變電站綜合自動化系統(tǒng).doc

摘要本次畢業(yè)設計通過對變電站自動化的概念和發(fā)展趨勢，以及變電站綜合自動化系統(tǒng)國內外現在發(fā)展的狀況的論述，探討了變電站綜合自動化系統(tǒng)的功能，結構，保護配置。并且進一步討論了微機保護硬件的結構和特點。變電站綜合自動化系統(tǒng)是利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信息處理技術等實現對變電站二次設備(包括繼電保護、控制、測量、信號、故障錄波、自動裝置及遠動裝置等)的功能進行重新組合、優(yōu)化設計，對變電站全部設備的運行情況執(zhí)行監(jiān)視、測量、控制和協調的一種綜合性的自動化系統(tǒng)。它是一項提高變電站安全、可靠穩(wěn)定運行水平，降低運行維護成本，提高經濟效益，向用戶提供高質量電能服務的一項措施。隨著自動化技術、通信技術、計算機和網絡技術等高科技的飛速發(fā)展，變電站綜合自動化技術得到了迅速發(fā)展。目前，廣泛采用的變電站綜合自動化系統(tǒng)是通過后臺監(jiān)控機對變電站全部一次設備及二次設備進行監(jiān)視、測量、記錄、并處理各種信息，對變電站的主要設備實現遠方控制操作功能。然而，在實際使用過程中也隨之出現了一些問題，通過對各個綜合自動化系統(tǒng)進行歸納總結，探討分析，就目前變電站綜合自動化系統(tǒng)在實際工作中出現的共性問題進行綜合分析。關鍵詞：變電站綜合自動化；微機保護；硬件配置；繼電保護目錄摘要1第一章變電站綜合自動化系統(tǒng)的概述21.1變電站綜合自動化的發(fā)展過程21.1.1國外變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展21.1.2我國變電站綜合自動化技術的發(fā)展31.2變電站自動化系統(tǒng)的基本概念及現狀41.2.1變電站自動化系統(tǒng)的基本概念：41.2.2傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)概況及變電站綜合自動化系統(tǒng)41.2.3變電站綜合自動化系統(tǒng)現狀71.3變電站綜合自動化研究的內容及特點131.4變電站實現綜合自動化系統(tǒng)的優(yōu)越性和特點141.4.1優(yōu)越性141.4.2變電站綜合自動化系統(tǒng)特點141.5變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展前景151.6小結15第二章變電站綜合自動化系統(tǒng)原理分析162.1變電站的分類及概述變電站綜合自動化系統(tǒng)的分類162.2變電站綜合自動化實現的功能182.2.1監(jiān)控子系統(tǒng)182.2.2微機保護系統(tǒng)功能232.2.3后備控制和緊急控制功能242.3變電站綜合自動化的配置及硬件結構25致謝27參考文獻28第一章變電站綜合自動化系統(tǒng)的概述1.1變電站綜合自動化的發(fā)展過程微機分布式變電站綜合自動化系統(tǒng)在我國已有近十幾年的歷史，隨著時間的證明，它越來越受到電力系統(tǒng)的認可和歡迎，具有極強的生命力，我們平煤集團也在不斷引進。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）經過功能的組合和優(yōu)化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信號處理技術，實現對變電站的設備自動監(jiān)視、測量、自動控制和微機保護，以及與調度通信等綜合性的自動化功能。1.1.1國外變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展70年代末80年代初，國外開始了對于ISA技術的研究，這是由于電網規(guī)模不斷擴大，要求電網及變電站的控制和保護系統(tǒng)必須運行安全、可靠、經濟。因此，各級調度中心需要更多的信息，以便及時掌握電網及變電站的運行情況。同時，采用無人值班管理模式，進行遠方控制，減少人為誤操作的可能性，提高運行可靠性，降低變電站的造價和運行維護費用。隨著微處理器技術、計算機網絡技術、數字通信技術的發(fā)展，人們可以利用現代先進的技術和設備來組成一個自動化的控制和保護系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)二次設備模式，做到設備簡化，信息共享，減少變電站的造價和運行維護費用。世界發(fā)達國家率先研制出成熟系統(tǒng)，并推廣應用，大大提高了變電站管理的自動化水平，實現電力系統(tǒng)的安全、可靠、經濟運行。目前，日本日立、三菱、東芝公司，德國西門子公司（SIEMENS）、AEG公司，瑞士ABB公司，美國通用電氣公司（GE）、西屋電氣公司（Westinghouse），法國阿爾斯通公司（ALSTHOM），瑞士Landis&Gyr公司等國際著名大型電氣設備制造公司都開發(fā)和生產了變電站綜合自動化系統(tǒng)（或稱保護與控制一體化裝置），并取得了較為成熟的運行經驗。1.1.2我國變電站綜合自動化技術的發(fā)展我國變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展階段：變電站內二次設備傳統(tǒng)按功能可分為五類：繼電保護，自動裝置,故障錄波，當地監(jiān)控和遠動。五大類產品的不斷發(fā)展及其功能相互滲透，推動了變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展，產生了多種多樣的系統(tǒng)模式，按系統(tǒng)模式出現的時間順序可將變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展分為三個階段：第一階段：面向功能設計的集中式RTU加常規(guī)繼電保護模式80年代是以RTU為基礎的遠動裝置及當地監(jiān)控為代表。該類系統(tǒng)是在常規(guī)的繼電保護及二次接線基礎上增設RTU裝置，功能主要為完成與遠方調度主站通信實現“四遙”(遙測，遙信，遙調，遙控)，繼電保護及自動裝置與系統(tǒng)聯結采用硬接點狀態(tài)接入。此類系統(tǒng)特點是功能簡單，整體性能指標較低，系統(tǒng)聯結復雜，不便于運行管理與維護，為自動化系統(tǒng)的初級階段。第二階段：面向功能設計的分布式測控裝置加微機保護模式90年代初期，微機保護及按功能設計的分布測控裝置得以廣泛應用，保護與測控裝置相對獨立，通過通信管理單元能夠將各自信息送到當地監(jiān)控計算機或調度主站。此類系統(tǒng)的出現是由于當時國內電力系統(tǒng)保護和遠動分屬于不同部門和專業(yè)，另外對繼電保護與測控裝置在技術上如何融和沒有達成一致的認識，故相當一部分尤其是110KV及以下電壓等級自動化系統(tǒng)采用此類模式。該模式沒有做到面向對象設計，信息共享程度不高，另外系統(tǒng)的二次電纜互聯較多，擴展性不好，不利于運行管理和維護。第三階段：面向間隔和對象(object-oriented)的分層分布式結構模式90年代中期，隨著計算機技術、網絡和通信技術的飛速發(fā)展，行業(yè)內對計算機保護與測控技術不斷爭論和探討達成了一致的認識，采用面向設備或間隔為對象設計的保護及測控單元，采用分層分布式的系統(tǒng)結構，形成了真正意義上的分層分布式自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點是針對110KV以下電壓等級的設備或間隔采用保護測控一體化設計的裝置，針對110KV及以上電壓等級的設備或間隔采用繼電保護裝置與測控裝置分別獨立設計但共同組屏的原則，故障錄波功能下放至各間隔或設備的繼電保護裝置中去，采用先進的網絡通信技術，系統(tǒng)配置靈活，擴展方便，非常方便運行管理和維護。1.2變電站自動化系統(tǒng)的基本概念及現狀1.2.1變電站自動化系統(tǒng)的基本概念：變電站綜合自動化技術是隨著現代科學技術進步而發(fā)展起來的一門新型交叉學科。它利用先進的計算機技術、控制技術、信息處理技術、網絡通信技術，對變電站內的繼電保護、控制、測量、信號、故障錄波、自動裝置及遠動裝置等二次設備的功能進行優(yōu)化重組，通過其內部通信網絡相互交換信息，共享數據，實現對變電站內電氣設備及線路等運行狀況的監(jiān)視、測量、控制及保護。變電站綜合自動化系統(tǒng)是以組成全站的各控制單元微機化為基礎，加上相互之間的通信聯絡，構成的全站二次控制整體自動化系統(tǒng)。它改變了變電站傳統(tǒng)的二次系統(tǒng)模式，實現了信息共享，可以簡化二次系統(tǒng)，減少電纜，節(jié)省占地面積，降低造價，是提高變電站安全穩(wěn)定運行水平、降低運行維護成本、提高經濟效益、向用戶提供高質量電能的一項重要技術措施。1.2.2傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)概況及變電站綜合自動化系統(tǒng)傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)的設備是按功能分別組織和設置的，主要包括繼電保護、自動裝置、測量儀表、控制系統(tǒng)和信號系統(tǒng)以及遠動裝置等，相應的有中央信號屏、控制屏、保護屏、錄波屏等。這些二次設備不僅功能不同，實現的原理和技術也不同，它們之間互不兼容，彼此獨立且自成體系。因此，逐步形成了自動、遠動和保護等不同的專業(yè)和相應的技術部門，如圖一。這種傳統(tǒng)的變電站主要有以下缺點：(1)電能質量難以控制。只有及時掌握系統(tǒng)的運行工況，才能采取迅速、有效的控制和調節(jié)措施，消除不利因素，保證電力系統(tǒng)優(yōu)質、安全、經濟的運行。但常規(guī)變電站的遠動功能不夠完善，提供給調度中心的信息量少、精度差，而且變電站內自動控制和調節(jié)手段不全，遠方集中控制、操作的手段較少，不能遠方修改保護及自動裝置的定值和檢查其工作狀態(tài)可控性不高，難以滿足電網實時監(jiān)測和控制的要求，不利于電網的優(yōu)質、安全、穩(wěn)定運行。 (2)安全性、可靠性不高。傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)中的繼電保護、自動裝置和遠動裝置等大多為晶體管或小規(guī)模集成電路形式，結構及接線復雜，二次設備主要依靠電纜，主要通過模擬信號來交換信息，信息量小，可靠性不高。而且這種二次系統(tǒng)是一個被動系統(tǒng)，沒有自檢和自診斷的能力，不能及時發(fā)現自身的故障，因此需定期進行測試和校驗，增加了工作量，若兩次校驗之間出現了故障而沒有發(fā)現，則系統(tǒng)不能安全可靠地工作，例如可能會造保護拒動或誤動等。 (3)監(jiān)控以人為主。傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)中，主要由人來處理信息，人處于核心位置，但人在處理大量信息時的準確性和可靠性不高，尤其是傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)提供給人的關于事故發(fā)生情況的具體信息不全面，往往要靠人的經驗來判斷，這不利于正確處理事故。 (4)電纜用量多，調試和維護工作量大。傳統(tǒng)變電站的控制，保護、測量等都是由電纜連接的，功能受到限制，擴展困難，標準也很難統(tǒng)一。每個一次設備都與所有這些二次設備有關，因而每個一次設備的電流互感器的二次側，都需要分別引到這些屏卜，斷路器的跳、合閘回路也需要連到保護屏、控制屏、遠動屏及其他自動裝置屏上，因此變電站內的電纜錯綜復雜。這既增加了投資，又要花費大量的人力去從事眾多裝置之間的連接設計、配線、安裝、調試、維護等工作。 (5)二次設備冗余配置多，占地面積大。傳統(tǒng)變電站的二次沒備冗余配置多，體積大，笨重，因此主控室、繼電保護室等占地面積大。綜合自動化變電站不同于傳統(tǒng)的變電站，是以高科技的現代化技術為基礎，通過有效的設計，結合當地的環(huán)境而制成的機電一體化式的變電站，它有自身的特點：（1）采用新技術與當時比較前沿的科技相結合，應用新技術，使得變電站擺脫了傳統(tǒng)變壓器的弊端，安全性和可靠性更高。例如，采用新技術的綜合自動化變電站，一次斷路器設備呈現出無油化，無污染。二次控制元件也表現出了集成的模塊化，使得變電站工作更加精確，減少了設備維修工作。（2）設備調度方便、快捷現代化的自動化變電站在調整電壓負荷、報表傳送等方面具有比較強的優(yōu)勢，指令操作簡潔，并且誤操作的次數大大降低，使得變電站的設備工作起來更加的放心。而且，相互連接的各個測控單元既獨立，也保持相對比較高的集成性，相互之間可以通過模塊化進行信息共享，實現數據和信息的傳遞，有利于結合當地的環(huán)境，變換主體值班室的結構和值守的方式等。測控單元是整個方案的核心和關鍵。圖2中詳細的介紹了測控單元的工作原理。圖2測控單元示意圖（3）成本低綜合自動化變電站所占地面積比較少，空間利用率高，擺脫傳統(tǒng)的土地建設投資大的劣勢，充分發(fā)揮了其自動化的突出特點，降低了整個變電站的生產投入成本，使得變電站更加趨于低廉、高效。1.2.3變電站綜合自動化系統(tǒng)現狀變電站綜合自動化系統(tǒng)利用先進的計算機技術、控制技術、通信技術和信號處理技術，對微機化的變電站的二次沒備進行功能的組合和優(yōu)化設計，以實現對變電站內電氣設備及線路的自動監(jiān)視、測量、控制、保護以及與調度通信等綜合性的自動化功能。它是由多臺微型計算機和大規(guī)模集成電路組成的自動化系統(tǒng)，在二次系統(tǒng)具體裝置和功能實現上，微機化的二次設備代替和簡化了非計算機設備，在信號傳遞上，數字化信號傳遞代替了電壓、電流等模擬信號傳遞，數字化的處理和邏輯運算代替了模擬運算和繼電器邏輯。綜合自動化系統(tǒng)集測量、監(jiān)視、控制、保護于一體，采用信息共享代替硬件重復配置，可以全面替代常規(guī)的二次設備，具有功能綜合化、結構分層分布化、測量顯示數字化、操作顯示屏幕化、通信手段多元化、運行管理智能化等特征。與傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)相比，它數據采集更精確、信號傳遞更方便、處理方式更靈活、運行維護更可靠、擴展更容易。1技術標準問題目前變電站綜合自動化系統(tǒng)的設計還沒有統(tǒng)一標準，因此標準問題（其中包括技術標準、自動化系統(tǒng)模式、管理標準等問題）是當前迫切需要解決的問題。（1）生產廠家的問題目前在變電站綜合自動化系統(tǒng)選型當中存在著如所選系統(tǒng)功能不夠全面，產品質量不過關，系統(tǒng)性能指標達不到要求等情況，主要有以下問題：由于變電站綜合自動化設備的生產廠家過分重視經濟利益，用戶又過分追求技術含量，而不重視產品的性能及實用性，因而一批技術含量雖較高，但產品并不過關，甚至結構、可靠性很差的所謂高技術產品不斷被使用。廠家只要有人買就生產，改進的積極性不高，甚至有些產品生產過程中缺乏起碼的質量保證措施，有些外購部件更是缺乏管理，因而導致部分投產的變電站問題較多；有些廠家就某產品只搞技術鑒定，沒搞產品鑒定；另外，生產廠家對變電站綜合自動化系統(tǒng)的功能、作用、結構及各項技術性能指標宣傳和介紹不夠，導致電力企業(yè)內部專業(yè)人員對系統(tǒng)認識不透徹，造成設計漏洞較多。（2）不同產品的接口問題接口是綜合自動化系統(tǒng)中非常重要而又長期以來未得到妥善解決的問題之一，包括RTU、保護、小電流接地裝置、故障錄波、無功裝置等與通信控制器、通信控制器與主站、通信控制器與模擬盤等設備之間的通信。這些不同廠家的產品要在數據接口方面溝通，需花費軟件人員很大精力去協調數據格式、通信規(guī)約等問題。當不同廠家的產品、種類很多時，問題會很嚴重。如果所有廠家的自動化產品的數據接口遵循統(tǒng)一的、開放的數據接口標準，則上述問題可得到圓滿解決，用戶可以根據各種產品的特點進行選擇，以滿足自身的使用要求。（3）抗干擾問題關于變電站綜合自動化系統(tǒng)的抗干擾問題，亦即所謂的電磁兼容問題，是一個非常重要然而卻常常被忽視的方面。傳統(tǒng)上的變電站綜合自動化設備出廠時抗干擾試驗手段相當原始，僅僅做一些開關、電焊機、風扇、手提電話等定性實驗，到現場后往往也只加上開合斷路器的試驗，一直沒有一個定量的指標，這是一個極大的隱患。變電站綜合自動化系統(tǒng)的抗干擾措施是保證綜合自動化系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定運行的基礎，選擇時應注意，合格的自動化產品，除滿足一般檢驗項目外，主要還應通過高低溫試驗、耐濕熱試驗、雷電沖擊電壓試驗、動模試驗，而且還要重點通過四項電磁兼容試驗，分別是：1MHz脈沖干擾試驗、靜電放電干擾試驗、輻射電磁場干擾試驗、快速瞬變干擾試驗。（4）傳輸規(guī)約和傳輸網絡的選擇問題變電站和調度中心之間的傳輸規(guī)約。目前國內各個地方情況不統(tǒng)一，變電站和調度中心之間的信息傳輸采用各種形式的規(guī)約，如部頒CDT、SC-1801、DNP3.0等。1995年IEC為了在兼容的設備之間達到互換的目的，頒布了IEC60870-5-101傳輸規(guī)約，為了使我國盡快采用遠動傳輸的國際標準，1997年原電力部頒布了國際101規(guī)約的國內版本DL/T634-1997，并在1998年的桂林會議上進行了發(fā)布。該規(guī)約為調度端和站端之間的信息傳輸制定了標準，今后站端變電站綜合自動化設備與遠方調度傳輸協議應采用101規(guī)約。站內局域網的通信規(guī)約。目前許多生產廠家各自為政，造成不同廠家設備通信連接的困難和以后維護的隱患。1997年IEC頒布了IEC60870-5-103規(guī)約，國家經貿委在1999年頒布了國際103規(guī)約的國內版本DL/T667-1999，并在2000年的南昌會議上進行了發(fā)布，103規(guī)約為繼電保護和間隔層（IED）設備與變電站層設備間的數據通信傳輸規(guī)定了標準，今后變電站綜合自動化系統(tǒng)站內協議要求采用103規(guī)約。電力系統(tǒng)的電能計量傳輸規(guī)約。對于電能計量采集傳輸系統(tǒng)，IEC在1996年頒布的IEC60870-5-102標準，即我國電力行業(yè)標準DL/T719-2000，是我們在實施變電站電能計量系統(tǒng)時需要遵守的。上述的三個標準即常說的101、102、103協議，運用于三層參考模型（EPA）即物理層、鏈路層、應用層結構之上，是相當一段時間里指導變電站綜合自動化技術發(fā)展的三個重要標準。這些國際標準是按照非平衡式和平衡式傳輸遠動信息的需要制定的，完全能滿足電力系統(tǒng)中各種網絡拓撲結構，將得到廣泛應用。IECTC57即將制定無縫遠動通信體系結構，具有應用開放和網絡開放統(tǒng)一的傳輸協議IEC61850。該協議將是變電站(RTU或者變電站綜合自動化系統(tǒng))到控制中心的唯一通信協議，也是變電站綜合自動化系統(tǒng)，甚至控制中心的唯一的通信協議。目前各個公司使用的標準尚不統(tǒng)一，系統(tǒng)互聯和互操作性差，因此，在變電站綜合自動化系統(tǒng)建設和設備選型上應考慮傳輸規(guī)約問題，即在變電站和控制中心之間應使用101規(guī)約，在變電站內部應使用103規(guī)約，電能量計量計費系統(tǒng)應使用102規(guī)約。新的國際標準IEC61850頒布之后，變電站綜合自動化系統(tǒng)從過程層到控制中心將使用統(tǒng)一的通信協議。（5）開放性問題變電站綜合自動化系統(tǒng)應能實現不同廠家生產的設備的互操作性(互換性)；系統(tǒng)應能包容變電站自動化技術新的發(fā)展要求；還必須考慮和支持變電站運行功能的要求。而現有的變電站綜合自動化系統(tǒng)卻不能滿足這樣的要求，各廠家的設備之間接口困難，甚至不能連接，從而造成各廠家各自為政，重復開發(fā)，浪費了大量的財力物力。另外，各種屏體及設備的組織方式不盡相同，給維護和管理帶來許多問題。在我們現有的綜合自動化設備中，廠家數量較多,各廠不同系列的產品造成產品型號復雜，備品備件難以實現，設備運行率低的問題。2組織模式選擇的問題變電站綜合自動化系統(tǒng)實現的方案隨著變電站的規(guī)模、復雜性、變電站在電力系統(tǒng)的重要地位、所要求的可靠性以及變電層和過程層總線的數據流率的不同而變化。如果一個變電站綜合自動化系統(tǒng)模式選擇合適的話，不僅可以節(jié)省投資、節(jié)約材料，而且由于系統(tǒng)功能全、質量高、其可靠性高、可信度大，更便于運行操作。因此，把好變電站綜合自動化系統(tǒng)的選擇關，意義十分重大。目前應用較廣泛的變電站綜合自動化系統(tǒng)的結構形式主要有集中式、分散與集中相結合和全分散式三種類型?，F將三種結構形式的特點簡述如下。集中式：集中式結構的變電站綜合自動化系統(tǒng)是指采用不同檔次的計算機，擴展其外圍接口電路，集中采集變電站的模擬量、開關量和數字量等信息，集中進行計算與處理，分別完成微機控制、微機保護和一些自動控制等功能。這種系統(tǒng)結構緊湊、體積小、可減少占地面積、造價低，適用于對35kV或規(guī)模較小的變電站，但運行可靠性較差，組態(tài)不靈活。分散與集中相結合：分散與集中相結合的變電站綜合自動化系統(tǒng)是將配電線路的保護和測控單元分散安裝在開關柜內，而高壓線路和主變壓器保護裝置等采用集中組屏的系統(tǒng)結構。此結構形式較常用，它有如下特點：635kV饋線保護采用分散式結構，就地安裝，可節(jié)約控制電纜，通過現場總線與保護管理機交換信息。高壓線路保護和變壓器保護采用集中組屏結構，保護屏安裝在控制室或保護室中，同樣通過現場總線與保護管理機通信，使這些重要的保護裝置處于比較好的工作環(huán)境，對可靠性較為有利。其他自動裝置中，如備用電源自投控制裝置和電壓、無功綜合控制裝置采用集中組屏結構，安裝于控制室或保護室中。全分散式：全分散式的變電站綜合自動化系統(tǒng)是以一次主設備如開關、變壓器、母線等為安裝單位，將控制、I/O、閉鎖、保護等單元分散，就地安裝在一次主設備屏（柜）上。站控單元通過串行口與各一次設備相連，并與管理機和遠方調度中心通信。它有如下特點：簡化了變電站二次部分的配置，大大縮小了控制室的面積。減少了施工和設備安裝工程量。由于安裝在開關柜的保護和測控單元在開關柜出廠前已由廠家安裝和調試完畢，再加上鋪設電纜的數量大大減少，因此現場施工、安裝和調試的工期隨之縮短。簡化了變電站二次設備之間的互連線，節(jié)省了大量連接電纜。全分散式結構可靠性高，組態(tài)靈活，檢修方便，且抗干擾能力強，可靠性高。上述三種變電站綜合自動化系統(tǒng)的推出，雖有時間先后，但并不存在前后替代的情況，變電站結構形式的選擇應根據各種系統(tǒng)特點和變電站的實際情況，予以選配。如以RTU為基礎的變電站綜合自動化系統(tǒng)可用于已建變電站的自動化改造，而分散式變電站綜合自動化系統(tǒng)，更適用于新建變電站。3變電站綜合自動化采用自動控制和計算機技術實現變電站二次系統(tǒng)的部分或全部功能。為達到這一目的，滿足電網運行對變電站的要求，變電站綜合自動化系統(tǒng)體系由“數據采集和控制”、“繼電保護”、“直流電源系統(tǒng)”三大塊構成變電站自動化基礎。“通信控制管理是橋梁，聯系變電站內部各部分之間、變電站與調度控制中心之間使其相互交換數據。“變電站主計算機系統(tǒng)”對整個綜合自動化系統(tǒng)進行協調、管理和控制，并向運行人員提供變電站運行的各種數據、接線圖、表格等畫面，使運行人員可遠方控制斷路器分、合操作，還提供運行和維護人員對自動化系統(tǒng)進行監(jiān)控和干預的手段。“變電站主計算機系統(tǒng)”代替了很多過去由運行人員完成的簡單、重復和繁瑣的工作，如收集、處理、記錄、統(tǒng)計變電站運行數據和變電站運行過程中所發(fā)生的保護動作、斷路器分、合閘等重要事件，還可按運行人員的操作命令或預先設定執(zhí)行各種復雜的工作?！巴ㄐ趴刂乒芾磉B接系統(tǒng)各部分，負責數據和命令的傳遞，并對這一過程進行協調、管理和控制。與變電站傳統(tǒng)電磁式二次系統(tǒng)相比，在體系結構上，變電站綜合自動化系統(tǒng)增添了“變電站主計算機系統(tǒng)”和“通信控制管理”兩部分；在二次系統(tǒng)具體裝置和功能實現上，計算機化的二次設備代替和簡化了非計算機設備，數字化的處理和邏輯運算代替了模擬運算和繼電器邏輯；在信號傳遞上，數字化信號傳遞代替了電壓、電流模擬信號傳遞。數字化使變電站自動化系統(tǒng)與傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)相比，數據采集更精確、傳遞更方便、處理更靈活、運行維護更可靠、擴展更容易。4變電站綜合自動化系統(tǒng)結構體系較為典型的是：(1)在低壓無人值班變電站里，取消變電站主計算機系統(tǒng)或者簡化變電站主計算機系統(tǒng)。(2)在實際的系統(tǒng)中，更為常見的是將部分變電站自動化設備，如微機保護、RTU與變電站二次系統(tǒng)中電磁式設備(如模擬式指針儀表、中央信號系統(tǒng))揉和在一起，組成一個系統(tǒng)運行。這樣，即提高了變電站二次系統(tǒng)的自動化水平，改進了常規(guī)系統(tǒng)的性能，又需投入更多的物力和財力。1.3變電站綜合自動化研究的內容及特點變電站綜合自動化是一項提高變電站安全、穩(wěn)定和可靠運行水平，降低運行、維護成本，提高經濟效益和向用戶提供高質量電能的一項技術措施。變電站綜合自動化的發(fā)展，為電網綜合自動化的發(fā)展奠定了基礎。變電站綜合自動化最主要的特征表現在以下幾個方面：（一）功能綜合化。變電站綜合自動化技術是在計算機技術、數據通信技術、軟件模塊化基礎上發(fā)展起來的。它集保護、測量、監(jiān)控功能于一體，替代了常規(guī)變電站的保護、儀表、中央信號系統(tǒng)、RTU等二次設備。（二）結構微機化。綜合自動化系統(tǒng)內主要部件是微機化分布式結構，網絡總線連接，將微機保護、數據采集、監(jiān)視控制等環(huán)節(jié)的中央處理器(CPU)同時并行運行。（三）操作監(jiān)視屏幕化。常規(guī)方式下的指針表計讀數被屏幕數據取代。對變電站設備運行的監(jiān)視、操作、控制都可以在計算機屏幕上進行。（四）運行管理智能化。智能化不僅表現在常規(guī)的自動化功能上，如自動報警、自動報表、電壓無功自動調節(jié)、小電流接地自動選線、事故判斷與處理等方面，還表現在能夠在線自診斷，并能將自診斷結果向遠方傳送。也就是說，常規(guī)二次系統(tǒng)只能監(jiān)測一次設備，而本身的故障必須靠維護人員去檢查發(fā)現，綜合自動化系統(tǒng)不僅能檢測一次設備，還每時每刻檢測自己是否有故障，充分體現出其智能性。1.4變電站實現綜合自動化系統(tǒng)的優(yōu)越性和特點1.4.1優(yōu)越性（1）：提高供電質量，提高電壓合格率（2）：提高變電站的安全，可靠運行水平。（3）：減少維護工作時間，減少值班人員的勞動強度，并達到減員增效（4）：縮小變電站占地面積，減少總投資。5：提高電力系統(tǒng)的運行管理水平1.4.2變電站綜合自動化系統(tǒng)特點1、系統(tǒng)分網絡層和間隔層、監(jiān)控層:間隔層按站內一次設備分布式配置，一個一次單元對應一個保護監(jiān)控裝置。它采用一個元件（一個間隔）對應一個裝置的分布式設計，可直接安裝在開關柜上，各間隔功能獨立，各裝置之間僅通過網絡聯結，網絡組態(tài)靈活，使整個系統(tǒng)的可靠性得到很大提高，任一裝置故障僅影響到相對應的元件。網絡層采用安全可靠的現場控制總線-RS485/工業(yè)以太網技術作為站內通訊層，各裝置的信息在通訊層共享，取消了大量的控制電纜，簡化二次接線，減輕CT、PT負荷，減少施工難度及維護工作量，節(jié)省了大量的人力物力資源，從而大大降低了綜合成本。2、硬件設計模塊化、標準化間隔層的保護監(jiān)控裝置采用先進的的32位高性能嵌入式處理器作為主CPU，在軟件上保護模塊與其他模塊完全分開、分時完成測量功能，通訊CPU完成人機對話及通訊功能，“四合一”裝置中保護部分功能獨立，而且保護功能不依賴通訊網，網絡癱瘓與否不影響保護的正常運行。各裝置硬件上相同，裝設相應軟件構成不同保護監(jiān)控功能，減少了備品備件的數目和種類，且方便現場維護。3、裝置采用全密封設計，加上多種抗干擾措施，使抗震能力、抗電磁干擾能力大大加強。4、開放式系統(tǒng)設計,采用國內、國際公認的標準通信電纜規(guī)約和接口方式，可以和國內外廠家設備進行互連和通信。系統(tǒng)擴展方便，可依據變電站建設需要隨意配置。全漢化WindowsXP系統(tǒng)軟件，用戶可依要求對畫面進行修改和制表等。數據存儲采用流行通用型數據庫。5、性能可靠，維護方便高可靠性易操作性易擴展性易維護性1.5變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展前景隨著國民經濟的飛速發(fā)展，電力工業(yè)作為很重要的國家戰(zhàn)略企業(yè)，十分重視電力系統(tǒng)綜合自動化技術的發(fā)展，實現變電站綜合自動化，這是電力工業(yè)發(fā)展的趨勢。對電力技術的發(fā)展來說，具有重要的意義，也是電力工業(yè)發(fā)展的顯著標志。雖然變電站綜合自動化技術在80年代后才被開發(fā)應用。但由于在技術性能上的潛在能力，必將被廣泛的應用于祖國各個城網和農網中。應用前景十分的巨大。1.6小結本章先是介紹了什么是電力系統(tǒng)綜合自動化，以及變電站綜合自動化系統(tǒng)的研究內容和發(fā)展過程。下來介紹了國內外變電站綜合自動化的優(yōu)越性和巨大的前景應用。第二章變電站綜合自動化系統(tǒng)原理分析2.1變電站的分類及概述變電站綜合自動化系統(tǒng)的分類變電站的分類有如下幾種：1按照變電站在電力系統(tǒng)中的地位和作用可劃分(1)系統(tǒng)樞紐變電站。樞紐變電站位于電力系統(tǒng)的樞紐點，它的電壓是系統(tǒng)最高輸電電壓，目前電壓等級有220kv、330kV(僅西北電網)和500kv，樞紐變電站連成環(huán)網，全站停電后，將引起系統(tǒng)解列，甚至整個系統(tǒng)癱瘓，因此對樞紐變電站的可靠性要求較高。樞紐變電站主變壓器容量大，供電范圍廣。(2)地區(qū)一次變電站。地區(qū)一次變電站位于地區(qū)網絡的樞紐點，是與輸電主網相連的地區(qū)受電端變電站，任務是直接從主網受電，向本供電區(qū)域供電。全站停電后，可引起地區(qū)電網瓦解，影響整個區(qū)域供電。電壓等級一般采用220kv或330kv。地區(qū)一次變電站主變壓器容量較大，出線回路數較多，對供電的可靠性要求也比較高。(3)地區(qū)二次變電站。地區(qū)二次變電站由地區(qū)一次變電站受電，直接向本地區(qū)負荷供電，供電范圍小，主變壓器容量與臺數根據電力負荷而定。全站停電后，只有本地區(qū)中斷供電。(4)終端變電站。終端變電站在輸電線路終端，接近負荷點，經降壓后直接向用戶供電，全站停電后，只是終端用戶停電。2按照變電站安裝位置劃分(1)室外變電站。室外變電站除控制、直流電源等設備放在室內外，變壓器、斷路器、隔離開關等主要設備均布置在室外。這種變電站建筑面積小，建設費用低，電壓較高的變電站一般采用室外布置。(2)室內變電站。室內變電站的主要設備均放在室內，減少了總占地面積，但建筑費用較高，適宜市區(qū)居民密集地區(qū)，或位于海岸、鹽湖、化工廠及其他空氣污穢等級較高的地區(qū)。(3)地下變電站。在人口和工業(yè)高度集中的大城市，由于城市用電量大，建筑物密集，將變電站設置在城市大建筑物、道路、公園的地下，可以減少占地，尤其隨著城市電網改造的發(fā)展，位于城區(qū)的變電站乃至大型樞紐變電站將更多的采取地下變電站。這種變電站多數為無人值班變電站。(4)箱式變電站。箱式變電站又稱預裝式變電站，是將變壓器、高壓開關、低壓電器設備及其相互的連接和輔助設備緊湊組合，按主接線和元器件不同，以一定方式集中布置在一個或幾個密閉的箱殼內。箱式變電站是由工廠設計和制造的，結構緊湊、占地少、可靠性高、安裝方便，現在廣泛應用于居民小區(qū)和公園等場所。箱式變電站一般容量不大，電壓等級一般為3kv35kv，隨著電網的發(fā)展和要求的提高，電壓范圍不斷擴大，現已經制造出了132kv的箱式變電站。箱式變電站按照裝設位置的不同又可分為戶外和戶內兩種類型。(5)移動變電站。將變電設備安裝在車輛上，以供臨時或短期用電場所的需要。3按照值班方式劃分(1)有人值班變電站。大容量、重要的變電站大都采用有人值班變電站。(2)無人值班變電站。無人值班變電站的測量監(jiān)視與控制操作都由調度中心進行遙測遙控，變電站內不設值班人員。4根據變壓器的使用功能劃分(1)升壓變電站。升壓變電站是把低電壓變?yōu)楦唠妷旱淖冸娬?，例如在發(fā)電廠需要將發(fā)電機出口電壓升高至系統(tǒng)電壓，就是升壓變電站。(2)降壓變電站。與升壓變電站相反，是把高電壓變?yōu)榈碗妷旱淖冸娬荆陔娏ο到y(tǒng)中，大多數的變電站是降壓變電站。40萬千瓦是功率，不是電壓，它可以是10KV、110KV、220KV、330KV、550KV等2.2變電站綜合自動化實現的功能變電站綜合自動化功能由電網安全穩(wěn)定運行和變電站建設、運行維護的綜合經濟效益要求所決定。變電站在電網中的地位和作用不同，變電站自動化系統(tǒng)有不同的功能。變電站綜合自動化系統(tǒng)的管理計算機通過通信電纜與安裝在現場的所有微機保護與監(jiān)控單元進行信息交換。管理計算機可以向下發(fā)送遙控操作命令與有關參數修改，隨時接受微機保護與監(jiān)控單元傳上來的遙測、遙信與事故信息。管理計算機就可通過對信息的處理，進行存盤保存，通過記錄打印與畫面顯示，還可以對系統(tǒng)的運行情況進行分析，通過遙信可以隨時發(fā)現與處理事故，減少事故停電時間，通過遙控可以合理調配負荷，實現優(yōu)化運行，從而為實現現代化管理提供了必須的條件。2.2.1監(jiān)控子系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)應取代常規(guī)的測量系統(tǒng)，取代指針式儀表；改變常規(guī)的操作機構和模擬盤，取代常規(guī)的告警、報警、中央信號、光字牌等；取代常規(guī)的遠動裝置等等。監(jiān)控子系統(tǒng)功能有：1數據采集數據采集有兩種。一種是變電站原始數據采集。原始數據直接來自一次設備，如：電壓互感器、電流互感器的電壓和電流信號、變壓器溫度以及斷路器輔助觸點、一次設備狀態(tài)信號。變電站的原始數據包括模擬量和開關量。另一種是變電站自動化系統(tǒng)內部數據交換或采集。典型的如：電能量數據、直流母線電壓信號、保護動作信號等。變電站的數據包括模擬量、開關量和電能量。(1)模擬量的采集。各段母線電壓、母聯及分段斷路器的電流、線路及饋線電壓、電流、有功功率、無功功率，主變壓器電流、有功功率和無功功率，電容器和并聯電抗器電流、直流系統(tǒng)電壓、站用電電壓、電流、無功功率以及頻率、相位、功率因數等。另外，還有少數非電量，如變壓器溫度保護、氣體保護等。模擬量的采集有交流和直流兩種形式。交流采樣是將電壓、電流信號不經過變送器，直接接人數據采集單元。直流采樣是將外部信號，如交流電壓、電流，經變送器轉換成適合數據采集單元處理的直流電壓信號后，再接人數據采集單元。在變電站綜合自動化系統(tǒng)中，直流采樣主要用于變壓器溫度、氣體壓力等非電量數據的采集。(2)開關量的采集。斷路器、隔離開關和接地開關的狀態(tài)，有載調壓變壓器分接頭的位置，同期檢測狀態(tài)、繼電保護動作信號、運行告警信號等，這些信號都以開關量的形式，通過光隔離電路輸入至計算機。(3)電能計量。電能計量指對電能(包括有功和無功電能)的采集，并能實現分時累加、電能平衡等功能。數據采集及處理是變電站綜合自動化得以執(zhí)行其他功能的基礎。2.數據庫的建立與維護監(jiān)控子系統(tǒng)建立實時數據庫，存儲并不斷更新來自IO單元及通信接口的全部實時數據；建立歷史數據庫，存儲并定期更新需要保存的歷史數據和運行報表數據。3順序事件記錄及事故追憶順序事件記錄包括：斷路器跳合閘記錄，保護及自動裝置的動作順序記錄，斷路器、隔離開關、接地開關、變壓器分接頭等操作順序記錄，模擬輸入信號超出正常范圍等。事故追憶功能。事故追憶范圍為事故前1min到事故后2min的所有相關模擬量值，采樣周期與實時系統(tǒng)采樣同期一致。4故障記錄、錄波和測距功能變電站的故障錄波和測距采用兩種方法，一是由微機保護裝置兼作故障記錄和測距，再將記錄和測距的結果送監(jiān)控系統(tǒng)存儲及打印輸出或直接送調度主站；另一種方法是采用專用的微機故障錄波器，并且故障錄波器應具有串行通信功能，可以與監(jiān)控系統(tǒng)通信。對35kv及以下的配電線路，很少設置專門的故障錄波器，為了分析故障的方便，可設置簡單故障記錄功能。對于大量中、低壓變電站，沒有配置專門的故障錄波裝置。而對10kv出線數量大、故障率高的，在監(jiān)控系統(tǒng)中設置了故障記錄功能，這對正確判斷保護的動作情況及正確分析和處理事故是非常必要的。5操作控制功能。無論是無人還是少人值班的變電站，運行人員都可通過CRT屏幕對斷路器、允許遠方電動操作的隔離開關和接地開關進行分、合操作；對變壓器及站用變壓器分接頭位置進行調節(jié)控制；對補償裝置進行投、切控制，同時，要能接受遙控操作命令，進行遠方操作；為了防止計算機系統(tǒng)故障時無法操作被控設備，在設計時，應保留人工直接跳、合閘方式。操作控制有手動和自動控制兩種控制方式。手動控制包括調度通信中心控制、站內主控制室控制和就地控制，并具備調度通信中心站內主控室、站內主控制室就地手動的控制切換功能；自動控制包括順序控制和調節(jié)控制。6安全監(jiān)視功能。監(jiān)控系統(tǒng)在運行過程中，對采集的電流、電壓、主變壓器溫度、頻率等量要不斷進行越限監(jiān)視，如發(fā)現越限，立刻發(fā)出告警信號，同時記錄和顯示越限時間和越限值，另外還要監(jiān)視保護裝置是否失電，自控裝置是否正常等。這就要求繼電器的靈敏性，靈敏性與短路的位置、類型、系統(tǒng)的運行方式有關，通常以靈敏度（Ksen）衡量，如過量保護的動作電流為，保護范圍內最小短路電流為，則靈敏系數（公式2-2-1）欠量保護的動作電壓為，保護范圍內的最低短路電壓為，則靈敏系數（公式2-2-2）這些均涉及到繼電保護的最大、最小運行方式，所謂繼電保護的最大運行方式是指流過保護安裝處短路電流為最大的系統(tǒng)運行方式，即系統(tǒng)所有元件均投入的運行方式；繼電保護的最小運行方式是指流過保護安裝處短路電流為最小的系統(tǒng)運行方式，即相鄰元件處于檢修或停用，本元件故障時的運行方式。7人機聯系功能(1)CRT顯示器、鼠標和鍵盤是人機聯系橋梁。變電站采用微機監(jiān)控系統(tǒng)后，無論是有人值班還是無人值班，最大的特點之一是操作人員或調度員只要面對CRT顯示器的屏幕，通過操作鼠標或鍵盤，就可以對全站的運行工況、運行參數一目了然，可對全站斷路器和隔離開關等進行分、合操作，徹底改變了傳統(tǒng)的依靠指針式儀表和模擬屏或操作屏等進行操作。(2)CRT顯示畫面。作為變電站人機聯系的主要橋梁手段的CRT顯示器，不僅可以取代常規(guī)的儀器、儀表，而且可實現許多常規(guī)儀表無法完成的功能。其可顯示采樣和計算的實時運行參數(U、I、P、Q、cosv、有功電能、無功電能及主變壓器溫度、系統(tǒng)頻率，等)、實時主接線圖、事件順序記錄、越限報警、值班記錄、歷史趨勢、保護定值自控裝置的設定值、故障記錄和設備運行狀態(tài)等。(3)輸入數據。指輸入電流互感器和電壓互感器變比、保護定值和越限報警定值、測控裝置的設定值、運行人員密碼等。繼電保護使用TA在誤差為10情況下二次阻抗與一次電流倍數的關系曲線稱為10曲線。如下圖所示：圖中mI1/I1N為一次電流倍數，ZLMax為允許的最大二次阻抗。8打印功能。定時打印報表和運行日志；斷路器、隔離開關操作記錄；事件順序記錄；越限；召喚；抄屏；事故追憶等。9數據處理與記錄功能。在監(jiān)控系統(tǒng)中，數據處理和記錄也是很重要的環(huán)節(jié)。歷史數據的形成和存儲是數據處理的主要內容。此外，為了滿足繼電保護專業(yè)人員和變電站管理的需要，必須進行一些數據統(tǒng)計，主要有：記錄母線電壓日最高值和最低值以及相應的時間；主變壓器及各條線路的功率、功率因數及電能的計算和統(tǒng)計；計算配電電能的平衡率；統(tǒng)計斷路器、避雷器、重合閘的動作次數；統(tǒng)計斷路器切除故障電流和跳閘次數的累計數；記錄控制操作和定值的修改；事件順序記錄及事故追憶等。10諧波的分析與監(jiān)視。電能質量的一個重要指標是其諧波要限制在國標規(guī)定的范圍內。隨著非線性元件和設備的廣泛使用，使電力系統(tǒng)的諧波成分明顯增加，并且其影響程度越來越嚴重，目前，諧波“污染”已成為電力系統(tǒng)的公害之一。因此，在綜合自動化系統(tǒng)中，必須重視對諧波含量的分析和監(jiān)視。對諧波“污染”嚴重的變電站，要采取適當的抑制措施，降低諧波含量。11報警處。報警處理內容包括：設備狀態(tài)異常、故障；測量值越限及計算機監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件、通信接口及網絡故障等。12畫面生成及顯示。畫面顯示的信息包括：日歷時間、經編號的測點、表示該點的文字或圖形、該點實時數據或歷史數據、經運算或組合后的各種參數等。由畫面顯示的內容包括：全站生產運行要的電氣接線圖、設備配置圖、運行工況圖、電壓棒形圖、實時參數曲線圖、各種信息報告、操作票、工作票及各種運行報表等。13在線計算及制表功能(1)對變電站運行的各種常規(guī)參數進行統(tǒng)計及計算，如：日、月、年中的最大值、最小值及其出現的時間、電壓合格率、變壓器負荷率、全站負荷及電能平衡率等。(2)對變電站主要設備的運行狀況進行統(tǒng)計及計算，如：斷路器正常操作及事故跳閘次數、變壓器分接頭調節(jié)的檔次、次數、停運時間等。(3)利用以上數據生成不同格式的生產運行報表。并按要求方式打印輸出。14電能量處理。電能量處理包括變電站各種方式采集到的電能量進行處理、對電能量進行分時段的統(tǒng)計計算以及當運行方式的改變而自動改變計算方法并在輸出報表上予以說明等。15遠動功能監(jiān)控子系統(tǒng)能實現DL50021991地區(qū)電網調度自動化設計技術規(guī)程、DL50031991電力系統(tǒng)調度自動化設計技術規(guī)程中與變電站有關的全部功能，滿足電網電能實時性、安全性和可靠性。16運行管理功能。運行管理功能包括：運行操作指導、事故記錄檢索、在線設備管理、操作票開列、模擬操作、運行記錄及交接班記錄等。除上述功能外還具有：時鐘同步、防誤閉鎖、同步、系統(tǒng)自診斷與恢復以及與其他設備接口等功能。2.2.2微機保護系統(tǒng)功能微機保護系統(tǒng)功能是變電站綜合自動化系統(tǒng)的最基本、最重要的功能，它包括變電站的主設備和輸電線路的全套保護：高壓輸電線路保護和后備保護；變壓器的主保護、后備保護以及非電量保護；母線保護；低壓配電線路保護；無功補償裝置保護；站用變保護等，如圖三。各保護單元，除應具備獨立、完整的保護功能外，還應具有以下附加功能：(1)具有事件記錄功能。事件記錄包括發(fā)生故障、保護動作出口、保護設備狀態(tài)等重要事項的記錄。(2)具有與系統(tǒng)對時功能。以便準確記錄發(fā)生事故和保護動作的時間。(3)具有存儲多種保護定值功能。(4)具備當地人機接口功能。不僅可顯示保護單元各種信息，還可通過它修改保護定值。(5)具備通信功能。提供必要的通信接口，支持保護單元與計算機系統(tǒng)通信協議。(6)具備故障自診斷功能。通過自診斷，及時發(fā)現保護單元內部故障并報警。對于嚴重故障，在報警的同時，應可靠閉鎖保護出口。(7)各保護單元滿足上述功能要求的同時，還應滿足保護裝置的快速性、選擇性和靈敏性要求。圖三微機保護系統(tǒng)功能2.2.3后備控制和緊急控制功能當地后備控制和緊急控制功能包括人工操作控制、低頻減負荷、備用電源自投和穩(wěn)定控制等。2.3變電站綜合自動化的配置及硬件結構變電站綜合自動化系統(tǒng)的結構模式主要有集中式、集中分布式和分散分布（一）集中式結構集中式一般采用功能較強的計算機并擴展其IO接口，集中采集變電站的模擬量和數量等信息，集中進行計算和處理，分別完成微機監(jiān)控、微機保護和自動控制等功能。集中式結構也并非指只由一臺計算機完成保護、監(jiān)控等全部功能。多數集中式結構的微機保護、微機監(jiān)控和與調度等通信的功能也是由不同的微型計算機完成的，只是每臺微型計算機承擔的任務多些。例如監(jiān)控機要擔負數據采集、數據處理、斷路器操作、人機聯系等多項任務；擔負微機保護的計算，可能一臺微機要負責多回低壓線路的保護等。集中式系統(tǒng)的主要優(yōu)點：（1）能實時采集變電站各種模擬量、開關量，完成對變電站的數據采集和實時監(jiān)控、制表、打印、事件順序記錄等功能。（2）完成對變電站主要設備和進、出線的保護任務。（3）結構緊湊、體積小，可大大減少站地面積。（4）造價低，尤其是對35kV或規(guī)模較小的變電站更為有利。（5）實用性好。集中式系統(tǒng)的主要缺點：（1）每臺計算機的功能較集中，若一臺計算機出故障，影