仅要考虑最终接线的实现 还 应兼顾到分期过渡的可能和施工方便 第二章 变电站自动化系统概述 2 1 变电站自动化的主要功能及信息量 变电站自动化是应用控制技术 信息处理和通信技术 利用计算机软件和硬件系 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 变电站自动化的范畴包括综合自动化技术 远动技术 继电保护技术及变电站 其他智能技术等 2 1 1 测量监视控制功能 变电站综合自动化监控系统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 经过功能组合和优化设计 利用先进的计算机技术 现代电子技术 通讯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 自动控制和微机护 以及与调度通信等综合性的自动化功能 变电站层自动化系统同样采用分布式结构 包括监控后台软件 当地监控 PC 机 远动 通信接口和用于专业管理的工程师站 PC 机以及专用设备和网络设备等 有许多提供变 电站综合自动化监控系统方案的生产商如三旺通信 瑞科电气 三意时代等 同时提 供多种系统中的产品以及相关搭建问题 变电站层自动化系统通过组态完成全站检测 功能 全面提供线路 主设备等的电量 非电量等运行数据 完成对变压器 断路器 等设备的控制等 并具有保护信息记录与分析 运行报表 故障录波等功能 一 实时数据采集与处理 1 模拟量的采集 变电站采集的典型模拟量有 各段母线电压 线路电流 电压和功率值 馈线电流 电压和功率值 主变压器电流 功率值 电容器的电流 无功功率及频率 相位 功率 因数 2 状态量的采集 变电站的状态量有 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 同期检查状态 继电保护动作信号 运行告警信号等 3 脉冲量的采集 变电站采集的典型脉冲量是脉冲电能表输出的电能量数字量的采集 数字量的采 集主要是指采集变电站内由计算机构成的保护或自动装置的信息 二 运行监视 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 三 控制与安全操作闭锁 变电站的工作人员可通过 CRT 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 自动和手动相互闭锁操作管理权限按分层 级 原理管理 监控系统设有专用密码的操 作口令 使调度员 遥调 遥信操作员 系统维护员和一般人员能够按权限分层 级 操作和控制 四 故障录波与测距 110kV 及以上的重要愉电线路距离长 发生故障影响大 当输电线路故障时必须尽 快查出故障点 以便缩短维修时间 尽快恢复供电 减少损失 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 1 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 2 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 2 1 2 继电保护功能 继电保护是通过比较电力系统元件在正常状态 不正常状态和故障状态时所反映 的电气量上的差异不同 从而判断电力系统元件处在正常状态 不正常状态或故障状 态不正常状态动作于发信号故障状态跳闸 从而能快速正确地切除电力系统发生的各种 故障 保证电力系统安全稳定运行 提高供电的可靠性 而变电站综合自动化为我们提 供了一个很好的手段 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 2 1 3 自动控制功能 在变电站自动控制领域中 智能化电气的发展 特别是智能开关 光电式互感器 机电一体化设备的出现 变电站自动化技术进入了数字化的新阶段 在高压和超高压 变电站中 保护装置 测控装置 故障录波及其他自动装置的 I O 单元 如 A D 变换 光隔离器件 控制操作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分 反言之 智 能化一次设备的数字化传感器 数字化控制回路代替了常规继电保护装置 测控等装 置的 I O 部分 而在中 低压变电站则将保护 监控装置小型化 紧凑化 完整地安装在开关柜上 实现 了变电站机电一体化设计 变电站自动控制系统的结构在物理上可分为两类 即智能化的一次设备和网络化 的二次设备 在逻辑结构上可分为三个层次 根据 IEC6185A 通信协议草案定义 这三 个层次分别称为 过程层 间隔层 站控层 1 电压 无功综合控制 变电站电压 无功综合控制是利用有载调压变压器和母线无功补偿电容器及电抗 器进行局部的电压及无功补偿的自动调节 使负荷侧母线电压偏差在规定范围以内 在调度 控制 中心直接控制时 变压器的分接头开关调整和电容器组的投切直接接受 远方控制 当调度 控制 中心给定电压曲线或无功曲线的情况下 则由变电站综合自 动化系统就地进行控制 2 低频减负荷控制 当电力系统因事故导致有功功率缺额而引起系统频率下降时 低频减负荷装置应 能及时自动断开一部分负荷 防止频率进一步降低 以保证电力系统稳定运行和重要 负荷 用户 的正常工作 当系统频率恢复到正常值之后 被切除的负荷可逐步远方 或就地 手动恢复或可选择延时分级自动恢复 3 备用电源自投控制 当工作电源因故障不能供电时 自动装置应能迅速将备用电源自动投人使用或将 用户切换到备用电源上去 典型的备用自投有单母线进线备投 分段断路器备投 变 压器备投 进线及桥路器备投 旁跳断路器备投 4 小电流接地选线控制 小电流接地系统中发生单相接地时 接地保护应能正确的选出接地线路 或母线 及接地相 并予以报警 对于不接地系统 可采用零序功率方向 零序电流大小和方向等零序分量判据 对 于经消弧线圈接地系统还应考虑其他判据 如 5 次谐波判据等 进行综合判断 对中心点不接地电网中的单相接地故障又以下结论 1 单相接地时 全系统都将出现零压 2 在非故障的元件上有零流 其数值等于本身的对地电容电流 电容性无功功率 的实际方向为 母线 线路 3 故障线路上 零流为全系统非故障元件对地电容电流之和 数值一般较大 电 容性无功功率的实际方向为 线路 母线 2 1 4 远动与数据通信功能 主要解决自动化系统内部各子系统与上位机 监控主机 和各子系统间的数据和信 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 1 综合自动化系统的现场级通信 变电所综合自动化系统的通信任务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 综合自动化系统的现场级通信 主要解决自动化系统内部 各子系统与上位机 监控主机 和各子系统问的数据通信和信息交换问题 它们的通信 范围是变电所内部 综合自动化系统与上级调度的通信 应该能够将所采集的模拟量 和开关状态信息 以及事件顺序记录等远传至调度端 同时应该能够接收调度端下达 的各种操作 控制 修改定值等命令 2 综合自动化系统的与上级调度之间的通信 综合自动化系统必须兼有 RTU 的全部功能 应该能够将所采集的模拟量和状态量 信息 以及时间顺序记录等远传至调度端 同时应该能够接受调度端下达的各种操作 控制 修改定值等命令 即完成新型 RTU 等全部四遥功能 2 2 变电站综合自动化微机系统的结构原理 典型硬件结构主要包括 模拟量输入输出回路 开关量输入输出回路 微型就系 统 人机对话接口回路 通信回路和电源 2 2 1 模拟量输入输出回路 模拟量输入电路的主要作用 隔离 规范输入电压及完成模数变换 以便于 CPU 接口 完成数据采集任务 模拟量输出电路的作用 将计算机输出的数字信号转换为模拟量 提供给需要模 拟量电流或电压的执行元件 2 2 2 微机系统 一 CPI 中央处理界 CPU 是计算机系统自动工作的指挥中枢 计算机程序的 运行依赖于 CPU 来实现 二 存储器 计算机利用存储器把程序和数据保存起来 使计算机可以在脱离人 的干预下自动地工作 它的存储容量和访问时间直接影响着整个计算机系统的性能 三 定时器计数器 定时器计数器在变电站综合自动化装置中十分重要 除计 时作用外 它还有两个主要用途 用来触发采样信号 引起中断采样 在电压一频 率 V F 变换式 A D 中 定时器 l 计数器是把频率信号转换为数字信号的关键部件 四 Watchdog 当变电站综合自动化装置受到干扰导致运行程序出轨后 系统可 能陷人瘫痪 Watch dog 的作用就是监视程序的运行情况 若变电站综合自动化装置受 到下扰而程序失控 则看门狗 Watchdog 立即动作以使程序重新开始工作 2 2 3 开关量输入输出回路 开关量输入输出回路 开关量输人 0 出回路由并行接口 光电藕合电路及有触点的 中间继电器等组成 主要用干人机接口 发跳闸信号 本地和后台机处的告警信号 压板投送信号以及闭锁信号等 2 2 4 人机对话接口回路 人机对话接口回路主要包括打印 显示 键盘及信号灯 音响或语言告警等 其 主要功能用于人机对话 如调试 定值整定 工作方式设定 动作行为记录 与系统 通信等 2 2 5 通信回路 变电站综合自动化系统可分为多个子系统 如监控子系统 微机保护子系统 自 动控制子系统等 各子系统之间需要通信 如微机保护动作跳闸 监控子系统需要知 道 即需要它们之间相互通信 同时 各子系统的动作情况还要远传给调度 控制 中 心 所以通信回路的功能主要是完成机间通信及远动通信 2 2 6 电源 电源回路提供了整套装置所需要的直流稳压电源 以保证整个装置的可靠供电其 需求的直流电源等级如图 2 1 所示供电电源回路提供了整套装置所需要的直流稳压电 源 以保证整个装置的可靠供电其需求的直流电源等级 2 3 变电站综合自动化系统的硬件结构形式 2 3 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 扩展其外围接日电路 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 只是每台微计算机承担的任务多一些 2 3 2 分层分布式结构集中式组屏综合自动化系统 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成为保护单元 而把测量和控制功能综合在一起的装置称 为控制或者 I O 单元 两者通常间隔级单元 各种类型的间隔级单元与变电站中的中 央单元相结合 并利用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 取消或大大简化传统设计中尉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 4 变压器的保护与测控子系统 2 4 1 电力变压器微机保护的配置 1 主保护配置 比率制动式差动保护 差动速断保护 3 本体重瓦斯 有载调压重瓦斯和压力释放 2 后备保护配置 1 中性点不接地系统变压器后备保护的配置 2 中性点直接接地系统变压器后备保护的配置 3 变压器爱差动保护原理 变压器的两侧都装设同极性端子相连的电流互感器 其二次绕组安环流原则相串 联 差动继电器接在差流回路上 2 4 2 电力变压器比率制动式差动保护 比率制动式差动保护的基本概念 当区内发生某些短路性故障的时候 在变压器各侧电流互感器 CT 的二次回路中将 产生大小相同 相位不同的短路电流 当这些短路电流的向量和即差流达到一定值时 跳开变压器各侧断路器的保护 就是变压器差动保护 变压器的差动速断保护 一般情况下比率制动原理的差动保护能作为电力变压器主保护 但是在严重内不 故障时 短路电流很大的情况下 电流互感器 TA 严重饱和使交流暂态传变严重恶化 T 的二次侧基波电流为零 高次谐波分量很大 比率制动原理的差动保护无法反应区内 短路故障 所以变压器比率制动原理的差动保护还应配有差动速断保护 变压器差动 保护程序框图 2 4 3 电力变压器后备保护 变压器每一侧的后备保护均采用同一个负荷电压闭锁元件 如果是作为变压器相 邻元件的后备保护 侧变压器指向母线为正方向 如果作为变压器本身的后备保护 则母线指向变压器的方向为正方向 在正方向时 A 相过流 与门 Y1 Y2 及 H1 输出 1 2 4 4 变压器危机监控 保护装置举例 PWS 型分布式变电站综合自动化系统所采用的是 PWS 型微机主变保护装置 其主变 保护 监控部分由主保护装置 高压侧装置 中压侧装置 低压侧装置组成 集保护 检测 录波 通信为一体 适用于 110KV 及以下的变电站的变压器保护 PWS 型变压器 微机保护装置在硬件结构上设计成几个独立的装置来完成不同的功能 PWS 型变压器微 机保护装置在硬件结构上设计成几个各自独立的装置来完成不同的功能 其硬件电路 基本相同 都含有六块或七块电路板 2 5 输电线路的保护与测控子系统 在常规输电路继电保护中 若流过继电器的实际电流大于该继电器的动作电流时 它即会立即动作 将动合 常开 触点闭合 而将动断 常闭 触点断开 根据继电 器动作电流整定原则和继电器保护装置动作时限的不同 过电流保护科分为定时限过 电流保护 无时限电流速断保护 带时限电流速断保护 第三章 数字变电站主要技术特征和架构体系 3 1 数字变电站的主要技术特征 3 1 1 数据采集数字化 作为数字化变电站技术应用的主要标志之一就是在电流 电压的采集环节采用非 常规互感器 如光电式互感器或电子式互感器 实现了电气量数据采集环节的数字化 的应用 其特点在于 1 可以实现 二次系统电气上的有效隔离 2 电气量动态测量范围大 测量精度高 为实现常规变电站装置像信息化的转 变 实现信息采集化应用提供了前提 3 对于低驱动功率的变电站二次系统设备可以直接实现数字化接口应用 3 1 2 系统分层分布化 根据 IEC 61850 标准的描述 变电站的一 二次设备可分为三层 1 站控层 变电站层 站控层主要指的是厂站级的监控 例如变电站中的监 控系统 子站系统等 站控层设备主要就是指监控主站 工程师站 信息子站等 2 间隔层 间隔层一般按断路器间隔划分 具有测量 控制元件或继电保护元 件 测量 控制元件负责该间隔的测量 监视 断路器的操作控制和联闭锁 以及时 间顺序记录等 保护元件负责该间隔线路 变压器等设备的保护 故障记录等 3 过程层 过程层通常又称为设备层 主要是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指间隔控制元件负责间隔的测量 监控 断路器的操 作控制和联闭锁 以及时间顺序记录等 保护元件负责该间隔线路 变压器等设备的 保护 故障记录等 分层分布式系统按站内一次设备 变压器或线路等 实现面向对象的分布式配置 其主要特点是 不同的电气设备均单独安装具有测量 控制 保护功能的元件 如数字式保护和 测控单元等 任意元件出现故障 不会影响整个系统的正常运行 分布式系统实现多 CPU 工作模式 每个单独装置都具有一定的数据处理能力 系统自诊断能力强 能自动对系统内所有装置进行巡检 系统扩充灵活 方便 3 1 3 系统结构紧凑化 紧凑性组合电器将断路器 隔离开关和接地刀闸 TA 和 TV 等组合在了一个 SF6 绝 缘的密封壳体类 实现了变电站布置的紧凑化 用于户外变电站的集成型断路器设备 指的是金属壳内 SF6 绝缘的开关模块和空气绝缘模块的组合体 数字化变电站的特征之一就是由只能断路器和其他紧凑型断路器设备 非常规互 感器 集成自动化的系统按先进的设计理念进行布置 在高压和超高压变电站中 保 护装置 测控装置 故障录播及其其他自动装置的 I O 单元 如 A D 转换 光隔离器 件 操作回路等作为智能一次设备的一部分 3 1 4 系统建模标准化 IEC 61850 标准为变电站自动化系统定义了统一 标准化信息和信息交换模型 主 要意义在于 实现智能设备的互操作性 采用了对象建模技术 抽象通信接口技术和设各自描述规范 IED 之间实现了通信 协议和通信接口一致性 具有互操作性 实现变电站信息共享 对一 二次设备进行统一建模 变电站站内及变电站与控制中心之间实现了无缝 通信体系 真正实现了信息其享 支持系统协调工作 基于信息共享的各种运行支持系统 如一次设备运行状态检测系统等 可以功能 优化并与变电站的运行系统协调工作 作为数字变电站应用的标志就是各个 IED 和各变电站的数据都是自我描述的 重 复的使用数据类 简化数据维护 维护的命名规则 对数据统一建模 容易集成到 WEB 技术 3 1 5 信息交互网络化 通信网络作为实现变电站自动化系统内部各种 IED 以及与其他系统之间的实时信 息交换的功能载体 它是连接站内各种 IED 的纽带 必须能支持各种通信接口 满足 通信网络标准化 随着变电站的无人化以及自动化信息量的不断增加 通信网络必须 有足够的空间和速度来存储和传送事件信息 电量 操作命令 故障录波等数据 需要传输数据有如下几种 1 过程层与间隔层之间的信息交换 过程层的各种智能传感器和执行器自由的与 间隔层的装置交换信息 2 间隔层内部的信息交换 间隔层之间的通信 3 间隔层与变电站层的通信 通讯网络的性能主要体现在几个方面 1 可靠性 2 开放性 3 实时性 4 安全性 5 同步性 3 1 6 信息应用集成化 集成型自动化系统就是将间隔层的控制 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集成在一个统一的多功能数字装置内 间隔内部和间隔间以及 间隔同站级间的通信用少量的光纤总线实现 取消传统的硬线连接 3 1 7 设备检修状态化 设备检修的体质是随着科学技术的进步而不断的演变的 由事后检修 故障检修发 展到预防性检修 而预防性检修主要有两种 以时间为依据的检修 预先设定检修工作的内容与周期的定期检修称为定期检修 或者计划检修 以可靠性为中心的检修 状态检修也叫做预知性检修 以设备的工作状态作为检 修的依据 数字化变电站中电流 电压的采集 二次系统设备状况 操作命令的下达和执行 完全可以通过光纤实现信息的有效监测 变电站内可以有效地获取电网的运行状态数 据 各种 IED 的故障和动作信息 监测操作及信号回路状态 设备状态特征量的采集 上没有盲区 在此基础上可实现常规的变电站设备 定期检修 为 状态检修 3 1 8 设备操作智能化 1 以微电子 计算机技术为基础的控制回路组成执行单元 代替常规机械结构 的辅助开关和辅助继电器 可按电压波形控制跳 合闸角度 精确控制跳 合闸过程 的时间 减少暂态过电压幅值 2 断路器设备的专用信息由装在断路器设备内基于计算机技术的控制单元直接 处理 使断路器能独立地执行其当地功能 而不依赖于变电站层的控制系统 3 非常规互感器与微机型控制元件相配合 独立采集运行状态数据 可有效地 判断断路器的工作状况 4 连续自我检测和监视断路器一次 二次系统设备 可检测设备缺陷和故障 在缺陷变为故障之前发出报警信号 为状态维修提供参考 实现断路器的智能化必须在断路器内嵌入电压和电流变换器 并作为智能控制元 件的输入实现断路器操作机的数字化的接口应用 3 2 数字化变电站的结构体系 数字化变电站以非常规互感器代替了常规继电保护装置 测控等装置的 I O 部分 以交换式以太网和光缆组成的网络通信系统替代了以往的二次连接电缆和回路 基于 微电子技术的 LED 设备实现了信息的集成化应用 以功能 信息的冗余替代了常规变 电站装置的冗余 系统变电站部分控制功能可以直接下放 整个变电站可实现小型化 紧凑化的设计与布置 3 2 1 基本结构 过程层是一次设备与二次设备额结合面 或者说过程层是指智能化电气设备的部 分分为三类 1 实时运行电气量检测 2 运行状态检测 3 操作控制命令执行 过程层的 主要功能 1 实时运行电气量检测 2 运行设备状态检测 3 操作控制命令执行 下图为数字化变电站结构体系图 间隔层的主要功能是 1 汇总本问隔过程层实时数据信息 2 实施对一次设备的保护控制功能 3 实施本间隔操作闭锁功能 4 实施操作同期段其他控制功能 5 对数据采集 统计运算及控制命令的发出具有优先级别控制 5 执行数据的承上启下通信传输功能 同时高速完成与过程层及变电站层的网 络通信功能 上下网络接口具备双口全双工方式以提高信息通道的冗余度 保证网络 通信的可靠性 变电站层的主要功能是 1 汇总本间隔过程层的数据信息 2 实施对一次设备的保护控制功能 3 实施本间隔操作闭锁功能 4 实施同期及其他的控制功能 5 对数据采集统计技术及其控制命令的发出具有优先级别控制 6 执行数据的承上启下的通讯传输功能 变电站层的主要任务是 1 通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息 不断刷新实时数据库 按时登 录历史数据库 2 将有关数据信息送往电网调度或控制中心 3 接收电网调度或控制中心有关控制命令并转间隔层 过程层执行 4 具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能 5 具有 或备有 站内当地监控 人机联系功能 如显示 操作 打印 报警 等功能以及图像 声音等多媒体功能 3 2 2 变电站二次回路通信模式 相对于数字通信技术 二次回路的模拟通信方式主要存在以下弊端 1 电缆二次接线复杂 2 抗干扰能力差 3 系统扩展性差 解决这些问题的根本出路是改变金属电缆模拟通信方式 采用数字通信技术 建 立光纤通信网络 利用网络进行信息的传递和控制 由于非常规传感器和其他二次智 能设备本身都可以提供数字量输出 并可以方便地扩展通信接口 所以把二次设备作 为过程层的通信节点 其他设备通过网络读取这些通信节点发出的信息 通过网络控 制这些通信节点的运行和配置成为可能 这样将能够最大程度上消除二次电缆的影响 极大地改善变电站自动化系统运行环境 提高系统的可靠性和可用率 3 2 3 过程总线的组网方式 变电站的信息交互通过以太网实现 通过网络可分为两类总线 过程总线以及变 电站总线 过程总线根据数据流要求 可靠性要求以及现场情况可以采用四种不同的 组网方式 可以以四种基本方案组网 1 面向间隔原则 2 面向位置原则 3 单一总线原则 4 面向功能原则 3 2 4 变电站总线的组网方式 1 独立的变电站总线 IED 需要两套以太网接口 分别接入过程总线和变电 站总线 2 合并的变电站总线和过程总线 3 2 5 系统的冗余性 变电站自动化系统的冗余性主要由装置 系统的冗余度和网络的冗余度决定 功 能冗余度数字化变电站系统和常规变电站自动化系统一样需要利用功能冗余提高系统 可靠性 3 3 对变电站二次系统的影响 3 3 1 一 二次系统实现有效的电气隔离 电气量采集环节采用了非常规互感器技术对于变电站二次系统技术应用带来的最 明显特征就是 一次系统的电流 电压 功率 频率等电气量信息通过合并单元变为 低电平的数字信号 经光缆直接传递给变电站二次系统的 IED 变电站二次系统不再需 要引入交流二次电缆 一次系统和二次系统可以实现有效的电气隔高 3 3 2 信息交互采取对等通信模式 变电站之间的信息交互采取对等通信模式后 常规变电站中 IED 以 Polling 方式 实现的信息传送 可以转变为根据信息应用的时效性要求 实现事故处理重要信息的 有序上送和事故 分析信息的事后调用 同时 智能断路器技术的应用 或智能控制 装置所实现的断路器控制功能就地化 使得 常规变电站内大量的控制电缆所实现的 操作控制命令被光缆替代 消除了二次系统与开关站 电气之间的联系 对等通信模 式带来的最大好处就是极大地提高了 IED 信息传递的效率和有效性 所有 IED 需要与 外部智能装置交互的信息 或者需要告知其他 IED 系统的信息可以在以太网上 用 GOOSE 机制实现信息的有效发布 这种应用模式改变了以往由大量二次电缆构成的变电 站控制 跳闸 告警 事件记录等信息传递 交互模式 变电站内部全部实现光纤通 信方式 一方面可以实现整个二次系统昀有效监视 另一方面节省了大量的二次电 缆 简化了系统的 设计和工程实施 3 3 3 信息同步采取网络同步机制 目前 常规变电站自动化系统对时系统基本采用直接对时和网络对时相结合 一 般在变电站内有一个或多个 GPS 接收器实现对于间隔层各种 IED 的对时 采取分脉冲 方式或 IRIG B 方式 由于问隔层设备众多 在初期应用中往往 GPS 是随不同功能的 IED 配置 因此 在实际应用中变电站存在多个 GPS 接收器同时运行 分别对不同的设 备进行对时 如保护 故障录波器 测控 PMU 等 在近期的应用中逐步出现了集中式 GPS 应用模式 在变电站小室中安装一套 GPS 装置 通过 GPS 接收器扩展箱实现对小室 内的各种 IED 对时 3 3 4 系统的可观性和可控性提高 数字化变电站的各项信息采集 处理 传输 存储等功能的实现完全基于网络通 信技术 过程层 间隔层 站控层的 IED 及网络通信设备 如路由器 网关 交换机 接口装置等组成了整个变电站二次系统 整个变电站二次系统的各个工作环节可以得 到有效的监视 极大地提高二次系统的可观性和可控性 3 3 5 信息的安全性问题凸现 变电站内采取对等通信模式后 信息的安全性问题就变得尤为重要 以往变电站 设备之间点对点的通信方式 就信息的安全性来讲是比较高的 因为这种信息的交互 机制在安全性方面体现为局部性特征 变电站内信息交互采用对等通信模式后 所有 IED 的信息均在局域网上实现 或者说每个 IED 均可能实现对其他 IED 信息交互的可能 因此 一旦某个 IED 受到恶意攻击 在变电站未实现信息有效安全防护的情况下有可 能对于整个变电站自动化系统的安全运行带来极大的影响 第四章 非常规互感器和传统互感器的比较 4 1 传统互感器的原理 传统的电流和电压互感器是电磁感应式的 具有类似变电器的结构 随着电力工 业的发展 电力系统传输的店里容量不断增加 电网运行电压等级也越来越高 目前 我国电网已将原来的 220kv 的骨干电网提高到了 500KV 4 1 1 电磁式电流互感器 传统的电流互感器是电磁感应式的 一次绕组串联在电力线路中 二次绕组外部 贿赂接有测量仪器 继电保护及安全自动控制装置等 随着电力系统传输容量的增加 电压等级越来越高 这种电流互感器的绝缘结构越来越复杂 体积和重量加大 产品 的造价越来越高 4 1 2 电磁式电压互感器 电压互感器的工作原理与一般变压器相同 不同点是由于他们的用途不同 从而 在结构 容量 误差以及运行情况等方面有较大的差异 电压互感器在运行中二次侧 不能断路没否则 二次电压会降为零 在一 二次绕