牵引变电所综合自动化Word文件下载.docx

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题目类型：

工程设计技术专题研究理论研究软硬件产品开发

一、设计任务及要求

１、综合自动化技术的特点　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

２、硬件结构、功能分析　

３、技术特点的分析

４、在实际中的应用

二、应完成的硬件或软件实验

应完成牵引变电所综合自动化系统的配置和功能。

三、应交出的设计文件及实物（包括设计论文、程序清单或磁盘、实验装置或产品等）

毕业设计（论文）

四、指导教师提供的设计资料

五、要求学生搜集的技术资料（指出搜集资料的技术领域）

１、了解牵引变电所综合自动化系统的配置

２、弄清牵引变电所综合自动化系统配置的功能

３、各种保护的应用

六、设计进度安排

第一部分　牵引变电所综合自动化技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２周）

第二部分　牵引变电所综合自动化系统的硬件　　　　　　　　　　　（１周）

第三部分　牵引变电所综合自动化的保护和控制系统　　　　　　　　　　　　　（２周）

第四部分　牵引变电所综合自动化保护和监控装置　　　　　　　　　　　（２周）

第五部分　牵引变电所综合自动化的数据通信系统　　　　　　　　　　　（１周）

评阅及答辩　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１周）

年月日

学院审查意见：

审批人：

诚信承诺

一、本设计是本人独立完成；

二、本设计没有任何抄袭行为；

三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。

　　　　　　　　　　　　　承诺人（钢笔填写）：

　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日

目录

摘要1

第1章实现牵引变电所综合自动化的技术基础2

1.1实现牵引变电所综合自动化的必然性2

1.1.1牵引变电所实现综合自动化与常规变电所相比较2

1.1.2对牵引变电所综合自动化系统的要求3

1.2牵引变电所综合自动化技术的发展方向4

1.2.1牵引变电所综合自动化系统的发展概况4

1.3牵引变电所综合自动化的基本概念5

1.4牵引变电所综合自动化系统的基本特征5

1.5牵引变电所综合自动化的内容、主要功能及信息量6

1.5.1牵引变电所综合自动化系统的内容6

1.5.2牵引变电所综合自动化系统的主要功能及信息量7

第2章牵引变电所综合自动化系统的硬件8

2.1综合自动化系统的硬件结构形式8

2.1.1结构形式9

2.1.2分散分布式与集中相结合的综合自动化系统结构10

2.2牵引变电所综合自动化系统的硬件原理11

2.2.1模拟量输入/输出回路12

第3章牵引变电所综合自动化的保护和控制系统14

3.1变压器的微机保护14

3.1.1主保护14

3.1.2变压器的后备保护17

3.2接触网微机保护18

3.3电容器的微机保护19

3.4自动重合闸19

3.5备用电源自投装置20

第4章牵引变电所综合自动化保护、监控装置21

4.1自动化保护监控装置21

4.2牵引变电所综合自动化的数据通信系统22

4.3以陇海线华山牵引变电所为例23

4.3.1传输线路的远程保护23

4.3.2变电所馈线监视和保护25

4.3.3牵引变电所的集成式控制和保护系统27

结束语29

致谢30

参考文献31

摘要

随着电气化铁路的规模的扩大和现代化水平的提高,对牵引变电所监控和保护系统的可靠性、安全行、经济性和可用性的要求越来越高。

国外将牵引变电所监控和保护综合在一起（统称变电所综合自动化）的研究已经很久。

该技术在我国也迅速得到了发展，促使牵引变电所综合自动化技术迅速推广和应用的原因主要有三点：

①常规牵引变电所二次系统存在诸多缺陷；

②电气化铁路对牵引变电所保护、监控等提出了更高的要求；

③新技术的迅速发展为其奠定了技术基础。

十余年来，国内外都对牵引变电所综合自动化技术开展了讨论、研究.随着自动化技术、计算机技术和通信技术的发展，牵引变电所综合自动化技术得到迅速发展。

有很多按新概念、新原理设计的牵引变电所综合自动化系统投入运行。

展现了其极强的生命力，并成为我国电气化铁路牵引变电所推行技术进步的重点之一。

关键词：

变电所；

综合自动化；

控制

第1章实现牵引变电所综合自动化的技术基础

1.1实现牵引变电所综合自动化的必然性

1.1.1牵引变电所实现综合自动化与常规变电所相比较

（一）常规变电所情况

常规变电所的二次系统主要由继电保护、当地监控、远动装置、滤波装置所组成,是按继电保护、远动、当地控制、测量、滤波等功能组织的.相应的有保护屏、控制屏、滤波屏、中央信号屏等.每一个一次设备,如一台变压器、一组电容器等,都与所有这些屏相对应.因而,每个设备的电流互感器的二次侧,都需要分别引到这些屏上;

同样断路器的跳、合闸操作回路,也需要连到保护屏、控制屏、远动屏及其他自动装置屏上。

此外,对同一个一次设备,与之相应的各二次设备（屏）之间,保护与远动设备之间都有许多连线.由于各设备安装在不同地点,因而变电所内电缆错综复杂。

（二）牵引变电所实现综合自动化的优越性

与常规变电所二次系统比较,变电所实现综合自动化体现出独特的优越性：

⑴在线运行的可靠性高。

变电所综合自动化系统可以利用软件实现在线自纠,具有故障诊断功能.微机系统的软件设计,既有很强的综合分析和判断能力,在软件程序的指挥下,微机系统可以在线实时的对有关硬件电路中各环节进行自检;

利用有关的硬件和软件相结合技术，可有效防止干扰进入微机系统后可能造成的严重后果,更为重要的是变电所综合自动化系统中的各子系统,如微机保护装置和微机自动装置具有故障自诊断功能。

其可靠性大大提高。

⑵供电质量提高。

由于在变电所综合自动化系统中包括有电压、无功自动控制功能，对于具有有载调压变压器和无功补偿补偿电容器的变电所,可大大提高电压合格率,保证牵引供电系统主要设备和各电器设备的安全，使无功潮流合理,降低网损,节约电能损耗。

⑶专业综合,易于发现隐患,处理事故恢复供电快.实现综合自动化以后，各专业综合考虑,并装备有先进的计算机,可以收集众多需要的数据和信号,利用计算机告诉计算和正确判断能力,将数据和信号经计算机处理后,以综合的结果反映给变电所值班人员、供电调度及相关技术人员，还可提供时间分析的结果以及如何处理的参考意见,尽早恢复供电。

⑷牵引变电所运行管理的自动化水平高。

实现自动化后,监视、测量、记录、抄表等工作都由计算机自动进行,既提高了测量的精度,又避免了人为的主观干预,运行人员只要通过观看变电所后台机,对牵引变电所主要设备和各接触网线路的运行工况和运行参数便一目了然。

综合自动化具有与上级调度通信功能,可将检测到的数据及时送往调度中心,使调度员能及时掌握各变电所的运行情况,也能对它进行必要的调节和控制,且各种操作都有事件记录可供查阅,大大提高运行管理水平和故障查找的方便性。

⑸减少控制电缆,缩小占地面积.实现综合自动化以后，实现资源共享和信息共享,硬件电路多采用大规模集成电路，大大缩小变电所的占地面积。

⑹维护调试方便。

⑺为变电所实现无人值班提供了可靠的技术条件。

变电所综合自动化系统可收集到非常齐全的数据信息.有前大的计算机计算能力和逻辑判断能力,可方便的监视和控制变电所的各种设备,不仅可以全面提高无人值班变电所的技术水平,也为变电所安全稳定运行提供了可靠保证。

当然,变电所实现综合自动化技术以后,也出现一些问题.如与传统的变电所监控装置有根本性的背离,对长期从事传统监控装置维护、运行人员来说并不熟悉,在操作和维护过程中,较难以掌握.不过,这些优缺点取决于技术方面,同时又与各国的经济发展状况有关。

相信随着技术的不断更新和完善,以及运行人员技术水平的不断提高，变电所综合自动化技术必将发挥它应有的巨大作用。

1.1.2对变电所综合自动化系统的要求

⑴变电所综合自动化应能全面代替常规的二次设备。

综合自动化系统中的继电保护、测量监视、运行控制和通信于一个分级分布式的系统中,应能代替常规的继电保护、仪表、中央信号、模拟屏、控制屏和运行控制装置。

⑵变电所微机保护的软、硬件装置既要与监控系统相互对立,又有相互协调。

即保证在综合自动化系统中,任何环节故障只影响局部功能的实现，也不影响保护子系统的正常工作。

但与监控系统要保持紧密通信联系。

⑶微机保护装置应具有串行接口或现场总线接口,向计算监控系统或RTU提供保护动作信息或保护定值等信息。

⑷变电所综合自动化系统的功能和配置,应满足无人值班的总体要求。

其功能设计应从牵引系统的安全、稳定运行,提高经济效益的综合指标出发，并具备RTU全部功能。

⑸要由可靠、先进的通信网络和合理的通信协议。

⑹必须保证综合自动化系统具有较高的可靠性和强的抗干扰能力。

综合自动化系统中的各个子系统要相互独立的自诊断和自恢复功能。

⑺系统的可扩展性和适应性要好。

⑻系统的标准化程度和开放性能要好。

⑼必须充分利用数字通信的优势，实现数据共享。

实现数据共享才能简化自动化系统的结构，减少设备的重复，才能降低造价。

⑽变电所综合自动化系统的研究和开发工作，必须统一规划，统一指挥。

1.2变电所综合自动化技术的发展方向

1.2.1变电所综合自动化系统的发展概况

国内变电所综合自动化系统的研究工作始于70年代。

最早是用微机型远动装置代替布线逻辑型的远动装置；

同时变电所监控系统的功能在扩大，供牵引网的监控功能正以综合自动化为目标迅速发展。

在1975年，日本开始研究用于变电所的数字控制系统；

1980年开始商品化。

按其功能可分成三个子系统：

①继电保护系统；

②测量子系统；

③控制子系统。

我国变电所综合自动化的研究始于80年代中期。

1987年，清华大学工程系研制成功第一套符合国情的变电所综合自动化系统，在山东威海望岛变电所成功地投入运行。

80年代后期，投入变电所综合自动化研究的高等院校、研究单位和生产厂家逐步增加。

近几年来，随着研究变电所综合自动化进入高潮，其功能和性能也不断完善。

变电所综合自动化成为今后变电所的主导技术。

其发展方向：

⒈从集中控制、功能分散型向分散（层）网络型发展。

⒉从专用设备到平台。

⒊从传统控制向综合智能方向发展。

⒋从室外型向户外型演变。

⒌从单纯的屏幕数据监视到多媒体监视。

⒍纵向和横向综合。

1.3变电所综合自动化的基本概念

变电所综合自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电所领域的综合应用。

变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能力，可方便的监视和控制变电所内各种设备的运行和操作。

变电所综合自动化是将变电所的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，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，实现对全变电所的主要设备的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。

变电所综合自动化系统的基本配置。

如1-1图所示：

图1-1变电所综合自动化系统的配置图

1.4变电所综合自动化系统的基本特征

变电所综合自动化当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，对变电所实现综合性的监视和调度。

因此，综合自动化的核心是自动监控系统，而综合自动化的纽带是监控系统的局域通信网络，它把微机继电保护、微机自动装置、微机远动功能综合在一起形成一个具有远方功能的自动监控系统。

变电所综合自动化系统最明显的特征表现在以下几个方面：

⑴功能综合化。

在综合自动化系统中，微机监控系统综合了变电所的仪表屏、操作屏、模拟屏、变送器屏、中央信号系统等功能。

远动的RTU功能及电压和无功补偿自动调节功能。

微机保护综合了故障录波、故障测距、小电流接地选线、自动按频率减负荷、自动重合闸等自动装置功能。

⑵结构分布、分层化。

综合自动化系统中的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。

另外，按照变电所物理位置和各子系统功能分工的不同，其总体结构又按分层原则来组成。

⑶操作监视屏幕化（均被CPU屏幕取代）。

⑷通信局域网络化。

⑸运行管理智能化。

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，去发现。

综合自动化系统不仅监测一次设备，还每时每刻检测自己是否有故障，这当充分体现了其自能化，实现了常规保护装置与调度中心的通信。

⑹测量显示数字化、常规指针式仪表被CRT显示器上的数字所代替。

直观、明了，提高测量精度和管理的科学性。

综合自动化将成为今后新建变电所的主导技术，同时也是变电所改造的首选产品。

1.5变电所综合自动化的内容、主要功能及信息量

1.5.1变电所综合自动化系统的内容

⒈电气量的采集和电气设备（如断路器等）的状态监视、控制和调节。

⒉实现变电所正常运行的监视和操作，保证变电所正常运行和安全。

⒊发生故障时，由继电保护和故障录波等完成瞬态电气量的采集、监视和控制，并迅速切除故障设备和完成事故后的恢复正常操作。

从长远的观点来看，综合自动化系统的内容还应包括高压电气设备本身的监视信息（如断路器、变压器和避雷器等的绝缘和状态监视等）。

1.5.2变电所综合自动化系统的主要功能及信息量

㈠继电保护的功能

变电所综合自动化系统中的微机继电保护主要包括接触网线路保护、牵引变压器保护、母线保护、电容器保护、小电流接地系统自动选线、自动重合闸。

此外，附加功能包括：

⑴继电保护的通信功能及信息量。

⑵具有与系统统一时钟对时功能。

⑶存储各种保护整定值功能。

⑷当地显示与远方观察和授权远方修改保护整定值。

⑸设置保护管理机或通信控制机，负责对各保护单元的管理。

⑹故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。

⑺自动重合闸功能。

㈡监视控制功能

⑴实时数据采集与处理。

采集变电所牵引运行实时数据和设备运行状态，包括各种状态量、模拟量、脉冲量、数字量和保护信号，并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。

⑵运行监视功能。

主要是对变电所的运行工况和设备状态，进行自动监视，即对变电所各种状态量变位情况的监视和各种模拟量的数值监视。

⑶故障录波与测距功能。

变电所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送监控机存储及打印输出或直接送调度主所，这种方法可节约投资，减少硬件设备，但故障记录的量有限；

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能力，可以与监控系统通信。

⑷事故顺序记录与事故追忆功能。

事故记录当是对变电所内的继电保护、自动装置、断路器等在事故时动作的先后顺序自动记录；

事故追忆是指变电所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，在事故先后一段时间内作连续测量记录。

⑸控制及安全操作闭锁功能。

操作人员可通过CRT屏幕对断路器、隔离开关进行分、合闸操作；

对变压器分接头进行调节控制；

对电容器进行投、切控制，同时要能接受遥控操作命令，进行远方操作，并且所有操作控制均能实现当地和远方控制，当地和远方切换相互闭锁，自动和手动相互闭锁。

⑹数据处理与记录功能。

⑺人机联系功能。

⑻打印功能。

⑼运行的技术管理功能。

①历史数据处理、存档、检索。

②统计值处理。

③累计值处理。

⑽谐波的分析和监视功能。

⑾自诊断、自恢复和自动切换功能。

㈢牵引变电所自动控制装置的功能。

⑴无压、无功综合控制。

利用有载调压变压器和母线无功补偿电容器及电抗器进行局部的电压及无功补偿的自动调节，使负荷侧母线电压偏差在规定范围内。

⑵备用电源自投控制。

当工作电源因故障不能供电时，自动装置应能迅速将备用电源投入使用。

典型的备用自投有变压器备投、进线备投。

㈣远动及数据通信功能

变电所综合自动化的通信功能包括系统内部的现场级间的通信和自动化系统与上级调度的通信两部分。

第2章变电所综合自动化系统的硬件

2.1综合自动化系统的硬件结构形式

根据综合自动化系统设计思想和安装的物理位置的不同，综合自动化系统硬件结构形式可以分成很多种类。

从国内变电所综合自动化系统的发展过程来看，其结构形式有集中式、分布式、分散（层）分布式；

从安装物理位置上来划分有集中组屏、分层组屏和分散在一次设备间隔设备上安装等形式。

2.1.1结构形式

一、集中式综合自动化系统

采用不同档次的计算机，扩展其外围接口电路，集中采集变电所的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算和处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。

这种机构形式是按变电所的规模配置相应容量、功能的微机保护装置和监控主机及数据采集系统，它们安装在变电所主控室内。

主变压器各种进出线路及所内所有电气设备的运行状态通过电流互感器、电压互感器经电缆传送到主控制的保护装置或监控计算机上，并与调度控制端的主计算机进行数据通信。

当地监控计算机完成当地显示控制和制表打印等功能。

变电所综合自动化系统的目标是实现变电所的小型化、无人化和高可靠性，我国20世纪80年代开始研制分布式综合自动化系统。

二、分层分布式结构集中式组屏的综合自动化

㈠分层分布式结构的概念

所谓分布式结构，是在结构上采用主从CPU协同工作方式，各功能模块（通常是各个CPU）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了集中式结构中独立CPU计算处理的瓶颈问题，方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。

且变电所信息的采集和控制分为管理层、所控层和间隔层三级分布布置。

㈡中、小型变电所的分层分布式集中组屏结构

把整套综合自动化系统按其功能组装成多个屏，集中安装在主控室中。

特点：

软件相对简单调试维护方便，组态灵活，系统可靠性高。

㈢大型变电所分层分布式集中组屏结构

较之中小型变电所的综合自动化系统，大型变电所则在管理层可能设有通信控制机，专业负责与调度中心通信，并设有工程师机，负责软件开发与管理功能。

㈣分层分布式集中组屏综合自动化系统结构特点

⑴可靠性高，有故障时，只影响局部；

可扩展性和灵活性高；

电缆大大简化，节约投资。

⑵分布式系统为多CPU工作方式，减轻了主控室机的负担。

⑶继电保护相对独立。

⑷可靠的自动化监控系统。

⑸具有与系统控制中心通信功能。

2.1.2分散分布式与集中相结合的综合自动化系统结构

这是目前国内外最为流行、受到广大用户欢迎的一种综合自动化系统。

它采用“面向对象”即面向电气一次回路或电气间隔的方法进行设计的，间隔层中各数据采集、控制单元和保护单元做在一起，设计在同一机箱中，并将这种机箱当地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近，这样各间隔单元的设备相互独立，仅通过光纤或电缆网络由所控机对它们进行管理和交换信息，这是将功能分布和物理分散两者有机结合的结果。

㈠分散与集中相结合的变电所综合自动化系统结构框图。

如2-1图所示：

将配电线路的保护和测控单元散发安装在开关柜内，而高压线路保护和主变压器保护装置等采用集中组屏的系统结构称为分散和集中相结合的结构，适合应用在各种电压等级的变电所中。

㈡结构特点

牵引变电所综合自动化系统一般采用集中组屏的系统结构。

⑴27.5KV馈线保护、110KV高压线路保护和变压器保护采用集中组屏结构，安装在控制室或保护室中，可靠性高。

⑵备用电源自投控制装置和电压无功综合控制装置采用集中组屏结构安装于控制室或保护室中。

⑶采用脉冲电能表或带串行通信接口的智能型电能计量表，保证电能计量的准确性。

图2-1分散与集中相结合的变电所综合自动化系统结构框图

㈢优越性

⑴简化了变电所二次部分的配置，缩小了主控室的面积，利于实现无人值班。

⑵减少了施工和设备安装工作量。

⑶简化了变电所二次设备之间的互连线，节省了电缆。

⑷分层分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便。

目前，变电所综合自动化系统的功能和结构都在不断地向前发展，全分散式的结构一定成为今后发展的方向，为变电所实现高水平、高可靠性和低造价的无人值班创造更有利的技术条件。

2.2变电所综合自动化系统的硬件原理

目前，变电所综合自动化系统均按模块化设计，也就是说对于成套的综合自动化系统中，微机保护系统、监控系统、自动控制系统等装置都是若干模块组成的。

不同的功能用不同的软件来实现，不同的使用场合按不同的模块组合方式构成。

一个变电所综合自动化系统中各个子系统（如微机保护）的典型硬件结构主要包括：

模拟量输入/输出回路、微型机系统、开关量输入/输出回路、人机对话接口回路、通信回路、电源。

变电所综合自动化硬件结构。

如2-2图所示：

图2-2变电所综合自动化硬件结构

2.2.1模拟量输入/输出回路

变电所综合自动化系统采集的变电所的电流、电压、有功功率、无功功率、温度等都是属于模拟量。

模拟量输入电路的主要作用是隔离规范输入电压及完成模/数变换，以便与CPU接口，完成数据采集任务。

模拟量的作用是把微型机系统输出的数字量转换成模拟量输出，由数/模（D/A）变换器来完成。

根据模/数变换原理的不同，综合自动化装置中的模拟量输入电路有两种方式：

一是基于逐次逼近型A/D转换方式（ADC），是直接将模拟量转变为数字量的变换方式；

二是利用电压/频率变换（VFC）原理进行模/数变换方式，它是将模拟量电压转换为频率脉冲量，通过脉冲计数变换为数字量的一种变换形式。

电压形成电路起电量作用外，还将一次设备的电流互感器CT、电压互感器PT的二次回路与微机A/D转换系统完整隔离，提高抗干扰能力；

低通滤波电路的作用是限制输入信号的最高频率；

采样主要表现为真实的反映出原始的连续时间信号中所包含的重要信息；

模拟量多路转换开关的作用是将多路待转换的模拟量每次只选通一路，输出只有一个公共端接至A/D转换器，达到分时转换；

A/D转换器的作用将连续变换的模拟信号转换为数字信号。

输出电路的结构由锁存器、D/A转换器、低通滤波器、功率放大器组成。

一、微型机系统

变电所综合自动化装置硬件系统的数字核心部分一般由CPU存储器、定时器/计数器、watchdog等组成。

㈠CPU（中央处理器）是计算机系统自动工作的指挥中枢。

㈡存储器。

利用存储器把程序