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王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：變電所自動化控制系統(tǒng)是對變電所執(zhí)行自動監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調的綜合性系統(tǒng)。本文對變電所自動化控制中的計算機監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)控保護分別進行了分析,并著重探討了變電所自動化控制系統(tǒng)應用中的幾個問題:通信網絡和備用電源自投裝置等。
關鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；微機繼電保護；通信網絡
隨著近年來不斷地加大對基礎設施的建設,電網投資與建設的規(guī)模亦不斷擴大,對電網的安全、穩(wěn)定、、智能化運行亦提出了更高的要求,尤其是隨著當今世界電力電子技術地高速發(fā)展,變電所的自動化程度已愈來愈高。在此背景下,應運產生了一種自動控制及無人化運行的系統(tǒng)——變電站綜合自動化系統(tǒng)。利用計算機控制技術、網絡通信等技術,變電所的自動化控制系統(tǒng)將變電所的一次、二次設備(包括數(shù)據(jù)采集、運行控制、保護、ATS自動轉換設備等)進行功能塊整合、分組和優(yōu)化,以實現(xiàn)對變電所設備進行在線時測量、監(jiān)視、控制、記錄。
1變電所監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能
主變運行溫度、母線電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)采用數(shù)據(jù)采集單元進行實時數(shù)據(jù)的采集和處理。微機系統(tǒng)通過采集以上數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)庫進行更新。
控制功能包括對變電所各電壓等級斷路器、消弧線圈、主變風機、控制無功補償接觸器等進行就地與遠程控制。
控制系統(tǒng)有兩種報警類型,一:提示性報警,二:事故性報警。前者包括設備狀態(tài)一般性異常報警、數(shù)據(jù)超限、主站、從站的某個單元、模塊狀態(tài)異常等,后者包括非操作引起的斷路器跳閘、保護聯(lián)鎖開關動作等等。
計算機監(jiān)控系統(tǒng)以ms級時間單位對斷路器狀態(tài)、主變參數(shù)、一、二次線路參數(shù)、保護元件的動作信號信息進行采集并記錄,并能在顯示器上進行顯示及打印機上進行打印。
根據(jù)采樣的實時數(shù)據(jù),能夠計算每一時間間隔的的電壓值、電流值、有功功率、無功功率、有功系數(shù)、主變溫度值、量動作狀態(tài)等,并給出以上數(shù)據(jù)的按年、月、日進行劃分的分時段統(tǒng)計數(shù)據(jù)。比如電壓、電流的值、,功率因數(shù)的合格率等。
變電所配電系統(tǒng)一次接線圖、直流系統(tǒng)圖能夠在顯示器上顯示,能夠顯示統(tǒng)計數(shù)據(jù)、某些關鍵數(shù)據(jù)歷史變化曲線、某些報警事件,能夠打印歷史數(shù)據(jù)、報警記錄等等。
監(jiān)控系統(tǒng)能夠在線實時診斷系統(tǒng)的硬件、軟件運行情況,一旦發(fā)現(xiàn)異常,即能生成并發(fā)出報警信息。自我診斷的范圍包括:主站、從站系統(tǒng)、I/O單元、模組、外設、軟件故障等,非嚴重的提示報警,系統(tǒng)可以進行自我。
平日管理功能指負責計算機監(jiān)控系統(tǒng)的工程師對系統(tǒng)進行的日常檢查、管理、維護、更新優(yōu)化等工作。包括功能維護管理和數(shù)據(jù)庫維護管理兩方面內容。功能維護管理包括自動化控制系統(tǒng)的啟動停止控制,對各種應用功能運行狀態(tài)的監(jiān)測,各種應用數(shù)據(jù)的顯示圖表的加載、生成和編輯。數(shù)據(jù)庫維護是工程師對數(shù)據(jù)庫中的應用參數(shù)進行增刪和修改。
2繼電保護功能和應用
(1)變壓器一般配置差動保護和瓦斯保護兩種主保護,配置零序電流保護、過流保護等后備保護。
(2)110KV以下線路測控保護配置重合閘和過電流保護,110KV以上線路測控保護配置零序電流保護、綜合重合閘保護等。
(1)硬件系統(tǒng):微機繼電保護硬件系統(tǒng)是由大量的IC(集成電路)組成,通常由CPU、定時器、存儲器、寄存器、A/D轉換器、D/A轉換等部件組成。而依靠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(該系統(tǒng)主要由采樣保持電路、模數(shù)轉換器(A/D轉換器)等組成)來完成微機繼電保護系統(tǒng)中的的信息獲取工作。
(2)軟件系統(tǒng):軟件系統(tǒng)主要分為監(jiān)控程序和系統(tǒng)程序,監(jiān)控程序的作用是對包括輸入、輸出狀態(tài),設定、修改和顯示保護裝置的參數(shù)值進行監(jiān)視,同時控制微機保護裝置的硬件電路狀態(tài);系統(tǒng)程序是監(jiān)控程序的運行環(huán)境系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序的主要功能是:1)循環(huán)自檢功能,2)中斷響應功能,3)事件處理功能。
3主要問題的分析研究
變電所自控系統(tǒng)常見的有如下幾種通信網絡技術:(1)使用傳統(tǒng)的RS-232/485現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)低速傳輸,(2)采用局部控制網絡如常見的Lonworks和CAN兩種通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的中速傳輸,(3)采用Ethernet實現(xiàn)站內設備的分布式連接。系統(tǒng)結構由監(jiān)控主機、交換機、現(xiàn)場控制模塊組成,監(jiān)控主機通過Ethernet傳輸實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)人機對話,完成監(jiān)控管理等功能。
為保證ATS能夠正常地工作,通常需要注意以下幾點:
(1)ATS應能實時監(jiān)測工作母線的電壓狀態(tài),當工作母線故障、電源變壓器故障、斷路器因為某種原因跳閘時,將引起工作母線失壓,這時ATS應該能夠瞬間自動切換投入使用,以保證負荷的不間斷供電。
(2)當ATS失電時,ATS自投裝置應不動作,因為如果在此狀態(tài)下勉強對事故產生響應,將ATS切入網絡,其不能發(fā)揮任何作用。(3)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時,一定要先排除系統(tǒng)故障,然后才可將ATS投入使用,否則很有可能將備用電源投入到故障網絡中,使發(fā)生故障的網絡不但不能解除故障,反而使故障程度進一步發(fā)生難以預測的惡化的后果。
Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設備組成，并用分層、開放式網絡系統(tǒng)實現(xiàn)連接。站控層設備包括監(jiān)控主機，提供站內運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層設備等功能，形成全站監(jiān)控，并與遠方監(jiān)控、調度通信；間隔層由若干個二次子系統(tǒng)組成，在站控層及站控層網絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監(jiān)控功能。
針對工程具體情況，設計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，性能價格比*，監(jiān)控系統(tǒng)由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網絡結構，站控層網絡采用TCP/IP協(xié)議的以太網。站控層網絡采用單網雙機熱備配置。
4.2應用場所：
適用于公共建筑、工業(yè)建筑、居住建筑等各行業(yè)35kV以下電壓等級的用戶端配、用電系統(tǒng)運行監(jiān)視和控制管理。
Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。
監(jiān)控系統(tǒng)具有事故報警功能。事故報警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護裝置動作信號；預告報警包括一般設備變位、狀態(tài)異常信息、模擬量或溫度量越限等。
1）事故報警。事故狀態(tài)方式時，事故報警立即發(fā)出音響報警（報警音量任意調節(jié)），操作員工作站的顯示畫面上用顏色改變并閃爍表示該設備變位，同時彈窗顯示紅色報警條文，報警分為實時報警和歷史報警，歷史報警條文具備選擇查詢并打印的功能。
事故報警通過手動，每次確認一次報警。報警一旦確認，聲音、閃光即停止。
次事故報警發(fā)生階段，允許下一個報警信號進入，即次報警不覆蓋上一次的報警內容。報警處理具備在主計算機上予以定義或退出的功能。
2）對每一測量值（包括計算量值），由用戶序列設置四種規(guī)定的運行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分別定義作為預告報警和事故報警。
3）開關事故跳閘到次數(shù)或開關拉閘到次數(shù)，推出報警信息，提示用戶檢修。
4）報警方式。
報警方式具有多種表現(xiàn)形式，包括彈窗、畫面閃爍、聲光報警器、語音、短信、電話等但不限于以上幾種方式，用戶根據(jù)自己的需要添加或修改報警信息。
操作員對需要控制的電氣設備進行控制操作。監(jiān)控系統(tǒng)具有操作監(jiān)護功能，允許監(jiān)護人員在操作員工作站上實施監(jiān)護，避免誤操作。
操作控制分為四級：
第控制，設備就地檢修控制。具有優(yōu)先級的控制權。當操作人員將就地設備的遠方/就地切換開關放在就地位置時，將閉鎖所有其他控制功能，只進行現(xiàn)場操作。
級控制，間隔層后備控制。其與第三級控制的切換在間隔層完成。
第三級控制，站控層控制。該級控制在操作員工作站上完成，具有遠方/站控層的切換。
第四級控制，遠方控制，優(yōu)先級。
原則上間隔層控制和設備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執(zhí)行，并在站級層設置操作員、監(jiān)護員口令及線路代碼，以確保操作的性和正確性。對任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進行下一步操作。同一時間只允許一種控制方式。
納入控制的設備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開關及帶電動機構的接地開關；站用電380V斷路器；主變壓器分接頭；繼電保護裝置的遠方復歸及遠方投退連接片。
3）定時控制。操作員對需要控制的電氣設備進行定時控制操作，設定啟動和關閉時間，完成定時控制。
4）監(jiān)控系統(tǒng)的控制輸出。控制輸出的接點為無源接點，接點的容量對直流為110V（220V）、5A，對交流為220V、5A。
系統(tǒng)設置了用戶權限管理功能，通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作系統(tǒng)可以定義不同操作權限的權限組（如管理員、維護員、值班員組等），在每個權限組里添加用戶名和密碼，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的保障。
5 系統(tǒng)硬件配置
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 |
35kV變電站綜合自動化系統(tǒng) | Acrel- 1000 |
| 可顯示變電站主接線圖，模擬配電網絡運行，實現(xiàn)無人值班模式；根據(jù)順序事件記錄、歷史曲線、故障錄波，協(xié)助運維人員實現(xiàn)快速故障分析、定位和排除問題，盡量縮短停電時間；實時采集各回路、設備的電流、電壓、功率、電能以及諧波、電壓波動等參數(shù)，對配電系統(tǒng)和用電設備進行用能分析和能效管理 |
網關 | ANet- 2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等協(xié)議上傳，支持斷點續(xù)傳、XML、JSON進行數(shù)據(jù)傳輸、支持標準8GB SD卡（32GB）、支持不同協(xié)議向多平臺轉發(fā)數(shù)據(jù)；每個設備的多個報警設置。輸入電源：AC/DC 220V，導軌式安裝。 |
35kV/10kV/6kV 弧光保護 | ARB5-M |
| 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、11個跳閘出口； |
ARB5-E | 擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號： | ||
ARB5-S |
| 弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜?；」馓筋^的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域； | |
35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監(jiān)測 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 |
35kV/100kV/6kV 間隔智能操控、 節(jié)點測溫 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； |
35kV/10kV/ 6kV傳感器 | ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125℃，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； |
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量 | APM830 |
| 三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示； |
變壓器繞組 溫度檢測 | ARTM-8 |
| 8路溫度巡檢，預埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出； |
變壓器接頭測溫低壓進出線柜接頭測溫 | ARTM-Pn-E |
| 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； |
ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； | |
柜內環(huán)境溫濕度 | AHE100 |
| 無線溫濕度傳感器，溫度精度：±1℃，濕度精度：±3％RH，發(fā)射頻率：5min，傳輸距離：200m，電池壽命：≥3年（可更換） |
ATC600 |
| 兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m，ATC600-C可接收AHE傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，1路485,2路報警出口。 |
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 | 其他功能 |
35kV/10kV/ 6kV進線 | AM6-L |
| 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護、斷路器失靈保護； | 操作回路、 雙以太網口、 雙485口、 2路4-20mA變 送輸出、 故障錄波、 GPS對時、 全電量測量 直流量測量
|
35kV/10kV/ 6kV饋線 | AM6-L | 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護、斷路器失靈保護； | ||
35kV主變 （2000kVA以上） | AM6-D2/ AM-3 | 兩圈變/三圈變差動速斷保護、比例制動差動保護； | ||
AM6-TB | 變壓器后備保護測控、三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、非電量保護、啟動通風保護、PT斷線告警、遙調升檔、遙調降檔、遙調急停； | |||
35kV/10kV/ 6kV廠用變 | AM6-S | 三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、零序過流、過負荷保護（告警/跳閘）、控故障告警、PT斷線告警、非電量保護； | ||
35kV電機 （2000kW以上） | AM6-MD | 差動速斷保護、比例差動保護、過流、過負荷、堵轉等電機綜合保護； | ||
10kV/6kV 異步電機 | AM6-M | 兩段式過流/零序過流/負序過流保護、過負荷保護（告警/跳閘）、低電壓保護、PT斷線告警、堵轉保護、啟動超時、熱過載保護、電壓不平衡； | ||
35kV/10kV/6kV PT監(jiān)測 | AM6-UB | PT并列/解列、PT監(jiān)測； | ||
10kV/6kV 電容器 | AM6-C | 兩段式過流/零序過流保護、過負荷保護（告警/跳閘）、PT斷線告警、過電壓/欠電壓跳閘、不平衡電壓/電流保護； | ||
35kV/10kV/ 6kV母聯(lián) | AM6-B | 兩進線備投/母聯(lián)備投/自適應備投、聯(lián)切備投、三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、PT斷線告警、過負荷聯(lián)切/告警、檢同期、合環(huán)保護； |
在當今世界科學技術和社會生產力迅速提高的今天,采用變電所自動化控制系統(tǒng),能夠地減少人員投入、提高工作效率,保證電力供應的高質、穩(wěn)定、連續(xù)和可靠運行,同時地提高了整個電力系統(tǒng)的自動化控制水平。本文對變電所自動化控制運行系統(tǒng)進行了概括性地分析和研究,隨著現(xiàn)代電力電子技術、網絡通信技術、自動化控制技術、計算機技術、AI等技術的迅速發(fā)展,必將進一步地提高變電所自動化控制系統(tǒng)的自動化程度,其功能亦將會更加完善和強大,以不斷滿足社會快速進步對電力發(fā)展的需要。
[1]劉介才.主編.工廠供電[M].機械工業(yè)出版社,2009.
[2]翁利民.主編.無人值班變電所的綜合自動化[M].江西電力,2000.
[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2022.05版．
[4]王凱.變電所自動化控制系統(tǒng)應用與分析
