变配电所综合自动化系统讲义

1、变配电所综合自动化系统宋荣书一、变配电所自动化系统主要发展阶段变配电所监控、测量、保护和控制系统的形成和发展主要经历了以下三个阶段。 传统的监视、测量和控制系统阶段由各种继电器、测量仪表、控制开关、光字牌、信号灯、警铃、喇叭及相关一次设备的辅助触点通过导线，并根据特定逻辑关系连接，构成变配电所的二次回路，实现变配电所的监视、测量、告警和控制功能。值班人员定时记录盘表测量值，并用电话告知远方调度值班人员。随着铁路电力系统的发展，变配电所传统的监视、测量和控制系统已经不能满足安全稳定运行的要求。远方传输系统(简称远动系统)应运而生。除传统的监视、测量和控制系统外，变配电所增加了一套远动终端装置(R

2、TU)。变配电所端RTU自动采集相关的测量量、主要设备的状态量和信号量，通过通信网络将这些量传送给远方调度端的远动装置，并在调度屏上显示，实现对变配电所的遥测和遥信功能。远方调度值班人员也可通过远动系统，将控制和调节命令传送给变配电所端RTU，实现对断路器和变压器有载分接开关的“遥控”和“遥调。 随着远动技术的发展，远动装置的技术性能不断提高，应用功能不断扩展，出现了以RTU设备为中心的监控系统。它是在增强型RTU设备基础上增设了后台监视、测量显示和控制功能。其优点是功能简单，造价较低；缺点是控制和高级应用功能较弱，扩展性能较差。随着计算机技术、通信网络技术和现代控制技术的快速发展，变电站计算

3、机监视、测量和控制系统(简称计算机监控系统)异军突起。计算机监控系统应用计算机技术、自动控制技术、信息处理和传输等技术，对变配电所监控系统功能进行重新组合和优化设计，取代了传统的监控系统，而且与变电站端RTU合二为一，实现了软硬件和信息资源共享。根据设计思想的不同，变配电所计算机监控系统分为两种模式：面向功能设计的计算机监控系统和面向对象的分层分布式监控系统。该系统曾在国内电网广泛应用，其系统结构由后台机、总控单元及遥测、遥信和遥控装置组成，集中组屏安装。该系统的电压互感器、电流互感器二次电压和电流的测量采用交流采样技术；其相关测量量，如有功功率、无功功率、功率因数及频率等模拟量均采用数值计算

4、方式，减少了变送器数量及变送器的种类。该系统具备较完善的监视、测量功能，其高级应用功能有所增强。缺点是可扩展性和控制功能不强，主要用于110kV及以下电压等级变配电所。该系统由站控层和间隔层两部分组成，并用分层分布、开放式网络实现连接。间隔层集测量、监视和控制功能于一体，由若干按间隔配置的测控装置等设备组成，并采用面向对象设计。各测控装置对应于本间隔设备的电量采集和测量、状态量采集和判别、相关设备的监测及对开关设备的控制等功能。站控层由主机、操作员站和各种功能站构成，提供所内运行的人机联系界面，通过计算机网络与间隔层通信，实现管理控制间隔层设备等功能，形成全所监控、管理中心，并通过远动通信设备

5、和远方调度实现遥测、遥信、遥控和遥调功能，具有配置清晰、灵活、可扩展性好等优点。其间隔层测控装置可以分散安装，也可集中组屏；单个装置的缺陷不会影响到整个系统的运行，可靠性高；系统控制功能强；可以灵活嵌入高级应用软件，增加系统的应用功能。随着智能化开关、光电式电流互感器、光电式电压互感器、一次运行设备在线状态检测和变配电所运行操作仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，变配电所自动化系统正在逐步向全数字化方向发展。 为适应未来数字化变配电所发展的趋势，国际电工委员会TC57制定了IEC 61850变电站通信网络和系统系列标准。该标准是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一国

6、际标准，也是国家电力行业相关标准的基础。 IEC 61850按通信体系及设备功能，将变电站自动化系统分为3层：变电站层、间隔层和过程层。变电站层设备由带数据库的计算机、操作员工作台、远方通信接口等组成；间隔层设备由每个间隔的控制、保护或监视单元组成；过程层设备为远方IO(inputoutput)、智能传感器和执行器等。IEC 61850的发展方向是实现面向对象、自我描述、即插即用和无缝通信连接，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准”。一、变配电所自动化一、变配电所自动化变配电所自动化是应用控制技术、信息处理和通信技术，利用计算机软件与硬件系统或自动装置代替人工进行各种运行作业

7、，提高变配电所运行、管理水平的一种自动化系统。变配电所自动化的范畴包括综合自动化技术、远动技术、继电保护技术及所内其他智能技术等。 二、变配电所综合自动化二、变配电所综合自动化变电站综合自动化是将变配电所的二次设备(包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等)经过功能的组合，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，实现对全所的主要设备及变电、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及调度通信等综合性的自动化功能。变配电所综合自动化系统是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、控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代

8、替常规的继电保护，改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。变配电所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，可以方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。变配电所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。它的出现为变配电所的小型化、智能化、扩大控制范围及安全可靠、优质经济运行提供了现代化的手段和基础保证；它的应用为变配电所无人值班提供强有力的现场数据采集及控制支持。变配电所综合自动化技术是在计算机技术、数据通信技术、自动化技术的基础上发展起来的，是技术密集、多种专业技术相互交叉、相互配合的系统。它综合了变

9、配电所内除一次设备和交、直流电源以外的全部二次设备。在综合自动化系统中，微机监控系统综合了变配电所的仪表屏、操作屏、模拟屏、变送器屏、中央信号系统等功能，远动的RTU功能(电压和无功)及自动调节功能；微机保护(和监控系统一起)综合了故障录波、故障测距、备自投、自动重合闸等自动装置功能。综合自动化的综合功能是对中央信号系统及仪表和对设备控制操作的功能综合，是通过监控系统实现的全面综合；而对于微机保护及一些重要的自动装置(如备用电源自动投人)，是接口功能综合，是在保证其独立的基础上，通过远方自动监视与控制而实现的。例如对微机保护装置仍然要求保证其功能的独立性，但通过对保护状态、动作信息监视及对保护

10、整定值查询修改、保护的投退、录波远传、信号等远动控制，来实现其对外接口功能的综合。这种综合的监控方式，既保证了继电保护和一些重要自动装置的独立性和可靠性，又把继电保护和自动装置的自动化性能提高到一个更高的水平。结构分布和分层化指综合自动化系统是一个分布式系统，其中微机保护、数据采集和控制及其他智能设备等子系统，都是按分布式结构设计的，每个子系统可能有多个CPU分别完成不同功能，这样一个由庞大的CPU群构成了一个完整的、高度协调的有机综合(集成)系统。这样的综合系统往往有几十个甚至更多的CPU同时并列运行，以实现变配电所自动化的所有功能。另外，按照变配电所物理位置和各子系统功能分工的不同，综合自

11、动化系统的总体结构又按分层原则来组成。按IEC(国际电工委员会)标准，典型的分层原则是将变电站自动化系统分为两层，即变电站层和间隔层，由此可构成分散(层)分布式综合自动化系统。变配电所实现综合自动化后，不论是有人值班还是无人值班，操作人员可以在变配电所内，也可以在主控站或调度室内，面对彩色屏幕显示器，对变配电所的设备和配电线路进行全方位的监视与操作。常规庞大的模拟屏被CRT显示器上的实时主接线画面取代；常规的在断路器安装处或控制屏进行的跳、合闸操作，被CRT显示器上的鼠标操作或键盘操作所取代；常规的光字牌报警信号，被CRT屏幕画面闪烁和文字提示或语音报警所取代。即通过计算机上的CRT显示器，可

12、以监视全所的实时运行情况和对各开关设备进行操作控制。通信局域网络化和光缆化是计算机采用局域网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中的普遍应用。因此，系统具有较高的抗电磁干扰的能力，能够实现高速数据传送，满足实时性要求，组态更灵活，易于扩展，可靠性大大提高。运行管理智能化不仅表现在常规的自动化功能上，如自动报警、自动报表、电压无功自动调节、事故判别与处理等方面，还表现在能够在线自诊断，并不断将诊断的结果送往远方的主控端，这是区别于常规二次系统的重要特征。常规二次系统只能监测一次设备，而本身的故障必须靠维护人员去检查发现。综合自动化系统不仅能监测一次设备，还能每时每刻检测自己是否有故障，充分体现了

13、其智能化的特性。 运行管理智能化取消了常规二次设备，极大地简化了配电所二次系统，功能强大，信息齐全，可以灵活地按功能或间隔形成集中组屏或分散(层)安装的不同的系统组态。综合自动化系统打破了传统二次系统各专业间的界限和设备划分原则，弥补了常规保护装置不能与调度(控制)中心通信的缺陷。测量显示数字化是指常规指针式仪表全被CRT显示器上的数字显示所代替。长期以来，变配电所采用指针式仪表作为测量仪器，其准确度低、读数不方便。采用微机监控系统后，彻底改变了原来的测量手段，常规指针式仪表全被CRT显示器上的数字显示所代替，直观而明了，而原来的人工抄表记录则完全由打印报表所代替。这不仅减轻了值班员的劳动强度

14、，而且提高了测量精度和管理的科学性。变配电所综合自动化的实现就是通过监控系统的局域网通信，将微机保护、微机自动装置、微机远动装置，采集的模拟量、开关量、状态量、脉冲量及一些非电量信号，经过数据处理及功能的重新组合，按照预定的程序和要求，对变配电所实现综合性的监视和调度等。变配电所综合自动化系统包括计算机监控系统、继电保护及自动装置和通信装置等设备。变配电所综合自动化的核心是自动监控系统。变配电所综合自动化的纽带是监控的局域通信网络，它把微机继电保护、微机自动装置、微机远动等功能综合在一起，形成一个具有远方功能的自动监控系统。针对铁路电力系统变配电所的实际情况，自动化系统的模式可以简单地概括为集

15、中式和分层分布式两种。以变配电所为对象，面向功能设计，即各系统功能都以整个变配电所为一个对象相对集中设计，而不是以变配电所内部的某元件或间隔为对象独立配置的方式，其基本构架如下图所示。该模式主要适用于现有的传统变配电所技术改造。根据输入方式的不同，又分为直流采样和交流采样两种模式。直流采样是把来自电流互感器(TA)、电压互感器(TV）的输入信号经过变送器变换为小信号的直流电压或电流之后，再输入监控系统的模拟量输入模件；交流采样则是把TA、TV输入信号直接接入监控系统中的交流模拟量输入模件进行采样，通过模数转换将其转换为数字量，并通过计算获得相应的电气量，省去了直流模拟量输入所需的电量变送器的中

16、间环节。无论采用哪种模式，均需在模拟量输入模件中进行模数转换，把模拟量变成计算机可以处理的数字量，并需满足一定的精度要求。亦称状态量输入或数字量输入，它是把来自一、二次设备的各种无源接点信号经过光电耦合器隔离之后变为二进制信号。专门针对脉冲式电能表的输出而研发的一种接口，原理上同数字量输入相同，也采用光电耦合方式，但对电能表输出脉冲有一定要求，并将逐步被智能电子电能表和专用读表系统所取代。亦即数字量输出单元。它是把来自人机界面所下发的命令或来自外部(本地或远方)所下发的命令“翻译”成为一种开关量的输出，即继电器触点的输出以控制一次设备的断开或闭合，主变压器分接头挡位的上升与下降等。仍沿用原有的

17、装置，但要能在故障情况下向RTU、上级主站报告保护动作信息。 是整个系统核心，主要负责与各数据采集单元及当地监控之间的信息交互，接收并处理各数据采集单元送来的信息，并转发至当地监控主机和远方调度。同时，将当地监控主机和远方调度下发的命令下达给各数据采集单元。完成当地显示、告警、控制和制表打印等功能，彻底取代了传统的仪器、盘表等。运行人员只需面对显示器通过键盘或鼠标，即可观察和了解全所的运行状况，并可对全所的断路器等设备进行分、合闸操作。人机联系的主要内容有：(1)各开关量原始状态的设定。(2)各模拟量限值和死区的设定。(3)继电保护和自动装置整定值表的修改。(4)监控画面的修改。(5)各种表格

18、的修改。(6)操作票的编辑。(7)各种表格、画面、参数的召唤调出、显示打印或拷贝。(8)报警的确认和解除。 主要优点：功能单元间相互独立，互不影响；具有较为完善的人机接口功能，综合性能强；结构紧凑，体积小，可大大减少占地面积；造价低，尤其对110kV或规模较小的变配电所更为合适。 主要缺点：运行可靠性较差，每台计算机的功能较集中，如果一台计算机出故障，影响面较大，因此必须采用双机并联运行的结构才能提高可靠性；软件复杂，修改工作量大，系统调试麻烦；组态不灵活，对不同主接线或不同规模的变配电所，软硬件都必须另行设计，可移植性差，不利于批量推广。分层分布式系统以变配电所内的电气间隔和元件(变压器、断

19、路器、电容器等)为对象进行开发、生产和应用。分层分布式变配电所控制系统可分为三层结构，即站控层、间隔层和过程层，每层由不同的设备或子系统组成，完成相应的功能。所谓分层是指一种将元素按不同级别组织起来的方式，其上下级元素具有控制和被控制关系。对于变配电所综合自动化系统的设计与配置，按分层的原则可分为站控层和间隔层的物理层次。所谓分布是指变配电所综合自动化系统的构成在资源逻辑或拓扑结构上的分布，主要强调从系统结构的角度来研究和处理功能上的分布问题。分布式自动化系统是由多个分散的计算机经互联网络构成的统一计算机系统，是多计算机系统的一种新形式，它强调资源、任务、功能和控制的全面分布。其中，各物理和逻

20、辑资源既相互配合又高度自治，可在全系统范围内实现资源管理，动态分配任务或功能，且能并行地运行分布式程序。随着计算机、网络及通信技术的飞速发展，以间隔为对象的设计保护测控装置采用分层分布式结构，真正意义上的分层分布式变配电所综合自动化系统正逐步走向成熟，并获得了广泛的应用。分层分布式变配电所自动化系统结构示意图如下图所示，分为变配电所层、通信层和设备间隔层。每层由不同的设备或子系统组成，完成相应的功能。目前，分层分布式综合自动化系统的设备布置主要有三种类型：集中组屏结构、分散与集中相结合(局部分散)结构和全分散结构。变配电所层：又称站控层，是全所设备监视、测量、控制和管理的中心，站控层与间隔层可

21、通过光缆或双绞线与间隔层直接连接，也可通过前置设备连接。当地监控系统又称当地功能，如用于有人值班变配电所作为当地功能，可以适当加强人机界面功能，配备打印机，并负责向上级调度主站转发数据；如用于无人值班变配电所，则可以将当地监控系统更换为自动化通信处理机。 间隔层：间隔层按照不同的电压等级和电气间隔单元，以相对独立的方式分散在各个监控设备旁边，能独立完成间隔层设备的就地监控功能，且在站控层或网络失效时，仍能独立完成对间隔层设备的就地监控。间隔层设备主要包括测控装置、间隔层网络、与站控层网络的接口和继电保护通信接口装置等。间隔层设备直接采集和处理现场的原始数据，通过网络传送给站级计算机，同时接收站

22、控层发出的控制操作命令，经过有效性判断、闭锁检测和同步检测后，实现对设备的操作控制。间隔层也可独立完成对断路器和隔离开关的控制操作。网络设备：网络设备：包括站控层网络设备和间隔层网络设备，通常由网络集线器、交换机、光电转换器、接口设备和传输介质等组成。站控层网络设备主要有集线器或网络交换等设备，负责站控层设备间以及站控层与间隔层网络设备间的通信功能。间隔层网络设备通常由集线器或网络交换设备等组成，实现间隔层设备与站控层网络设备及间隔层设备之间的通信。网络传输介质可采用屏蔽双绞线、同轴电缆、光缆或以上几种方式的组合。根据站控层和间隔层设备之间不同的通信方式，也对应不同的网络拓扑结构。目前，主要采

23、用串行数据总线、现场总线和工业以太网系统等。1)结构分层分布。2)面向对象设计。3)功能独立。4)多CPU，可靠性高。5)继电保护相对独立。6)模块化结构，运行维护方便。7)安装布置灵活。变配电所综合自动化系统的主要功能有：(1)继电保护功能。(2)监视控制功能。(3)自动控制装置功能。(4)远动及数据通信功能。变配电所综合自动化系统中的微机保护按保护的对象不同有变压器保护、自闭贯通线路保护、电容器保护、馈线保护等。按原理分为电流速断保护、过电流保护、过电压保护、零序保护、自动重合闸、备用电源自动投入等。 变配电所综合自动化系统监视控制功能的优越性表现为：弥补了常规继电保护装置不能与外界通信的

24、缺陷；取代常规的测量系统，如变送器、录波器、指针式仪表等；改变常规的操动机构，如操作盘、模拟盘、手动同期及手控无功补偿等装置；取代常规的告警、报警装置，如中央信号系统、光字牌等；取代常规的电磁式和机械式防误闭锁设备；取代常规远动装置等。监视控制功能具体体现在以下几个方面(1)实时数据采集与处理(2)数据库的建立与维护。(3)故障录波和测距。(4)事故顺序记录与事故追忆功能。(5)控制及安全操作闭锁功能。(6)数据处理与记录功能。(7)人机联系功能。(8)打印功能。(9)画面生成与显示功能。(10)谐波的分析和监视功能。 (11)报警处理功能。(12)在线计算及制表功能。(13)运行技术管理功能

25、。变配电所综合自动化系统的实时数据采集的主要内容有变电站运行实时数据和设备运行状态，它包括：(1)模拟量的采集。(2)状态量的采集。(3)脉冲量的采集。(4)数字量的采集。将这些采集到的数据去伪存真后存于数据库供计算机处理之用。变配电所采集的模拟量有：各段母线电压；线路电流、电压和功率值；馈线电流、电压和功率值；主变压器电流、功率值；电容器的电流、无功功率及频率、相位、功率因数。此外，还有主变压器的油温、变电站室温、直流电源电压、站用电电压和功率等。变配电所采集的状态量有：断路器的状态、隔离开关状态、有载调压变压器分接头的位置、同期检查状态、继电保护动作信号、运行告警信号等。这些信号都以状态量

26、的形式，通过光电隔离电路输入计算机，但输入的方式有区别。对于断路器的状态，需采用中断输入方式或快速扫描方式，以保证对断路器变位的分辨率能在5ms之内；对于隔离开关的状态及变压器分接头位置等状态信号，可用定期查询方式读入计算机进行判断；微机保护的动作信息，可通过串行口或局域网网络通信方式输入计算机进行判断。变配电所采集的脉冲量是脉冲电能表输出的电能量。脉冲量的采集在硬件接口上与状态量的采集一样，经光电隔离后输入微机系统，是对电能量(包括有功电能和无功电能)的采集。对电能量的采集，传统的方法是机械式的电能表，由电能表盘转动的圈数来反映电能量的大小。数字量的采集主要是指采集变配电所内由微机构成的保护

27、或自动装置的信息。主要有：通过监控系统与保护系统通信直接采集的各种保护信号，如保护装置发送的测量值及定值、故障动作信息、自诊断信息、跳闸报告、波形等；全球定位系统(GPS)信息；通过与电能计费系统通信采集的电能量等。开关量信息采集包括以下内容：(1)各断路器、隔离开关、接地开关的跳、合闸位置信号，变压器分接开关的位置信号。(2)各种继电保护、自动装置的动作信号。(3)变电站的各种预告信号。运行监视主要指对变电站的运行工况和设备状态进行自动监视，即对变电站各种状态量变位情况的监视和各种模拟量的数值监视。 通过状态量变位监视，可监视变电站断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头的位置和动作情况、继

28、电保护和自动装置的动作情况及它们的动作顺序等。 模拟量的监视分为正常的测量和超过限定值的报告、事故模拟量变化的追忆等。 当变电站有非正常状态发生或设备异常时，监控系统能及时在当地或远方发出事故音响或语音报警，并在CRT显示器上自动推出报警画面，为运行人员提供分析处理事故的信息，同时可将事故信息进行打印记录和存储。越限报警是当各参数量超出偏差允许范围时，CRT通过画面、音响提示、闪光等报警方式告知值班人员。对于一个典型的变电站，应报警的参数有：(1)母线电压报警，即当电压偏差超出允许范围且越限连续累计时间达30s(或该时间按电压监视点要求)后报警。(2)线路负荷电流越限报警，即按设备容量及相应允

29、许越限时间来报警。(3)主变压器过负荷报警，按规程要求分正常过负荷、事故过负荷及相应过负荷时间报警。(4)系统频率偏差报警，即在系统解列有可能形成小系统时，当其频率监视点超出允许值的报警。(5)消弧线圈接地系统中性点位移电压越限及累计时间超出允许值时报警。(6)母线上的进出功率及电度量不平衡越限报警，直流电压越限报警。越限报警的各个参数量都有一个允许运行时间限额。为此，除越限报警外还应向上级调度(控制)人员提供当前极限运行时间，即允许运行时间减去启用运行的累计时间。异常状态报警是：非正常操作时，断路器变位信号、保护故障动作信号、监控和保护设备异常状态信号，以及数据采集的状态量中其他报警和异常信

30、号。报警方式主要有自动推出画面：音响提示(语音或可变频率音响)、闪光报警、信息操作提示等。故障录波和测距是在输电线路发生故障时尽快显示故障距离的长短。变电站的故障录波和测距可采用两种方法实现：(1)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传进监控机存储及打印输出，或直接送调度主站。该方法可节约投资，减少硬件设备，但故障记录的容量有限。(2)采用专用的微机故障录波器，并且录波器应具有串行通信功能，可以与监控系统通信。事故顺序记录就是对变配电所内的继电保护、自动装置、断路器等在事故时动作的先后顺序自动记录。记录事件发生的时间应精确到毫秒级。自动记录的报告可在CRT显示器上显示和打印输

31、出。顺序记录的报告对分析事故、评价继电保护和自动装置以及断路器的动作情况是非常有价值的。事故追忆是指对变电站内的一些主要模拟量，如线路、主变压器各侧的电流、有功功率、主要母线电压等，在事故前后一段时间内作连续测量记录。通过从综合自动化系统中调取事故前后的记录，了解系统或某一回路在事故前后所处的工作状态，对于分析和处理事故起辅助作用。追忆的时间越长，需要的数据库容量越大。可根据系统的实际情况和需要来确定追忆时间的长短。事故追忆一般以召唤方式在CRT上显示或打印。控制及安全操作闭锁是指操作人员可通过CRT显示器，对断路器和隔离开关进行分、合闸操作；对变压器分接头进行调节控制；对电容器组进行投、切控

32、制，同时要能接受遥控操作命令，进行远方操作；所有的操作控制均能就地和远方控制、就地和远方切换相互闭锁，自动和手动相互闭锁。 操作管理权限按分层(级)原理管理：监控系统设有专用密码的操作口令，使调度员、遥调遥信操作员、系统维护员和一般人员能够按权限分层(级)操作和控制。数据处理与记录是很重要的环节。历史数据的形成和存储是数据处理的主要内容。此外，为满足继电保护专业和变电站管理的需要，必须进行一些数据的统计，其内容包括：(1)主变压器和输电线路的有功功率和无功功率每天定时记录的最大值和最小值，以及相应的时间。(2)母线电压每天定时记录的最高值和最低值，以及相应时间。(3)计算受配电电能平衡率。(4

33、)统计断路器动作次数。(5)断路器切除故障电流和跳闸次数的累计数。(6)控制操作和修改定值记录人机联系的桥梁是运行人员通过CRT显示器、鼠标和键盘，了解变电站的运行状况和操作的一种方式。变电站采用微机监控系统后，无论是有人值班站还是无人值班站，最大的特点之一是操作人员或调度员只要面对CRT显示器的屏幕，通过鼠标或键盘，就可对全站的运行情况和运行参数一目了然，可对全站的断路器和隔离开关等进行分、合操作，改变了传统的依靠指针式仪表和模拟屏(或操作屏)等手段的操作方式。变配电所综合自动化系统的CRT显示器屏幕作为人机联系的主要桥梁和手段，不仅可以取代常规的仪器、仪表，而且可以实现许多常规仪表无法完成

34、的功能。它可以显示的内容，归纳起来有以下八个方面： 。 (1)显示采集和计算的实时运行参数。监控系统所采集和通过采集信息计算出来的U、I、P、Q、有功电能、无功电能以及主变压器温度T、系统频率 f 等，都可在CRT显示器的屏幕上实时显示出来。 (2)显示实时主接线图。主接线图上断路器和隔离开关的位置要与实际状态相对应。进行对断路器或隔离开关的操作时，在所显示的主接线图上，针对所需操作的对象应有明显的标记(如闪烁等)。各项操作都应有汉字提示。 (3)事件顺序记录(SOE)显示。显示所发生事件的内容的时间。 (4)越限报警显示。显示越限设备名、越限值和发生越限的时间。 (5)值班历史记录。 (6)

35、历史趋势显示。显示主变压器负荷曲线、母线电压曲线等。 (7)保护定值和自控装置的设定值显示。 (8)故障记录显示、设备运行状况显示等。变配电所投入运行后，随着输电量的变化，保护定值、越限值等需要修改；由于负荷的增长，需要更换原有的设备，改变数据。因此在人机联系中，必须有输人数据的功能。需要输入的数据至少有以下四种内容： (1)电流互感器(TA)和电压互感器(TV)变比。 (2)保护定值和越限报警定值。 (3)自控装置的设定值。 (4)运行人员密码。变配电所综合自动化监控系统应配备打印机，完成以下打印功能：(1)定时打印报表和运行日志。(2)开关操作记录打印。 (3)事件顺序记录打印。(4)越限

36、打印。(5)召唤打印。(6)抄屏打印。(7)事故追忆打印主要有： (1)变电站的主要设备的技术参数档案表。 (2)各主要设备故障和检修记录。 (3)断路器的动作次数记录。 (4)继电保护和自动装置的动作记录。 (5)运行需要的各种记录、统计等。 运行技术管理智能化是指变电站综合自动化系统能利用计算机软件，对运行中的各种技术数据、记录进行管理，主要体现在以下三个方面。(1)历史数据处理、存档、检索。其中，历史数据处理包括历史统计值、历史累计值、历史曲线三部分。(2)统计值处理。监控系统可以对电压、潮流、功率因数等参数进行统计，统计值包括： 1)时统计：统计整点值及状态。2)日统计：典型时的值，有

37、最大值、最小值、平均值、波动值、日不合格率时间和合格率等。3)月统计：统计月典型时的最大值、最小值及日期，平均值，月最大值、最小值及日期，月不合格率时间和合格率。4)典型日统计：统计典型日的整点值及状态，典型时的值、日最大值、最小值、平均值和合格率。(3)累计值处理。累计值包括小时、日、月、典型日累计等。自诊断功能是指对监控系统的硬件(包括前置机、主机、各种模件、通道、网络总线、电源等)和软件故障的自动诊断，并给出自诊断信息供维护人员及时检修和更换。自恢复功能是当由于某种原因导致系统停机时，能自动产生恢复信号，进而对外围接口重新初始化，保留历史数据，实现无扰动的软、硬件自恢复，保障系统的正常可

38、靠运行。自动切换功能是指双机系统中，当其中一台主机故障时，所有工作自动切换到另一台主机，且在切换过程中所有数据不能丢失。微机保护装置一般由CPU、存储器、输入输出回路、保护逻辑电路及驱动、通信接口等组成。为了确保保护功能的独立性，提高保护装置的可靠性，保护装置CPU一般由保护CPU、测控CPU双CPU组成。工作原理如下图所示。 微机保护装置采用双CPU结构，每个CPU有各自的存储器，将保护、远动、计量、通信等功能集成为一体，完全取代RTU的功能。以清华紫光的DCAP一3000系列监控保护装置为例介绍微机保护的硬件组成。DCAP一3000系列监控保护装置采用超小型机箱设计，由机箱、面板及四块插件

39、组成。四块插件分别为CTPT插件、继电器插件(IO插件)、CPU插件及电源插件(POWER插件)。插件的安装非常简单，即将每一插件顺着导轨插入其正确位置即可。在插入时要注意插件对准底板上的插针槽并插紧。电源插件：电源插件采用隔离屏蔽和高冗余设计的措施，既可防止外部的干扰，又能降低电源系统的温升。DCAP3000系列装置完全可在密封情况下正常运行。其主要技术参数如下：输入电压：DC 220V+30(1l0V DC，ll0V220V AC由用户订购) 输出电压：+5V5A，12V08A，24V1A，供给CPU插件和IO插件电源。IO插件采用隔离措施，选用进口元器件，可增强出口的正确性和可靠性。插件

40、内有9路继电器输出，同时还有防跳继电器和合闸保持继电器构成的开关操作回路，用于防跳、跳合闸保持。9路继电器的控制由CPU插件的逻辑输出来实现。CPU插件通过光电隔离芯片实现与IO板的隔离。IO插件通过出口继电器的空接点与外部电路隔离。IO插件选用欧姆龙24V继电器，使用寿命长，固有动作时间短。接点额定电流大于5A。CPU插件的双CPU系统设计模式，大大增强了软件的冗余度，在硬件不改变的情况下，CPU保留大量资源，可根据用户要求增设新的软件内容，同时提高了保护和通讯的处理速度，增强了装置的可靠性。CPU插件的全悬浮设计及四层板工艺，能有效地防止外界干扰的侵入，以增强整个系统的可靠性。CPU插件是

41、整个单元箱的核心，它包括14个模拟量输入，12个开关量输入，9个继电器输出驱动，屏幕显示，4个按键和一路光电隔离的通信接口。板内有两个高速16位CPU芯片及切换器件。其硬件框图如下： 采用双CPU系统，一套为保护CPU系统，另一套为监控CPU系统。 采用双口RAM实现两个CPU之间数据共享，两个CPU工作互无影响。当保护动作时，通过双口RAM将相应的保护动作信息传给监控CPU系统，监控CPU系统将所接收到的数据送显示，同时发送给上位机。 系统故障自诊断：保护CPU定时向双口RAM某地址写入巡检数据，供监控CPU查询。当保护CPU系统出现故障时，则双口RAM中巡检数据不变，当监控CPU在20ms

42、内查询巡检数据不变时，认为保护CPU系统出现故障。同时告知上位机系统并实施后备功能。当监控CPU系统故障或通讯故障时，上位机接收不到装置的信息，发出装置退出运行信号。 看门狗自复位：两个CPU系统均有掉电存储芯片，存贮各系统定值，同时具有看门狗功能，当程序跑飞或死机时，能自动复位。 CPU板采用4层板工艺，全悬浮设计，与其它插件及外界电路的全面隔离，能十分有效地防止尖脉冲及浪涌的干扰。 模拟量采集：电流电压模拟量通过CTPT板上的小CT和小PT隔离、放大，分别进入两个CPU系统的采样回路，各CPU采集所需模拟量。同时采用数字滤波器对各模拟量滤波。开关量采集：开关量输入采用光电隔离芯片与CPU插

43、件的隔离，并进行波形整形后，进入CPU口。同时程序具有防抖功能。 开关量输出：两个CPU输出的控制信号经过与门、光电隔离、驱动后进入IO板。 串口通讯：CPU插件采用带光电隔离的通信接口以实现与总线网的隔离。CTPT插件上安装小电流互感器和小电压互感器。电流互感器采用穿孔的安装方式能有效避免断线故障，实现了强电和弱电的隔离。 面板由三部分组成：位于右上方的大液晶显示窗口。液晶显示窗口为一方形显示屏可显示4*8个汉字，用来显示各种信息。位于面板下方的操作键盘；键盘由四个按键组成。位于左边的信号灯。信号灯包括：出口信号指示19。出口继电器l9分别对应出口指示19。当某个出口继电器带电动作后其对应的

44、出口指示灯亮；出口继电器失电返回后其对应的出口指示灯熄灭。可靠性保护装置的可靠性、准确性必须为100，这是对保护装置最基本的要求，也是最重要的要求。在选择一体化装置时，应注意选择多CPU产品，即保护CPU和监控CPU分开设置的产品。快速性、实时性在故障状态下保护装置必须快速切除并隔离故障部位，故障信息必须及时上报；异常及正常状态下的运行控制必须实时执行。 稳定性要求系统抗干扰能力强，不死机、不频繁起动，软件不走飞。灵活性包括系统扩展设计的灵活性，硬件配置的灵活性，以及软件组态的灵活性。易维护性要求提供远程访问、装置面板显示、便携式测试系统等接口手段，插件互换性强，自诊断能力强。在选择保护装置时

45、应选择集保护、远动、通信等功能为一体的一体化保护装置。另外，保护装置有没有通过动模试验和有没有长期可靠的运行经验也是选择保护装置的重要因素。保护功能：三段式相间过电流保护，后加速保护，零序过电流保护，失压保护，三相一次重合闸，遥控检同期控制合闸（检无压、检同期、不检定），失压备用电源自投，零序过电压告警，母线PT断线告警，线路PT断线告警，控制回路异常告警。遥信功能：各种保护动作信号及断路器位置遥信、开入遥信以及重合闸充电满、备投充电满等软遥信。遥控功能：配有一个断路器的操作回路，能够接受遥控命令对开关进行控制操作、软压板投退、定值区切换等。 遥测功能：三相保护电流Ia、Ib、Ic，三相测量电

46、流IA、IB、IC，零序电流I0,三相母线相电压Ua、Ub、Uc，三相母线线电压Uab、Ubc、Uca，零序电压U0，线路线电压UAB、UBC，有功功率P,无功功率Q,功率因素cos，系统频率f。辅助功能：故障报告，故障录波与谐波分析，负荷录波与谐波分析，事件报告，自检报告。 DCAP-3000系列综合自动化保护装置用超高速双16位CPU系统并行进行工作，其芯片是Intel公司推出的80C196芯片。在硬件设计中，紫光公司将保护、控制、测量、通讯等功能合理地分散到两个CPU芯片中并行进行处理，这样可以由一个CPU（监控CPU）为另一个CPU（保护CPU）创造仿真故障过程，并对其正确性进行监视。

47、运行中若出现问题，在20ms之内可自动切换任务和报警，从而保证了在任何情况下装置都能正确运作。误动，即在一次设备或线路没有故障的情况下，引起开关动作，切断电流。对于这种误动，紫光DCAP-3000保护装置能正确分析其引起动作的具体原因，找出故障。引起误动，原因有以下几种：保护误动、开关误跳、接线错误、定值错误。对于以上几种可能引起误动的原因，从紫光DCAP-3000保护装置的历史记录可以很方便的分析问题。首先，DCAP-3000系列保护装置有强大的故障录波功能，能够录下故障前2个周波和故障后98个周波故障线路的电流和电压，所以只要查看故障后录下电流波形的幅值与定值比较，就可以区分是保护误动，还

48、是其他原因。其次，对于开关误跳，我们可以查看紫光DCAP-3000系列微机保护的历史记录，当发现只有“开关变位”记录，而没有“保护动作”记录时，则肯定是开关误跳。再者，由于CT接线错误，引起实际一次电流与二次电流不对应，造成保护动作，我们可以带负荷检查，确认一次电流与二次电流是否相对应来区分。最后，如果是定值的错误引起保护动作，我们可以重新核实定值来区分，对于定值的改动，上位机都有记录，故任何人改动定值都会被发现。拒动，即在一次设备或线路发生故障时，开关应动作，切断电流，但开关没动作。对于此现象，有如下几种情况：开关拒动、保护拒动、 CT断线。对于CT断线引起的拒动，可通过查线来识别，如果保护

49、装置发了动作信号，而开关没跳开，可以通过停电后，进行传动试验，发一个保护跳闸命令，如果开关还是没跳开，则属于开关拒动。对于保护拒动，可以从几个方面进行分析，首先是定值方面，有可能定值太大，使得灵敏度不够，其次是没采集到保护电流。这些原因都可以通过现场试验分析得出。误信号原因有三个：辅助接点问题、干扰问题、装置定义问题。分析误信号具体产生的原因，我们可以通过双方设备隔离的办法来找出原因。对于紫光这套装置，所用的实时通讯是采用专用的RS485网络通讯芯片，容错能力强、可靠性高、并采用光电隔离措施，充分保证了所有设备的安全。上位机采集的信号是由下位机所传输过来的，只要下位机所采集的信号正确，上位机定

50、义正确，“误信号”就不会产生，即使是在通讯接口出现故障的情况下，“误信号”也不会产生，因为在这种情况下，上位机接口将自动与通讯总线隔离。 可靠性是对继电保护装置的基本要求之一，它包括两个方面：不误动和不拒动。可靠性和很多因素有关，例如保护的原理、制造工艺和运行维护水平等。本节主要讨论应用微机保护装置带来的两个问题：一是微机保护装置的抗干扰问题；二是装置内部元器件出现损坏时的对策。 干扰对微机保护装置的影响主要表现在以下几个方面：（1）干扰对数据采集系统的影响，可造成数据出错，从而造成计算结果的错误，最终导致保护的误动。（2）干扰侵入数据、地址和控制总线，可造成逻辑错误，引起装置拒动或误动。（3

51、）严重的干扰信号侵入微机保护装置内部，可能造成某些元件的损坏。 最重要的抗干扰措施是防止干扰进入微机弱电系统，也就是各种隔离、屏蔽、合理布局和配线，以及减弱电源线传输干扰等方法。有研究表明，隔离和屏蔽技术隔离和屏蔽技术是防止外部电磁干扰进入装置内部的有效措施。良好的屏蔽和接地紧密相连，可大大降低噪声耦合，取得较好的抗干扰效果。 微机保护装置内的屏蔽措施主要包括：机箱屏蔽、电流电压变换器的原副边屏蔽。隔离措施主要包括：光电隔离。光电隔离是在电隔离的情况下，以光为媒介传送信号，对输入和输出电路可以进行隔离，因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰。有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使

52、其在强一弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。现场开关与逻辑电路之间采用光电隔离技术的主要作用：(1)使低压输入电路与大功率的电源隔离。 (2)外部现场器件与传输线与数字电路隔离，以免计算机受损。(3)限制地回路电流与地线的错接而带来的干扰。(4)多个输入电路之间的隔离。微机保护中采用光电隔离的电路有：开关量输入电路的光电隔离、开关量输出电路的光电隔离、VFC式数据采集单元的光电隔离。光电隔离的工作原理如下： 当有信号输入时，开关S闭合，二极管导通，发出光束，使光敏三极管饱和导通，于是输出U0表现一定电位。右图所示的两种接线方式，输出电平不同，在实际电路时可以灵活选用。在光

53、电耦合器件中，信息的传递介质为光，但输入和输出都是电信号，由于信息的传递为光，且信息传递和转换的过程都是在密封环境下进行，没有电的直接联系，因此不受电磁信号干扰，所以隔离效果比较好。变压器隔离。模拟量输入回路中的电流电压变换器可以起到隔离的作用。继电器隔离。继电器的线圈和接点之间没有电的联系，因此继电器线圈、触点之间是相互隔离的。这也是微机保护的最终跳闸出口仍采用有触点的继电器的原因。抑制差模干扰的主要措施是采用滤波和去耦电路。在微保护中采用的措施有：数据采集单元中的模拟低通滤波器；集成电路芯片旁的去耦电路（旁路高频燥声等）；每个插件的电源入口处的抗干扰电容。硬件自复位电路也称为硬件看门狗电路

54、，当干扰引起程序“跑飞”时，软件不能正常运行，自复位电路使程序重新开始运行。微机保护中的容错设计主要是硬件的冗余设计，主要有以下几个方面：完全双重化的保护配置方案。220kV及以上的高压、超高压输电线路上，配置两套完全独立的微机保护装置，大容量的变压器、发电机-变压器组保护也提出主保护双重化的配置方案。微机保护装置内部实现部分插件的双重化或热备用。如：VFC插件的双重化、电源的双重化等。部分元件采用表决方案（如：三取二）。 微机保护装置的跳闸出口回路设计的闭锁措施主要有：采用双线驱动命令编码方式（1个开出由两位控制）；出口电源受告警继电器和启动元件控制；5V驱动电路与24V驱动电路之间有光电隔

55、离措施。 提高微机保护可靠性的另一个重要课题是研究装置内部元器件损坏时的后果及对策。从可靠性的角度希望能做到任一元器件损坏时都不会引起误动作，并且能立即自动检测出来而发出警报，以便及时得到相应的处理，防止由于元器件损坏未被发现，使保护在应该动作时拒动。微机保护的自动检测主要包括以下几个方面：微机保护装置使用的RAM、FLASH（闪存）都是可读写的存储器件，自检方法相同。存储器自检的方法是：向RAM或FLASH单元中试写入任意的数值，只要发现读出的数与写入的数不一致就可以认为是存储器或相关电路出问题。程序和定值自检。目前国内在微机保护中多采用CRC校验和ROM校验两种方法来实现程序和定值自检。数

56、据采集单元自检。常用的方法是将装置的+5V稳压电源接至一路采样通道，经过模数转换后，输入保护CPU单元。保护CPU通过对这一通道的数值的监视来检测数据采集单元是否正常工作，同时又可以实现对稳压电源的监视。对于开关量输入通道的检测主要是指光电耦合器件及传送开关量的并行接口的检测。检测的困难在于这些元件是静止的，因此如果外部常开触点输入回路的光敏三极管开路，或外部常闭触点输入回路的光敏三极管短路等，都将不能被检测出。为了实现对开关量输入通道的自动检测，可以采用冗余设计，即将一路开入信号接入两路开入通道，如果两路开入通道的结果不一致，则认为这一路开入有问题。 开关量输出回路自检的基本原理是：在确保继

57、电器不动作的情况下，短时发出开出驱动信号，检测反馈信号。开关量输出回路的自检功能应当设置在最高优先级的中断服务程序中，或者先屏蔽中断再检测，否则，如在CPU发出检测驱动信号后被中断打断，就可能无法及时收回检测信号，从而导致继电器误动作。 一、日常运行一、日常运行双主机式的变配电所微机监控系统：双主机式的变配电所微机监控系统是指两台功能完全相同、各有一套完整的数据存储的计算机作为主监控机，运行时通过后台切换开关设置“一主一备”的监控系统形式。 由于双主机式的变电站微机监控系统中两台计算机功能完全相同(都可以通过监控后台对一、二次变电设备进行倒闸、投退保护连接片等操作)，若通过两台计算机同时进行操

58、作，必将会产生操作顺序错乱甚至误操作的情况。为了避免误操作，在双主机式的变电站微机监控系统中设置后台切换开关，限定某一时刻只允许被后台切换开关设置为“主机的计算机进行操作，闭锁“备用机的操作功能。(1)监控本站一次主接线及一次设备的运行情况。(2)检查本站所做的安全措施。(3)监视主变压器、高抗及低抗的油温、负荷情况。(4)监视主变压器分接开关运行位置。(5)监视继电保护及自动装置运行情况。(6)监视各段母线电压。(7)监视各线路电流、有功功率及无功功率。(8)监视本站各线路潮流流向。(9)查看日报表中各整点时段的参数(包括母线电压，线路电流、有功功率及无功功率，主变压器油温、各侧电流值等)。

59、 (10)查看电压棒图及各类曲线图。(11)完成各类报表的制作及打印输出。(12)对事故音响和预告音响进行试验检查。(13)检查光字牌亮牌情况。 (14)监视本站微机网络的运行状态。(15)检查直流系统的运行情况。(16)填写运行管理信息。变配电所微机监控系统的操作监控，是指以微机监控系统为主、人工为辅的方式，在变配电所内进行倒闸操作、继电保护及自动装置连接片的投退、调整主变压器分接开关位置和其特殊操作等工作时，对操作过程中的信息进行监视、控制，以达到保证各种变配电设备及操作人员在操作过程中的安全的目的。变电站微机操作监控的内容有：(1)倒闸操作监控。(2)投、退继电保护及自动装置的功能连接片

60、时的监控。(3)对主变压器进行有载调压时的监控。(4)五防系统操作时的监控。(5)其他操作时的监视、控制。变配电所微机监控系统的事故及异常监控，是指以微机监控系统为主、人工为辅的方式，在变配电所发生事故跳闸或其他异常情况时，对事故或异常情况发生后某一特定时间段内的信息进行监视、分析及控制，以达到迅速且正确地判断、处理各类突发情况，尽快恢复到事故或异常情况前的运行状态，保证电气设备(特别是主变电设备)的安全可靠运行，确保整个系统的稳定。变配电所微机监控系统通过显示器、声音、打印机将运行监视信号输出。(1)变配电所微机监控系统显示器显示输出实时遥测值(包括各单元的电流、电压、有功功率、无功功率、温