電力系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)

1、變電站綜合自動化的根本概念:變電站綜合自動化是將變電站的二次設(shè)備 包括測量儀表、信號 系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動裝置和遠(yuǎn)動裝置等經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設(shè) 計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技 術(shù)，實(shí)現(xiàn)對全變電站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動監(jiān)視、測量、 自動控制和微機(jī)保護(hù)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動化功能。變電站綜合自動化系統(tǒng)，即利用多臺微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電 路組成的自動化系統(tǒng)，代替常規(guī)的測量和監(jiān)視儀表，代替常規(guī)控制屏、 中央信號系統(tǒng)和遠(yuǎn)動屏，用微機(jī)保護(hù)代替常規(guī)的繼電保護(hù)屏， 改變常 規(guī)的繼電保護(hù)裝置不能與外界通信的缺陷。因此，變電站綜合自動化系統(tǒng)是自動化技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技

2、術(shù)和通信 技術(shù)等高科技在變電站領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。常規(guī)變電站的二次設(shè)備由以下幾局部組成： 繼電保護(hù)、自動裝置、 測量儀表、操作控制屏和中央信號屏以及遠(yuǎn)動裝置 較多變電站沒有 遠(yuǎn)動裝置。在微機(jī)化以前，這幾大局部不僅功能不同，實(shí)現(xiàn)的原理和技術(shù)也 各不一樣，因而長期以來形成了不同的專業(yè)和管理部門。變電站綜合自動化的內(nèi)容應(yīng)包括電氣量的采集和電氣設(shè)備如斷路器等的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)變電站正常運(yùn)行的監(jiān)視和操作，保證變電站的正常運(yùn)行和平 安。發(fā)生事故時(shí)，由繼電保護(hù)和故障錄波等完成瞬態(tài)電氣量的采集、 監(jiān)視和控制，并迅速切除故障和完成事故后的恢復(fù)正常操作從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看， 綜合自動化系統(tǒng)的內(nèi)容還應(yīng)包括高壓電器設(shè)

3、備 本身的監(jiān)視信息如斷路器、變壓器和避雷器等的絕緣和狀態(tài)監(jiān)視 等。除了需要將變電站所采集的信息傳送給調(diào)度中心外， 還要送給運(yùn) 行方式科和檢修中心， 以便為電氣設(shè)備的監(jiān)視和制定檢修方案提供原 始數(shù)據(jù)。變電站自動化需完成的功能分為以下幾種功能組：1、控制、監(jiān)視功能。2、自動控制功能。3、測量表計(jì)功能。4、繼電保護(hù)功能。5、與繼電保護(hù)有關(guān)功能。6、接口功能。7、系統(tǒng)功能。變電站的數(shù)據(jù)包括：模擬量、開關(guān)量和電能量。 變電站需采集的模擬量有：各段母線電壓、線路電壓、電流、有功功 率、無功功率； 主變壓器電流、 有功功率和無功功率； 電容器的電流、 無功功率；饋出線的電流、電壓、功率以及頻率、 相位、功率

4、因數(shù)等。 還有主變壓器油溫、直流電源電壓、站用變壓器電壓等。對模擬量的采集，有直流采樣和交流采樣兩種方式變電站需采集的開關(guān)量有： 斷路器的狀態(tài)、 隔離開關(guān)狀態(tài)、 有載調(diào)壓 變壓器分接頭的位置、 同期檢測狀態(tài)、 繼電保護(hù)動作信號、 運(yùn)行告警 信號等。這些信號都以開關(guān)量的形式，通過光電隔離電路輸入至計(jì)算機(jī) 對于斷路器的狀態(tài)， 采用中斷輸入方式或快速掃描方式， 以保證對斷 路器變位的采樣分辯率能在 5ms 之內(nèi)。對于隔離開關(guān)狀態(tài)和分接頭位置等開關(guān)信號，不必采用中斷輸入方 式，可以用定期查詢方式讀入計(jì)算機(jī)進(jìn)展判斷。近年來微機(jī)繼電保護(hù)裝置， 大多數(shù)具有串行通信功能， 因此其保護(hù)動作信號可通過串行口或局域

5、網(wǎng)絡(luò)通信方式輸入計(jì)算機(jī)。電能計(jì)量 電能計(jì)量是指對電能量的采集包括有功電能和無功電能 。 兩種方法：1、電能脈沖計(jì)量法 這種方法的實(shí)質(zhì)是傳統(tǒng)的感應(yīng)式的電能表與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物， 即對原來感應(yīng)式的電能表加以改造， 使電能表轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈便輸出一 個(gè)或兩個(gè)脈沖， 用輸出脈沖數(shù)代替轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的圈數(shù)， 計(jì)算機(jī)可以對這 個(gè)輸出脈沖進(jìn)展計(jì)數(shù)，將脈沖乘以標(biāo)度系數(shù)，便得到電能量。 有兩種常用儀表可供選用： 1、脈沖電能表。 2、機(jī)電一體化電能計(jì)量 儀表。2、軟件計(jì)算方法 其實(shí)質(zhì)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用交流采樣得到的電流、 電壓值，通過軟件 計(jì)算出有功電能和無功電能。目前軟件計(jì)算電能有兩種途徑：1、在監(jiān)控系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集

6、系統(tǒng)中計(jì)算2、用微機(jī)電能計(jì)量儀表計(jì)算。事件順序記錄 SOE 包括斷路器跳合閘記錄、保護(hù)動作順序記錄。故障錄波和測距：110KV 及以上的重要輸電線路距離長、發(fā)生故障影響大，必須盡快 查找出故障點(diǎn)，以便縮短修復(fù)時(shí)間，盡快恢復(fù)供電，減少損失。設(shè)置 故障錄波和故障測距是解決此問題的最好途徑。變電站的故障錄波和測距可采用兩種方法實(shí)現(xiàn)， 一是由微機(jī)保護(hù)裝置 兼作故障記錄和測距， 再將記錄和測距結(jié)果送監(jiān)控機(jī)存儲及打印輸出 或直接送調(diào)度主機(jī)，但故障記錄的量有限； 另一種方法是采用專用的微機(jī)故障錄波器， 并且故障錄波器應(yīng)具有串 行通信功能，可以與監(jiān)控系統(tǒng)通信。故障記錄：35KV 、10KV 和 6KV 的配電

7、線路很少專門設(shè)置故障錄波器，為了分 析故障的方便，可設(shè)置簡單故障記錄功能。 故障記錄是記錄繼電保護(hù)動作前后與故障有關(guān)的電流量和母線電壓， 故障記錄量的選擇可以按以下原那么考慮： 如果微機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)具有 故障記錄功能，那么該保護(hù)單元的保護(hù)啟動同時(shí)，便啟動故障記錄， 這樣可以直接記錄發(fā)生事故的線路或設(shè)備在事故前后的短路電流和 相關(guān)的母線電壓的變化過程； 假設(shè)保護(hù)單元不具備故障記錄功能， 那么可以采用保護(hù)啟動監(jiān)控機(jī)數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)， 記錄主變壓器電流和高壓母線電壓。 記錄時(shí)間一般可考 慮保護(hù)啟動前 2 個(gè)周波即發(fā)現(xiàn)故障前 2 個(gè)周波和保護(hù)啟動后 10 個(gè)周波以及保護(hù)動作和重合閘等全過程的情況， 在保護(hù)

8、裝置中最好能 保存連續(xù) 3 次的故障記錄。操作控制功能： 無論是無人值班還是少人值班變電站，操作人員都可通過 CRT 對斷 路器和隔離開關(guān)進(jìn)展分、 合操作，對變壓器分接開關(guān)位置進(jìn)展調(diào)節(jié)控 制，對電容器進(jìn)展投、切控制，同時(shí)要能承受遙控操作命令，進(jìn)展遠(yuǎn) 方操作；為防止計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)無法操作被控設(shè)備， 在設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)保存人工 直接跳、合閘手段。斷路器操作應(yīng)有閉鎖功能，操作閉鎖應(yīng)包括以下內(nèi)容：1、斷路器操作時(shí)，應(yīng)閉鎖自動重合閘。2、當(dāng)?shù)剡M(jìn)展操作和遠(yuǎn)方控制操作要互相閉鎖，保證只有一處操作， 以免互相干擾。3、根據(jù)實(shí)時(shí)信息，自動實(shí)現(xiàn)斷路器與隔離開關(guān)間的閉鎖操作。4、無論當(dāng)?shù)夭僮骰蜻h(yuǎn)方操作，都應(yīng)有防誤操作

9、的閉鎖措施，即要收 到返校信號后， 才執(zhí)行下一項(xiàng)； 必須有對象校核、 操作性質(zhì)校核和命 令執(zhí)行三步，以保證操作的正確性。平安監(jiān)視功能： 監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，對采集的電流、電壓、主變壓器溫度、頻率 等量，要不斷進(jìn)展越限監(jiān)視，如發(fā)現(xiàn)越限，立刻發(fā)出告警信號，同時(shí) 記錄和顯示越限時(shí)間和越限值，另外，還要監(jiān)視保護(hù)裝置是否失電， 自控裝置工作是否正常等。人機(jī)聯(lián)系功能：1、人機(jī)聯(lián)系橋梁。 CRT 顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤。 變電站采用微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后， 無論是有人值班還是無人值班站， 最大 的特點(diǎn)之一是操作人員或調(diào)度員只要面對 CRT 顯示器的屏幕，通過 操作鼠標(biāo)或鍵盤， 就可對全站的運(yùn)行工況和運(yùn)行參數(shù)一目了然，

10、 可對 全站的斷路器和隔離開關(guān)等進(jìn)展分、 合操作，徹底改變了傳統(tǒng)的依靠 指針式儀表和依靠模擬屏或操作屏等手段的操作方式。2、CRT 顯示畫面內(nèi)容 顯示的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：1、顯示采集和計(jì)算的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)。2、顯示實(shí)時(shí)主接線圖。主接線圖上斷路器和隔離開關(guān)的位置要與實(shí)際狀態(tài)相對應(yīng)。3、事件順序記錄 SOE 顯示。顯示所發(fā)生的事件內(nèi)容及發(fā)生事件的時(shí)間。4、越限報(bào)警顯示。顯示越限設(shè)備名、越限值和發(fā)生越限的時(shí)間。5、值班記錄顯示。6、歷史越勢顯示。 顯示主變壓器負(fù)荷曲線、母線電壓曲線等。7、保護(hù)定值和自控裝置的設(shè)定值顯示。8、其他。 包括故障記錄顯示、設(shè)備運(yùn)行狀況顯示等。3、輸入數(shù)據(jù)。 需要輸入的數(shù)據(jù)

11、至少有以下幾種內(nèi)容：1、TA 和 TV 變比。2、保護(hù)定值和越限報(bào)警定值。3、自控裝置的設(shè)定值。4、運(yùn)行人員密碼打印功能： 監(jiān)控系統(tǒng)配備打印機(jī)，完成以下打印記錄功能： 1、定時(shí)打印報(bào)表和運(yùn)行日志。2、開關(guān)操作記錄打印。3、事件順序記錄打印。4、越限打印。5、召喚打印。6、抄屏打印。7、事故追憶打印。對于無人值班變電站， 可不設(shè)當(dāng)?shù)卮蛴」δ埽?各變電站的運(yùn)行報(bào)表集 中在控制中心打印輸出。數(shù)據(jù)處理與記錄功能： 歷史數(shù)據(jù)的形成和存儲是數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容。 為滿足繼電保護(hù)專業(yè)和變電站管理的需要，必須進(jìn)展一些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)， 其內(nèi)容包括：1、主變和輸電線路有功和無功功率每天的最大值和最小值以及相應(yīng) 的時(shí)間。2

12、、母線電壓每天定時(shí)記錄的最高值和最低值以及相應(yīng)的時(shí)間。3、計(jì)算受配電電能平衡率。4、統(tǒng)計(jì)斷路器動作次數(shù)。5、斷路器切除故障電流和跳閘次數(shù)的累計(jì)數(shù)。6、控制操作和修改定值記錄諧波分析與監(jiān)視：隨著非線性器件和設(shè)備的廣泛應(yīng)用， 電氣化鐵路的開展和家用電器的 不斷增加，電力系統(tǒng)的諧波含量顯著增加。電力系統(tǒng)的電力變壓器和高壓直流輸電中的換流站是系統(tǒng)本身的諧 波源。電力網(wǎng)中的電氣化鐵路、 地鐵、電弧爐煉鋼、 大型整流設(shè)備等非線性 不平衡負(fù)荷是負(fù)載注入電網(wǎng)的大諧波源。各種家電電器，如單相風(fēng)扇、紅外電器、電視機(jī)、收音機(jī)、調(diào)光日光 燈等均是小諧波源。諧波對電力系統(tǒng)本身的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 增加輸電線損

13、耗； 消耗電力系統(tǒng)的無功儲藏； 影響自動裝置的可靠運(yùn) 行；更為嚴(yán)重的是影響繼電保護(hù)的正確動作。對接入電力系統(tǒng)中的設(shè)備影響主要是： 測量儀表的測量誤差增加； 電 動機(jī)產(chǎn)生額外的熱損耗；用電設(shè)備的運(yùn)行平安性下降。對電力系統(tǒng)外的影響主要是對通信設(shè)備的電磁干擾。抑制諧波有兩種途徑：1、主動型。從產(chǎn)生諧波的電力電子裝置本身出發(fā)，設(shè)計(jì)不產(chǎn)生諧波 的裝置。2、被動型即外加濾波器來消除諧波。 通常濾波器有兩種： 無源濾波器、 有源濾 波器。一般常用 LC 或 LRC 無源濾波器來抑制諧波，這種方法本錢低、原 理簡單、技術(shù)成熟，目前被廣泛采用。例如在變電站的并聯(lián)無功補(bǔ)償電容器組中， 為了防止電容器投入運(yùn)行 時(shí)對

14、某幾次諧波的放大作用， 故在電容器回路中串入局部電抗器， 就 是為了消除 3、5、7 次諧波而設(shè)計(jì)的。電力濾波器有多種類型： 并聯(lián)有源電力濾波器與并聯(lián)無源濾波器組成 混合型電力濾波器；也有串聯(lián)有源濾波器與并聯(lián)無源濾波器組成混合 型的方案。造成系統(tǒng)電壓下降的主要原因是系統(tǒng)的無功功率缺乏或無功功率分 布不合理。所以， 對發(fā)電廠來說， 主要的調(diào)壓手段是調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵磁； 在變電 站主要的調(diào)壓手段是調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭位置和控制無功補(bǔ) 償電容器。少數(shù) 220KV 以上的高壓或超高壓變電站裝有調(diào)相機(jī)或靜止無功補(bǔ)償 器，有的變電站既裝有并聯(lián)電容器也裝有并聯(lián)補(bǔ)償電抗器。在變電站中， 對電壓和無功的自動控

15、制， 主要是自動調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變 壓器的分接頭位置和自動控制無功補(bǔ)償設(shè)備 電容器、 電抗器、調(diào)相 機(jī)等的投、切或控制其運(yùn)行工況。電力系統(tǒng)的電壓、頻率是電能質(zhì)量重要的指標(biāo)。同步傳送方式 同步傳送方式又稱為無條件程序控制方式。這種傳送方式只適合于CPU 與比擬簡單而且數(shù)據(jù)狀態(tài)變化速度緩慢或變化速度是固定的外 設(shè)交換信息時(shí)采用。這類設(shè)備用作輸入時(shí)，其數(shù)據(jù)保持時(shí)間相對于 CPU 的處理速度慢得 多，因此可以認(rèn)為其數(shù)據(jù)總是準(zhǔn)備好的， CPU 要讀其狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)， 只要隨時(shí)對它執(zhí)行輸入指令， 就可以把狀態(tài)數(shù)據(jù)讀入， 不必事先查詢 它的工作狀態(tài)。同步傳送方式必須確保執(zhí)行輸入指令時(shí)， 外設(shè)一定是準(zhǔn)備好的， 而執(zhí)

16、行輸出操作時(shí)，外設(shè)一定是空的，即 CPU 與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)時(shí)必須保 證同步。這對于許多外設(shè)來說， 是比擬難實(shí)現(xiàn)的。 特別是一些數(shù)據(jù)狀態(tài)變化不 規(guī)那么的外設(shè)，如果傳送數(shù)據(jù)時(shí)， CPU 與外設(shè)不同步，那么傳送數(shù) 據(jù)便要出錯(cuò)。為了解決此問題，使 CPU 能與各種速度的外設(shè)配合工 作，可以采用查詢傳送方式。查詢傳送方式 查詢傳送方式又稱條件程序傳送方式或異步傳送方式。特點(diǎn)是 CPU 在對輸入 /輸出設(shè)備傳送數(shù)據(jù)前， 先輸入外設(shè)的狀態(tài)， 并 測試其是否“準(zhǔn)備好，只有在測試到輸入 /輸出設(shè)備已準(zhǔn)備就緒后， CPU 才對輸入 /輸出設(shè)備傳送數(shù)據(jù)。輸入/輸出設(shè)備所謂“準(zhǔn)備好，對于輸入設(shè)備來說，即輸入存放器 已滿

17、-已準(zhǔn)備好新數(shù)據(jù)供 CPU 讀?。粚τ谳敵鲈O(shè)備而言， 即輸出存放 器已空原有數(shù)據(jù)已被使用 ，可以接收 CPU 送新的數(shù)據(jù)。 由于查詢方式是在查詢到條件滿足時(shí)，再傳送，其傳送也是靠輸入、 輸出程序進(jìn)展的，因此也稱條件傳送方式。同步傳送方式雖然簡單，但只適合于變化速度緩慢的外設(shè)。 查詢傳送方式雖然解決了 CPU 可與各種速度的外設(shè)配合工作的問 題，但 CPU 必須不斷查詢外設(shè)的狀態(tài)，占用了 CPU 大量的時(shí)間。 在查詢方式中， CPU 一直處于主動地位，而外設(shè)是被動待查，如果 多個(gè)外設(shè)同時(shí)工作，都要等待 CPU 去查詢，造成有些已準(zhǔn)備好的外 設(shè)或有緊急情況需要 CPU 立刻處理，而得不到及時(shí)的處理

18、。中斷控制輸入 /輸出方式中斷傳送方式，即當(dāng) CPU 需要與外設(shè)交換信息時(shí)，假設(shè)外設(shè)要輸入 CPU 的數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，存放于輸入存放器中，或在輸出時(shí)，假設(shè)外 設(shè)已把上一個(gè)數(shù)據(jù)取走，即輸出存放器已空，那么由外設(shè)向 CPU 發(fā) 出中斷申請，CPU接到外設(shè)的申請后，假設(shè)沒有更重要的處理，CPU 就暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序 即實(shí)現(xiàn)中斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行輸入或輸出操作 稱 中斷效勞，待輸入或輸出操作完成后返回， CPU 再繼續(xù)執(zhí)行原來的 程序，這樣就大大提高 CPU 的效率，同時(shí)使外設(shè)發(fā)生的事件能及時(shí) 得到處理，因此，有了中斷傳送方式后， CPU 可以與多個(gè)外設(shè)同時(shí) 工作。直接存儲器訪問方式 DMA 方式中斷傳送仍是由

19、 CPU 通過程序來完成的，在中斷效勞程序中，不僅 要有完成信息傳輸?shù)某绦蚨危?還必須保護(hù)斷點(diǎn)、 保護(hù)現(xiàn)場、中斷效勞 程序執(zhí)行完后， 還必須恢復(fù)現(xiàn)場等， 這些工作都靠程序來完成， 因此 執(zhí)行這些程序也要花費(fèi)時(shí)間，用中斷方式來傳輸信息就顯得太慢了。 為了解決此問題，希望用硬件在外設(shè)與內(nèi)存間直接進(jìn)展數(shù)據(jù)交換即DMA，而不通過CPU，這樣數(shù)據(jù)傳送速度的上限就取決于存儲器的 工作速度。在變電站綜合自動化系統(tǒng)中， DMA 傳送方式也是常采用的方式之一。 如在 CPU 的微機(jī)保護(hù)模塊中，可以由一個(gè) CPU 負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，另 一個(gè) CPU 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算和判斷被保護(hù)對象是否發(fā)生故障或異 常情況，并進(jìn)展故障處理等。利用 DMA 技術(shù)，將采樣 CPU 存入存 儲器中的最新數(shù)據(jù)，直接傳送給數(shù)據(jù)處理的 CPU 的存儲器。由于兩 臺 CPU 間數(shù)據(jù)的傳送是由 DMA 控制器控制的，因此兩臺機(jī)完全可 以并行工作， 既不影響采樣機(jī)的連續(xù)采樣， 也不影響數(shù)據(jù)處理機(jī)的數(shù) 據(jù)處理和故障處理，保證了保護(hù)動作的快速性?？垢蓴_最簡單的方法有：1、光電隔離 利用光電耦合器可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場開關(guān)量與計(jì)算機(jī)總線之間的完全隔離， 光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。 發(fā)光二極管和光敏三極 管之間是絕緣的，兩者都封裝于同一芯片中。2