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变电站综合自动化技术 变电站监控系统 内容纲要1 综合自动化的有关基本概念 基本结构及功能介绍2 国内典型500kV综合自动化变电站特点分析3 变电站综合自动化系统的数据通信及网络通信4 变电站监控系统装置介绍5 变电站监控系统设备的试验 维护及注意事项 1 综合自动化的有关基本概念 基本结构及功能介绍 基本概念变电站自动化 计算机技术 变电站系统或设备 通信和网络技术 变电站系统或设备 其它各种新技术 变电站系统或设备 变电站自动化变电站自动化是基于微机的变电站二次系统或设备 变电站综合自动化 变电站综合自动化系统是将变电站的二次设备 包括控制 信号 测量 保护 自动装置 远动等 利用计算机技术 现代通信技术 通过功能组合和优化设计 对变电站执行自动监视 测量 控制和调整的一种综合性的自动化系统特点 功能综合化 设备 操作 监视微机化 结构分层分布化 通信网络化光纤化 运行管理智能化 四遥 遥测 又称远程测量 是指运用远程通信技术传送被测参量的测量值遥信 又称远程信号 是对状态信息的远程监视遥控 又称远程切换 是指对具有两个确定状态的运行设备所进行的远程操作遥调 又称远程整定 是指对具有不少于两个设定值的设备进行远程操作 事件顺序记录 SOE按照时间顺序记录事故 故障和异常的发生情况对远动主站而言 事件顺序记录特指保护跳闸及其相关信息由于对时的原因 事件顺序记录在站内应用较好 但站间的应用效果很差 事故追忆 记录断路器事故跳闸前后一段时间内模拟量的有效值变化过程有的系统可以每周波记录一次有效值 有的系统等间隔记录一次有效值由于CT饱和特性的限制 事故追忆仅仅具有参考价值 故障录波 记录断路器事故跳闸前后一段时间内电压 电流 频率等模拟量的故障波形 动态 RTU 在发电厂 变电所内按远动规约完成远动数据采集 处理 发送 接收以及输出执行等功能的设备称为远动终端 RemoteTerminalUnit 即RTU VQC 电压无功控制实现变电站或局部电网的补偿设备自动投切或调整 以及变压器分接头的自动调整 监控系统按站级与间隔级两个控制层构成 站级控制层布置在变电所主控制楼内计算机室及主控制室 在主控制室配置两台主计算机兼做操作员工作站及一台微机五防PC机 两台主机平行运行 互为热备用 运行人员通过操作员工作站对变电所全部一次设备及二次设备进行监视 测量 记录并处理各种信息 并对变电所的主要电气设备实现远方控制 运行人员可通过微机五防PC机进行防误模拟操作 综自系统基本配置 结构 在计算机室配置1台工程师工作站 2台数据处理和通信装置及公共系统接口机1台 工程师工作站用于整个监控系统的维护和管理等 南阳站本期配置 两台64位系统服务器 两台64位操作员站 一台远动工作站 一台64位五防工作站 一台64位工程师站 一台64位仿真培训工作站 站级控制层的各设备之间通过以太网进行通讯 以太网采用冗余结构 间隔级控制层由按电气单元组屏的测控部件组成 具有交流采样 测量 防误闭锁 同期检测 就地断路器紧急操作和主接线状态及测量数字显示等功能 并按照电气单元配置分别布置在1000KV保护小室 所用变小室内 南阳站本期测控装置配置为 1000KV保护小室分1000KV断路器测控装置 1000KV线路测控装置 1000KV线路电抗器测控装置 1000KV公用测控装置 所用变小室包含35KV和0 4KV测控装置 综自系统基本功能 通过I O数据采集单元实时采集来自生产过程的模拟量 数字量 脉冲量及温度量等输入量 数据处理功能 画面显示 记录和打印功能 管理功能 时钟同步 与保护设备的数字接口 监控系统的自诊断和自恢复 报警处理 操作功能 控制功能 同期检测及操作 防误操作 计算机通信网接口 维护功能 2 国内典型500kV综合自动化系统特点分析 变电站自动化系统的技术特点 在技术 设备没有大的发展情况下 各厂家趋于统一 面向间隔的分层分布式结构 两层设备 后台硬件异构平台 64位机和32位机 混合操作系统平台 WINDOWS和UNIX 站控层五防与间隔五防互补的五防体系抗干扰性能优越的可配置的测控装置面向间隔的数据库 三种方案的共同要求测控单元出以太网 数据不经转换直接送到远动主机和当地监控主机 操作员站和服务器可以分开布置 也可以合并运行 分开布置时 服务器放置在计算机室内 间隔层和变电站层分别组成以太网 各间隔层以太网与变电站层以太网通过光纤连接 220kV及以上高集成化典型结构 3 变电站综合自动化系统的数据通信及网络通信 一 变电站内的信息传输内容 间隔层设备大多需要从现场一次设备的电压和电流互感器采集正常情况和事故情况下的电压值和电流值 采集设备的状态信息和故障诊断信息 这些信息主要是 断路器 隔离开关位置 变压器的分接头位置 变压器 互感器 避雷器的诊断信息以及断路器操作信息 1 现场一次设备与间隔层间的信息传输 3 间隔层与变电站层的信息 1 测量及状态信息 2 操作信息 3 参数信息 微机保护和自动装置的整定值等 2 间隔层的信息交换 这类信息有如测量数据 断路器状态 器件的运行状态 同步采样信息等 二 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 会把变电站内所相关信息传送控制中心 同时能接收上级调度数据和控制命令 变电站向控制中心传送的信息通常称为 上行信息 而由控制中心向变电站发送的信息 常称为 下行信息 综合自动化系统的通信网络 计算机局部网络 LocalAreaNetworks 简写LAN 简称局域网 是计算机技术急剧发展的新领域 它是把多台小型 微型计算机以及外围设备用通信线路互连起来 并按照网络通信协议实现通信的系统 构成局域网的四大因素是网络的拓扑结构和传输介质 传输控制和通信方式 1 局域网的拓扑结构 A 星型 星型网络结构简单 任何一个非中心节点故障对整个系统影响不大 但中心节点故障时会使全系统瘫痪 为了保证系统工作可靠 中心节点可设置备份 在电力系统中 采用循环式规约的远动系统中 其调度端同各厂 站端的通信拓扑结构就是星型结构 B 总线型 采用总线方式时增加或减少用户比较方便 某一节点故障时不会影响系统其他部分工作 但如总线故障 就会导致全系统失效 C 环型 由于环型网的各个节点在环中串接 因而任何一个节点故障 都会导致整个环的通信中断 局域网可采用双绞线 同轴电缆或光纤等作为传输信道 也可采用无线信道 2 局域网的传输信道 3 常用的局域网 以太网 以太网是采用总线型拓扑结构 它是一种局部通信网 通常在线路半径1 10km中等规模的范围内使用 为单一组织或单位的非公用网 网中的传输介质可以是双绞线 同轴电缆或光纤等 它的特点是 信道带宽较宽 传输速率可达10 100mbit s 误码率很低 具有高度的扩充灵活性和互联性 建设成本低 见效快 常规光纤以太网技术 双光纤自愈环网以太网技术 现场总线简介 现场总线是应用在生产现场 在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统 也被称为开放式 数字化 多点通信的底层控制网络 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表 使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力 采用可进行简单连接的双绞线等作为总线 把多个测量控制设备连接成的网络系统 并按公开 规范的通信协议 在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场设备与远程计算机之间 实现数据传输与信息交换 形成各种适应实际需要的自动控制系统 几种有影响的现场总线有 基金会现场总线 FF FoundationFieldbus 是现场总线基金会在1994年9月开发出的国际上统一的总线协议 Lonworks现场总线 是美国echelon公司推出并由它与摩托罗拉 东芝公司共同倡导 于1990年正式公布而形成的 CAN总线 controlareanetwork 是控制局域网络的简称 最早由德国BOSCH公司推出的 并行数据通信是指数据的各位同时传送 可以以字节为单位 8位数据总线 并行传送 也可以以字为单位 16位数据总线 通过专用或通用的并行接口电路传送 各位数据同时传送 同时接收 1 并行数据通信 综自系统串 并行通信简介 常用在短距离传输中 通常小于10m 要求传输速度高的场合 2 串行数据通信 串行通信是数据一位一位顺序地传送 串行通信数据的各个不同位 可以分时使用同一传输线 故串行通信最大的优点是可以节约传输线 特别是当位数很多和远距离传送时 这个优点更为突出 这不仅可以降低传输线的投资 而且简化了接线 但串行通信的缺点是传输速度慢 且通信软件相对复杂些 在变电站综合自动化系统内部 特别是微机保护 自动装置与监控系统相互通信电路中各种自动装置间或继电保护装置与监控系统间 为了减少连接电缆 简化配线 降低成本 主要是使用串行通信 RS 232是美国电子工业协会 EIA ElectronicIndustriesAssociation 制定的物理接口标准 也是目前数据通信与网络中应用最广泛的一种标准 一 物理接口标准RS 232 特点是 传送每种信号只用一根信号线 而它们的地线是使用一根公用的信号地线 这种电路是传送数据的最简单方法 因此得到广泛应用 但是RS 232也存在一些不足 表现在以下几方面 1 数据传输速率局限于20KBPS 2 理论传输距离局限于15M 如果合理的选用电缆和驱动电路 这个距离可能增加 3 每个信号只有一根信号线 接收和发送仅有一根公用地线 易受噪声干扰 4 接口使用不平衡的发送器和接收器 可能在各信号成分间产生干扰 二 物理接口标准RS 485 RS 485适用于多个点之间共用一对线路进行总线式联网 RS 485的使用 可节约昂贵的信号线 同时可高速远距离传送 它的传输速率达到93 75kbps 传送距离可达1 2km 因此 在变电站综合自动化系统中 各个测量单元 自动装置和保护单元中 常配有RS 485总线接口 以便联网构成分布式系统 综合自动化变电站系统的规约转换 在综合自动化的通信系统中 为了确保通信双方能有效 可靠地进行数据传输 在发送和接收之间要有一定的约定 这种通信约定就是通信协议 也就是通信规约 什么是通信规约 规约转换就是由各监控厂家将需接入监控系统的二次设备所用的不同类型规约转换成各监控系统规约 南瑞科技规约监控规约 IEC60870 5 103规约 国电南自监控规约 IEC60870 5 103规约 四方公司监控规约 四方内部规约 正是因为传输规约没有标准化 才需规约转换 4 监控系统装置介绍 新一代数字测控装置CSI 200E采用按间隔设计思想设计 硬件采用全分布式多CPU的32位微处理器硬件平台 充分分散数据处理负荷 最大程度的提高系统的整体性能 CPU模块之间通过内部高速工业总线传递数据 保证数据处理与传输的稳定可靠 装置内部及网络结构 交流测量插件 最多采集12路模拟量 8U4I 6U6I 4U3I 8U 测量精度高 电压电流0 2级 功率0 5级 零漂刻度整定无需调节电位器 检同期 手合同期 直流测温插件 可采集5路直流或5路温度 直流 温度经过变送器接入端子 直流种类 0 5v 4 20mA 24V 110V 220V 订货时说明 温度 3线热电阻直接接入 测量精度 直流0 2级 温度 1 开入插件 24路开入 分为4组 各组路数分别为8 4 8 4 每组一个公共端 各组功能可配置 单 双位置 开关档位 电度脉冲等 参数可整定 SOE 长短延时 双遥变位时差 电铃电笛告警等 SOE分辨率 1ms 每路防抖时间可整定 1ms 25s 输入电压 DC220V 110V 24V 扩展开入插件 24路开入 分组情况与基本配置开入板相同 积木式搭接 与基本配置开入板靠硬插针连接 仅作路数扩展 48路开入不够则需另插一块基本配置开入板 开出插件 10付双线圈双位置继电器输出 用PLC逻辑实现断路器 刀闸控制 开出接点容量 5A 开出自检 闭锁故障接点并告警 可提供端子出口的绝对时间供事故分析 人机对话面板 正常轮循主接线图 测量值及压板状态 有主动上送信息立即显示 四方按键进行常规操作 应急按键供高级用户就地分合开关 刀闸 运行 告警 解锁 远方 就地指示灯 信号复归按钮按下 复归告警报文及指示灯 RS232口接面板PC 在CSI200E中各个插件可以灵活配置 每个装置中各类插件提供的最大配置为 AI板3块 8U4I 6U6I 4U3I 8U 带扩展板的DI板2块 96路 直流测温板2块 10路 开出板4块 56 Master板1块 支持双以太网 电源插件1块 另外每个装置还配置1块MMI插件 插件配置 远动及规约转换设备 嵌入式远动及规约转换装置CSM 310E采用嵌入式硬件平台和实时多任务操作系统 RTOS 完成变电站与远方调度控制中心之间的通信 实现远程监控 CSM 310E同时也可作为规约转换装置 承担将外厂家IED接入CSC 2000系统的责任 远动及规约转换设备特点 按需配置 灵活方便可以实现多路远动 协议转换 这些功能全部可以按照工程需要配置 投退方便 CSM310E的远动功能支持多通道 多规约 接口丰富 扩展容易具有多个串口 4 8个 异步 同步 RS 232 RS 485 多个LonWorks网卡 多块以太网卡 支持CSC2000 DL T634 2002 IEC60870 5 104 DL T667 1999 IEC60870 5 103 等现场通信协议 还可以根据需要灵活增加 冗余设置 安全可靠硬件可以按照双冗余配置 如双LON网卡 双串口卡 双以太网卡 远动通道可以按照双信道冗余配备 两台CSM310E可以互为热备用 大大提高了其可靠性 5 监控系统设备的试验 维护 注意事项 监控系统设备的维护及注意事项 监控系统性能指标 监控系统设备的试验 技术指标是衡量一套监控系统性能高低的重要依据 也是满足变电站实际运行的一些基本要求 1 模拟量测量误差 0 2 2 电网频率测量误差 0 01Hz 3 事件顺序记录分辨率 SOE 1ms 4 模拟量越死区传送时间 至站控层显示器 2s 5 开关量变位传送时间 至站控层显示器 1s 6 遥测信息响应时间 从I O输入端至远动工作站出口 2s 7 遥信变化响应时间 从I O输入端至远动工作站出口 1s 8 控制命令从生成到输出的时间 1s 9 动态画面响应时间 2s 监控系统性能指标 11 双机系统可用率 99 99 12 控制操作正确率 100 13 系统平均无故障间隔时间 MTBF 30000h 其中I O单元模件MTBF 50000h 14 间隔级测控单元平均无故障间隔时间 40000h 15 各工作站的CPU平均负荷率 正常时 任意30min内 20 电力系统故障 10s内 40 16 网络负荷率正常时 任意30min内 20 电力系统故障 10s内 40 17 模数转换分辨率 14位 18 整个系统对时精度 1ms CSI 200E数字式综合测量控制装置与CSM 320E网络信息管理与控制装置型式试验 基本性能试验交流遥测影响量测试 主要包括 频率变化影响 三相不平衡影响 谐波分量影响 超量限影响 过负荷影响 功率因数影响雪崩处理能力测试 考验设备同时采多个信号时 会不会丢失信号 试验过程中 16个开关同时动作 检查SOE处理是否正确 状态是否正确遥测 遥信响应时间试验 从I O输入端至远动工作站出口的时间 电磁兼容试验 变电站内高压电器设备的操作 低压交 直流回路内电气设备的操作 雷电引起的浪涌电压 电气设备周围静电场 电磁波辐射和输电线路或设备短路故障所产生的瞬变过程等都会产生电磁干扰 这些电磁干扰进入变电所内的综合自动化系统或其他电子设备 就可能引起自动化系统工作不正常 甚至损坏某些部件或元器件 电磁兼容的意义是 电气或电子设备或系统能够在规定的电磁环境下不因电磁干扰而降低工作性能 它们本身所发射的电磁能量不影响其他设备或系统的正常工作 从而达到互不干扰 在共同的电磁环境下一起执行各自功能的共存状态 电磁兼容的内容包括抗干扰 设备和系统抵抗电磁干扰的能力 和电磁发射控制 设备和系统发射的电磁能量的控制 两个方面 电磁干扰的三要素是 干扰源 传播途径和电磁敏感设备 针对措施 抑制干扰源产生的电磁干扰 滤波 屏蔽和接地 切断干扰的传播途径 提高敏感设备抗电磁干扰的能力即降低对干扰的敏感度 一 电磁干扰源分析 变电站设备的交流电源及直流电源受低频振动扰动 传导瞬变和高频干扰 磁场的干扰 对变电站综合自动化系统来说 外部干扰源主要有 交 直流回路开关操作 扰动性负荷 非线性负荷 波动性负荷 短路故障 大气过电压 雷电 静电 无线电干扰和核电磁脉冲 二 电磁干扰的耦合途径 电磁干扰侵入电子设备的途径 可分为辐射和传导两大类 第一类为辐射干扰 干扰信号通过电磁波辐射传播 第二类为传导干扰 干扰信号通过干扰源与被干扰设备之间的阻抗进行传播 两者会相互转换 辐射干扰经过导线可转换成传导干扰 传导干扰又可通过导线形成辐射干扰 三 电磁干扰可能造成的后果 1 电源回路干扰的后果 计算机电源受干扰 往往造成计算机工作不稳定 甚至死机 2 模拟量输入通道干扰的后果 电磁干扰的可能后果是从TA或TV的二次引线引入浪涌电压 造成采样数据错误 轻则影响采样精度和计量的准确性 重则可能引起微机保护误动 甚至还可能损坏元器件 3 开关量输入 输出通道干扰的后果 开关 刀闸位置指示错 严重情况会误分开关 刀闸 4 CPU和数字电路受干扰的后果 EPROM受干扰而程序或定值遭破坏 将导致相应的自动装置无法工作 变电站抗电磁干扰的措施 1 抑制干扰源的影响 一 屏蔽措施 2 二次设备内 综合自动化系统中的测量和微机保护或自控装置所采用的各类中间互感器的一 二次绕组之间加设屏蔽层 这样可起电场屏蔽作用 防止高频干扰信号通过分布电容进入自动化系统的相应部件 1 一次设备与自动化系统输入 输出的连接采用带有金属外皮 屏蔽层 的控制电缆 电缆的屏蔽层接地 对电场耦合和磁耦合都有显著的削弱作用 4 变电站综合自动化系统的机柜和机箱采用铁质材料 本身也是一种屏蔽 二 减少强电回路的感应耦合 1 控制电缆尽可能离开高压母线和暂态电流的入地点 并尽可能减少平行长度 2 电流互感器回路的A B C相线和中性线应在同一根电缆内 避免出现环路 3 电流和电压互感器的二次交流回路电缆 从高压设备引出至监控和保护安装处时 应尽量靠近接地体 减少进入这些回路的高频瞬变漏磁通 3 机箱或机柜的输入端子上对地接一耐高压的小电容 可抑制外部高频干扰 由于干扰都是通过端子串人的 当高频干扰到达端子时 通过电容对地短路 避免了高频干扰进入自动化系统内部 2 接地 接地是变电站一 二次设备电磁兼容的重要措施之一 也是变电站综合自动化系统抑制干扰的主要方法 在变电站设计和施工过程中 如果能把接地和屏蔽很好地结合起来 可以解决大部分干扰问题 3 隔离措施 一 模拟量的隔离 监控系统 微机保护装置以及其他自动装置所采集的模拟量 都来自一次系统的电压互感器和电流互感器 均处于强电回路中 不能直接输入至自动化系统 必须经过设置在自动化系统各种交流输入回路中的隔离变压器 常称小电压互感器TV和小电流互感器TA 隔离 这些隔离变压器一 二次之间必须有屏蔽层 而且屏蔽层必须接安全地 才能起到比较好的屏蔽效果 二 开关量输入 输出的隔离 变电站综合自动化系统开关量的输入 主要是断路器 隔离开关的辅助触点和主变压器分头位置等 要通过光电耦合器隔离 三 其他隔离措施 二次回路布线时 应考虑隔离 减少互感耦合 避免干扰由互感耦合侵入 组屏安装 印制板 4 滤波 滤波是抑制自动化系统模拟量输入通道传导干扰的主要手段之一 主要是在自动化系统电子线路设计时 考虑各种滤波电子电路 监控系统装置电磁兼容性要求 装置在雷击过电压 一次回路操作 开关站故障 二次回路操作干扰及其它强电磁干扰作用下 应能保证正常工作及动作的正确性 装置不应要求其交直流输入回路外接抗干扰元件来满足有关电磁兼容标准的要求 特高压综合自动化系统装置的电磁兼容性能应达到下表的等级要求 序号电磁干扰项目依据的标准等级要