第三章-變電站綜合自動(dòng)化

第三章變電站綜合自動(dòng)化3.1變電站綜合自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)知識(shí)一、當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的要求

i)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性提出更高要求。 國(guó)家電力公司陸延昌在2000年全國(guó)電網(wǎng)調(diào)度工作會(huì)議上明確指出：堅(jiān)持全國(guó)聯(lián)網(wǎng)、西電東送、南北互聯(lián)的發(fā)展方向不動(dòng)搖。并且要做到系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可靠水平不降低。我國(guó)水力資源主要集中在西部和西南部，這兩地區(qū)可開(kāi)發(fā)電量占全國(guó)82.9%；煤炭資源華北和西北兩地區(qū)占80%；而負(fù)荷中心集中在中部和東部沿海，這兩地區(qū)的經(jīng)濟(jì)總量占全國(guó)82%，電力消費(fèi)占78%。這種差異，決定了電力工業(yè)發(fā)展必須實(shí)行西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略。 要做到全國(guó)聯(lián)網(wǎng)后，供電可靠性水平不降低，加強(qiáng)發(fā)電廠、變電站的安全、可靠運(yùn)行、提高其自動(dòng)化水平很為重要。3.1變電站綜合自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)知識(shí)

ii)常規(guī)的變電站存在的問(wèn)題

★安全性、可靠性不能滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需求。 ★不適應(yīng)電力系統(tǒng)快速計(jì)算和實(shí)時(shí)性要求。 ★供電質(zhì)量缺乏科學(xué)的保證。 ★不利于提高運(yùn)行管理水平。

★維護(hù)工作量大，設(shè)備可靠性差。 ★占地面積大，增加征地投資。3.1變電站綜合自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)知識(shí)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為發(fā)展變電站自動(dòng)化提供了有利的條件

變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展過(guò)程與相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)。變電站自動(dòng)化發(fā)展過(guò)程有三個(gè)階段：

(1)變電站分立元件的自控裝置階段。*電磁式的自動(dòng)裝置*晶體管式的自動(dòng)裝置*集成電路式的自動(dòng)裝置

3.1變電站綜合自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)知識(shí)

(2)微處理器為核心的智能自動(dòng)裝置階段。計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展，尤其是20世紀(jì)70年代微處理器的問(wèn)世和微計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展提供了必要的手段。這階段廠站自動(dòng)化的特點(diǎn)：形成變電站內(nèi)的自動(dòng)化孤島。

(3)變電站綜合自動(dòng)化的發(fā)展，全面促進(jìn)變電站技術(shù)水平和運(yùn)行管理水平的提高。3.1變電站綜合自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)知識(shí)國(guó)外變電站綜合自動(dòng)化的早期發(fā)展概況

國(guó)外變電站自動(dòng)化的研究工作始于20世紀(jì)70年代。70年代末，英、西德、意大利、澳大利亞等國(guó)新裝的遠(yuǎn)動(dòng)裝置都是微機(jī)型的。變電站綜合自動(dòng)化的研究工作，于70年代中、后期開(kāi)始。1975年由關(guān)西電子公司和三菱電氣有限公司合作，研究配電變電站數(shù)字控制系統(tǒng)。1979年9月完成樣機(jī)，稱為SDCS-1型，12月在變電站安裝運(yùn)行，1980年開(kāi)始商品化生產(chǎn)。

SDCS-1型由13臺(tái)微機(jī)組成。如圖1.2.1，它具有對(duì)一個(gè)77kV/6.6kV的配電變電站的全部保護(hù)和控制功能。該變電站具有3臺(tái)變壓器，4回77kV進(jìn)線，36回6.6kV饋電線路。

3.1變電站綜合自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)知識(shí)

SDCS－1結(jié)構(gòu)方框圖國(guó)外變電站綜合自動(dòng)化的早期發(fā)展概況我國(guó)變電站自動(dòng)化的發(fā)展過(guò)程

我國(guó)變電站綜合自動(dòng)化的研究工作始于80年代中期。1987年清華大學(xué)電機(jī)工程系研究成功國(guó)內(nèi)第一個(gè)符合國(guó)情的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3臺(tái)微機(jī)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.2.2。1987年在山東威海望島變電站成功地投入運(yùn)行。望島變電站是一個(gè)35kV/10kV城市變電站，有2回35kV進(jìn)線，2臺(tái)主變，8回10kV出線，2組電容器。該系統(tǒng)擔(dān)負(fù)全變電站安全監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)、電壓無(wú)功控制、中央信號(hào)等任務(wù)。按功能分為3個(gè)子系統(tǒng)：（1）安全監(jiān)控子系統(tǒng)；（2）微機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)；（3）電壓、無(wú)功控制子系統(tǒng)。這是我國(guó)第一個(gè)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，其成功的投入運(yùn)行，證明了我國(guó)完全可以自行研究，制造出具有國(guó)際先進(jìn)水平，符合國(guó)情的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

90年代中期后，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)迅速發(fā)展。隨著微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和已投入運(yùn)行的變電站綜合系統(tǒng)取得的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，吸引全國(guó)許多用戶和科研單位和高等院校，因此變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)到90年代，成為熱門話題。3.1變電站綜合自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)知識(shí)3.1變電站綜合自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)知識(shí)我國(guó)變電站自動(dòng)化的發(fā)展過(guò)程變電站微機(jī)監(jiān)測(cè)、保護(hù)綜合控制系統(tǒng)框圖國(guó)外無(wú)人值班的發(fā)展簡(jiǎn)況西歐、北美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的絕大多數(shù)變電站，包括許多500kV、380kV的變電站也都實(shí)行無(wú)人值班。例如：巴黎，1985年建立新一代的計(jì)算機(jī)自動(dòng)管理系統(tǒng)，所有225/20kV變電站都由調(diào)度中心集中控制。調(diào)度室可掌握所有225/20kV變電站及20kV主網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)，調(diào)度中心可以直接進(jìn)行必要的處理，使受停電影響的用戶迅速恢復(fù)供電。與此同時(shí)也出現(xiàn)一批無(wú)人值班或少人值班的大、中小型水電站，例如，到1980年止，意大利ENEL公司的474個(gè)水電站中，無(wú)人值班達(dá)408個(gè)，法國(guó)EDF公司450個(gè)水電站中，有403個(gè)無(wú)人值班占90%。國(guó)內(nèi)無(wú)人值班的發(fā)展簡(jiǎn)況１.早期的無(wú)人值班變電站沒(méi)有自動(dòng)化功能。只適合不重要的35KV變電站。

2.20世紀(jì)60年代，進(jìn)入了遠(yuǎn)方監(jiān)視的無(wú)人值班階段。

3.20世紀(jì)80年代后期，無(wú)人值班技術(shù)又上了一個(gè)臺(tái)階。促進(jìn)了調(diào)度自動(dòng)化實(shí)用化的深入開(kāi)展和電網(wǎng)調(diào)度管理水平的提高。

4.國(guó)家電力調(diào)度通信中心于1993年12月28日發(fā)布了調(diào)自[1994]2號(hào)文件《關(guān)于在地區(qū)電網(wǎng)中實(shí)施變電站遙控和無(wú)人值班的意見(jiàn)》。該文件明確指出實(shí)行變電站遙控和無(wú)人值班是可行的，是電網(wǎng)調(diào)度管理的發(fā)展方向，并明確指出各單位要積極穩(wěn)妥地開(kāi)展此項(xiàng)工作，要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，因地制宜，統(tǒng)籌安排，綜合考慮，做好規(guī)劃，逐步實(shí)施。根據(jù)需要有些地區(qū)可考慮新建變電站一步到位，即按無(wú)人站設(shè)計(jì)建設(shè)，尤其是地區(qū)變電站。該文件對(duì)全國(guó)無(wú)人值班變電站的建設(shè)起了很大的推動(dòng)作用。變電站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班的目的和意義(1)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)的需要

不僅發(fā)達(dá)地區(qū)、人口密集經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地區(qū)需要發(fā)展無(wú)人值班變電站；人口密度少、經(jīng)濟(jì)不甚發(fā)達(dá)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，發(fā)展無(wú)人值班也很重要。(2)

提高運(yùn)行的可靠性，減少誤操作率。(3)提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率(4)降低變電站建設(shè)成本。變電站綜合自動(dòng)化全面提高無(wú)人值班變電站的技術(shù)水平（1）提高了變電站的安全、可靠運(yùn)行水平。（2）提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行、管理水平和技術(shù)水平（3）縮小變電站占地面積，降低造價(jià)，減少總投資。（4）提高供電質(zhì)量，提高電壓合格率，降低電能損耗。（5）減少維護(hù)工作量。由于綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的微機(jī)保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置，都具有故障自診斷功能，裝置內(nèi)部有故障，能自動(dòng)顯示故障部位，縮短了維修時(shí)間。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的內(nèi)涵

20世紀(jì)80年代和90年代中期，國(guó)內(nèi)都把上述功能的系統(tǒng)稱為變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，以區(qū)別于只有局部功能的自動(dòng)化。國(guó)外發(fā)表的文章也稱“綜合自動(dòng)化”，或一體化的變電站控制與保護(hù)。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）根據(jù)國(guó)際上變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的情況，于1997年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）WG34.03工作組在“變電站內(nèi)數(shù)據(jù)流的通信要求”報(bào)告中，提出了“變電站自動(dòng)化”（SA，SubstationAutomation）和“變電站自動(dòng)化系統(tǒng)”（SAS，SubstationAutomationSystem）兩個(gè)名詞。此名詞被國(guó)際電工委員會(huì)的TC57技術(shù)委員會(huì)（即電力系統(tǒng)通信和控制技術(shù)委員會(huì)）在制定的IEC61850（即變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)）標(biāo)準(zhǔn)中采納。我國(guó)從20世紀(jì)80年代中、后期以來(lái)，習(xí)慣稱之為“變電站綜合自動(dòng)化”和“變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)”。 在IEC61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（SAS）的定義為：變電站自動(dòng)化系統(tǒng)就是在變電站內(nèi)提供包括通信基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的自動(dòng)化。變電站綜合自動(dòng)化的內(nèi)涵

2000年中國(guó)電力出版社出版的《變電站綜合自動(dòng)術(shù)》一書中指出了變電站綜合自動(dòng)化的含義是將變電站的二次設(shè)備（包括測(cè)量?jī)x表、信號(hào)系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和遠(yuǎn)動(dòng)裝置等）經(jīng)過(guò)功能的重新組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和通信技術(shù)、實(shí)現(xiàn)對(duì)全變電站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、自動(dòng)控制和微機(jī)保護(hù)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動(dòng)化功能。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，是利用多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)等）和大規(guī)模集成電路組成的分級(jí)分布式的自動(dòng)化系統(tǒng)，它以微計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站傳統(tǒng)的繼電保護(hù)、測(cè)量手段、控制方式以及通信和管理模式的全面改造。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)具有功能綜合化、結(jié)構(gòu)微機(jī)化、操作監(jiān)視屏幕化、運(yùn)行管理智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化等特征。3.2變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的子系統(tǒng)一、微機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)功能及要求四性：快速性、選擇性、靈敏性和可靠性主要功能：1）進(jìn)線和饋電線路的主保護(hù)和后備保護(hù)及自動(dòng)重合閘；2）主變壓器的主保護(hù)和后備保護(hù)；3）無(wú)功補(bǔ)償電容器組的保護(hù)；4）母線保護(hù)；5）小電流接地系統(tǒng)的單相接地選線。附加功能：通信、故障記錄、統(tǒng)一時(shí)鐘、存儲(chǔ)整定值、顯示觀察修改整定值、故障自診斷自閉鎖和自恢復(fù)、自動(dòng)重合閘功能輸電線路的微機(jī)保護(hù)配置電流保護(hù)、距離保護(hù)、高頻保護(hù)、光纖縱差保護(hù)、方向電流保護(hù)、零序電流保護(hù)變壓器的微機(jī)保護(hù)配置比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)、本體重瓦斯、有載調(diào)壓重瓦斯和壓力釋放保護(hù)、三段復(fù)合電壓（方向）閉鎖過(guò)電流保護(hù)、二段式零序過(guò)電流保護(hù)、間隙過(guò)電流過(guò)電壓保護(hù)電力電容器的故障及微機(jī)保護(hù)配置過(guò)電流保護(hù)、電壓保護(hù)、不平衡電壓保護(hù)和不平衡電流保護(hù)二、自動(dòng)化監(jiān)控子系統(tǒng)在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，監(jiān)控子系統(tǒng)應(yīng)能取代常規(guī)的測(cè)量系統(tǒng)，改變常規(guī)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，取代常規(guī)的告警、報(bào)警裝置，取代常規(guī)的電磁式和機(jī)械式防誤閉鎖設(shè)備；取代常規(guī)的遠(yuǎn)動(dòng)裝置等等?；竟δ埽簲?shù)據(jù)采集功能、操作控制功能、安全監(jiān)視功能、事件順序記錄與故障錄波和測(cè)距功能、數(shù)據(jù)處理與記錄功能、人機(jī)聯(lián)系功能和諧波分析與處理。三、電壓無(wú)功控制子系統(tǒng)造成電壓質(zhì)量下降的主要原因是系統(tǒng)無(wú)功不足或無(wú)功功率分布不合理無(wú)功功率的補(bǔ)償與分布問(wèn)題分層分區(qū)，就地補(bǔ)償變電站調(diào)節(jié)電壓和無(wú)功的主要手段是調(diào)節(jié)主變的分接頭和投切電容器組變電站電壓無(wú)功管理調(diào)控原則（1）變電站電壓允許偏差范圍為：220kV變電站的110kV母線：106.7~117.7kV；220kV、110kV變電站的10kV母線10.0~10.7kV。

（2）補(bǔ)償電容器的投退管理原則：以控制各電壓等級(jí)母線電壓在允許偏差范圍之內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率就地平衡為主要目標(biāo)，原則上不允許無(wú)功功率經(jīng)主變高壓側(cè)向電網(wǎng)倒送，同時(shí)保證在電壓合格范圍內(nèi)盡量提高電壓。

VQC的控制策略

（1）當(dāng)電壓越上限，無(wú)功正常/功率因數(shù)正常時(shí)（2）當(dāng)電壓越上限，無(wú)功越上限/功率因數(shù)越下限時(shí)（3）當(dāng)電壓越上限，無(wú)功越下限/功率因數(shù)越上限時(shí)（4）當(dāng)電壓越下限，無(wú)功正常/功率因數(shù)正常時(shí)（5）當(dāng)電壓越下限，無(wú)功越上限/功率因數(shù)越下限時(shí)（6）當(dāng)電壓越下限，無(wú)功越下限/功率因數(shù)越上限時(shí)電壓無(wú)功綜合控制方式

（1）集中控制方式。該方式是指在調(diào)度中心對(duì)各個(gè)變電站的主變壓器分接頭位置和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的控制。（2）分散控制方式。該方式是指在各個(gè)變電站或發(fā)電廠中，自動(dòng)調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置或其他調(diào)壓設(shè)備，以控制某地區(qū)的電壓和無(wú)功功率在規(guī)定的范圍內(nèi)。（3）關(guān)聯(lián)分散控制方式。關(guān)聯(lián)分散控制該方式是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由分散安裝在各廠、站的分散控制裝置或控制軟件進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控，調(diào)控范圍和定值是從整個(gè)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行出發(fā)，事先由電壓、無(wú)功優(yōu)化程序計(jì)算好的，而在系統(tǒng)負(fù)荷變化圈套或緊急情況或系統(tǒng)運(yùn)行該方式發(fā)生大的變動(dòng)時(shí)，可由調(diào)度中心直接操作控制，或由調(diào)度中心個(gè)性下屬變電站所應(yīng)維持的母線電壓和無(wú)功功率的定值，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行該方式變化后新的要求。變電站10kV系統(tǒng)電壓無(wú)功綜合控制裝置簡(jiǎn)介四、備用電源自動(dòng)投入裝置明備用。正常情況下有明顯斷開(kāi)的備用電源或備用設(shè)備。暗備用。正常情況下沒(méi)有明顯斷開(kāi)的備用電源或備用設(shè)備。對(duì)備用電源自動(dòng)投入裝置的基本要求1）只有當(dāng)工作電源斷開(kāi)后，備用電源才投入。防止備用電源投入到故障元件上，加重故障設(shè)備的破壞程度。2）APD只允許動(dòng)作一次。永久性故障時(shí)的多次動(dòng)作將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)多次受到短路電流的沖擊。3）APD切除工作電源斷路器必須經(jīng)延時(shí)。這是為了躲過(guò)工作母線引出線故障造成的母線電壓下降PSP642微機(jī)型APD的硬件結(jié)構(gòu)一般由CPU插件、電源插件、邏輯及跳閘插件、人機(jī)對(duì)話插件幾部分組成?？刂茥l件：允許條件和閉鎖條件。當(dāng)允許條件滿足，而閉鎖條件不滿足時(shí)，備自投動(dòng)作出口。就地：可實(shí)現(xiàn)就地分合斷路器操作，此時(shí)，遠(yuǎn)方遙控?cái)嗦菲鞯牟僮鲗⒈婚]鎖。遠(yuǎn)方：允許通過(guò)遙控該方式對(duì)斷路器進(jìn)行操作，此狀態(tài)下就地操作均將被閉鎖。

五、自動(dòng)按頻率減負(fù)荷控制系統(tǒng)當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送的有功功率可能小于系統(tǒng)所需要（負(fù)荷功率）的，頻率就會(huì)降低，這將會(huì)造成系統(tǒng)低頻運(yùn)行。其危害是：1）影響汽輪機(jī)葉片，可能損傷或斷裂。2）使火電廠廠用機(jī)械出力減少，會(huì)造成系統(tǒng)頻率崩潰。3）引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)電壓崩潰。4）影響測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確性和用戶的產(chǎn)品質(zhì)量。自動(dòng)按頻率減負(fù)荷（AFL）：當(dāng)電力系統(tǒng)頻率降低時(shí)，能根據(jù)系統(tǒng)頻率下降的不同程度自動(dòng)有次序、有計(jì)劃地切除相應(yīng)的負(fù)荷，以阻止系統(tǒng)頻率降低，并使系統(tǒng)頻率迅速恢復(fù)到給定值?；疽螅?）AFL動(dòng)作后，系統(tǒng)頻率應(yīng)回升到恢復(fù)頻率范圍內(nèi)。2）使AFL充分發(fā)揮作用，應(yīng)有足夠負(fù)荷接于AFL上。3）AFL應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)頻率的下降程度切除負(fù)荷。分級(jí)切除、逐步逼近4）AFL各級(jí)動(dòng)作頻率確定應(yīng)符合系統(tǒng)要求，應(yīng)防止超調(diào)和懸?，F(xiàn)象。5）AFL應(yīng)設(shè)置附加級(jí)，使系統(tǒng)頻率從穩(wěn)定的但略低于恢復(fù)頻率值回升到正常值。附加級(jí)動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)頻率已處于穩(wěn)定，所以附