變電站自動(dòng)化及測(cè)控裝置

測(cè)控裝置及校驗(yàn)一.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

二.測(cè)控裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用三.測(cè)控裝置的校驗(yàn)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

一、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的定義

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，國(guó)際電工委員會(huì)已正式采用了“SubstationAutomationSystem—SAS”名詞，并解釋為“在變電站內(nèi)提供包括通信基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的自動(dòng)化（SAS—SubstationAutomationSystem：TheSASprovidesautomationinasubstationincludingthecommunicationinfrastructure）”。

目前在國(guó)內(nèi)，我們說變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（IntegratedSubstationAutomationSystem），并定義為：集保護(hù)測(cè)量、控制、遠(yuǎn)傳等功能為一體，通過數(shù)字通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息共享的微機(jī)化的二次設(shè)備及系統(tǒng)，用以取代了常規(guī)的儀表盤，控制屏，繼電保護(hù)屏及中央信號(hào)屏。此定義更多強(qiáng)調(diào)了繼電保護(hù)和測(cè)控裝置技術(shù)如何融合的設(shè)計(jì)思想。它不僅包含傳統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），同時(shí)包含繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置等設(shè)備。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)圖二、我國(guó)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展階段

變電站內(nèi)二次設(shè)備傳統(tǒng)按功能可分為五類：繼電保護(hù)，自動(dòng)裝置,故障錄波，當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和遠(yuǎn)動(dòng)。五大類產(chǎn)品的不斷發(fā)展及其功能相互滲透，推動(dòng)了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，產(chǎn)生了多種多樣的系統(tǒng)模式，按系統(tǒng)模式出現(xiàn)的時(shí)間順序可將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展分為四個(gè)階段：

第一階段：變電站傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)由各種繼電器、測(cè)量?jī)x表、光字牌、信號(hào)燈、警鈴、喇叭等等構(gòu)成變電站的二次回路，實(shí)現(xiàn)變電站的控制、監(jiān)視、測(cè)量和告警功能。

第二階段：面向功能設(shè)計(jì)的集中式RTU加常規(guī)繼電保護(hù)模式80年代是以RTU為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)動(dòng)裝置及當(dāng)?shù)乇O(jiān)控為代表。該類系統(tǒng)是在常規(guī)的繼電保護(hù)及二次接線基礎(chǔ)上增設(shè)RTU裝置，功能主要為完成與遠(yuǎn)方調(diào)度主站通信實(shí)現(xiàn)“四遙”(遙測(cè)，遙信，遙調(diào)，遙控)，繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置與系統(tǒng)聯(lián)結(jié)采用硬接點(diǎn)狀態(tài)接入。此類系統(tǒng)特點(diǎn)是功能簡(jiǎn)單，整體性能指標(biāo)較低，系統(tǒng)聯(lián)結(jié)復(fù)雜，不便于運(yùn)行管理與維護(hù)，為自動(dòng)化系統(tǒng)的初級(jí)階段。

P/Udc直流采樣RTUQ/UdcU/UdcI/Udc主站系統(tǒng)U(t)I(t)直流模擬量直流模擬量直流模擬量直流模擬量數(shù)字量P、Q、U、IA/D遠(yuǎn)動(dòng)通訊規(guī)約直流采樣

第三階段：面向功能設(shè)計(jì)的分布式測(cè)控裝置加微機(jī)保護(hù)模式

90年代初期，微機(jī)保護(hù)及按功能設(shè)計(jì)的分布測(cè)控裝置得以廣泛應(yīng)用，保護(hù)與測(cè)控裝置相對(duì)獨(dú)立，通過通信管理單元能夠?qū)⒏髯孕畔⑺偷疆?dāng)?shù)乇O(jiān)控計(jì)算機(jī)或調(diào)度主站。此類系統(tǒng)的出現(xiàn)是由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)保護(hù)和遠(yuǎn)動(dòng)分屬于不同部門和專業(yè)，另外對(duì)繼電保護(hù)與測(cè)控裝置在技術(shù)上如何融和沒有達(dá)成一致的認(rèn)識(shí)，故相當(dāng)一部分尤其是110KV及以下電壓等級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)采用此類模式。該模式?jīng)]有做到面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，信息共享程度不高，另外系統(tǒng)的二次電纜互聯(lián)較多，擴(kuò)展性不好，不利于運(yùn)行管理和維護(hù)。

第四階段：面向間隔和對(duì)象(object-oriented)的分層分布式結(jié)構(gòu)模式

90年代中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)對(duì)計(jì)算機(jī)保護(hù)與測(cè)控技術(shù)不斷爭(zhēng)論和探討達(dá)成了一致的認(rèn)識(shí)，采用面向設(shè)備或間隔為對(duì)象設(shè)計(jì)的保護(hù)及測(cè)控單元，采用分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成了真正意義上的分層分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點(diǎn)是針對(duì)110KV以下電壓等級(jí)的設(shè)備或間隔采用保護(hù)測(cè)控一體化設(shè)計(jì)的裝置，針對(duì)110KV及以上電壓等級(jí)的設(shè)備或間隔采用繼電保護(hù)裝置與測(cè)控裝置分別獨(dú)立設(shè)計(jì)但共同組屏的原則，故障錄波功能下放至各間隔或設(shè)備的繼電保護(hù)裝置中去，采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，系統(tǒng)配置靈活，擴(kuò)展方便，非常方便運(yùn)行管理和維護(hù)。

三、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的智能設(shè)備(IED)分層分布式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的智能設(shè)備(IED)主要有：繼電保護(hù)類，自動(dòng)裝置類，測(cè)控裝置類，故障錄波類，電子計(jì)量類及其他智能電氣類設(shè)備，下面就這幾類產(chǎn)品的現(xiàn)狀作一一介紹：

(1)繼電保護(hù)類產(chǎn)品：繼電保護(hù)類產(chǎn)品從電壓等級(jí)劃分為兩大類中低壓保護(hù)和高壓及超高壓保護(hù)，從保護(hù)裝置的應(yīng)用劃分主要有：電網(wǎng)保護(hù)(線路保護(hù))包括220KV及以上線路保護(hù)，110KV線路保護(hù)，35KV及以下配電線路保護(hù)；主設(shè)備保護(hù)(元件保護(hù))包括發(fā)電機(jī)保護(hù)，變壓器保護(hù)，母線保護(hù)，電容器保護(hù)，電抗器保護(hù)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)，廠用變壓器保護(hù)等。

（2）自動(dòng)裝置類產(chǎn)品：

包含：安全穩(wěn)定控制裝置，備用電源自投裝置，電壓無功控制裝置，自動(dòng)補(bǔ)償消諧裝置，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等。

（3）測(cè)控裝置類產(chǎn)品

測(cè)控裝置類產(chǎn)品包括兩大功能：①測(cè)量：保證有足夠的精度和對(duì)變化量的實(shí)時(shí)反映，其中測(cè)量包含：模擬量、電流量、開關(guān)量、溫度量、直流量、壓力量、流量等。②控制調(diào)節(jié)：接收遠(yuǎn)方或就地的命令進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，也可根據(jù)裝置設(shè)定的邏輯編程進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，規(guī)定保證控制的有效性和可靠性?？刂普{(diào)節(jié)內(nèi)容包含：開關(guān)的控制、可控硅導(dǎo)通用的控制（PWM）、DA控制。

遙測(cè)即遠(yuǎn)程測(cè)量（telemetering）:應(yīng)用遠(yuǎn)程通訊技術(shù)，傳輸被測(cè)變量的值。遙測(cè)信息是表征系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)變化量（或稱模擬量），分為電量和非電量?jī)煞N。遙信即遠(yuǎn)程指示；遠(yuǎn)程信號(hào)（teleindication;telesignalization）：對(duì)諸如告警情況、開關(guān)位置或閥門位置這樣狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)視。遙信信息是二元狀態(tài)量，既是說對(duì)于每一個(gè)遙信對(duì)象而言它有兩種狀態(tài)，兩種狀態(tài)為“非”的關(guān)系。遙控即遠(yuǎn)程命令（telecommand）：應(yīng)用遠(yuǎn)程通信技術(shù)，完成改變運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)的命令，如對(duì)斷路器的控制。遙調(diào)即遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)（teleadjusting）：應(yīng)用遠(yuǎn)程通信技術(shù)，完成對(duì)具有兩個(gè)以上狀態(tài)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行控制的遠(yuǎn)程命令。如機(jī)組出力的調(diào)節(jié)、勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)、有載調(diào)壓分接頭的位置調(diào)節(jié)。

事件（event）指的是運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)的變化，如開關(guān)所處的閉合或斷開狀態(tài)的變化，保護(hù)所處的正常或告警狀態(tài)的變化。事件順序記錄（SequenceOfEvent)是指開關(guān)或繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)，按動(dòng)作的時(shí)間先后順序進(jìn)行的記錄。因此要完成事件順序記錄的功能，交流采樣裝置必須提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。事件分辨率（separatingcapability,discrimination）指能正確區(qū)分事件發(fā)生順序的最小事件間隔。同期：是指發(fā)電機(jī)出口電壓的大小、相位、頻率與電網(wǎng)電壓的大小、相位、頻率一致。電力系統(tǒng)中同期并列的條件：1、電壓大小相等2、電壓的相位相同3、電壓頻率相等4、電壓相序相同（4）故障錄波類產(chǎn)品（5）其他智能電氣類產(chǎn)品變電站內(nèi)其他智能電氣類產(chǎn)品有：智能電子電度表，智能直流開關(guān)電源及智能變壓器，這些設(shè)備沒有統(tǒng)一的接口與標(biāo)準(zhǔn)，需要經(jīng)過不同的智能接口設(shè)備轉(zhuǎn)換，才能接入變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。

測(cè)控裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著綜合自動(dòng)化的發(fā)展，測(cè)控裝置的使用已越來越普及，它已代替電測(cè)量變送器作為電網(wǎng)電測(cè)量參數(shù)(有功功率、無功功率、電壓、電流、相位、頻率、功率因素)測(cè)量的在線測(cè)量?jī)x器。傳統(tǒng)的用于電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)的電測(cè)量變送器是把交流電壓、電流信號(hào)經(jīng)過各種變送器轉(zhuǎn)化為0～5V的直流電壓或4～20mA直流電流，再由測(cè)量直流信號(hào)的RTU及各種測(cè)量?jī)x表進(jìn)行采樣或顯示。這種采集方式中變送器的精度和穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量精度有很大影響，存在設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)困難等問題。交流采樣RTU測(cè)量單元中央通訊單元數(shù)字量P、Q、U、I內(nèi)部通訊協(xié)議U(t)I(t)主站系統(tǒng)數(shù)字量1、2、3、4遠(yuǎn)動(dòng)通訊規(guī)約變電站數(shù)字通信線P/Udc直流采樣RTUQ/UdcU/UdcI/Udc主站系統(tǒng)U(t)I(t)直流模擬量直流模擬量直流模擬量直流模擬量數(shù)字量P、Q、U、IA/D遠(yuǎn)動(dòng)通訊規(guī)約直流采樣交流采樣

測(cè)控裝置是將二次測(cè)得的電壓、電流經(jīng)高精度的TV、TA隔離變換成計(jì)算機(jī)可測(cè)量的交流小信號(hào)，然后再送人計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。直接計(jì)算，然后計(jì)算P、Q、COS等，由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y(cè)量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，因而實(shí)時(shí)性好，效率高，相位失真小，適用于多參數(shù)測(cè)量。通過在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的實(shí)踐表明，采用交流采樣方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過算法運(yùn)算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有著較好的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。一、測(cè)控裝置交流采樣的基本原理

交流采樣法是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)交流信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)學(xué)算法求得被測(cè)量，用軟件功能代替硬件的計(jì)算功能。它是用一條階梯曲線代替一條光滑被測(cè)正弦信號(hào)，其原理誤差主要有2項(xiàng)：①用時(shí)間上離散的數(shù)據(jù)近似代替時(shí)間上連續(xù)的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差，這主要是由每個(gè)正弦信號(hào)周期中的采樣點(diǎn)數(shù)決定的，實(shí)際上它取決于A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度和CPU的處理時(shí)間；②將連續(xù)的電壓和電流進(jìn)行量化而產(chǎn)生的量子化誤差，這主要取決于A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。連續(xù)周期交變電壓、電流有效值及平均功率的計(jì)算公式如下:

式中，u(t)、(t)為電壓、電流的瞬時(shí)值；T為信號(hào)周期。

對(duì)以上積分公式進(jìn)行離散化處理，推導(dǎo)可得出相對(duì)應(yīng)的計(jì)算電壓、電流的有效值和平均功率的離散化公式，離散積分公式(均方根算法)在交流采樣的計(jì)算中，只要采樣點(diǎn)足夠多就可以用離散的數(shù)字量來代替模擬量。根據(jù)采樣定理可知，抽樣頻率fs與信號(hào)的最高頻率Fm之間必須滿足下列關(guān)系式:fs≧2FmFs≧2Fm是一個(gè)臨界條件，實(shí)用上采用的抽樣頻率必須大于2Fm

將互感器二次電流與電壓分別經(jīng)交流采樣測(cè)量裝置內(nèi)隔離變換，再次轉(zhuǎn)換為弱電流及電壓信號(hào)；

通過一個(gè)叫采樣保持器的元件采集、保存電流、電壓信號(hào)；經(jīng)模、數(shù)（A/D）變換；通過數(shù)據(jù)線傳送給CPU,計(jì)算出電流、電壓、電網(wǎng)頻率及有功、無功功率等電量并存儲(chǔ)在記憶元件中。交流采樣測(cè)量裝置將采集到的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)約方式傳輸?shù)疆?dāng)?shù)乇O(jiān)控終端或調(diào)度室。常用的用于交流采樣測(cè)量裝置數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)約有：CDT(CyclicDateTransmission)規(guī)約、101規(guī)約、102、103、104規(guī)約等。目前交流采樣測(cè)量裝置制造廠所使用的規(guī)約較亂，即使是同一種規(guī)約，因生產(chǎn)廠家的不同、設(shè)備型號(hào)的不同，差異也較大，有些甚至還需專用接口連線方可取數(shù)校驗(yàn)。二、測(cè)控裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，測(cè)控裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已越來越廣泛，在電力系統(tǒng)中使用測(cè)控裝置，相當(dāng)于以數(shù)字方式建立了多種虛擬儀表。與直流采樣相比，采用交流采樣技術(shù)的優(yōu)越性是十分明顯的。交流采樣是智能化設(shè)備中最重要的環(huán)節(jié)之一。基于交流采樣的產(chǎn)品，可以保證變電站自動(dòng)化水平的提高。

交流采樣測(cè)量裝置以其性能穩(wěn)定可靠，施工簡(jiǎn)便已被眾多用戶所認(rèn)同。在各等級(jí)的變電站、發(fā)電廠、水電站等測(cè)量及監(jiān)控或其他工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)都有使用。其電壓等級(jí)已從500kV的大型變電站發(fā)展到35kV的無人值守變電站。準(zhǔn)確度等級(jí)可分為0．2級(jí)。在近幾年新建和改造的變電站中，已有90％以上使用了交流采樣測(cè)量裝置，電測(cè)量指針式儀表和變送器幾乎完全被淘汰。測(cè)控裝置的校驗(yàn)

隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，綜合自動(dòng)化變電站越來越多，交流采樣測(cè)量裝置的校驗(yàn)，已成為電網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。國(guó)家電網(wǎng)公司為使校驗(yàn)更加標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化，先后推出了Q/GDW140-2006《交流采樣測(cè)量裝置運(yùn)行檢驗(yàn)管理規(guī)程》、

Q/GDW213-2008《變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工廠驗(yàn)收管理規(guī)程》和Q/GDW214-2008《變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收管理規(guī)程》針對(duì)于測(cè)控裝置校驗(yàn)和變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)校驗(yàn)的三個(gè)規(guī)程。

Q/GDW140-2006《交流采樣測(cè)量裝置運(yùn)行檢驗(yàn)管理規(guī)程》規(guī)定了用于電力系統(tǒng)交流采樣測(cè)量裝置的運(yùn)行檢驗(yàn)管理，包括：出廠前驗(yàn)收、投運(yùn)前檢驗(yàn)、運(yùn)行中周期檢驗(yàn)和臨時(shí)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法、技術(shù)指標(biāo)、運(yùn)行檢驗(yàn)管理職責(zé)、運(yùn)行管理等。在檢驗(yàn)方法里規(guī)定了基本誤差校驗(yàn)和交流工頻輸入量的影響量校驗(yàn)和響應(yīng)時(shí)間、同期功能等測(cè)試方法。Q/GDW213-2008《變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工廠驗(yàn)收管理規(guī)程》和Q/GDW214-2008《變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收管理規(guī)程》規(guī)定了用于變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工廠驗(yàn)收和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收管理的內(nèi)容，在Q/GDW140-2006《交流采樣測(cè)量裝置檢驗(yàn)管理規(guī)程》的基礎(chǔ)之上新增加了監(jiān)控系統(tǒng)功能和性能測(cè)試。功能要求●

基本誤差校驗(yàn)——電流、電壓、有功、無功、頻率、功率因數(shù)基本誤差校驗(yàn)●

影響量校驗(yàn)——輸入量的頻率變化、波形畸變、功率因數(shù)變化、不平衡電流、三相功率測(cè)量元件相互作用引起的改變量校驗(yàn)等●

監(jiān)控系統(tǒng)功能和性能測(cè)試——遙信、遙控、遙測(cè)、遙調(diào)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，遙信變位、SOE分辨率、遙調(diào)準(zhǔn)確度，同期功能，電能累計(jì)量的采集與顯示……測(cè)試一、校驗(yàn)的原理與方