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浅析变电站综合自动化系统

摘 要：本文简要介绍了变电站综合自动化系统的重要性和发展趋势，提出了变电站综合自动化基本概念，并对系统结构、通讯方式和能实现的基本功能及变电站自动化的发展前景进行分析
关键词：变电站综合 自动化系统 结构 功能
一、 概述
电网是一个不可分割的整体，对整个电网的一、二次设备信息进行综合利用，对保证电网安全稳定运行具有重大的意义。变电站综合自动化是一项提高变电站安全、可靠稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，向用户提供高质量电能服务的一项措施。随着自动化技术、通信技术、计算机和网络技术等高科技的飞速发展，一方面综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统，已经成为必然趋势。另一方面，保护本身也需要自检查、故障录波、事件记录、运行监视和控制管理等更强健的功能。发展和完善变电站综合自动化系统，是电力系统发展的新的趋势。
二、 系统结构
目前从国内、外变电站综合自动化的开展情况而言，大致存在以下几种结构：
１．分布式系统结构
按变电站被监控对象或系统功能分布的多台计算机单功能设备，将它们连接到能共享资源的网络上实现分布式处理。系统结构的最大特点是将变电站自动化系统的功能分散给多台计算机来完成。分布式模式一般按功能设计，采用主从CPU系统工作方式，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了CPU运算处理的瓶颈问题。各功能模块(通常是多个CPU)之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，选用具有优先级的网络系统较好地解决了数据传输的瓶颈问题，提高了系统的实时性。分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。该模式在安装上可以形成集中组屏或分层组屏两种系统组态结构，较多地使用于中、低压变电站。分布式变电站综合自动化系统自问世以来，显示出强大的生命力。目前，还存在在抗电磁干扰、信息传输途径及可靠性保证上的问题等。
２．集中式系统结构
集中式一般采用功能较强的计算机并扩展其I／O接口，集中采集变电站的模拟量和数量等信息，集中进行计算和处理，分别完成微机监控、微机保护和自动控制等功能。由前置机完成数据输入输出、保护、控制及监测等功能，后台机完成数据处理、显示、打印及远方通讯等功能。目岁此前国内许多的厂家尚属于这种结构方式，这种结构有以下不足：
（1） 前置管理机任务繁重、引线多，降低了整个系统的可靠性，若前置机故障，将失去当地及远方的所有信息及功能。
（2） 软件复杂，修改工作量大，系统调试烦琐。
（3） 组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须另行设计，工作量大并且扩展一些自动化需求的功能较难。
３．分层分布式结构
按变电站的控制层次和对象设置全站控制级——变电站层(站级测控单元)和就地单元控制级——间隔层(间隔单元）的二层式分布控制系统结构。也可分为三层，即变电站层、通信层和间隔层。
这种结构相比集中式处理的系统具有以下明显的优点：
（1）可靠性提高，任一部分设备故障只影响局部，即将“危险”分散，当站级系统或网络故障，只影响到监控部分，而最重要的保护、控制功能在段级仍可继续运行；段级的任一智能单元损坏不应导致全站的通信中断，比如长期霸占全站的通信网络。
（2） 可扩展性和开放性较高，利于工程的设计及应用。
（3） 站内二次设备所需的电缆大大减少，节约投资也简化了调试维护。
三、常见通讯方式
目前国内常采用以太网通讯方式，在以太网出现之前，无论RS-232C、EIA-422/485都无法避免通信系统繁琐、通讯速度缓慢的缺渣雀斗陷。现场总线的应用部分地缓解了便电站自动化系统对通信的需求，但在系统容量较大时依然显得捉襟见肘，以太网的应用，使通讯问题迎刃而解。常见的通讯方式有：
1） 双以太网、双监控机模式，主要是用于220-500kV变，在实现上可以是双控机+双服务器方式，支撑光/电以太网。
2） 单以太网，双/单监控机模式。
3） 双LON网，双监控机模式。
4） 单LON网，双/单监控机模式。
四、变电站自动化系统应能实现的功能
１. 微机保护：是对站内所有的电气设备进行保护，包括线路保护，变压器保护，母线保护，电容如磨器保护及备自投，低频减载等安全自动装置。各类保护应具有下列功能： １）故障记录
浅析变电站综合自动化系统
２）存储多套定值
３）显示和当地修改定值
４）与监控系统通信。根据监控系统命令发送故障信息，动作序列。当前整定值及自诊断信号。接收监控系统选择或修改定值，校对时钟等命令。通信应采用标准规约。
２.　数据采集及处理功能
包括状态数据，模拟数据和脉冲数据
１）状态量采集
状态量包括：断路器状态，隔离开关状态，变压器分接头信号及变电站一次设备告警信号、事故跳闸总信号、预告信号等。目前这些信号大部分采用光电隔离方式输入系统，也可通过通信方式获得。
２）模拟量采集
常规变电站采集的典型模拟量包括：各段母线电压、线路电压，电流和有功、无功功率值。馈线电流，电压和有功、无功功率值。
３.事件记录和故障录波测距
事件记录应包含保护动作序列记录，开关跳合记录。
变电站故障录波可根据需要采用两种方式实现，一是集中式配置专用故障录波器，并能与监控系统通信。另一种是分散型，即由微机保护装置兼作记录及测距计算，再将数字化的波型及测距结果送监控系统由监控系统存储和分析。
４.控制和操作功能
操作人员可通过后台机屏幕对断路器，隔离开关，变压器分接头，电容器组投切进行远方操作。为了防止系统故障时无法操作被控设备，在系统设计时应保留人工直接跳合闸手段。
５.防误闭锁功能
６.系统的自诊断功能
系统内各插件应具有自诊断功能，并把数据送往后台机和远方调度中心。对装置本身实时自检功能，方便维护与维修，可对其各部分采用查询标准输入检测等方法实时检查，能快速发现装置内部的故障及缺陷，并给出提示，指出故障位置。
7.　数据处理和记录
历史数据的形成和存储是数据处理的主要内容，它包括上一级调度中心，变电管理和保护专业要求的数据，主要有：
１）断路器动作次数；
２）断路器切除故障时截断容量和跳闸操作次数的累计数；
３）输电线路的有功、无功，变压器的有功、无功、母线电压定时记录的最大，最小值及其时间；
４）独立负荷有功、无功，每天的峰谷值及其时间；
５）控制操作及修改整定值的记录。
根据需要，该功能可在变电站当地全部实现，也可在远动操作中心或调度中心实现。
８. 人机联系系统的自诊断功能
系统内各插件应具有自诊断功能，自诊、断信息也像被采集的数据一样周期性地送往后台机和远方调度中心或操作控制中心与远方控制中心的通信。
9. 本功能在常规远动“四遥”的基础上增加了远方修改整定保护定值、故障录波与测距信号的远传等，其信息量远大于传统的远动系统。还应具有同调度中心对时，统一时钟的功能和当地运行维护功能。
五、结语
通过以上分析，可以看到变电所综合自动化对于实现电网调度自动化和现场运行管理现代化，提高电网的安全和经济运行水平起到了很大的促进作用，它将能大大加强电网一次、二次系统的效能和可靠性，对保证电网安全稳定运行具有重大的意义。随着技术的进步和硬件软件环境的改善，它的优越性必将进一步体现出来。■

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五. 无功补偿
无功补偿应根据分散补偿和集中补偿相结合原则进行配置，二次侧功率因数应根据用户性质测定。根据《电力系统电压质量和无功电力管理规定》的要求，在最大负荷时，一次侧不应低于0.95。
《城市电力网规划设计导则》要求，110kV变电所无功补偿一般取主变容量的1/4～1/6，实际上城区内10kV线路较短，且大部分为电缆网，无功容量较充足，因此以补偿主变损耗为主。变电所无功补偿为主变容量的8%～15%即可，当采用高阻抗变压器时需取较大值，投切时，10KV电压波动约为1.5%，满足小于2.5%的要求。
六. 10kV中性点运行方式
长期以来，我国10kV配电网大部分采用中性点不接地方式，它的最大优点是发生单相接地故障时并不中断向用户供电。随着配电网的扩大，电缆线路的增多，电网对地电容电流大幅度上升，直接威胁着电力系统的安搭拍颂全运行。根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》，电容电流超过10A时中性点应改为消弧线圈接地。九三年起为配合变电所无人值班，国内研制了多种自动跟踪消弧线圈补偿装置，其原理大同小异，基本上都在原调匝式消弧线圈的基础上增加控制装置，由于其原理相对简单，可以运行于全补偿状态，工艺要求低，因此目前市场占有率较高，其它还有调隙式、直流偏磁式、调容式等，均由于各种原因难以进入实用状态。顺便说一下，目前有厂家知郑在消弧线圈调谐装置中附加接地检测装置，其原理与出线保护装置中的接地检测装置是一致的，但使用时二次电缆需增加很多，不宜采用。
消弧线圈的调贺前节采用微机自动跟踪补偿装置。当主变无中性点引出时，结合变电所的所用电，在10KV母线上设置接地（曲折）变压器。
近年来，国内各大城市10kV中性点改用电阻接地的越来越多。采用电阻接地，单相接地故障时动作于跳闸，健全相过电压倍数可限制在2.8倍以下，进一步降低弧光过电压，电网可采用绝缘水平较低的电气设备，提高设备运行条件和提高人身安全。目前中性点电阻值大致有5.77Ω（上海）、10Ω（北京、广州）、16Ω（深圳），电阻值大小取值各有利弊，从各地运行情况来看，都是可行的。但在以架空线为主的电网中应慎用电阻接地。
七. 过电压保护
根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》，变电所应设有防止直接雷和雷电波侵入的过电压保护措施。全户内变电所采用屋顶避雷带防直击雷，屋顶避雷带采用-40×4镀锌扁钢或8圆钢，半户内变电所设独立避雷针对主变进行保护。
八. 接地
变电所接地方式以水平接地体为主，辅以垂直接地极，主接地网采用-50×6镀锌扁钢，布置上尽量利用配电楼以外的空地，深埋接地极。变电所主接地网的接地电阻应不大于0.5欧姆。考虑到微机保护监控系统对接地要求较高，二次设备室及10kV二次电缆沟接地采用25×4铜排。当110kV采用GIS时，110kV配电装置室也需采用铜排接地。
九. 防污等级
根据《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》，户外电气设备取污秽等级2级，爬电比距2.5CM/kV。对于户内设备，该标准中没有规定，但参照《高压开关设备的共用订货技术导则》，可取瓷质材料1.8CM/kV，有机材料2.0CM/kV。当户外设备户内安装时，可取2.2CM/kV。
十. 保护监控
无人值班变电所设计与常规变电所最大的不同点在于二次监控设备必须满足现场无人值班要求，目前采用微机保护基本上没有多大疑义了，而监控方式通常有两种模式：
1. 采用综合自动化系统
2. 采用常规二次保护加RTU
应该说，两者都能满足无人值班的要求，后者结构简单、造价低廉，但采用综合自动化系统技术上更先进，集成化程度更高，更易于做成面向对象的层次结构，从技术上讲是发展方向。随着计算机技术、自动控制技术的不断完善和成熟，综合自动化设备性能日趋稳定，价格逐渐下调，应作为新建变电所的首选系统，而后者可以作为老变电所改造用。
采用综合自动化，就应该采用分布式结构（10kV保护装置安装在开关柜上），以充分发挥其功能，减少二次电缆，降低造价，但分布式保护装置应解决配电装置室的散热通风及电磁干扰问题。
作为无人值班变电所，所内不宜设置固定的计算机监视设备（后台机），但应设置能与现场维护调试用便携式计算机相适应的硬、软件接口。
另外，为了运行维护方便，变电所遥测、遥信、遥控量和当地显示量应按《无人值班变电所设计规程》进行设置，加以统一化、标准化。
十一. 交流所用电和直流系统
1. 交流所用电
变电所宜设置二台所用变压器，容量为80～100KVA。当变电所设置三台主变时分别接入#1、#3主变低压侧母线，设置二台主变时则分别接入其低压侧母线。所用电采用中性点直接接地TN系统，额定电压380/220V，采用单母线分段接线。
2. 直流系统
直流电源宜采用一组220V蓄电池，容量应满足全所事故停电2h的放电容量，一般为100AH，单母线接线。蓄电池组宜采用性能可靠、维护量少的蓄电池，如阀控式密封铅酸蓄电池等。直流系统应具有自动调节功能，充电装置实现智能化实时管理，并应设置一套微机直流接地监测装置。
十二. 建筑物
变电所所址标高应高于频率为2%洪水位，变电所土建应采用联合建筑并按最终规模一次建成，建筑物的建筑风格、外墙面装修与周围环境相协调，内装修应简化实用。建筑物不宜设通长窗，如城市规划要求或采光需要底层可设置假窗或高窗。变电所的防震、消防、通风应符合国家有关规定。
按无人值班要求变电所附房应从简设置，110kV变电所规模为二台主变时建筑面积应控制在700M2(主变放户外)及900M2(主变放户内)，占地面积1600 M2，三台主变时建筑面积应控制在1200M2(主变放户外)及1500M2(主变放户内)，占地面积1900 M2。
十三. 结论
1. 变电所主接线应力求简化，宜优先采用线路变压器组接线。
2. 中等城市变电所宜设置二台主变，大城市可设置三台主变。
3. 为保证10KV母线电压在合格范围内，应采用有载调压变压器。
4. 变电所无功补偿宜取主变容量的8%～12%，当采用高阻抗变压器时需取较大值。
5. 变电所优先采用半户内布置（主变布置在户外）。
6. 110kV应尽量采用装配式结构，慎用GIS。
7. 10kV以架空线为主的系统中性点应采用消弧线圈接地，消弧线圈的调节采用微机自动跟踪补偿装置。全电缆网系统中性点采用低电阻接地。
8. 新建变电所监控装置应优先采用综合自动化系统，保护装置应采用分布式结构。
9. 直流系统宜设一组100AH蓄电池组，交流所用电宜设置二台，所用变压器应与接地变相结合。。
10. 建筑物装修应简单实用，布置上尽量减少占地面积和建筑面积。