變電站自動化的功能設(shè)計原則論文
摘要：變電站自動化是電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢與要求。介紹了變電站綜合自動化的一般結(jié)構(gòu)類型，具體討論了自動化系統(tǒng)的功能要求和二次設(shè)備的設(shè)計原則。
關(guān)鍵詞：變電站 自動化 設(shè)計 功能要求
1引言
隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，系統(tǒng)的運行方式越來越復(fù)雜，對自動化水平的要求越來越高，從而促進了電力系統(tǒng)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展。微機保護、故障錄波器、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、計算機調(diào)度自動化等都已成功運用到電力系統(tǒng)中。與自動化程度相適應(yīng)，對電力系統(tǒng)繼電保護裝置的要求也隨之提高。目前傳統(tǒng)的電工式繼電保護測試裝置已很難對繼電保護裝置的各方面特性進行全面測試，不再適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要。為避免重復(fù)投資，提高信息資源共享的水平，須對變電站自動化系統(tǒng)的信息采集、處理、傳輸加以規(guī)范，對站內(nèi)功能配置予以綜合考慮。目前變電站自動化系統(tǒng)一般采用以SCADA為基礎(chǔ)的站端計算機網(wǎng)絡(luò)，通過綜合設(shè)計，減少了二次設(shè)備的重復(fù)配置，減少了二次回路，減少了電流互感器及電壓互感器的負荷，從而簡化了二次回路設(shè)計，并保證了數(shù)據(jù)的一致性，在可靠性的基礎(chǔ)上盡可能做到了軟硬資源的共享，提高了變電站的運行及管理水平，達到變電站減人增效，提高安全運行水平的目的。
2變電站綜合自動化的功能
2.1繼電保護功能
變電站綜合自動化系統(tǒng)要具備常規(guī)變電站系統(tǒng)保護及元件保護設(shè)備的全部功能，而且要獨立于監(jiān)控系統(tǒng)，即當該系統(tǒng)網(wǎng)各軟、硬件發(fā)生故障退出運行時，繼電保護單元仍然正常運行。微機保護除了所具有的繼電保護功能外，還需具有其它功能。
(1) 模擬量的顯示功能。系統(tǒng)應(yīng)能顯示電流、電壓、有功、無功、電度等模擬量參數(shù)，當通信網(wǎng)退出運行時仍能滿足運行監(jiān)視。
(2) 故障記錄功能。系統(tǒng)應(yīng)能顯示故障時間、電流、電壓大小、開關(guān)變位、保護動作狀態(tài)等。
(3) 能儲存多套定值，并能當?shù)匦薷亩ㄖ岛惋@示定值。
(4) 與監(jiān)控系統(tǒng)通信，能接收監(jiān)控系統(tǒng)命令，選擇并修改定值，發(fā)送故障信息、保護動作情況、當時整定值及自診斷信號等。
コ當?shù)赝猓�需能實現(xiàn)遠方查詢和整定保護定值，此功能還具有遠方/就地閉鎖，操作權(quán)限閉鎖等措施。
(5) 系統(tǒng)內(nèi)各插件具有自診斷功能。
2.2信息采集功能
分布式自動化系統(tǒng)的變電站，信息由間隔層I/O單元采集。常規(guī)四遙功能的變電站，信息由RTU采集。電能量的采集宜用單獨的電能量采集裝置。系統(tǒng)對安全運行中必要的信息進行采集，主要包括以下幾個方面。
2.2.1遙測量
(1) 主變壓器：各側(cè)的有功功率、無功功率、電流，主變壓器上層油溫等模擬量，模擬量均采用交流采樣，以提高精度。主變壓器有載分接開關(guān)位置(當用遙測方式處理時)。
(2) 線路：有功功率、無功功率、電流。
(3) 母線分段斷路器相電流。
(4) 母線：母線電壓、零序電壓。
(5) 電容器：無功功率、電流。
(6) 消弧線圈零序電流。
(7) 直流系統(tǒng)：浮充電壓、蓄電池端電壓、控制母線電壓、充電電流。
(8) 所用變：電壓。
(9) 系統(tǒng)頻率，功率因數(shù)，環(huán)境溫度等。
2.2.2遙信量
(1) 斷路器閘刀位置信號。
(2) 斷路器遠方/就地切換信號。
(3) 斷路器異常閉鎖信號。
(4) 保護動作、預(yù)告信號，保護裝置故障信號。
(5) 主變壓器有載分接開關(guān)位置(當用遙信方式處理時)，油位異常信號，冷卻系統(tǒng)動作信號。
(6) 自動裝置(功能)投切、動作、故障信號，如：電壓無功綜合控制、低周減載、備用電源裝置等。 (7) 直流系統(tǒng)故障信號。
(8) 所用變故障信號。
(9) 其它有全站事故總信號、預(yù)告總信號；各段母線接地總信號；各條出線小電流接地信號；重合閘動作信號；遠動終端下行通道故障信號；消防及安全防范裝置動作信號等。
根據(jù)設(shè)備特點及確保安全運行需要，可增加相應(yīng)的特殊信號或?qū)σ恍┻b信量進行合并。
2.2.3遙控量
(1) 斷路器分、合。
(2) 主變壓器有載分接開關(guān)位置調(diào)整。
(3) 主變壓器中性點接地閘刀分、合。
(4) 保護及安全自動裝置信號的遠方復(fù)歸。
(5) 有條件的變電站高壓側(cè)備用電源遠方投停。
(6) 有條件的變電站電壓無功綜控的遠方投停。
(7) 有條件的變電站直流充電裝置的遠方投停。
2.2.4電能量
(1) 主變壓器各側(cè)有功電能量、無功電能量及其分時電能量。
(2) 各饋電線有功電能量、無功電能量。
(3) 用戶專用線有功電能量、無功電能量及其分時電能量和最大需量。
(4) 所用變有功電能量。
2.3設(shè)備控制及閉鎖功能
(1) 對斷路器和刀閘進行開合控制。
(2) 投、切電容器組及調(diào)節(jié)變壓器分接頭。
(3) 保護設(shè)備的檢查及整定值的設(shè)定。
(4) 輔助設(shè)備的退出和投入(如空調(diào)、照明、消防等)。
以上控制功能可以由運行人員通過CRT屏幕進行操作。在設(shè)計上保留了手動操作手段，并具有遠方/就地閉鎖開關(guān)，保證在微機通信系統(tǒng)失效時仍能夠運行和操作，包括可手動準同期和捕捉同期操作。在各間隔的每個斷路器設(shè)置按鈕或開關(guān)式的一對一“分”、“合”操作開關(guān)和簡易的強電中央事故和告警信號。
為了防止誤操作，操作閉鎖主要包括：
①操作出口具有跳、合閉鎖功能和具有并發(fā)性操作閉鎖功能。
②CRT屏幕操作閉鎖功能，只有輸入正確的操作命令和監(jiān)控命令，才有權(quán)進行操作控制。
�、郛斦緝�(nèi)通信網(wǎng)退出運行時，能滿足非CRT屏幕操作、五防閉鎖功能和適應(yīng)一次設(shè)備現(xiàn)場維修操作的五防閉鎖功能。
�、芨鶕�(jù)一次設(shè)備的實際運行狀態(tài)，自動實現(xiàn)斷路器、隔離開關(guān)操作閉鎖功能。
2.4自動裝置功能
(1)根據(jù)系統(tǒng)潮流進行無功自動調(diào)節(jié)控制，也可人工控制(人工操作可就地、可遠方)。自動控制時可根據(jù)電壓、潮流和無功負荷、變壓器抽頭位置信號由裝置進行自動控制調(diào)節(jié)變壓器抽頭位置或投退電容器組。
(2) 低周減載。110kV、10kV線路可由各自的保護裝置實現(xiàn)，不用單獨配置低周減載裝置。整定值由各條線路裝置自行整定。
(3) 同期檢測和同期分閘。同步檢測斷路器兩側(cè)電壓的幅值、相位和頻率，并發(fā)出同期合閘啟動或閉鎖信號。此功能可進行檢無壓同期，亦能進行手動準同期和捕捉同期。既能滿足正常運行方式下的`同期，亦能滿足系統(tǒng)事故時的同期。
同期功能有手動和自動兩種方式供選擇，同期裝置與通信網(wǎng)相互獨立。
(4)小電流接地選線功能�？赏ㄟ^采取3I0、3U0及其增量來判斷是否有接地故障，也可用5次諧波方式分析接地故障，小電流接地選線功能與通信網(wǎng)相互獨立，不依賴通信網(wǎng)的后臺機檢測。否則當通信網(wǎng)故障時該功能即失去檢測報警功能。而規(guī)程規(guī)定小電流系統(tǒng)當單相接地后允許2h帶故障運行，2h后要立即切除故障線路。
據(jù)有關(guān)綜合自動化站的運行記錄，在雷雨季節(jié)時雷擊曾擊壞過站內(nèi)的通信網(wǎng)。若此時雷擊又同時造成10kV線路單相接地，則運行人員不能及時發(fā)現(xiàn)線路單相接地故障。時間長了，若不及時處理，則有可能造成故障線路由單相接地發(fā)展成為兩相或三相接地短路故障。因此，小電流接地選線功能要獨立于通信網(wǎng)。
(5)事故錄波。對于220kV變電站的主變、220kV線路除了保護裝置自帶故障錄波外，還設(shè)置了一套獨立的微機錄波屏，而110kV線路則用本身裝置記錄。
2.5報警功能
對站內(nèi)各種越限，開關(guān)合、跳閘，保護及裝置動作，上、下行通道故障信息，裝置主電源停電信號，故障及告警信號進行處理并作為事件記錄及打印。輸出形式有：音響告警、畫面告警、語音告警、故障數(shù)據(jù)記錄顯示(畫面)和光字牌告警(光字牌報警回路采用編碼設(shè)計，主要是為了保證當通信網(wǎng)故障退出時站內(nèi)仍能正常運行。光字牌數(shù)量控制在20多只)。
2.6設(shè)備監(jiān)視功能
其中包括一次設(shè)備絕緣在線監(jiān)測、主變油溫監(jiān)測、火警監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測等內(nèi)容。當上述各參量越過預(yù)置值時，發(fā)出音響和畫面告警，并作為事件進行記錄及打印。
2.7操作票自動生成功能
根據(jù)運行方式的變化，按規(guī)范程序，自動生成正確的操作票，以減輕運行人員的勞動強度，并減少誤操作的可能性。
2.8數(shù)據(jù)處理及打印功能
中調(diào)、地調(diào)、市調(diào)、運行管理部門和繼保專業(yè)要求的數(shù)據(jù)可以以歷史記錄存檔，包括：
(1) 母線電壓和頻率、線路、配電線路、變壓器的電流、有功功率、無功功率的最大值和最小值以及時間。
(2) 斷路器動作次數(shù)及時間。
(3) 斷路器切除故障時故障電流和跳閘次數(shù)的累計值。
(4) 用戶專用線路的有功、無功功率及每天的峰值和最小值以及時間。
(5) 控制操作及修改整定值的記錄。
(6) 實現(xiàn)站內(nèi)日報表、月報表的生成和打印，可將歷史數(shù)據(jù)進行顯示、打印及轉(zhuǎn)儲，并可形成各類曲線、棒圖、餅圖、表盤圖，該功能在變電站內(nèi)及調(diào)度端均能實現(xiàn)。
2.9人機接口功能
具有良好的人機界面，運行人員可通過屏幕了解各種運行狀況，并進行必要的控制操作。人機聯(lián)系的主要內(nèi)容包括：
(1) 顯示畫面與數(shù)據(jù)。
(2) 人工控制操作。
(3) 輸入數(shù)據(jù)。
(4) 診斷與維護。
當有人值班時，人機聯(lián)系功能在當?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)的后臺機上進行，運行人員利用CRT屏幕和鍵盤或鼠標器進行操作。當無人值班時，人機聯(lián)系功能在上級調(diào)度中心的主機或工作站上進行。
2.10遠程通信功能
將站內(nèi)運行的有關(guān)數(shù)據(jù)及信息遠傳至調(diào)度中心及設(shè)備運行管理單位，其中包括正常運行時的信息和故障狀態(tài)時的信息，以便調(diào)度中心人員及時了解設(shè)備運行狀況及進行事故處理。
可實現(xiàn)四遙和遠方修改整定保護值、故障錄波與測距信號的遠傳等。變電站自動化系統(tǒng)可與調(diào)度中心對時或采用衛(wèi)星時鐘GPS。
2.11其它功能
(1) 具有完整的規(guī)約庫，可與各種RTU通信，滿足開放性系統(tǒng)的要求。
(2) 可在線設(shè)置各設(shè)備的通信參數(shù)及調(diào)制解調(diào)器參數(shù)。
(3) 可進行多種仿真(遙信變位、事件記錄、遠動投退)。
(4) 在線診斷功能、在線幫助。
(5) 強大的數(shù)據(jù)庫檢索功能。
3二次設(shè)計原則
變電站二次設(shè)備按功能分為四大模塊：①繼電保護及自動裝置。②儀器儀表及測量控制。③當?shù)乇O(jiān)控。④遠動。四大模塊功能的各自不同的發(fā)展及其功能的相互滲透，為變電站自動化提供了多種多樣的實現(xiàn)模式，可概括為兩種基本實現(xiàn)模式：①保護加集中RTU模式，面向功能。②保護加分散RTU模式，面向?qū)ο蟆?/p>
3.1電氣設(shè)備控制方式
主變壓器、站用變壓器各側(cè)斷路器以及10kV、110kV、220kV斷路器一般情況下均集中在控制室，通過就地監(jiān)控主站的就地監(jiān)控計算機進行控制操作(但網(wǎng)絡(luò)中遠動主站亦可留有接口給地調(diào)進行遙控，根據(jù)系統(tǒng)運行規(guī)程而定)，當網(wǎng)絡(luò)中就地監(jiān)控主站退出運行時則應(yīng)能分別在各元件的保護屏處進行人工控制操作。
就地監(jiān)控計算機在操作時應(yīng)顯示該站的配電裝置的運行狀態(tài)、通道狀態(tài)和各種電氣量，在每個操作步驟前應(yīng)給操作者提示，待確認后方能操作。
主變壓器、站用變壓器、220kV線路、110kV線路、10kV設(shè)備及其母線設(shè)備保護和10kV母聯(lián)的控制保護均采用集中保護方式，10kV開關(guān)柜上加一個“就地/遠動”選擇開關(guān)，10kV母聯(lián)斷路器的控制保護放在控制室，與10kV自投裝置放在一起(當10kV裝置能可靠地抗震、抗高溫、抗電磁干擾時，也可以將10kV裝置裝配在10kV開關(guān)柜上，以減少電纜聯(lián)接)。
10kV隔離開關(guān)采用就地手動操作(除變低處的10kV隔離開關(guān)外)。主變變低10kV隔離開關(guān)、110kV，220kV隔離開關(guān)采用就地電動操作方式，可進行就地和遙控操作，并設(shè)置“就地/遙控”選擇開關(guān)，同時設(shè)有操作閉鎖措施。專用母線接地刀閘裝設(shè)母線有電閉鎖操作裝置(采用微機五防裝置，應(yīng)能與綜合自動化裝置接口)。用鍵盤或鼠標操作斷路器、刀閘時靠后臺機內(nèi)的五防系統(tǒng)閉鎖，現(xiàn)場人工操作或維護操作時則靠另一套微機五防系統(tǒng)閉鎖。
3.2測量
綜合自動化的電氣測量均按部頒《電氣測量儀表設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(SDJ9—87)的要求選擇測量點及測量內(nèi)容、測量精度。在主變220kV側(cè)增加電流方向接法相反的分時計量的脈沖式有功電度表和無功電度表各2只，供關(guān)口表用。
全站的電氣量測量除了通過監(jiān)控主站及遠動主站讀取和記錄存盤外，在各元件的保護裝置上的液晶顯示器上也應(yīng)能讀取有關(guān)的電氣量，主要是為了保證當網(wǎng)絡(luò)或監(jiān)控、遠動主站退出運行時該站所有設(shè)備的測量仍能滿足安全運行。
3.3同期并列點和同期裝置
220kV線路斷路器、220kV旁路兼母聯(lián)斷路器、110kV線路斷路器、110kV旁路斷路器、110kV母聯(lián)斷路器及主變220kV側(cè)斷路器、110kV側(cè)斷路器處設(shè)同期并列點，同期方式為集中式和分布式手動準同期，正常情況下采用就地監(jiān)控計算機分布式手動準同期，當網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、遠動主站退出運行時，上述各元件的同期并列操作應(yīng)能在各自的保護屏處(或中央信號屏處)手動進行。
3.4中央監(jiān)控
設(shè)事故信號及預(yù)告信號。斷路器事故跳閘啟動事故音響，其它通道故障和裝置故障啟動預(yù)告音響，信息除了能在就地監(jiān)控主站和遠動主站讀取及存盤外，還能在中央信號屏上讀取及記錄。各裝置的故障信號應(yīng)能在各裝置上反映出來。
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