王福勝

摘要：變電站是電網中的重要節(jié)點，擔負著變換電壓等級、匯集電流、分配電能、控制電能的流向和調整電壓的功能。智能變電站是針對變電站的安全、可靠運行而建立起來的，基于微電子技術、信息技術和計算機技術的一種新型變電站。隨著電子式互感器，智能高壓電器、高速網絡通信技術等的發(fā)展，能夠為變電站提供更高層次的可靠、高效、穩(wěn)定、開放的智能變電站系統(tǒng)應運而生。本次設計針對智能變電站進行了相關設備選型、綜合保護功能的設置以及對通信系統(tǒng)作了一些研究。選型方面主要根據(jù)額定值選擇并且校驗。保護功能主要有變壓器內部外部的各類短路、過流及不正常運行的整定計算;繼電保護部分主要是針對變壓器的保護，重點介紹變壓器的主保護和后備保護。通信部分主要介紹RS-485串行口標準和遠動技術的應用。變電站運行的各狀態(tài)量被變送器采集輸送到總線系統(tǒng)后，都要根據(jù)遠動通信規(guī)約轉換成對應的信息，才能被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)識別。

將網絡技術、通信技術和計算機技術綜合應用于變電站自動化系統(tǒng)中，并接入網絡。采用基于B/S的三層體系結構，將運行監(jiān)測與辦公管理融為一體，實現(xiàn)了調度管理部門對繼電保護信息監(jiān)測與管理的雙重需求。實例應用結果表明，該系統(tǒng)可大幅降低運行人員的勞動強度，為變電站的無人值班奠定了基礎。

關鍵詞：變電站;設備選型;繼電保護;遠動技術

一、監(jiān)控自動化系統(tǒng)介紹

根據(jù)變電站綜合自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，微機自動化已經是當下發(fā)展的基石，在微機的基礎上更好的發(fā)展和研究。本文從設實現(xiàn)原理、整體結構、軟硬件部分、功能模塊的應用程序等方面對分層分布式變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)進行了分析，以及通過五防監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)斷路器、隔離刀閘，接地刀閘的五防操作系統(tǒng)，還有微機自動化的高級應用終端的應用。對220kV變電站綜合自動化系統(tǒng)及其微機監(jiān)控系統(tǒng)進行比較詳細地整體概述。對變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)結構進行分析。

監(jiān)控綜合自動化系統(tǒng)，是對220kV系統(tǒng)電氣設備的監(jiān)控，通過監(jiān)控系統(tǒng)可以對設備的監(jiān)測和控制，遠動信息的交換和控制，變電站設備管理，系統(tǒng)配置，監(jiān)視和報警，操作員站畫面對主要電氣設備的運行參數(shù)和設備狀態(tài)監(jiān)視。通過電氣主接線圖，可以監(jiān)視設備的運行狀態(tài)、潮流方向、模擬量的瞬時值，監(jiān)視綜合自動化系統(tǒng)本身的配置和狀態(tài)，當所采集的模擬量越線時，SOE窗口會彈出告警信息，提示監(jiān)控人員時刻掌握設備運行狀態(tài)。利用軟件可以實現(xiàn)抄表系統(tǒng)的RTU監(jiān)視，對設備的負荷實時監(jiān)測和通過AGC和AVC實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的負荷分配。

設備配置主要是圍繞功能展開的，例如我要實現(xiàn)變壓器的差動保護，需配備一塊Speam80系列的施耐德保護裝置（或者其他產品廠家），兩組電流互感器和一塊通訊裝置。通過電流互感器二次端子接入保護裝置，給Speam80軟件編程來實現(xiàn)變壓器斷路器的遙控合閘、保護跳閘和遙控分閘的功能，然后再通過通訊裝置配上通訊協(xié)議上傳到通訊管理機，然后再通過網絡交換機在通訊管理機時采時送保護裝置上傳的遙信、遙測、遙控、遙調、遙脈等數(shù)據(jù)到工作站的服務器，然后再通過通訊軟件PCS900或者PCS9700做數(shù)據(jù)庫組態(tài)和圖形組態(tài)，關聯(lián)到服務器存儲的遙信、遙測、遙控、遙調、遙脈等數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)自動化監(jiān)控的功能。

二、微機保護的優(yōu)越性

微機保護子系統(tǒng)是變電站綜合自動化系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，微機保護裝置與繼電器型或晶體管型裝置有不可比擬的優(yōu)越性，微機保護裝置是由軟件和硬件結合起來實現(xiàn)保護功能的，因此在很大程度上，不同原理的繼電保護的硬件可以是一樣的，換以不同的程序即可改變繼電器功能，利用微計算機的邏輯判斷能力，很容易解決繼電保護中碰到要考慮因素太多時，利用模擬電路很難實現(xiàn)的問題，使繼電保護動作規(guī)律更合理，性能穩(wěn)定，可靠性高。微機保護的功能主要取決于算法和判據(jù)，也即由軟件決定，對于同類型的保護裝置，只要程序相同，其保護性能必然一致，所以性能穩(wěn)定。而晶體管型的繼電器的元器件受溫度影響大，機械式的繼電器運動機構可能失靈，觸點性能不良，接觸不好等。而微機保護采用了大規(guī)模集成電路，所以裝置的元件數(shù)目、連接線等都大大減少，因而可靠性高。微機保護利用微機的記憶功能，可明顯改善保護性能，提高保護的靈敏性。例如，由微機軟件實現(xiàn)的功率方向元件，可消除電壓死區(qū)，同時有利于新原理保護的實現(xiàn)。微機保護利用微機的智能，可實現(xiàn)故障自診斷、自閉鎖和自恢復。這是常規(guī)保護裝置所不能比擬的。體積小、功能全。由軟件可實現(xiàn)多種保護功能，可大大簡化裝置的硬件結構，可以在事故后，打印出各種有用數(shù)據(jù)。例如故障前后電壓、電流采樣值、故障點距離、保護的動作過程和出口時間等。運行工作維護工作量小，現(xiàn)場調試方便?？稍诰€修改或檢查保護定值，不必停電校驗定值。由于微機保護具有突出的優(yōu)越性，是今后繼電保護技術的發(fā)展方向，因此變電站綜合自動化系統(tǒng)中，采用微機保護是必然的趨勢。尤其是新建的變電站，如果條件許可，則應該采用變電站綜合自動化系統(tǒng)，全面提高變電站的技術水平。

三、220kV變電站監(jiān)控系統(tǒng)概述

自動化變電站是一種新型變電站，應用了現(xiàn)代計算機技術、通信和信息處理技術、現(xiàn)代遠動技術、現(xiàn)代微電子技術等先進技術，使變電站的二次設備實現(xiàn)功能重組優(yōu)化，以更好的實現(xiàn)對變電站一次設備的運行狀態(tài)進行測量、監(jiān)控、控制和調配。智能變電站的主要任務是，完成對站內設備的信息共享，讓各設備之間完成信息的交換和數(shù)據(jù)分享，從而對變電站形成監(jiān)視和控制。智能變電站的出現(xiàn)，取代了傳統(tǒng)變電站的二次設備，同時也簡化了傳統(tǒng)變電站的二次接線。智能變電站的推廣和應用是提高現(xiàn)代變電站安全穩(wěn)定運行水平、降低運行維護成本、提高經濟效益、向用戶提供高質量電能的一項重要措施。把一些變電站常用功能智能化綜合在一起是智能變電站的一大特點，比如計算機技術，數(shù)據(jù)通訊，信息共享等。可以收集變電站及其主要線路上反映系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時信息，對其加以識別和處理之后用于分析、統(tǒng)計制表、超限報警和安全監(jiān)視等。

變電站運行人員在制定短期運行計劃（通常幾小時到幾個月之間）時，需要考慮資源的可利用程度、負載測算、系統(tǒng)功率互換、網絡結構等，使變電站在保證供電質量及系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下把運行費用降到盡可能低的水平。制定和執(zhí)行短時運行計劃，使電力系統(tǒng)做到經濟運行。進行發(fā)電控制以保持系統(tǒng)的頻率，維持電壓水平穩(wěn)定以保證供電質量。變電站可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)安全性等級做分析和預防性控制，在緊急情況下進行安全控制，防止事故的進一步擴大，在故障消除時執(zhí)行恢復控制，電力系統(tǒng)又可以回到正常運行狀態(tài)。

3.1 自動化變電站的一些基本概念

SCADA系統(tǒng)：指變電站內微機監(jiān)控系統(tǒng)或調度所內EMS系統(tǒng)或集控站系統(tǒng)。測控單元：指集中組屏的測控插箱。

分散式單元：指安裝于開關柜上的分散式單元。

插件：插在控制器或測控單元內的1塊集成電路板稱1個插件。

遠方：指變電站當?shù)卦O備以外的其他地方，如調度所機房、監(jiān)控主控制室。就地：指變電站所在地的設備。SOE：帶時間標志的事件順序記錄。COS：不帶時間標志的變化遙信。

口令：指監(jiān)控系統(tǒng)裝置或后臺微機進行參數(shù)修改、設置時需要輸入的密碼。智能變電站是變電站發(fā)展的一個新的方向，綜合了計算機技術、繼電保護技術、通信技術、微電子技術等對變電站的運行進行實時監(jiān)控。智能變電站的應用，可以使電力系統(tǒng)的故障率降低，提高供電配電質量，降低系統(tǒng)運行產生的成本。

3.2自動化變電站的系統(tǒng)構成

為了提高供電系統(tǒng)的自動化水平，確保供電的運行質量和可靠性，設置功能齊全、可靠性高、結構緊湊、操作簡單的變電所綜合自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構采用分層分布式，分層分布式的終端采用綜合保護裝置。

全廠電氣數(shù)據(jù) 中心設置在 ”22OkV總變內，設置電氣監(jiān)控系統(tǒng)后臺（含 離線編程器），由以太網交換機（10OOM）、前置采集服務器、歷史數(shù)據(jù)服務器、SCADA服務器、DTS服務器、WEB數(shù)據(jù)服務器、PAS服務器、備機、工程師工作站、操作員工作站及服務器、打印機組成。在動力中心控制樓內設置全廠監(jiān)控中心，由 以太網交換機、工程師、操作員工作站組成。動力中心綜合自動化裝置在動力中心控制樓內，設電氣監(jiān)控系統(tǒng)后臺（含離線編程器），集中組屏和分布式相結合，各綜合保護裝置采用工業(yè)以太網或現(xiàn)場總線方式與前端機相連，前端機至后臺系統(tǒng)采用光纖。總變電所電氣監(jiān)控系統(tǒng)后臺（含離線編程器），集中組屏和分布式相結合，各綜合保護裝置采用工業(yè)以太網或現(xiàn)場總線方式與前端機相連，前端機至后臺系統(tǒng)采用光纖。此外35kV區(qū)域變電所設電氣監(jiān)控系統(tǒng)后臺（含離線編程器），但6kV變配電所不設置后臺系統(tǒng)只設通訊管理機，并與0.4kV綜合保護和監(jiān)控系統(tǒng)所有上傳信號至全廠電氣數(shù)據(jù)中心。

3.2.1站控層設備

主機兼工程師工作站。用于整個計算機監(jiān)控系統(tǒng)的維護、管理，可完成數(shù)據(jù)庫的定義、修改，系統(tǒng)參數(shù)的定義、修改，報表的制作、修改，以及網絡管埋維護、系統(tǒng)診斷等工作;負責收集、處理、存儲站控層數(shù)據(jù);作為計算機監(jiān)控系統(tǒng)的主要入機界面，用于圖形及報表顯示、事件記錄及報警狀態(tài)顯示和查詢，設備狀態(tài)和參數(shù)的查詢，

操作指導，操作控制命令的解釋和下達、閉鎖邏輯功能等。在進行維護和監(jiān)控操作時應有可靠的登錄保護。主機兼操作員工作站按雙機冗余配置。站級控制層根據(jù)運行及操作權限不同，配置2個主機和 2臺操作員工作站、1臺工程師站，供運行監(jiān)視及操作控制用，并且完成對系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫的在線維護和修改：站級控制層通過以太網將這些設各與現(xiàn)場測控單元層互連，實現(xiàn)信息交換。

遠動通信設備應采用雙套專用獨立設各，直采直送通過專用通道點對點方式以及站內的數(shù)據(jù)網接入設備向各級調度傳送遠動信息;

公共接口設備：用于站內其他設備的接入的轉換終端，該設備為專用設備。

電力系統(tǒng)調度的遠程監(jiān)控可分四個子系統(tǒng)：信息采集和命令執(zhí)行子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)、信息采集和處理控制子系統(tǒng)、人機聯(lián)系子系統(tǒng)。

信息采集和命令執(zhí)行子系統(tǒng)的作用是監(jiān)控系統(tǒng)廠站端，通過輸入設備采集和處理一些狀態(tài)量后，在發(fā)送到調度端，并接受調度端的命令作出動作，通過命令輸出執(zhí)行設備完成遙控和遙調等操作。

信息傳輸子系統(tǒng)的作用是，用通信機和信道組成的系統(tǒng)，完成調度端和廠站端的信息傳輸，解決兩站間距離較遠的問題。

信息采集處理和控制子系統(tǒng)用來收集各調度端從廠站端采集來的信息，經分析處理后，通過人機聯(lián)系子系統(tǒng)呈現(xiàn)給工作人員，并接受信息，對廠站下達調度指令。

人機聯(lián)系子系統(tǒng)用來將電力系統(tǒng)運行狀態(tài)量呈現(xiàn)給工作人員，實現(xiàn)的硬件有調度模擬屏、顯示器和打印機等，工作人員可操作鍵盤就對電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)作出調整。

3.2.2網絡設備

（a）網 絡交換機。網絡交換機網絡傳輸速率 ≥1000Mbps（主 網絡采用1000M站內采用100M），構成分布式高速工業(yè)級雙以太網，應經過國家或電力工業(yè)檢驗測試中心檢測，支 持交流、直流供電。

（b）其 他網絡設備。包括光/電轉換器，接口設備（如光纖接線盒）和 網絡連接線、電纜、光纜等。

（c）測I/O控裝置。I/O測控裝置具有狀態(tài)量采集、交流采樣及測量、防誤閉鎖、同期檢測、就地斷路器緊急操作和單接線狀態(tài)及數(shù)字顯示等功能，對全站運行設備的信息進行采集、轉換、處理和傳送。I/O測控裝置還應配置有 “就地 /遠 方 ”切換開關。

3.3計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能

3.3.1數(shù)據(jù)采集和處理

計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過 I/O測控裝置實時采集模擬量、狀態(tài)量等信息量;通過公共接口設備接受來自其他通訊裝置的數(shù)據(jù)。

對所采集的實時信息迸行數(shù)字濾波、有效性檢杳，工程值轉換、信號接點抖動消除、刻度計算等加工。從而提供可應用的電流、電壓、有功功率、無功功率，功率因數(shù)等各種實時數(shù)據(jù)，并將這些實時數(shù)據(jù)帶品質描述傳送至站控層和各級調度中心。

I/O數(shù)據(jù)采集單元輸入量額定值：

CT二 次額定電流：1A

PT二 次額定電壓：100V（線電壓）

特 殊 量 輸 入：4～20mA，DC O～±5V

3.3.2數(shù)據(jù)庫的建立與維護

a）實時數(shù)據(jù)庫。存儲計算機監(jiān)控系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)，其數(shù)值應根據(jù)運行工況的實時變化而不斷更新，記錄被監(jiān)控設備的當前狀態(tài);

b）歷史數(shù)據(jù)庫。對于需要長期保存的重要數(shù)據(jù)將存放在歷史數(shù)據(jù)庫中。

應提供通用數(shù)據(jù)庫，記錄周期為1分鐘 -1小時可調。歷史數(shù)據(jù)應能夠在線滾動存儲1年，無需人工干預。所有的歷史數(shù)據(jù)應能夠轉存到光盤或磁帶等大容量存儲設備上作為長期存檔。對于狀態(tài)量變位、事件、模擬量越限等信息，應 按時間順序分類保存在歷史事件庫中，保存時間可由用戶自定義為幾個月、幾年等。

調度管理系統(tǒng)是分布式網絡化系統(tǒng)，共享一套數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，人機交互系統(tǒng)和分布式支撐環(huán)境。系統(tǒng)各網絡功能節(jié)點可以集成在同一節(jié)點上，也可分散駐留于不同節(jié)點，配置靈活，每個單獨的系統(tǒng)都可獨立運行。

分布式SCADA系統(tǒng)調度端一般為局域網系統(tǒng)，其主要系統(tǒng)為數(shù)據(jù)服務器，WEB服務器，調度員工作站，維護工作站，通信前置機及打印機，模擬屏（大屏幕顯示器）等外設組成。

3.3.3計算機監(jiān)控系統(tǒng)的控制輸出

控制輸出的接點為無源接點，控制輸出：1個獨立的合間接點、1個獨立的跳閘接點和 1個獨立的閉鎖接點。合閘、跳閘輸出，均應通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)閉鎖邏輯判斷。閉鎖接點應能實時正確反映隔離開關的閉鎖狀態(tài)，當滿足相關閉鎖條件就允許對該隔離開關進行操作時，該閉鎖輸出接點閉合，以接通電動操作機構的控制電源回路;且該接點應能長期保持，直到閉鎖條件不滿足時，該接點斷開以切斷電動操作機構的控制電源。

3.3.4調度端軟件

軟件從層次上來分，可分為三大類，即系統(tǒng)軟件、支持軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件由計算機公司提供，面向機器本身，其算法和功能不依賴于特定的用戶。它的主要任務是使硬件所提供的能力可以得到充分的利用，支持用戶的應用軟件的運行并提供恰當?shù)姆铡?/p>

操作系統(tǒng)是微機最基本的系統(tǒng)軟件，由它來管理內存分配，鍵盤操作，屏幕顯示，驅動軟盤，硬盤等外設。操作系統(tǒng)有一部分固化在主機內存中，大部分是在開機后，從軟盤或硬盤調入內存。

現(xiàn)場使用UNIX和WINDOWS系統(tǒng)特點：具備高穩(wěn)定性、可靠性及高實時響應的特點;具備強大的網絡管理能力及較強的抗計算機病毒侵染的能力;硬件成本高，運營維護欠直觀。動力和總變采用UNIX操作系統(tǒng)，化工區(qū)工作站采用WINDOWS操作系統(tǒng)。

3.3.5通訊、對時

微機保護裝置應具備通信網絡時和GPS衛(wèi)星時鐘對時功能。應具備IRIG-B碼（直流）或脈沖對時功能，并通過保護柜端子接線。

采用軟件對時，CDT、DNP、Modbus等規(guī)約提供了軟件對時手段，可采用軟件對時。但由于受到通信速率的影響，需要采取修正措施。這種方法的優(yōu)點是不需要增加硬件設備。

3.3.6自恢復和自檢測功能

RTU作為遠動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，必須保證不間斷地完成和SCADA系統(tǒng)的通信，但RTU的工作環(huán)境惡劣，具有強大電磁干擾，運行中難免發(fā)生程序受干擾，或通信瞬時中斷等異常情況，有時也會發(fā)生電源瞬時掉電，這都會造成RTU死機，而使系統(tǒng)無法收到該被控對象的信息。因此要求RTU在遇這些情況時，能在最短時間內自動恢復，重新從頭開始運行程序，為了維護方便，通常要求RTU含有自檢程序。

3.4有線RS-485通訊方式綜述

在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯(lián)網構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅動器和32臺接收器。RS-485接口組成的半雙工網絡，一般只需二根連線，所以RS-485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。

四、總結

本文根據(jù)變電站綜合自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，應用分層、模塊化和面向對象的設計方法和組態(tài)技術，通過對變電站綜合自動化系統(tǒng)及其微機監(jiān)控系統(tǒng)的結構組成和基本功能以及變電站綜合自動化系統(tǒng)及其微機監(jiān)控系統(tǒng)的設計原則、基本原理、系統(tǒng)構成等進行了分析和研究，得出了變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案、整體結構和組成框圖。

總之，提高計算機監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性是變電站自動化技術發(fā)展的根本，計算機監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運行是至關重要的。為了增強計算機監(jiān)控系統(tǒng)自身應付故障的能力，在設計中應考慮系統(tǒng)中任一環(huán)節(jié)遇到故障均不影響系統(tǒng)的正常運行的原則。應不斷完善變電站各項系統(tǒng)的功能，正確、可靠地與監(jiān)控系統(tǒng)連接。企業(yè)變電站安裝微機監(jiān)控系統(tǒng)后，可以利用計算機對變電站的各種動態(tài)參量加以組織分析，再以數(shù)據(jù)，圖表，色彩及音響等形式形象直觀地呈現(xiàn)在值班人員面前。借助于該系統(tǒng)，值班人員能提前發(fā)現(xiàn)事故隱患，作到防患于未然。萬一發(fā)生事故也能迅速找出事故原因，及時處理縮短停電時間減少經濟損失，因此，研究變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)具有迫切的現(xiàn)實需要和重大的實際意義。

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