配电网自动化课件(03).ppt

1、配电网自动化系统,贵州大学电气工程学院 熊炜,第三章 变电站综合自动化系统,3.1 概述 3.2 变电站综合自动化系统功能 3.3 变电站综合自动化系统的结构 3.4 变电综合自动化系统的通信网络 3.5 电压与无功功率的自动调控 3.6 近年新增调控及管理功能简介,3.1 概述,传统变电站控制的问题 安全、稳定性不够。 各种监测手段各自独立，就地监控与远动系统各自独立。 占地面积大。 无法满足快速计算、实时控制的要求。 维护工作量大。,3.1 概述,变电站综合自动化的概念 变电站自动化（SA）或变电站自动化系统（SAS） IEC61850（变电站通信网络标准）中，对变电站自动化系统（SAS）

2、的定义为：变电站自动化系统就是在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化。 变电站综合自动化（2000年，中国电力出版社）中对变电站自动化系统和变电站综合自动化分别作了定义。,3.1 概述,变电站自动化系统 利用多台微型计算机（包括单片机等）和大规模集成电路组成的分级分布式的自动化系统，它以微计算机为基础，实现对变电站传统的继电保护、测量手段、控制方式以及通信和管理模式的全面改造。,3.1 概述,变电站综合自动化的概念 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）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、通信技术、信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、

3、配电线路的自动监视、测量、控制、保护、与上级调度通信的综合性自动化功能。,3.1 概述,变电站综合自动化的特点 利用微机和大规模集成电路组成的自动化系统代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏。 利用微机保护代替常规保护。 能采集完整的运行信息，利用计算机的高速计算与逻辑判别能力实现监视、控制、运行报告等功能。,3.1 概述,功能综合化 按变电站自动化系统的运行要求，将二次系统的功能综合考虑，在整个系统设计方案指导下，进行优化组合设计，以达到协调一致的继电保护 及监控系统。 综合并非指变电站所要求的功能以“拼凑”的方式组合，而是指在满足基本要求的基础上，达到整个系统性能指标达到最优。,3.1 概述

4、,具体表现在： 简化变电站二次设备的硬件配置，尽量避免重复设计。 简化变电站各二次设备之间的互联线，节省控制电缆，减少PT、CT的负载。 保护模块相对独立，网络及监控系统的故障不应影响保护功能的正常工作。 减少安装施工和维护的工作量，减少总占地面积，降低总造价或运行费用 。 提高运行的可靠性和经济性，保证电能质量。,3.1 概述,系统构成的数字化和模块化 保护、控制、测量装置的数字化，便于接口功能模块的扩充和信息的共享。 方便模块的组态，适应工程的集中式、分散分布式和分布式结构集中式组屏等方式。,3.1 概述,操作监视屏幕化 当变电站有人值班时，人机联系在当地监控系统的后台机（或主机）上进行。

5、 当变电站无人值班时，人机联系在远方的调度中心或操作控制中心的主要或工作站上进行。,3.1 概述,运行管理智能化 体现在无人值班、人机对话及操作的屏幕化、制表、打印、越限监视和系统信息管理、建立实时数据库和历史数据库、开关操作及防误操作闭锁等方面，能够减轻工作人员的劳动和实现工作人员无法做到的工作等。,3.1 概述,综合自动化的优越性 提高安全稳定性 提高电压合格率 提高运行管理水平 缩小占地面积 提高设备可靠性，减小维护工作量,3.1 概述,变电站自动化的发展 分立元件阶段 微机化的智能元件阶段 综合自动化阶段,3.1 概述,我国变电站综合自动化系统的发展历程 第一套微机保护装置-1984年

6、，华北电力大学 第一套分布式综合自动化系统-1994年，大庆 第一套就地安装保护装置-1995年，CSL200A 第一套220kV综合自动化变电站-1996年，珠海南屏 第一套全下放式220kV综合自动化变电站-1999年，丹东 第一套全国产500kV综合自动化变电站-1999年，南昌,3.1 概述,变电站综合自动化与无人值班 无人值班是管理模式，综合自动化是技术水平 常规保护和常规控制的时代 两遥功能 四遥功能，真正有效意义上的无人值班 综合自动化比四遥功能在技术水平上有很大提高,第三章 变电站综合自动化系统,3.1 概述 3.2 变电站综合自动化系统功能 3.3 变电站综合自动化系统的结构

7、 3.4 变电综合自动化系统的通信网络 3.5 电压与无功功率的自动调控 3.6 近年新增调控及管理功能简介,3.2 变电站综合自动化系统功能,国际大电网会议的分类 控制和监视 自动控制 测量 继电保护 与继电保护有关的功能 接口功能 系统功能,3.2 变电站综合自动化系统功能,国内应用的分类 控制和监视 微机保护 电压和无功自动控制 低频减载 备用电源自动投入,控制与监视 数据采集：模拟量、数字量、电能量 故障记录与事件顺序记录SOE 控制与操作 安全监视 人机界面 数据处理与统计,3.2 变电站综合自动化系统功能,3.2 变电站综合自动化系统功能,微机保护 微机保护的种类 高压输电线的主保

8、护和后备保护 馈线的保护 主变的主保护和后备保护 补偿电容的保护 母线保护 不完全接地系统的单相接地选线 故障录波,3.2 变电站综合自动化系统功能,微机保护的优点 实现算法灵活。 性能稳定，可靠性高。 设备自检和自恢复。 运行维护工作量小，现场调试和整定方便。,3.2 变电站综合自动化系统功能,对微机保护的要求 满足保护的4性要求：选择性、速动性、可靠性、灵敏性。 具有故障记录功能。 通信功能与统一校对时钟。 能存贮多种保护定值。 当地或远程修改保护定值。 设置保护管理机或通信控制机。 故障自诊断、自闭锁、自恢复功能。,3.2 变电站综合自动化系统功能,电压和无功控制 调控目标 维持供电电压

9、在规定范围内（以额定电压为基准）： 500(330)kv变电站的220kv母线，正常时010，事故时510 200kv变电站110kv母线，正常时37，事故时10 配电网10kv母线，10.010.7kv 保持电力系统稳定和合适的无功平衡。 在电压合格的条件下实现使电能损耗最小。,3.2 变电站综合自动化系统功能,调控措施 调整变压器的分接头位置。 补偿电容器。 控制方式 集中控制。 分散控制。 关联分散控制。,3.2 变电站综合自动化系统功能,自动低频减载 控制目标 电力系统的允许频率偏差为0.1Hz； 系统频率不能长时间运行在49.549Hz以下； 事故情况下，不能较长时间停留在47Hz以

10、下； 系统频率瞬时值不能低于45Hz。,3.2 变电站综合自动化系统功能,低频减载的任务 在系统发生故障，有功功率严重缺额，频率下降时，需要有计划、按次序切除负荷，并保证切除负荷量合适。 低频减载的控制方式 基本轮 第一轮整定频率为48.547.5Hz，最末轮46.546Hz，相邻两轮频率整定差0.250.5Hz，时间差0.5s。 特殊轮 整定频率一般在4947Hz间，动作时限1520s。,3.2 变电站综合自动化系统功能,实现方法 采用专用的低频减载装置。 分散到每条线路的保护装置中。,3.2 变电站综合自动化系统功能,对低频减载装置的要求 在各种运行方式下和功率缺额条件下，有计划地切除负荷

11、，有效防止系统频率降到危险点以下。 切除负荷尽可能少，防止超调和悬停现象。 馈线或变压器故障跳闸造成失压时，应可靠闭锁，不能误动。 电力系统发生低频振荡时不能误动。 电力系统受谐波干扰时不能误动。,3.2 变电站综合自动化系统功能,低频减载装置的关键技术 采用原理先进、准确度高、抗干扰能力强的测频电路。 采用频率下降速率做启动条件可以提高动作的快速与灵敏性；做闭锁条件可防止误动。 其他常用的闭锁条件有带时限的低压闭锁，低电流闭锁，双测频回路串联闭锁。 故障自诊断与自闭锁。,3.2 变电站综合自动化系统功能,备用电源自动投入 明备用：正常由1B供电，1B或1DL故障断开后，BZT自动投入2DL，

12、由2B供电。 暗备用：正常1B、2B都供电，1B故障时，BZT自动投入3DL或5DL保持供电。,3.2 变电站综合自动化系统功能,采用微机实现BZT，可以实现灵活的自动投入控制方式，比如三种备用电源投入方式可以用一部微机设备实现。同时装置可以自诊断，并可以具有通信功能与其他自动化系统相联系。,第三章 变电站综合自动化系统,3.1 概述 3.2 变电站综合自动化系统功能 3.3 变电站综合自动化系统的结构 3.4 变电综合自动化系统的通信网络 3.5 电压与无功功率的自动调控 3.6 近年新增调控及管理功能简介,3.3 变电站自动化系统的结构,1. 设计的原则和要求 功能、配置服从电网调度自动化

13、的总体设计 功能配置下放原则 应能全面替代常规二次设备。 微机保护的软硬件与监控系统既相对独立，又相互协调。 微机保护应有通信功能 应能满足无人值班的要求。 有可靠的通信网络和通信协议。,3.3 变电站自动化系统的结构,有良好的抗干扰能力。 设备运行可靠性高。 系统可扩展性好。 系统的标准化和开放性能要好。 优先采用交流采样技术 采用局域网通信方式,3.3 变电站自动化系统的结构,2.硬件结构 集中式 全部信息均由计算机系统集中采集、集中处理（运算、监控等）系统的扩充性与维护性均较差，且系统故障，全站均受影响。 分散分布式 以回路作单元，单元间网络连接用电缆或光缆，构成分散的分布式结构。从而使

14、信号电缆量减少，控制室取消。 分布式结构集中组屏 保留了分布式的全部优点，集中组屏则便于设计、安装、维护。,3.3 变电站自动化系统的结构,集中式 远方终端装置（RTU）当地监控系统 当地监控系统由一台主机或两台互为备用的主机承担所有功能。 配上变送器、遥信转接、遥控执行、UPS等屏柜 。 站内保护装置的信息，可通过遥信输入回路（硬件方法）进入RTU，亦可通过串口按约定的规约通信（软件方法）进入RTU。 适合35500千伏各种电压等级、不同规模的变电站。,3.3 变电站自动化系统的结构,分布式结构集中组屏模式 单元层变电站层 单元层按功能划分，开关量输入、输出， 模拟量输入、输出，元件保护、自

15、动装 置各为独立模块。 变电站层包括监控主机和远动主机。 变电站层通过现场总线或局域网与单元层通信。 所有保护屏、数据采集屏、控制出口屏 全部安装在中央控制室内，需要较多的 控制连接电缆。,3.3 变电站自动化系统的结构,分层分布式模式 间隔层变电站层 间隔层按高压间隔划分，以每个电网元件为对象，集测量、控制、保护于一体，设计在同一个机箱中，将这种模块单元安装在一次主设备的开关柜中。 各模块单元与监控主机通过网络联系。 高压线路保护，变压器保护，自动装置（备自投、电压无功控制，低频减载）仍可安装在中央控制室内。,3.3 变电站自动化系统的结构,分布式结构中的主站与子站 子站 按一次设备为单位构

16、成的自动装置模块，统称为间隔级单元 保护单元； 测控单元或I/O单元,3.3 变电站自动化系统的结构,主站（中央单元） 无人值班时：就是一个中央通信处理器或规约转换器。主站通过现场总线收集各子站采集的数据或将命令传送到相应子站去执行。 有人值班时：在通信处理器之上设置监控机，负责越限监视、系统信息管理、数据库建立、开关操作等监控系统的任务。同时，由串口经MODEM与上级监控中心或调度中心连接通信。 大型变电站：主站是一个计算机系统，通过计算机局域网（LAN）实现主站间各计算机的数据交换。,3.3 变电站自动化系统的结构,保护与监控数据是否共享 完全共享。用同一CPU和采集通道采集保护和测量需要

17、的电量。结构简单，造价低。但是由于一次保护CT和测量CT特性不同，所以不能保证测量准确度。应用难度较大。现在已经在研究新的测量方法使得大小电流可共用同一组CT。 各自处理。用各自的采集通道，可以共用或不共用CPU，解决以上问题。 完全分离。各自构成模块，完全不相关，只是安装在同一开关柜内。,第三章 变电站综合自动化系统,3.1 概述 3.2 变电站综合自动化系统功能 3.3 变电站综合自动化系统的结构 3.4 变电综合自动化系统的通信 3.5 电压与无功功率的自动调控 3.6 近年新增调控及管理功能简介,3.4 变电站综合自动化系统的通信,1. 变电站自动化系统的分层和逻辑接口 国际电工委员会

18、（IEC）TC 57技术委员会（电力系统控制和通术委员会）在制定IEC 61850（变电站通信网络和系统）标准时，把变电站自动化系统的功能在逻辑上分配在3个层次（变电站层、间隔层或单元层、过程层），这3个层次分别通过逻辑接口19建立通信。,3.4 变电站综合自动化系统的通信,（1）过程层（Process level）功能 与变电站一次设备断路器、隔离开关和电流互感器TA、电压互感器TV接口。 （2）间隔层（Bay level）功能 间隔层设备主要有各种微机保护装置、自动控制装置、数据采集装置和RTU等。 （3）变电站层（Station level） 与过程有关的站层功能 与接口有关的站层功能,

19、3.4 变电站综合自动化系统的通信,2. 变电站综合自动化系统的通信 变电站内的信息传输。 变电站综合自动化系统与调度中心的通信。,3.4 变电站综合自动化系统的通信,在分层分布式自动化系统中需传输的信息为: 过程层与间隔层的信息交换 模拟量 状态信息，主要为断路器或间隔刀闸的辅助触点。 间隔层内设备间的通信 数据共享 互相闭锁,3.4 变电站综合自动化系统的通信,间隔层与变电站层的通信 测量信息 状态信息 操作信息 参数信息 变电站层的内部通信 根据各设备任务和功能的特点，传输所需的测量信息、状态信息和操作信息等。,3.4 变电站综合自动化系统的通信,3. 变电站自动化系统通信网络的要求 快

20、速的实时响应能力 高的可靠性 优良的电磁兼容性能 分层式结构,3.4 变电站综合自动化系统的通信,现场总线 （1）现场总线定义 根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 以现场总线构成的控制系统，结构上是分散的。从而彻底改变了传统的控制系统的体系结构，提高了控制系统的安全、可靠和经济性能。,3.4 变电站综合自动化系统的通信,（2） 现场总线的优点 现场总线按ISO的OSI标准提供了网络服务，可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通信速率快，造价低，维护成本低。 （3）现场总线的特点 现场设备互连网络化

21、 信号传输数字化 系统和功能分散化 现场总线设备有互操作性 现场总线的通信网络为开放式互连网络,3.4 变电站综合自动化系统的通信,（4）现场总线技术与计算机局域网技术的联系与区别： 计算机局域网属数据网，现场总线属控制网。 数据特性不一样 数据网使用大数据报文，且数据并不是频繁地发送、通信速率一般较高 控制网却相反，必须频繁传送少批量数据。 介质访问(MAC)协议不一样 数据链路服务不一样 应用层服务不一样,3.4 变电站综合自动化系统的通信,（5）几种常用的现场总线 LONWorks现场总线 核心部件是Neuron神经元通信处理芯片，收发器模块和LONtalk通信协议。 LONWorks的

22、节点相互独立，当任何一节点出现故障，不会影响整个网络的工作。 LONWorks的技术特点： 高可靠性 支持多种传输介质 响应时间块 安全性好 互换性,3.4 变电站综合自动化系统的通信,CAN现场总线 CAN（Controller Area Network）控制局域网是一种具有很高可靠性、支持分布式控制。 CANbus的技术特点是： 技术多主结构。 可以与各种微处理机连接。 提供优先级控制、实时性强。 具有很强的错误识别和处理能力。 支持点对点发送和播发送功能。,3.4 变电站综合自动化系统的通信,小结： CAN主要用于小型、实时性要求比较高的过程控制系统。 LONWorks主要适用于大型的、

23、对响应时间要求不太高的分布式控制系统。,3.4 变电站综合自动化系统的通信,5.令太网（Ethernet） 以太网（Etherlet）的名称是由加利福尼亚Xenx公司的PARC研究中心的Bnb Metcalfe于1973年5月首次提出的。 以太网是当今使用最广泛的局域网，在所有的网络连接中，80%都是基于以太网的。,3.4 变电站综合自动化系统的通信,介质访问控制协议 带有冲突检测侦听多路访问控制（CSMA/CD）技术 在分布式系统中，以竞争方式获得总线访问权利的基本方法。 通行证（Token）法 可用于总线与环网，又称为令牌环式网络（Token Ring）。,3.4 变电站综合自动化系统的通

24、信,局域网总线结构,3.4 变电站自动化系统的通信,带有冲突检测侦听多路访问控制（CSMA/CD） CSMA（“先听后说” ） 载波侦听：总线上任意时刻只允许一个信号在传送，各站要发送本站的信息帧到总线上时，先检测总线是否空闲。若总线空闲，可考虑发送本站信号。 当总线不空闲，可采用二种方法进行下一步的访问。 非坚持型。即听到总线忙，就暂停侦听，等待一段时间再侦听，直到总线有空后再发信号。 坚持型：总线即使不空，仍坚持听下去。直到总线空后，便转入以一定概率方式争用信道。,3.4 变电站自动化系统的通信,CSMA/CD（“边听边说” ） 进入信号传送的工作站一边发信号，也继续侦听总线； 侦听到发生

25、冲突，便立即停止发送，并发出报警信号，告知总线上各工作站，已发生冲突，防止它们介入冲突。 之后，退让一段时间再试行重发，直到成功。 若边说边听直到发送完一帧，未检测到冲突，则本帧传送成功。,3.4 变电站自动化系统的通信,通行证（Token）法,B,C,D,A,AB:空令牌 BC:空令牌 CD:忙令牌 DA:校验后传送忙令牌 AB:校验后传送忙令牌 BC:复制、校验后传送忙令牌 CD:确认接收后传送空令牌,第三章 变电站综合自动化系统,3.1 概述 3.2 变电站综合自动化系统功能 3.3 变电站综合自动化系统的结构 3.4 变电综合自动化系统的通信 3.5 电压与无功功率的自动调控 3.6

26、近年新增调控及管理功能简介,3.5 电压与无功功率的自动调控,电压无功调控的目的与目标 以保证系统在正常运行时，用户侧能得到质量合格的电能，同时尽可能减小网损，达到经济运行的目的。 在不同电压等级中，电压调控的目标是不同的。 220KV变电站中110KV35KV电压等级，在正常运行方式下，允许偏差规定为额定电压的-3%+7%，事故后为10%。 10KV用户，正常时为7%。,3.5 电压与无功功率的自动调控,调控手段 动态调压设备 发电机及同步调相机的励磁调节系统、有载调压变压器 无功补偿设备 发电机及同步调相机、补偿电容器、无功静止补偿装置（SVC）等。 DFACTS 静止无功功率发生器（SV

27、G）、动态电压恢复器（DVR）、有源电力滤波器等。,3.5 电压与无功功率的自动调控,电压无功调控原理 电压损耗,纵分量,横分量,3.5 电压与无功功率的自动调控,要使UL在合格范围内，在PL、QL变动时，应调整U2来满足。,计入无 功补偿 电容容量,3.5 电压与无功功率的自动调控,电压调节对无功功率的影响 经变压器向系统吸取的无功功率与U22成正比。 通常正常运行时，认为不变，则当改变变比K时，K大，则U2减少，负荷吸取的无功减少；反之，K小，QL增大。,3.5 电压与无功功率的自动调控,电容器补偿对电压及功率损耗的影响 当变压器有电流流过时，将产生有功、无功损耗： 有功损耗： 无功损耗：,3.5 电压与无功功率的自动调控,由无功功率的传输导致的有功损耗为 ： 当投入后 Qc后，有功损耗为： 空载时有功损耗为：,空载时应 切除补 偿容量,3.5 电压与无功功率的自动调控,电压与无功的综合自动调节 调控原则 通过改变有载调压变压器变比K调压时，将改变无功功率分配； 在改变无功补偿容量时，电压也将变化。 目标 要求负荷端电压UL与其额定电压ULN偏差UL-ULN为最小。 改变 ，使可能调节的 尽可能接近 ，以达到P为最小。,3.5 电压与无功功率的自动调控,使P为最小有