第三章 变电站综合自动化

变电站综合自动化主讲乔明本章内容要点：1、变电站综合自动化能够实现的功能2、变电站综合自动化的硬件结构3、变电站综合自动化数据通信4、变电站综合自动化VQC系统第一节变电站综合自动化一、常规变电站的控制1、常规变电站二次系统组成按功能进行组屏，按保护、远动、就地监控、测量、录波等功能组织。各功能见下图：线路控制屏、发变组控制屏、同期屏保护屏电度表屏光字牌屏直流充电屏2、常规变电站存在的问题①安全性、可靠性不够高②电能质量可控性不高③占地面积大④实时性和可控性差⑤维护工作量大二、变电站综合自动化1、基本概念将变电站的二次设备经过功能的组合和优化三、变电站综自的特点参下图结构分析1、功能综合化2、结构分布、分层化3、操作监视屏幕化4、通信系统网络化、光缆化5、运行管理智能化6、测量显示数字化四、变电站综自与无人值班变电站1、无人值守变电站的发展历程①20世纪50年代出现，技术条件落后，故障后由用户通知供电局才出动检修。②20世纪60年代，具备YC、YX,进入远方监视的无人值班阶段。③20世纪80年代，出现由CPU构成的RTU，具备四遥功能，实现远方监控④95年，要求35KV和110KV的变电站，具备条件时改造成无人值班，新建按无人值班设计。2、无人职守与综合自动化的关系变电站可以有人值班也可以无人值班技术条件允许时可实现综自管理模式问题技术问题不同范畴第二节变电站综自系统的功能国际大电网会议WG34.03工作组分析，变电站综自系统完成的功能大约63种，按其功能分类可归纳为：①控制与监视功能②自动控制功能③测量表计功能④继电保护功能⑤与继电保护相关的功能⑥接口功能⑦系统功能一、监控子系统功能监控子系统功能有：1、数据采集2、数据库的建立与维护3、SOE和事故追忆4、故障记录、录波和测距5、操作监控功能6、安全监视功能7、打印功能8、人机联系功能9、数据处理与记录功能10、谐波的分析与监视11、报警处理12、画面生成及显示13、电能量处理14、在线计算及制表功能15、远动（RTU）功能16、运行管理功能17、控制及安全操作闭锁功能二、微机继电保护功能主设备和输电线路的全套保护，包括：1、高压输电线路保护和后备保护2、变压器的主保护和后备保护及非电量保护3、母线保护4、低压配电线路保护5、无功补偿装置保护6、所用变保护各保护单元，除应具备独立、完整的保护功能外，还应具备以下附加功能：①具备事件记录功能②具有与系统对时功能③具有储存多种保护定值的功能④具备当地人机接口功能⑤具备通信功能⑥具备故障自诊断功能三、自动装置的功能1、电压无功综合控制功能2、低频减载装置功能3、备用电源自动投入装置4、小电流接地选线装置⑴中性点不接地系统的正常运行状态⑵单相接地故障时接地电流与零序电压特点分析：结论：①不接地系统，中性点位移电压为－Eph②非故障线路电容电流就是该线路零序电流③故障相首段零序电流等于系统所有非故障线路对地电容电流之和，方向由线路流向母线，与非故障相相反⑶经消弧线圈接地时的接地电流特点结论：①U0=-EA②零序电流的方向与补偿度有关③五次谐波电流得不到补偿⑷接地选线的原理①零序功率方向原理②谐波电流方向原理③五次谐波判别原理⑸微机型小电流接地选线装置的硬件构成自动化系统如何处理，主要有两种思路：①一种思路：微机保护监控装置独立计算出谐波电流的大小和方向或者计算零序功率有功方向/无功方向，送向监控主机或通信单元集中比较，实现此功能；②另一种思路：选用专用的小电流接地选线装置，原理较多，需要比较：目前主要有---零序谐波电流方向原理，注入低频交流信号原理，故障分量原理等；•两种思路各有千秋四、数据通信功能1、现场级通信功能2、远方通信远方通信现场级通信第三节变电站综自的硬件结构形式发展过程角度分散式分层分布式集中式分散集中式结合分散分布式安装物理位置分散式分层组屏式集中组屏补充：数字化变电站的主要特征是“一次设备智能化，二次设备网络化”。在数字化变电站中，一次设备的信号输出和控制输入均被数字化，利用网络通信技术进行传输，变电站二次回路设计中常规的继电器及其逻辑回路被可编程软件代替，常规的模拟信号被数字信号代替，常规的控制电缆被光缆代替，节约了大量资源，简洁的二次回路设计使变电站自动化系统的可靠性得到进一步提高。数字化变电站中信息统一建模，实现了信息共享，可以是变电站控制功能更加优化。一次设备智能化也节约了大量变电站建设用地。因此，建设数字化变电站无论从技术上还是经济上都很有意义。网络通信技术是实现数字化变电站的关键技术，IEC61850为数字化变电站提供了完整的网络通信解决方案。目前国内外数字化变电站都是遵循IEC61850标准进行设计的。IEC61850标准将变电站从网络通信角度分为三层：变电站层、间隔层和过程层。变电站自动化系统的分层和逻辑接口国际电工委员会（IEC）TC57技术委员会（电力系统控制和通信技术委员会）在制定IEC61850（变电站通信网络和系统）标准时，把变电站自动化系统的功能在逻辑上分配在3个层次（变电站层、间隔层或单元层、过程层），这3个层次分别通过逻辑接口1～9建立通信，如下图所示。功能A功能B远方控制（NCC）7技术服务变电站层保护控制保护控制329832过程接口1,61,64,5过程接口4,5间隔/单元层远方保护　过程层远方保护　高压设备（1）过程层（Processlevel）功能过程层的功能实际上是与变电站一次设备断路器、隔离开关和电流互感器TA、电压互感器TV接口的功能。（2）间隔层（Baylevel）功能变电站自动化系统在间隔层的设备主要有各种微机保护装置、自动控制装置、数据采集装置和RTU等等。(3）变电站层（Stationlevel）变电站的功能有2类：与过程有关的站层功能与接口有关的站层功能变电站的智能电子设备变电站自动化系统的设备统称为智能电子设备IED（IntelligentElectronicDevices）。IEC61850协议对智能电子设备IED的定义是：由一个或多个处理器组成，具有从外部源接收和传送数据或控制外部源的任何设备（例如：电子多功能仪表、数字继电器、控制器）的功能。这些IEDs在物理位置上，可安装在3个不同的功能层（即变电站层、间隔层/单元层、过程层）上。一、传统变电站改造模式构成：远方终端，当地监控系统，变送器，UPS保护独立配置，与RTU通信二、集中式变电站综自系统1、概念：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，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。集中式结构（1）集中式结构（2）2、优缺点①优点：结构简单，价格低廉②缺点：a.功能集中，须采用双机并联提高可靠性b.软件复杂，调试难度大，修改工作量大c.组太不灵活，不利于推广d.容易产生数据瓶颈问题，可扩性及可维护性差e.不直观，不符合运行和维护人员的习惯，调试和维护不方便3、适用：适合中小型变电站的新建或改造三、分层分布结构集中组屏变电站综自系统分层分布式自动化系统的功能在逻辑上仍可分为过程层、间隔层和变电站层三层结构。分层分布式自动化系统的最大特点体现在“功能的分布化”上，即对智能电子设备的设计理念上由以前在集中式自动化系统中的面向厂、站转变为面向对象，即面向一次设备的一个间隔。分层（级）分布式系统集中组屏的结构模式实质上是把这些面向间隔设计的变电站层和间隔层的智能电子设备，按它们的功能组装成多个屏（柜），例如：主变保护屏（柜）、线路保护屏（柜）、数据采集屏等等，这些屏（柜）一般都集中安装在主控室中，我们把这种结构模式简称为“分布集中式”结构模式。1、分布式基本概念：结构上采用主从CPU协同工作方式，各功能模块之间采用网络技术或串行方式实现数据通信2、通信体系3、中小型变电站的分层分布集中组屏结构①基本概念：把整套综自系统按其功能组装成多个屏（柜），一般情况下，这些屏安装在主控室。②结构（参见下图）间隔层三层设备层变电站层4、大型变电站分层分布式集中组屏结构5、分层分布集中组屏式结构的特点①模块化结构，可靠性高②继电保护相对独立③功能尽可能的下放，可靠性高、组态灵活可扩性好④具有与调度通信的功能⑤需要大量二次电缆四、分散分布与集中相结合的结构1、概念：面向电气一次回路或电气间隔进行设计，间隔层中各数据采集、监控单元和保护单元做在一起，并分散安装在开关柜上或其它一次设备附近。2、结构形式GPS操作员站1操作员站2工程师站工作站站内管理远动主站1远动主站2网关光电转换光电转换网关光电转换网关保护测控装置保护测控装置保护测控装置保护测控装置I/0测控保护测控装置间隔1间隔N35kV开关柜220kV电气小室　间隔M间隔1保护测控装置I/0测控保护测控装置I/0测控电压无功控制500kV电气小室　间隔1间隔L－1间隔L现场总线网现场总线网现场总线网双光纤以太网网调省调地调省调网调地调3、优越性①简化二次部分的配置，缩小控制室的面积②减少施工和设备安装工作量③简化了二次设备之间的连线，节省电缆④可靠性高，组态灵活，检修方便五、完全分散式结构1、基本概念：以一次设备为安装单位，将保护、控制、输入/输出、闭锁等单元就地分散地安装在一次主设备的开关柜上，通过通信与监控主机联系.2、结构形式两种模式：①保护相对独立，测量和控制合二为一②保护、测量、控制完全合一第四节变电站电VQC子系统一、电压、无功综合控制的重要性二、电压、无功综合控制目标（1）维持供电电压在规定的范围内①500kV(330kV)变电站的220kV母线正常时，0～+10%；事故时，-5%～+10%。②220kV变电站的35～110kV母线正常时，-3%～+7%；事故时，±10%。③配电网的10kV母线，电压合格范围：10.0～10.7kV（2）保持电力系统稳定和合适的无功平衡。无功分区、就地平衡的原则电压、无功综合控制的手段①调分接头位置②控制无功补偿设备两者综合考虑三、变电站电压、无功综合控制的原理1、调整分接头位置，即改变变比Kn，使︱UL-ULN︱=min2、改变无功补偿，如上图所示的网络，高压网络上的损耗（包括变压器损耗）为投入无功补偿Qc后：在保证电压满足要求的前提下，根据无功功率QB的大小，合理的控制投、切无功补偿的容量Qc，使变电站与系统所交换的无功（QB-Qc）最小，就可以使高压网络损耗最小.)()()()(222222rsBCBBTSBCBBSxxUQQRjRRUQQPSBTSCBTSBSBUXXQQRRPUU))(()(四、VQC综合控制策略（九区图法）（1）原则①调节一项时保证另一项趋于正常②单项越限调单项，不满足要求时再调另一项（2）原理五、MVR-III型微机电压、无功综合控制装置硬件结构六、电力系统的电压、无功综合控制的方式1.集中控制2.分散控制3.关联分散控制4.关联分散控制的实现方法（1）软件实现的方法（2）硬件实现的关联分散控制第六节变电站微机故障录波装置一、故障录波装置的主要作用(1)正确分析事故原因并研究对策，同时可正确清楚地了解系统的情况，及时处理事故。(2)根据所录取的波形图，可以正确评价继电保护和自动装置工作的正确性。(3)根据录波图中示出的零序电流值，可正确地给出故障地点范围，便于查找故障点。(4)分析研究振荡规律。(5)分析录波图可发现继电保护和自动装置、一次设备缺陷，及时消除隐患。(6)借助录波装置，可实测系统参数以及监视系统的运行状态。利用故障录波装置可以正确地分析事故，评价保护，发现保护和断路器存在的问题，最大限度地减少原因不明事故。微机故障录波装置主要包括前置机和主机两大部分。一台微机故障录波装置由一台主机和多台互为独立的前置机组成分布式结构。这种结构有两大优点：一是避免局部故障而引起整套录波装置退出工作，便于维护和管理；二是对任一台前置机进行校验和维修，不会影响整套录波装置的运行。前置机的主要功能是交流数据采集。它对所接入的电流、电压、开关量进行数据采样，并同预先设置的定值进行比较，