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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(hù)、自動裝置、測量設(shè)備接線復(fù)雜，連接電纜多，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以維護(hù)，無自檢功能，設(shè)備故障無法及時發(fā)現(xiàn)，會造成保護(hù)的拒動、誤動。2、難以保證供電質(zhì)量缺少調(diào)壓手段，缺少遏制諧波污染的手段。3、占地面積大常規(guī)設(shè)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(yuǎn)方調(diào)控手段5、維護(hù)工作量大常規(guī)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)、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(shè)備（包括測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動裝置和遠(yuǎn)動裝置）經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設(shè)計，利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信號處理技術(shù)，實現(xiàn)對全變電站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動監(jiān)視、測量、控制、保護(hù)、與上級調(diào)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(jī)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(yuǎn)動屏。2、利用微機(jī)保護(hù)代替常規(guī)保護(hù)。3、能采集完整的運(yùn)行信息，利用計算機(jī)的高速計算與邏輯判別能力實現(xiàn)監(jiān)視、控制、運(yùn)行報告等功能。4、功能綜合化、結(jié)構(gòu)微機(jī)化、監(jiān)視屏幕化、運(yùn)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(shè)備可以自檢，整定值根據(jù)運(yùn)行方式容易調(diào)整，提高保護(hù)和自動裝置動作正確性。設(shè)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(diào)壓功能，可自動控制變壓器分接頭和投切無功補(bǔ)償器。3、提高運(yùn)行管理水平所有測量、控制、保護(hù)、運(yùn)行報告、統(tǒng)計均實現(xiàn)自動化。調(diào)度中心可在遠(yuǎn)方監(jiān)視和控制變電站運(yùn)行情況。事故條件下可利用自動記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。4、縮小占地面積采用先進(jìn)的通信技術(shù)，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(shè)備體積小，從而可以縮小占地面積，設(shè)置可以安裝在地下。5、提高設(shè)備可靠性、減少維護(hù)工作量設(shè)備模塊化，可以自檢，容易發(fā)現(xiàn)設(shè)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(shè)備，比如測量儀表，保護(hù)，自動裝置等。以電子元件為主，設(shè)備體積大、構(gòu)造復(fù)雜。最主要的問題是設(shè)備間互無聯(lián)系，各自獨立運(yùn)行。比如母線電壓，測量儀表、保護(hù)、自動裝置都要測量，每個元件都要單獨裝設(shè)連接電纜。二、微機(jī)化的智能元件階段微機(jī)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(jī)化的保護(hù)，數(shù)字化的保護(hù)原理實現(xiàn)，可以實現(xiàn)更多、更靈活的保護(hù)算法，保護(hù)的正確性提高，常見的負(fù)序、零序濾過不再需要專門的變送器，可利用程序?qū)崿F(xiàn)。但仍未解決設(shè)備間互無聯(lián)系，各自獨立運(yùn)行的問題。三、綜合自動化階段不僅能實現(xiàn)自動化，而且設(shè)備間能夠互相通信、共享運(yùn)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(shù)水平。2、在常規(guī)保護(hù)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(yùn)行信息，需要運(yùn)行操作時派人到現(xiàn)場執(zhí)行。3、達(dá)到兩遙功能，可以監(jiān)視變電站運(yùn)行信息，但操作仍需派人到現(xiàn)場執(zhí)行。4、達(dá)到四遙功能，不僅可以監(jiān)視，也可以遠(yuǎn)方操作和控制。只有設(shè)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(shù)水平上有很大提高，體現(xiàn)在減少連接電纜，減少二次設(shè)備，增加傳送信息量，運(yùn)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(hù)與繼電保護(hù)有關(guān)的功能接口功能系統(tǒng)功能結(jié)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(hù)動作信號自動裝置動作信號(3)電能量關(guān)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(hù)動作記錄。3、控制與操作利用鼠標(biāo)、鍵盤、顯示屏對斷路器合隔離刀閘進(jìn)行操作，對變壓器分接頭位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，對補(bǔ)償電容進(jìn)行投切操作。可根據(jù)上級調(diào)度命令執(zhí)行遠(yuǎn)程控制合調(diào)節(jié)命令。防誤操作：斷路器操作自動閉鎖重合閘當(dāng)?shù)?遠(yuǎn)方操作互相閉鎖斷路器和隔離開關(guān)的操作閉鎖操作序列必須得到上一步的返校之后才能進(jìn)行。4、安全監(jiān)視電壓、電流、功率、頻率等越限報警。跳閘、保護(hù)動作報警。設(shè)備正常工作監(jiān)視、設(shè)備電源監(jiān)視。5、人機(jī)界面主接線圖顯示、運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示、報警顯示、soe顯示、運(yùn)行報表顯示、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示、保護(hù)和自動裝置整定值顯示、設(shè)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(yùn)行報表，運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、故障統(tǒng)計與分析二、微機(jī)保護(hù)1、變電站微機(jī)保護(hù)的種類高壓輸電線的主保護(hù)和后備保護(hù)饋線的保護(hù)主變的主保護(hù)和后備保護(hù)補(bǔ)償電容的保護(hù)母線保護(hù)不完全接地系統(tǒng)的單相接地選線故障錄波2、微機(jī)保護(hù)的優(yōu)點(1)實現(xiàn)算法靈活。算法用程序?qū)崿F(xiàn)，可以實現(xiàn)電磁繼電器無法實現(xiàn)的保護(hù)算法，同時可避免死區(qū)，提高靈敏度。同一套保護(hù)裝置可以完成多個保護(hù)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?qū)崿F(xiàn)，元件和連接線減少，可靠性提高。(3)設(shè)備自檢和自恢復(fù)。(4)運(yùn)行維護(hù)工作量小，現(xiàn)場調(diào)試和整定方便。3、對微機(jī)保護(hù)的要求(1)滿足保護(hù)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(hù)對象發(fā)生故障時，能記錄故障前后有關(guān)模擬量值和保護(hù)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(shè)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(hù)時鐘，使得故障記錄有同樣的時間基準(zhǔn)。(4)能存貯多種保護(hù)定值。(5)當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)程修改保護(hù)定值。(6)設(shè)置保護(hù)管理機(jī)或通信控制機(jī)。采用專用的通信控制機(jī)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(fù)功能。保護(hù)應(yīng)能對模塊是否正常運(yùn)行進(jìn)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(yīng)設(shè)置看門狗自啟動。三、電壓和無功自動控制1、調(diào)控目標(biāo)(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(yùn)行波動范圍，（以額定電壓為基準(zhǔn)），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(luò)，實現(xiàn)無功分層平衡，地區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)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(bǔ)償設(shè)備和調(diào)壓設(shè)備（調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器、補(bǔ)償電容器、電抗器、有載調(diào)壓變壓器）。進(jìn)行合理優(yōu)化調(diào)度。2、調(diào)控措施(1)調(diào)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(dǎo)致電壓偏低，此方法不宜使用。(2)補(bǔ)償電容器。補(bǔ)償電容器相當(dāng)于無功電源，可以用來調(diào)整電壓和無功分布。3、控制方式(1)集中控制。調(diào)度中心對下屬變電站的主變和無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制。是優(yōu)化的最佳方案，但要求調(diào)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(jìn)行調(diào)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(guān)聯(lián)分散控制。在正常運(yùn)行時由各廠、站自動調(diào)控，調(diào)控范圍由調(diào)度中心的無功優(yōu)化軟件計算得到。在負(fù)荷變化較大或系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生大的變化時由調(diào)度中心直接控制。四、自動低頻減載1、控制目標(biāo)運(yùn)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(yùn)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(yán)重缺額，頻率下降時，需要有計劃、按次序切除負(fù)荷，并保證切除負(fù)荷量合適，這是低頻減載的任務(wù)。自動低頻減載分為基本輪和特殊輪。一般負(fù)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(guān)。若頻率不能恢復(fù)，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(guān)，如此直至所有輪次全部切除。基本輪全部切除后，若系統(tǒng)頻率仍不能恢復(fù)到額定值，經(jīng)過較長時間延時后，啟動特殊輪切除負(fù)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(jìn)行測頻并按設(shè)置的輪次出口動作，出口繼電器接到每條線路的開關(guān)上。(2)分散到每條線路的保護(hù)裝置中?，F(xiàn)有微機(jī)保護(hù)一般對一條線路一套保護(hù)，在保護(hù)中加設(shè)測頻環(huán)節(jié)，將低頻減載的輪次整定值和延時設(shè)置到保護(hù)中即可。4、對低頻減載裝置的要求(1)在各種運(yùn)行方式下和功率缺額條件下，有計劃地切除負(fù)荷，有效防止系統(tǒng)頻率降到危險點以下。(2)切除負(fù)荷盡可能少，防止超調(diào)和懸?，F(xiàn)象。(3)饋線或變壓器故障跳閘造成失壓時，應(yīng)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(shù)關(guān)鍵(1)采用原理先進(jìn)、準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)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(jī)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(jī)設(shè)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(jié)構(gòu)一、變電站綜合自動化的設(shè)計原則和要求1、變電站自動化系統(tǒng)作為電網(wǎng)調(diào)度自動化的一個子系統(tǒng)，應(yīng)服從電網(wǎng)調(diào)度自動化的總體設(shè)計。其配置、功能包括設(shè)備的布置應(yīng)滿足電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(hù)、備用電源自投、電壓控制等，無須通過網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)去完成。3、應(yīng)能全面替代常規(guī)二次設(shè)備。4、微機(jī)保護(hù)的軟硬件與監(jiān)控系統(tǒng)既相對獨立，又相互協(xié)調(diào)。要積極而慎重地推行保護(hù)、測量、控制一體化設(shè)計，確保保護(hù)功能的相對獨立性和動作可靠性。5、微機(jī)保護(hù)應(yīng)有通信功能6、應(yīng)能滿足無人值班的要求，設(shè)計時應(yīng)考慮遠(yuǎn)方與就地控制操作并存的模式。7、有可靠的通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議。8、有良好的抗干擾能力。9、設(shè)備運(yùn)行可靠性高。10、系統(tǒng)可擴(kuò)展性好。11、系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性能要好。應(yīng)從技術(shù)上保證站內(nèi)自動化系統(tǒng)的硬件接口滿足國際標(biāo)準(zhǔn)。12、變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先采用交流采樣技術(shù)，減輕ta、tv的負(fù)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(jī)承擔(dān)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(luò)，如總線型網(wǎng)。從抗電磁干擾角度考慮，在選擇通信介質(zhì)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(jié)構(gòu)1.傳統(tǒng)模式這種模式就是目前國內(nèi)應(yīng)用最普遍的遠(yuǎn)方終端裝置（rtu）加上當(dāng)?shù)乇O(jiān)控（監(jiān)視）系統(tǒng)（又稱當(dāng)?shù)毓δ埽倥渖献兯推?、遙信轉(zhuǎn)接、遙控執(zhí)行、ups等屏柜。當(dāng)采用交流采樣rtu時，可省去變送器屏柜。站內(nèi)保護(hù)裝置的信息，可通過遙信輸入回路（即硬件方法）進(jìn)入rtu，亦可通過串行口按約定的規(guī)約通信（即軟件方法）進(jìn)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(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出，元件保護(hù)、自動裝置各為單獨模塊。變電站層包括監(jiān)控主機(jī)和遠(yuǎn)動主機(jī)。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(hù)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(jié)構(gòu)。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(hù)于一體，設(shè)計在同一個機(jī)箱中，將這種模塊單元安裝在元件的開關(guān)柜中。各模塊單元與監(jiān)控主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。高壓線路保護(hù)，變壓器保護(hù)，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(jié)構(gòu)可靠性高，可擴(kuò)展性好，控制連接電纜少，維護(hù)簡便，是目前較新的結(jié)構(gòu)形式。主要問題是保護(hù)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(hù)和測量需要的電量。結(jié)構(gòu)簡單，造價低。但是由于一次保護(hù)ct和測量ct特性不同，所以不能保證測量準(zhǔn)確度。應(yīng)用難度較大?，F(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