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变电站自动化系统的研究_设计

时间:2012-03-24  作者:秩名

论文导读::操作控制系统手动/自动自动自动自动。变电站自动化系统的研究。
论文关键词:变电站,综合自动化,控制,设计
 

0 前言

完整的变电站综合自动化系统除在各控制保护单元保留紧急手动操作跳、合闸的手段之外,其余的全部控制、监视、测量和报警功能均可通过计算机监控系统来完成。变电站无需另设远动设备,监控系统完全满足遥信、遥测、遥控、遥调的功能以及无人值班之需要。

变电站综合自动化系统的基本配置,如图所示:

控制

标准化和模块化是保证变电站自动化系统独立性与扩展性相统一的基本要求。但是,国内在这方面由于缺乏统一的设计方案和产品标准,这种百花齐放的局面也在一定程度上给电力研究与生产行业造成了重复劳动,不同厂家的产品很多都是自成一体,相互之间缺乏很好的兼容性与可扩充性,给用户带来很大麻烦。因此,应确立保护软、硬件设计的模块化、标准化来保证该系统自身的独立性和与其他系统的兼容性。

1 综合自动化系统的硬件结构形式

硬件的模块化从基本模块做起,在将系统分解为模块时,模块的内聚度应最大,而把分解点选在接口最少、最弱的部位,这样可简化接口结构,使系统易于分解,又易于组合基本模块设计为插件式设计,不同保护间可通用硬件,这样,缩短了开发周期,保证了生产、调试、维护的方便。主要插件有:电源插件、交流插件、CPU 插件、开入开出插件等。硬件的不同基本模块组合可构成插箱级模块,不同插箱级模块组合可构成产品级模块。

根据综合自动化系统设计思想和安装的物理位置的不同,综合自动化系统硬件结构形式可以分成很多种类。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、分布式、分散(层)分布式;从安装物理位置上来划分有集中组屏、分层组屏和分散在一次设备间隔设备上安装等形式。

1.1结构形式

一、集中式综合自动化系统

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、开关量和数字量等信息,集中进行计算和处理,分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。

这种机构形式是按变电站的规模配置相应容量、功能的微机保护装置和监控主机及数据采集系统,它们安装在变电站主控室内。主变压器各种进出线路及站内所有电气设备的运行状态通过电流互感器、电压互感器经电缆传送到主控制的保护装置或监控计算机上,并与调度控制端的主计算机进行数据通信。当地监控计算机完成当地显示控制和制表打印等功能。

变电站综合自动化系统的目标是实现变电站的小型化、无人化和高可靠性,我国20世纪80年代开始研制分布式综合自动化系统。

二、分层分布式结构集中式组屏的综合自动化

(一)分层分布式结构的概念

所谓分布式结构,是在结构上采用主从CPU协同工作方式,各功能模块(通常是各个CPU)之间采用网络技术或串行方式实现数据通信,多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力,解决了集中式结构中独立CPU计算处理的瓶颈问题,方便系统扩展和维护,局部故障不影响其他模块正常运行。且变电站信息的采集和控制分为管理层、站控层和间隔层三级分布布置。[1]

对于中、小型变电站的分层分布式集中组屏结构,把整套综合自动化系统按其功能组装成多个屏,集中安装在主控室中,软件相对简单,调试维护方便,组态灵活,系统可靠性高免费论文网

对于大型变电站分层分布式集中组屏结构,较之中小型变电站的综合自动化系统,大型变电站则在管理层可能设有通信控制机,专业负责与调度中心通信,并没有工程师机,负责软件开发与管理功能。

(二)分层分布式集中组屏综合自动化系统结构特点

1.可靠性高,有故障时,只影响局部;可扩展性和灵活性高;电缆大大简化设计,节约投资。

2.分布式系统为多CPU工作方式,减轻了主控室机的负担。

3.继电保护相对独立。

4.可靠的自动化监控系统。

5.具有与系统控制中心通信功能。

1.2分散分布式与集中相结合的综合自动化系统结构

这是目前国内外最为流行、受到广大用户欢迎的一种综合自动化系统。它采用“面向对象”即面向电气一次回路或电气间隔的方法进行设计的,间隔层中各数据采集、控制单元和保护单元做在一起,设计在同一机箱中,并将这种机箱就地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近,这样各间隔单元的设备相互独立,仅通过光纤或电缆网络由站控机对它们进行管理和交换信息,这是将功能分布和物理分散两者有机结合的结果。

(一)分散与集中相结合的变电站综合自动化系统结构框图。如图所示:

控制

将配电线路的保护和测控单元安装在开关柜内,而高压线路保护和主变压器保护装置等采用集中组屏的系统结构称为分散和集中相结合的结构,适合应用在各种电压等级的变电站中。

(二)结构特点

1.10~35KV馈线保护采用分散式结构,就地安装,节约控制电缆,通过现场总线与保护管理机交换信息。

2.高压线路保护和变压器保护采用集中组屏结构,安装在控制室或保护室中,可靠性高。

3.备用电源自投控制装置和电压无功综合控制装置采用集中组屏结构安装于控制室或保护室中。

4.采用脉冲电能表或带串行通信接口的智能型电能计量表,保证电能计量的准确性。

(三)优越性

1.简化了变电所二次部分的配置,缩小了主控室的面积,利于实现无人值班。

2.减少了施工和设备安装工作量。

3.简化了变电站二次设备之间的互连线,节省了电缆。

4.分层分散式结构可靠性高,组态灵活,检修方便。

目前,变电站综合自动化系统的功能和结构都在不断地向前发展,全分散式的结构一定成为今后发展的方向,为变电站实现高水平、高可靠性和低造价的无人值班创造更有利的技术条件。[2]

2变电站综合自动化系统的硬件原理

随着微计算机技术的发展,变电站综合自动化系统均按模块化设计,也就是说对于成套的综合自动化系统中,微机保护系统、监控系统、自动控制系统等装置都是若干模块组成的。不同的功能用不同的软件来实现,不同的使用场合按不同的模块组合方式构成。一个变电站综合自动化系统中各个子系统(如微机保护)的典型硬件结构主要包括:模拟量输入/输出回路、微型机系统、开关量输入/输出回路、人机对话接口回路、通信回路、电源。

变电站综合自动化硬件结构。如图所示:

控制

变电站综合自动化硬件结构

2.1 模拟量输入/输出回路

变电站综合自动化系统采集的变电站的电流、电压、有功功率、无功功率、温度等都是属于模拟量。模拟量输入电路的主要作用是隔离规范输入电压及完成模/数变换,以便与CPU接口,完成数据采集任务。模拟量的作用是把微型机系统输出的数字量转换成模拟量输出,由数/模(D/A)变换器来完成。

根据模/数变换原理的不同,综合自动化装置中的模拟量输入电路有两种方式:一是基于逐次逼近型A/D转换方式(ADC),是直接将模拟量转变为数字量的变换方式;二是利用电压/频率变换(VFC)原理进行模/数变换方式设计,它是将模拟量电压转换为频率脉冲量,通过脉冲计数变换为数字量的一种变换形式。

电压形成电路起电量作用外,还将一次设备的电流互感器TA、电压互感器TV的二次回路与微机A/D转换系统完整隔离,提高抗干扰能力;低通滤波电路的作用是限制输入信号的最高频率;采样主要表现为真实的反映出原始的连续时间信号中所包含的重要信息;模拟量多路转换开关的作用是将多路待转换的模拟量每次只选通一路,输出只有一个公共端接至A/D转换器,达到分时转换;A/D转换器的作用将连续变换的模拟信号转换为数字信号。

输出电路的结构由锁存器、D/A转换器、低通滤波器、功率放大器组成。

3 以传输线路的远程保护为例

对于传输线路的远程保护,利用远程继电器,一个重要观察结果是从接通继电器的时刻开始,继电器就连续采样输入信号,因此,在信号变化的整个过程中均可获得输入数据。但由于实际原因,存贮器缓冲器中只保存了有限的采样值。在某种意义上。通常这种存贮器的存取是循环的,每当缓冲器贮满时,就存储下一批采祥值以取代旧采样值。这种特性能做到连续监视传输线路负载,此外还能捕捉电力信号在正常—故障过渡时的预兆故障值和故障值。

以微处理机为基础的远程继电器的另一个共同特性是继电器正常状况和工作状态的自诊断。这一特性对测试和维护是极其有用的,与以前的技术相比是设计上的一个重要的进步。此外,在操作接口方面也得到了一定的改进免费论文网。用于继电器的设定、工作状态和各种电力系统信号测量情况的各种操作均可进行显示,通过使用带有更改设定值的复杂的处理协议的终端,继电器设定过程可以得到大大的强化和简化。[5]

由于对信号采样值进行了各种逻辑和算术运算,因而实现了基于微机的继电器内部处理。通过使用存贮在继电器固件内的软件流程实现了继电器算法。图4-1给出了典型的功能软件流程图。该图示出了一个基于微机的设计所具有的绝妙的灵活性,它所提供的继电器算

远程继电器的软件流程图

法的每个处理步骤均为独立的软件模块,使设计师能方便地改变某些模块,以便适应不同继电器的要求。在采用远程继电器的情况下,继电器工作特性的各种不同状态,以及电压、电流和阻抗测量的各种算法,均可以使用同样的基本硬件和图所介绍的同样软件编排来实现。

总之,基于微机的继电器,可将继电器设计成具有一些传统的远程保护功能,例如带有适于传送跳闸/闭合功能的各种通讯选择的分段限时保护。另一方面,可以用一个远程继电器微计算机实现很复杂的设计。在这种情况下除基本远程继电器保护功能外,还可以包括其他功能,例如:局部断路器失效保护、高速重闭、自动同步校验,不同步保护设计,瞬时记录、故障定位、SOE(事件顺序)记录。

请注意,利用设计中的这种灵活性对于获得性能价格比高的远程继电器保护是十分重

要的。如果只需要基本的继电器保护功能,可以使用廉价的8位单板微计算机。另一方面,如果需要复杂的远程保护设计,可能需要高性能16位多微计算机系统。这种设计与等效的常规设计相比可能不是高性能价格比的。但在这种情况下,可通过增加不花钱就可得到的额外功能,使整个复杂远程继电器保护设计比具有等效功能的各种常规设备便宜。

4结束语

变电站自动化研究的现状与发展,要求构成自动化的微机综合保护即能可靠独立运行,又能扩展为更大的系统、更强的功能,因此必须加强微机保护的标准化设计。由于科学技术的高速发展,新产品的研制、开发周期越来越短。所以,在新产品的开发构成中应综合考虑产品的可靠性、先进性及经济性,采用新思想、新原理、新技术开发出可靠性高、功能强大的新型微机保护。目前变电站微机自动化系统虽然运用得还不够广泛,但在先进技术不断发展的今天,变电站自动化系统以其系统化、标准化和面向未来的概念正逐步取代了繁琐而复杂的传统控制保护系统。可以预测,随着我国电力工业的发展及电子技术、工业自动化信息工程等相关产业的技术进步,人机界面更好,运行更加安全可靠的新一代微机综合自动化系统将获得迅猛发展。


参考文献
1、李湖.《电力自动化》.国家电力公司电力出版社,2000:12-15
2、杨新民.《电力系统综合自动化》.中国电力出版社,2002:46-52
3、丁书文.《变电站综合自动化原理与应用》.中国电力出版社,2000
4、王永康.《继电保护及自动装置》.中国铁道出版社,1998
5、黄益庄.《变电站综合自动化技术》.中国电力出版社,2002:28-33
6、涂时亮.单片微型机软件设计技术.科学技术文献出版社,2000
 

 

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