变电站综合自动化的研究与设计Word格式文档下载.docx
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变电站综合自动化系统代替了常规的测量和监视仪表，代替了常规控制屏，中央信号系统和远动屏，用微机保护代替了常规的继电保护屏，解决了常规的继电保护装置不能与外界通信的问题。
变电站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功能，可以方便的监视和控制变电站内的各种设备的运行和操作，它具有功能综合化，结构微机化，操作监视屏幕化，运行管理智能化等显著特点。
通过利用先进的综合自动化技术，提高了供电质量，提高了电压合格率，提高了变电站的安全可靠性和系统的运行管理水平，缩小了变电站占地面积，降低了造价，减少了总投资，减少了维护工作量，减少了值班员劳动强度。
变电站综合自动化系统是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来的。
与传统的继电保护相比较，微机保护具有许多优点：
（1）改善和提高了继电保护的动作特性和性能，动作正确率高。
（2）可以方便的扩充其他的辅助功能。
（3）工艺结构条件优越。
体现在硬件比较通用，制造容易统一标准。
（4）可靠性提高。
（5）使用灵活方便。
（6）可以进行远方监控。
微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监空系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。
1.1.2变电站综合自动化系统的发展趋势
（1）保护监控一体化
这种方式在35KV及以下的电压等级中已普遍采用，它的好处是功能按一次单元集中化，利于稳定的进行信息采集以及对设备状态进行控制。
极大的提高了性能效率比。
它的缺点是对运行的可靠性要求极高，任何形式的检修维护都将迫使一次设备的停止。
可靠性和稳定性要求很高。
（2）设备安装就地化，户外化
综合自动化装置将和一次设备整合在一起，其电气的抗干扰性能，设备抗热，抗寒，抗雨雪，防腐蚀等各项环境指标将达到极高的地步。
目前的综合自动化装置都是安装在低电压的中置柜上和室内的开关室内，户外的仅是一些实现简单功能的柱上设备。
随着高电压等级的推广，其设备都将就地安装在户外的端子箱上，对环境条件要求高。
这种方式最终将带来无人值班变电站没有建筑小室或仅设一个控制小室，它最多也就是一台控制显示终端。
这将极大的减少整个变电站的二次电缆，使变电站的建设简化，快速，设备调试简单。
同时也极大的提高了变电站的运行稳定性，可靠性。
（3）人机操作界面接口统一化，运行操作无线化
无人无建筑小室的变电站，变电运行人员如果在就地查看设备和控制操作，将通过一个手持式可视无线终端，边监视一次设备边进行控制操作，所有相关的量化数据将显示在可视无线终端上。
（4）就地通讯网络协议标准化
强大的通讯接口能力，主要通讯部件双备份冗余设计（双CPU，双电源等），采用光纤总线等等，使现代化的综合自动化变电站的各种智能设备通过网络组成一个统一的，互相协调工作的整体。
（5）全站数据标准化
变电站的智能监控装置将无电压等级划分，只是下载参数设置版本不同。
全站统一数据库，统一维护组态工具软件，分类分单元下载参数设置数据。
其实时运行数据库可通过严密的安全防护措施与整个电力系统实时数据连在一起
（6）数据采集和一次设备一体化
除了常规的电流电压，有功无功，开关状态等信息采集外，对一些设备的在线状态检测量化值，直接采集到监控系统的实时数据库中。
高技术的智能化开关。
光电式电流电压互感器的应用，必将给数据采集控制系统带来全新的模式。
1.2国外变电站综合自动化系统的发展
70年代末80年代初，国外开始了对于ISA技术的研究，这是由于电网规模不断扩大，要求电网及变电站的控制和保护系统必须运行安全、可靠、经济。
因此，各级调度中心需要更多的信息，以便及时掌握电网及变电站的运行情况。
同时，采用无人值班管理模式，进行远方控制，减少人为误操作的可能性，提高运行可靠性，降低变电站的造价和运行维护费用。
随着微处理器技术、计算机网络技术、数字通信技术的发展，人们可以利用现代先进的技术和设备来组成一个自动化的控制和保护系统，改变传统二次设备模式，做到设备简化，信息共享，减少变电站的造价和运行维护费用。
世界发达国家率先研制出成熟系统，并推广应用，大大提高了变电站管理的自动化水平，实现电力系统的安全、可靠、经济运行。
目前，日本日立、三菱、东芝公司，德国西门子公司（SIEMENS）、AEG公司，瑞士ABB公司，美国通用电气公司（GE）、西屋电气公司（Westinghouse），法国阿尔斯通公司（ALSTHOM），瑞士Landis&
Gyr公司等国际著名大型电气设备制造公司都开发和生产了变电站综合自动化系统（或称保护与控制一体化装置），并取得了较为成熟的运行经验......
1.3我国变电站综合自动化技术的发展
我国变电站自动化系统的发展阶段：
变电站内二次设备传统按功能可分为五类：
继电保护，自动装置,故障录波，当地监控和远动。
五大类产品的不断发展及其功能相互渗透，推动了变电站自动化系统的发展，产生了多种多样的系统模式，按系统模式出现的时间顺序可将变电站自动化系统的发展分为三个阶段：
第一阶段：
面向功能设计的集中式RTU加常规继电保护模式
80年代是以RTU为基础的远动装置及当地监控为代表。
该类系统是在常规的继电保护及二次接线基础上增设RTU装置，功能主要为完成与远方调度主站通信实现“四遥”（遥测，遥信，遥调，遥控），继电保护及自动装置与系统联结采用硬接点状态接入。
此类系统特点是功能简单，整体性能指标较低，系统联结复杂，不便于运行管理与维护，为自动化系统的初级阶段。
第二阶段：
面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式
90年代初期，微机保护及按功能设计的分布测控装置得以广泛应用，保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到当地监控计算机或调度主站。
此类系统的出现是由于当时国内电力系统保护和远动分属于不同部门和专业，另外对继电保护与测控装置在技术上如何融和没有达成一致的认识，故相当一部分尤其是110KV及以下电压等级自动化系统采用此类模式。
该模式没有做到面向对象设计，信息共享程度不高，另外系统的二次电缆互联较多，扩展性不好，不利于运行管理和维护。
第三阶段：
面向间隔和对象（object-oriented）的分层分布式结构模式
90年代中期，随着计算机技术、网络和通信技术的飞速发展，行业内对计算机保护与测控技术不断争论和探讨达成了一致的认识，采用面向设备或间隔为对象设计的保护及测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成了真正意义上的分层分布式自动化系统。
该系统特点是针对110KV以下电压等级的设备或间隔采用保护测控一体化设计的装置，针对110KV及以上电压等级的设备或间隔采用继电保护装置与测控装置分别独立设计但共同组屏的原则，故障录波功能下放至各间隔或设备的继电保护装置中去，采用先进的网络通信技术，系统配置灵活，扩展方便，非常方便运行管理和维护。
1.4变电站实现综合自动化的优越性
（1）提高供电质量，提高电压合格率
（2）提高变电站的安全，可靠运行水平。
（3）减少维护工作时间，减少值班人员的劳动强度，并达到减员增效
（4）缩小变电站占地面积，减少总投资。
5：
提高电力系统的运行管理水平
1.5变电站综合自动化系统的发展前景
随着国民经济的飞速发展，电力工业作为很重要的国家战略企业，十分重视电力系统综合自动化技术的发展，实现变电站综合自动化，这是电力工业发展的趋势。
对电力技术的发展来说，具有重要的意义，也是电力工业发展的显著标志。
虽然变电站综合自动化技术在80年代后才被开发应用。
但由于在技术性能上的潜在能力，必将被广泛的应用于祖国各个城网和农网中。
应用前景十分的巨大。
1.6小结
本章先是介绍了什麽是电力系统综合自动化，以及变电站综合自动化系统研究的意义和发展趋势。
下来介绍了国内外变电站综合自动化的发展过程和巨大的前景应用。
第2章变电站综合自动化系统的结构，功能与保护配置
2.1变电站综合自动化系统的结构
变电站综合自动化系统的组成在结构上主要可以分成：
集中式，分布集中式，集中和分散式，分散式四种。
2.1.1集中式综合自动化系统
它是按功能要求配置相应的继电保护装置和远动装置并安装在变电站的中央控制室内。
变压器。
各进出线以及其他电气设备的运行状态通过ct,pt，开关辅助触点有电缆传送到变电站的中央控制室的保护装置和远动装置内。
经初步处理后送到I/O通信控制器进行数据格式的变换，并将变电站所有保护，测量，信号和控制信息统一处理，与当地的后台机和远方调度中心进行信息交换。
它的特点是将变电站中所有的信息统一集中处理，形成一个系统，并符合传统的变电站运行模式。
它实际上是微机保护和微机远动的系统集成。
缺点是组屏多，占地面积大，而且需要铺设大量的电缆，投资量和工程量大，接线复杂，独立单元较多，维护工作量大，运行不可靠。
如图所示：
2.1.2分散式综合自动化系统
该系统按回路进行设计，每一个开关柜上或其他一次设备上就地安装微机保护单元和单回路的数据采集和监控单元，这样不但可以节省大量的光电缆，同时也提高了抗干扰能力。
微机保护单元和单回路的数据采集和监控单元与I/O通信控制器相互之间用网络电缆连接起来，仅做数据信息的传送。
分布式综合自动化系统的优点除了减少了大量的电缆，抗干扰能力增强，并大大的简化了二次设备，减小了占地面积。
缺点是运行时仍不是很稳定。
2.1.3分布集中式综合自动化系统
整个变电站的一，二次设备分为三层，变电站层，单元层和设备层。
设备层为0层，单元层为1层，变电站层为2层。
设备层主要是指变电站内的变压器，断路器，隔离开关以及辅助接点，电流，电压互感器等一次设备。
单元层一般按断路器间隔划分，具有测量，控制部件或继电保护部件。
单元层本身是有各种不同的单元装置组成，这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联系，也有可能设有数据采集管理机或保护管理机，分别管理各测量，监视单元和各保护单元，然后集中由数采管理机和保护管理机与变电站层通信。
单元层本身就是两级系统的结构。
变电站层包括全站性的监控主机，远动通信机等。
变电站层设现场总线或局域网，供各主机之间和监控主机和单元层之间交换信息。
变电站综合自动化系统主要集中在单元层和变电站层。
2.1.4集中和分散结合式综合自动化系统
随着单片机技术和通信技术的发展，特别是现场总线和局域网络技术的应用，一种发展趋势是按每个电网元件，比如一台变压器，一台断路器等为对象，集测量，保护，控制为一体，设计在同一机箱内。
至于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍然可以按照集中组屏安装在主控室内。
这种结构方式介于集中式和分散式之间。
目前国内应用较多的是分散式结构集中式组屏。
这种结构方式具有分散式结构的全部优点，并且由于采用了集中式组屏，有利于系统的设计，安装以及维护管理。
但是这种结构比较适合用于中低压变电站。
2.2变电站综合自动化系统的功能
变电站综合自动化系统的功能主要包括监测，监控，远传，保护四部分。
2.2.1监测
综合自动化系统通过对变电站的数据进行采集，处理，显示和打印，使运行人员了解变电站的运行工况，并采取相应的措施。
所采集的数据分为三大类：
模拟量，开关量和脉冲量。
（1）模拟量：
变电站需要监测的各种模拟量包括主变一次，二次和各线路的电流，各段母线及重要线路的电压，各线路零序电流，母线零序电压，主变温度和室温。
（2）开关量：
变电站内需要监测的各种开关量，包括各个开关，刀闸，变压器分接头，继电保护动作信息，开关机构运行状态，交直流电源运行状态，各微机运行状态等。
（3）脉冲量：
变电站需要监测的各种脉冲量，包括线路，主变一次和二次的有功电度量和无功电度量，电容器的无功电度量，所用电的有功电度量等。
2.2.2监控
综合自动化系统提供方便可靠的人机对话，运行人员利用键盘和显示器操作开关，刀闸和变压器分接头。
该系统还可以根据电网运行情况自动控制开关或变压器分接头。
所有操作的可靠性在软硬件设计中都应符合双重化原则。
操作方式分为手动操作和遥控执行。
手动操作分为三种方式：
键盘操作，把手操作，保护柜操作。
正常时利用键盘操作，非正常时通过模拟屏把手操作或保护柜操作。
保护柜操作可通过保护机键盘或柜上按扭实现。
遥控执行：
当调度端发出遥控开关或遥调变压器分接头的命令后，该系统能可靠的执行。
变电站监控的内容主要有以下几个方面：
（1）跳闸统计：
统计开关跳闸次数。
分为有事故跳闸次数和手动跳闸次数两种。
（2）接地选相：
对于中性点不接地系统，当电网出现单相接地故障时利用零序电压，零序电流增量以及压降可判断接地线路及相别，也可以利用功率方向等其它方法来判别。
也可利用功率方向法等其他方法来判别。
为了保证可靠性，应多次采样后才能确定。
确定后，主机报警，并显示和打印。
运行人员按照提示，用人工检除方法跳开开关自动重合，验证主机的判断。
（3）无功电压自动控制：
根据电网无功，电压计算和判断是投切电容器，还是调节变压器分接头位置。
以使无功和电压满足要求。
在变压器。
电容器。
或电网故障时不应该误动。
当电容器检修时，不应参与控制。
2.2.3远传
当变电站正常运行或发生事故及报警等事件时，远传机会实时的向上级调度传送该站信息，使调度人员了解该站的运行情况。
2.2.4保护
微机保护不仅有较高的可靠性和灵敏性，而且使用方便。
其特点：
（1）用键盘和八段显示器（LED）显示采样值（电流，电压，和开关状态）和整定值，并可修改整定值。
（2）具有事故追忆功能。
能够记录事故前后的线路电流和母线电压。
（3）具备实时自检功能。
能够对保护柜包括主机在内的各元件进行在线检查。
变电站保护分为以下几种类型：
（1）线路保护：
包括电流速断保护，定时限过电流保护，方向性电流保护，零序电压，电流及方向保护，反时限过流保护，高频保护，距离保护。
双回线方向横差保护和低周减载保护。
（2）变压器保护：
包括差电流速断保护，带二次谐波制动的比例差动保护。
本体保护（重瓦斯，轻瓦斯，有载重瓦斯，有载轻瓦斯等），过流保护（包括低压启动，复合电压启动），过负荷保护。
零序保护，高压侧备用电源自投和低压侧备电源自投。
（3）电容器保护：
包括电流速断保护，过流保护，反时限过流保护，相间过电压保护，相间低电压保护和零序过电压保护。
4：
母线保护：
包括完全电流差动母线保护和电流比相式
2.3变电站综合自动化系统的硬件配置
2.3.1综合自动化系统变电站主控室的结构分为三类
（1）模拟屏式：
在主控室模拟屏前设微机台，台内装微机及UPS电源，台上放主机显示器CRT，键盘和打印机。
模拟屏主接线图上安装仪表和操作把手。
其他如保护柜，变送器柜，电度表柜，监控柜，交直流电源柜等均放在模拟屏后，或分置于其他房间。
（2）控制台式：
再主控室前部设控制台，无模拟屏。
在控制台对面设保护柜，变送器柜，监控柜，电度表柜和交直流电源柜等设备。
控制台上或旁边放主机显示器CRT。
打印机和键盘。
模拟主接线，操作把手，必要的仪表和光字均安装在控制台面上。
（3）微机台式：
在主控室前部设微机台，无模拟凭，无控制台。
主控室后部设保护柜，变送器柜，监控柜，电度表柜，交直流电源柜等设备。
微机台内装主机和微机电源，微机台上放CRT，打印机和键盘。
2.3.2硬件的配置原则
综合自动化系统硬件配置应遵循下列原则：
（1）各自独立，相互配合。
不同功能的硬件之间只能有信息交换，不应有电的直接联系。
采用光电隔离和继电器接点闲离的方法实现。
保护柜内各单元应有独立的交流输入，独立电源，独立出口，应有可靠的抗干扰措施。
监控部分在监控机，电度机，采样机，远传机任一故障情况下，应不影响其他机正常工作。
（2）软硬件模块化，方便维护和扩展。
各单元应具有模块化的主机板，开出板。
开入板，模入板等，方便维护，并可在此基础上进一步开发。
（3）具有较强的抗干扰能力。
满足在强电场，高频影响和谐波冲击等环境下可靠工作，并能防止雷电冲击。
微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段：
第一阶段是以单cpu的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式A/D模数转换器构成，硬件和软件的设计符合四统一设计标准，其代表产品为微机高压输电线路保护装置。
第二阶段以多单片机构成的多cpu硬件结构为主，数据采集系统为电压频率转换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置的成功运行经验，利用多cpu的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动和误动的措施。
第三阶段以高性能的16位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出芯片，电路结构简单的特点，抗干扰能力进一步加强，并且完善了通信功能，为实现变电站自动化提供了方便。
再现阶段，在一些微机继电保护装置中，个别产品也采用了性能更好，功能更强大的工业控制计算机。
2.3.3变电站综合自动化系统微机保护的硬件结构
（1）处理器分为单片机和数字信号处理器两种
单片机通过大规模集成电路技术将CPU,ROM,RAM,和I/O接口电路封装在一块芯片中，具有可靠性高，接口设计简单，运行速度快，功耗低，性价比高的优点。
使用单片机的微机保护具有较强的针对性，系统结构紧凑，整体性能和可靠性高，但通用性和可扩展性相对较差。
而且某些保护算法需要使用乘法，除法或是开平方运算，而早期的片内资源有限，实际应用时常常需要对其功能进行补充和外部扩展。
新型高性能的单片机性能得到了很大的提高。
运行能力也得到了大大的加强，出现了无须进行外部扩展的所谓总线不出芯片的新型微机保护。
此保护采用了高集成度16位单片机，其内部包含了124KEPROM，4KRAM，接近10个内部计数器，定时器和中断口，2个全双工的串行口，以及整个内部A/D转换器。
其高效丰富的指定系统使得编程及其应用即灵活又简洁。
高性能单片机包含了微机保护所需要的各种硬件功能，使新型微机保护的电路设计异常简单可靠。
由于单片机价格低廉，因此，微机保护由当初的单CPU的硬件结构为主发展到为多单片机构成的多CPU硬件结构为主。
大量使用单片机的微机保护在电力系统中得到了成功的应用，也由于新型单片机的卓越性能，现阶段使用单片机的微机保护仍将是我国微机保护的主流产品。
数字信号处理器DSP：
它与目前通用的CPU不同，是一种为了达到快速运算而具有特殊结构的微处理器。
DSP具有强大的处理功能，在相同的主频率下，甚至比目前最先进的个人计算机快10—50倍。
快速的指令周期，哈佛结构，流水操作，专用的乘法器，特殊的指令，加上集成电路优化设计，可以使DSP的指令周期达到200ns。
DSP的突出特点是计算能力强，精度高，总线速度快，吞吐量大，尤其是采用专用硬件实现定点和浮点加乘运算，速度非常的快。
将数字信号处理器应用于微机继电保护，极大的缩短了数字滤波。
滤序和傅立叶变换算法的主要时间，不但可以完成数据采集，信号处理的功能，还可以完成以往主要由COU完成的运算功能，甚至完成独立的继电保护功能。
随着数字信号处理器芯片和开发工具的价格下降，可以预期数字信号处理器将会在微机继电保护装置中发挥重要的作用。
（2）数据采集系统
变电站综合自动化的数据采集系统分为三种：
逐次逼近式A/D转换器构成的数据采集系统，电压频率转换原理的计数式数据采集系统，高速数据采集系统
①逐次逼近式A/D转换器构成的数据采集系统
早期的微机保护线路中，考虑到A/D转换器价格昂贵，因此采用多个通道共用一个A/D转换器的方案。
每个通道各有一个采样保持器，其采样脉冲输入端并联后联到CPU插件上的定时器输出端，以实现对各通道的同时采样。
模拟量多路转换开关采用硬件电路控制记数自动进位切换通道号。
为了节省CPU的工作时间，数据采集系统在变化完成后的得到的数字输出不需要经过CPU控制，而经DMA控制直接存入本插件的RAM中。
再同一时刻采样的全部通道转换完成并存入RAM后，才由DMA请求中断，由CPU做出相应的处理。
这种数据采集系统使用的芯片比较多，电路复杂，抗干扰能力差，因此，在其改进型产品中使用了电压频率转换原理的计数式数据采集系统。
②电压频率转换原理的计数式数据采集系统
第2代微机线路保护的VFC（电压频率保护）数据采集系统中，为了提高数据采集系统的采集速度，每个模拟输入通道都需要使用单独的电压频率转换/光耦合器，其输出频率信号送至可编程计数器8255进行频率测量，在每个数据采集周期由CPU读取可编程计数器的计数值，并进行标度变换以获得实际的采样植。
主要优点是：
通过光电耦合器与CPU接口，因此抗干扰能力强，容易实现多单片机系统的多CPU接口。
③高速数据采集系统
近几年来。
以ANN为代表的人工智能技术和小波分析理论，以及行波保护，暂态保护等概念逐步引入继电保护领域，对采样速度提出了更高的要求。
在变电站的母线保护，变压器保护和发电机保护中，由于需要进行采样的电流通道很多，对采样的速度也有很高的要求。
采样率的提高导致了采样间隔的缩短，从而留给CPU进行采样数据预处理，保护启动计算，主保护计算的时间大大缩短。
因此，必须大大的压缩数据采集的时间。
保护装置使用公控机时，通常采用工控机智能同步数据采集模板完成采
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