变电站自动化发展综述课件

1、欢迎莅临指导国电南瑞科技股份有限公司 第1页，共90页。变电站自动化的发展综述第2页，共90页。一.变电站自动化系统的发展过程二.变电站自动化技术现状四.变电站自动化技术发展趋势目录三.变电站自动化系统关键技术第3页，共90页。一.变电站自动化系统的发展过程:2.变电站计算机监控系统 Computer-based Substation Control System3.变电站综合自动化系统 Integrate Substation Automation System 4.变电站自动化系统 Substation Automation System1.远动终端设备 Remote Terminal U

2、nit第4页，共90页。按功能(四遥)设计的模式称为-RTU模式(1,2)按对象(间隔)设计的模式称为-分层分布式(或网络)模式(3,4)第5页，共90页。面向对象(间隔)设计第6页，共90页。1.发展第一阶段:(始于80年代初)RTU 模式+继电保护In SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition )systems, an RTU is a device installed at a remote location that collects data, codes the data into a format that is transm

3、ittable and transmits the data back to a central station, or master. An RTU also collects information from the master device and implements processes that are directed by the master. RTUs are equipped with input channels for sensing or metering, output channels for control, indication or alarms and

4、a communications port.第7页，共90页。远动终端设备(RTU)上级调度控制中心实现遥控,遥测,遥信,遥调* * * * * * *.保护及其它IED开关位置信号模拟量输入开关量输出硬接线按功能设计当地监控串口第8页，共90页。结构特点:集中式,保护信号硬接点接入面向功能设计成本低第9页，共90页。2.发展第二阶段： (始于80年代中后期)监控系统(RTU模式)+继电保护模式第10页，共90页。保护装置变电站层上级调度控制中心测控单元测控单元测控单元计算机监控系统(CSCS)通过数字通信,将测量、控制、远传等功能为一体串口/以太网通信层间隔层现场总线第11页，共90页。结构

5、特点:分散式测控装置(RTU),保护信号多以硬接 点接入分层分布式,以太网,现场总线和串口通信监控后台(取代传统的模拟盘监控)面向功能设计第12页，共90页。3.发展第三阶段： (始于90年代)变电站综合自动化系统-监控系统+微机保护RTU模式 分层分布式(网络)模式第13页，共90页。.测控测控测控网络(现场总线)保护保护微机保护上级调度控制中心串口/以太网变电站综合自动化系统(ISAS)是集保护、测量、控制、远传等功能为一体，通过数字通信及网络技术来实现信息共享的一套微机化的二次设备及系统 串口变电站层通信层间隔层保护第14页，共90页。结构特点:分散式测控+微机保护装置,通信接入,四 合

6、一保护测控分层分布式,以太网,现场总线和串口通信监控后台面向功能设计 面向对象设计第15页，共90页。3.第四阶段：变电站自动化系统 (2003年,随着IEC61850标准的出台)Substation Automation System-SAS 国际电工委员会解释为“在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化系统(SAS-Substation Automation System： The SAS provides Automation in a Substation including the Communication infrastructure)” 分层分布式(网络)模式第16页，共90

7、页。过程层(电子PTCT,智能开关)变电站层(包括网络)间隔层(保护,测控,故障录波,IED)变电站自动化系统(SAS)上级调度控制中心远方控制层第17页，共90页。结构特点:全开放式,所有智能电子设备(IED)通信接入分层分布式,以太网为主,现场总线和串口通信为辅监控后台以面向对象(间隔)设计为主,面向功能设计为辅能适应未来技术的发展,如IEC61850第18页，共90页。1.我国变电站自动化技术应用情况 35750kV变电站约14000座,每年新增变电站的数量约为3%主要生产厂家:国外ABB、SIEMENS、GE 等国内南瑞集团、北京四方、许继电气、 国电南自等 二.变电站自动化技术现状

8、第19页，共90页。国内外变电站自动化产品比较:国外起步较早,几大公司代表国际水平,占领大部分国际市场,装置有技术优势国内起步晚,进步快, 在中低压技术领域,已完全实现国产化.超高压大多实现国产化国内中低压产品已开始走向国际市场国内在技术理念上还落后,模仿学习为主,产品工艺上有差距,关键技术上有点受制于人第20页，共90页。第21页，共90页。2.变电站自动化系统设计主流:分层分布式,按对象按间隔设计第22页，共90页。间隔层功能的实现，特别是继电保护及安全自动装置的功能的实现不能依赖于变电站层(包括网络)远方主站监控功能的实现应不依赖于变电站层设备 ,直采直送,直接遥控当地控制优先于远方控制

9、变电站层功能的实现依赖于网络和间隔层的完好性3.变电站自动化系统各层之间关系:间隔层的功能依赖于过程层,但能抗电磁干扰第23页，共90页。4.变电站自动化系统主要结构体系大多按电压等级110KV为界划分第24页，共90页。 GPS监控工作站现场总线测控装置第三方智能设备对时总线总控通信单元（远动工作站）保护测控装置RS232/422/485MODEM路由器调度总控通信单元（远动工作站）保护装置110KV及以下变电站综合自动化系统典型结构图110KV部分 35KV,10KV部分 第25页，共90页。110KV及以下变电站综合自动化系统典型结构图监控工作站现场总线测控装置第三方智能设备对时总线总控

10、通信单元（远动工作站）保护测控装置RS232/422/485MODEM路由器调度总控通信单元（远动工作站）保护装置110KV部分 35KV,10KV部分 第26页，共90页。监控工作站以太网测控装置第三方智能设备对时总线保护测控装置RS232/422/485MODEM路由器调度远动工作站）保护装置110KV及以下变电站综合自动化系统典型结构图35KV,10KV部分 110KV部分 第27页，共90页。特点：10KV保护测控一体化,110KV线路保护测控独立, 可靠性,经济性2. 现场总线与以太网并存(现状)3. 以太网取代现场总线(不久将来)4. 淡化后台作用,加强远动工作站性能,适应集控站模

11、式,无人值班模式第28页，共90页。站控层100MB网络交换机服务器A双10/100M以太网公用接口装置GPS工程师工作站操作员工作站间隔层服务器BWEB服务器五防工作站远动工作站路由器保护信息网保护信息子站高压1#继电器小室测控装置测控装置保护管理机保护装置高压2#继电器小室保护测控装置 保护管理机测控装置测控装置保护装置保护管理机对时总线MODEM调度220KV及以上变电站综合自动化系统典型结构图第29页，共90页。站控层100MB网络交换机服务器A双10/100M以太网公用接口装置GPS工程师工作站操作员工作站间隔层服务器BWEB服务器五防工作站远动工作站路由器保护信息网保护信息子站高压

12、1#继电器小室测控装置测控装置保护装置保护装置高压2#继电器小室保护测控装置 保护管理机测控装置测控装置保护装置保护装置对时总线MODEM调度220KV及以上变电站综合自动化系统典型结构图第30页，共90页。特点：1.面向间隔对象设计的2.分层分布式结构模式3.单层网为主,保护和故障录波宜单独组网4.高压保护的可靠性要求高,因而保护与测控独立第31页，共90页。三.变电站自动化系统关键技术2.防误闭锁技术3.分散式同期合闸技术4.时钟同步技术5.分散式故障录波技术6.分散式小电流接地选线技术1.网络技术第32页，共90页。三.变电站自动化系统关键技术8.分散式母线保护技术9.电压无功控制技术7

13、.分散式低周减载技术10.保护信息管理技术第33页，共90页。1.网络技术网络层完成信息传递和系统对时等功能流行两种网络层结构：即双层网和单层网结构 采用的现场总线有：Lonworks、Canbus、WorldFIP、Profibus等，速率为112M 以太网通信方式，速率为10M/100M自适应第34页，共90页。开放性实时性方便性可靠性安全性第35页，共90页。关于现场总线： 背景:现场总线是工业自动化领域的IED之间数据通信总线,是工业控制领域专家研制出的,是实业派的,更注重于经济实用 特点:联接简单,分散性,延伸性,软硬件相对简单,成本低,可靠 缺点:种类太多,无统一标准,无互联性,速

14、率有限第36页，共90页。关于以太网： 背景:从IT产业转来的数据通信网络,是大学教授和学术单位研制出来的,是学院派的,更注重未来发展 特点:高速,高宽带带来高扩充性,可统一标准,可靠 缺点:联结不如总线方便,成本高第37页，共90页。现场总线是面向底层设备的通信网络,解决IED之间通信的低端应用 以太网最初是应用于上层(管理层)的通信网络的高端应用 随着工业以太网发展,以太网设备成本下降,正在走向低端产品,用以太网一统网络世界为时不远第38页，共90页。2.防误闭锁技术何为“五防”:(1)防止误分、误合开关(2)防止带负荷拉、合隔离刀闸(3)防止带电挂(合)接地线(接地刀闸)(4)防止带接地

15、线(接地刀闸)合开关(隔离刀闸)(5)防止误入带电间隔 第39页，共90页。变电站的防误装置:微机防误闭锁、电气闭锁、电磁闭锁、机械联锁、机械程序锁、机械锁、带电显示装置等 第40页，共90页。微机防误闭锁(1)独立的五防系统(2)监控五防一体化(3)间隔层的防误闭锁功能第41页，共90页。(1)独立的五防系统包括独立的五防机及操作票管理系统、电脑钥匙、锁具 第42页，共90页。操作票管理系统主要包括规则制定、票编制、规则检查、票预演与执行 ,与电脑钥匙通讯等功能 电脑钥匙通过与五防机通讯实现票的下装、遥控令的发出、五防状态回收等功能锁具一般用来控制开关(刀闸)手动操作回路电源的投入第43页，

16、共90页。特点:遥控通过五防机操作就地人工操作必须通过电脑钥匙开锁具第44页，共90页。(2)监控五防一体化五防软件和监控软件数据库合二为一后，两者图库实现一体化，通过一次组态完成五防系统和实时监控系统的配置第45页，共90页。一体化系统的遥信状态有两个库，一个是实时遥信状态库，一个是五防状态遥信库，这两个状态库相互独立 五防一体化系统中，遥控可以直接通过监控系统实现第46页，共90页。优点:取消五防机,监控五防一体化第47页，共90页。(3)间隔层的防误闭锁功能间隔层测控装置具备直接上网功能，可以监听到网上其余测控装置的以太网报文，就可以获得变电站内全部的状态信息，从而实现实时防误闭锁第48

17、页，共90页。闭锁逻辑存放于测控装置内，与站控层计算机系统无关，即使无站控层系统也可实现全站的防误闭锁闭锁逻辑通过组态软件生成，下载到相应的测控装置 第49页，共90页。优点:多一重防误闭锁,提高可靠性;防误的独立性,有利于无人值班变电站 第50页，共90页。对手动操作设备的防误考虑 在监控(或五防)机上先预演保证操作的无误, 然后开操作票,实际操作时通过电脑钥匙及锁具保证执行顺序。对于一些没有没有实时遥信的设备，监控(或五防)机须从电脑钥匙中回收手动设备的状态 第51页，共90页。对没有电脑钥匙及锁具但有实时遥信的手动操作设备,可通过间隔层装置来实现防误操作,由间隔层装置提供闭锁接点控制操作

18、对象操作电源。 第52页，共90页。3.同期合闸技术对断路器的合闸操作,按开关两侧电压判断我们一般分为下列两种情况:1.无压情况下(一侧无压或两侧无压)的合闸操作简称“无压合闸”2.有压情况下(两侧都有压)下的合闸操作简称“有压合闸”;有压情况又按系统频率分为同频和差频两种运行方式,同频运行方式下的合闸操作我们称为“环网合闸”,差频运行方式下的合闸操作我们称为“准同期合闸”第53页，共90页。 无压合闸 合闸- 环网合闸(同频: 一个系统网,频率相同, 相角差固定小于定值) 有压合闸- 准同期合闸(差频: 两个系统网,频率不相 同,相角差发生转动)第54页，共90页。合闸操作命令来源:(1)变

19、电站运行人员通过后台的同期合闸操作一般有多种方式选择:如“无压合闸”,“同期合闸”,“试验合闸”等,也是在装置不能判PT断线的情况下的防非同期合闸的有效措施(2)变电站运行人员通过间隔层装置的同期合闸操作多种方式选择同1,为后台操作的后备第55页，共90页。(3)调度运行人员的同期合闸遥控操作一般只有一种方式选择, 由间隔层装置自动判断当前运行情况,自动选择相应的合闸方式注:在装置不能判PT断线的情况下,有非同期合闸的隐患第56页，共90页。4.时钟同步技术时钟基本上采用GPS卫星时钟授时装置提供时间及装置内部时钟技术GPS授时装置具有内部时钟测控装置第57页，共90页。目前采用两种主要的时间

20、同步技术有:(1)网络或总线时间协议传输方式1:串口或现场总线,通过通信对时报文对时同步,CPU中断响应方式2:以太网时间协议(NTP)优点:共享自动化系统网络通道缺点:准确度只能达到毫秒级第58页，共90页。(2)直接硬连接时间传输方式1:秒或分脉冲同步方式2: IRIG-B码同步对时同步优点:准确度达到微秒级缺点:硬接线连接,增加电缆第59页，共90页。监控工作站现场总线第三方智能设备协议对时(串口)保护测控装置RS232/422/485总控通信单元（远动工作站） 测控装置保护装置时间同步总线(脉冲或IRIG-B码)协议对时网络协议对时第60页，共90页。将来比较合理的时间同步方式:(1)

21、基于网络的精确同步(IEEE 1588 PTP协议)(2)IRIG-B码第61页，共90页。何为IEEE 1588的精确同步时钟的协议 (PTP):(1)实现微秒级高精度的时钟同步 (2)IEEE 1588协议采用分层的主从式模式进行时钟同步,采用软硬件结合的方法,在以太网物理层上通过时标生成器交互准确时间第62页，共90页。何为IRIG-B码: IRIG-B格式时间码（简称B码）为国际通用时间格式码，标准时统设备(GPS)送来的IRIG-B码，接受设备通过解码解出时、分、秒，并加入毫秒(或秒脉冲)信息,送入主计算机，以校准本机的系统时间 第63页，共90页。第64页，共90页。监控工作站第三

22、方智能设备IEEE1588协议同步保护测控装置总控通信单元 测控装置保护装置时间同步总线(IRIG-B码)以太网时钟1时钟2第65页，共90页。5.分散式故障录波技术故障录波的作用为：分析继电保护及安全自动装置的动作行为；分析故障过程、故障类型、故障水平、故障远近等第66页，共90页。国外产品在间隔层终端一般采用多DSP结构，集保护、录波、计量、远动功能于一体 目前国内还是专门的集中故障录波装置提供故障录波数据第67页，共90页。有观点认为:利用继电保护及安全自动装置提供的数据来替代故障录波是不恰当的，其理由为：故障录波的完好性依赖于继电保护及安全自动装置的完好性，自己不能证明自己；故障录波应

23、从模拟量输入、开关量输入、数据采集、数据的分析判断以及电源都独立于继电保护及安全自动装置。第68页，共90页。可考虑采用测控装置实现分散式故障录波利用GPS精确对时实现间隔层装置的同步相量测量利用网络实现故障时间隔层装置的同时启动和录波第69页，共90页。6.分散式小电流接地选线技术小电流接地选线的基本原理如下：(1) 对中性点不接地系统采用：比较基波零序电流大小；比较基波零序功率方向；比较基波零序电流方向；比较基波电流最大值方向。(2) 对中性点经消弧线圈接地系统采用：比较五次谐波电流大小；比较五次谐波功率方向；比较五次谐波电流方向；比较五次谐波电流最大值方向。 第70页，共90页。因此将小

24、电流接地选线分散到出线保护中，不能单独完成选线功能，必须依赖就地层所有出线保护装置、网络层、站级层的完好性，将所有出线同时刻信息汇总后，才能作出正确判断，同时刻信息的条件可以采用3U0的同时出现来满足 网络选线功能第71页，共90页。将小电流接地选线分散到出线保护中，可以独立实现自动或手动接地探索，通过跳闸和重合闸来进行。第72页，共90页。低周减载将分散到220 kV出线、110 kV出线、66 kV出线、35 kV出线、10 kV出线、220 kV主变的中低压侧后备保护、110 kV主变的中低压侧后备保护、35 kV主变的低压侧后备保护等，从而形成低周减载的网络 .定值可通过网络下载7.分

25、散式低周减载技术第73页，共90页。8.分散式母线保护技术 传统母线保护必须把母线所有的TA二次集中到母线保护装置中，母线保护的出口又必须连接到母线上各元件的跳闸回路，因此接线复杂。母线保护能否分散到线路保护中，并通过专用网络传递信息，实现母线保护功能，可以采用GPS同步。由于母线保护的重要性，因此母线保护的分散化成为又一个争论的焦点 第74页，共90页。9.电压无功控制技术电压和无功的控制一般采用调整变压器分接头，投切电容器组、电抗器组、同步调相机等方式实现。操作方式有：手动、遥控、自动。目前电压和无功的控制功能有两种实现方式：专门的电压和无功控制设备；由站级层根据就地层通过网络层提供的电压

26、、无功、抽头、开关状态等信息由软件完成。 第75页，共90页。10.保护信息管理技术迅速准确掌握电力系统故障情况及继电保护装置的动作行为及时快速分析和处理电力事故防止事故的扩大综合应用计算机技术、信息技术、网络技术利用数据网络传输电力系统事故信息和继电保护信息实现220kV及以上主干电网的故障录波数据的自动远传和综合分析第76页，共90页。四.变电站自动化技术发展趋势 IEC61850标准的推广应用.基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准.提高互操作性，工程实现方便.面向对象，即面向设备.国内外研究情况第77页，共90页。控制中心人机接口技术服务交换机路由器站级总线保护1 监控 设备智

27、能开关设备电子式TA/TV保护2保护1 监控 设备智能开关设备电子式TA/TV保护2IEC61850-9-2过程总线交换机交换机第78页，共90页。变电站自动化系统向高集成化方向发展.新型的大规模集成电路进一步应用在保护和测控装置上,将使电路板更加小型集成化,装置通信、数据存储及处理能力更强.将控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能,通过模块化设计集成在一个装置内.间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信可统一用一层网即光纤以太网来实现第79页，共90页。变电站自动化系统向数字化方向发展. 智能开关设备、光电式电压和电流互感器、智能电子装置(IED)等的研制.智能化一次设备

28、的数字化传感器、数字化控制回路逐渐取代传统的一次回路,数字信号取代模拟信号. 国内外情况,ABB插接式智能组合电器(PASS)、SF6气体绝缘开关(GIS)、高压直流(HVDC)及中低压开关柜中得到应用 第80页，共90页。电子式TA、TV的优点1）体积小、重量轻，电压高时更是如此；2）便于和数字设备连接，实现智能化多功能；3）绝缘性能好，造价低；4）不含铁芯，消除了磁饱和、铁磁谐振等问 题；5）暂态特性好，测量精度高；6）频率响应范围宽。第81页，共90页。组合开关驱动组合隔离刀闸、地刀断路器母线套管气体检测断路器驱动电流、电压组合传感器PASS示意图第82页，共90页。PASS应用实例Blackwall S