變電站綜合自動化2013

變電站綜合自動化

主講魯文軍湖南大學電氣及信息工程學院476536913@1、變電站綜合自動化系統(tǒng)概述1.1、變電站綜合自動化系統(tǒng)的定義1.2、變電站綜合自動化系統(tǒng)的基本特征

1.3、變電站自動化技術的發(fā)展歷程1.4、變電站綜合自動化系統(tǒng)的功能描述

1.5、變電站綜合自動化系統(tǒng)當前發(fā)展特點1.6、變電站綜合自動化系統(tǒng)今后發(fā)展趨勢

變電站自動化系統(tǒng)的典型配置集中式結構變電站自動化系統(tǒng)的硬件結構模式無人值班改造：RTU+保護變電站自動化系統(tǒng)的硬件結構模式

早期的集中式系統(tǒng)結構模式

這種系統(tǒng)集中采集變電站的模擬量、開關量和脈沖量等信息，集中進行計算和處理，分別完成微機監(jiān)控、保護和一些自動控制功能。集中結構并非指由單一的計算機完成保護和監(jiān)控的全部功能。作為變電站自動化系統(tǒng)，這種結構模式已被淘汰，但是RTU作為集中式系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)產物，得到了獨立發(fā)展，目前仍然在國內發(fā)電廠中大量使用。 集中式系統(tǒng)的缺點：功能過于集中，設備故障影響面大軟件復雜，修改和維護工作量大組態(tài)不靈活，影響批量生產保護未按對象配置，維護不便變電站自動化系統(tǒng)的硬件結構模式

分層分布式系統(tǒng)結構模式

特點：采用分層式結構設計（2~3層結構）采用分布式結構（各設備相互協(xié)調、獨立工作）采用面向間隔的結構（每個電氣間隔配置一個或多個IED設備）優(yōu)點：各設備獨立完成部分功能，系統(tǒng)故障影響小，可靠性高不同的電氣間隔，IED軟硬件相似，便于批產和組態(tài)實現間隔層IED的就地布置，節(jié)省大量電纜，方便檢修減少了現場施工和設備安裝的工程量，調試和維護方便顯著地縮小了變電站主控室的面積。變電站擴建時，系統(tǒng)擴展方便變電站層網絡層間隔層區(qū)調縣調通道接口主站1通道接口主站2通道接口主站3通道接口主站4顯示器PC機

打印機

主站5當地監(jiān)控工程師站公用電話線PC機PC機主站6MODEM遠方工程師站

10kV

線路保護

CSL216B

10kV

電容器保護

CSP200A主變保護CST213ACST31A

斷路器控制單元

CSI301A

備自投

CSB21A

綜合測量單元

CSD12A分段保護

CSL216B接地變保護

CST301A

專用測量單元

CSD12ALON雙絞線網裝于開關柜上主變保護柜備投柜公用柜

電度表柜

電度表1

電度表n輔助接口其它裝置或系統(tǒng)變電站典型配置圖變電站自動化系統(tǒng)的結構和配置變電站自動化系統(tǒng)的硬件結構模式分層分布式系統(tǒng)結構模式

1.1綜自系統(tǒng)概述—定義

變電站綜合自動化系統(tǒng)，是利用多臺微處理器及嵌入式CPU和大規(guī)模集成電路組成的分層分布式的自動化系統(tǒng)，它以計算機技術為基礎，實現對變電站傳統(tǒng)的繼電保護、測量手段、控制方式、通信結構和管理模式的全面改造和升級。 該系統(tǒng)將變電站的二次設備，包括測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等，經過功能的重新組合和優(yōu)化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術、信號處理技術和通信技術、實現對全變電站的主要設備和輸、配電線路的綜合性的自動化功能。這些包括：自動監(jiān)視、遠程測量、自動控制、微機保護，以及與調度通信等。1.1綜自系統(tǒng)概述—定義

在國內，變電站綜合自動化系統(tǒng)從通俗意義上講，指的是包含傳統(tǒng)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護、自動裝置等各種數字式設備，是集保護、測量、監(jiān)視、控制、遠傳等功能為一體，通過數字通信及網絡技術來實現信息共享的一套微機化的二次設備及系統(tǒng)。 該系統(tǒng)之所以冠名綜合自動化系統(tǒng)，是為了區(qū)別于以往只實現了局部功能的變電站自動化系統(tǒng)，例如采用常規(guī)保護加RTU構成的變電站自動化系統(tǒng)。國外也有文章稱綜合自動化系統(tǒng)為“一體化的變電站控制與保護系統(tǒng)”。1.1綜自系統(tǒng)概述—定義

從國際上看，在1997年的國際大電網會議（CIGRE）上，國際電工委員會（IEC）WG34.03工作組根據變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展的情況，在“變電站內數據流的通信要求”報告中，提出了“變電站自動化”（SA，SubstationAutomation）和“變電站自動化系統(tǒng)”（SAS，SubstationAutomationSystem）兩個名詞。 此名詞被國際電工委員會的TC57技術委員會（即電力系統(tǒng)通信和控制技術委員會）在制定的IEC61850變電站通信網絡和系統(tǒng)標準中采納。在IEC61850標準中，對變電站自動化系統(tǒng)（SAS）的定義為：變電站自動化系統(tǒng)就是在變電站內提供包括通信基礎設施在內的自動化。1.2綜自系統(tǒng)概述—基本特征變電站綜合自動化系統(tǒng)具有如下特征：系統(tǒng)功能綜合化

綜合了除交直流電源外的全部二次系統(tǒng)，綜合不是簡單的拼湊，而是功能的重新劃分和性能指標的最優(yōu)。系統(tǒng)構成的模塊化和數字化 面向被控對象，形成模塊化設計，并以模塊化為基礎實現系統(tǒng)的靈活組態(tài)（例如出線按間隔配置，規(guī)模可大可?。６K化內部又實現了微機化。系統(tǒng)結構分布、分層、分散化 系統(tǒng)結構從功能上采用分層設計（分三層），從物理位置上分散就近安裝（中壓安裝在高壓柜上，可靠性遠高于集中式）。各子系統(tǒng)分布設計、并列運行、協(xié)調工作。1.2綜自系統(tǒng)概述—基本特征操作監(jiān)視屏幕化

以往的模擬屏被顯示器上實時刷新的主接線圖取代，以往的把手控制操作被鍵盤鼠標操作取代，以往的光字牌告警被計算機上的數字光字牌、文字提示及語音告警取代，以往的指針顯示被顯示器的數字顯示替代通信網絡化 以往用于傳輸設備信息的是傳輸模擬量或硬接點狀態(tài)量的電纜，且數量龐大，現在采用以傳輸串行數字信號用的少量通訊電纜或光纜。網絡化的通訊方式使得施工更為簡單、組態(tài)和擴容更為靈活。運行管理智能化

運行管理的自動化不僅表現在常規(guī)功能（抄表、VQC、接地試拉、故障隔離和恢復）的自動化上，更體現在在線自動診斷、狀態(tài)檢修和智能告警上。1.3綜自系統(tǒng)概述—發(fā)展歷程80年代中期90后-00年代70年代國內變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展歷程分立的保護和自動化設備微機RTU設備和純微機保護分散的微機測控和分散的微機保護80后-90年中真正實現綜合自動化1.3綜自系統(tǒng)概述—發(fā)展歷程影響變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展的關鍵技術計算機技術計算機尤其是微處理器技術的發(fā)展，決定著變電站自動化系統(tǒng)模塊集成度的提高和功能的優(yōu)化。例如早期的8位機產生了功能簡單的微機保護和RTU設備，現在的32位機及DSP實現了功能強大的中壓保護測控一體化設備和高壓主后備一體化保護，也實現了保護和控制邏輯的PLC編程，同時也催生了IEC61850標準研究應用。串行通訊技術通訊技術尤其是以太網技術的發(fā)展，決定著變電站自動化系統(tǒng)信息的融合和共享。例如早期的載波技術低速通訊產生了CDT規(guī)約實現有限信息的上傳，現在的光纖以太網通訊促成了IEC61850的標準體系的建立，實現了變電站各設備間的無縫接入和信息的全面共享。1.4綜自系統(tǒng)概述—功能描述基本功能：測量、監(jiān)視、控制功能設備保護和安穩(wěn)保護功能BZT、VQC、程序化操作等自動控制等功能遠動及數據通信功能自診斷、自恢復和自動切換功能高級功能：視頻聯(lián)動和故障區(qū)域成像在線監(jiān)視和設備故障早期預警電能質量監(jiān)視和諧波治理電網故障輔助分析和設備缺陷的統(tǒng)計1.5綜自系統(tǒng)概述—當前發(fā)展特點從集中控制，功能分散型向全分散網絡型發(fā)展 核心思想在于通過I/O單元的就地化減少傳統(tǒng)電纜的敷設 集中的RTU設備面向電氣間隔分散安裝的單元測控 集中的母差保護面向電氣間隔分散安裝的分布式母差 集中的故障錄波面向電氣間隔分散安裝的故障錄波系統(tǒng)

IO單元的就地化也催生了一次設備的智能化從專用設備的開發(fā)到標準的軟硬件平臺開發(fā)

核心思想在于生產的簡單化和規(guī)模化

采用標準機箱結構（1/3、1/2、全寬），相同的核心模件，靈活配置的I/O模件（插件），實現硬件平臺開發(fā)和生產的標準化，產品從定制化走向標準化，大大減少了備件的數量和安裝維護工作量。 在功能強勁硬件平臺上，采用由嵌入式操作系統(tǒng)和PLC技術構建的軟件平臺，通過植入多種保護元件和邏輯塊，實現功能的靈活組態(tài)（不同的保護相同的軟件如、軟硬件升級各自完全獨立）1.5綜自系統(tǒng)概述—當前發(fā)展特點從集中控制向綜合智能控制發(fā)展

采集和控制單元的就地化引發(fā)了跨專業(yè)綜合智能化發(fā)展。典型的如中壓間隔管理單元，實現了繼電保護、故障錄波、電氣測量、自動控制、電度計量、狀態(tài)監(jiān)視、設備維護、自我診斷等功能于一體，真正實現了綜合化和智能化從屏幕數據監(jiān)視到多媒體多維度監(jiān)視發(fā)展

得益于視頻監(jiān)控和在線監(jiān)測技術的發(fā)展，現代變電站計算機監(jiān)控從原先的畫面、文字和實時數據的刷新轉為語音告警、視頻聯(lián)動、故障點成像、健康指數顯示等多媒體多維度可視化監(jiān)視，即“四遙”->“六遙”（增加遙視和遙診）1.5綜自系統(tǒng)概述—當前發(fā)展特點實現系統(tǒng)縱向和橫向的綜合

通訊協(xié)議的標準化促進了智能設備間的互操作性和無縫融合，既實現橫向設備及子系統(tǒng)間的信息共享和電氣互閉鎖，也實現了縱向層面的數據的交互和數據源的一致性。（由縱向為主->橫縱結合）1.6綜自系統(tǒng)概述—今后發(fā)展趨勢 變電站的全面數字化和智能化是變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。

數字化、智能化變電站的基本目標是：一次設備智能化二次設備網絡化運行管理自動化

數字化、智能化變電站的核心標準是：

IEC61850(DL/T860)變電站網絡與通信協(xié)議（Communicationnetworksandsystemsinsubstations）1.6綜自系統(tǒng)概述—今后發(fā)展趨勢1.6.1一次設備的智能化前置的信號采集系統(tǒng)

后移的智能控制回路

一次設備的狀態(tài)監(jiān)視（CT、PT、變壓器、開關）典型特征： 一次設備采集和控制的核心采用了微處理器和光電通訊技術設計，與二次設備的連接的常規(guī)強電模擬信號和控制電纜被以光纖為媒介的數字網絡所代替，也就是數字信號網絡取代傳統(tǒng)的導線連接。1.6綜自系統(tǒng)概述—今后發(fā)展趨勢一次設備的智能化的關鍵技術：非常規(guī)互感器的應用(兩種互感器的優(yōu)缺點)

OCT（光電式）、ECT/EVT（Rogowski羅氏線圈）的應用智能化開關柜的應用

通過就地配置智能控制單元，實現控制操作和狀態(tài)傳輸的數字化，具備就地電氣閉鎖和自適應分合閘操作等功能，通過對開關在線監(jiān)測和診斷，實現狀態(tài)檢修。其它智能化一次設備

通過就地配置智能控制單元，實現控制操作和狀態(tài)傳輸的數字化，完成對變壓器、電抗器油中氣體監(jiān)視、避雷器絕緣性能監(jiān)視和高壓設備的局放監(jiān)測，實現狀態(tài)檢修。1.6綜自系統(tǒng)概述—今后發(fā)展趨勢1.6.2二次設備的網絡化 二次設備的網絡化包括兩個方面：傳輸媒介網絡化信息交互網格化典型特性：

變電站內常規(guī)的二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接全部采用高速的網絡通信，二次設備不再出現常規(guī)功能裝置重復的I/O現場接口，通過網絡真正實現數據共享、資源共享，常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊1.6綜自系統(tǒng)概述—今后發(fā)展趨勢1.6.3運行管理的自動化電力生產運行數據、狀態(tài)記錄統(tǒng)計無紙化；數據信息分層、分流交換自動化；故障診斷自動化，故障時能即時提供故障分析報告，指出故障原因，提出故障處理意見；自動發(fā)出變電站設備檢修報告，即常規(guī)的變電站設備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。1.6綜自系統(tǒng)概述—今后發(fā)展趨勢1.6.4IEC61850標準:變電站IED通向國際標準之路一個世界

一種技術

一個標準IEC61850IEC60870-5IEC60870-6經驗只有IEC61850能提供變電站IT的全面解決方案所有主要的變電站技術的供貨商都是IEC61850成員US委員會USTAG的IECTC57工作組10,11和12明確申明IEC作為變電站自動化的唯一標準國際認同標準IEC61850US通過UCA?2第2章變電站自動化系統(tǒng)的結構和配置2.1變電站自動化系統(tǒng)的分層和邏輯接口2.2變電站的智能電子設備定義2.3變電站自動化系統(tǒng)的硬件結構模式2.4變電站自動化系統(tǒng)的配置原則2.5變電站自動化系統(tǒng)的典型配置變電站層網絡層間隔層區(qū)調縣調通道接口主站1通道接口主站2通道接口主站3通道接口主站4顯示器PC機

打印機

主站5當地監(jiān)控工程師站公用電話線PC機PC機主站6MODEM遠方工程師站

10kV

線路保護

CSL216B

10kV

電容器保護

CSP200A主變保護CST213ACST31A

斷路器控制單元

CSI301A

備自投

CSB21A

綜合測量單元

CSD12A分段保護

CSL216B接地變保護

CST301A

專用測量單元

CSD12ALON雙絞線網裝于開關柜上主變保護柜備投柜公用柜

電度表柜

電度表1

電度表n輔助接口其它裝置或系統(tǒng)變電站典型配置圖第2章變電站自動化系統(tǒng)的結構和配置2.1變電站自動化系統(tǒng)的分層和邏輯結構

IEC國際電工委員會TC57技術委員會（電力系統(tǒng)控制和通信技術委員會）在制定IEC61850系列標準時，把變電站自動化系統(tǒng)的功能在邏輯上劃分為3個層次:

站控層(stationlevel) 間隔層(baylevel) 過程層(processlevel)各層次間采用高速網絡通訊。站控層間隔層過程層高壓一次設備（1）過程層設備過程層實際上是指與變電站一次設備斷路器、隔離開關和電流互感器TA、電壓互感器TV接口設備。（2）間隔層設備變電站自動化系統(tǒng)在間隔層的設備主要有各種微機保護裝置、自動控制裝置、數據采集裝置和RTU等等。

(3）站控層設備

變電站層的設備包括計算機、打印機、天文鐘、通訊管理機或遠動工作站等設備。2.1變電站自動化系統(tǒng)的分層和邏輯結構過程層的功能描述

過程層是一次設備與二次設備的結合面，或者說過程層是指智能化電氣設備的智能化部分。過程層的功能劃分：

(1)實時的電氣量檢測 主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測。

(2)運行設備的狀態(tài)參數檢測 主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性及工作狀態(tài)等數據。

(3)操作控制執(zhí)行與驅動 包括變壓器分接頭調節(jié)控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、刀閘合分控制，直流電源充放電控制。 在當前大量應用的變電站綜合自動化系統(tǒng)中，由于一次設備的智能化尚未實現，過程的功能實際全部由間隔層的設備來實現。因此有時也將變電站綜合自動化系統(tǒng)的邏輯結構劃分為兩層。2.1變電站自動化系統(tǒng)的分層和邏輯結構間隔層的功能描述 間隔層的設備主要有各種微機保護裝置、自動控制裝置、數據采集裝置和RTU等設備，間隔層設備的主要功能是：(1)匯總本間隔過程層實時數據信息；(2)實施對一次設備保護控制功能；(3)實施本間隔操作閉鎖功能；(4)實施操作同期及其他控制功能；(5)對數據采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制；(6)承上啟下的通信功能，即同時高速完成與過程層及站控層的網絡通信功能。2.1變電站自動化系統(tǒng)的分層和邏輯結構站控層的功能描述(1)通過兩級高速網絡匯總全站的實時數據信息，不斷刷新實時數據庫，按時登錄歷史數據庫；(2)按既定規(guī)約將有關數據信息送向調度或控制中心；(3)接收調度或控制中心有關控制命令并轉間隔層、過程層執(zhí)行；(4)具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；(5)具有(或備有)站內當地監(jiān)控的人機聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報警，實現視頻、聲音等多媒體功能；(6)具有對間隔層、過程層諸設備的在線維護、在線組態(tài)，在線修改參數的功能；(7)具有(或備有)變電站故障自動分析和操作培訓功能。2.1變電站自動化系統(tǒng)的分層和邏輯結構2.1變電站自動化系統(tǒng)的分層和邏輯結構變電站自動化系統(tǒng)各項功能的邏輯接口變電站自動化系統(tǒng)各項功能的邏輯接口①間隔層和變電站層之間保護數據交換；②間隔層與遠方保護（不在本標準范圍）之間保護數據交換；③間隔層內數據交換；④過程層和間隔層之間采樣等瞬時數據交換；⑤過程層和間隔層之間控制數據交換；⑥間隔和變電站層之間控制數據交換；⑦變電站層與遠方工程師辦公地數據交換；⑧間隔之間類似聯(lián)鎖等直接數據交換；⑨變電站層內數據交換。2.1變電站自動化系統(tǒng)的分層和邏輯結構2.2

變電站的智能電子設備定義

變電站自動化系統(tǒng)的設備統(tǒng)稱為智能電子設備IED（IntelligentElectronicDevices）。IEC61850

協(xié)議對智能電子設備IED的定義是： 由一個或多個處理器組成，具有從外部源接收和傳送數據或控制外部源的任何設備（例如：電子多功能儀表、數字繼電器、控制器）。這些IEDs在物理位置上，可安裝在3個不同的功能層（即變電站層、間隔層、過程層）上。2.3變電站自動化系統(tǒng)的硬件結構模式分層分布式系統(tǒng)結構模式

2.3變電站自動化系統(tǒng)的硬件結構模式2.3.3當前變電站綜合自動化系統(tǒng)的幾種模式

站控監(jiān)控層僅設監(jiān)控主機,通過監(jiān)控主機實現與遠方系統(tǒng)信息交互。站控監(jiān)控層設監(jiān)控主機，通信管理單元作為前置機，監(jiān)控主機及遠方系統(tǒng)僅與通信管理單元信息交互。當間隔層設備與自動化系統(tǒng)只能采用單一非以太網通信接口進行信息交互時，常采用該模式。站控監(jiān)控層設監(jiān)控主機和通信管理單元,遠方系統(tǒng)通過通信管理單元與間隔層設備信息交互。而監(jiān)控主機主機則獨立從間隔設備層獲取數據信息。IED設備采用以太網通訊后，該模式被大量使用。站控監(jiān)控層設監(jiān)控主機帶雙通信管理單元,雙通信管理單元通過雙機互備和自動切換實現與遠方系統(tǒng)信息交互，監(jiān)控主機主機和通信管理機各自獨立從間隔設備層獲取數據信息，如前圖。該模式常用于對通訊可靠性要求較高的高電壓等級變電站中。2.3變電站自動化系統(tǒng)的硬件結構模式2.3.3

當前變電站綜合自動化系統(tǒng)的幾種模式

各種模式的區(qū)別： 上述模式的共同特點是采用了分層分布式系統(tǒng)結構，間隔層的配置也基本相同。主要的不同在于站控層與遠方調度系統(tǒng)的接口設備上。由于通信管理機作為網關，較常規(guī)計算機設備更為穩(wěn)定和可靠，因此模式3、4被大面積推廣。2.4變電站自動化系統(tǒng)的配置原則影響系統(tǒng)配置的主要因素 變電站綜合自動化系統(tǒng)的配置，是根據變電站一次系統(tǒng)的電壓等級、主變臺數、進出線多少、變電站的重要程度等多方面綜合考慮的。綜合自動化系統(tǒng)配置的指導思想（一）通訊網絡首選采用以太網通訊監(jiān)控主機應直接與間隔層IED交互信息采用獨立的嵌入式設計的通訊管理機與遠方系統(tǒng)通訊除骨干網外，應采用星型拓撲降低網絡復雜度。2.4變電站自動化系統(tǒng)的配置原則綜合自動化系統(tǒng)配置的指導思想（二）IED采用面向電氣間隔配置，且應提升IED集成度以簡化接線。同一站采用同一系列的產品以降低系統(tǒng)的調試維護工作量。（減少多方協(xié)調）暫不實施IEC61850標準時，站內設備推薦使用IEC103協(xié)議。單主機系統(tǒng)采用Windows或Linux操作系統(tǒng)（簡單），多機系統(tǒng)采用UNIX操作系統(tǒng)（可靠），歷史數據庫應采用商用數據庫（開放）。監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控軟件除能實現常規(guī)SCADA功能外，還應能實現站內保護設備故障信息顯示和分析。（功能集成，很強的實用性）變電站自動化系統(tǒng)間隔層設備配置原則

根據電力系統(tǒng)微機繼電保護技術導則，對使用3-35kV微機保護裝置宜采用保護、測量、控制、通訊為一體的四合一單元；高壓變電所的自動化系統(tǒng)，因保護配置復雜及安全性的要求，保護與監(jiān)控必須分離。據此，宜采取如下配置：電壓等級為35kV/10kV/6kV的間隔層，宜選用保護測控綜合裝置，并安裝于開關柜上。電壓等級為110kV線路、主變壓器保護監(jiān)控宜組屏安裝于中控室或保護室內。電壓等級220kV及以上的電力設備，保護監(jiān)控應獨立配置；并組屏安裝于中控室或保護室內。2.4變電站自動化系統(tǒng)的配置原則2.4變電站自動化系統(tǒng)的典型配置2.4變電站自動化系統(tǒng)的典型配置2.4變電站自動化系統(tǒng)的典型配置2.4變電站自動化系統(tǒng)的典型配置2.4變電站自動化系統(tǒng)的典型配置2.4變電站自動化系統(tǒng)的典型配置典型變電站配置舉例： 某110KV降壓變電站，設置兩臺110/10KV變壓器，110KV側采用內橋接線，10KV側采用單母線分段，每段母線配一組雙Y接線電容器和一組消弧變?；舅枷耄? 采用分層分布的綜合自動化系統(tǒng)，將110KV間隔相關二次設備、主變相關二次設備、公用