变电站综合自动化发展.docx

1、变电站综合自动化发展变电站综合自动化发展摘 要 变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。为了提高变电站安全稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，向用户提供高质量电能服务，变电站综合自动化技术开始兴起并得到广泛应用。 首先介绍了变电站综合自动化的概念、系统的主要功能、传统变电站综合自动化系统的结构。数字化变电站是变电站自动化技术的发展方向，因此文中较为详细地介绍了数字化变电站的概念、特点及主要技术特征进行介绍。 关键词：变电站综合自动化 结构 功能 系统设计 1 1 引言变电站是电力系统中不可缺少的重要环节

2、，它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。为了提高变电站安全稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，向用户提供高质量电能服务，变电站综合自动化技术开始兴起并得到广泛应用。 变电站综合自动化是指利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和数字信号处理(DSP)等技术，实现对变电站主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、控制、保护以及与调度通信等综合性自动化功能。它综合了变电所内除交直流电源以外的全部二次设备功能。电力系统进行的农网改造、城网改造对于变电站二次系统的改造主要是以综合自动化系统替换原有的常规二次系统。变电站综合自动化是一项提高变电站

3、安全、可靠稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，向用户提供高质量电能服务的一项措施。随着“两网”改造的深入和电网运行水平的提高，采用变电站综合自动化技术是计算机和通信技术应用的方向，也是电网发展的趋势。 变电站综合自动化概述 变电站综合自动化是将变电站的二次设备经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站综合自动化系统，即利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和

4、远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。因此，变电站综合自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站领域的综合应用。变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。变电站综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。 变电站综合自动化系统的出现是电网运行管理中的一次变革。它为变电站实现小型化、智能化、扩大监控范围以及为变电站的安全、可靠、合理、经济运行提供了数据采集及监控支持，同时为实现高水平的无人值班变电站管理打

5、下了基础。此外，变电站综合自动化也是电网调度自动化基础，只有通过厂站自动化装置和系统向调度自2 动化系统提供电网中各个变电站完整可靠的信息，调度控制中心才可能了解和掌握整个电力系统的实时运行状态和变电站设备工况，也才能对其控制、调整做出决策；同样，也只有依靠变电站的自动化装置才能完成调度控制中心发出操作命令，实现远方控制。因此，可以说一个完整的、先进的、可靠的变电站综合自动化，是建立一个先进的、高水平的电网调度自动化的前提和基础。 变电站综合自动化现状 变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，随着电压等级的提高，供电范围的扩大，输电容量的增大，采用传统的变电站及其控制技术越来越难满足电力系统降低

6、投资、提高效益的发展要求。研制和开发以计算机技术和网络通信技术为基础的、各种电压等级的变电站综合自动化系统，取代、更新和改造传统的变电站二次系统，逐步实现无人值班和调度自动化，以适应现代电力系统管理模式的需求。 60年代，于远动技术的发展，在变电站开始应用遥测、遥信技术，从而进入了远方监视的无人值班阶段。但是，如果要对开关进行操作，还必须到变电站现场才行。国外变电站综合自动化的研究工作始于70年代。80年代以后，研究变电站综合自动化系统的国家和大公司越来越多。例如：西门子公司、ABB公司、AEG公司、GE公司、西屋公司、阿尔斯通公司等都有各自的综合自动化系统产品。我国对变电站综合自动化系统的研

7、究工作起始于80年代中期。研究与开发的内容归纳起来有两个方面：其一是中低压变电站采用综合自动化系统，以便更好地实施无人值班，达到减人增效的目的；其二是对高压大型枢纽变电站的建设和设计来说，采用新的控制方式，解决各专业在技术上保持相对独立而造成的互相脱节、重复投资，甚至影响运行可靠性的弊端。国内的变电站综合自动化系统在IlOKV或35KV系统的变电站中，目前已投入了相当数量，在电力系统中发挥了积极的作用，提高了安全运行水平和管理水平。 2 变电站自动化系统的基本结构 集中式系统结构 集中式一般采用功能较强的计算机并扩展其I/O接口，集中采集变电站的模拟量和数量等信息，集中进行计算和处理，分别完成

8、微机监控、微机保护和自动控制等功能。前置机完成数据输入输出、保护、控制及监测等功能，后台机完成数据处理、显示、打印及远方通讯等功能。此类结构对监控主机的性能要求较高，且系统处理能力有限，开发手段少，系统在开放性、扩展性和可维护性等方面较差，抗干扰能力不3 强，该结构在早期自动化系统中应用较多，目前国内许多的厂家尚属于这种结构方式。 各种保护装置 调度中监 控 主 机 遥信控制器 模入接口 开入接口 输出接口 A/D模块 输入接口 输出接口 主变压器TV TA 线路TV TA 断路器分开状态 保护出口 模拟量输入 断路器和隔离开关状态输入 继电保护信息输入 出口继电器图 2-1 集中式结构的综合

9、自动化系统框图 分布式系统结构 按变电站被监控对象或系统功能分布的多台计算机单功能设备，将它们连接到能共享资源的网络上实现分布式处理。其结构的最大特点是采用主、从CPU协同工作方式，各功能模块如智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，将变电站自动化系统的功能分散给多台计算机来完成。各功能模块(通常是多个CPU)之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，选用具有优先级的网络系统较好地解决了数据传输的瓶颈问题，提高了系统的实时性。 其结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。该模式在安装上可以形成集中组屏

10、或分层组屏两种系统组态结构，较多地使用于中、低压变电站。分布式变电站综合自动化系统自问世以来，显示出强大的生命力。但目前，还存在在抗电磁干扰、信息传输途径及可靠性保证上的问题等。 分散(层)分布式结构 分散(层)分布式结构采用“面向对象”设计。所谓面向对象，就是面向电气一次回4 路设备或电气间隔设备，间隔层中数据、采集、控制单元(I/O单元)和保护单元就地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近，相互间通过通信网络相连，与监控主机通信。目前，此种系统结构在自动化系统中较为流行，主要原因是：现在的IED设备大多是按面向对象设计的，如专门的线路保护单元、主变保护单元、小电流接地选线单元等，虽然有将所有

11、保护功能综合为一体的趋势，但具体在保护安装接线中仍是面向对象的;利用了现场总线的技术优势，省去了大量二次接线，控制设备之间仅通过双绞线或光纤连接，设计规范，设备布置整齐，调整扩建也很简单，成本低，运行维护方便;系统装置及网络鲁棒性强，不依赖于通信网和主机，主机或1台IED设备损坏并不影响其它设备的正常工作，运行可靠性有保证。系统结构的特点是功能分散，管理集中。 分散(层)分布有两层含义：其一，对于中低压电压等级，无论是I/O单元还是保护单元皆可安装在相应间隔的开关盘柜上，形成地理上的分散分布，如文献2所示的系统;其二，对于110kV及以上的电压等级，即使无法把间隔单元装在相应的开关柜上，也应集

12、中组屏，在屏柜上明确区分相应间隔对应的单元，在物理结构上相对独立，以方便各间隔单元相应的操作和维护。 3 变电站综合自动化系统应能实现的功能 微机保护 微机保护是对站内所有的电气设备进行保护，包括线路保护，变压器保护，母线保护，电容器保护及备自投，低频减载等安全自动装置。各类保护实现故障记录、存储多套定值、适合当地修改定值等功能。 数据采集 数据采集分：状态量采集：状态量包括：断路器状态，隔离开关状态，变压器分接头信号及变电站一次设备告警信号等。目前这些信号大部分采用光电隔离方式输入系统，也可通过通信方式获得。保护动作信号则采用串行口(RS-232或RS485)或计算机局域网通过通信方式获得。

13、模拟量采集：常规变电站采集的典型模拟量包括：各段母线电压，线路电压，电流和功率值。馈线电流，电压和功率值，频率，相位等。此外还有变压器油温，变电站室温等非电量的采集。模拟量采集精度应能满足SCADA系统的需要。脉冲量：脉冲量主要是脉冲电度表的输出脉冲，也采用光电隔离方式与系统连接，内部用计数器统计脉冲个数，实现电能测量。 事件记录和故障录波测距 5 事件记录应包含保护动作序列记录，开关跳合记录。其SOE分辨率一般在110ms之间，以满足不同电压等级对SOE的要求。变电站故障录波可根据需要采用两种方式实现，一是集中式配置专用故障录波器，并能与监控系统通信。另一种是分散型，即微机保护装置兼作记录及

14、测距计算，再将数字化的波型及测距结果送监控系统监控系统存储和分析。 控制和操作闭锁 操作人员可通过CRT屏幕对断路器，隔离开关，变压器分接头，电容器组投切进行远方操作。为了防止系统故障时无法操作被控设备，在系统设计时应保留人工直接跳合闸手段。操作闭锁应具有以下内容：电脑五防及闭锁系统根据实时状态信息，自动实现断路器，刀闸的操作闭锁功能。操作出口应具有同时操作闭锁功能。操作出口应具有跳合闭锁功能。 同期检测和同期合闸 该功能可以分为手动和自动两种方式实现。可选择独立的同期设备实现，也可以微机保护软件模块实现。 电压和无功的就地控制 无功和电压控制一般采用调整变压器分接头，投切电容器组，电抗器组，

15、同步调相机等方式实现。操作方式可手动可自动，人工操作可就地控制或远方控制。 无功控制可专门的无功控制设备实现，也可监控系统根据保护装置测量的电压，无功和变压器抽头信号通过专用软件实现。 数据处理 数据处理和记录历史数据的形成和存储是数据处理的主要内容，它包括上一级调度中心，变电管理和保护专业要求的数据，主要有：断路器动作次数断路器切除故障时截断容量和跳闸操作次数的累计数输电线路的有功、无功，变压器的有功、无功、母线电压定时记录的最大，最小值及其时间。独立负荷有功、无功，每天的峰谷值及其时间控制操作及修改整定值的记录，根据需要，该功能可在变电站当地全部实现，也可在远动操作中心或调度中心实现。 系

16、统的自诊断与远方控制通信功能 系统内各插件应具有自诊断功能，自诊断信息也象被采集的数据一样周期性地送往后台机和远方调度中心或操作控制中心。与远方控制中心的通信，在常规远动“四遥”的基础上增加了远方修改整定保护定值、故障录波与测距信号的远传等，其信息6 量远大于传统的远动系统。根据现场的要求，系统应具有通信通道的备用及切换功能，保证通信的可靠性，同时应具备同多个调度中心不同方式的通信接口，且各通信口及MODEM应相互独立。保护和故障录波信息可采用独立的通信与调度中心连接，通信规约应适应调度中心的要求，符合国标及IEC标准。 4 变电站综合自动化系统数据采集 模拟量输入及输出电路 变电站综合自动化

17、系统采集的电流、电压、有功功率、无功功率、温度等都属于模拟量。模拟量的输入电路是综合自动化系统中很重要的电路，综合自动化装置的动作速度和测量精度等性能都与该电路密切相关。模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模/数变换，以便于CPU接口，完成数据采集任务。 根据模/数变换原理的不同，综合自动化装置中模拟量的输入电路有两种方式：一是基于逐次逼近型A/D转换方式，直接将模拟量转换为数字量的变换方式；二是利用电压/频率变换(VFC)原理进行模/数变换方式，将模拟量电压先转换为频率脉冲量，通过脉冲计数变换为数字量的一种变换形式。 计算机输出的信号以数字的形式给出，而有的执行元件要求提供模拟

18、的电流或电压，因此采用模拟量输出通道来实现。 基于逐次逼近式A/D转换的模拟量输入电路 一个模拟量从变电站的主回路到微机系统的内存，中间要经过多个转换环节和滤波环节。模拟量输入电路的结构框图如图4-1所示。主要包括电压形成电路、低通滤波电路、采样保持电路、多路转换开关及A/D变换芯片五部分。下面分别介绍这五部分的工作原理及作用。 总线 变 电压形成电低通滤TV 换 ? ?器 TA 电压形成回低通滤波 采样保持 多路转换开关 CPU A/D 存储器 采样保持图 4-1 逐次逼近式模拟量输入电路框图 7 1）电压形成电路 综合自动化装置要从电流互感器和电压互感器取得信息，但这些互感器的二次侧电流或

19、电压不能适应模/数变换器的输入范围要求，故需对它们进行变换。 一般采用中间的变换器将一次设备电压互感器二次侧引来的电压进一步降低，电流互感器二次侧引来的电流变成交流电流。经低通滤波器及双向限幅电路，将通过中间变换器降低或转换后的电压变成后面环节中A/D转换芯片所允许的电压范围。 一般模/数转换芯片要求输入信号电压为5V或10V，此可以决定上述各种中间变换的变比。 电压形成电路不仅起电量变换作用，还将一次设备的电流互感器TA、电压互感器TV的二次回路与微机A/D转换系统完全合理，提高抗干扰能力。图中的稳压管组成双向限幅，使电路后面环节的采样保持器、A/D变换芯片的输入电压限制在峰峰值10V或以内

20、。 2）低通滤波器与采样定理 连续时间信号的采样。微机处理的都是数字信号，因此需将随时间连续变化的模拟量变成数字信号，对模拟量进行采样，将一连续的时间信号x(t)变成离散的时间信号x(t)。采样时间间隔采样控制脉冲S(t)来控制，相邻两个采样的时间间隔称为采样周期，通常用TsL来表示。采样仅是每隔Ts时间久取一次模拟信号的即时幅值，显然它在每隔采样点上的幅值与输入的连续信号x(t)的幅值是相同的。在变电站综合自动化系统中，对电压、电流量的采样是以采样周期间隔来表示的。采样周期Ts的倒数是采样频率fs。在综合自动化装置中，被采样的信号x(t)主要是工频50Hz模拟信号，通常以工频每个周期的采样点

21、数来间接定义采样周期Ts或采样频率fs。例如，工频每个周期采样点数为12次，采样周期Ts=20/12=5/3(ms),采样频率fs=50*12=600(Hz)。 采样定理 采样是否成功，主要表现在采样信号x(t)能否真是的反映出原始的连续时间信号中所包含的重要信息，采样定理就是回答这个问题。变电站综合自动化系统中小电流接地系统检测装置，要采样的信号时5倍频的电流信号，即f0=5*50=250，采样频率至少应选f02*250才能保证采样的5倍频电流信号不失真地还原。 低通滤波器的设置 电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高的频率成分，对所有的高次谐8 波成分均不失真地采样，频率需取得很高，

22、这对硬件速度提出很高要求，成本 增高，实际中，大多数综合自动化原理反映工频分量，或者反映某种高次谐波，因此，在采样之前将最高信号频率分量限制在一定频带内，即限制输入信号的最高频率。降低采样频率fs，一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需的最高频率信号的采样不易发生失真。 3）采样保持器 数据采集模块中采用等时间间隔采样，实现连续信号采样形成离散时间信号。在采样过程中需考虑以下几个问题。 采样频率的选择方式。根据模拟输入信号中的基波频率与采样频率之间的关系，采样方式可分为异步采样方式和同步采样方式两种。 异步采样：异步采样也称为定时采样，即采样周期Ts，采样频率fs永远地保持固定不变。在这

23、种采样方式下，采样频率fs不随模拟输入信号的基波频率变化调整，人为地认为模拟输入信号的基波频率保持不变。在此条件下，通常采样频率fs为电力系统正常运行时工频50Hz的整数倍N，即fs=50N。也就是工频50Hz每周期采样的点数为N。 同步采样：同步采样也称为跟踪采样即保证采样频率fs始终与系统实际运行频率f1保持固定比例关系N=fs/f1，使用采样频率随系统运行的频率变化而实时调整。这种同步采样方式实施的技术保障通常可利用硬件测频设备或软件计算频率方法来配合实现。采样同步采样技术后，在数字滤波器和微型机系统算法上能彻底地消除因电力系统频率偏离50Hz运行所带来的计算误差。同步采样方式，相邻两个

24、采样时刻的电角度始终360/N。 多个模拟输入信号的采样方式 在变电站综合自动化原理中，通常基于多个模拟输入信号等电气量采样值进行计算。根据多个模拟输入信号在采样时刻上的对应关系，分别采用三种采样方法：同时采样、顺序采样、分组同时采样。 采样信号的保持 连续时间信号的采样及其保持是指在采样时刻上，把输入模拟信号的瞬时值记录下来，并按所需的要求准确地保持一段时间，供模/数转换器A/D使用。对于采用逐次逼近式模/数转换器A/D的数据采集系统，因模/数转换器A/D的工作需要一定的转换时间，因此，需要使用采样保持器。 4）模拟量多路转换开关 9 在实际的数据采集模块中，被测量往往可能是几路或几十路，对

25、这些回路的模拟量进行采样和A/D转换时，为了共用A/D转换器而节省硬件，可以利用多路开关轮流切换各种被测量与A/D转换电路的通路，达到分时转换的目的。在模拟输入通道中，其各路开关是“多选一”，即其输入是多路待转换的模拟量，每次只选通一路，输出只有一个公共端接至A/D转换器。 在实际中，采样的多路开关有双四选一模拟开关，如美国RCA公司的CD4052、AD公司的AD7052；有八选一多路开关，如CD4051、AD7051、AD7053等；有16路选一多路开关如CD4067和AD7506等。 5）模/数变换 微机型系统只能对数字量进行运算或逻辑判断，而电力系统中的电流、电压等信号均为模拟量。因此，

26、必须用模/数变换器将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于微机系统或数字系统进行处理、存储、控制和显示。A/DB变换器主要有以下几种类型：逐次逼近型、积分型、计数型、并行比较性等。 开关量的检测 在变电站综合自动化系统中数据采集的另一个重要方面就是开关量的监测与识别。变电站的开关量包括断路器、隔离开关的位置状态、继电保护、自动装置的动作状态以及系统、设备等运行状态。这些状态都只取两种状态。如开关状态“分”或“合”。因此，可用一位二进制数就可以传送一个装置的状态。 开关量的输入方式 定期查询方式： 采用定期查询的方式读入各间隔层单元采集的开关量信息，查询工作在实时时钟中断服务程序中进行，每5m

27、s执行一次。如果查询到某开关量有变化则记录此时开关量的状态，更新遥信数据区，按规定插入传送开关量信息。同时，记录遥信变位时间，以便完成时间顺序记录的发送。 中断输入方式： 系统中的某些信号，如包括保护动作信号、断路器位置信号、故障信号等，当系统运行正常时，很少发生开关量变位，而当发生变位时又需要系统立即进行处理，因此对这类信号采用中断输入的通信方式。采用中断方式输入开关量时， 每当中断监测电路检测到开关量变位时，才向CPU发出中断请求，CPU响应中断，从中断监测电路读入开关量状态，进行信号处理。 在系统正常运行时采用定期巡查方式检测开关量变位，读取开关量状态。而对于10 故障报警、断路器位置变

28、化、保护动作等信息，采用中断输入方式，中断检测电路检测开关量变位。于采用单独的间隔层单元完成开关量的采集和处理，CPU以循环的方式对开关量进行更短周期的采集，这有利于提高遥信变位的分辨率。 开关量采集电路 间隔层单元中都有开关量输入DI模块，用于完成开关量的采集。为了防止信号干扰，在二次回路的节电信息输入时要采取隔离措施，常用光电耦合器实现内外的电气隔离。如图所示，开关量节点串联在输入电路中，T型RC设置构成低通滤波器，用来滤除高频干扰。电阻同时还有限流作用，使发光二极管的电流限制在毫安级。两个二极管起到保护光耦的作用。在这个电路中，+24V和+5v是两个独立的电源且不共地，使光耦真正被隔离开

29、来。 现以断路器状态为例说明开关量输入电路的工作原理。假设断路器处于分闸状态，其开关量节点闭合，+24V电源经过RC网络后输入至光耦，光耦中的发光二极管发光，光敏三级管截止，输出端输出高电平“1”，从而完成了开关量的采集。 脉冲量输入电路 现在电能计算的常用方法是电能脉冲计量法，即使电能表转盘每转动一圈便输出一个或两个脉冲，用输出的脉冲数代替转盘转动的圈数，并将脉冲量通过计数器计数后输入微机系统，CPU进行存储、计算。 转盘式脉冲电能表发送的脉冲数与转盘所转的圈数即电能量成正比。将脉冲量数累计，再乘以系统就得到相应的点能量。为了对脉冲数进行累计，综合自动化系统中设有计数器，每收到一个脉冲，计数

30、值加一。在对脉冲进行计数时，要对脉冲质量进行检查。正常情况下的脉冲有一定的宽度，如收到的脉冲过窄，宽度不合要求，一般式干扰脉冲，应予以舍弃。 输入脉冲 采样信号 (a)(b) 图4-2 脉冲质量检查 在图中，、处采样脉冲连续监测为低电平，、处采样为脉冲连续检测为高电平，对于正常脉冲，定时取样连续测得脉冲为高电平的次数2，就确定为有效脉冲，计数器加1。在图4-2中，、处连续采样为低电平，但、处的采样值不同，因而认为输入的足尖峰干扰，不是有效的脉冲，计数器不予以计数。 11 在综合自动化系统中，电能脉冲的到来时随机的，计数器可能随时要计数。读取计数器的累积指时不应妨碍正常的计数工作，因而一般采用两

31、套计数器。主计数器对输入的脉冲进行计数；副计数器平时虽主计数器更新，两者的数据保持一致。在收到统一读数的“电能冻结”命令时，副计数器就停止更新，保持当时的数据不变，而主计数器仍照常计数。因此数据可从副计数器读取，反映的是“冻结”时的数据。等“解冻”命令到达时，副计数器又重新计数，保持与主计数器的数据一致。 5 变电站综合自动化系统的设计 系统结构 变电站综合自动化系统应该从变电站的整体情况出发，同意考虑保护、监测、控制、远动、VQC和五防功能，其结构框图如下： 变 站 层间 隔 层 A/电 开 中 D 能 关 断 采 计 量 输样量 输入 单 单 入 极 元 单 元 元设 TV TA 隔离开关

32、位置 断路器状态 TA TVTA TV TA TV TA TVTA TV 备 层 开 关 量 输 出 单 元 电压无功控制柜 线路保护单元 电容保护单元 主变保护单元 备用电源自投 低频减负荷装置 数采控制机 保护管理机 站内监控主机 远方调度中心监控站 图5-1 综合自动化系统框图 12 在变电站自动化系统的管理上，采取分层管理的模式，即各保护功能单元保护管理机直接管理。一台保护管理机可以管理多个单元模块，它们间可以采用双绞线用RS-485接口连接，也可以通过现场总线连接。而模拟量和开关量的输入/输出单元，数采控制机负责管理。正常运行时，保护管理机监视各保护单元的工作情况，如果某一保护动作信息或保护单元本身工作不正常，立即报告监控机，再送往调度中心。调度中心或监控机也可通过保护管理