牵引变电所综合自动化.doc

题题 目 目 牵引 变电 所综合自动化 院院 系 系 西安铁路职业技术学院西安铁路职业技术学院 专专 业 业 铁铁 道道电电 气气 化化 姓姓 名 名 杨杨 智智 华华 指导教师 指导教师 马马 玲玲 西西 安安 职职 业业 技技 术术 学学 院院 院校 西安铁路职业技术学院 专业 铁道电气化 年级 2004 级 学号 0409010 姓名 杨智华 指导教师 马玲 题目 牵引变电所综合自动化 指导教师 评 语 是否同意答辩 过程分 满分 20 指导教师 签章 评 阅 人 评 语 评 阅 人 签章 成 绩 答辩组组长 签章 年 月 日 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 班 级 2004 级 学生姓名 杨智华 学 号 0409010 发题日期 8 年 5 月 10 日 完成日期 8 年 11 月 10 日 题题 目目 牵引变电所综合自动化 题目类型题目类型 工程设计 技术专题研究 理论研究 软硬件产品开发 一 一 设计任务及要求设计任务及要求 综合自动化技术的特点 硬件结构 功能分析 技术特点的分析 在实际中的应用 二 二 应完成的硬件或软件实验应完成的硬件或软件实验 应完成牵引变电所综合自动化系统的配置和功能 三 三 应交出的设计文件及实物 包括设计论文 程序清单或磁盘 实验装置或产品等 应交出的设计文件及实物 包括设计论文 程序清单或磁盘 实验装置或产品等 毕业设计 论文 四 四 指导教师提供的设计资料指导教师提供的设计资料 五 五 要求学生搜集的技术资料 指出搜集资料的技术领域 要求学生搜集的技术资料 指出搜集资料的技术领域 了解牵引变电所综合自动化系统的配置 弄清牵引变电所综合自动化系统配置的功能 各种保护的应用 六 六 设计进度安排设计进度安排 第一部分 牵引变电所综合自动化技术 周 第二部分 牵引变电所综合自动化系统的硬件 周 第三部分 牵引变电所综合自动化的保护和控制系统 周 第四部分 牵引变电所综合自动化保护和监控装置 周 第五部分 牵引变电所综合自动化的数据通信系统 周 评阅及答辩 周 指导教师 年 月 日 学院审查意见 审 批 人 年 月 日 诚诚信信承承诺诺 一 本设计是本人独立完成 二 本设计没有任何抄袭行为 三 若有不实 一经查出 请答辩委员会取消本人答辩 资格 承诺人 钢笔填写 年 月 日 目 录 摘 要 1 第 1 章 实现牵引变电所综合自动化的技术基础 2 1 1 实现牵引变电所综合自动化的必然性 2 1 1 1 牵引变电所实现综合自动化与常规变电所相比较 2 1 1 2 对牵引变电所综合自动化系统的要求 3 1 2 牵引变电所综合自动化技术的发展方向 4 1 2 1 牵引变电所综合自动化系统的发展概况 4 1 3 牵引变电所综合自动化的基本概念 5 1 4 牵引变电所综合自动化系统的基本特征 5 1 5 牵引变电所综合自动化的内容 主要功能及信息量 6 1 5 1 牵引变电所综合自动化系统的内容 6 1 5 2 牵引变电所综合自动化系统的主要功能及信息量 7 第 2 章牵引变电所综合自动化系统的硬件 8 2 1 综合自动化系统的硬件结构形式 8 2 1 1 结构形式 9 2 1 2 分散分布式与集中相结合的综合自动化系统结构 10 2 2 牵引变电所综合自动化系统的硬件原理 11 2 2 1 模拟量输入 输出回路 12 第 3 章牵引变电所综合自动化的保护和控制系统 14 3 1 变压器的微机保护 14 3 1 1 主保护 14 3 1 2 变压器的后备保护 17 3 2 接触网微机保护 18 3 3 电容器的微机保护 19 3 4 自动重合闸 19 3 5 备用电源自投装置 20 第 4 章牵引变电所综合自动化保护 监控装置 21 4 1 自动化保护监控装置 21 4 2 牵引变电所综合自动化的数据通信系统 22 4 3 以陇海线华山牵引变电所为例 23 4 3 1 传输线路的远程保护 23 4 3 2 变电所馈线监视和保护 25 4 3 3 牵引变电所的集成式控制和保护系统 27 结 束 语 29 致 谢 30 参考文献 31 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 1 页 摘 要 随着电气化铁路的规模的扩大和现代化水平的提高 对牵引变电所监控和保护系 统的可靠性 安全行 经济性和可用性的要求越来越高 国外将牵引变电所监控和 保护综合在一起 统称变电所综合自动化 的研究已经很久 该技术在我国也迅速 得到了发展 促使牵引变电所综合自动化技术迅速推广和应用的原因主要有三点 常规牵引变电所二次系统存在诸多缺陷 电气化铁路对牵引变电所保护 监控 等提出了更高的要求 新技术的迅速发展为其奠定了技术基础 十余年来 国内外都对牵引变电所综合自动化技术开展了讨论 研究 随着自动 化技术 计算机技术和通信技术的发展 牵引变电所综合自动化技术得到迅速发展 有很多按新概念 新原理设计的牵引变电所综合自动化系统投入运行 展现了其极 强的生命力 并成为我国电气化铁路牵引变电所推行技术进步的重点之一 关键词 变电所 综合自动化 控制 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 2 页 第 1 章 实现牵引变电所综合自动化的技术基础 1 1 实现实现牵引变电所牵引变电所综合自动化的必然性综合自动化的必然性 1 1 1 牵引变电所实现综合自动化与常规变电所相比较 一 常规变电所情况 常规变电所的二次系统主要由继电保护 当地监控 远动装置 滤波装置所组 成 是按继电保护 远动 当地控制 测量 滤波等功能组织的 相应的有保护屏 控制屏 滤波屏 中央信号屏等 每一个一次设备 如一台变压器 一组电容器等 都 与所有这些屏相对应 因而 每个设备的电流互感器的二次侧 都需要分别引到这些屏 上 同样断路器的跳 合闸操作回路 也需要连到保护屏 控制屏 远动屏及其他自 动装置屏上 此外 对同一个一次设备 与之相应的各二次设备 屏 之间 保护与远动 设备之间都有许多连线 由于各设备安装在不同地点 因而变电所内电缆错综复杂 二 牵引变电所实现综合自动化的优越性 与常规变电所二次系统比较 变电所实现综合自动化体现出独特的优越性 在线运行的可靠性高 变电所综合自动化系统可以利用软件实现在线自纠 具 有故障诊断功能 微机系统的软件设计 既有很强的综合分析和判断能力 在软件程序 的指挥下 微机系统可以在线实时的对有关硬件电路中各环节进行自检 利用有关的 硬件和软件相结合技术 可有效防止干扰进入微机系统后可能造成的严重后果 更为 重要的是变电所综合自动化系统中的各子系统 如微机保护装置和微机自动装置具 有故障自诊断功能 其可靠性大大提高 供电质量提高 由于在变电所综合自动化系统中包括有电压 无功自动控制 功能 对于具有有载调压变压器和无功补偿补偿电容器的变电所 可大大提高电压合 格率 保证牵引供电系统主要设备和各电器设备的安全 使无功潮流合理 降低网损 节约电能损耗 专业综合 易于发现隐患 处理事故恢复供电快 实现综合自动化以后 各专业 综合考虑 并装备有先进的计算机 可以收集众多需要的数据和信号 利用计算机告诉 计算和正确判断能力 将数据和信号经计算机处理后 以综合的结果反映给变电所值 班人员 供电调度及相关技术人员 还可提供时间分析的结果以及如何处理的参考 意见 尽早恢复供电 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 3 页 牵引变电所运行管理的自动化水平高 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 人员只要通过观看变电所后台机 对牵引变电所主要设备和各接触网线路的运行工况 和运行参数便一目了然 综合自动化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所的运行情况 也能对它进行必要的调 节和控制 且各种操作都有事件记录可供查阅 大大提高运行管理水平和故障查找的 方便性 减少控制电缆 缩小占地面积 实现综合自动化以后 实现资源共享和信息共 享 硬件电路多采用大规模集成电路 大大缩小变电所的占地面积 维护调试方便 为变电所实现无人值班提供了可靠的技术条件 变电所综合自动化系统可收 集到非常齐全的数据信息 有前大的计算机计算能力和逻辑判断能力 可方便的监视 和控制变电所的各种设备 不仅可以全面提高无人值班变电所的技术水平 也为变电 所安全稳定运行提供了可靠保证 当然 变电所实现综合自动化技术以后 也出现一些问题 如与传统的变电所监控 装置有根本性的背离 对长期从事传统监控装置维护 运行人员来说并不熟悉 在操 作和维护过程中 较难以掌握 不过 这些优缺点取决于技术方面 同时又与各国的经 济发展状况有关 相信随着技术的不断更新和完善 以及运行人员技术水平的不断提 高 变电所综合自动化技术必将发挥它应有的巨大作用 1 1 2 对变电所综合自动化系统的要求 变电所综合自动化应能全面代替常规的二次设备 综合自动化系统中的继电 保护 测量监视 运行控制和通信于一个分级分布式的系统中 应能代替常规的继电 保护 仪表 中央信号 模拟屏 控制屏和运行控制装置 变电所微机保护的软 硬件装置既要与监控系统相互对立 又有相互协调 即 保证在综合自动化系统中 任何环节故障只影响局部功能的实现 也不影响保护子系 统的正常工作 但与监控系统要保持紧密通信联系 微机保护装置应具有串行接口或现场总线接口 向计算监控系统或 RTU 提供保 护动作信息或保护定值等信息 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 4 页 变电所综合自动化系统的功能和配置 应满足无人值班的总体要求 其功能设 计应从牵引系统的安全 稳定运行 提高经济效益的综合指标出发 并具备 RTU 全部 功能 要由可靠 先进的通信网络和合理的通信协议 必须保证综合自动化系统具有较高的可靠性和强的抗干扰能力 综合自动化 系统中的各个子系统要相互独立的自诊断和自恢复功能 系统的可扩展性和适应性要好 系统的标准化程度和开放性能要好 必须充分利用数字通信的优势 实现数据共享 实现数据共享才能简化自动 化系统的结构 减少设备的重复 才能降低造价 变电所综合自动化系统的研究和开发工作 必须统一规划 统一指挥 1 2 变电所综合自动化技术的发展方向 1 2 1 变电所综合自动化系统的发展概况 国内变电所综合自动化系统的研究工作始于 70 年代 最早是用微机型远动装置 代替布线逻辑型的远动装置 同时变电所监控系统的功能在扩大 供牵引网的监控 功能正以综合自动化为目标迅速发展 在 1975 年 日本开始研究用于变电所的数字 控制系统 1980 年开始商品化 按其功能可分成三个子系统 继电保护系统 测量子系统 控制子系统 我国变电所综合自动化的研究始于 80 年代中期 1987 年 清华大学工程系研制成功第一套符合国情的变电所综合自动化系统 在山东威 海望岛变电所成功地投入运行 80 年代后期 投入变电所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 近几年来 随着研究变电所综合自动化进入高 潮 其功能和性能也不断完善 变电所综合自动化成为今后变电所的主导技术 其 发展方向 从集中控制 功能分散型向分散 层 网络型发展 从专用设备到平台 从传统控制向综合智能方向发展 从室外型向户外型演变 从单纯的屏幕数据监视到多媒体监视 纵向和横向综合 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 5 页 1 3 变电所综合自动化的基本概念 变电所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所领 域的综合应用 变电所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能力 可方便的监视和控制变电所内各种设备的运 行和操作 变电所综合自动化是将变电所的二次设备 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 实现对全变电所的主要设备的自动监视 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 变电所综合自动化系统的基本配置 如 1 1 图所示 图 1 1 变电所综合自动化系统的配置图 1 4 变电所综合自动化系统的基本特征 变电所综合自动化当是通过监控系统的局域网通信 将微机保护 微机自动装 置 微机远动装置采集的模拟量 开关量 状态量 脉冲量及一些非电量信号 经 过数据处理及功能的重新组合 按照预定的程序和要求 对变电所实现综合性的监 视和调度 因此 综合自动化的核心是自动监控系统 而综合自动化的纽带是监控 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 6 页 系统的局域通信网络 它把微机继电保护 微机自动装置 微机远动功能综合在一 起形成一个具有远方功能的自动监控系统 变电所综合自动化系统最明显的特征表现在以下几个方面 功能综合化 在综合自动化系统中 微机监控系统综合了变电所的仪表屏 操作屏 模拟屏 变送器屏 中央信号系统等功能 远动的 RTU 功能及电压和无功 补偿自动调节功能 微机保护综合了故障录波 故障测距 小电流接地选线 自动 按频率减负荷 自动重合闸等自动装置功能 结构分布 分层化 综合自动化系统中的子系统都是按分布式结构设计的 每个子系统可能有多个 CPU 分别完成不同功能 另外 按照变电所物理位置和各子 系统功能分工的不同 其总体结构又按分层原则来组成 操作监视屏幕化 均被 CPU 屏幕取代 通信局域网络化 运行管理智能化 常规二次系统只能监测一次设备 而本身的故障必须靠维 护人员去检查 去发现 综合自动化系统不仅监测一次设备 还每时每刻检测自己 是否有故障 这当充分体现了其自能化 实现了常规保护装置与调度中心的通信 测量显示数字化 常规指针式仪表被 CRT 显示器上的数字所代替 直观 明 了 提高测量精度和管理的科学性 综合自动化将成为今后新建变电所的主导技术 同时也是变电所改造的首选产 品 1 5 变电所综合自动化的内容 主要功能及信息量 1 5 1 变电所综合自动化系统的内容 电气量的采集和电气设备 如断路器等 的状态监视 控制和调节 实现变电所正常运行的监视和操作 保证变电所正常运行和安全 发生故障时 由继电保护和故障录波等完成瞬态电气量的采集 监视和控制 并迅速切除故障设备和完成事故后的恢复正常操作 从长远的观点来看 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 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 7 页 1 5 2 变电所综合自动化系统的主要功能及信息量 继电保护的功能 变电所综合自动化系统中的微机继电保护主要包括接触网线路保护 牵引变压 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 此外 附加功能包括 继电保护的通信功能及信息量 具有与系统统一时钟对时功能 存储各种保护整定值功能 当地显示与远方观察和授权远方修改保护整定值 设置保护管理机或通信控制机 负责对各保护单元的管理 故障自诊断 自闭锁和自恢复功能 自动重合闸功能 监视控制功能 实时数据采集与处理 采集变电所牵引运行实时数据和设备运行状态 包括 各种状态量 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 运行监视功能 主要是对变电所的运行工况和设备状态 进行自动监视 即 对变电所各种状态量变位情况的监视和各种模拟量的数值监视 故障录波与测距功能 变电所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 出或直接送调度主所 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能力 可以与监控系统 通信 事故顺序记录与事故追忆功能 事故记录当是对变电所内的继电保护 自动 装置 断路器等在事故时动作的先后顺序自动记录 事故追忆是指变电所内的一些 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 先后一段时间内作连续测量记录 控制及安全操作闭锁功能 操作人员可通过 CRT 屏幕对断路器 隔离开关进 行分 合闸操作 对变压器分接头进行调节控制 对电容器进行投 切控制 同时 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 8 页 要能接受遥控操作命令 进行远方操作 并且所有操作控制均能实现当地和远方控 制 当地和远方切换相互闭锁 自动和手动相互闭锁 数据处理与记录功能 人机联系功能 打印功能 运行的技术管理功能 历史数据处理 存档 检索 统计值处理 累计值处理 谐波的分析和监视功能 自诊断 自恢复和自动切换功能 牵引变电所自动控制装置的功能 无压 无功综合控制 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内 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 用电源投入使用 典型的备用自投有变压器备投 进线备投 远动及数据通信功能 变电所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 第 2 章 变电所综合自动化系统的硬件 2 1 综合自动化系统的硬件结构形式 根据综合自动化系统设计思想和安装的物理位置的不同 综合自动化系统硬件 结构形式可以分成很多种类 从国内变电所综合自动化系统的发展过程来看 其结 构形式有集中式 分布式 分散 层 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 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 9 页 2 1 1 结构形式 一 集中式综合自动化系统 采用不同档次的计算机 扩展其外围接口电路 集中采集变电所的模拟量 开 关量和数字量等信息 集中进行计算和处理 分别完成微机监控 微机保护和一些 自动控制等功能 这种机构形式是按变电所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 它们安装在变电所主控室内 主变压器各种进出线路及所内所 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信 当地监控计算机完 成当地显示控制和制表打印等功能 变电所综合自动化系统的目标是实现变电所的小型化 无人化和高可靠性 我 国 20 世纪 80 年代开始研制分布式综合自动化系统 二 分层分布式结构集中式组屏的综合自动化 分层分布式结构的概念 所谓分布式结构 是在结构上采用主从 CPU 协同工作方式 各功能模块 通常 是各个 CPU 之间采用网络技术或串行方式实现数据通信 多 CPU 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 CPU 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 且变电所信息的采集和控制分 为管理层 所控层和间隔层三级分布布置 中 小型变电所的分层分布式集中组屏结构 把整套综合自动化系统按其功能组装成多个屏 集中安装在主控室中 特点 软件相对简单调试维护方便 组态灵活 系统可靠性高 大型变电所分层分布式集中组屏结构 较之中小型变电所的综合自动化系统 大型变电所则在管理层可能设有通信控 制机 专业负责与调度中心通信 并设有工程师机 负责软件开发与管理功能 分层分布式集中组屏综合自动化系统结构特点 可靠性高 有故障时 只影响局部 可扩展性和灵活性高 电缆大大简化 节约投资 分布式系统为多 CPU 工作方式 减轻了主控室机的负担 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 10 页 继电保护相对独立 可靠的自动化监控系统 具有与系统控制中心通信功能 2 1 2 分散分布式与集中相结合的综合自动化系统结构 这是目前国内外最为流行 受到广大用户欢迎的一种综合自动化系统 它采用 面向对象 即面向电气一次回路或电气间隔的方法进行设计的 间隔层中各数据 采集 控制单元和保护单元做在一起 设计在同一机箱中 并将这种机箱当地分散 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 纤或电缆网络由所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 分散与集中相结合的变电所综合自动化系统结构框图 如 2 1 图所示 将配电线路的保护和测控单元散发安装在开关柜内 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 适合应用在 各种电压等级的变电所中 结构特点 牵引变电所综合自动化系统一般采用集中组屏的系统结构 27 5KV 馈线保护 110KV 高压线路保护和变压器保护采用集中组屏结构 安装在控制 室或保护室中 可靠性高 备用电源自投控制装置和电压无功综合控制装置采用集中组屏结构安装于控 制室或保护室中 采用脉冲电能表或带串行通信接口的智能型电能计量表 保证电能计量的准 确性 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 11 页 图 2 1 分散与集中相结合的变电所综合自动化系统结构框图 优越性 简化了变电所二次部分的配置 缩小了主控室的面积 利于实现无人值班 减少了施工和设备安装工作量 简化了变电所二次设备之间的互连线 节省了电缆 分层分散式结构可靠性高 组态灵活 检修方便 目前 变电所综合自动化系统的功能和结构都在不断地向前发展 全分散式的 结构一定成为今后发展的方向 为变电所实现高水平 高可靠性和低造价的无人值 班创造更有利的技术条件 2 2 变电所综合自动化系统的硬件原理 目前 变电所综合自动化系统均按模块化设计 也就是说对于成套的综合自动 化系统中 微机保护系统 监控系统 自动控制系统等装置都是若干模块组成的 不同的功能用不同的软件来实现 不同的使用场合按不同的模块组合方式构成 一 个变电所综合自动化系统中各个子系统 如微机保护 的典型硬件结构主要包括 模拟量输入 输出回路 微型机系统 开关量输入 输出回路 人机对话接口回路 通信回路 电源 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 12 页 变电所综合自动化硬件结构 如 2 2 图所示 图 2 2 变电所综合自动化硬件结构 2 2 1 模拟量输入 输出回路 变电所综合自动化系统采集的变电所的电流 电压 有功功率 无功功率 温 度等都是属于模拟量 模拟量输入电路的主要作用是隔离规范输入电压及完成模 数 变换 以便与 CPU 接口 完成数据采集任务 模拟量的作用是把微型机系统输出的 数字量转换成模拟量输出 由数 模 D A 变换器来完成 根据模 数变换原理的不同 综合自动化装置中的模拟量输入电路有两种方式 一是基于逐次逼近型 A D 转换方式 ADC 是直接将模拟量转变为数字量的变换方 式 二是利用电压 频率变换 VFC 原理进行模 数变换方式 它是将模拟量电压转 换为频率脉冲量 通过脉冲计数变换为数字量的一种变换形式 电压形成电路起电量作用外 还将一次设备的电流互感器 CT 电压互感器 PT 的二次回路与微机 A D 转换系统完整隔离 提高抗干扰能力 低通滤波电路的作用 是限制输入信号的最高频率 采样主要表现为真实的反映出原始的连续时间信号中 所包含的重要信息 模拟量多路转换开关的作用是将多路待转换的模拟量每次只选 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 13 页 通一路 输出只有一个公共端接至 A D 转换器 达到分时转换 A D 转换器的作用 将连续变换的模拟信号转换为数字信号 输出电路的结构由锁存器 D A 转换器 低通滤波器 功率放大器组成 一 微型机系统 变电所综合自动化装置硬件系统的数字核心部分一般由 CPU 存储器 定时器 计 数器 watchdog 等组成 CPU 中央处理器 是计算机系统自动工作的指挥中枢 存储器 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 下自动的工作 定时器 计数器 用来触发采样信号 引起中断采样 在电压 频率 V F 变换式 A D 中 把频率信号转换为数字信号的关键部件 Watchdog 其作用是监视程序的运行情况 二 开关量输入 输出回路 由串行接口 光电耦合电路及有触点的中间继电器等组成 用于告警信号 压 板投送信号及闭锁信号 三 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 主要功能用于人机对话 四 通信回路 用于完成变电所综合自动化系统各子系统的机间通信和远动通 信 五 电源 直流稳压电源 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 14 页 第 3 章 变电所综合自动化的保护和控制系统 牵引变电所综合自动化系统中的微机继电保护主要包括接触网线路保护 牵引 变压器保护 母线保护 电容器保护 自动重合闸 3 1 变压器的微机保护 变压器微机保护分为主保护 后备保护和辅助保护 牵引变压器的主保护主要 有比率制动式差动保护 差动速断保护 本体重瓦斯 有载调压中瓦斯和压力释放 后备保护有中性点不接地系统变压器后备保护和中性点直接接地系统变压器后备保 护 3 1 1 主保护 差动保护 用于变压器内部相间短路 差动保护一般为瞬时动作 用环流法构成两绕组变压器电流差动保护 变压器的两侧都装设同极性端子相 连的电流互感器 其二次绕组按环流原则相串联 差动继电器接在差流回路上 以 两绕组变压器差动保护为例 其接线如 3 1 图所示 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 15 页 基本原理 当变压器内部发生相间短路时 流过电流互感器二次侧的电流大小 不等 即非电源侧的二次电流很小 而电源侧的二次电流很大 差动回路流入二次 短路电流很大 使差动继电器 K 动作 当变压器连接双电源时 两侧电流互感器的 二次电流 I 和 I 在差动回路中方向相同 继电器流过的电流为两二次电流之和 I I I 使差动继电器动作 牵引变压器比率制动式差动保护 原理 保护的动作电流随外部短路电流按比率增大 既能保证外部短路不误 动 又能保证内部短路有较高的灵敏度 比率是指差动保护的差动电流与制动电流 之比 制动电流的选取 在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用 而在内部故 障时制动作用最小 一般按最大差电流相的三侧电流之最大者来选作制动电流 比率式制动特性 如 3 2 图所示 曲线 差动回路中的不平衡电流 外部短路时 差动保护的不平衡电流与外 部短路电流的大小成正比 水平线 无制动时差动保护的整定电流 它是按躲过最大不平衡电流整定的 为一个常数 曲线 变压器差动保护区内短路时的差电流 它随短路电流的增大而线性的 增大 曲线 4 有制动特性的某种差动继电器的差动保护特性 在无制动时 曲线 3 与曲线 2 相交于 B 点 这时保护不动作区为 OB 即保护 区内短路时短路电流大于 OB 所代表的电流值 保护才能动作 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 16 页 有制动时 曲线 3 与曲线 4 相交于 A 点 短路电流的代表值 R 大于 OA 保护 当能动作 不动作区只限于 OA 以左 可见 OA OB 这说明在同样的内部短路 水平下 有制动特性的差动保护要比无制动特性的差动保护的灵敏度高 牵引变压器的纵联差动保护 原理 在变压器两侧分别接电流互感器 若两个电流互感器二次侧电流大小 相等 方向相同 将两电流之差送给差动继电器 若差值为零 则运行正常 若差 值大于零 则出现故障 根据变压器原 副边电流 经电流互感器变化 之差 而动作的差电流保护 主要针对变压器的匝间短路故障 Yd 变压器差动保护 电流大小 通过控制电流互感器的变比 电流方向 通过改变电流互感器的接线方式 克服励磁涌流及不平衡电流影响的方法 牵引变压器 采用二次谐波制动克服励磁涌流 通过变压器中性点零序电流 分量补偿 可消除不平衡电流的影响 牵引变压器 对于电磁型差动继电器而言 利用速饱和变流器和短路线圈克 服励磁涌流 利用平衡绕组克服外部短路时不平衡电流的影响 对于晶体管型差动 继电器 利用鉴别电流波形间断角的大小和二次谐波制动的方法躲过励磁涌流 利 用变压器外部短路故障时的穿越性故障电流产生制动躲过不平衡电流 变压器的差动速断保护 差动速断保护是差动电流过电流瞬时速动保护 以加快保护内部严重故障时的 动作速度 差动速断的整定值按躲过最大不平衡电流和励磁涌流来整定 其整定值可取正 常运行时负荷电流的 5 6 倍 即 I 5 6 I 电流互感器断线监视 若在运行中发现电流互感器某相断线 则断线相的二次电流为零 于是差电流 I 不为零 可能引起差动保护误动作 需要进行电流互感器的断线监测和监视 依据 I I I 某一值 如 0 5A 零序电流 I 设定值 I 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 17 页 max I I I 5A 当检测出电流互感器断线后 发出警告信号 由控制字选择是否闭锁差动保护 3 1 2 变压器的后备保护 一 复合电压闭锁方向过电流保护 变压器每一侧的后备保护均采用同一个复合电压闭锁元件 其原理与线路保 护中的方向元件完全相同 如果是作为变压器相邻元件的后备保护 则变压器指向 母线正方向 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 复合电压闭锁过电流保护有二段式和三段式两种 为了缩小故障范围通常 段 动作跳本侧分段断路器 段动作跳本侧断路器 段跳三侧断路器 三段方向元 件均可通过控制字单独投退并改变方向 其方向指向变压器为正方向 牵引变压器的过电流保护分设在变压器的高压侧和低压侧 高压侧采用三相 式过电流保护低压侧采用单相式过电流保护 牵引变压器低压启动过电流保护 三相 如 3 3 图所示 其构成原理 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 18 页 当变压器上发生短路故障时 差动保护范围内 三相低压启动过电流保护 启动 而单相低压启动过电流保护不启动 只有当变压器的主要保护拒动时 才由 三相低压启动过电流保护经延时后动作 变压器退出运行 当变压器外部某相发生短路故障时 高 低压侧电流保护均启动 但由延时 较短的电相低压启动过电流保护动作 该相断路器跳闸 切除短路故障 二 变压器过负荷保护 变压器过负荷保护一般取两相电流 段用于发警告信号 段用于启动断路 器跳闸 由于三相牵引变压器各相负荷不对称 因此 过负荷保护装置应装设在变压器 高压侧的两个重负荷相上 三 变压器零序保护 主变压器零序保护使用于 110KV 及以上等级电压的变压器 主变压器零序保护 由主变压器零序电流 主变压器零序电压 主变压器间隙零序电流元件构成 根据 不同的主变压器接地方式分别设置如下三种保护形式 中性点直接接地保护方式 中性点不接地保护方式 中性点经间隙接地的保护方式 在大接地电流系统中 对中性点直接接地的牵引变压器 为防止进线侧上发生 的接地短路故障 应装设中性点零序过电流保护 作为变压器的后备保护 保护用 电流互感器装设在中性点接地线上 保护装置的动作时限应与进线零序过电流保护 装置的动作时限相配合选取 三相牵引变压器的零序电流保护的动作电流整定 I K K I 70 可靠系数 K 取 1 2 返回系数 K 取 0 85 I 变压器中性点 接地侧额定电流 牵引变压器中性点直接接地的零序保护方式是由一段式的零序电流构成 可由 控制字选择经或不经零序电压闭锁 零序电流保护设一个时限 分别由整定控制字 控制保护的投退 延时跳高低压断路器 3 2 接触网线路微机保护 一 接触网短路的电流保护 根据继电器动作电流整定原则和继电保护装置动作时限的不同 过电流保护可 分为定时限过流保护 带时限电流速断保护 把它们组成一套电流保护装置称为两 段式电流保护 其启动元件均为过电流继电器 但整定值不同 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 19 页 整定电流 段 按躲过本线路末端最大短路电流进行整定 段 按最大负荷电流进行整定 三 牵引网的接地保护 牵引系统中性点接地方式有两种 中性点直接接地方式 中性点不接地 牵引网保护一般采用电流速断 过电流 电流增量和阻抗保护 电流速度按保护 按照躲过接触网末端最小短路电流设定 过电流保护 按照躲过供电臂组大负荷电流整定 电流增量保护 按照一台机车的启动电流整定 带谐波拟制功能的阻抗保护 按照接触网短路时的牵引网电抗进行整定 一般 分为 I II III 段阻抗保护 分别按照不同的短路点进行设定 并利用电力机车负 荷中的高次谐波进行制动 以防保护误动 3 3 电容器的微机保护 为了补充牵引系统无功功率的不足 提高功率因数 改善供电质量 在各个变 电所广泛采用无功补偿并联电容器组 并联补偿电容组的通用保护的方法 电抗器限流保护 能够限制短路电流 防止电容器合闸时充电涌流及放电电 流过大损坏电容器 防止高次谐波的影响 避雷器的过电压保护 吸收系统过电压的冲击波 电容器组的电压保护 利用母线电压互感器 PTV 测量和保护电容器 用于防 止系统稳态过电流和欠电压 电容器组的电流保护 用于保护电容器组内部短路 3 4 自动重合闸 一 自动重合闸的作用 对于瞬时自消性故障 利用重合闸避免不必要的停电 二 适用范围 瞬时故障多发区 安装在线路的自动装置上 三 单电源供电线路的一次自动重合闸原则 1 瞬时故障跳闸 重合 2 手动分闸 不重合 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 20 页 3 手动合闸于故障线路 不重合 4 重合闸一旦失败 不会有二次重合闸 3 5 备用电源自投装置 备用电源自动投入装置是牵引系统故障或其他原因使工作电源被断开后 能迅 速将备用电源或备用设备或其他正常工作的电源自动投入工作 使原来工作电源被 断开的用户 能迅速恢复供电的一种自动控制装置 备用电源自动投入装置的基本特点 工作电源确实断开后 备用电源投入 防止备用电源投入到故障元件中 备用电源自动投入切除工作电源断路器必须经延时 从而躲过工作母线引出 线路故障造成的母线电压下降 手动跳开工作电源时 备自投不应动作 应具有闭锁备用电源自动投入装置的功能 防止备用电源投入到故障元件上 备用电源不满足有压条件 备用电源自动投入装置不应动作 工作母线失压时 还必须检查工作电源无流 才能启动备用电源自动投入装 置 以防止 PT 二次侧三相断线造成误投 备用电源自动投入装置只允许动作一次 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 21 页 第 4 章 变电所综合自动化保护 监控装置 微机保护的一大特色当是利用基本相同的硬件结构和电路 通过不同的软件原 理完成不同的功能 以 型线路保护 监控装置为例说明输电线路保护 监 控装置 4 1 自动化保护监控装置 型线路监控 保护装置是新一代高性能微机保护产品 集保护 监测 控制 录波 自动重合闸 通信于一体 适用于牵引变压器保护 也使用于 KV 馈线上 既可分散安装在开关柜上 也可集中安装在控制室中 一 硬件结构 由电源板 TVTA 板 通用 I O 板 CPU 板和 LCD 板六块电路板构成 二 功能 变压器后备保护功能 变压器主保护功能 主变测控功能 馈线保护测控功能 并补电容器保护测控功能 动力变保护测控功能 通用测控功能 信号显示功能 通用通讯功能 三 监控部分 事件顺序纪录 当各类保护动作或监视的其他状态发生变化时 装置将自动纪录事件及动作值 事件顺序纪录可通过面板进行查询 故障录波 装置将对所输入的各个值进行连续采样 采样值存放于 RAM 中 录波条件满足 时 将保留启动前 4 个周期的数据 且连续采样并存放 180 个周期的数据 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 22 页 4 2 变电所综合自动化的数据通信系统 在变电所综合自动化系统中 数据通信是一个重要环节 其主要任务体现在两 个方面 一个方面是完成综合自动化系统内部各子系统间或各种功能模块间的信息 交换 另一方面是完成变电所与控制中心的通信任务 在变电所里依靠通信网把继 电保护 自动装置和监控系统紧密的联系在一起实现变电所综合自动化 一 综合自动化系统与控制中心的通信内容 综合自动化系统前置机或通信控制机具有执行远动功能 会把变电所内相关信 息送到控制中心 同时能接受上级调度数据和控制命令 通信内容包括 遥测信息 遥信信息 遥控信息 遥调信息 二 综合自动化系统的遥信功能 微机保护的通信功能 接受监控系统的查询 向监控系统传送事件报告 向监控系统传送自检报告 校对时钟 与监控系统对时 修改时钟 修改保护值 接受调度或监控系统值班人员投退保护命令 保护信号的远方复归功能 实时向监控系统传送保护主要状态 自动装置的通信功能与信息内容 小电流接地系统接地选线装置的通信内容 备用电源自投装置的通信功能 电压和无功调节控制通信功能 微机监控系统的通信功能 具有扩展远动 RTU 功能 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 23 页 具有与系统通信的功能 三 数据远传通信线路 音频电缆通信 光纤通信 四 变电所信息传输规约 开放系统互联交换信息的标准 循环式通信规约 问答式传输规约 4 3 以陇海线华山变电所为例 4 3 1 传输线路的远程保护 对于传输线路的远程保护 利用远程继电器 一个重要观察结果是从接通继电器 的时刻开始 继电器就连续采样输入信号 因此 在信号变化的整个过程中均可获 得输入数据 但由于实际原因 存贮器缓冲器中只保存了有限的采样值 在某种意 义上 通常这种存贮器的存取是循环的 每当缓冲器贮满时 就存储下一批采样值 以取代旧采样值 这种特性能做到连续监视传输线路负载 此外还能捕捉牵引信号 在正常 故障过渡时的预兆故障值和故障值 以微处理机为基础的远程继电器的另一个共同特性是继电器正常状况和工作状 态的自诊断 这一特性对测试和维护是极其有用的 与以前的技术相比是设计上的 一个重要的进步 此外 在操作接口方面也得到了一定的改进 用于继电器的设定 工作状态和各种牵引系统信号测量情况的各种操作均可进行显示 通过使用带有更 改设定值的复杂的处理协议的终端 继电器设定过程可以得到大大的强化和简化 由于对信号采样值进行了各种逻辑和算术运算 因而实现了基于微机的继电器 内部处理 通过使用存贮在继电器固件内的软件流程实现了继电器算法 图 4 1 给 出了典型的功能软件流程图 该图示出了一个基于微机的设计所具有的绝妙的灵活 性 它所提供的继电器算法的每个处理步骤均为独立的软件模块 使设计师能方便 地改变某些模块 以便适应不同继电器的要求 在采用远程继电器的情况下 继电 器工作特性的各种不同状态 以及电压 电流和阻抗测量的各种算法 均可以使用 同样的基本硬件和图 4 1 所介绍的同样软件编排来实现 总之 基于微机的继电器 可将继电器设计成具有一些传统的远程保护功能 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 24 页 例如带有适于传送跳闸 闭合功能的各种通讯选择的分段限时保护 另一方面 可 以用一个远程继电器微计算机实现很复杂的设计 在这种情况下除基本远程继电器 保护功能外 还可以包括其他功能 例如 局部断路器失效保护 高速重闭 自动 同步校验 不同步保护 瞬时记录 故障定位 SOE 事件顺序 记录 4 1 图 远程继电器的软件流程图 请注意 利用设计中的这种灵活性对于获得性能价格比高的远程继电器保护 是十分重要的 如果只需要基本的继电器保护功能 可以使用廉价的 8 位单板微计 算机 另一方面 如果需要复杂的远程保护设计 可能需要高性能 16 位多微计算机 系统 这种设计与等效的常规设计相比可能不是高性能价格比的 但在这种情况下 可通过增加不花钱就可得到的额外功能 使整个复杂远程继电器保护设计比具有等 效功能的各种常规设备便宜 开 始 N Y 区段内故障 定时器启动 跳闸逻辑启动 区 域 比 较 R 入的计 算 故 障 分 类 故 障 1 故 障 检 验 模 块 测 试 硬件启动 测 试 1 收集的 新采样值 测试 显示 Y N N Y Y 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 25 页 4 3 2 馈线监视和保护 微机为馈线监视和保护设备的设计者展现了一个新前景 过去由于成本或技术 方面的原因 这种新的监视与保护功能是不可能实现的 这些进步的一些实例包括 馈线用的数字缓充器 数字故障记录和分析系统 以及变电所自动化系统 过去在这方面做了许多研究和开发工作 一个大型研究实例是几个配电自动化 工程 例如 EPRI GE TESC0和EPRI 西屋 CP L工程 Texas A M研究人员的研 究成果已经证明 把许多功能有效地汇织到一个集成系统是可能的 这项研究的目 的是要说明 把变电所功能汇集成一个硬件和软件设计的可行性和优点 馈线保护 和监视系统 FPMS 的样机 选择了表中所给出的各种保护 监视和通讯特性 表4 1 FPMS 功能和特性 保护特性监视和记录功能 相 地过流保护 可编程继电器曲线 远程曲线设置 坐标参数的远程设置 故障信号波形的分析 故障前 后数据记录 操作员可选择的事件记录 事件记时标记 馈线负载监视 馈线谐波 噪音记录 通 讯 特 性 远程双向通讯 局部特性接口 程序向下装入能力 故障记录的远程传送 FPMS的过流继电器部分 包括用于馈线的过流保护和监视 这种瞬时和计时过 流功能提供了等效于机电系统可提供的主要馈线保护 在继电器内存贮的灵活的时间 电流座标曲线是传统的曲线类型 但是 这些 曲线可被规定为任何单值电流函数 与常规机电设备的反特性相比不是限制性的 这种继电器对于所有馈线保护使用一种曲线 如果馈线条件改变 为适时修正座标 曲线特性 这些曲线可向下装入继电器 用于估算原始馈线电流数值的过流保护算法原来是基于交叉相关技术的以240Hz 的速率采集所有四种电流的信号 并与参考值相比较 然后用Walsh数值估算法估算 结果分量 以估算出60Hz分量 对于高于故障拾取阀值的特定计算电流值 用查表 算法连续地断定跳闸时间 对于反向曲线通常是陡硝的低故障电流 该麦具有很高 西安铁路职业技术学院 毕业论文 第 26 页 的分辨力 查表过程允许用户输入座标曲线 以便继电器不限于常规设备的有限的 反向曲线特性 这种设备的明显优点在于 使用任何继电器曲线形状或曲线组合 对过流部分 进行编程序的能力 而且 经过适当的人机接口 可对这些曲线进行本地或远程修 改 FPMS数据记录器具有存贮几类系统会通到的有关于扰信息的功能 当故障发生 时 包括发生时间 最大相电流和地电流 以及故障期间继电器的设定值等数据全 被存贮起来 并与干扰记录相比较 如果没有随干扰发生跳闸 则干扰被分类为事 件存贮起来 如果发生了任何一种形式的Bet路 则干扰分类事故障存贮起来 以供 操作员使用 除此以外 引发电路断开的设备连同故障发生的相可一起识别出来 如断路时间 断路器动作时间之类的值也将被记录下来 所有示波器记录的三相和接地的故障数据都被存贮起来 对于那些长数据记录 使用数据缩减程序舍弃重复数据以节省系统存贮器空间 这种记录系统的优点很多 可根据要求将故障数据提供给操作员供以后分析系统操作和故障特性用 还可通过 现有的通讯链路 把这种数据传送到远方某地 供高级计算机详细分析 对于本地 的或经过电话调制解凋器的远方数据传送 双向通讯都是可采用的 此外还实现并论证了适于故障信号波形分析的研究级算法 想用该算法检测出 用标准过流继电保护装置不可能检测出来的配电电路中的很低电流故障 由于存在 能分析常规过流保护系统可忽略的故障波形和参数的算法 有效地提高了检测很低 电流放障的可的性 集成馈线保护系统的优点是很多的 使用数字技术后 能获得并分析以前被忽 略或舍弃的大量重要数据 在集成系统中 可以以很低的成本获得详细的示波器记 录下来的故障数据 可以实现利用保护曲线和协调理辑进行程