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1、1 前言前言 变电站是电力网中线路的连接点，承担变换电压、变换功率和汇集、分配电能的作用，它的运行情况直接影响到整个电力系统的安全、可靠、经济运行。然而一个变电站运行情况的优劣，在很大程度上是取决于其二次设备的工作性能。现有的变电站有三种形式：一种是常规变电站；一种是部分实现微机管理、具有一定自动化水平的变电站：再有另一种就是全面微机化的综合自动化变电站。对于常规变电站其致命弱点即不具有自诊断能力、故障记录分析、能力和资源共享能力，对二次系统本身的故障无法检测，也不能全面记录和分析运行参数和故障信息。而全面微机化的综合自动化变电站，是以微机化的二次设备取代了传统使用的分立式设备。集继电保护、控
2、制、监测及远动等功能为一体，实现了设备共享，信息资源共享，使变电站的设计简捷、布局紧凑，实现了变电站更加安全可靠的运行。同时系统二次接线简单，减少了二次设备占地面积，使变电站二次设备以崭新的面貌出现。1.11.1变电站综合自动化概论变电站综合自动化概论1.1.1 变电站综合自动化基本概念变电站综合自动化基本概念变电站综合自动化是将变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功
3、能。变电站综合自动化系统，即利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。因此，变电站综合自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站领域的综合应用。变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。变电站综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。变电站综合自动化系统的出现是电网运行管理中的一次变革。它为变电站实
4、现小型化、智能化、扩大监控范围以及为变电站的安全、可靠、合理、经济运行提供了数据采集及监控支持，同时为实现高水平的无人值班变电站管理打下了基础。此外，变电站综合自动化也是电网调度自动化基础，只有通过厂站自动化装置和系统向调度自动化系统提供电网中各个变电站完整可靠的信息，调度控制中心才可能了解和掌握整个电力系统的实时运行状态和变电站设备工况，也才能对其控制、调整做出决策；同样，也只有依靠变电站的自动化装置才能完成调度控制中心发出操作命令，实现远方控制。因此，可以说一个完整的、先进的、可靠的变电站综合自动化，是建立一个先进的、高水平的电网调度自动化的前提和基础。 1.1.2 变电站综合自动化现状变
5、电站综合自动化现状变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，随着电压等级的提高，供电范围的扩大，输电容量的增大，采用传统的变电站及其控制技术越来越难满足电力系统降低投资、提高效益的发展要求。研制和开发以计算机技术和网络通信技术为基础的、各种电压等级的变电站综合自动化系统，取代、更新和改造传统的变电站二次系统，逐步实现无人值班和调度自动化，以适应现代电力系统管理模式的需求。60 年代，由于远动技术的发展，在变电站开始应用遥测、遥信技术，从而进入了远方监视的无人值班阶段。但是，如果要对开关进行操作，还必须到变电站现场才行。国外变电站综合自动化的研究工作始于 70 年代。80 年代以后，研究变电站综合自
6、动化系统的国家和大公司越来越多。例如：西门子公司、ABB 公司、AEG 公司、GE 公司、西屋公司、阿尔斯通公司等都有各自的综合自动化系统产品。我国对变电站综合自动化系统的研究工作起始于 80 年代中期。研究与开发的内容归纳起来有两个方面：其一是中低压变电站采用综合自动化系统，以便更好地实施无人值班，达到减人增效的目的；其二是对高压大型枢纽变电站的建设和设计来说，采用新的控制方式，解决各专业在技术上保持相对独立而造成的互相脱节、重复投资，甚至影响运行可靠性的弊端。国内的变电站综合自动化系统在 IlOKV 或 35KV 系统的变电站中，目前已投入了相当数量，在电力系统中发挥了积极的作用，提高了安
7、全运行水平和管理水平。目前，变电站综合自动化系统的硬件的组织结构，分为集中式、分层分布式两大类。近年来随着网络技术的发展，分层分布式结构已成为变电站综合自动化系统的主流。该结构是将集测量、保护、远动等于一体的微机型测控保护装置分别安装在变电站一次设备间隔中，如开关柜内，这样二次线路大大减少，只有用于通信的网络线缆或光缆。其最大的优点就是减少了二次线缆抗干扰能力提高，同时二次设备数量大大降低，减少了变电站的占地面积。此外，分布式分层结构对工业现场、执行机构实现分级控制管理，使数据采集与机械控制实现集散控制集中管理，真正做到控制过程的实时在线，完成柔性化管理，有很好的兼容性、可靠性和可观测性，且互
8、换性强，容易优化。变电站综合自动化系统使用分层分布式结构后，对网络通信功能提出了更高的要求。各间隔层装置与站控层之间所有的控制命令、数据传递、信息交换都要通过数字通信来实现。因此通于网络通信的实时性要求，可靠性要求就更高更强。传递方式主要可分为星形式、总线式以及环形网三种。星形的优点是可靠性高，任何一支路断线仅会影响一个分支的信息交换，但是布线较多。总线式的特点是经济、连线简便、抗干扰能力强。但是，在总线上某处出现断开或接头松动时，将影响该断点以下的信息通信。环网通信的优点是，当环形网上产生断点时，可以从反向通信，从而提高了可靠性。在变电站自动化系统中，变电站运行参数、运行状态、事件记录等数据
9、信息都存放在数据库中，数据库是变电站实现测量、控制、远动、管理自动化的基础。因此，优良的数据库体系，对提高整个变电站自动化系统的工作效率，保证系统的稳定运行起到至关重要的作用。变电站综合自动化系统中的数据库结构一般由实时数据库和历史数据库两部分构成，现在出现的内存数据库以其存储速度上的优势也逐渐被应用到电力自动化系统的数据存储体中，与实时数据库和历史数据库配合使用。今后变电站自动化的运行模式将从无人值班，有人值守逐步向无人值守过渡。因此遥视警戒技术(防火、防盗、防渍、防水汽泄漏及远方监视等)将应运而生，并将得到迅速发展。随着计算机和网络通信技术的发展，站内 RTU 几TU 或保护测控单元将直接
10、上网，通过网络与后台机(上位机)及工作站通信。取消传统的前置处理机环节，从而彻底消除通信“瓶颈”现象。 1.1.3 变电站综合自动化发展趋势变电站综合自动化发展趋势计算机网络通讯技术和微机实时技术在电力系统变电站自动化系统中的应用，为进一步提高变电站的自动化水平开辟了新途径。建立一个监视控制自动化、管理信息化、实时信息共享的变电站综合自动化系统已成为发展趋势：（1）系统从集中控制、功能分散型向分散网络型发展。测控与保护功能的集成已在中低压系统的综合自动化化装置中得已应用。但是对高 ll0kV 以上的系统，监测和控制还是分散考虑的。因此发展趋势是进一步实现监测、控制及远动的一体化。同时，目前，故
11、障录波、小电流选线等等设备和系统是按功能分散考虑的，也将进一步向一个模块管理一个电气单元或间隔单元方向发展。这样，在自动化系统发生故障时，对于整个电网可能造成的影响大大减小。（2）设备安装就地化、户外化。目前，只有中低压测量控制单元与一次设备安装在一起，对于 110kV 以上的设备还是在主控室进行组屏安装。提高测量控制单元的抗干抗性、环境适应性和搞腐蚀性，实现测量控制设备的就地安装和户外安装，将大大的减少变电站二次线缆的利用率，减少占地面积，同时提高了变电站的运行可靠性，降低了维护劳动强度。(3)测量、控制设备向通用化、规范化发展。目前，测控保护装置，种类繁多，通用性差。随着计算机技术的发展，
12、开发通用、标准、灵活的硬、软件平台，能够适用于所有保护和控制。使变电站自动化系统具有开放性和数据一致性，实现不同厂家设备的通信、维护和操作。(4)通讯网络协议标准化。目前，国内各变电站自动化装置生产厂的通讯协议不一致，通用性差。使综合自动化变电站的各种智能设备通过网络组成一个统一的、 互相协调工作的整体是发展的必然趋势。(5)系统信息交换、共享范围进一步扩大。在调度自动化系统中，变电站自动化系统并不是一个孤立系统，需要与其他系统如：火电厂系统、水电厂系统和配线网自动化系统相互交换信息、共享数据。在企业动力能源管理中，变电站自动化系统需要与锅炉系统、压缩空气系统、给排水系统等的自动化系统一起建立
13、动力能源调度系统。因此，如何使信息资源得到更为充分地利用已成为整个电力行业发展所关心的重要问题。(6)变电站综合自动化系统安全体系不断升级。安全体系是整个电力自动化系统运行的保障。随着对电力信息访问越来越公开化以及 IntranetIntemet 接入，强大的安全管理机制就显得越发的重要。因此，电力自动化系统的安全体系需要不断升级和完善。1.2 设计范围设计范围微机保护和控制在电力系统中德奥了广泛的应用，变电站综合自动化系统取代传统变电站二次系统，以及成为了当前电力系统发展趋势。本设计要求对小型的变电站综合自动化系统，了解变电站综合自动化系统的结构和组成方式。对变电站综合自动化现状及存在的问题
14、进行基本阐述，通过对比使用分层分布式结构进行变电站综合自动化系统部分的设计。2 变电站综合自动化系统的结构形式变电站综合自动化系统的结构形式1.21.2变电站综合自动化系统的设计原则变电站综合自动化系统的设计原则近年来由于计算机技术和通信技术迅猛发展，变电站综合自动化系统的技术水平有了很大的提高，体系结构也不断改进，目前已有不少变电站实现了不同程度的自动化，也有不少高校、研究单位和制造厂投入到变电站综合自动化系统的研究和制造工作中，对它的设计原则、要求和看法，也积累了不少成功的经验。为了达到变电站综合自动化的总目标，自动化系统应满足一下要求。（1）变电站综合自动化系统应能全面代替常规的二次设备
15、。综合自动化系统应集变电站的继电保护、测量、监视、运行控制和通信于一个分级分布式的系统中，此系统由多个微机保护子系统、测量子系统、各种功能的控制子系统组成，应能代替常规的继电保护、仪表、中央信号、模拟屏、控制屏和运行控制装置，才能提高变电的技术水平和可靠性。（2）变电站微机保护的软、硬件设置既要与监控系统相对独立，又要相互协调。微机保护是综合自动化系统中很重要的关键环节，因此其软、硬件配置要相对独立，即在系统运行中，继电保护的动作行为仅与保护装置有关，不依赖于监控系统的其他环节，保证综合自动化系统中，任何其他环节故障只影响局部功能的实现，不影响保护子系统的正常工作。但与监控系统要保持紧密通信联
16、系。（3）微机保护装置应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等信息。（4）变电站综合自动化系统的功能和配置，应满足无人值班的总体要求。随着我国电力工业进入大电网、大机组的时代，无人值班变电站的实施已成为电网调度自动化深入发展的必然趋势，是电网调度管理的发展方向。传统的四遥装置，无论从可靠性、测量精度、传输速率和技术水平等方面，都不能满足现代化电网调度、管理的要求。变电站综合自动化系统的功能设计，要从电力系统的安全、稳定运行、提高经济效益等综合指标和提高电网基础自动化水平的综合要求出发，其软、硬件的配置必须考虑具备与上级调度通信的能力，必须具备 RTU 的全部功能，以便满足和促进变电站无人值班的实施。（5）有可靠、先进的通信网络和合理的通信协议。（6）必须保证综合自动化系统具有高的可靠性和强的抗干扰能力。变电站安全运行是变电站设计的基本要求，为此，在考虑系统的总体结构时，要注意主、次分清。对关键环节，要有一定的冗余。综合自动化系统中的各个子系统要相对独立，一旦系统中某部分出现故障 应尽量缩小故障影响的范围并能尽快修复故障。为此，各子系统应
