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第二章 變電站綜合自動化1 基本概念一、傳統(tǒng)變電站的問題1、安全、穩(wěn)定性不夠常規(guī)的電磁或晶體管保護、自動裝置、測量設備接線復雜，連接電纜多，設備結構復雜，難以維護，無自檢功能，設備故障無法及時發(fā)現(xiàn)，會造成保護的拒動、誤動。2、難以保證供電質量缺少調壓手段，缺少遏制諧波污染的手段。3、占地面積大常規(guī)設備體積大，電纜多，需占用較大土地面積4、無法滿足快速計算、實時控制的要求傳輸信息不足，缺少遠方調控手段5、維護工作量大常規(guī)設備結構復雜，維護、檢修都比較困難。二、變電站綜合自動化的概念變電站綜合自動化是將變電站的二次設備（包括測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護、自動裝置和遠動裝置）經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設計，利用先進的計算機技術、通信技術、信號處理技術，實現(xiàn)對全變電站的主要設備和輸、配電線路的自動監(jiān)視、測量、控制、保護、與上級調度通信的綜合性自動化功能。三、綜合自動化的特點1、利用微機和大規(guī)模集成電路組成的自動化系統(tǒng)代替常規(guī)控制屏、中央信號系統(tǒng)和遠動屏。2、利用微機保護代替常規(guī)保護。3、能采集完整的運行信息，利用計算機的高速計算與邏輯判別能力實現(xiàn)監(jiān)視、控制、運行報告等功能。4、功能綜合化、結構微機化、監(jiān)視屏幕化、運行管理智能化。四、變電站綜合自動化的優(yōu)越性1、提高安全、穩(wěn)定性設備可以自檢，整定值根據(jù)運行方式容易調整，提高保護和自動裝置動作正確性。設備接線簡化，減少擾動竄入的影響。2、提高電壓合格率有自動調壓功能，可自動控制變壓器分接頭和投切無功補償器。3、提高運行管理水平所有測量、控制、保護、運行報告、統(tǒng)計均實現(xiàn)自動化。調度中心可在遠方監(jiān)視和控制變電站運行情況。事故條件下可利用自動記錄的運行數(shù)據(jù)進行分析。4、縮小占地面積采用先進的通信技術，實現(xiàn)分布式采集與控制，大大減少了連接電纜。采用大規(guī)模集成電路，設備體積小，從而可以縮小占地面積，設置可以安裝在地下。5、提高設備可靠性、減少維護工作量設備模塊化，可以自檢，容易發(fā)現(xiàn)設備故障，維修簡便。五、變電站自動化的發(fā)展過程一、分立元件階段為自動化開發(fā)和生產(chǎn)了大量的自動化設備，比如測量儀表，保護，自動裝置等。以電子元件為主，設備體積大、構造復雜。最主要的問題是設備間互無聯(lián)系，各自獨立運行。比如母線電壓，測量儀表、保護、自動裝置都要測量，每個元件都要單獨裝設連接電纜。二、微機化的智能元件階段微機化的測量系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的測量儀表，不再需要中央控制屏和儀表盤，監(jiān)視、控制均可通過屏幕、鍵盤等完成。微機化的保護，數(shù)字化的保護原理實現(xiàn)，可以實現(xiàn)更多、更靈活的保護算法，保護的正確性提高，常見的負序、零序濾過不再需要專門的變送器，可利用程序實現(xiàn)。但仍未解決設備間互無聯(lián)系，各自獨立運行的問題。三、綜合自動化階段不僅能實現(xiàn)自動化，而且設備間能夠互相通信、共享運行信息，使整個變電站自動化系統(tǒng)成為一個完整的系統(tǒng)，而不是多個自動化的孤島。六、綜合自動化與無人值班1、無人值班是管理模式，綜合自動化是技術水平。2、在常規(guī)保護和常規(guī)控制的時代，對不重要的變電站就可以實現(xiàn)無人值班。不掌握運行信息，需要運行操作時派人到現(xiàn)場執(zhí)行。3、達到兩遙功能，可以監(jiān)視變電站運行信息，但操作仍需派人到現(xiàn)場執(zhí)行。4、達到四遙功能，不僅可以監(jiān)視，也可以遠方操作和控制。只有設備故障或檢修需要派人到現(xiàn)場，已經(jīng)實現(xiàn)了真正有效意義上的無人值班。5、綜合自動化比四遙功能在技術水平上有很大提高，體現(xiàn)在減少連接電纜，減少二次設備，增加傳送信息量，運行管理智能化（比如自動故障診斷）。2 變電站綜合自動化的功能國際大電網(wǎng)會議wg34.03工作組分析了變電站自動化的功能共63種，分7個大類：控制和監(jiān)視自動控制測量繼電保護與繼電保護有關的功能接口功能系統(tǒng)功能結合我國情況，將功能分為5類一、監(jiān)視和控制1、數(shù)據(jù)采集：模擬量、數(shù)字量、電能量(1)模擬量：各段母線電壓、頻率線路電壓、電流、有功功率、無功功率主變電壓、電流、有功、無功、油溫、分接頭位置電容器電流、無功饋線電壓、電流、有功功率、無功功率直流電源電壓站用變電壓(2)數(shù)字量斷路器狀態(tài)隔離刀閘狀態(tài)同期檢測狀態(tài)繼電保護動作信號自動裝置動作信號(3)電能量關口的電能計量。一般采用累計電度脈沖的方法。2、故障記錄與事件順序記錄soe故障記錄記錄發(fā)生故障前2個周波和故障后10個周波的各主要模擬量的變化過程，如母線電壓、線路電流等。soe 記錄斷路器跳合閘記錄，保護動作記錄。3、控制與操作利用鼠標、鍵盤、顯示屏對斷路器合隔離刀閘進行操作，對變壓器分接頭位置進行調節(jié)，對補償電容進行投切操作?？筛鶕?jù)上級調度命令執(zhí)行遠程控制合調節(jié)命令。防誤操作：斷路器操作自動閉鎖重合閘當?shù)?遠方操作互相閉鎖斷路器和隔離開關的操作閉鎖操作序列必須得到上一步的返校之后才能進行。4、安全監(jiān)視電壓、電流、功率、頻率等越限報警。跳閘、保護動作報警。設備正常工作監(jiān)視、設備電源監(jiān)視。5、人機界面主接線圖顯示、運行數(shù)據(jù)顯示、報警顯示、soe顯示、運行報表顯示、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示、保護和自動裝置整定值顯示、設備工作狀態(tài)顯示等。報表打印、事故打印、圖形打印等6、數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計記錄運行報表，運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、故障統(tǒng)計與分析二、微機保護1、變電站微機保護的種類高壓輸電線的主保護和后備保護饋線的保護主變的主保護和后備保護補償電容的保護母線保護不完全接地系統(tǒng)的單相接地選線故障錄波2、微機保護的優(yōu)點(1)實現(xiàn)算法靈活。算法用程序實現(xiàn)，可以實現(xiàn)電磁繼電器無法實現(xiàn)的保護算法，同時可避免死區(qū)，提高靈敏度。同一套保護裝置可以完成多個保護功能。(2)性能穩(wěn)定，可靠性高。采用大規(guī)模集成電路和程序實現(xiàn)，元件和連接線減少，可靠性提高。(3)設備自檢和自恢復。(4)運行維護工作量小，現(xiàn)場調試和整定方便。3、對微機保護的要求(1)滿足保護的4性要求：選擇性、速動性、可靠性、靈敏性。(2)具有故障記錄功能。被保護對象發(fā)生故障時，能記錄故障前后有關模擬量值和保護動作出口信息。(3)通信功能與統(tǒng)一校對時鐘。增加通信功能與其他設備聯(lián)系以共享數(shù)據(jù)。利用通信功能統(tǒng)一全站各保護時鐘，使得故障記錄有同樣的時間基準。(4)能存貯多種保護定值。(5)當?shù)鼗蜻h程修改保護定值。(6)設置保護管理機或通信控制機。采用專用的通信控制機實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)系。(7)故障自診斷、自閉鎖、自恢復功能。保護應能對模塊是否正常運行進行自檢，自檢不通過則報警并閉鎖。若軟件受到干擾而飛車，應設置看門狗自啟動。三、電壓和無功自動控制1、調控目標(1)維持供電電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。各級供電母線電壓的運行波動范圍，（以額定電壓為基準），500(330)kv變電站的220kv母線，正常時010，事故時510200kv變電站110kv母線，正常時37，事故時10配電網(wǎng)10kv母線，10.010.7kv(2)保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定和合適的無功平衡。主輸電網(wǎng)絡，實現(xiàn)無功分層平衡，地區(qū)供電網(wǎng)絡實現(xiàn)無功分區(qū)就地平衡。(3)在電壓合格的條件下實現(xiàn)使電能損耗最小。必須充分利用現(xiàn)有的補償設備和調壓設備（調相機、靜止補償器、補償電容器、電抗器、有載調壓變壓器）。進行合理優(yōu)化調度。2、調控措施(1)調整變壓器的分接頭位置。改變電壓和無功分布，但它并不產(chǎn)生無功功率，所以如果系統(tǒng)無功功率不足導致電壓偏低，此方法不宜使用。(2)補償電容器。補償電容器相當于無功電源，可以用來調整電壓和無功分布。3、控制方式(1)集中控制。調度中心對下屬變電站的主變和無功補償設備進行統(tǒng)一控制。是優(yōu)化的最佳方案，但要求調度中心有無功優(yōu)化軟件，變電站有較高的自動化水平和良好的信道。(2)分散控制。在各廠、站進行調壓，控制地區(qū)的電壓和無功在規(guī)定水平。只能局部優(yōu)化。(3)關聯(lián)分散控制。在正常運行時由各廠、站自動調控，調控范圍由調度中心的無功優(yōu)化軟件計算得到。在負荷變化較大或系統(tǒng)運行方式發(fā)生大的變化時由調度中心直接控制。四、自動低頻減載1、控制目標運行規(guī)程規(guī)定：電力系統(tǒng)的允許頻率偏差為0.1hz；系統(tǒng)頻率不能長時間運行在49.549hz以下；事故情況下，不能較長時間停留在47hz以下；系統(tǒng)頻率瞬時值不能低于45hz。2、自動低頻減載及其控制方式在系統(tǒng)發(fā)生故障，有功功率嚴重缺額，頻率下降時，需要有計劃、按次序切除負荷，并保證切除負荷量合適，這是低頻減載的任務。自動低頻減載分為基本輪和特殊輪。一般負荷的饋線放在基本輪中，按重要程度分58輪。頻率降到第一輪啟動值且延時時間到則出口斷開第一輪規(guī)定的線路開關。若頻率不能恢復，降到第二輪啟動值且延時時間到則出口斷開第二輪規(guī)定的線路開關，如此直至所有輪次全部切除?；据喨壳谐?，若系統(tǒng)頻率仍不能恢復到額定值，經(jīng)過較長時間延時后，啟動特殊輪切除負荷。一般基本輪第一輪整定頻率為48.547.5hz，最末輪46.546hz，相鄰兩輪頻率整定差0.250.5hz，時間差0.5s。特殊輪整定頻率一般在4947hz間，動作時限1520s。3、實現(xiàn)方法(1)采用專用的低頻減載裝置。該裝置進行測頻并按設置的輪次出口動作，出口繼電器接到每條線路的開關上。(2)分散到每條線路的保護裝置中?，F(xiàn)有微機保護一般對一條線路一套保護，在保護中加設測頻環(huán)節(jié)，將低頻減載的輪次整定值和延時設置到保護中即可。4、對低頻減載裝置的要求(1)在各種運行方式下和功率缺額條件下，有計劃地切除負荷，有效防止系統(tǒng)頻率降到危險點以下。(2)切除負荷盡可能少，防止超調和懸?，F(xiàn)象。(3)饋線或變壓器故障跳閘造成失壓時，應可靠閉鎖，不能誤動。(4)電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時不能誤動。(5)電力系統(tǒng)受諧波干擾時不能誤動。5、新型低頻減載裝置的技術關鍵(1)采用原理先進、準確度高、抗干擾能力強地測頻電路。取母線電壓信號，經(jīng)二次變送得到5v的電壓信號，經(jīng)過濾波電路濾除諧波、非周期分量和干擾信號，再經(jīng)低通濾波和整形，得到與輸入同頻率的矩形波，對矩形波脈沖計數(shù)可得到頻率。(2)采用頻率下降速率做啟動條件提高動作的快速與靈敏性；做閉鎖條件可防止誤動。其他常用的閉鎖條件有帶時限的低壓閉鎖，低電流閉鎖，雙測頻回路串聯(lián)閉鎖。(3)故障自診斷與自閉鎖。五、備用電源自動投入 明備用：正常由1b供電，1b或1dl故障斷開后，bzt自動投入2dl，由2b供電。暗備用：正常1b、2b都供電，1b故障時，bzt自動投入3dl或5dl保持供電。采用微機實現(xiàn)bzt，可以實現(xiàn)靈活的自動投入控制方式，比如三種備用電源投入方式可以用一部微機設備實現(xiàn)。同時裝置可以自診斷，并可以具有通信功能與其他自動化系統(tǒng)相聯(lián)系。3 變電站綜合自動化系統(tǒng)的結構一、變電站綜合自動化的設計原則和要求1、變電站自動化系統(tǒng)作為電網(wǎng)調度自動化的一個子系統(tǒng)，應服從電網(wǎng)調度自動化的總體設計。其配置、功能包括設備的布置應滿足電網(wǎng)安全、優(yōu)質、經(jīng)濟運行以及信息分層傳輸、資源共享的原則。2、分散式系統(tǒng)的功能配置宜采用下放的原則。凡可以在間隔層就地完成的功能如保護、備用電源自投、電壓控制等，無須通過網(wǎng)絡和上位機去完成。3、應能全面替代常規(guī)二次設備。4、微機保護的軟硬件與監(jiān)控系統(tǒng)既相對獨立，又相互協(xié)調。要積極而慎重地推行保護、測量、控制一體化設計，確保保護功能的相對獨立性和動作可靠性。5、微機保護應有通信功能6、應能滿足無人值班的要求，設計時應考慮遠方與就地控制操作并存的模式。7、有可靠的通信網(wǎng)絡和通信協(xié)議。8、有良好的抗干擾能力。9、設備運行可靠性高。10、系統(tǒng)可擴展性好。11、系統(tǒng)的標準化和開放性能要好。應從技術上保證站內(nèi)自動化系統(tǒng)的硬件接口滿足國際標準。12、變電站自動化系統(tǒng)設計中應優(yōu)先采用交流采樣技術，減輕ta、tv的負載，提高測量精度。同時，可取消光字牌屏和中央信號屏，簡化控制屏，由計算機承擔信號監(jiān)視功能，使任一信息做到一次采集、多次使用。13、建議采用局域網(wǎng)通信方式，尤其是平等網(wǎng)絡，如總線型網(wǎng)。從抗電磁干擾角度考慮，在選擇通信介質時可優(yōu)先采用光纖通信方式，這對分散式變電站自動化系統(tǒng)尤為適用。 二、硬件結構1.傳統(tǒng)模式這種模式就是目前國內(nèi)應用最普遍的遠方終端裝置（rtu）加上當?shù)乇O(jiān)控（監(jiān)視）系統(tǒng)（又稱當?shù)毓δ埽?，再配上變送器、遙信轉接、遙控執(zhí)行、ups等屏柜。當采用交流采樣rtu時，可省去變送器屏柜。站內(nèi)保護裝置的信息，可通過遙信輸入回路（即硬件方法）進入rtu，亦可通過串行口按約定的規(guī)約通信（即軟件方法）進入rtu。此模式適合35500千伏各種電壓等級、不同規(guī)模的變電站。 2、分層集中組屏模式一般分單元層和變電站層。單元層按功能劃分，開關量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出，元件保護、自動裝置各為單獨模塊。變電站層包括監(jiān)控主機和遠動主機。變電站層通過現(xiàn)場總線或局域網(wǎng)與單元層通信。所有保護屏、數(shù)據(jù)采集屏、控制出口屏全部安裝在中央控制室內(nèi)，需要較多的控制連接電纜。這是目前常見的結構。3、分層分散模式單元層按高壓間隔劃分，以每個電網(wǎng)元件為對象，集測量、控制、保護于一體，設計在同一個機箱中，將這種模塊單元安裝在元件的開關柜中。各模塊單元與監(jiān)控主機通過網(wǎng)絡聯(lián)系。高壓線路保護，變壓器保護，自動裝置（備自投、電壓無功控制，低頻減載）仍可安裝在中央控制室內(nèi)。結構可靠性高，可擴展性好，控制連接電纜少，維護簡便，是目前較新的結構形式。主要問題是保護與監(jiān)控數(shù)據(jù)是否共享，有三種方式：(1)完全共享。用同一cpu和采集通道采集保護和測量需要的電量。結構簡單，造價低。但是由于一次保護ct和測量ct特性不同，所以不能保證測量準確度。應用難度較大。現(xiàn)在已經(jīng)在研究新的測量方法使得大小電流可共用同一組ct。(2)各自處理。用各自的采集通道，可以共用或不共用cpu，解決以上問題。(3