变电站综合自动化系统结构设计

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1、变电站综合自动化系统结构与功能综述关键词：变电站综合自动化系统 结构 功能-综合自动化系统的硬件结构变电站综合自动化系统的发展过程与集成电路技术、微计算机技术、通 信技术和网络技术密切相关。随着这些高科技的不断发展，综合自动化系统的体 系结构也不断发生变化，其性能和功能以及可靠性等也不断提高。从国内外变电 站综合自动化系统的发展过程来看，其结构形式有集中式、分层分布式、和全分 散式等三种类型。1. 集中式的结构形式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、开关俩个和数字量等信息，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

2、制等功能，集中式结构也并非 指由一天计算机完成保护、监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机 监控和与调度等通信的功能也是由不同的卫星计算机完成的，只是每台微计算机 承担的任务多些。例如监控机要负担数据采集、数据处理、开关操作、人机联系 等多项任务：担负微机保护的计 算机，可能一台微机要负责几回低压线路的保 护等。随着微处理器的发展、微型计算机的性能价格比迅速优于小型机后，才开图 2.1 集中式结构的综合自动化系统框图这种集中式的结构式更具变电站的规模，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，它们安装在变电站中央控制室内。主便延期和各进出线及站内所有电器设备的运行状态，通

3、过 TA、TV 经电缆 传送到忠言控制室的保护装置和监控主机。继电保护动作信息往往是取保护装置 的信号继电器的辅助触点，通过电缆送给监控主机。这种系统的主要功能即特点是：1）能实时采集变电站中各种模拟量、开关量，完成对变电站的数据采集和实时监控、制表、打印、事件顺序记录等功能。2）完成对变电站主要设备和进出线的保护任务3）集中式结构紧凑、体积小、可大大减少占地面积。4）造价低，尤其是对35kV或规模较少的变电站更为有利。集中式结构最大的缺点是：1）每台计算机的功能较集中，如果一台计算机出故障，影响面打，因此必 须采用双机并联运行的结构才能提高可靠性。2）集中式结构，软件复杂，修改工作量大，系统

4、调试麻烦。3）组态不灵活，对不同主线或规模不同的变电站，软硬件都必须另行设计， 工作量大，因此影响了批量生产，不利于推广。4）集中式保护与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直观，不符合运 行和维护人员的习惯，调试和维护不方便，程序设计麻烦，只适合于保护算法比 较简单的情况。2. 分层分布式的机构形式 在分层分布式结构的变电站综合自动化系统中，将整个变电站的一次、二 次设备分为3层，即变电站层、间隔层、和设别层。在所分的3层中，变电站层 称为2层，间隔层为1层，设备层位0层。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。图 2.2 所示为变电站一、二次设备分层结构示意图。设备层主要指

5、变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，也包括 电流互感器、电压幅干起等一次设备。间隔层一般按断路器间隔来划分，具有测量、控制部件或继电保护部件。测 量、控制部分完成该单元的测量、监视、操作控制、联锁及事件顺序记录等功能； 保护部分完成该单元线路或变压器或电容器的保护、故障记录等功能。因此，间 隔层本身是由各种不同的单元装置组成的，这系统独立的单元装置直接通过局域 网络或串行总线与变电站层联系；也可能设有数采管理机或保护管理机，分别管 理各测量、监视单元和各保护单元，然后集中由数采管理机和保护管理机与变电 站层通信。间隔层本身实际上就是两级系统的结构。变电站层包括站级监控主机、远动通信

6、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。变电站综合自动化系统主要位 于1 层和2 层。变电站层的有关自动化设备一般安装于控制室，而单元层的设备宜安装于靠 近现场，以减少控制电缆长度。至现场通信技术在变电站的成熟使用前，单元层 的设备仍宜安装在变电站控制室，从而形成了分层分布是系统集中组屏的机构。分层分布式系统集中组屏结构的变电站综合自动化系统有特点如下：1）分层分布式的配置为了提高综合自动化系统整体的可靠性，系统采用按功能划分的分布式多 CPU 系统。系统的功能单元包括：各种高低压线路保护单元；电容器保护单元 主变压器保护单元；备用电源自投控制单元；低频

7、减负荷控制单元；电压无功控 制单元；数据采集与处理单元；电能计量单元等等。每个功能单元基本上由一个 CPU组成，多数CPU采用单片机。主变压器保护等少数功能单元由多个CPU完 成。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。层图 2.2 变电站一、二次设备的分层结构2）继电保护相对独立 继电保护装置是电力系统中可靠性要求非常高的设备。根据国际大电网会议 要求，在综合自动化系统中，继电保护单元宜相对独立，其功能不依赖于通信网 络或其他设备。在分层分布式系统集中组屏结构的变电站综合自动化系统中，各 保护单元由独立的电源，保护的输入仍由电流互感器

8、和电压互感器通过电缆连接，输出跳闸命令也通过常规的控制电缆送至断路器的跳闸线圈，保护的启动、 测量和逻辑功能独立实现，不依赖通信网络交换信息。保护装置通过通信网络与 保护管理机传输的只是保护工作信息或记录数据。为了无人值班的需要，也可通 过通信接口实现远方读取和修改保护整定值。3）具有与控制中心通信功能 合自动化系统本身已具有对模拟量、开关量、电能脉冲量进行数据采集和数 据处理的功能，也具有收集继电保护动作信息、事件顺利记录等功能，因此，不 需要独立的 RTU 装置为调度中心采集信息，而将综合自动化系统采集的信息直 接传送给调度中心，同时也可接受调度中心下达的控制、操作命令和在线修改保 护定值

9、命令，并加以执行。4）可靠性高由于采用模块化结构，各功能模块都由独立的电源供电，输入 /输出回路都 相互独立，任何一个模块故障，只影响局部功能的实现，不影响全局，系统的可 靠性得到提高。5）维护管理方便 分层分布式系统采用集中组屏机构，全部安装在控制室内，工作环境较好， 电磁干扰相对开关柜附近较弱，维护和管理方便。6）需要电缆较多 对于规模较大的变电站，由于设备分布较广，安装时需要的控制电缆相对较 多，增加了电缆投资。3. 全分散式的结构形式 硬件结构为完全分散式的综合自动化系统，是指以变压器、断路器、母线等 一次主设备为安装单位，将保护、控制、输入 /输出、闭锁等单元就地分散安装 在一次主设

10、备的开关屏上，安装在主控制室内的主控单元通过现场总线与这些分 散的单元进行通信，主控单元通过网络与监控主机联系，如图 2.3 所示。这种完全分散式结构的综合自动化系统在实现模式上可分为两种：一种是保 护相对独立，测量和控制一体，例如SIEMENS的LSA678,国内的DISA-2、BJ-F3 型等系统；另一种是保护、测量、控制完全合一，实现变电站自动化的高度综合，例如ABB公司的SCS100、SCSS200等系统。这种完全分散型结构的综合自动化系统的主要特点是1）系统部件完全依主设备分散安装。显示、打印监控主机总总控控AB上级调度或监控中心远方诊断LO测 量控 制保护1号开关 柜测 量控 制保

11、护2号开关柜测 量控保护N号开关柜图 2.3 完全分散式变电站综合自动化系统结构2）节约控制室面积。3）节约二次电缆。4）综合性强。- 系统结构 变电站综合自动化系统应该从变电站的整体情况出发，同意考虑保护监测、控制、远动、VQC和五防功能，其结构框图如下：层图 3.1 综合自动化系统框图在变电站自动化系统的管理上，采取分层管理的模式，即各保护功能单元由 保护管理机直接管理。一台保护管理机可以管理多个单元模块，它们间可以采用 双绞线用 RS-485 接口连接，也可以通过现场总线连接。而模拟量和开关量的输 入/输出单元，由数采控制机负责管理。正常运行时，保护管理机监视各保护单 元的工作情况，如果

12、某一保护动作信息或保护单元本身工作不正常，立即报告监 控机，再送往调度中心。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。数采控制机则将各数采单元所采集的数据和开关状态送监控机，并由 监控机送往调度中心。数采控制机接受由调度中心或监控机下达的命令。总之， 保护管理机和数采控制机可明显地减轻控制机的负担，协助控制机承担对单元层 的管理。1. 系统各部分功能变电站综合自动化系统是应用较为成熟的、先进的分布式系统结构，按间隔 配置测控单元。将保护功能和测控功能按对象进行设计，集保护 /测控功能于一 体，保护、测控既相互独立，又相互融合，保护、测控借助于计算机网络与变电 站层计算机监控系

13、统交换数据，减少大量二次接线，增加功能，节省了投资，提 高了系统可靠性。即变电站综合自动化监控系统采用分层分布式结构，系统分为三层：间隔层、 单元层、监控管理层，其中单元层和管理层均属于站控层。系统各层之间是相互 独立，主站层故障时，通过前端通信层控制间隔层，监控管理层和前端通信主站 层全部故障时不会影响间隔层继电保护系统的政策运行。2. 间隔层单元功能在变电站综合自动化系统中，主要根据一次设备间隔来划分间隔层的装置。 在低压系统中，间隔层单元采用的是集测控保护于一体的微机型测控保护装置； 而在高压系统中，保护和测控功能是独立设置，即分别采用测控监视单元与保护 单元对系统进行监控与保护。1)

14、模拟量采集与输出在变电站综合自动化系统中，间隔层单元采集的模拟量主要为交流电压、交 流电流、有功功率以及无功功率等，一般通过间隔或元件的电流互感器、电压互 感器的二次回路采样，以实现对间隔或元件的交流模拟量的测量。个别直流模拟 量或温度量，一般通过传感器或变送器变为标准信号或传送给间隔层单元，或选 择独立的直流系统监控装置。2) 状态量采集变电站中的状态量信息主要包括传统概念的遥信信息和自动化系统设备运 行状态信息等。在变电站综合自动化系统中，不仅要采集表征电网当前拓扑的开 关位置等遥信信息，还要将反映测量、保护、监控等系统工作状态的信息进行采 集、监视。间隔层中断路器、隔离开团和接地开关等一

15、次设备的位置状态信号， 在高压系统中一般采用双位置信号方式输入，在低压系统中，除了断路器的位置 信号外，隔离开关和接地开关位置信号可以用单位置触点来采集。所谓双位置信 号方式，是指利用间隔层装置中的两个状态输入点来采集一次设备的辅助接点的 状态。双位置信号方式较为单位置信号方式可以大大提高状态信号的正确性，防 止错误判断的发生。即用 2 位比特而不是 1 位比特来表征一个开关的开合状态， 这时00，01,10,11的 4 种组合中只有 2 种正确的位置状态，而其余2 种是不确定 状态，不用 0，1 两种状态表示开合增加了码元的抗干扰性，从而提高了状态信 号传输处理过程中的可靠性。此外，在间隔层中海有断路器手车位置、电机储能、高压开关的异常告警信 号、变压器瓦斯告警信号、保护状态和自动装置的动作信号、交直流屏的告警信 号等一般都是单位置信号。3）保护控制功能在变电站综合自动化系统中，间隔层的设备要独立实现对被控对象的保护功 能，在系统发生故障时能迅速起动并发出正确的控制命令。如切断断路器等。同 时，间隔层在控制方面，还要实现对断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接 头调节、消弧线圈接头调节及保护复归、保护压板投退等的控制。其中对于断路 器、变压器接头调节等是用双命令控制，而对于保护复归、保护投退、接地试跳 等是通过单命令控制实现。双命