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1、第四章 变电站自动化n主题：n一、变电站自动化的背景 n二、变电站自动化的基本要求n三、变电站自动化的发展方向 n四、变电站自动化的基本功能 n五、变电站自动化系统的结构形式 n六、变电站自动化系统内的通信技术1郑州轻工业学院电气教研室电气教研室.n七、变电站无人值班 n八、变电站无功电压综合控制n九、变电站防误操作闭锁系统n十、低频减负荷控制n十一、小电流接地系统单相接地选线n十二、故障录波与测距n十三、遥视与遥测 2郑州轻工业学院电气教研室电气教研室一、变电站自动化的背景n1.常规变电站二次系统的问题n（1）常规变电站二次系统由继电保护、自动装置、测量仪表、操作控制屏、中央信号屏和远动装置
2、几部分分立组成。n继电保护多个机械式继电器的组合 体积大、分散、接线多、功能不全、无通信n自动装置模拟式、无通信功能n远动装置(许多变电站没有远动装置)模拟式3郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n操作控制屏多屏、模拟式显示仪表、无远方操作功能n中央信号屏光字牌n通信-各种装置间无通信n（2）特点n这些部分的功能、采用的技术及装置各不相同，相互之间独立运行，缺乏智能，没有故障自诊断能力。同时，分立元件的装置可靠性不高，体积大；二次电缆使用多，连接繁杂，易出现故障。4郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n2.微机型自动装置阶段n随着计算机技术的发展，20世纪8、90年代出现了微机型保护装置、自动装置
3、、远动装置和监控系统。n这些微机型装置采用数字电路，体积缩小；利用微处理器的智能和计算能力，应用新的算法，提高了测量的准确度和控制的准确性；扩充了新的功能，还具有装置本身的故障自诊断能力；提高了变电站自动控制的能力和可靠性。5郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n这些微机型装置基本上维持了原有的功能逻辑关系，只是组成的硬件结构由微处理器及其接口电路代替。n各种微机型装置的硬件结构大同小异，采集和控制的量大多相同，但设备重复，模板种类多，数据与通道不共享，实际上形成了变电站的自动化孤岛。而且二次电缆依旧繁多，故障隐患较大。n变电站的自动化孤岛问题必须依靠科学技术的发展来解决。6郑州轻工业学院电气教
4、研室电气教研室n3.变电站自动化阶段n20世纪90年代以来计算机与通信技术迅猛发展，更高性能微处理器、网络技术、现场总线技术的广泛应用使变电站进入自动化阶段。n其初步实现的特征是将保护和测量控制综合考虑配置，监控系统除完成远动功能外，还能与微机保护和小电流接地装置交换信息，站内有通信系统，有监控计算机。7郑州轻工业学院电气教研室电气教研室二、变电站自动化的基本要求n1.变电站自动化系统应能全面代替常规的二次设备。n集变电站的继电保护、测量、监视、控制和通信于一个分级分布式系统中。n2.变电站微机保护的软硬件设置与监控系统既要相对独立，又要相互协调。n系统中任何其它环节故障只影响局部功能的实现，
5、不影响保护子系统的正常工作。8郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n3.微机保护装置具有串行接口或现场总线接口，向计算机监控系统或RTU提供保护动作信息或保护定值信息。n4.变电站自动化系统的功能和配置，满足无人值班的要求。n5.具有可靠、先进的通信网络及合理的通信协议，实现数据共享。9郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n6.具有高可靠性和强抗干扰能力。n各子系统具有独立的自诊断和自恢复功能，任一部分发生故障时，能发出告警指示，并迅速将自诊断信息送往控制中心。n7.系统的标准化程度和可扩展性、适应性、开放性能好。10郑州轻工业学院电气教研室电气教研室三、变电站自动化的发展方向n一些新技术的应用使
6、变电站自动化系统有可能出现重大突破，同时，在技术突破的过程中需要面对一系列新的挑战。n1.非常规互感器n（1）传统的电磁感应式电压、电流互感器随着系统容量和电压的不断升高，不可避免地带来绝缘结构复杂、体积大、磁饱和、铁磁谐振及动态范围小等缺点，影响继电保护的可靠性和灵敏性，这也是目前测量和保护不容易实现数据完全共享的主要原因。11郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n（2）非常规互感器如电子式和光电式互感器OTA的优点：n具有优良的绝缘性能，体积小，成本低；n不含铁心，没有磁饱和、铁磁谐振等问题；n动态范围大，测量精度高，其额定电流可由几十安到几千安，过电流范围大几十万安，一个互感器可同时满足计
7、量与继电保护的需要，节省投资。12郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n频率范围宽，可测出高压线路的谐波电流，还可进行暂态电流、高频大电流与直流电流的测量。其信号处理部分采用先进的数字信号处理DSP技术，具有实时性、快速性和便于进行复杂算法处理等特点。n抗干扰能力强。13郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n（3）非常规互感器对变电站自动化系统的发展具有革命性意义n非常规互感器的最大特点是可以输出低电平模拟量和数字量信号，直接用于微机保护和电子式计量设备，省去了许多中间环节，实现数据共享。n非常规互感器响应速度快，动态范围大，可以根据故障时瞬变过程的波形，发展新原理的继电保护装置。14郑州轻工业学
8、院电气教研室电气教研室n非常规互感器抗干扰能力强，绝缘性能优秀，可分散安装于高压设备附近，利用光纤和局域网联系起来，构成完全分散的自动化系统。15郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n2.IEC61850标准从专用设备到统一平台nIEC61850变电站网络与通信协议标准是世界统一标准，使变电站信息建模标准化成为可能，信息共享具有了可实施的前提，便于不同厂家实现相互接口和维护。n3.网络通信技术n通过光纤和以太网技术构成基于网络控制的分布式变电站自动化系统。16郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n4.智能断路器技术从传统控制向综合智能控制发展n电气设备比如断路器，将控制、保护系统与一次设备就近安装
9、在一起，向智能型装置发展。n非常规互感器及计算机技术的发展，使得对于断路器设备内部的电、磁、温度、动作状态的监测成为可能，通过收集分析检测数据，判断断路器运行的状况及趋势，安排检修和维护，代替传统的定期检查和实验，减少了运行成本。17郑州轻工业学院电气教研室电气教研室四、变电站自动化的基本功能 n变电站自动化的基本功能体现在七个子系统：n1监控子系统 n2微机保护子系统 n3电压、无功功率综合控制子系统 n4五防子系统n5其它自动装置功能子系统 n6.遥视及检测子系统n7.远动及数据通信子系统18郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n1监控子系统n（一）数据采集n模拟量的采集母线，线路的电压、电
10、流、功率及相位、功率因数等。n开关量的采集 断路器状态：循环中断方式，采样分辨率在5ms以内。隔离开关状态和有载调压变压器分接头位置：定时查询方式 继电保护动作信号：串行通信 n电能计量脉冲计量或软件计算19郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n（二）事件顺序记录SOE：遥信量n（三）故障录波、事故追忆和测距n事故追忆：事故前后一段时间的变电站内一些主要模拟量的连续记录。n故障录波与测距：110kV及以上的重要线路距离长，故障影响大。设置故障录波与测距以尽快找出故障。可由微机保护装置兼做故障录波与测距，并将结果送往监控，但记录数量有限；也可采用专用设备。20郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n故
11、障记录：35kV和10kV线路可利用微机保护装置设置简单故障记录功能，或采用保护启动监控数据采集系统记录主变压器电流和高压母线电压。n（四）控制及安全操作闭锁 n可通过监视器屏幕用键盘操作断路器和隔离开关n可接受遥控操作命令，进行远方操作n所有操作均能就地与远方控制，就地与远方控制相互闭锁，自动与手动相互闭锁。n操作管理按权限分层：有专用密码的操作口令与监护口令。21郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n（五）运行监视与人机联系n通过状态量变位监视，可监视变电站各种断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头的位置和动作情况，继电保护和自动装置的动作情况以及它们的动作顺序等。nCRT显示器，其显示画
12、面的内容不仅可以取代常规的仪器、仪表，而且可实现以下许多常规仪表无法完成的功能。22郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n1显示内容n(1)显示采集和计算的实时运行参数。同时在潮流等运行参数的显示画面上应显示出日期和时间(年、月、日、时、分、秒)。屏幕刷新周期可在210s间(可调)。n(2)显示实时主接线图。变电站主接线图上断路器和隔离开关的位置要与实际状态相对应。进行对断路器或隔离开关的操作时，在所显示的主接线图上，对所要操作的对象应有明显的标记(如闪烁等)。各项操作都应有汉字提示。23郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(3)事件顺序记录(SOE)显示。显示所发生的事件内容及发生事件的时间。
13、n(4)越限报警显示。显示越限设备名、越限值和发生越限的时间。n(5)值班记录显示。n(6)历史趋势显示。显示主变压器负荷曲线、母线电压曲线等。n(7)保护定值和自控装置的设定值显示。n(8)其他，包括故障记录显示、设备运行状况显示等。24郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n2输入数据n 变电站投入运行后，随着送电量的变化，保护定值、越限值等需要修改，甚至由于负荷的增长，需要更换原有的设备，如更换TA变比。因此在人机联系中，必须有输入数据的功能。需要输入的数据至少有以下几项内容：25郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(1)TA和TV变比。n(2)保护定值和越限报警定值。n(3)自控装置的设定
14、值。n(4)运行人员密码。n对无人值班变电站也必须设置必要的人机联系功能，以便当巡视或检修人员到现场时，能通过液晶显示或便携机观察到站内各设备的运行状况和运行参数，对断路器等的控制应具有人工当地紧急操作的设施。26郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(六)安全监视和报警n 监控系统在运行过程中，对采集的电流、电压、主变压器温度、频率等量，要不断进行越限监视，如发现越限，立刻发出告警信号，同时记录和显示越限时I日-J和越限值。另外，还要监视保护装置是否失电，自控装置工作是否正常等。27郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n当变电站有非正常状态发生和设备异常时，监控系统能及时在当地或远方发出事故音响
15、或语音报警，并在CRT显示器上自动推出报警画面，为运行人员提供分析处理事故的信息，同时可将事故信息进行打印记录和存储。28郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n对于一个典型的变电站，应报警的参数有：n母线电压报警，即当电压偏差超出允许范围且越限连续累计时间达到30s(或该时间按电压监视点要求)后报警；n线路负荷电流越限报警，即按设备容量及相应允许越限时间来报警；n主变压器过负荷报警，按规程要求分正常过负荷、事故过负荷及相应过负荷时间报警；29郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n系统频率偏差报警，即在系统解列有可能形成小系统时，当其频率监视点超出允许值时报警；n消弧线圈接地系统中性点位移电压越限及
16、累计时间超出允许值时报警；n母线上的进出功率及电能量不平衡越限报警；n直流电压越限报警。30郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n越限报警的各个参数量中，有一个允许运行时间限额，因此除越限报警外还应向上级调度(控制)人员提供当前极限运行时间，即允许运行时间减去越限运行的累计时间。n 异常状态报警的是非正常操作时，断路器变位信号、保护故障动作信号、监控和保护设备异常状态信号以及数据采集的状态量中其他报警和异常信号。31郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n报警方式主要有自动推出画面、报警、音响提示(语音或可变频率音响)、闪光报警和信息操作提示，如控制操作超时等。n 对无人值班的变电站，通过设置摄像平
17、台，配置视频图像识别系统，可以实现对不明物入侵的监视。通过设置红外摄像仪，配置红外图像识别系统，可以实现对设备温度过高和火警的监视与告警。通过就地图像识别以及把视频图像和告警信息上传至调度侧的功能实现，称之为“遥视”。32郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(七)打印功能n 对于有人值班的变电站，监控系统可以配备打印机，完成以下打印记录功能：定时打印报表和运行日志；开关操作记录打印；事件顺序记录打印；越限打印；召唤打印、抄屏打印；事故追忆打印。n 对于无人值班变电站，可不设当地打印功能，各变电站的运行报表集中在控制中心打印输出。33郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(八)数据处理与记录n历史
18、数据的形成和存储也是数据处理的主要内容。n此外，为满足继电保护和变电站管理的需要，必须进行一些数据统计，其内容包括：n主变压器和输电线路有功和无功功率每天的最大值和最小值以及相应的时间；n母线电压每天定时记录的最高值和最低值以及相应的时间；34郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n计算售配电电能平衡率；n统计断路器动作次数；n断路器切除故障电流和动作次数的累计数；n控制操作和修改定值记录。35郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(九)谐波分析与监视n 保证电力系统的谐波在国标规定的范围内，也是电能质量的重要指标。随着非线性器件和设备的广泛应用，电气化铁路的发展和家用电器的不断增加，电力系统的谐波
19、含量显著增加，并且有越来越严重的趋势。目前，谐波“污染”也成为电力系统的公害之一。n因此，在变电站自动化系统中，要重视对谐波含量的分析和监视。对谐波污染严重的变电站采取适当的抑制措施，降低谐波含量，是一个不容忽视的问题。36郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n2.微机保护子系统 （1）包括变电站主要设备和输电线路的全套保护，有：n高压输电线路的主保护和后备保护；n主变压器的主保护和后备保护；n无功补偿电容器组的保护；n母线保护；n配电线路的保护；n不完全接地系统的单相接地选线等变电站自动化系统不能降低继电保护的可靠性。37郑州轻工业学院电气教研室电气教研室（2）继电保护还必须具备以下附加功能：
20、n与监控系统通信的功能；n故障记录功能；n与统一时钟对时功能；n存储多种保护整定值；n当地显示与多处观察和授权修改保护整定值；n故障自诊断、自闭锁和自恢复功能；n设置保护管理机或通信管理机，沟通监控系统与各保护单元间的联系。38郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n3.电压、无功综合控制子系统n变电站自动化系统必须具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自动控制功能。电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证用户的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一。n对电压和无功功率进行合理的调节，不仅可以提高电能质量和电压合格率，而且可以降低网损。39郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n电压和无功功率的
21、调整对电网的输电能力、安全稳定运行水平和降低电能损耗有极大影响。因此电压、无功功率综合控制也是变电站自动化系统的一个重要组成部分。n4.“五防”子系统n 对任何一个变电站都有进行远方操作或就地操作的任务要求。由于变电站设备繁多，操作的准确性又要求很高，因此单纯强调提高操作人员的认识是远远不够的。利用计算机的逻辑分析功能强的特点，配套一些闭锁装置及动作闭锁回路的改造，构成防止误操作的“五防”闭锁子系统。40郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n5.其他自动装置功能子系统n（1）低频减负荷控制n 当电力系统因事故导致有功功率缺额而引起系统频率下降时，低频减负荷装置应能及时自动断开一部分负荷，防止频率
22、进一步降低，以保证电力系统稳定运行和重要负荷(用户)的正常工作。当系统频率恢复到正常值之后，被切除的负荷可逐步远方(或就地)手动恢复或可选择延时分级自动恢复。41郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n（2）备用电源自投控制n 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自动投入使用或将用户切换到备用电源上去。典型的备用电源自投有单母线进线备投、分段断路器备投、备用变压器备投、进线及桥断路器备投。42郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n（3）小电流接地选线控制n 小电流接地系统中发生单相接地时，接地保护应能正确地选出接地线路(或母线)及接地相，并予以报警。n 对于不接地系统，可采用零序功
23、率方向、零序电流大小和方向等零序分量判据；对于经消弧线圈接地系统还应考虑其他判据(如5次谐波判据等)进行综合判断。43郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n6.遥视及检测子系统n 运用摄像仪和红外热像仪对变电站的重要部位进行巡视摄像，经远方通道传至调度侧进行远方监视。子系统能够完成对所摄图像进行对比识别，当有危害物体侵入时，发出告警及遥信信息；对红外热像仪所取图像进行分析，当变电站中存在某区域温度过高时，发出告警及遥信信息，防止设备温升过高和火灾。44郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n7.远动及数据通信子系统n 变电站自动化系统是由各个子系统组成的，必须把变电站各个单一功能的子系统(或称单元自
24、控装置)组合起来，使上位机与各子系统或各子系统之间建立起数据通信或互操作。因此网络技术、通信协议标准、分布式技术、数据共享等均是关键问题。45郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n另外，先进的自动化系统应该能替代RTU的全部功能，也即与调度主站应具有强的通信功能。因此，综合自动化系统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。46郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n（1）综合自动化系统内部的现场级间的通信n 综合自动化系统内部的现场级间的通信主要解决自动化系统内部各子系统与上位机(监控主机)和各子系统间的数据通信和信息交换问题，它们的通信范围是变电站内部。对于集中组
25、屏的综合自动化系统来说，实际是在主控室内部；47郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n对于分散安装的自动化系统来说，其通信范围扩大至主控室与子系统的安装地，最大的可能是开关柜间，即通信距离加长了。综合自动化系统现场级的通信方式有并行通信、串行通信、局域网络和现场总线等多种方式。48郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n（2）综合自动化系统与上级调度的通信n 自动化系统必须兼有远方终端的全部功能，应该能够将所采集的模拟量和开关状态信息，以及事件顺序记录等调度有关的信息远传至调度端；同时应该能接收调度端下达的各种操作、控制、修改定值等命令。49郑州轻工业学院电气教研室电气教研室五、变电站自动化系统的结
26、构形式n变电站自动化系统的结构形式根据目前在变电站中的具体应用，主要有集中式、分布式和分散(层)分布式；n从安装物理位置来划分，有集中组屏、分散组屏和全部分散在一次设备间隔上安装等形式。50郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n1集中式变电站自动化结构模式n 集中式结构的综合自动化系统，指采用不同档次的计算机，扩展其外围接口电路，集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。51郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n集中式结构的变电站自动化系统示意图如图41所示。52郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n集中式结构是根据变电站的规模
27、，配置相应容量的集中式保护装置和监控主机及数据采集系统，它们安装在中央控制室内。主变压器和各进出线及站内所有电气设备的运行状态，通过TA、TV经电缆传送到中央控制室的保护装置和监控主机(或远动装置)。继电保护动作信息往往取保护装置的信号继电器的触点，通过电缆送给监控主机(或远动装置)。53郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n在旧站改造的中、低压变电站中常用传统的远动终端(RTU)加上当地监控系统(又称当地功能)组成自动化系统，如图42所示。54郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n一般保护系统独立配置，保护装置的信息可通过遥信输入回路(即硬件方法)进人RTU，也可通过串行口按规约通信(即软件方法
28、)进入RTU。根据用户不同层次的要求，其功能的配置可以是一台主机，也可以是一个完整的计算机网络监控系统，即利用传统的集中式RTU实现变电站自动化功能。55郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n集中式结构的缺点是：必须采用双机并联运行的结构才能提高可靠性；软件复杂，系统调试麻烦；组态不灵活。n2分布式系统集中组屏的变电站自动化系统结构模式n 将微机保护单元和数据采集单元按一次回路对象设计，分别配置。这种系统虽有多种不同形式，但归纳起来实质均属于分层分布式的多CPU的体系结构。56郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n每一层由不同的设备或不同的子系统组成，完成不同的功能。变电站分为变电站层、间隔层和过
29、程层三层。n过程层主要指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。n目前，变电站自动化系统主要位于间隔层和变电站层。57郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n间隔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。测量、控制部件负责该单元的测量、监视、断路器的操作控制和连锁及事件顺序记录等；保护部件负责该单元线路或变压器或电容器的保护、故障记录等。n因此，间隔层本身是由各种不同的单元装置组成，这些独立的单元装置直接通过网络或串行总线与变电站层(主RTU)联系，如图43所示。58郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n图中采用RS-485星形结构构成的分布式测控
30、单元(分布式RTU)代替传统的RTU，集中配屏安装在控制室。n可用于旧站分布式RTU改造模式。59郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n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与间隔层之间交换信息。变电站层的有关自动化设备一般均安装于控制室，将间隔层的设备也集中安装在控制室，以减少控制电缆长度。n在较大型的变电站中采用数据采集管理机或继电保护管理机，分别管理各测量、监视单元和各保护单元，然后集中与变电站层通信，如图4-4所示。60郑州轻工业学院电气教研室电气教研室61郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n为了提高综合自动化系统整体的可靠性，分布
31、式系统集中组屏结构采用按间隔划分的分布式多CPU系统。n每个功能单元基本上由一个CPU组成，多数采用单片机，也有一个功能单元由多个CPU完成的。这种按功能设计的分散模块化结构具有软件相对简单、调试维护方便、组态灵活、系统整体可靠性高等特点。62郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n在自动化系统的管理上，可以采取分层管理的模式，即各保护功能单元可以由保护管理机直接管理。一台保护管理机与单元模块之间可以采用双绞线用RS一485接口连接，也可通过现场总线连接；而模拟量和开关量输入输出单元也可以由数据采集管理机负责管理。63郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n保护管理机和数据采集管理机是处于变电站级和间
32、隔功能单元间的第二层结构。正常运行时，保护管理机监视各保护单元的工作情况，一旦某一保护单元有保护动作信息或发现某一单元本身工作不正常，将保护动作信息或设备故障信息立即报告上位监控机，并报告调度中心。n调度中心或监控机也可通过保护管理机下达修改保护定值等命令。64郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n数据采集管理机则将各数据采集单元所采集的数据和开关状态送给监控机和送往调度中心，并接受由调度或监控机下达的命令。总之，这第二层管理机的作用可明显地减轻监控机的负担，协助监控机承担对单元层的管理。65郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n3分散与集中相结合的变电站自动化结构模式n它以每个电网元件(如一条出
33、线、一台变压器、一组电容器等)为对象，集测量、保护、控制为一体，设计在同一机箱中。n对于635kV的配电线路，可以将这个一体化的保护、测量、控制单元分散安装在各个开关柜中，然后由监控主机通过光纤或电缆网络，对它们进行管理和交换信息。66郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n至于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍可采用集中组屏安装在控制室内或分散的设备小间内，通过网络将这些分散的装置或屏柜连接在一起，进行信息交换。67郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n这种将配电线路的保护和测控单元分散安装在开关柜内，而高压线路保护和主变压器保护装置等采用集中组屏安装在控制室内的分散式系统结构，常称为分散和集中
34、相结合的结构，而控制和保护仍然集中配屏。其示意图如图45所示。68郑州轻工业学院电气教研室电气教研室69郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n对500、220kV等大型变电站，通常将各个电压等级的间隔单元集中组屏安装在分散的设备小间内(一次设备附近)，就近管理，节省电缆；而分散的不同电压等级设备小间再通过通信系统和主控制室变电站层单元组成整个变电站自动化系统，如图46所示。70郑州轻工业学院电气教研室电气教研室71郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n4全分散的变电站自动化结构模式n以一次主设备如开关、变压器、母线等为安装单位，将控制、IO、闭锁、保护等单元分散就地安装在一次主设备(屏柜)上，站控
35、单元(在控制室内)通过串行口(光纤通信)与各一次设备屏柜(在现场)相连，组成以太网与上位机和远方调度中心通信，如图47所示。n具体实施，可以保护独立，控制、测量合一；也可以保护、控制、测量合一。该方式适合于要求节省占地面积和二次电缆的35110kV中低压变电站，如城市(市区)变电站。72郑州轻工业学院电气教研室电气教研室73郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n分散式结构的变电站自动化系统突出的优点如下：n (1)简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积。由于配电线路的保护和测控单元分散安装在各开关柜内，因此主控室内减少了保护屏，加上采用自动化系统后，原先常规的控制屏、中央信号屏和站内
36、模拟屏可以取消，因此使主控室面积大大缩小，也有利于实现无人值班。74郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(2)减少了施工和设备安装工程量。由于安装在开关柜的保护和测控单元在开关柜出厂前已由厂家安装和调试完毕，再加上敷设电缆的数量大大减少，因此现场施工、安装和调试的工期随之缩短。n(3)简化了变电站二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆。n(4)分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便。由于分散安装，减小了TA的负担。各模块与监控主机问通过局域网络或现场总线连接，抗干扰能力强，可靠性高。75郑州轻工业学院电气教研室电气教研室六、变电站自动化系统内的通信技术六、变电站自动化系统内的通信技术n变电站
37、自动化系统的数据通信，包括两方面的内容：n一是综合自动化系统内部各子系统或各种功能模块间的信息交换；n二是变电站与控制中心间的通信。变电站自动化系统应具有与电力系统控制中心通信的功能，不另设独立的远动装置，而由自动化系统的上位机(或称集中管理机)或通信控制机执行远动功能。76郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n变电站自动化系统实质上是由多台微机组成的分级分布式的控制系统，包括微机监控、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统。在各个子系统中，往往又由多个智能模块组成。例如：微机保护子系统中，有变压器保护、电容器保护和各种线路保护等。77郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n在综合自动化系统内部，必
38、须通过内部数据通信，实现各子系统内部和各子系统间的信息交换和实现信息共享，以减少变电站二次设备的重复配置和简化各子系统间的互连，既减少重复投资，又提高了整体的安全性，这是常规的变电站的二次设备所不能实现的问题。78郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n1.变电站自动化系统的现场级通信n 在具有变电站层间隔层过程层的分层分布式自动化系统中，需要传输的信息有如下几种。n(1)设备层与间隔层间的信息交换n 间隔层的设备有控制测量单元或继电保护单元，或两者都具有。设备层的高压断路器如可能有智能传感器和执行器，可以自由地与间隔层的装置交换信息。79郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n一般间隔层的设备大多数
39、需要从设备层的电压和电流互感器采集正常、事故情况下的电压值和电流值，采集设备的状态信息和故障诊断信息。这些信息包括断路器和隔离开关位置，主变压器分接头位置，变压器、互感器、避雷器的诊断信息以及断路器操作信息等。80郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(2)间隔层内部的信息交换n 在一个间隔层内部相关的功能模块间，即继电保护和控制、监视、测量之间的数据交换。这类信息有如测量数据、断路器状态、器件的运行状态、同步采样信息等。n(3)间隔层之间的通信n 不同间隔层之间的数据交换有主、后备继电保护工作状态、互锁，相关保护动作闭锁电压无功综合控制装置等信息。81郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(4)
40、间隔层和变电站层的通信n 间隔层和变电站层的通信是最主要的通信，其内容很丰富，概括起来有以下三类：n测量及状态信息。正常、事故情况下的测量值和计算值，断路器、隔离开关、主变压器分接开关位置，各单元层运行状态，保护动作信息等。n操作信息。断路器和隔离开关的分、合命令，主变压器分接头位置的调节，自动装置的投入与退出等。n参数信息。微机保护和自动装置的整定值等。82郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(5)变电站层的内部通信n 变电站层可能有多台计算机设备。不同设备之间的通信，要根据各设备的任务和功能的特点，传输所需的测量信息、状态信息和操作命令等。83郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n2.变电站
41、自动化系统通信的特点与要求n (1)变电站通信网络的要求n 由于数据通信在综合自动化系统内的重要性，经济、可靠的数据通信成为系统的技术核心，而由于变电站的特殊环境和综合自动化系统的要求，使变电站自动化系统内的数据网络具有以下特点和要求：84郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n快速的实时响应能力。变电站自动化系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信息和操作控制信息。在电力工业标准中对系统的数据传送都有严格的实时性指标，网络必须很好地保证数据通信的实时性。85郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n很高的可靠性。电力系统是连续运行的，数据通信网络也必须连续运行。通信网络的故障和非正常工作会影响整个变
42、电站自动化系统的运行，设计不合理的系统，严重时甚至会造成设备和人身事故，导致很大的损失，因此变电站自动化系统的通信子系统必须保证很高的可靠性。86郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n优良的电磁兼容性能。变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存在电源、雷击、跳闸等强电磁干扰和地电位差干扰，通信环境恶劣，数据通信网络必须注意采取相应的措施消除这些干扰。87郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n分层式结构。这是由整个系统的分层分布式结构所决定的，也只有实现通信系统的分层，才能实现整个变电站自动化系统的分层分布式结构，系统的各层次又各自具有特殊的应用条件和性能要求，因此每一层都要有合适的网络系统。88郑州轻
43、工业学院电气教研室电气教研室n(2)信息传输响应速度的要求n 不同类型和特性的信息要求传送的时间差异很大，其具体内容如下：n1)经常传输的监视信息。n为监视变电站的运行状态，需要传输母线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、零序电压、频率等测量值，这类信息需要经常传送，响应时间需满足SCADA的要求，一般不宜大于12s；89郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n为计量用的信息，如有功电能量和无功电能量，这类信息传送的时间间隔可以较长，传送的优先级可以较低；n为刷新变电站层的数据库，需定时采集断路器的状态信息，继电保护装置、自动装置投入和退出的工作状态信息，可以采用定时召唤方式，以刷新数据库；
44、90郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n为监视变电站的电气设备的安全运行所需要的信息，例如变压器、避雷器等的状态监视信息，变电站保安与防火有关的运行信息。n2)突发事件产生的信息。n系统发生事故的情况下，需要快速响应的信息，例如：事故时断路器的位置信号，这种信号要求传输时延最短，优先级最高；91郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n正常操作时的状态变化信息(如断路器状态变化)要求立即传送，传输响应时间要短，自动装置和继电保护装置的投入和退出信息，要及时传送；n故障情况下，继电保护动作的状态信息和事件顺序记录，这些信息作为事故后分析事故之用，不需要立即传送，待事故处理完再送即可；92郑州轻工业学院
45、电气教研室电气教研室n故障发生时的故障录波和带时标的扰动记录的数据，这些数据量大，传输时占用时间长，也不必立即传送；n控制命令、升降命令、继电保护和自动设备的投人和退出命令，修改定值命令的传输不是固定的，传输的时间间隔比较长；93郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n随着电子技术的发展，在高压电气设备内装设的智能传感器和智能执行器，高速地和自动化系统单元层的设备交换数据，这些信息的传输速率取决于正常状态时对模拟量的采样速率，以及故障情况下快速传输的状态量。94郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n(3)各层次之间和每层内部传输信息时间的要求n1)设备层和间隔层之间传输信息时间为llOOms。n2)
46、间隔内各个模块间传输信息时间为l100ms。n3)间隔层的各个间隔单元之间传输时间为l100ms。n4)间隔层和变电站层之间传输信息时间为lO1000ms。n5)变电站层的各个设备之间传输时间为大于或等于1000ms。n6)变电站和控制中心之间传输时间为大于或等于1000ms。95郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n3.变电站自动化系统中的现场总线n 目前，在变电站自动化系统中，微机保护、微机监控和其它微机型的自控装置间的通信大多通过RS422485通信接口相连，实现监控系统与微机保护和自动装置间的相互交换数据和状态信息。这与变电站原来的二次系统相比，已有很大的优越性，可节省大量连接电缆，接线
47、简单、可靠。96郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n采用RS422485通信接口，虽然可实现多个节点(设备)问的互连，但连接的节点数一般不超过32个，在变电站规模稍大时，便满足不了综合自动化系统的要求；n其次，采用RS422485通信接口，其通信方式多为查询方式即由主计算机问，保护单元或自控装置答，通信效率低，难以满足较高的实时性要求；97郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n再者，使用RS422485通信接口，整个通信网上只能有一个主节点对通信进行管理和控制，其余皆为从节点，受主节点管理和控制。这样主节点便成为系统的瓶颈，一旦主节点出现故障，整个系统的通信便无法进行；n特别是对RS422485
48、通信接口的通信规约没有统一标准，使不同厂家生产的设备很难互连，给用户带来不便。98郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n以上这些问题，不仅在变电站自动化系统中存在，在其它工控领域也存在。因此，国际上在80年代中期就提出了现场总线，并制定了相应的标准。n所谓现场总线(Field Bus)是一种全数字的双向多站点通信系统。现场总线是基于微机化的智能现场仪表，实现现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化的、智能、双向、多变量、多点、多站的通信网络。99郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n常用的有过程现场总线PROFIBUS(Process Field Bus)标准、FF(Field Bus
49、 Foundation)现场总线、LONWORKS总线、CAN(Controller Area Network)总线等。有关现场总线的具体内容可参考相关文献。以下仅介绍在变电站自动化系统中应用的现场总线技术。100郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n4.LON WORKS现场总线n LON WORKS(Local Operating Network)是美国Echelon公司于1991年推出的一种现场总线。LON WORKS的核心是Neuron神经元处理芯片，收发器模块和LonTalk通信协议。n1)Neuron芯片。有两种型号的Neuron神经元单片机MCl43150和MCl43120。它们的
50、显著特点是既能管理通信，又具有I0和控制功能。101郑州轻工业学院电气教研室电气教研室n芯片内部有3个8位微处理器，包括媒体访问控制处理器(Mac Processor)、网络处理器(Network Processor)和应用处理器(Application Processor)。其中，前两个处理器管理通信，后一个留给用户开发程序。nMCl43120的软件在本身的10KB ROM中。nMCl43120适用于比较简单的场合，应用程序小于2KB；102郑州轻工业学院电气教研室电气教研室nMCl43150软件在外接ROM中，该软件实现Lon Talk(局部通信操作协议)和所有任务调度(完成网络数据通信、