傳統(tǒng)變電所二次系統(tǒng)設計缺陷及綜合自動化系統(tǒng)的應用

1、 傳統(tǒng)變電所二次系統(tǒng)設計缺陷及綜合自動化系統(tǒng)的應用 摘要：電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行程度以及供電的可靠性在很大程度上取決于電力系統(tǒng)調(diào)度自動化水平的高低。變電所是電力系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，變電所自動化程度的水平亦體現(xiàn)出整個電力系統(tǒng)調(diào)度自動化的水平，而變電所的自動化程度的高低取決于其二次系統(tǒng)的組成結構，或者說是二次設備的先進程度。關鍵字：變電所；二次系統(tǒng)設計；綜合自動化變電所綜合自動化系統(tǒng)就是將變電所內(nèi)的二次設備利用各種先進的技術條件，諸如微機技術，電力電子技術，通信技術以及信息處理技術等，進行功能的重組和結構的優(yōu)化設計，以實現(xiàn)對變電所所有電氣設備和主要配電線路的自動控制、自動監(jiān)視、精確測量和保護，并實現(xiàn)與

2、上級調(diào)度管理即時通信功能。由此可見，變電所綜合自動化系統(tǒng)是微機技術、通信技術、信息技術等現(xiàn)代高科技在電力系統(tǒng)中的綜合應用。利用準確的信息處理技術，變電所綜合自動化系統(tǒng)可以及時的采集到完整的信息和數(shù)據(jù)，再利用微型計算機的高速計算和判斷能力，就可以方便地實現(xiàn)對變電所內(nèi)各種電氣設備及線路的監(jiān)控。簡言之，變電所綜合自動化是集保護、測量、控制、遠動等功能為一體，通過數(shù)字通信及網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)信息共享的一套微機化的二次設備系統(tǒng)。1. 傳統(tǒng)變電所存在的問題變電所是電力系統(tǒng)中必不可少的關鍵環(huán)節(jié)，時時刻刻的保障著電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。在整個系統(tǒng)中，變電所的主要任務是：電網(wǎng)之間的橋梁；實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換；分配電能。

3、近年來電力系統(tǒng)的規(guī)模愈來愈大，則系統(tǒng)運行中的安全性和穩(wěn)定性更加難以控制，因此傳統(tǒng)的變電所運行模式（監(jiān)視、抄表、操作、記錄、匯報等程序皆由人為）必然無法滿足現(xiàn)有系統(tǒng)的需求，電力系統(tǒng)現(xiàn)代化管理模式也難以實現(xiàn)。由于采用了傳統(tǒng)、冗余的變電所二次系統(tǒng)設計方案，傳統(tǒng)變電所主要存在以下幾種問題：（1）供電質(zhì)量不能得到科學的保證。隨著科技以及國民經(jīng)濟的高速持續(xù)發(fā)展，人民開始逐漸追求高品質(zhì)的生活水平，各種中高級家用電器大量涌入到家家戶戶，這些高端的用電設備使得老百姓對電能質(zhì)量的要求愈來愈高。衡量電能的好壞我們可以參考電壓、頻率以及波形三個標準，目前在我國基本上從電壓和頻率兩方面來改善電能的質(zhì)量。在電網(wǎng)正常運行中

4、，電壓的頻率主要由發(fā)電廠調(diào)節(jié)來保證，而合格的電壓不能僅僅依靠發(fā)電廠來解決，各變電所，特別是樞紐變電站應該裝設相應的設備，承擔起電壓的調(diào)節(jié)作用。但目前大多數(shù)的傳統(tǒng)變電所，沒有裝設自動調(diào)壓的設備。保證波形的質(zhì)量，主要靠遏制諧波的污染來實現(xiàn)，目前還沒有采取有力的解決措施。（2）與現(xiàn)代電力系統(tǒng)要求的快速計算、實時控制脫節(jié)。電力系統(tǒng)必須隨時掌握系統(tǒng)的運行參數(shù)，遇到故障時才能及時采取一系列的自動控制和調(diào)節(jié)手段，保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。然而，傳統(tǒng)的變電所，其調(diào)度中心不能隨時獲取系統(tǒng)的運行參數(shù)。例如，傳統(tǒng)遠傳設備的功能不全，遙測和遙信參數(shù)無法實時的傳送到調(diào)度中心，調(diào)度中心無法及時獲知一次系統(tǒng)的實際運行

5、狀態(tài)，另外，對于系統(tǒng)參數(shù)的采集也缺乏準確性、完整性。因此傳統(tǒng)變電所很難實現(xiàn)實時控制的要求，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行極其不利。（3）設備可靠性差，增大了維護工作量，影響管理和自動化水平。傳統(tǒng)變電所多采用電磁型或晶體管型電子產(chǎn)品作為其繼電保護及自動化裝置，由于其結構復雜，保護性能差，必須經(jīng)常維護，而且電磁型或晶體管型設備本身不具備故障自診斷能力，為了保證它能安全可靠運行，就必須定期對設備進行停電檢查。每次停電檢查項目很多，工程量較大，因此停電時間較長，給居民生活帶來很大不便。另外，由于結構原理所限，自動裝置較少，對于提高自動化水平有很大限制性。（4）傳統(tǒng)的變電所一般占地面積較大。我國是一個人口大國

6、，特別對于一些人口密集的大、中型城市，土地顯得尤為珍貴。目前，為滿足人們?nèi)罕妼τ秒娏康男枨螅?、中城市變電所的?shù)量增加很快，而隨著城市建設的發(fā)展，土地價格更是增長迅速，相應變電所的土地征用投資也在增加。2.變電所實現(xiàn)綜合自動化的優(yōu)越性與傳統(tǒng)變電所冗余的二次系統(tǒng)設計相比，變電所綜合自動化系統(tǒng)有更為優(yōu)越的管理性、可靠性、便捷性。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）提高電能質(zhì)量，提高電壓合格率。在變電所的綜合自動化系統(tǒng)中包括有電壓無功自動調(diào)節(jié)裝置，通過對變壓器分接頭的調(diào)節(jié)和無功補償電容器的投切，可以大大提高電壓合格率，使無功分布合理，減小電能損耗。（2）提高整個變電所的安全、可靠運行水平。在變電所綜合自動

7、化系統(tǒng)中，其子系統(tǒng)大部分是由微型計算機組成的，它們具有故障診斷能力。微機保護裝置不但能迅速反應被保護設備的故障并切除故障外，還有監(jiān)視其控制對象工作狀態(tài)是否正常的功能，當發(fā)現(xiàn)其工作異常時，及時發(fā)出告警信號。更為重要的是，微機保護和自動裝置具有自身故障診斷能力，可以及時發(fā)現(xiàn)裝置內(nèi)部發(fā)生的異常，大大縮短故障的排除時間，減少維護檢修的工作量，縮短停電時間，這是常規(guī)繼電保護裝置所無可比擬的。正是這些優(yōu)點很大程度上提高了變電所綜合自動化系統(tǒng)的一、二次設備的可靠性。（3）提高整個電力系統(tǒng)的運行管理水平。在變電所綜合自動化系統(tǒng)中，設備的監(jiān)視、儀表數(shù)據(jù)的測量以及抄表記錄等繁瑣的工作都可由微機自動進行，微機操控不

8、僅可以提高測量的精確度，還可以避免人為的主觀干預。操作人員只需在控制室觀看顯示器的動態(tài)顯示，便可對變電所內(nèi)的大部分設備和輸配電線路的實時狀態(tài)了如指掌。如果需要對某一個設備進行操作，只需通過鼠標和鍵盤，就可完成操控。變電所綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了與上級通信，使調(diào)度中心的調(diào)度員及時根據(jù)傳送來的數(shù)據(jù)和信息，實時的進行必要的調(diào)節(jié)和控制。對于這樣的調(diào)度控制管理，綜合自動化系統(tǒng)會做全程的事件記錄以供查閱，大大提高了運行管理水平。（4）變電所集中控制，實現(xiàn)減員增效。由于變電所的綜合自動化系統(tǒng)可以實現(xiàn)遙控、遙信、遙測、遙調(diào)的四遙功能，變電所可以實現(xiàn)無人值班。將一個地區(qū)的幾座甚至十幾座變電所設一個集控中心，集中進行

9、運行監(jiān)控，將大大減少人 員設置，實現(xiàn)減員增效。（5）縮小了變電所占地面積，降低造價，減少總投資。實現(xiàn)了綜合自動化的變電所，一次設備選用了 gis 組合電器，二次設備選用了微機保護裝置及綜合自動化系統(tǒng)，高壓電氣室、主控制室、繼電保護室的占地面積大大減小，相應地整個變電所的占地面積都在減小，使變電所在選址上的投資大大縮小。概況來講，采用了變電所綜合自動化技術，簡化了變電所二次系統(tǒng)的硬件配置，及其系統(tǒng)設計，避免了重復；簡化了變電所二次設備之間的相互接線，減輕了安裝施工和維護工作量；減小了占地面積，降低了工程總造價；為電力企業(yè)的減員增效提高勞動生產(chǎn)率、實現(xiàn)變電所無人值班、提高了管理水平，創(chuàng)造了良好的技

10、術條件。3.變電所綜合自動化系統(tǒng)的應用變電所綜合自動化系統(tǒng)的應用，不僅能夠使得變電所的技術管理水平提高，而且可確保系統(tǒng)更安全可靠穩(wěn)定運行。與此同時，也縮減了運行維護成本，提高電能質(zhì)量以及電力調(diào)度和配電系統(tǒng)的自動化程度。對變電所綜合自動化系統(tǒng)的基本功能要求如下：隨時在線監(jiān)視正常運行情況的運行參數(shù)及設備運行狀況；自檢、自診斷設備本身的異常運行；發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)設備異常變化或裝置內(nèi)部異常時，立即自動報警并閉鎖相應的動作出口，以防止事態(tài)擴大。電網(wǎng)出現(xiàn)事故時，應快速采樣、判斷、決策，迅速消除事故，使故障限制在最小范圍。完成電網(wǎng)在線計算、儲存、統(tǒng)計、分析報表，遠傳和保證電能質(zhì)量的自動監(jiān)控調(diào)整工作。整個變電所綜合自

11、動化系統(tǒng)由功能完全獨立的各子系統(tǒng)構成。用一臺工業(yè)控制主機來統(tǒng)一管理全所的各子系統(tǒng)。各子機間通過串行通信，聯(lián)成一個完整的計算機局部網(wǎng)絡，任何一個自己系統(tǒng)都可獨立運行。為了實現(xiàn)上述基本功能，變電所綜合自動化系統(tǒng)設置的子系統(tǒng)包括為：繼電保護子系統(tǒng)、監(jiān)視控制子系統(tǒng)、低頻減載子系統(tǒng)、電壓無功綜合控制系統(tǒng)、備用電源自投子系統(tǒng)。3.1繼電保護子系統(tǒng)變電所綜合自動化系統(tǒng)二次回路的繼電保護是以微型計算機為核心，也稱微機保護子系統(tǒng)。它是利用微型計算機的智能化信息處理功能，對檢測到的反映電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的電氣量進行分析和計算，根據(jù)計算結果來實現(xiàn)對輸電線路或電氣元件的保護。因此，為了使微型計算機獲取電力系統(tǒng)運行的信息

12、，必須配備反映電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、反映被保護電氣設備狀態(tài)的開關量輸入電路和發(fā)出控制命令的開關量輸出電路。此外還要配置人機對話系統(tǒng)，向微機繼電保護裝置送入有關的計算和操作程序。繼電保護整定值、輸出有關繼電保護動作的信息，使繼電保護人員進行定期的整定值校驗和傳動試驗，對繼電保護的動作進行分析。微機繼電保護裝置的硬件電路一般由五個功能單元構成，即微型計算機、數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)、開關量輸入輸出電路、人機對話系統(tǒng)和工作電源，如圖 5.1 所示。圖 5.1 微機繼電保護裝置構成框圖（1）微型計算機系統(tǒng)微型計算機是微機繼電保護系統(tǒng)的核心部分，在微機保護中有兩種配置方式：單cpu 系統(tǒng)和多 cpu 系

13、統(tǒng)。兩者的區(qū)別在于微處理器個數(shù)的不同，多 cpu 系統(tǒng)的微處理器在兩個級以上。正是由于 cpu 個數(shù)的不同，單 cpu 系統(tǒng)的各保護程序是以串行方式依次進行的，而多 cpu 系統(tǒng)的各保護程序可以以并行模式在多個 cpu 中同時進行，大大縮短了保護程序的執(zhí)行時間，因而得到廣泛應用。（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)微機只能接受數(shù)字量，因此，必須配置相應的硬件電路將互感器二次側的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，才能送入計算機中，供繼電保護功能程序使用。（3）開關量輸入、輸出接口電路開關量輸入、輸出接口電路是微機保護裝置與外部設備聯(lián)系的窗口。這些電路主要是用來接收來自外部設備的開關量信號和向外部設備發(fā)送開關量信號，用以實現(xiàn)

14、微機保護裝置與外部設備之間的控制邏輯。（4）工作電源微機保護工作電源的可靠性直接關系到整個微機繼電保護裝置運行的可靠性。因此，其電源必須要求具有獨立性，不受系統(tǒng)電壓變化影響。（5）人機對話系統(tǒng)利用該系統(tǒng)，工作人員可以隨時設定繼電保護的程序、參數(shù)等，并且還可以把電力系統(tǒng)的故障信息通過專用的通信接口輸送到在線計算機，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠傳通信功能。微機保護子系統(tǒng)是變電所綜合自動化系統(tǒng)的關鍵部分，它的功能很大程度上決定了整個系統(tǒng)的性能，因此在設計微機保護子系統(tǒng)時必須給予足夠的重視。微機保護除應實現(xiàn)整個變電所內(nèi)主要設備和輸電線路的全套保護外，還應具備以下附加功能：故障自診斷與恢復、故障記錄、數(shù)據(jù)通信等功能。微

15、機繼電保護實現(xiàn)上述功能有如下特點：1）邏輯判斷清楚2）微機保護比常規(guī)繼電保護具備更優(yōu)良的保護性能3）調(diào)試維護方便4）運行可靠性高5）能夠提供更多的系統(tǒng)運行的信息量3.2監(jiān)視控制子系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)功能就是當?shù)刈詣踊δ埽ǎ海?）數(shù)據(jù)采集與顯示；變電所采集的數(shù)據(jù)有包括三種：模擬量、開關量和電能量。（2）事件順序記錄；事件順序記錄包括斷路器跳合閘記錄、保護及自動裝置動作記錄、各種異常告警記錄等。記錄以事件發(fā)生時間的先后順序自動進行。（3）故障記錄故障記錄所記錄的是當發(fā)生故障時，繼電保護動作前后，與此故障相關的電流及母線電壓，記錄時間范圍從故障發(fā)生前的 2 個周波一直延續(xù)到故障發(fā)生后的 10 個周波，

16、這樣就可以完整記錄發(fā)生故障的整個過程，并且可以清楚地觀察到故障前后短路電流和相關母線電壓是如何變化的。（4）操作控制功能具有綜合自動化系統(tǒng)的變電所，操作人員可以在變電所、集控中心或調(diào)度中心，通過顯示器，鍵盤或鼠標，操作斷路器、隔離開關的分、合閘，調(diào)控變壓器分接頭位置，投入、切除電容器等。為防止綜合自動化系統(tǒng)故障時無法操作被控設備，在設計中都保留了就地手動直接進行跳、合閘操作的功能。（5）安全監(jiān)視功能監(jiān)控系統(tǒng)對采集的電流、電壓、頻率、主變壓器溫度等模擬量，設定警告限位，在運行過程中不斷進行越限監(jiān)視。一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù)超過設定的限位值，立即進行報警，并記錄下越限值和越限時間。另外，監(jiān)控系統(tǒng)還要監(jiān)視繼電保

17、護及自動裝置工作電源是否正常，各子系統(tǒng)之間、各自動裝置之間的通信是否正常。（6）數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理功能1）運行數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計。統(tǒng)計的內(nèi)容包括：電量累加、分時統(tǒng)計、運行日報、月報、最大值、最小值、負荷率、電壓合格率。2）遙信信號監(jiān)視和處理。遙信變位次數(shù)統(tǒng)計、變位告警。3）限值監(jiān)視和報警處理。多種限值、多種報警級別、多種告警方式（聲響、語音）、告警閉鎖和解除。（7）打印功能在監(jiān)控中心配備打印機，可以完成以下打印記錄功能：定時打印報表和運行日志；打印斷路器操作記錄；打印事件順序記錄；越限打??；召喚打??；抄表打印；事故追憶打印。3.3 低頻減載子系統(tǒng)頻率是衡量電能質(zhì)量最重要的標準之一。電力系統(tǒng)的頻率必須維

18、持在恒定值，我國電網(wǎng)頻率為 50hz，滿足要求的頻率浮動范圍為0.10.2hz。如果系統(tǒng)頻率浮動過大，電力系統(tǒng)中的各種設備都會受到不同程度的影響，輕則導致設備不能正常運行，重則直接損毀設備，甚至使整個電力系統(tǒng)發(fā)生崩潰。頻率是反映系統(tǒng)有功功率是否平衡的重要指標。如果系統(tǒng)的有功功率有剩余時，頻率就會升高；如果系統(tǒng)的有功功率不足時，頻率就會隨之下降，低于額定值。系統(tǒng)頻率的降低會導致用戶終端設備的生產(chǎn)效率。有運行經(jīng)驗表明，當系統(tǒng)頻率下降 45hz 時，系統(tǒng)的電壓也會受到嚴重的影響。因此，當系統(tǒng)發(fā)生故障導致有功功率缺額時，應迅速有序地、有計劃地、適當?shù)厍袛嘭摵?，以將切除負荷后會造成的損失減少到最低。實現(xiàn)低頻減負荷的方法關鍵在于測頻，以往我國使用的是常規(guī)的低頻減負荷裝置，但