供電技術(shù)課件ch7-供電系統(tǒng)變電所的自動化

內(nèi)容提要：本章介紹了供電系統(tǒng)的基本功能以及變電所綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還介紹了備用電源投入裝置，最后介紹了自動重合閘裝置。第7章供電系統(tǒng)變電所的自動化第7章供電系統(tǒng)變電所的自動化第一節(jié)概述第二節(jié)變電所自動化系統(tǒng)的基本功能第三節(jié)變電所綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第四節(jié)備用電源自動投入裝置第五節(jié)自動重合閘裝置第一節(jié)概述

變電所的自動化系統(tǒng)就是將變電所的二次設(shè)備（包括：繼電保護裝置、控制裝置、測量裝置、信號裝置）通過計算機網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代通信技術(shù)綜合集成為一體，實現(xiàn)變電所運行管理自動化的系統(tǒng)。

一、變電所的自動化系統(tǒng)的定義二、變電所的自動化系統(tǒng)的主要功能

具有微機保護，數(shù)據(jù)、信號采集與測量，自動控制，運行監(jiān)視，打印記錄，故障錄波與測距，信息儲存與分析，自診斷，與調(diào)度所通信以及接受、處理和傳送來自線路需經(jīng)變電所傳送的信號等功能。三、變電所的自動化系統(tǒng)的目的

1）在中、低壓變電所中采用自動化系統(tǒng)，取消常規(guī)的保護、監(jiān)視、測量、控制屏，以全面提高變電所的技術(shù)水平和運行管理水平，并逐步實行無人值班，達到減員增效的目的。

2）對于高壓大型樞紐變電所的建設(shè)和設(shè)計來說，采用自動化系統(tǒng)，解決了各專業(yè)在技術(shù)上保持相對獨立而造成的互相脫節(jié)、重復投資，甚至影響運行可靠性的弊端。達到提高自動化水平和運行管理水平的目的。

第二節(jié)變電所自動化系統(tǒng)的基本功能

一、

監(jiān)視控制功能

變電所綜合自動化系統(tǒng)的監(jiān)控功能，應(yīng)包括變電所模擬量、狀態(tài)量、脈沖量的數(shù)據(jù)采集，時間順序記錄，故障錄波，諧波監(jiān)測與分析，變電站操作控制，人機聯(lián)系，變電所內(nèi)通信以及與上級調(diào)度通信的全部功能。1.數(shù)據(jù)采集:對供電系統(tǒng)運行參數(shù)的在線實時采集是變電所自動化系統(tǒng)的基本功能之一，運行參數(shù)可分為模擬量、狀態(tài)量和脈沖量等。2.數(shù)據(jù)處理與記錄:數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容為電力部門和用戶內(nèi)部生產(chǎn)調(diào)度所要求的數(shù)據(jù)。(1)變電所運行參數(shù)的統(tǒng)計、分析與計算(2)變電所內(nèi)運行參數(shù)和設(shè)備的越限報警及記錄(3)變電所內(nèi)的事件記錄3.運行監(jiān)視:運行監(jiān)視即對采集到的反映變電所運行狀況和設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行自動監(jiān)視。4.故障錄波:10kV及以上的重要配電線路距離長、發(fā)生故障影響大，當配電線路故障時必須盡快查出故障點，以便縮短維修時間，盡快恢復供電，減少損失。

5.事故順序記錄與事故追憶

事故順序記錄就是對變電所內(nèi)的繼電保護、自動裝置、斷路器等在事故時動作的先后順序自動記錄。事故追憶是指對變電所內(nèi)的一些主要模擬量，如線路、主變壓器的電流、有功功率、母線電壓等，在事故前后一段時間內(nèi)作連續(xù)測量記錄。6.控制及安全操作閉鎖：操作人員可通過顯示器屏幕對斷路器、隔離開關(guān)進行分、合閘操作；對變壓器分接頭進行調(diào)節(jié)控制；對電容器組進行投、切控制。并且所有的操作控制均能就地和遠方控制、就地和遠方切換相互閉鎖，自動和手動相互閉鎖。操作閉鎖包括以下內(nèi)容：操作系統(tǒng)出口具有斷路器分、合閘閉鎖功能。二、微機繼電保護功能

微機繼電保護是變電所自動化系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括線路保護、電力變壓器保護、母線保護、電容器保護、小電流接地系統(tǒng)自動選線、自動重合閘。由于繼電保護的特殊重要性，自動化系統(tǒng)絕不能降低繼電保護的可靠性、獨立性。

微機繼電保護應(yīng)滿足的要求：

1.系統(tǒng)的微機繼電保護按被保護的電力設(shè)備單元(間隔)分別獨立設(shè)置，直接由相關(guān)的電流互感器和電壓互感器輸入電氣量，保護裝置的輸出，直接作用于相應(yīng)斷路器的跳閘線圈。

2.保護裝置設(shè)有通信接口，供接入站內(nèi)通信網(wǎng)，在保護動作后向變電所層的微機設(shè)備提供報告，但繼電保護功能完全不依賴通信網(wǎng)。

3.為避免不必要的硬件重復，以提高整個系統(tǒng)的可靠性和降低造價，對35kV及以下的變（配）電所，在不降低保護裝置可靠性的前提下，可以配給保護裝置其他一些功能。4.除保護裝置外，其他一些重要控制設(shè)備，例如備用電源自動投入裝置、控制電容器投切和變壓器分接頭有載切換的無功電壓控制裝置等，也不依賴通信網(wǎng)，設(shè)備專用的裝置放在相應(yīng)間隔屏上。三、自動控制裝置的功能變電所自動化系統(tǒng)必須具有保證安全、可靠供電和提高電能質(zhì)量的自動控制功能。因此，典型的變電所自動化系統(tǒng)都配置了相應(yīng)的自動控制裝置，如備用電源自動投入控制裝置、自動重合閘裝置、電壓、無功綜合控制裝置、小電流接地選線裝置等。1.備用電源自投控制：當工作電源因故不能供電時，備用電源自動投入裝置應(yīng)能迅速及時將備用電源自動投入使用或?qū)⒂秒娯摵汕袚Q到備用電源上去。2.自動重合閘裝置：在供電系統(tǒng)的架空線路發(fā)生“瞬時性故障”被繼電保護迅速斷開后，由于故障的瞬時性，故障點的絕緣強度會自動恢復。利用這一特點，采用自動重合閘裝置能夠自動將斷路器重新合閘，恢復供電，提高供電的可靠性。4.小電流接地選線裝置：在中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時，接地保護應(yīng)能正確地選出接地線路及接地相，并予以報警。3.電壓、無功綜合控制：變電所電壓、無功綜合控制是利用有載調(diào)壓變壓器和母線無功補償電容器及電抗器進行局部的電壓及無功功率補償?shù)淖詣诱{(diào)節(jié)控制，使負荷側(cè)母線電壓偏差在規(guī)定范圍以內(nèi)以及用戶供電系統(tǒng)的功率因數(shù)達到電力部門的要求。四、遠動及數(shù)據(jù)通信功能變電所自動化的通信功能包括系統(tǒng)內(nèi)部的現(xiàn)場級的通信和自動化系統(tǒng)與上級調(diào)度的通信兩部分。1)自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場級通信，主要解決變電所內(nèi)部自動化各子系統(tǒng)間和各子系統(tǒng)與上位機(監(jiān)控主機)間的數(shù)據(jù)和信息交換問題。它們的通信范圍是變電站內(nèi)部。對于集中組屏結(jié)構(gòu)的自動化系統(tǒng)來說，實際上是在變電所主控室內(nèi)部；對于分散分層結(jié)構(gòu)的自動化系統(tǒng)來說，其通信范圍擴大至主控室與現(xiàn)場單元的安裝地。

2)自動化系統(tǒng)必須兼有遠動終端（RemoteTerminalUnit,RTU）的全部功能，應(yīng)該能夠?qū)⑺杉哪M量和開關(guān)量信息，以及事件順序記錄等遠傳至上級調(diào)度中心；同時應(yīng)該能夠接收調(diào)度中心下達的各種操作、控制、修改定值等命令。第三節(jié)變電所綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一、變電所綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計的原則

根據(jù)變電所在供電系統(tǒng)中的地位和作用，對變電所自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮可靠、實用、先進的原則。

可靠性是變電所自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，系統(tǒng)本身應(yīng)有較強的抗干擾能力和自檢恢復功能，在系統(tǒng)運行中，繼電保護的動作行為僅與保護裝置有關(guān)，不依賴于監(jiān)控系統(tǒng)和其他環(huán)節(jié)，保證自動化系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)故障只影響局部功能的實現(xiàn)，不影響保護子系統(tǒng)的正常工作。且都應(yīng)設(shè)有手動跳、合閘功能及防跳功能。變電所自動化系統(tǒng)的實用性是要求對自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計從實際應(yīng)用的對象出發(fā)。從而提高變電所自動化系統(tǒng)性能價格比，減少投資。同時系統(tǒng)本身在結(jié)構(gòu)配置上應(yīng)有可擴充余地、通用性要強、操作使用要方便、便于修改和增刪。變電所自動化系統(tǒng)的先進性通常是以系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、功能水平及其可靠性、實用性等綜合指標為衡量依據(jù)的。變電所自動化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和功能水平設(shè)計，要求安全可靠、運行穩(wěn)定、經(jīng)濟效益等綜合指標好，并為變電所的進一步自動化和人工智能應(yīng)用提供平臺，滿足和促進變電所無人值班的實施。同時應(yīng)符合國家或部頒標準，使系統(tǒng)開放性能好，便于升級。二、變電所綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變電所自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為集中式、分布分散式和分散集中組屏式三種類型。圖7-1集中式變電所自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1、集中式變電所自動化系統(tǒng)

1）結(jié)構(gòu)簡單，投資少。2）功能簡單，綜合性能差，通常要采用雙機并聯(lián)運行的結(jié)構(gòu)才能提高可靠性。3）程序設(shè)計復雜，調(diào)試和維護不方便。4）組態(tài)不靈活，對不同主接線或規(guī)模不同的變電站，軟、硬件都必須另行設(shè)計，不利于推廣。

集中式變電所自動化系統(tǒng)，一般適合于小型變電所的新建或改造。集中式變電所自動化系統(tǒng)的基本特點是：2、分布集中組屏式變電所自動化系統(tǒng)圖7-2分布集中組屏的變電所自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖這種按功能設(shè)計的分散模塊化結(jié)構(gòu)具有軟件相對簡單、調(diào)試維護方便、組態(tài)靈活、系統(tǒng)整體可靠性高，便于擴充和維護，而且其中一個環(huán)節(jié)故障，不會影響其他部分的正常運行。適用于主變電所的回路數(shù)相對較少，一次設(shè)備比較集中，從一次設(shè)備到數(shù)據(jù)采集柜和控制柜等所用的信號電纜不長，易于設(shè)計、安裝和維護管理的10~35kV供電系統(tǒng)變電所。分布集中組屏式變電所自動化系統(tǒng)的基本特點:3、分布分散式變電所自動化系統(tǒng)圖7－3分布分散式變電所自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

減少了所內(nèi)的二次設(shè)備及信號電纜，避免了電纜傳送信息時的電磁干擾，節(jié)省了投資，簡化了維護，同時最大限度地壓縮了二次設(shè)備的占地面積。由于裝置相互獨立，系統(tǒng)中任一部分故障時，只影響局部，因此提高了整個系統(tǒng)的可靠性，也增強了系統(tǒng)的可擴展性和運行的靈活性。分布分散式變電所自動化系統(tǒng)特點:第四節(jié)備用電源自動投入裝置

一、備用電源自動投入裝置的作用與類型

作用：用于兩路及以上電源進線的變配電所中，提高供電可靠性。

工作電源與備用電源的接線方式可分為兩大類：明備用:在正常時，備用電源不投入工作，只有在工作電源發(fā)生故障時才投入工作。暗備用:在正常時，兩電源都投入，互為備用。在正常情況下，QF1閉合，QF2斷開，負荷由工作電源供電。當工作電源故障時，APD動作，將QF1斷開，切除故障電源，然后將QF2閉合，使備用電源投入工作，恢復供電。圖7－4備用電源接線方式示意圖a)明備用正常情況下，QF1,QF2閉合，QF3斷開，兩個電源分別向兩段母線供電。若電源A(B)發(fā)生故障，APD動作，將QF1(QF2)斷開，隨即將QF3閉合，此時全部負荷均由B(A)電源供電。圖7－4備用電源接線方式示意圖

b)暗備用1）不論什么原因失去工作電源，APD都能迅速起動并投入備用電源；2）必須在工作電源確已斷開、而備用電源電壓也正常時，才允許投入備用電源；3）APD應(yīng)只動作一次，以免將備用電源重復投入永久性故障回路中；4）當電壓互感器二次回路斷線時，APD不應(yīng)誤動作。二、對備用電源自動投入裝置的基本要求第五節(jié)自動重合閘裝置

一、自動重合閘的作用和類型

運行經(jīng)驗表明，電力系統(tǒng)的故障特別是架空線路上的故障大多是暫時性的，多數(shù)能很快地自行消除。因此，采用自動重合閘裝置（ARD），迅速恢復供電，從而大大提高供電可靠性。自動重合閘裝置分三相一次重合閘、二次重合閘和三次重合閘三種形式

二、對自動重合閘裝置的基本要求

1)線路正常運行時，自動重合閘裝置（ARD）應(yīng)投入，當值班人員利用控制開關(guān)或遙控裝置將斷路器斷開時，ARD不應(yīng)動作。當值班人員手動合閘，由于線路上有永久性故障而隨即由保護裝置將斷路器斷開時，ARD亦不應(yīng)動作。

2)除上述情況外，當斷路器因繼電保護裝置或其他原因跳閘時，ARD均應(yīng)動作。

3)ARD可采用控制開關(guān)位置與斷路器位置不對應(yīng)原則啟動重合閘裝置，即當控制開關(guān)處在合閘位置而斷路器實際上處于斷開位置的情況下，使ARD啟動動作。4)ARD的動作次數(shù)應(yīng)符合預先的規(guī)定（如一次重合閘只應(yīng)動作一次）。無特殊要求時對架空線路只重合一次，而對電纜線路一般不采用ARD，因其瞬時性故障極少發(fā)生。5）ARD的動作時限應(yīng)大于故障點滅弧并使周圍介質(zhì)恢復絕緣強度所需時間和斷路器及操作機構(gòu)恢復原狀，準備好再次動作的時間，一般采用0.5～1s。6)ARD動作后，應(yīng)能自動復歸，為下一次動作做好準備。

7)應(yīng)能和保護裝置配合，使保護裝置在ARD前加速動作或ARD后保護加速動作。1、自動重合閘前加速保護：重合閘前加速保護一般又簡稱“前加速”。圖7-6重合閘前加速保護方式的構(gòu)成原理示意圖（a）網(wǎng)絡(luò)接線圖（b）時間配合關(guān)系三、重合閘與繼電保護的配合

2、自動重合閘后加速保護：每段線路相應(yīng)均裝設(shè)重合閘裝置，當線路第一次出現(xiàn)故障時，利用線路上設(shè)置的保護裝置按照整定的動作時限動作。然后相應(yīng)的ARD動作，使斷路器重合一次。圖7－7自動重合閘裝置后加速保護動作原理圖

變電所電壓、無功綜合控制裝置的控制對象是有載調(diào)壓變壓器的分接頭和在低壓母線上設(shè)置的并聯(lián)補償電容器組?？刂频哪康氖潜ＷC主變壓器低壓側(cè)母線電壓在允許范圍內(nèi)，且盡可能提高進線的功率因數(shù)，故一般選擇電壓和進線處的功率因數(shù)（或無功功率）作為狀態(tài)變量。

電壓、無功綜合控制裝置實質(zhì)上是一個多輸入多輸出的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。從控制理論的角度上來說，它又是一個多限值電壓上下限、功率因數(shù)(無功)上下限、主變分接頭斷路器調(diào)節(jié)次數(shù)、并聯(lián)電容器組日投切次數(shù)及用戶特殊要求等多目標(電壓及功率因數(shù)合格)的最優(yōu)控制問題。第六節(jié)變電站的電壓、無功綜合控制根據(jù)狀態(tài)變量的大小，可將變電所的運行狀態(tài)劃分為九個區(qū)域，如圖所示。圖中縱坐標為變電所低壓側(cè)的母線U，橫坐標為變電所進線的功率因數(shù)。根據(jù)控制要求劃分，1、5區(qū)間是單純的調(diào)壓區(qū)，3、7區(qū)間是單純調(diào)無功區(qū)，2、4、6、8四個區(qū)間是綜合調(diào)控區(qū)。當運行參數(shù)值進入1～8區(qū)間時，為了使其返回到“0”區(qū)間，控制器依控制要求應(yīng)發(fā)出如下指令：

1區(qū)間——進線功率因數(shù)滿足要求，但母線電壓超越上限，控制器發(fā)出指令調(diào)節(jié)變壓器分接頭降壓。如分接頭已調(diào)到極限而電壓仍高于上限，則強切補償電容器組以調(diào)節(jié)電壓。

2區(qū)間——母線電壓和進線功率因數(shù)均超越上限，此時往往電力負荷較小，控制器發(fā)出指令應(yīng)先切補償電容器組，一方面改善進線功率因數(shù)使其在正常值范圍內(nèi)，另一方面降低母線電壓。如電壓仍超越上限，則再調(diào)節(jié)變壓器分接頭降壓。3區(qū)間——母線電壓正常，但進線功率因數(shù)超越上限，控制器發(fā)出指令逐步切除補償電容器組，以調(diào)節(jié)進線功率因數(shù)。

4區(qū)間——電壓低于下限，但進線功率因數(shù)超越上限。此時若先切補償電容器調(diào)節(jié)進線功率因數(shù)，則母線電壓會更低，所以指控制器指令先調(diào)節(jié)變壓器分接頭升壓，待電壓滿足運行要求后，再切補償電容器組來調(diào)節(jié)進線的功率因數(shù)。5區(qū)間——該區(qū)間的母線電壓低于下限，而進線功率因數(shù)在要求范圍內(nèi)，則控制器指令調(diào)節(jié)變壓器分接頭升壓。如果變壓器分接頭已調(diào)至極限位限時，則強制投入補償電容器組來改善母線電壓。6區(qū)間——進線功率因數(shù)和母線電壓均低于下限值，此時，控制器優(yōu)先發(fā)出投入補償電容器組的指令。這樣一方面提高進線功率因數(shù)；另一方面可改善母線電壓，若母線電壓仍低于下限，則再調(diào)節(jié)變壓器分接頭升壓，使母線電壓水平滿足要求