电力工程变电所监控系统和自动装置

电力工程基础第七章变电所监控系统和自动装置南京理工大学自动化学院22026/3/1第七章变电所的监控系统和自动装置

7.1变电所的操作电源

7.2变电所的控制回路

7.3变电所的信号回路

7.4绝缘监察装置和测量仪表

7.5变电所常用自动装置

7.6变电站综合自动化简介南京理工大学自动化学院32026/3/17.1变电所的操作电源

操作电源是用来对断路器的分、合闸回路，继电保护装置以及其它信号回路供电的电源。一、概述可分为直流操作电源和交流操作电源两大类。二、直流操作电源1.由蓄电池供电的直流操作电源优点：蓄电池的电压与被保护的网络电压无关。缺点：需购置大量的充电设备和蓄电池组，辅助设备多，投资大，运行复杂，维护工作量大，可靠性低。南京理工大学自动化学院42026/3/17.1变电所的操作电源2.由硅整流器供电的操作电源硅整流电容储能式直流操作电源（图7-1）硅整流器U1：采用三相桥式整流。硅整流器U2：采用单相桥式整流。正常运行时由整流器供电，当系统发生故障时，利用电容器C1和C2的储能使断路器跳闸。南京理工大学自动化学院52026/3/17.1变电所的操作电源复式整流装置（图7-2）正常运行时由整流器供电，当系统发生故障时，利用短路故障电流经过整流作为操作电源。

整流装置既可由“电压源”（所用变压器或电压互感器）供电，也可由“电流源”（电流互感器）供电。三、交流操作电源优点：投资小、接线简单可靠、运行维护方便。缺点：不适用于较复杂的继电保护、自动装置及其它二次回路等。南京理工大学自动化学院62026/3/17.1变电所的操作电源2.利用继电器常闭触点去分流跳闸线圈方式（图7-4）3.利用速饱和变流器的接线方式（图7-5）正常运行时，电流继电器KA的常闭触点将跳闸线圈YR短接，断路器不会跳闸。当一次电路发生短路时，继电器动作，其常闭触点断开，电流互感器的二次侧短路电流流入跳闸线圈而使断路器跳闸。正常运行时电流继电器KA不动作，其常开触点是断开的，速饱和变流器TAM的二次侧处于开路状态，断路器不会跳闸。当一次电路发生短路时，电流继电器动作，其常开触点闭合，使断路器跳闸。利用操作机构内的跳闸线圈YR直接动作于跳闸，不需另外装设继电器，设备少，接线简单。1.直接动作式（见图7-3）南京理工大学自动化学院72026/3/17.1变电所的操作电源采用速饱和变流器的目的：

当短路时限制流入跳闸线圈的电流；减小电流互感器的二次负荷阻抗。缺点：接线较复杂，所用的电器较多。一般只有当继电器容量不够时才采用。速饱和变流器与电流互感器的区别：

电流互感器的二次侧不允许开路；速饱和变流器可以在开路下使用。速饱和变流器二次线圈匝数较少，不会感应出很高的感应电压。南京理工大学自动化学院82026/3/17.2变电所的控制回路一、概述控制回路是由控制开关和控制对象（断路器、隔离开关）的操作机构组成的。其作用是对一次开关设备进行“跳”、“合”闸操作。集中控制（远方控制）：在控制室内用控制开关对断路器进行操作，用于35kV及以上的变电所中。就地控制：在各个断路器安装处就地操作，用于6～10kV的变电所中。断路器的控制分为集中控制和就地控制两类：南京理工大学自动化学院92026/3/17.2变电所的控制回路对断路器控制回路的基本要求既可由控制开关进行手动跳、合闸，又可由继电保护和自动装置自动跳、合闸；断路器跳闸或合闸完成后，应能自动切断跳闸或合闸回路，防止因通电时间过长而烧坏线圈；应有指示断路器状态的位置信号，而且能够区分自动跳、合闸与手动跳、合闸的位置信号；应有防止断路器多次连续跳、合闸的跳跃闭锁装置；应有指示断路器控制回路完好性的监视信号；南京理工大学自动化学院102026/3/17.2变电所的控制回路二、控制开关控制开关又称为“万能转换开关”，是对断路器进行分、合闸控制的操作元件。目前变电所多采用LW2型控制开关，它共有六个位置：

预备操作位置：“预备合闸”和“预备跳闸”操作位置：“合闸”和“跳闸”固定位置：“合闸后”和“跳闸后”合闸操作顺序：预备合闸→合闸→合闸后跳闸操作顺序：预备跳闸→跳闸→跳闸后LW2型控制开关的触点图表:见表7-1。

南京理工大学自动化学院112026/3/17.2变电所的控制回路三、灯光监视的断路器控制回路和信号回路图7-6为灯光监视的断路器控制回路和信号回路原理图。1.合闸过程手动合闸：手动合闸前，断路器QF处于跳闸状态，控制开关手柄处于“跳闸后”位置，由表7-1知，SA10-11接通，则+WC→SA10-11→HLG→R1→QF1-2→KO→-WC绿灯亮既表明断路器处于跳闸位置，也表明断路器合闸回路是完好的。绿灯HLG亮“预备合闸”：由表7-1知，触点SA9-10与SA13-14接通，此时+WF→SA9-10→HLG→R1→QF1-2→KO→-WC绿灯闪光绿灯闪光表明断路器准备合闸，以提醒运行人员核对操作是否正确。南京理工大学自动化学院132026/3/17.2变电所的控制回路2.跳闸过程手动跳闸：“预备跳闸”：由表7-1知，触点SA13-14接通，此时+WF→SA13-14→HLR→R2→KLB（I）→QF3-4→YR→-WC

红灯闪光红灯闪光表明断路器准备跳闸，以提醒运行人员核对操作是否正确。

“跳闸”（不松手）：由表7-1知，SA6-7、SA10-11接通，则+WC→SA6-7→KLB（I）→QF3-4→YR→-WCQF跳闸+WC→SA10-11→HLG→R1→QF1-2→KO→-WC

松开手柄，SA自动回到“跳闸后”的位置，绿灯继续发光。绿灯亮南京理工大学自动化学院142026/3/17.2变电所的控制回路自动跳闸：自动跳闸时，QF在跳闸位置，SA在“合闸后”位置，二者不对应，触点SA9-10接通，则+WF→SA9-10→HLG→R1→QF1-2→KO→-WC绿灯闪光+WS→HA→R3→SA1-3→SA19-17→QF5-6→-WS发出音响信号绿灯闪光，事故信号装置发出音响，表明断路器是自动跳闸的。只有将SA手柄转到“跳闸后”位置，绿灯才变为平光，事故音响信号才停止。

3.防跳回路作用：防止运行人员手动合闸断路器于故障线路上，断路器又被继电保护装置动作于跳闸后，断路器会出现多次连续跳、合闸的跳跃现象。南京理工大学自动化学院152026/3/1图中：SA：控制开关

HLG：绿灯HLR：红灯KLB：防跳继电器KM1：自动重合闸出口中间继电器的常开触点KM0：继电保护出口中间继电器的常开触点HA：蜂鸣器右侧“1”、“2”、“3”表示操作手柄在“预备合闸”、“合闸”和“合闸后”位置左侧“1”、“2”、“3”表示操作手柄在“预备跳闸”、“跳闸”和“跳闸后”位置南京理工大学自动化学院162026/3/17.2变电所的控制回路四、闪光电源的构成DX-3型闪光继电器的内部结构与接线如图7-7所示。KF为闪光继电器，其触点时开时闭，使闪光母线+WF上呈现断续的正电压；SB为试验按钮，按下时闪光装置动作，白色信号灯HLW亮，表示本装置工作正常。

自动跳闸、自动合闸、“预备合闸”和“预备跳闸”时，都能起动闪光继电器，使相应指示灯发出闪光。南京理工大学自动化学院182026/3/17.3变电所的信号回路二、事故信号装置1．简单的事故信号装置就地复归的事故音响信号装置（图7-8）缺点：在解除事故音响信号的同时，闪光信号也被解除了，不利于值班人员处理事故。任一台断路器自动跳闸后，蜂鸣器（电笛）HA发出音响。将SA手柄将转到“跳闸后”位置，即可解除事故音响信号。就地复归是通过解除断路器不对应起动回路来解除音响信号。南京理工大学自动化学院192026/3/17.3变电所的信号回路中央复归不能重复动作的的事故音响信号装置（图7-9）SB1：试验按钮SB2：解除按钮

任一台断路器自动跳闸时，即会发出事故音响信号。

按一下SB2按钮，便会解除音响信号，但控制屏上的闪光信号却继续保留。缺点：不能重复动作。即当一断路器启动事故信号并中央复归后，又一断路器自动跳闸，音响不能再次启动。南京理工大学自动化学院202026/3/17.3变电所的信号回路中央复归能重复动作的的事故音响信号装置（图7-10）TA：脉冲变流器KR：干簧继电器SB1：试验按钮SB2：解除按钮V1和C的作用：抗干扰作用V2的作用：单向旁路作用南京理工大学自动化学院212026/3/17.3变电所的信号回路

工作原理：音响起动过程：一台断路器事故跳闸时，TA的一次侧电流突增，其二次侧感应电势使KR动作→起动KM1→KM11-2闭合实现自保持→KM13-4闭合→起动蜂鸣器HA，发出音响。

复归过程：触点KM15-6闭合→起动KT→

经KT整定的时间后自动解除事故音响信号，将整套信号装置复归。重复动作原理：第二台断路器跳闸时，由于在每一个并联支路中都有串联电阻R，每多并联一个支路，都将引起TA一次绕组中的电流产生变化，在二次绕组中感应电势，使干簧继电器KR再次动作并启动音响信号装置。

中央复归是在主控台上通过按钮或自动解除音响信号。南京理工大学自动化学院222026/3/17.3变电所的信号回路三、预告信号装置图7-11为中央复归不能重复动作的预告音响信号装置接线图。

发生不正常运行时，其相应的继电器K动作，音响信号HA（警铃）和光字牌HL同时动作。

按一下SB2，警铃即被解除，同时黄色信号灯HLY发亮。缺点：不能重复动作。南京理工大学自动化学院242026/3/17.5

变电所常用自动装置手动跳闸时不应重合；手动合闸于故障线路不重合；ARD只能动作一次；ARD动作后应能自动复归，准备再次动作；2．三相一次自动重合闸的基本工作原理（图7-16）南京理工大学自动化学院252026/3/1图中：KT：用于建立ARD的动作时间KM：执行元件R4：充电电阻，可控制电容C的充电速度R5：KT的热稳定电阻R6

：电容C的放电电阻R7

：信号灯降压电阻HL：信号灯KLB：防跳继电器KM1：跳闸位置继电器KAC：加速继电器南京理工大学自动化学院262026/3/17.5

变电所常用自动装置正常工作时：QF处于合闸位置，SA1处于“合闸后”位置，其触点SA121-23接通，SA2处于合闸位置，电容C经电阻R4而充满电压，电容C两端电压等于电源电压，信号灯HL亮。线路短路，保护动作时：QF跳闸，QF3-4打开，QF1-2闭合→KM1起动→

KT线圈得电→其触点KT延时闭合→电容C向KM线圈放电→

KM动作。KM动作后KM1-2打开→信号灯HL灭；KM3-4、KM5-6闭合→KO得电→

QF合闸。

若合闸成功，所有继电器复位，电容C经10～15s再次充满电压，准备再次动作；若合闸不成功，保护再次跳闸，尽管KM1和KT又起动，但因电容C两端电压太低，不能使KM动作，保证只重合一次。7.5

变电所常用自动装置南京理工大学自动化学院282026/3/17.5

变电所常用自动装置防跳继电器KLB的作用：防止触点SA5-8被粘住或KM动作后其常开触点KM3-4、KM5-6被粘住时，且线路上发生永久性故障，出现断路器多次重合闸现象。南京理工大学自动化学院292026/3/17.5

变电所常用自动装置二、备用电源自动投入装置当工作电源电压消失时，使备用电源自动而迅速地投入工作，以保证供电连续性的自动装置，简称APD。

1．概述备用电源自动投入装置的基本形式（图7-19）明备用接线方式：暗备用接线方式：APD装在备用进线断路器上。APD装在母线分段断路器上。

南京理工大学自动化学院302026/3/17.5

变电所常用自动装置对备用电源自动投入装置的基本要求工作电源不论任何原因断开，备用电源应能自动投入；必须在工作电源确已断开，而备用电源电压也正常时，才允许投入备用电源。APD的动作时间应尽可能短，以利于电动机的自起动和缩短停电时间；APD只能动作一次，以免将备用电源重复投入到永久性故障上；当电压互感器的二次回路断线时，APD不应误动作；若备用电源容量不足，应在APD动作的同时切除一部分次要负荷。南京理工大学自动化学院322026/3/1南京理工大学自动化学院332026/3/17.5

变电所常用自动装置三、按频率自动减负荷装置1．概述频率降低的危害频率降低将引起电动机转速下降，从而影响产品质量。频率降低会引起电子设备工作的准确度下降，频率过低将不能运行。3．APD的参数整定（不作要求）南京理工大学自动化学院342026/3/17.5

变电所常用自动装置频率降低会引起励磁机、发电机等的转速相应降低，当励磁电流一定时，发送的无功功率会随着频率的降低而减少，使系统的电压水平将受到严重影响。频率降低将使发电厂中的给水泵、循环水泵、风机等的出力下降，造成水压、风力不足，降低发电机组的发电能力，进一步引起频率下降，若不采取措施，将造成频率崩溃。频率降低会引起汽轮机叶片产生共振，使叶片寿命降低甚至断裂，造成重大事故。规程规定：电力系统的频率不能长期运行在49.5～49Hz以下，事故情况下不能较长时间停留在47Hz以下，频率的瞬时值不能低于45Hz。南京理工大学自动化学院352026/3/17.5

变电所常用自动装置2．按频率自动减负荷装置的工作原理按频率自动减负荷装置的组成（图7-22）按频率自动减负荷装置的工作原理（图7-23）频率测量元件延时元件执行元件可见：按频率自动减负荷装置是采用逐次逼近的方法，迅速计算出系统的有功功率缺额，并断开相应的用户，以达到系统频率的稳定。南京理工大学自动化学院362026/3/17.5

变电所常用自动装置3．动作频率的整定第一轮动作频率：整定为47.5～48.5Hz。最后一轮动作频率：整定为46～46.5Hz或45Hz。频率选择性级差的确定：频率的选择性级差取决于频率继电器本身的误差和在时间内频率下降的数值。一般相邻两轮的整定频率级差取0.5Hz，整定时限差取0.5s。特殊轮的动作频率：动作频率取47.5~48.5Hz，动作时限取15~25s，时限级差取5s左右。南京理工大学自动化学院372026/3/17.6变电站综合自动化简介

一、变电站综合自动化系统概述1．变电站综合自动化的产生常规变电站的缺点：安全可靠性不高、电能质量可控性不高、实时计算控制性不高、占地面积大、维护工作量大。微机化变电站（包括微机保护、微机监控、微机远动和微机录波装置）的缺点：设备重复、数据不共享、通道不共用、模板种类多、电缆依旧错综复杂等。变电站综合自动化：从技术管理的综合自动化将微机化变电站的二次系统进行优化设计，合理共享、硬件资源。南京理工大学自动化学院382026/3/17.6变电站综合自动化简介

变电站综合自动化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）经过功能的组合和优化设计，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、控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。2．变电站综合自动化的基本概念

或者说，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。

南京理工大学自动化学院392026/3/17.6变电站综合自动化简介

3．变电站实现综合自动化的优越性在线运行的可靠性高。供电质量高。占地面积小。变电站运行管理的自动化水平高。二、变电站综合自动化系统的基本特征功能综合化：综合了变电站内除一次设备和交、直流电源以外的全部二次设备。结构分层、分布化：综合自动化系统中微机保护、数据采集和控制以及其他智能设备等子系统都是按分布式结构设计的，而综合自动化系统的总体结构又按分层原则来组成。南京理工大学自动化学院402026/3/17.6变电站综合自动化简介

操作监视屏幕化：通过计算机上的显示器，可以监视全变电站的实时运行情况和对各开关设备进行操作控制。通信局域网络化、光缆化：计算机局域网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中得到普遍应用。运行管理智能自动化：除了可以实现常规变电站的自动报警、自动报表、电压无功自动调节、小电流接地选线、故障录波、事故判别与处理等自动化功能外，还可实现本身的在线故障自诊断、自闭锁、自调节和自恢复等功能，大大提高了变电站的运行管理水平和安全可靠性。南京理工大学自动化学院412026/3/17.6变电站综合自动化简介

三、变电站综合自动化系统的基本功能1．监控系统功能

监控系统取代常规的控制盘、仪表盘、模拟盘、中央信号系统、电压无功调节装置等，具体包括以下内容：实时数据采集与处理模拟量的采集：包括各段母线电压；线路电流、电压、和功率值；主变压器电流和功率值；馈线电流、电压和功率值；电容器的电流、无功功率及频率、相位、功率因数等。此外，还有主变压器的油温、直流电源电压、站用变压器电压等。南京理工大学自动化学院422026/3/1状态量的采集：包括断路器的状态、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。电度量的采集：主要是脉冲电度表输出的电能量。7.6变电站综合自动化简介

运行监视和报警功能状态量的变位监视：包括变电站各种断路器、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：包括正常的测量和超过限定值的报警。南京理工大学自动化学院432026/3/17.6变电站综合自动化简介

事件顺序记录（SOE）与事故追忆功能事件顺序记录：对变电站内的继电保护、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：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。故障录波和故障测距功能用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。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。南京理工大学自动化学院442026/3/17.6变电站综合自动化简介

控制和操作功能对断路器、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。人机联系功能人机联系的桥梁，包括显示器、鼠标和键盘。数据处理与记录功能计算有功功率、无功功率、功率因数、有功和无功电能；计算出日、月、年最大、最小值及出现的时间；电度量的累计值和分时统计；南京理工大学自动化学院452026/3/17.6变电站综合自动化简介

母线电压运行参数不合格时间及合格率统计；功率总加；变电站送入、送出负荷及电量平衡率；主变压器的负荷率及损耗统计；断路器的正常及事故跳闸次数统计；主要设备运行小时数统计；变压器、电容器、电抗器的停用时间及次数；所用电率计算统计；安全运行天数累计等。南京理工大学自动化学院462026/3/17.6变电站综合自动化简介

制表打印功能定时打印报表和运行日志；开关操作记录打印；事件顺序记录打印；越限打印；事故追忆打印；设备运行状态变位打印、召唤打印等。自诊断和自恢复功能自诊断：对监控系统的全部硬件和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。自恢复：当系统停机时，能自动产生恢复信号，对外围接口重新初始化，保留历史数据，实现软、硬件自恢复。南京理工大学自动化学院472026/3/17.6变电站综合自动化简介

2．远动系统功能远动的概念：应用远程通信技术，对远方的运行设备进行监视和控制，以实现远程测量、远程信号、远程控制和远程调节等各项功能。将表征电力系统运行状态的各发电厂和变电所的有关实时信息采集到调度控制中心；把调度控制中心的命令发往发电厂和变电所，对设备进行控制和调节。远动的任务：南京理工大学自动化学院482026/3/17.6变电站综合自动化简介

“四遥”功能遥测（YC）：即远程测量，将采集到的被监控变电站的主要参数传送给调度中心。遥信（YX）：即远程信号，将用采集到的被监控变电站设备状态信号传送给调度中心。遥控（YK）：即远程命令，从调度中心发出改变运行设备状况的命令。遥调（YT）：即远程调节，从调度中心发出命令实现远方调整变电站的运行参数。事件顺序记录功能：按顺序记录断路器事故跳闸的时间。时钟同步功能：远动系统应具备对时功能。南京理工大学自动化学院492026/3/17.6变电站综合自动化简介

自检和自调功能：远动系统在受到某种干扰影响而使程序“跑飞”时，能够自行恢复正常运行。3．微机保护系统功能通信功能；远方整定功能；远方投切保护功能；信号与复归；界面显示、存储和打印功能；自动校时功能；自诊断、自闭锁和自恢复功能。南京理工大学自动化学院512026/3/1四、变电站综合自动化系统的结构7.6变电站综合自动化简介

1．集中式综合自动化系统（图7-24）

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后，再分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。南京理工大学自动化学院522026/3/17.6变电站综合自动化简介

2．分层分布式综合自动化系统（图7-25）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（通常是各个从CPU）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信。分层式结构：是将变电站的一、二次设备分为三层，即变电站层、间隔层（或单元层）和设备层。

为了提高综合自动化系统整体的可靠性，通常采用按功能划分的分布式多CPU系统，每个功能单元基本上由一个CPU组成，多数采用单片机。

特点：结构紧凑，体积小，占地面积小，造价低，但运行可靠性较差，组态不灵活。南京理工大学自动化学院532026/3/17.6变电站综合自动化简介

南京理工大学自动化学院542026/3/17.6变电站综合自动化简介

3．分散与集中相结合的综合自动化系统（图7-26）特点：集中了分布式的全部优点，节省了大量控制电缆，减少了主控室的占地面积，可靠性高，组态灵活，检修方便，是目前最流行、受到广大用户欢迎的一种综合自动化系统，适合应用在各种电压等级的变电站中。

将配电线路的保护和测控单元分散安装在开关柜内，而高压线路和主变压器保护装置等采用集中组屏。特点：软件相对简单、调试维修方便、组态灵活、系统整体可靠性高。南京理工大学自动化学院552026/3/17.6变电站综合自动化简介

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