浅析变电所自动化控制系统应用与分析

摘要：变电所自动化控制系统是对变电所执行自动监视、测量、控制和协调的综合性系统。本文对变电所自动化控制中的计算机监控系统和监控保护分别进行了分析,并着重探讨了变电所自动化控制系统应用中的几个问题:通信网络和备用电源自投装置等。

关键词：监控系统；微机继电保护；通信网络

0引言

随着近年来不断地加大对基础设施的建设,电网投资与建设的规模亦不断扩大,对电网的安全、稳定、、智能化运行亦提出了更高的要求,尤其是随着当今世界电力电子技术地高速发展,变电所的自动化程度已愈来愈高。在此背景下,应运产生了一种自动控制及无人化运行的系统——变电站综合自动化系统。利用计算机控制技术、网络通信等技术,变电所的自动化控制系统将变电所的一次、二次设备(包括数据采集、运行控制、保护、ATS自动转换设备等)进行功能块整合、分组和优化,以实现对变电所设备进行在线时测量、监视、控制、记录。

1变电所监控系统的基本功能

1.1 采集与处理数据

主变运行温度、母线电压、电流、功率因数等参数采用数据采集单元进行实时数据的采集和处理。微机系统通过采集以上数据,对数据库进行更新。

1.2 控制功能

控制功能包括对变电所各电压等级断路器、消弧线圈、主变风机、控制无功补偿接触器等进行就地与远程控制。

1.3 报警事件处置

控制系统有两种报警类型,一:提示性报警,二:事故性报警。前者包括设备状态一般性异常报警、数据超限、主站、从站的某个单元、模块状态异常等,后者包括非操作引起的断路器跳闸、保护联锁开关动作等等。

1.4 时间顺序记录事件功能

计算机监控系统以ms级时间单位对断路器状态、主变参数、一、二次线路参数、保护元件的动作信号信息进行采集并记录,并能在显示器上进行显示及打印机上进行打印。

1.5 在线统计计算

根据采样的实时数据,能够计算每一时间间隔的的电压值、电流值、有功功率、无功功率、有功系数、主变温度值、量动作状态等,并给出以上数据的按年、月、日进行划分的分时段统计数据。比如电压、电流的值、,功率因数的合格率等。

1.6 显示及打印画面

变电所配电系统一次接线图、直流系统图能够在显示器上显示,能够显示统计数据、某些关键数据历史变化曲线、某些报警事件,能够打印历史数据、报警记录等等。

1.7 系统的自我诊断和自我

监控系统能够在线实时诊断系统的硬件、软件运行情况,一旦发现异常,即能生成并发出报警信息。自我诊断的范围包括:主站、从站系统、I/O单元、模组、外设、软件故障等,非严重的提示报警,系统可以进行自我。

1.8 平日管理功能

平日管理功能指负责计算机监控系统的工程师对系统进行的日常检查、管理、维护、更新优化等工作。包括功能维护管理和数据库维护管理两方面内容。功能维护管理包括自动化控制系统的启动停止控制,对各种应用功能运行状态的监测,各种应用数据的显示图表的加载、生成和编辑。数据库维护是工程师对数据库中的应用参数进行增删和修改。

2继电保护功能和应用

2.1 保护功能

(1)变压器一般配置差动保护和瓦斯保护两种主保护,配置零序电流保护、过流保护等后备保护。

(2)110KV以下线路测控保护配置重合闸和过电流保护,110KV以上线路测控保护配置零序电流保护、综合重合闸保护等。

2.2 微机继电保护原理

(1)硬件系统:微机继电保护硬件系统是由大量的IC(集成电路)组成,通常由CPU、定时器、存储器、寄存器、A/D转换器、D/A转换等部件组成。而依靠数据采集系统(该系统主要由采样保持电路、模数转换器(A/D转换器)等组成)来完成微机继电保护系统中的的信息获取工作。

(2)软件系统:软件系统主要分为监控程序和系统程序,监控程序的作用是对包括输入、输出状态,设定、修改和显示保护装置的参数值进行监视,同时控制微机保护装置的硬件电路状态;系统程序是监控程序的运行环境系统程序。系统程序的主要功能是:1)循环自检功能,2)中断响应功能,3)事件处理功能。

3主要问题的分析研究

3.1 通信技术

变电所自控系统常见的有如下几种通信网络技术:(1)使用传统的RS-232/485现场总线进行数据低速传输,(2)采用局部控制网络如常见的Lonworks和CAN两种通信技术实现数据的中速传输,(3)采用Ethernet实现站内设备的分布式连接。系统结构由监控主机、交换机、现场控制模块组成,监控主机通过Ethernet传输实时数据,实现人机对话,完成监控管理等功能。

3.2 ATS(备用电源自动切换装置)

为保证ATS能够正常地工作,通常需要注意以下几点:

(1)ATS应能实时监测工作母线的电压状态,当工作母线故障、电源变压器故障、断路器因为某种原因跳闸时,将引起工作母线失压,这时ATS应该能够瞬间自动切换投入使用,以保证负荷的不间断供电。

(2)当ATS失电时,ATS自投装置应不动作,因为如果在此状态下勉强对事故产生响应,将ATS切入网络,其不能发挥任何作用。(3)供电系统发生故障时,一定要先排除系统故障,然后才可将ATS投入使用,否则很有可能将备用电源投入到故障网络中,使发生故障的网络不但不能解除故障,反而使故障程度进一步发生难以预测的恶化的后果。

4 安科瑞Acrel-1000变电站综合自动化系统

4.1方案综述

Acrel-1000变电站综合自动化监控系统在逻辑功能上由站控层、间隔层二层设备组成，并用分层、开放式网络系统实现连接。站控层设备包括监控主机，提供站内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层设备等功能，形成全站监控，并与远方监控、调度通信；间隔层由若干个二次子系统组成，在站控层及站控层网络失效的情况下，仍能独立完成间隔层设备的就地监控功能。

针对工程具体情况，设计方案具有高可靠性，易于扩充和友好的人机界面，性能价格比优越，监控系统由站控层和间隔层两部分组成，采用分层分布式网络结构，站控层网络采用TCP/IP协议的以太网。站控层网络采用单网双机热备配置。

4.2应用场所：

适用于公共建筑、工业建筑、居住建筑等各行业35kV以下电压等级的用户端配、用电系统运行监视和控制管理。

4.3系统结构

4.4系统功能

4.4.1 实时监测

Acrel-1000变电站综合自动化系统，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。

4.4.2 报警处理

监控系统具有事故报警功能。事故报警包括非正常操作引起的断路器跳闸和保护装置动作信号；预告报警包括一般设备变位、状态异常信息、模拟量或温度量越限等。

1）事故报警。事故状态方式时，事故报警立即发出音响报警（报警音量任意调节），操作员工作站的显示画面上用颜色改变并闪烁表示该设备变位，同时弹窗显示红色报警条文，报警分为实时报警和历史报警，历史报警条文具备选择查询并打印的功能。

事故报警通过手动，每次确认一次报警。报警一旦确认，声音、闪光即停止。

次事故报警发生阶段，允许下一个报警信号进入，即次报警不覆盖上一次的报警内容。报警处理具备在主计算机上予以定义或退出的功能。

2）对每一测量值（包括计算量值），由用户序列设置四种规定的运行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分别定义作为预告报警和事故报警。

3）开关事故跳闸到次数或开关拉闸到次数，推出报警信息，提示用户检修。

4）报警方式。

报警方式具有多种表现形式，包括弹窗、画面闪烁、声光报警器、语音、短信、电话等但不限于以上几种方式，用户根据自己的需要添加或修改报警信息。

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4.4.3 调节与控制

操作员对需要控制的电气设备进行控制操作。监控系统具有操作监护功能，允许监护人员在操作员工作站上实施监护，避免误操作。

操作控制分为四级：

第控制，设备就地检修控制。具有优先级的控制权。当操作人员将就地设备的远方/就地切换开关放在就地位置时，将闭锁所有其他控制功能，只进行现场操作。

级控制，间隔层后备控制。其与第三级控制的切换在间隔层完成。

第三级控制，站控层控制。该级控制在操作员工作站上完成，具有远方/站控层的切换。

第四级控制，远方控制，优先级。

原则上间隔层控制和设备就地控制作为后备操作或检修操作手段。为防止误操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即选择、返校、执行，并在站级层设置操作员、监护员口令及线路代码，以确保操作的性和正确性。对任何操作方式，保证只有在上一次操作步骤完成后，才进行下一步操作。同一时间只允许一种控制方式。

纳入控制的设备有：35kV及以下断路器；35kV及以下隔离开关及带电动机构的接地开关；站用电380V断路器；主变压器分接头；继电保护装置的远方复归及远方投退连接片。

3）定时控制。操作员对需要控制的电气设备进行定时控制操作，设定启动和关闭时间，完成定时控制。

4）监控系统的控制输出。控制输出的接点为无源接点，接点的容量对直流为110V（220V）、5A，对交流为220V、5A。

4.4.4 用户权限管理

系统设置了用户权限管理功能，通过用户权限管理能够防止未经授权的操作系统可以定义不同操作权限的权限组（如管理员、维护员、值班员组等），在每个权限组里添加用户名和密码，为系统运行、维护、管理提供可靠的保障。

5 系统硬件配置

应用场合	型号	图片	保护功能
35kV变电站综合自动化系统	Acrel- 1000		可显示变电站主接线图，模拟配电网络运行，实现无人值班模式；根据顺序事件记录、历史曲线、故障录波，协助运维人员实现快速故障分析、定位和排除问题，尽量缩短停电时间；实时采集各回路、设备的电流、电压、功率、电能以及谐波、电压波动等参数，对配电系统和用电设备进行用能分析和能效管理
网关	ANet- 2E8S1		8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等协议的数据接入，ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等协议上传，支持断点续传、XML、JSON进行数据传输、支持标准8GB SD卡（32GB）、支持不同协议向多平台转发数据；每个设备的多个报警设置。输入电源：AC/DC 220V，导轨式安装。
35kV/10kV/6kV 弧光保护	ARB5-M		主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口；
	ARB5-E		扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号：
	ARB5-S		弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域；
35kV/10kV/6kV 进线柜电能质量在线监测	APView500		相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。
35kV/100kV/6kV 间隔智能操控、节点测温	ASD500	$D:\姜建妹工作\03-部门产品资料\2020年资料\智能配电产品图品2019.12.13\ASD\新版\ASD300(III)\HG9A5396.JPG$	5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出；
35kV/10kV/ 6kV传感器	ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
35kV/10kV/6kV 间隔电参量测量	APM830		三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及需量，本月和上月值，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD显示；
变压器绕组温度检测	ARTM-8		8路温度巡检，预埋PT100，RS485接口，2路继电器输出；
变压器接头测温低压进出线柜接头测温	ARTM-Pn-E		无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯；
变压器接头测温低压进出线柜接头测温	ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
柜内环境温湿度	AHE100		无线温湿度传感器，温度精度：±1℃，湿度精度：±3％RH，发射频率：5min，传输距离：200m，电池寿命：≥3年（可更换）
柜内环境温湿度	ATC600		两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m，ATC600-C可接收AHE传输的数据，1路485,2路报警出口。

应用场合	型号	图片	保护功能	其他功能
35kV/10kV/ 6kV进线	AM6-L		三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护；	操作回路、双以太网口、双485口、 2路4-20mA变送输出、故障录波、 GPS对时、全电量测量直流量测量
35kV/10kV/ 6kV馈线	AM6-L		三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护；
35kV主变（2000kVA以上）	AM6-D2/ AM-3		两圈变/三圈变差动速断保护、比例制动差动保护；
35kV主变（2000kVA以上）	AM6-TB		变压器后备保护测控、三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、非电量保护、启动通风保护、PT断线告警、遥调升档、遥调降档、遥调急停；
35kV/10kV/ 6kV厂用变	AM6-S		三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、零序过流、过负荷保护（告警/跳闸）、控故障告警、PT断线告警、非电量保护；
35kV电机（2000kW以上）	AM6-MD		差动速断保护、比例差动保护、过流、过负荷、堵转等电机综合保护；
10kV/6kV 异步电机	AM6-M		两段式过流/零序过流/负序过流保护、过负荷保护（告警/跳闸）、低电压保护、PT断线告警、堵转保护、启动超时、热过载保护、电压不平衡；
35kV/10kV/6kV PT监测	AM6-UB		PT并列/解列、PT监测；
10kV/6kV 电容器	AM6-C		两段式过流/零序过流保护、过负荷保护（告警/跳闸）、PT断线告警、过电压/欠电压跳闸、不平衡电压/电流保护；
35kV/10kV/ 6kV母联	AM6-B		两进线备投/母联备投/自适应备投、联切备投、三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、PT断线告警、过负荷联切/告警、检同期、合环保护；

6 结语

在当今世界科学技术和社会生产力迅速提高的今天,采用变电所自动化控制系统,能够地减少人员投入、提高工作效率,保证电力供应的高质、稳定、连续和可靠运行,同时地提高了整个电力系统的自动化控制水平。本文对变电所自动化控制运行系统进行了概括性地分析和研究,随着现代电力电子技术、网络通信技术、自动化控制技术、计算机技术、AI等技术的迅速发展,必将进一步地提高变电所自动化控制系统的自动化程度,其功能亦将会更加完善和强大,以不断满足社会快速进步对电力发展的需要。