變電站自動化的發(fā)展與改進(jìn)

變電站自動化的發(fā)展與改進(jìn)

當(dāng)前的能源供電建設(shè)以及城鄉(xiāng)電網(wǎng)的建設(shè)和改造，在促進(jìn)和指導(dǎo)新時期電力工業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。因此,產(chǎn)品技術(shù)要先進(jìn),產(chǎn)品質(zhì)量要過硬,應(yīng)達(dá)到30～40年后也能適用的水平;而且產(chǎn)品必須要國產(chǎn)化。為此有必要對我國變電站自動化的現(xiàn)狀作深刻的分析,發(fā)現(xiàn)問題并提出改進(jìn)意見,使我國城鄉(xiāng)變電站自動化的水平達(dá)到上述要求。1自動化實(shí)現(xiàn)模式變電站二次設(shè)備按功能分為四大模塊:①繼電保護(hù)及自動裝置;②儀器儀表及測量控制;③當(dāng)?shù)乇O(jiān)控;④遠(yuǎn)動。四大模塊功能的各自不同的發(fā)展及其功能的相互滲透,為變電站自動化提供了多種多樣的實(shí)現(xiàn)模式,可概括為兩種基本實(shí)現(xiàn)模式:①保護(hù)加集中RTU模式,面向功能;②保護(hù)加分散RTU模式,面向?qū)ο蟆?.1多通道交通點(diǎn)設(shè)計(jì)方案儀器儀表獨(dú)立運(yùn)行;中央信號盤及控制盤與繼電保護(hù)及自動安全裝置通過接點(diǎn)連接;有人值班,定時抄錄運(yùn)行記錄;變電站運(yùn)行有異常時通過電話與調(diào)度聯(lián)系。儀器儀表獨(dú)立運(yùn)行;中央信號盤及控制盤與繼電保護(hù)及自動安全裝置通過接點(diǎn)連接;集中RTU,功能有①數(shù)據(jù)采集功能:完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等,完成脈沖量采集如電度(電度表通過脈沖與RTU連接),完成數(shù)字量采集如檔位等,完成信號量采集(其中繼電保護(hù)及自動安全裝置也通過接點(diǎn)與RTU連接)。②控制功能:控制開關(guān)、分級頭等。③通信功能:與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控通信,與遠(yuǎn)方調(diào)度通信;有人值班,運(yùn)行當(dāng)?shù)乇O(jiān)控,定時抄錄運(yùn)行記錄;變電站運(yùn)行有異常時通過RTU及電話與調(diào)度聯(lián)系,調(diào)度可以遠(yuǎn)方監(jiān)視變電站運(yùn)行情況和遙控變電站設(shè)備。儀器儀表獨(dú)立運(yùn)行;集中RTU,功能有①數(shù)據(jù)采集功能:完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等,完成脈沖量采集如電度(電度表通過脈沖與RTU連接),完成數(shù)字量采集(其中繼電保護(hù)及自動安全裝置通過串口與RTU通信),完成信號量采集。②控制功能:控制開關(guān)、分級頭等。③通信功能:與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控通信,與遠(yuǎn)方調(diào)度通信;有人值班,運(yùn)行當(dāng)?shù)乇O(jiān)控,變電站運(yùn)行有異常時通過RTU及電話與調(diào)度聯(lián)系,調(diào)度可以遠(yuǎn)方監(jiān)視變電站運(yùn)行情況和遙控變電站設(shè)備。儀器儀表獨(dú)立運(yùn)行;集中RTU,具有的功能為①數(shù)據(jù)采集功能:完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等,完成脈沖量采集如電度(電度表通過脈沖與RTU連接),完成數(shù)字量采集(其中繼電保護(hù)及自動安全裝置通過串口與RTU通信),完成信號量采集。②控制功能:控制開關(guān)、分級頭等。③通信功能:與遠(yuǎn)方調(diào)度通信;無人值班,變電站運(yùn)行有異常時通過RTU與調(diào)度聯(lián)系,調(diào)度可以遠(yuǎn)方監(jiān)視變電站運(yùn)行情況和遙控變電站設(shè)備。儀器儀表獨(dú)立運(yùn)行;集中RTU,模塊式設(shè)計(jì),功能為①數(shù)據(jù)采集功能:智能模擬量采集模塊,智能脈沖量采集模塊,智能數(shù)字量采集模塊(其中繼電保護(hù)及自動安全裝置通過串口與RTU通信),信號量采集模塊。②控制功能:智能控制量輸出模塊。③通信功能:與遠(yuǎn)方調(diào)度通信;無人值班,變電站運(yùn)行有異常時通過RTU與調(diào)度聯(lián)系,調(diào)度可以遠(yuǎn)方監(jiān)視變電站運(yùn)行情況和遙控變電站設(shè)備。1.2采集、通信及控制系統(tǒng)儀器儀表獨(dú)立運(yùn)行;分散RTU,面向?qū)ο?單元式設(shè)計(jì),其功能有①數(shù)據(jù)采集功能:完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等,完成脈沖量采集如電度,完成數(shù)字量采集,完成信號量采集。②控制功能:控制開關(guān)、分級頭等。③通信功能:與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控通信;繼電保護(hù)及自動安全裝置通過串口與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控通信;當(dāng)?shù)乇O(jiān)控與調(diào)度通信;有人值班,運(yùn)行當(dāng)?shù)乇O(jiān)控,變電站運(yùn)行有異常時通過當(dāng)?shù)乇O(jiān)控及電話與調(diào)度聯(lián)系,調(diào)度可以遠(yuǎn)方監(jiān)視變電站運(yùn)行情況和遙控變電站設(shè)備。儀器儀表獨(dú)立運(yùn)行;分散RTU,面向?qū)ο?單元式設(shè)計(jì),功能有①數(shù)據(jù)采集功能:完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等,完成脈沖量采集如電度,完成數(shù)字量采集,完成信號量采集。②控制功能:控制開關(guān)、分級頭等。③通信功能:與前置采集機(jī)通信;繼電保護(hù)及自動安全裝置通過串口與前置采集機(jī)通信;前置采集機(jī)與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控及調(diào)度通信,前置采集機(jī)可以采用兩臺,互相切換,當(dāng)?shù)乇O(jiān)控也可以采用兩臺或多臺;有人值班,運(yùn)行當(dāng)?shù)乇O(jiān)控,變電站運(yùn)行有異常時通過前置采集機(jī)及電話與調(diào)度聯(lián)系,調(diào)度可以遠(yuǎn)方監(jiān)視變電站運(yùn)行情況和遙控變電站設(shè)備。儀器儀表獨(dú)立運(yùn)行;分散RTU,面向?qū)ο?單元式設(shè)計(jì),具有以下功能①數(shù)據(jù)采集功能:完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等,完成脈沖量采集如電度,完成數(shù)字量采集,完成信號量采集。②控制功能:控制開關(guān)、分級頭等。③通信功能:與前置采集機(jī)通信;繼電保護(hù)及自動安全裝置通過串口與前置采集機(jī)通信;前置采集機(jī)與調(diào)度通信;無人值班,變電站運(yùn)行有異常時通過前置采集機(jī)及電話與調(diào)度聯(lián)系,調(diào)度可以遠(yuǎn)方監(jiān)視變電站運(yùn)行情況和遙控變電站設(shè)備。儀器儀表獨(dú)立運(yùn)行;分散RTU,面向?qū)ο?單元式設(shè)計(jì),其功能為①數(shù)據(jù)采集功能:完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等,完成脈沖量采集如電度,完成數(shù)字量采集,完成信號量采集。②控制功能:控制開關(guān)、分級頭等。③通信功能:通過總線網(wǎng)與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控及遠(yuǎn)方調(diào)度通信;繼電保護(hù)及自動安全裝置通過總線網(wǎng)與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控及遠(yuǎn)方調(diào)度通信;有人或無人值班,運(yùn)行當(dāng)?shù)乇O(jiān)控,變電站運(yùn)行有異常時通過遠(yuǎn)動及電話與調(diào)度聯(lián)系,調(diào)度可以遠(yuǎn)方監(jiān)視變電站運(yùn)行情況和遙控變電站設(shè)備。完成模擬量采集如電流、電壓、有功、無功等,完成脈沖量采集如電度,完成數(shù)字量采集,完成信號量采集。③控制功能:控制開關(guān)、分級頭等。④通信功能:通過串口或總線網(wǎng)與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控及遠(yuǎn)方調(diào)度通信;儀器儀表獨(dú)立運(yùn)行;有人或無人值班,運(yùn)行當(dāng)?shù)乇O(jiān)控,變電站運(yùn)行有異常時通過遠(yuǎn)動及電話與調(diào)度聯(lián)系,調(diào)度可以遠(yuǎn)方監(jiān)視變電站運(yùn)行情況和遙控變電站設(shè)備。除了以上10種模式外可能還有其他種類,如安裝方式就地化、某些功能分散化等,但都可歸為以上兩大模式。第一大模式對老站改造特別適合,第二大模式是正在發(fā)展的模式。下面討論其技術(shù)發(fā)展的走勢。2自動流量規(guī)劃2.1故障融合通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)變電站自動化系統(tǒng)縱向分層:站級層、網(wǎng)絡(luò)層、就地層;每層按功能或安裝位置橫向分布。站級層功能分布的形式取決于網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)乇O(jiān)控功能作為當(dāng)?shù)剡\(yùn)行人員的人機(jī)交互窗口,以圖形顯示、報表打印、語音報警等各種方式實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)亍八倪b”即對系統(tǒng)運(yùn)行狀況如潮流、電度、開關(guān)狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視,按需及“五防”要求控制開關(guān)及刀閘的跳合,按需調(diào)節(jié)檔位,以及有關(guān)MIS系統(tǒng)。當(dāng)?shù)乩^保功能作為當(dāng)?shù)乩^保人員的人機(jī)交互窗口,也可以圖形顯示、報表打印、語音報警等各種方式對繼保及自動安全裝置的運(yùn)行狀況如裝置是否故障、定值是否改變、采樣是否準(zhǔn)確等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視,根據(jù)運(yùn)行需要決定保護(hù)投退和定值修改,故障發(fā)生后通過故障錄波進(jìn)行故障分析和診斷。當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和繼保功能可以各自獨(dú)立,也可以合二為一。遠(yuǎn)方監(jiān)控和繼保功能是當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和繼保功能通過通信在遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn),是無人值班變電站的前提條件。遠(yuǎn)方監(jiān)控和繼保功能同樣可以各自獨(dú)立即通過不同的通道和規(guī)約分別接至調(diào)度和繼保,也可以合二為一即通過同一通道接至遠(yuǎn)方終端。站級層基本要求為①可靠性:不能死機(jī)、能夠自動恢復(fù)等。②開放性:模塊化設(shè)計(jì)便于剪裁、適合不同遠(yuǎn)方規(guī)約要求。目前有兩種通信機(jī)制:POLLING通信機(jī)制及CSMA/CD通信機(jī)制。POLLING拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是星形網(wǎng)也可以是總線網(wǎng),以485為代表。CSMA/CD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般為總線網(wǎng),以LON為代表?？梢酝ㄟ^485轉(zhuǎn)LON的轉(zhuǎn)接器及LON的計(jì)算機(jī)串口卡或總線卡完成這兩種網(wǎng)絡(luò)的互換。下面分析485,LON這兩種網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)(如表1)。網(wǎng)絡(luò)層基本要求是①可靠性:抗干擾能力強(qiáng)、任一節(jié)點(diǎn)損壞不能影響整個網(wǎng)絡(luò)等。②開放性:兼容其他外部設(shè)備,適合不同通信介質(zhì)及規(guī)約要求。③實(shí)時性:實(shí)時傳遞信息。它對相關(guān)一次設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、測量和控制,協(xié)調(diào)就地層、站級層、遠(yuǎn)方終端的操作要求,對采集的信息進(jìn)行處理上送,并在站級層、遠(yuǎn)方終端控制失效的情況下仍能完成保護(hù)、測量和控制功能。保護(hù)及自動裝置基本要求是①可靠性:該動作時應(yīng)動作,不該動作時不動作。②選擇性:首先由故障設(shè)備或線路本身的保護(hù)動作,如其拒動時由相鄰設(shè)備或線路的保護(hù)動作。③靈敏性:保護(hù)裝置對保護(hù)范圍內(nèi)的故障應(yīng)具備必要的靈敏系數(shù)。④速動性:盡快切除故障,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,減輕損壞程度等。測量控制裝置基本要求是①可靠性:抗干擾能力強(qiáng),控制被控對象時,其他對象不能亂動。②準(zhǔn)確性:模擬量測量、脈沖量測量、開關(guān)量測量、數(shù)字量測量達(dá)到規(guī)定精度要求。站級層、網(wǎng)絡(luò)層、就地層既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系,站級層功能的實(shí)現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡(luò)層和就地層的完好性,但是就地層功能的實(shí)現(xiàn),特別是繼電保護(hù)及安全自動裝置的功能的實(shí)現(xiàn)決不能依賴于網(wǎng)絡(luò)層和站級層的完好性。必須滿足如下10項(xiàng)基本要求:可靠性、開放性、實(shí)時性、選擇性、靈敏性、速動性、準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性、方便性、統(tǒng)一性。2.2自動化技術(shù)與自動化技術(shù)的融合,應(yīng)該把自動化技術(shù)的開發(fā)和發(fā)展擴(kuò)大到自動化隨著變電站自動化的發(fā)展,各專業(yè)技術(shù)相互滲透,已沒有非常明顯的界限,問題的處理需要各專業(yè)人員協(xié)同配合,否則將阻礙變電站自動化技術(shù)的發(fā)展。2.2.1低周減載的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)低周減載將分散到220kV出線、110kV出線、66kV出線、35kV出線、10kV出線、220kV主變的中低壓側(cè)后備保護(hù)、110kV主變的中低壓側(cè)后備保護(hù)、35kV主變的低壓側(cè)后備保護(hù)等,從而形成低周減載的網(wǎng)絡(luò)。2.2.2接地選線功能眾所周知,小電流接地選線的基本原理如下:①比較基波零序電流大小;②比較基波零序功率方向;③比較基波零序電流方向;④比較基波電流最大值方向。①比較五次諧波電流大小;②比較五次諧波功率方向;③比較五次諧波電流方向;④比較五次諧波電流最大值方向。因此將小電流接地選線分散到出線保護(hù)中,不能單獨(dú)完成選線功能,必須依賴就地層所有出線保護(hù)裝置、網(wǎng)絡(luò)層、站級層的完好性,將所有出線同時刻信息匯總后,才能作出正確判斷,同時刻信息的條件可以采用3U0的同時出現(xiàn)來滿足。將小電流接地選線分散到出線保護(hù)中,可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)自動或手動接地探索,通過跳閘和重合閘來進(jìn)行。小電流接地選線功能不是可有可無的不重要的功能,現(xiàn)場報道過當(dāng)出線發(fā)生單相接地故障后由于未能及時報警故未能及時解除故障而導(dǎo)致人畜傷亡的不幸事件。因此小電流接地選線的分散化,成為一個爭論的焦點(diǎn)。2.2.3關(guān)的動手或形成合閘操作傳統(tǒng)自動同期重合閘,由保護(hù)裝置的同期檢測回路及軟件共同實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)開關(guān)的手動或遙控同期操作,由手動或遙控繼電器切換同期點(diǎn)的電壓及同期點(diǎn)的合閘操作回路和同期判別裝置共同實(shí)現(xiàn)。因此傳統(tǒng)的集中同期方式接線復(fù)雜?？梢詫⑹謩踊蜻b控同期功能分散到保護(hù)裝置中,或分散到單元式測控裝置中。2.2.4民法原理下的線路保護(hù)功能傳統(tǒng)母線保護(hù)必須把母線所有的TA二次集中到母線保護(hù)裝置中,母線保護(hù)的出口又必須連接到母線上各元件的跳閘回路,因此接線復(fù)雜。母線保護(hù)能否分散到線路保護(hù)中,并通過專用網(wǎng)絡(luò)傳遞信息,實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)功能,可以采用GPS同步。由于母線保護(hù)的重要性,因此母線保護(hù)的分散化成為又一個爭論的焦點(diǎn)。2.2.5繼電保護(hù)及安全自動裝置應(yīng)使用的數(shù)據(jù)替代故障錄波故障錄波的作用為:①分析繼電保護(hù)及安全自動裝置的動作行為;②分析故障過程、故障類型、故障水平、故障遠(yuǎn)近等。因此故障錄波的分散化不影響變電站自動化的可靠性,但是怎么分散才能達(dá)到故障錄波的應(yīng)有作用是值得考慮的。目前利用繼電保護(hù)及安全自動裝置提供的數(shù)據(jù)來替代故障錄波是不恰當(dāng)?shù)?其理由為:①故障錄波的完好性依賴于繼電保護(hù)及安全自動裝置的完好性,自己不能證明自己;②分散式故障錄波應(yīng)從模擬量輸入、開關(guān)量輸入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的分析判斷以及電源都獨(dú)立于繼電保護(hù)及安全自動裝置。因此重要的變電站在獨(dú)立的分散故障錄波出來之前,應(yīng)采用集中式故障錄波。2.2.6系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式電壓和無功的控制一般采用調(diào)整變壓器分接頭,投切電容器組、電抗器組、同步調(diào)相機(jī)等方式實(shí)現(xiàn)。操作方式有:手動、遙控、自動。目前電壓和無功的控制功能有兩種實(shí)現(xiàn)方式:①專門的電壓和無功控制設(shè)備;②由站級層根據(jù)就地層通過網(wǎng)絡(luò)層提供的電壓、無功、抽頭、開關(guān)狀態(tài)等信息由軟件完成。2.2.7確保了遠(yuǎn)動主站和監(jiān)控不配合防誤閉鎖方式基本有:簡單的掛鎖、機(jī)械連鎖、電磁鎖、程序鎖及微機(jī)防誤系統(tǒng)等。①防誤系統(tǒng)與站級層的當(dāng)?shù)乇O(jiān)控及遠(yuǎn)動主站通信,確保當(dāng)?shù)乇O(jiān)控與遠(yuǎn)動對斷路器、電動刀閘的控制操作經(jīng)防誤系統(tǒng)允許;②防誤系統(tǒng)出具操作票;③就地操作經(jīng)五防鎖控制。將“五防”功能由就地層本身實(shí)現(xiàn),達(dá)到本單元“五防”功能;將“五防”功能由當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和遠(yuǎn)動主站本身實(shí)現(xiàn),達(dá)到系統(tǒng)級“五防”功能。2.2.8廣播對就地層設(shè)備對時傳統(tǒng)GPS對時是由GPS同站級層對時然后通過網(wǎng)絡(luò)層對就地層設(shè)備廣播對時,此方法缺點(diǎn)是就地層設(shè)備對廣播對時的響應(yīng)不一致導(dǎo)致對時精度不能真正滿足SOE的要求,因此應(yīng)將GPS直接對就地層設(shè)備對時。2.2.9平衡重系統(tǒng)設(shè)計(jì)對低壓設(shè)備或農(nóng)網(wǎng)設(shè)備,可以將保護(hù)、測控合二為一,當(dāng)然TA回路要分開,以保證精度要求。一體化裝置必須優(yōu)先滿足繼電保護(hù)及安全自動裝置的四性要求。一體化裝置的出現(xiàn)要求用戶體制適當(dāng)調(diào)整。未來有可能將智能儀表、電源等同以上功能一體化。2.3地面采空場所需的要求就地層設(shè)備直接下放到開關(guān)柜,對沒有開關(guān)柜的直接采用專用柜體安裝到一次設(shè)備現(xiàn)場。就地層設(shè)備需達(dá)到幾項(xiàng)要求:①溫度、濕度適用范圍;②抗干擾能力;③抗振動能力;④對灰塵、風(fēng)霜雨雪環(huán)境的要求等。2.4電力市場及智能調(diào)度發(fā)展方向不再滿足于“四遙”功能,向遙視、電力MIS、電力市場(經(jīng)濟(jì)調(diào)度)、智能調(diào)度(自動決定運(yùn)行方式、自動恢復(fù)送電等)方向發(fā)展。需要對遠(yuǎn)動規(guī)約進(jìn)一步擴(kuò)充,才能滿足遠(yuǎn)方調(diào)度的新發(fā)展。2.5遠(yuǎn)東故障評估定值遠(yuǎn)方監(jiān)視繼電保護(hù)及安全自動裝置的運(yùn)行情況,如裝置是否故障、采樣是否正確、定值是否變化、自檢是否正常等,遠(yuǎn)方修改保護(hù)定值,遠(yuǎn)方投退保護(hù),遠(yuǎn)方故障錄波,遠(yuǎn)方故障測距,遠(yuǎn)方故障探索,遠(yuǎn)方故障分析等。遠(yuǎn)方繼電保護(hù)可以同遠(yuǎn)動共通道也可以不共通道,但其規(guī)約不同于遠(yuǎn)動規(guī)約,需要有關(guān)部門盡早制定,或同遠(yuǎn)動規(guī)約合并,以便遠(yuǎn)方繼電保護(hù)的發(fā)展。2.6實(shí)現(xiàn)無人形控(1)防火、保安系統(tǒng)怎么接入。(2)變壓器滲油、非正常聲音、瓷瓶開裂、局部放電等非電氣量怎么處理。(3)一次設(shè)備是否全部可以電動操作。(4)設(shè)備損壞但未能遠(yuǎn)方報警等。以上是實(shí)現(xiàn)無人值班的障礙。因此現(xiàn)在變電站基本處于從多人值班到少人值班,從少人值班到無人值班有人巡視的逐步過渡的過程。實(shí)行無人值班有人巡視方式時,站級層設(shè)備中當(dāng)?shù)乇O(jiān)控可有可無,因此網(wǎng)絡(luò)層采用POLLING機(jī)制比采用CSMA/CD機(jī)制可靠性高,當(dāng)?shù)乇O(jiān)控將被遠(yuǎn)方調(diào)度的監(jiān)控系統(tǒng)取代,為方便當(dāng)?shù)卣{(diào)試可以預(yù)留當(dāng)?shù)乇O(jiān)控的接