无人变电站控制系统设计.docx
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无人变电站控制系统设计
摘要
电力系统的主要构成要素是变电站，它对整个电力系统的安全性和经济性起着重要作用。
中国电力企业的经营水平和技术水平正在逐步提高。
现在，许多变电站进行集中控制，且采用了计算机监视控制。
电力系统也实现分层与分区域就地平衡。
所有电力公司都在努力降低成本，确保安全可靠的操作和运行。
通过对变电站综合自动化技术的改进和革新，传统的变电站二次系统逐渐替换为变电站综合自动化系统，实现了以无人化变电站为中心的新开发方向和趋势。
本文主要对无人变电站控制系统设计进行研究，首先阐述电力变电所设计理论，并对传统的变电所、新型智能型变电所的优势、差异进行分析，其次，完成解决新型无人变电所设计方案：
进行无人变电站的顶层设计、可控制单元的设计、通讯系统的设计、执行单元等部分的设计。
无人变电站需要具备4遥功能、数据存储功能、无人值守功能，接着完成无人变电站设计，最后完成无人变电所设计的设备清单。
以期通过对无人变电站控制系统的设计和研究，提高变电站各技术水平，使得变电站能够满足无人值守技术要求。
关键词：
变电站；无人值守；控制系统
第1章绪论
1.1研究背景和意义
智能化是智能概念的基础，智能变电站的概念是由数字变电站提出的，变电站的数字化是变电站内的一、二次电气设备和保护能实现数字通信，变电站的综合数据通信平台是利用数据建模来实现智能设备的相互操作运用。
目前，中国智能变电站建设还在试验阶段，一些智能变电站试点项目已经建设完成了，一些试点项目还在建设中。
智能变电站的相关主要技术不断开发和改进。
无人变电站根据数字变电站，和智能网格的要求进行整合。
这是一个智能网络、信息的数字化、信息共享标准化、使用先进、可靠、集成、低碳、环保智能设备等先进功能，使整个站的通信平台智能规范化。
设备可以自动完成信息收集、测量、保护、测量、控制和监控的基本功能。
随着国内外变电站建设的发展趋势，无人变电站将成为变电站开发今后的动向。
特别是特高压变电站，今后的技术进步和成本削减仍将继续。
变电所运行管理的无人模式是今后的发展的动向。
这篇论文介绍了无人变电站的设计与研究，能有效减少设备停电时间，提高电网的稳定性以及可靠性。
对促进未来电网发展以及对各地区提供稳定的电力服务具有非常重要的意义。
1.2国内外研究现状
在无人变电站的改进制造和设计中需要使用到许多先进的电力系统技术，最近几年来以计算机技术为基础的先进的自动测量技术、网络技术及视频技术的快速发展及其在电网管理的应用，电网调度自动化程度提高电网的稳定性也得以提高
从1970年SCADA系统技术到后续的的EMS和分布式EMS技术再到目前依托JAVA的第四代电网调度系统，这些先进技术提供无人变电站的基础。
在变电站整合自动化的研究过程中，很多国家都取得了成果，应用于实际的变电站监视。
1970年代初期，日本开发了先进的SDCS-1系统。
之后，欧美、先进机构等发达国家加入了自动控制系统的研究。
1980年，西屋公司和EPRIS共同启动了SPCS变电站综合控制系统。
并且，能提供变电站的保护，在美国输电网广泛地被使用。
该公司随后启动了对整个美国无人变电站的变换和应用提供巨大帮助的网络集中监视软件。
由于我国输电网相关技术研究开发的迟缓，在积极实施智能网格建设的初期阶段，主要从欧洲和美国采购电力自动化装置，在该基础上设计适合电力需求的自动化装置及监视平台。
我们国家的四方继电保护公司启动的CSIP型变电站自动控制系统就是这一类代表。
照现在来看中国己经初步形成了一批公司和机构，能让这些系统和相关的产品在我国电网的建设中被广泛应用，有些专业性较强的大学机构，也具备了变电站自动化的集中监控系统并能自主进行研发工作。
从国外无人变电站技术的发展来看，中国现在的技术水平可以满足无人电站的建设和开发需求。
我国许多变电站都配备了自动保护、控制系统，因此可实现变电站无人设计和运用。
第2章相关技术概述
2.1视频处理技术
2.1.1视频监控的方式
图像监视系统可以用于日常生活中的各个方面。
依据现实需求，对于不同的监控地点一般采用不同的监视模式。
环境参数监视系统在目前的电力生产方面，主要用来监控和警告变电站相关场所的温度、湿度、照明、换气情况以及电缆槽积水的状况等。
这个系统是一个独立的系统，不能连接到服务器网络，且因为各变电站的环境参数监视系统无法统一（主要由制造厂采用的硬件和软件的功能以及结构也不同），由于无法进行集成和图像监控系统之间的系统整合，不能进行多站统一，导致了空调、照明等相关设备集中管理的不易。
在变电站的视频监视系统中，所发送的信号的种类首先是模拟视频信号，传输路径从照相机到矩阵，从矩阵到多图片处理器，最终发送到终端计算机。
第二是数字信号，收集终端计算机和矩阵，包括多屏处理器、相机之间的控制信号传输和计算机部分的数字信号。
温度、湿度等环境测量数字信号警报开关信号。
2.1.2视频压缩编码技术
由于带宽、网络传输格式等受到限制，摄像机等装置收集到的原始数据不适合直接在网络上进行传输，因此首先必须进行对应的源代码、信道编码进行调制。
如果还有其他需要，则应对其进行对应的加密解密处理，然后进入数据链路传输。
视频技术的发展相继经历了模拟、数字、网络三个时代。
近年来，由于计算机网络的视频技术发展迅速，主导的视频技术创新使视频监视系统具备远程监视能力，让以往的监视业界不仅仅基于网络，更是开拓了更广阔的应用领域。
如果说把人们的眼光扩展到世界的任何地方是由于网络的迅速发展，那么基于网络形成的视频监视技术，将进一步带领人们走向意想不到的世界。
智能化的发展需要相机自身具备“思考”的能力，甚至像人一样，自动处理自己亲眼所见的事物，并因此做出判断。
这些机器的思考能力还有待探讨,不过，这些的监视技术会在社会上和各行各业大规模地被选择使用。
这些技术革新也进步了电力产业。
通过结合现有视频技术开发网络远程控制技术，充分实现了现有远程管理，实现了变电站无人管理。
远程监视系统主要用于处理由无人变电站的相机收集的视频、语音、警报信号。
发送到远程监视中心。
常规模拟信号传输模式受信道带宽和中继距离的限制。
不适合长距离传输，传输质量也不好，相机技术的发展，提高了和摄像机的收集，图像分辨率。
收集到的原始数据量越来越大。
如果没有直接发送，则占据大量带宽和存储空间。
所以，怎样压缩编码和传送采集到的视频信号是数据通信中研究的重点。
数码信号的采样由尖端摄像机采集的模拟信号，量化后通过PCM脉冲编码获得。
然而，转换后的数字视频信号仍然有很多冗余，应当采用不同的源码技术。
现在，视频编码方式有很多,一般的视频编码方法有三个分类：
编码方法、子带小波编码方法和神经网络编码方法。
2.2数据存储技术
视频监视系统不仅可以实时观看视频，而且还有视频功能，随时随地都可以观看，因此，由前端系统发送的视频图像以适当的格式发送到本地硬盘，并且随时可见。
在视频监视系统中，存储解决方案的选择直接确定整个系统的架构、系统的性能和稳定性。
目前，大致有两种储备解决办法。
一个是采用在摄像监视前端具有一定的存储容量的（1.2T）DVR装置，将所需的全部数据保存在前端的存储装置中，更好的是，背景软件能够管理DVR并维持多台DVR装置并保存其数据。
考虑到变电站的实际环境和运行条件，采用了第二视频数据存储模式。
2.3数据传输技术
近年来，可以在无人化的变电站中基本满足视频传输需求的电力数据传输网的开发中，取得了很大的进步，使用的数据传输方式大概有几种。
（1）电话线传输方式
为满足IP网络规划、网络安全机制、研发、电力系统的高可靠性要求。
基于国际标准系统的VOIP业务支持和管理系统，ip数据流的多媒体技术和流媒体技术，远程教育、在线培训、视频会议、高品位电视监视及无人变电站管理、反事故培训可以实现数据传输技术。
（2）电力专用线通信
部分变电站，特别是远程变电站的互联网技术的应用不够发达，线路的带宽比较小，而且大多数的电力设备因为没有以太网接口，因而只能采用电力专用线通讯。
从变电站到监视中心之间，铺设了一条满足实时影像传输的专用通信线路，进入监视中心后，变换成可以由中心服务器识别的网络信号。
第3章无人变电站控制系统总体设计
3.1系统需求分析
按照现在拥有系统和系统的改进要求，无人监视变电站装置的远程监视系统的主要功能如下：
整体要求检查测试安排：
主要集中于系统设计子系统，不同信号监视要求管理的需求为目的。
此功能主要用于变电站监视中的多通道信号的实时监视管理，确保检测出多通道信号，并对多通道信号进行实时监视。
实现监视信道子站的中央站的变电站控制。
中央站建设：
无人变电站控制系统需要经中央站接收和处理多通道信号，通过软件工程项目在可以看见的接口上显示数据，方便电力公司人员监督和数据查询表示动作。
监控子站建设：
无人变电站控制系统实时监控多个监控子站的设备状况，提高变电站设备的检修保养水平。
需要建立各变电站的监视系统。
控制子站负责监视子站的装置状态并将监视的数据上传到中央站，以确保数据的实时监视。
GPRS数据通信：
为了完成监视子站与中央站之间的数据交互，必须采用GPRS无线通信来确保及时快速的数据。
电力工人可以完成相应的数据提取。
变电站监视数据：
为了管理变电站设备的实时监视和变电站设备的历史数据，需要积累检测数据并备份。
同时，监视数据需要存储在中央局和监视子站，电力部门的职员可以查询该数据。
事故警报：
中央局的接收装置若接收到监视子站的设备的警报信息，则能够启动警报装置，发送对应的警报信息，中央局能够发现时刻并进行对应的解决。
3.2系统设计的原则
没有人员看守的智能变电站的设计原则如下：
（1）变电站自动化系统应满足地区输电网开发的必要性。
自动化系统的配置应当根据设计级别的请求来考虑。
同时，它需要具有长期的开发和扩展能力。
在变电站自动化系统的设计中，首先必须遵守真开放系统的国家标准。
第二，应容易地扩展和实现设计中的实际即插即用。
（2）变电站自动化系统的软件需要功能化模块化。
整个系统必须提供完整的SCADA功能，并在功能模块之间实现接口标准的统一，并实现备用扩展功能；
（3）变电站自动化系统具有较高的安全性和稳定性，它能够确保变电站的数据安全和机密性，在发挥重要功能时机器需要冗余备份
（4）变电站自动化系统满足本地电力网的统一特点，可根据实际运用需求、技术指标、通道条件、远动信息等不同条件设计智能人与机器相互的界面。
（5）变电站自动化系统的软件和硬件应严格遵循进步、可靠性、灵活性、实用性、开放性原则，完全遵循国内电力产业规格和国际工业规格。
（6）构建变电站自动化系统，不仅要严格执行该规范的规定，还必须符合现有国家及相关产业发行的规范及规则。
在无人值守智能变电站的设计中必须充分考虑到变电站的整体自动化，真正地实现＂无人值守＂变电站，将值班人员这部分人力资源的浪费减去。
同时在满足技术规格和安全的前提下，无人值守智能变电站要求完善变电站的监控工作，把具体的工作交给设备来完成，值班人员在集控中也能下达进行远程的操作指令，这样可以大大减少值班人员在变电站现场与集控中的反复来回，进一步推进无人值守智能变电站的大范围推广。
无人智能变电站的设计应充分考虑变电站整体自动化，真正实现无人变电站，减少义务人员的人力资源浪费。
同时，在满足技术规格和安全性的前提下，无人智能变电站有必要改善变电站的监控工作，将特定的工作交给装置来完成。
任务上的职员，在集中控制中也能发出远程操作命令。
并且，它能大大减少在变电站站点和在集中管理任务时工作人员的重复回归，进一步推进无人的智能变电站广泛宣传。
无人智能变电站的功能的特定要求是开关信息的远程测量、开关状态的远程控制、电力系统的运转状态和设备的操作参数的数字显示（线功率潮流等）、交直流系统的动作状态的监视及时掌握其状态。
保证无人智能变电站的二次系统正常工作。
同时，主变压器的温度可以实时监控，即使的展示主变各个部分的温度并作出相应的放入或退出控制系统；小电流接地系统自动地选择线路不会造成浪费人力。
同时，Pt开关也需要集中控制。
3.3系统设计目标
（1）扩充和维护容易
无人变电站控制信息系统的设计和开发采用面向对象的设计且用软件开发系统中的典型的三层架构。
利用这种方法，可以实现模数运算和逻辑简化。
无人的变电站控制系统信息系统采用多接口模式来通过数据库访问的三级模式管理方法促进系统升级管理，以确保数据库的便利移植。
（2）系统数据简便导入导出和打印
无人化变电站的控制信息系统采用了便于数据管理的进出口，便于数据管理。
一旦系统具有特殊条件，就可以实现数据的快速备份和处理，用系统快速复原、进口、清晰地印刷数据。
用户可以一眼看到打印数据。
但是。
构筑无人站设备管理后台管理系统，要求“资源的整合、调整、共享、效率化”。
随着近年来电子管理系统的不断发展，这些服务的大部分由信息系统实现，包括复杂的商务逻辑，不能通过单纯的数据交换和共享技术进行合并。
因此，将采用基于SOA的服务资源集合建立一个框架来整合现有资源。
SOA是支持集成服务的IT架构样式，在各种系统中建立的服务以统一、普遍的方式相互作用。
另外，通过电力网络的信息资源共享系统，能够持续地调用各个子网络的服务资源。
3.4系统总体设计
进入了无人化的变电站的信息化，智能化，自动化的动向高速发展的时期，一些省份的国家电网分公司有大规模的投入生产倾向。
其中河北北部电网前后在承德、张家口、唐山等地完成了无人值守变电站的系统介入和操作，并发挥了良好的作用。
通过上述地方的操作，许多现象表明对应的操作结果十分成功：
无人变电站装置管理系统完全符合电力系统的6s概念。
变电站设备信息监控保证系统可靠性，加快电力设备安全率和处理成本降低。
目前，它逐渐成为地方电力公司的变电站装置管理的新模式，大大节省了经济成本。
为了满足无人基站的实际需要，不仅需要对变电站的各个角落进行现场监视，还需要对现场警戒、异常环境现象及时的检测和管理。
但是，工业电视系统本身是纯硬件模拟方式，由于经由视频线缆的影像传输必然产生模拟影像信号的损失，因此图像的传输距离变得非常长，伴随着传输距离的增加画质也劣化。
无人智能变电站控制系统的设计旨在打破原始子系统之间的“孤岛”状况，实现站子系统间的系统合作。
它具有实时上传站系统信号和分类存储功能。
另外，因为具有统计信息、判断等高强度的应用功能，所以能够处理所有种类的信息。
无人智能变电站的智能控制系统的整体设计如下。
图3-1系统设计总体结构
无人智能变电站智能辅助控制系统取消独立智能辅助控制系统的原始后台主机。
利用综合信息平台，实现了集成自动化系统、状态监视系统和智能辅助系统的功能。
第4章无人变电站控制系统的设计与实现
4.1无人变电站的电气设计
4.1.1电气主接线设计
变电站的主要布线是根据变电站的最高电压选择配线模式，布线模式可以适应系统变电站的地位和作用，变电站的主要接线是电力系统布线的重要部分。
表示了变电站的变压器、电压等级线路及无功补偿装置的最佳配线模式以及变电站的电器设备的连接模式。
变电站的布线包括高、中、低电压侧和变压器的布线。
根据连接系统的各侧的状况，出入口线的数量不同，布线方法不同。
我们应该根据特定问题设计解决方案。
根据变电站的具体情况，满足电力系统的可靠性和功能性，并具有一定的灵活性，在高速发展的前提下，应尽量选择经济、简单、实用的接线方式。
电力主接线设计的基本原理如下。
严格来说，它是根据当前国家政策“安全，可靠，经济，符合国情”的电力建设和发展设计的工作方针，根据技术法规和国家标准，准确掌握原始数据，确保设计方案的可靠性，灵活性和经济性，并能结合实际项目的具体特点。
电气主接线应当根据电力系统和变电站的具体情况确定，为了便于收集和分配电能，使布线简单明了，易于操作，便于安装和扩展。
如果出线数量超过四回，则需要与母线相连。
因为电力系统的迅速发展，调度自动化水平的大幅度提高以及新设备和新技术的广泛应用，变电站的主要电气布线形式也发生了显着变化。
目前常用的主接线形式有：
单母线、单母线分段、单母线分段带旁路、双母线、双母线分段带旁路等（如图4-1,图4-2,图4-3,图4-4），总的来说现代电力系统规模庞大、且操作严密。
不同类型的发电厂和变电站的分工完成了整个电力系统的发电、输电、配电、用电的任务。
图4-1单母线接线图
图4-2单母线分段接线
图4-3单母线分段带旁路接线
图4-4双母线分段带旁路接线
4.1.2电气设备的选择
电气设备的选择是变电站设计的关键，安全性、可靠性、经济性和合理性同时也必须满足相关的国家技术和经济政策。
（1）主变压器的选型
目前适用与110kv变电站的主变压器主要有高阻抗变压器和普通变压器配电抗器两种不同型式。
为满足变电站的安全经济运行的需要和故障时变压器的稳定工作，从以下多个方面比较两种不同变压器的运行效率。
1）两种变压器年电量差值W计算。
W=tΔpk
=8760*（184.5-175.28）*0.72=39575.93kwh
取电力价格为0.51kwh，因此最后由两种变压器年电量差值导致的成本差异为：
39575.93*0.51=20184元
其中：
W为年电量差值kwh，t为运行时间（h/年），Δpk为负载损耗差值（pk1-pk2），β为年平均负载率。
2）电抗器损耗电量计算
W=tΔpk=8760*13.8=120888kwh
取电力价格为0.51kwh，因此最后由两种变压器电抗器差异导致的成本差异为：
120888*0.51=61652.88元
将两种不同的主变压器的运行特点和运行参数列于表格4-1中进行对比。
表4-1两种不同变压器运行特点和运行参数对比
高阻抗变压器
普通变压器配变压器
固定成本
二者一样65000元
运行成本
多20184元
61652.88元
电磁污染
一般
较大
总体运行故障率
一般
稍高
占地增量
较小
较大
年电量损耗多增加（折成钱数）61652.88-20184=41468.88元，同时按主变运行30年考虑，需增加投入为66500+41468.88*30=1310566.4元，且电磁污染大，故障率増大，占地增。
因此，建议采用高阻抗变压器。
110kv主变压器选用低损耗、检修周期较长的三相双绕组自冷式有载调压电力变压器。
其型号为；SZ11-5000/110±8*1.25%/10.5kv，UK%=12,YNd11，安装有载调压开关和在线滤油装置。
（2）其他主要设备选型
按照正常运行时满足电力系统安全经济运行的需要，短路状态下具备热稳定和动稳定的选择原则，对其他重要电气设备进行选型，110kv和10kv侧的选定其型号如下表4-2和表4-3所示。
表4-2110kv侧电气设备型号
设备名称
设备型号和参数
断路器（配弹簧电动机构）
72.5KV,2000A,31.5KA,80KA
隔离开关（接地带电动机构）
72.5KV,2000A,31.5KA,80KA
电流互感器
66KV,2*600/5A,10P20/10P20/0.2S
电压互感器
72.5KV,
避雷器（氧化锌）
96,250KV
表4-310kv侧电气设备型号
设备名称
设备参数型号
断路器（主变10KV侧）
12KV,400A,31.5KA
断路器（10KV馈线，电容器）
12KV,1250A,31.5KA
接地开关
JN15-12,31.5KA
电流互感器（主变二次进线）
LZZBJ9-10,4000/5A,10P20/10P20/0.2S
电流互感器（分段）
LZZBJ9-10,4000/5A,10P20/10P20/0.2S
电流互感器（馈线回路）
LZZBJ9-10,600/5A,10P20/10P20/0.2S
电流互感器（电容器回路）
LZZBJ9-10,400/5A,10P20/10P20/0.2S
电流互感器（站用变回路）
LZZBJ9-10,100/5A,10P20/10P20/0.2S
电流互感器（零序）
LXK-F80,200/1A
此外，在变电站中需要加装电力电容器组，其中每段母线装设1组5MVa和1组3MVar的电力电容器组（其容量按主变压器容量的16%配置）。
电容器组串接5%干式空态串联电抗器，分别接在第Ⅰ、Ⅱ段母线上，接线方式为单星形接线。
变电站中的站用变选用1200/10.5-200/0.4型干式接地变压器兼做站用变，接线组别为Znyn11，设备二次侧容量为200KVA，其高皮中性点接消弧线圈。
对于变电站的避雷器需要配置相关的绝缘配合，国家对其装置配合有相关文件和原则性标准。
将按国家文件选择不同避雷器的绝缘配合型号，并列于下表4-4中。
表4-4电气设备绝缘配合型号
电压等级
设备名称
绝缘配合型号
66KV
母线避雷器
YH5W-96/25
10KV
进线柜避雷器
YH5WZ-17/45
PT柜避雷器
站用变柜避雷器
电容器柜避雷器
YH5WR-17/46
出现柜避雷器
YH5WZ-17/50
当前，电力系统庞大复杂，大电网运行严密有序，发电-输电-变电-配电完成过程中，设备的选型、主接线等环节会对整个电网稳定运行产生影响。
因此，在变电站整体规划方面，要着眼于未来，不能局限在小范围的供电系统不能单一强调灵活和经济，要从大局出发，设计最适合本区域电网的变电站。
在相关设备的选择上一定要科学合理，根据不同的需求选择出最合适的设备，保证变电站正常供电。
4.2无人变电站通讯系统设计
变电站是输电和配电线路的重要组部分，也是整个电网的重要中心。
随着近年来中国电网的发展和通信技术在输电、配电系统中的应用，变电站的自动化系统的通信复杂性也在不断增加。
通信网系统是无人变电站中的智能装置和其他系统间的信息交换的连接。
在智能变电站的通信网络系统的设计中，除了基本的通信功能之外，还考虑网络冗余性和受到干扰自我恢复的能力，改善网络系统的实时性和可靠性。
4.2.1变电站自动化系统网络组成
在管理层与间隔层之间产生许多数据交换。
中央控制中心必须接受由间隔层收集的所有种类的信息。
在该时段中，由于数据量庞大，并且系统的实时请求特别高，因此需要在3秒内完成测量值和信号刷新。
在管理级别中，用于调整命令和操作参数的设定命令、系统时钟、控制和也需要迅速地发送到各种智能设备。
在间隔层，每个智能设备也具有数据交换的功能，但是数据交换的量与管理层的不相同，实时要求不太高。
过程层网络需要根据电压等级分别联网，主变压器必须通过不同的数据接口连接到每个电压等级的过程层网络。
对于具有保护双重化的两个系统，其信息输入和输出环节应相对独立，对于测量和控制设备，两个网络过程层的所有运行状态和报警信息它均可以获得。
其中，站控层网络可以通过相应的网络设备与站控制层的其他设备通信，并且可以与间隔层网络通信以发送MMS消息和GOOSE消息。
4.2.2通信网络
GOOSE网络为了更好地工作其配置将会独立开来，将会按照电压的等级的高低分别组网。
其中智能变电站GOOSE网络常见的结构有总线型、星形、环形三种，以下将对各个通信结构的特点进行比较分析。
1.总体布线型。
在此网络结构中，通过级联的构建方式使用交换机构成网络总线。
其布线简单，易于扩展，但传输速度慢，效率低，由于光纤或交换机故障可能导致设备间信息中断，可靠性不高。
2.星形结构。
星型结构以与交换机连接的各个连接的节点呈星状的分布而命名。
星型网络布线简单，易于扩展，检修容易，传输速度快，但是公共交换机负担较大，交换机数量较多，成本相对较高。
3.环形结构。
在环型的结构中，各交换机之间以成闭环的形式连接。
环形网络结构网络冗余度好，交换机数量
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