（电气工程专业论文）兰州石化变电站综合自动化系统设计.pdf

a b s t r a c t w h i l et h ep e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e si sd e v e l o p e db yl e a p sa n db o u n d s ，t h e c a p a c i t yo fr e f i n i n gu n i t si se x p a n d i n gs t e pb ys t e p ，a n dt h e r e i sas u b s t a n t i a li n c 陀a s e i ns u b s t a t i o n t h er e q u i r e m e n t so fs u b s t a t i o ns u p e r v i s em a n a g e m e n ti si m p r o v i n g a s t h es u b s t a t i o na n ds w i t c hs t a t i o ni sl o c a t e d c o n s i s t e n ts u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n t ， p r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t o fr e f i n i n g i naw i d er a n g eo fd i s t a n c ea n ds h o r to f b l i n ds p o th a sb e e nb r o u g h ti n t ot h e 1 1 1 i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ef u n c t i o no ft h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e ma n d i t s s u b s y s t e m s ， i n c l u d i n g m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d p r o t e c t i o n h a r d w a r eu n i t ， m i c r o p r o c e s s o r b a s e d p r o t e c t i o n a l g o r i t h m ，m i c r o p r o c e s s o r 。b a s e d p 。o t e c t l o n s o f t w a r eu n i t ，s u r v e i h a n c ec o n t r o ls y s t e m a n ds oo n f o rt h ep u r p o s eo fs p e c i t i c p r o t e c t i o n ，w e i g ht h ep r o t e c t i o n o ft h es p e e da n dp r e c i s i o nt h r o u g ha n a l y s i sa n d e v a l u a t i o no fm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o na l g o r i t h m s i nc o n s i d e r a t i o no ft h e s u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mo fl a n z h o up e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e s ，a h i e r a r c h i c a ld i s t r i b u t e dc o m p u t e ri n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mh a sb e e np r o p o s e d ， w i t ham i c r o p r o c e s s o 卜b a s e di n t e g r a t e d a u t o m a t i o ns y s t e mo fh i e r a r c h i c a la n d d i s t r i b u t e dn e t w o r ks t r u c t u r e m o n i t o r i n gs y s t e ma d o p t sah i e r a r c h i c a l d i s t r i b u t e d n e t w o r l ( s 锄c t u r ea n dt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dm a n a g e m e n ti sr e a l i z e d e m b a r k i n g f r o mt h er e a l i t y ，a na n a l y s i so fi n t e r f e r e n c e s o u r c eo fp e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e s p o w e rs u p p l ys y s t e m i s m a i n l y t os o l v et h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m o f a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e t h i sa r t i c l ed e s i g n st h el a n z h o up e t r o c h e m i c a lc o m p a n y t r a n s f o r m e rs u b s t a t l o n s v n t h e s i sa u t o m a t e ds y s t e m ，i t sm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nq u i c k 。m o v i n g ，a c c u r a t e ， u n m i s t a k a b l ym o v i n g ；t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m r e a l i z e sn o b o d yd u t y t h e d i r e c tc u r r e n tm a i n t e n a n c e 1 e s ss y s t e mi sc o n v e n i e n tt oo p e r a t e ；m a n a g e sc o o r d i n a t e s c o o r d i n a t e d ，t h em o v e m e n te f f e c tw a sv e r yg o o d ，e n h a n c e dt h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t m o v e m e n ts t a b i l i t y k e yw o r d s ：s u b s t a t i o ns y n t h e s i sa u t o m a t e ds y s t e m ，s u b s t a t i o ni n t e g r a t e d a u t o m a t i o ns y s t e m ，m i c r o p r o c e s s o r b a s e dp r o t e c t i o n ，m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ， v i s u a l i z a t i o nm o n i t o r i n g ，d i r e c tc u r r e n ts y s t e m ，a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名劾文碍蝴期：1 年1 月咿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名弘点辑 签字日期2 一年月坳 导师签名：歇吠醚 签字日期：州，年2 月站日 第一章绪论 1 1 变电站综合自动化概述 第一章绪论 变电站综合自动化系统是一项多专业性综合技术，它是将变电站的二 次设备包括控制、测量、保护、自动装置及远动装置等利用计算机技术、 现代通信技术，经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、测量、 控制和协调的一种综合性的自动化系统。 变电站综合自动化系统可以收集较齐全的数据和信息，加上计算机高 速计算能力和判断能力，可以方便的监视和控制变电站内各种设备的运行 及操作。它的出现为变电站的小型化、智能化、扩大监控范围及变电站安 全可靠、优质、经济运行提供了数据采集及监控支持，在其基础上可以实 现高水平的无人值班变电站的管理。 变电站作为整个电网中的一个节点，担负着电能传输、分配的监测、 控制和管理的任务。变电站继电保护、监控自动化系统是保证上述任务完 成的基础。在电网统一指挥和协调下，电网各节点具体实施和保障电网的 安全、稳定、可靠运行。因此，变电站自动化是电网自动系统的一个重要 组成部分。 作为变电站自动化系统，它应确保实现以下要求： ( 1 ) 检测电网故障，尽快隔离故障部分。 ( 2 ) 采集变电站运行实时信息，对变电站运行进行监视、计量和控制。 ( 3 ) 采集一次设备状态数据，供维护一次设备参考。 ( 4 ) 实现当地后备控制和紧急控制。 ( 5 ) 确保通信要求。 1 1 1 变电站综合自动化发展的必要性 传统变电站的自动化系统存在诸多缺点，难以满足电网快速发展的要 求。其控制方法、控制手段以及通讯等方面不能与电网的自动化控制相匹 配。例如： ( 1 ) 传统二次设备、继电保护、自动和远动装置等大多采取电磁型或 小规模集成电路，缺乏自检和自诊断能力，其结构复杂、可靠性低。 第一章绪论 ( 2 ) 二次设备主要依赖大量电缆，通过触点、模拟信号来交换信息， 信息量小、灵活性差、可靠性低。 ( 3 ) 传统变电站占地面积大、使用电缆多，电压互感器、电流互感器 负担重，二次设备冗余配置多。 ( 4 ) 远动功能不够完善，提供给调度控制中心的信息量少、精度差， 且变电站内自动控制和调节手段不全，缺乏协调和配合力量，难以满足电 网实时监测和控制的要求。 ( 5 ) 电磁型或小规模集成电路调试和维护工作量大，自动化程度低， 不能远方修改保护及自动装置的定值和检查其工作状态。 传统的二次系统中，各设备按设备功能配置，彼此之间相关性甚少， 相互之间协调困难，需要值班人员比较多的干预，难于适应现代化电网的 控制要求。另外，随着电网规模不断扩大，电网结构日趋复杂，电网故障 处理和恢复要求迅速和准确。这些突出问题表明，变电站综合自动化建设 迫在眉睫。 1 1 2 变电站综合自动化发展 国外变电站自动化技术始于2 0 世纪7 0 年代中后期。8 0 年代以后，研 究变电站综合自动化的国家和公司越来越多，相应的技术也越来越先进。 例如德国西门子公司、a b b 公司、a e g 公司，美国g e 公司、西屋公司， 法国阿尔斯通公司等都有自己的综合自动化系统的产品。 我国变电站综合自动化的发展可以分为以下三个阶段。 1 由分立元件构成的自动装置阶段 2 0 世纪7 0 年代以前，由研究单位和制造厂家生产出的各种功能的自动 装置，主要采用模拟电路，由晶体管等分立元件组成，对提高变电站和发 电厂的自动化水平，保证系统安全运行，发挥了一定的作用。但这些自动 装置，相互之间独立运行，互不相干，而且缺乏智能，没有故障自诊断能 力，在运行中若自身出现故障，不能提供告警信息，有的甚至会影响电网 安全。同时，分立元件的装置可靠性不高，维护工作量大，装置本身体积 大，不经济。 2 以微处理器为核心的智能化自动装置阶段 随着我国改革开放的发展，微处理器技术开始引入我国。在变电站自 动化方面，用大规模集成电路或微处理机代替了原来的继电器晶体管等分 立元件组成的自动装置。利用微处理器的智能和计算能力，提高了测量的 准确度和可靠性，扩充新的功能。尤其是装置本身的故障自诊断功能，提 第一章绪论 高了自动装置自身的可靠性，缩短了维修时间。但微机型自动装置，仅在 硬件结构上由微处理器及其接口电路代替，扩展了一些简单的功能，但基 本上还是维持着原有的功能和逻辑关系，在工作方式上多数仍然是各自独 立运行，不能互相通信，不能共享资源，变电站和发电厂设计和运行中存 在的问题没有得到根本的解决。 3 由计算机控制的变电站综合自动化系统 7 0 年代初，先后研制出电气集中控制装置和集保护、控制、信号为一 体的装置。在8 0 年代中期，由清华大学研制的3 5 k v 变电站微机保护、监 测自动化系统在威海望岛变电站投入运行。与此同时南京京自动化研究院 也开发出了2 2 0 k v 梅河口变电站综合自动化系统。此外，国内许多高等校 及科研单位也在这方面做了大量的工作，推出一些不同类型、功能各异的 自动化系统。为国内的变电站自动化技术的发展起到了卓有成效的推动作 用。进入9 0 年代，变电站综合自动化已成为热门话题，研究单位和产品如 雨后春笋般的发展，具有代表性的公司和产品有：北京四方公司的c s c2 0 0 0 系列综合自动化系统，南京南瑞集团公司的b s j 2 2 0 0 计算机监控系统，南 京南瑞继电保护电气有限公司的r c s 一9 0 0 0 系列综合自动化系统等。 1 2 石化企业变电站综合自动化状况 随着石化企业的长足发展，炼化装置的不断扩容，变电站数量大量增 加，对于变电站的管理监控的要求也随着无人值守的推广而提高。目前对 于骨干输变电线路上的超高压变电站( 5 0 0 k v ，2 2 0 k v ，及部分11 0 k v 变电站) 大多已经建立起光纤传输连接，并在生产管理上建立了变电站综合自动化 系统。变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、 通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备( 包括继电保护、控制、 测量、信号、故障录波、自动装置、远动装置、无功补偿和有载调压等) 的 功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、 测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。通过变电站综合自动化系 统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站运行中心监控、调度、 控制和管理任务。能有效地提高变电站的运行操作可靠性和降低变电站的 综合造价，并可实现无人值班。但由于大量的变电站、开关站，由于分布范 围广、距离远，基本上都没有进行统一的监控管理，这就给炼化生产的管 理留下了盲点。 继电保护是确保电力系统及石化企业供电系统安全稳定运行的重要手 第一章绪论 段。它在系统中能自动、快速、有选择性地将故障元件从供电系统中切除， 使故障元件免于继续遭到破坏，使非故障元件能继续正常运行，并对电气 元件的不正常运行状态能根据运行维护的条件发出信号、减负荷或跳闸等 作用。近年来，随着大规模集成电路、计算机技术的高速发展，微机继电 保护在石化企业供电系统中也得到了广泛应用，其已逐步取代了电磁式保 护、晶体管保护和集成电路保护，并成为供电系统的主要保护设备。 众多的大型生产设备和电力设施是大型厂矿企业的生产命脉，因而供 电的安全、可靠和稳定成为整个厂矿动力供给和电器监测部门的核心工作。 与此同时，这些大型生产设备和电力设施的不同地理分布以及电力网络的 不同拓扑结构又为这项保障工作带来难度，一个能够分而治之，又能集中 控制的分布式电力监控系统就成为大型厂矿企业迫在眉睫的需要。兰州石 化公司也面临着同样的问题。对1 l o k v 及以上电压等级变电站，以服务于 电力系统安全、经济运行为中心。通过先进的计算机技术、通信技术的应 用，为新的保护和控制技术采用提供技术支持，解决过去能解决的变电站 监视、控制问题，促进各专业在技术上、管理上配合协调，随着无人值守 变电站管理模式的推广，变电站巡检制度的建立，在巡检中心、集控中心 ( 集控站) 等相关部门通过现有的通信网对所属变电站实现远程实时图像 监控、远程故障和意外情况告警接收处理，并建立数据采集与监控系统， 将现已成熟的图像监控系统成功的融入变电站监控系统，作为监控系统中 的一个功能模块，不会影响监控系统通讯指标和系统的稳定性是至关重要 的。监控系统可提高变电站运行和维护的安全性和可靠性，并可逐步实现 电网的可视化监控和调度，使电网调控运行更为安全、可靠。 变电站的直流系统是继电保护、自动装置和断路器正确动作的基本保 证，其稳定运行对防止系统破坏性事故扩大和设备严重损坏至为重要。上 世纪五十至八十年代，应用较为普遍的有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池和硅整 流电容储能及复式整流电源等，铅酸蓄电池和镉镍蓄电池存在环境适应性 差、维护工作量大、复杂、且使用寿命短等现象，不利于变电站的安全运 行。而采用硅整流电容储能及复式整流电源设备，由于电容元件易劣化损 坏、使用寿命短等方面不尽人意，达不到电力系统新的技术标准。针对以 上情况九十年代后，采用全封闭免维护铅酸蓄电池显示了其较好性能，免 维护铅酸蓄电池具有体积小、长寿命、无污染、放电性能高、维护量小等 特点。充电设备也采用了电脑程序控制器，其具有控制能力强、操作方便 灵活、可靠性高等特点，解决了运行维护的需要。 第一章绪论 1 3 石化企业变电站综合自动化发展目标 变电站自动化系统随时在线监视电网运行参数、设备运行状态；自检、 自诊断设备本身的异常运行，发现变电站设备异常变化或装置内部异常时， 立即自动报警并闭锁相应的出口，以防止事态扩大。 变电站自动化系统采集变电站运行实时信息，对变电站运行进行监视、 计量和控制。完成变电站运行参数在线计算、存储、统计、分析报表和远 传，保证自动和遥控调整电能质量。 在现有的变电站监控系统中增加“遥视子系统”功能，实现无人值守 变电站进行远程实时图像监控、远程故障和意外情况告警接收处理，提高 变电站运行和维护的安全性和可靠性，并可逐步实现供电系统的可视化监 控和调度。 与电网系统进行实时、有效的信息交换、共享，优化电网操作，对供 电系统各级变电站、开关站的环境监控、设备监测、安防巡检进行集中管 理，统一监控并迅速做出反应，达到降低维护成本，提高电网安全稳定运 行水平，提高运行维护质量的目标。 第二章变电所综台自动化系统功能 第二章变电站综合自动化系统功能 变电站综台自动化系统具有功能综合化、系统结构微机化、测量显示 数字化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。各个保护、测控单元 既保持相刘独屯，叉通过计算机通信的形式相互交换信息，实现数据共 享，协调配合工作，减少丁电缆和没各配置，提高了变电站整体运行控制 的安全性和可靠性。本文结台已建成的石化企业变电站综合自动化系统， 重点讲述变电站综合自动化系统微机保护和监控系统功能。 圈2 - i 变电站系统主接线圈 2 i 微机保护系统 微机保护系统功能是变电站综台自动化系统的晟基本、虽重要的功能， 它包括变电站的主设备和输电线路的全套保护高压输电线路保护和后备保 护：变压器的主保护、后备保护以及非电量保护；母线保护；低压配电线 路保护；无功补偿装置保护：所用变保护等。各保护单元，除应具备独立、 完整的保护功能外，还具有以下功能： ( i ) 事件记录功能足事件记录包括发生故障、保护动作出口、保护 设备状态等重要事项的记录。 第二章变电所综合自动化系统功能 ( 2 )与系统对时功能是以便准确记录发生事故和保护动作的时间。 ( 3 ) 存储多种保护定值功能。 ( 4 ) 当地人机接口功能是不仅可显示保护单元各种信息，还可通过 它修改保护定值。 ( 5 )通信功能是提供必要的通信接口，支持保护单元与计算机系统 通信协议。 ( 6 )故障自诊断功能是通过自诊断，及时发现保护单元内部故障并 报警。对于严重故障，在报警的同时，应可靠闭锁保护出口。 ( 7 )满足保护装置的快速性、选择性和灵敏性要求。 2 2 监控系统 监控系统由数据采集，信息处理，远动功能，事项报警，事件顺序记 录，事故追忆，远方控制与操作，统计计算，图形界面，历史数据存储， 制表打印，操作权限，远程诊断维护等模块构成。下面详细讲述个模块功 能及设计。 1 数据采集功能 数据采集有两种；一种是变电站原始数据采集。原始数据直接来自一 次设备，如：电压互感器、电流互感器的电压和电流信号、变压器温度以 及断路器辅助触点、一次设备状态信号。变电站的原始数据包括模拟量和 开关量。另一种是变电站自动化系统内部数据交换或采集。典型的有电能 量数据、直流母线电压信号、保护动作信号等。变电站的数据包括模拟量、 开关量和电能量。 ( 1 ) 模拟量的采集指各段母线电压、母联及分段断路器的电流、线路及 馈线电压、电流、有功功率、无功功率，主变压器电流、有功功率和无功 功率，电容器和并联电抗器电流、直流系统电压、站用电电压、电流、无 功功率以及频率、相位、功率因数等。另外，还有少数非电量，如变压器 温度保护、气体保护等。 ( 2 ) 开关量的采集指断路器、隔离开关和接地开关的状态，有载调压变 压器分接头的位置，同期检测状态、继电保护动作信号、运行告警信号等， 这些信号都以开关量的形式，通过光隔离电路输入至计算机。 ( 3 ) 电能计量指对电能( 包括有功和无功电能) 的采集，并能实现分时累 加、电能平衡等功能。 数据采集及处理是变电站综合自动化得以执行其他功能的基础。数据 第二章变电所综合自动化系统功能 采集的准确直接影响变电站综合自动化系统的整体运行。 2 信息处理功能 在监控系统中，数据处理和记录也是很重要的环节。历史数据的形成 和存储是数据处理的主要内容。此外，为了满足继电保护专业人员和变电 站管理的需要，必须进行一些数据统计，主要有记录母线电压日最高值和 最低值以及相应的时间；主变压器及各条线路的功率、功率因数及电能的 计算和统计；计算配电电能的平衡率；统计断路器、避雷器、重合闸的动 作次数；统计断路器切除故障电流和跳闸次数的累计数；记录控制操作和 定值的修改；事件顺序记录及事故追忆等。 3 远动功能 监控子系统能实现d l5 0 0 2 1 9 9 1 地区电网调度自动化设计技术规 程、d l5 0 0 3 1 9 9 1 电力系统调度自动化设计技术规程中与变电站有 关的全部功能，满足电网电能实时性、安全性和可靠性。 4 数据计算统计功能 对变电站运行的各种常规参数进行统计及计算，如日、月、年中的最 大值、最小值及其出现的时间、电压合格率、变压器负荷率、全站负荷及 电能平衡率等。 对变电站主要设备的运行状况进行统计及计算，如：断路器正常操作 及事故跳闸次数、变压器分接头调节的档次、次数、停运时间等。 利用以上数据生成不同格式的生产运行报表。并按要求方式打印输出。 5 事件顺序记录处理及事故追忆功能 断路器跳合闸记录，保护及自动装置的动作顺序记录，断路器、隔离 开关、接地开关、变压器分接头等操作顺序记录，模拟输入信号超出正常 范围等。事故追忆功能。事故追忆范围为事故前l m i n 到事故后2 m i n 的所 有相关模拟量值，采样周期与实时系统采样同期一致。 6 事项及报警 设备状态异常、故障；测量值越限及计算机监控系统的软硬件、通 信接口及网络故障等。 7 数据存储数据库的建立与维护 监控系统建立实时数据库，存储并不断更新来自i o 单元及通信接口 的全部实时数据；建立历史数据库，存储并定期更新需要保存的历史数据 和运行报表数据。 8 图形界面功能 日历时间、经编号的测点、表示该点的文字或图形、该点实时数据或 第二章变电所综合自动化系统功能 历史数据、经运算或组合后的各种参数等。由画面显示的内容包括全站生 产运行要的电气接线图、设备配置图、运行工况图、电压棒形图、实时参 数曲线图、各种信息报告、操作票、工作票及各种运行报表等。 9 报表及打印定时 打印报表和运行日志；断路器、隔离开关操作记录；事件顺序记录； 越限：召唤；抄屏；事故追忆等。 1 0 故障记录、录波和测距功能 变电站的故障录波和测距采用两种方法，一是由微机保护装置兼作故 障记录和测距，再将记录和测距的结果送监控系统存储及打印输出或直接 送调度主站；另一种方法是采用专用的微机故障录波器，并且故障录波器 应具有串行通信功能，可以与监控系统通信。 1 1 安全监视功能 监控系统在运行过程中，对采集的电流、电压、主变压器温度、频率 等量要不断进行越限监视，如发现越限，立刻发出告警信号，同时记录和 显示越限时间和越限值，另外还要监视保护装置是否失电，自控装置是否 正常等。 1 2 电网运行控制与操作 无论是无人还是少人值班的变电站，运行人员都可通过c r t 屏幕对断 路器、允许远方电动操作的隔离开关和接地开关进行分、合操作；对变压 器及所用变压器分接头位置进行调节控制；对补偿装置进行投、切控制， 同时，要能接受遥控操作命令，进行远方操作；为了防止计算机系统故障 时无法操作被控设备，在设计时，应保留人工直接跳、合闸方式。操作控 制有手动和自动控制两种控制方式。手动控制包括调度通信中心控制、站 内主控制室控制和就地控制，并具备调度通信中心站内主控室、站内主 控制室就地手动的控制切换功能；自动控制包括顺序控制和调节控制。 1 3 生产运行管理智能化 智能化不仅是能实现许多自动化的功能，更重要的是能实现故障分析 和故障恢复操作智能化，实现自动化系统本身的故障自诊断、自闭锁和自 恢复等功能，这对于提高变电站的运行管理水平和安全可靠性是非常重要 的，也是常规的二次系统所无法实现的。变电站综合自动化的运用取代了 运行工作中的各种人工作业，从而提高了变电站的运行管理水平。其包括 运行操作指导、事故记录检索、在线设备管理、操作票开列、模拟操作、 运行记录及交接班记录等。 1 4 谐波的分析与监视 第二章变电所综合自动化系统功能 电能质量的一个重要指标是其谐波要限制在国标规定的范围内。随着 非线性元件和设备的广泛使用，使电力系统的谐波成分明显增加，并且其 影响程度越来越严重，目前，谐波“污染”已成为电力系统的公害之一。因此， 在综合自动化系统中，必须重视对谐波含量的分析和监视。对谐波“污染” 严重的变电站，要采取适当的抑制措施，降低谐波含量。 1 5 电能量处理 电能量处理包括变电站各种方式采集到的电能量进行处理、对电能量 进行分时段的统计计算以及当运行方式的改变而自动改变计算方法并在输 出报表上予以说明等。 2 3 变电站综合自动化供电保障系统 2 3 1 免维护蓄电池直流系统功能 1 采用的模块化设计，大大提高了可靠性。具有自主均流技术，模块 间输出电流最大不平衡度小于3 。体积小，重量轻，效率高，输出的纹 波极小，有利于延长电池寿命。系统采用模块叠加形式，维护方便。 2 可实现对电源系统的遥测、遥控、遥信、遥调，满足变电站综合自 动化要求。配合使用的监控模块采用大屏幕，液晶汉字显示，声光告警。 具有方便易于操作的优点，可通过监控模块进行充电模块参数设置。蓄电 池自动管理及保护，实现自动监测蓄电池的端电压，充放电电流，并控制 蓄电池的均充和浮充。 3 具有故障自检及故障声光报警功能。 4 蓄电池具有免维护，体积小、无泄露，具耐冲击性，电池在线输出， 在任何情况下，控制、信号母线不存在瞬间失电。 2 3 2 备用电源自投功能 所谓备用电源自动投入装置( 简称a s t 装置) ，就是当工作电源因故障 失电后，能自动而且迅速地将备用电源投入工作或将用户供电自动地切换 到备用电源上去，使用户不至于因工作电源故障而停电，从而提高供电可 靠性。装设a s t 装置是一种提高用户供电可靠性的经济而又有效的重要技 术措施之一。 构成备用电源自动投入装置应满足以下基本要求： ( 1 ) 当工作母线上的电压低于预定数值，并且持续时间大于预定时间， 第二章变电所综合自动化系统功能 a s t 方可动作投入备用电源。 ( 2 ) 备用电源的电压应运行于正常允许范围，或备用设备应处于正常 的准备状态下，a s t 方可动作投人备用电源。 ( 3 ) 备用电源必须尽快投入，即要求装置动作时间尽量缩短。 ( 4 ) 备用电源必须在断开工作电源断路器之后才能投入，否则有可能 将备用电源投人到故障网络而引起故障的扩大。 ( 5 ) 备用电源断路器上需装设相应的继电保护装置，并应与上、下相 邻的断路器保护相配合。 ( 6 ) a s t 动作投于永久性故障设备上，应加速跳闸并只动一次。以防 备备用电源多次投入到故障元件上，扩大事故，对系统造成再次冲击。 ( 7 ) 当电压互感器二次侧断线时，应闭锁a s t 装置。 ( 8 ) 正常操作使工作母线停电时，应闭锁a s t 装置。 ( 9 ) 备用电源容量不足时，在投入备用电源前应先切除预先规定的符 合容量，使备用电源不至于过负荷。如果母线有较大容量的并联电容时， 在工作电源的断路器断开的同时亦应连同断开对应的电容器。 ( 1 0 ) 根据需要，a s t 装置可以做成双方向互为备用方式。 第三章微机型电保护及变电所监视控制系统 第三章微机型电保护及变电站监视控制系统 微机保护具有灵活性强、综合判断能力强、具有自控功能、运行维护方 便、可以实现变电站综合自动化等优点。 3 1 微机保护装置硬件系统构成 图3 - 1微机保护硬件构成框图 微机保护的硬件系统包括以下三部分： 微处理器主系统：包括微处理器、程序存储器( r o m ) 、数据存储器 ( r a m ) 、定时器、并串接口等。 模拟量采集系统：包括电压形成、模拟低通滤波器、采样保持、多路 开关及数模转换。 开关量输入输出系统：由微型机的并行接口、光电隔离器件及有触点 的中间继电器等组成。完成保护需要的外部触点接入、出口跳闸、人机对 话等功能。 3 1 1 微处理器主系统 微处理器对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析 处理，以完成各种继电保护的功能。 第三章微机型电保护及变电所监视控制系统 当单片机用于实现保护功能时，首先需要存储器的扩展。单片机内部 设置了一定容量的存储器，但这种存储器一般容量较小，需要从外部进行 扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。 为了满足继电保护定值设置的需求，配置了可擦除的可编程只读存储 器( e e p r o m ) ，存储定值等。程序常驻于只读存储器( e p r o m ) 中，计算 过程和故障数据记录所需要的临时存储是由随机读写存储器( r a m ) 实现。 处理器通过其数据线、地址线、控制线及译码器来与存储器部件进行通讯。 根据不同保护功能的要求，可扩展并行口。 3 1 2 模拟量采集系统 1 电压形成回路 微机保护所使用的电压、电流都是来自于二次线间电压1 0 0 v 电压互感 器和二次额定电流5 a 或1 a 及短路电流1 0 0 a 电流互感器，这些互感器的 二次数值的输入范围对微机保护装置硬件电路不适用，故需把1 0 0 v 左右的 电压变换为士2 5 v 、士5 v 或士1 0 v 的电压；把1 a 1 0 0 a 的电流变换为士2 5 v 、 + 5 v 或士1 0 v 的电压，以适合微机保护中a d 转换器通常要求输入的电压信 号。同时，电流电压变换回路还起到隔离作用( 变换回路为接地的屏蔽绕组) ， 它使得微机保护装置在电路上与系统二次回路隔离，以提高装置的抗干扰 能力。 2 模拟低通滤波器 低通滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的 电路。 对微机保护系统来说，故障初瞬间电压、电流信号中可能含有相当高 的频率分量，为防止频率混叠，采样频率厣不得不用得很高，对硬件速度 提出过高的要求。实际上大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这 种情况下，可以在采样前用一个模拟低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可 以降低店，从而降低对硬件提出的要求。 3 采样保持电路 采样保持电路是在极短时间内测量模拟量在该时刻的瞬时值，并在模 拟一数字转换器进行转换的期间保持输出不变的一个电路，即把随时间连 续变化的电气量离散化。微机采样定时器等间隔地产生采样脉冲进行采样， 得到采样信号，采样后信号在下次采样脉冲到来之前应保持不变，形成稳 定的阶梯状采样保持信号，等待a d 转换。 4 模拟量多路转换开关 第三章微机型电保护及变电所监视控制系统 保护装置通常需对多个模拟量同时采样，以准确获得各个量之间的相 位关系并使相位关系经过采样后保持不变，这就要对每个模拟输入量设置 一套电压形成、模拟低通滤波和采样保持电路。所有采样保持器的逻辑输 入端并联后由定时器同时供给采样脉冲。由于模数变换器复杂及价格昂贵， 通常不宜对各路电压、电流模拟量采用同时a d 转换，而是采用多路s h 共用一个a d 变换器，中间经多路转换开关切换，轮流由公用的a d 变换 器将模拟量转换成数字量。由于保护装置所需同时采样的电流和电压模拟 量不会很多，只要a d 变换器的转换速度足够高，上述同时采样的要求是 能够满足的。多路转换开关的多路开关( 1 刀) 是电子型的，通道切换受微 机控制，它把多个模拟量通道按顺序赋与不同的二进制地址在微机输出 地址信号后，m p x 通过译码电路选通某一通道时，对应于s h 的这一通道 开关也就接通。 5 模数转换器 a d 转换器是一个硬件电路，用于实现模拟量到数字量的转换，它是把 模拟量变成能让计算机识别的数字量的桥梁。其应用范围非常宽广，一些 随时间连续变化的模拟量如电压、电流、温度、压力、速度等需要计算机 来处理的都必须经过这个环节。a d 转换器可分直接型和间接型两类。在直 接型a d 转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中 间变量；在间接型a d 转换器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间 变量( 频率) ，然后再把这个中间变量转换成数字代码输出。值得注意的是： 对微机保护来说，选择a d 转换器时要考虑分辨率和转换速率两个主要指 标。分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量， a d 转换器输出的数字量位数越多，分辨率越高，转换出的数字量的舍入误 差越小；a d 的转换速率是指重复进行数据转换的速度。即每秒转换的次数， 而完成一次a d 转换所需的时间，就是转换速率的倒数。 3 1 3 开关量输入输出系统 开关量输入回路：微机保护装置的开关量输入即接点状态( 接通或断 开) ，包括断路器和隔离开关的辅助接点或跳合闸位置继电器接点，外部装 置闭锁接点，气体继电器接点。还包括某些装置上压板位置输入等。 开关量输出回路：开关量输出主要包括保护的跳闸出口信号以及本地 和中央信号等。一般都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器( 干簧 或密封小中间继电器) 的方法。 通常为了提高抗干扰能力，输入输出回路经过光电耦合器来实现。光 第三章微机型电保护及变电所监视控制系统 电耦合器把发光器件( 发光二极管) 和光敏器件( 受光导通) 组合，可以 实现光媒介的电信号传变，其有光隔离器、光传感器、光敏集成块等。 3 2 微机保护的算法 微机保护算法是指微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的 采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法。按算 法的目标可分有两类：一类是根据输入电气量的若干点采样值通过一定的 数学式或方程式计算出保护所反映的量值，然后与定值进行比较；另一类 是根据输入电气量的采样值直接来判断是否在动作区内，而不计算其具体 量值。算法是微机保护的核心问题之一，目前已提出的算法有很多种。分 析和评价各种不同的算法优劣的标准是精度和速度。精度和速度是相互矛 盾的。若要计算精确则往往要利用更多的采样点和进行更多的计算工作量。 所以研究算法的实质是如何在速度和精度两方面进行权衡。 3 2 1 半周积分算法 半周积分算法的依据是一个正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为 一常数s 。 。 ii仄 s = 肛i s i n ( o t 删印= 肛s i n o t d t 2 等 o 石 oo 一 即正弦函数半周积分与其幅值成正比，积分值s 与积分起始点的初始角无 关。 式( 3 6 ) 的积分可以用梯 s 图3 - 2 半周积分算法示意图 式中一第k 次采样值 ( 3 7 ) 出刮 求 卜 似 k 近争科 则 卜 法 舶 黝一u陀一 第三章微机型电保护及变电所监视控制系统 n 一周期t 内的采样点数 1 0 一七= 0 时的采样值 n 2 一扣n 2 时的采样值。 可见，只要采样频率足够( 即乃很小) ，用梯形就可以代替积分，且误 差很小。 求出积分值s 后，1 ：s x 车应用式( 3 6 ) 可求得幅值。 2 2 由于半周积分算法本身具有一定的滤除高频分量的能力( 因为叠加在 基频分量上的高频分量在半周积分中其对称的正、负半周互相抵消，乘余 的未被抵消的部分占的比重就少了) ，因此对一些电流、电压保护可采用这 种算法，但其不能抑制直流分量，且此算法占有数据窗( 为半个周期即l o m s ) 较长。 3 2 2 两点乘积算法 两点乘积算法是利用2 个采样值以推算出正弦曲线波形，即用采样值 的乘积来计算电流、电压、阻抗的幅值和相角等电气参数的方法。这种算 法的特点是计算的判定时间较短。 设有正弦电流波形可表示为式： f ( 聆瓦) = 2 1s i n ( a ) n 瓦+ 口o ，) ( 3 - 8 ) 式中c o 表示角频率，j 表示电流有效值，乃表示采样间隔，表示电流初 相角。 若i 1 ，i 2 分别为两个相差9 0 。的采样时刻为n 1 和玎2 的采样值，则 彩( 疗2 b 一刀l 珐) = ( 3 9 ) i l = i ( n 1 t s ) = 压is i n ( c o r o t s + a o l 、) = 厄is i na 1 i 之= i ( n ，t s ) = , 8 1 s i n ( 缈确瓦+ ，+ 三) o 。1 0 = 扬s i 叱，+ 吾) = 历c 。s q ， q ，= a ) r 6 t s + ，为i l l 采用时刻的电流相角，可为任意值 第三章微机型电保护及变电所监视控制系统 2 1 2 = f 1 2 + f ； 2 u 2 = 甜? + “； t a n 口1 ，21 _ 3 _ 1 1 t a n 口lc ，：生 u ， 叫见，只璺知遁仕葸两个利隔9 0 。阴止弦重阴瞬时值， 有效值和相位。 对距离保护，若要算出视在阻抗的模值和幅角，则 z - 了u = 孵+ u 2 口。= 口。u 一口。，= t a n 。1 ( u 云) - t a n - ( 丢 熔电乐和由流写成每麴形式 那么电抗和电阻为 u=u c o s 口1 ，+ j us i n 口l u i = lc o s 。【l l + j ls i n 岱l 7 1 u2 方 ：+ j u , ) 1 ，= - - 老2 ( 7 ：+ j i l ) 呈：竺2 绉 ( 3 1 1 ) 就可算出该正弦量的 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 以上算式都采用了两个样值的乘积。 两点乘积算法用到了两个电气角度相隔9 0 。的采用值，因而算法本身需要的 数据窗长为1 4 周期，对5 0 h z 的工频是5 m s ，加上窄带通5 0 h z 滤波器的时间大 约要1 个周波，总的数据窗长于2 5 m s 。 3 2 3 傅立叶算法 傅立叶算法假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外还含有 不衰减的直流分量和各次谐波，可表示为： x ( f ) = b c o s h w i t + t 2 ns i nn w ，】 ( 3 1 6 ) n - - o 根据傅氏级数的原理，可以求出a 1 和b 1 分别为： 嚣一 第三章微机型电保护及变电所监视控制系统 a l = b ( f ) s i n w l t d t 岛= 卜( f ) c o sw l t d t i 墨( f ) = a ls i n c o j t + b lc o s o 叩 【墨( f ) = x 2 x s i n ( m l t + q ) 3 - 1 一 (7 ) 式中蜀为基波分量的有效值；a l 为t = - 0 时基波分量的初相角。 用和角公式展开，得到： x ；阵 t g a = 二l a i a l = 2 x c o s q b l = x 2 x s i n a l 用计算机处理时，离散化的公式为： q = 专瞽s i n 七刳 包= 小+ 2 姜 s 七等+ 卅 如图3 3 为全波及半波富氏算法的频谱： ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( a ) 全波 ( b ) 半波 图3 - 3 全波及半波富氏算法的频谱图( f s = 6 0 0 h z ) 全周波傅立叶算法本身具有滤波作用，在计算基频分量时，能抑制恒定直流 和消除各整数次谐波，但对衰减的直流分量将造成基频( 或其它倍频) 分量计算 降告 = 口 x 留 第三章微机型电保护及变电所监视控制系统 结果的误差。可见，傅氏算法不仅能完全滤掉各种整次谐波和纯直流分量，对非 整次高频分量和按指数衰减的非周期分量所包含的低频分量也有一定的抑制能 力。它需一个周波的数据窗长度。微机保护装置中常采用差分傅氏算法来消弱非 周期分量对算法精度