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王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：變電所自動化控制系統是對變電所執行自動監視、測量、控制和協調的綜合性系統。本文對變電所自動化控制中的計算機監控系統和監控保護分別進行了分析,并著重探討了變電所自動化控制系統應用中的幾個問題:通信網絡和備用電源自投裝置等。
關鍵詞：監控系統；微機繼電保護；通信網絡
隨著近年來不斷地加大對基礎設施的建設,電網投資與建設的規模亦不斷擴大,對電網的安全、穩定、、智能化運行亦提出了更高的要求,尤其是隨著當今世界電力電子技術地高速發展,變電所的自動化程度已愈來愈高。在此背景下,應運產生了一種自動控制及無人化運行的系統——變電站綜合自動化系統。利用計算機控制技術、網絡通信等技術,變電所的自動化控制系統將變電所的一次、二次設備(包括數據采集、運行控制、保護、ATS自動轉換設備等)進行功能塊整合、分組和優化,以實現對變電所設備進行在線時測量、監視、控制、記錄。
1變電所監控系統的基本功能
主變運行溫度、母線電壓、電流、功率因數等參數采用數據采集單元進行實時數據的采集和處理。微機系統通過采集以上數據,對數據庫進行更新。
控制功能包括對變電所各電壓等級斷路器、消弧線圈、主變風機、控制無功補償接觸器等進行就地與遠程控制。
控制系統有兩種報警類型,一:提示性報警,二:事故性報警。前者包括設備狀態一般性異常報警、數據超限、主站、從站的某個單元、模塊狀態異常等,后者包括非操作引起的斷路器跳閘、保護聯鎖開關動作等等。
計算機監控系統以ms級時間單位對斷路器狀態、主變參數、一、二次線路參數、保護元件的動作信號信息進行采集并記錄,并能在顯示器上進行顯示及打印機上進行打印。
根據采樣的實時數據,能夠計算每一時間間隔的的電壓值、電流值、有功功率、無功功率、有功系數、主變溫度值、量動作狀態等,并給出以上數據的按年、月、日進行劃分的分時段統計數據。比如電壓、電流的值、,功率因數的合格率等。
變電所配電系統一次接線圖、直流系統圖能夠在顯示器上顯示,能夠顯示統計數據、某些關鍵數據歷史變化曲線、某些報警事件,能夠打印歷史數據、報警記錄等等。
監控系統能夠在線實時診斷系統的硬件、軟件運行情況,一旦發現異常,即能生成并發出報警信息。自我診斷的范圍包括:主站、從站系統、I/O單元、模組、外設、軟件故障等,非嚴重的提示報警,系統可以進行自我。
平日管理功能指負責計算機監控系統的工程師對系統進行的日常檢查、管理、維護、更新優化等工作。包括功能維護管理和數據庫維護管理兩方面內容。功能維護管理包括自動化控制系統的啟動停止控制,對各種應用功能運行狀態的監測,各種應用數據的顯示圖表的加載、生成和編輯。數據庫維護是工程師對數據庫中的應用參數進行增刪和修改。
2繼電保護功能和應用
(1)變壓器一般配置差動保護和瓦斯保護兩種主保護,配置零序電流保護、過流保護等后備保護。
(2)110KV以下線路測控保護配置重合閘和過電流保護,110KV以上線路測控保護配置零序電流保護、綜合重合閘保護等。
(1)硬件系統:微機繼電保護硬件系統是由大量的IC(集成電路)組成,通常由CPU、定時器、存儲器、寄存器、A/D轉換器、D/A轉換等部件組成。而依靠數據采集系統(該系統主要由采樣保持電路、模數轉換器(A/D轉換器)等組成)來完成微機繼電保護系統中的的信息獲取工作。
(2)軟件系統:軟件系統主要分為監控程序和系統程序,監控程序的作用是對包括輸入、輸出狀態,設定、修改和顯示保護裝置的參數值進行監視,同時控制微機保護裝置的硬件電路狀態;系統程序是監控程序的運行環境系統程序。系統程序的主要功能是:1)循環自檢功能,2)中斷響應功能,3)事件處理功能。
3主要問題的分析研究
變電所自控系統常見的有如下幾種通信網絡技術:(1)使用傳統的RS-232/485現場總線進行數據低速傳輸,(2)采用局部控制網絡如常見的Lonworks和CAN兩種通信技術實現數據的中速傳輸,(3)采用Ethernet實現站內設備的分布式連接。系統結構由監控主機、交換機、現場控制模塊組成,監控主機通過Ethernet傳輸實時數據,實現人機對話,完成監控管理等功能。
為保證ATS能夠正常地工作,通常需要注意以下幾點:
(1)ATS應能實時監測工作母線的電壓狀態,當工作母線故障、電源變壓器故障、斷路器因為某種原因跳閘時,將引起工作母線失壓,這時ATS應該能夠瞬間自動切換投入使用,以保證負荷的不間斷供電。
(2)當ATS失電時,ATS自投裝置應不動作,因為如果在此狀態下勉強對事故產生響應,將ATS切入網絡,其不能發揮任何作用。(3)供電系統發生故障時,一定要先排除系統故障,然后才可將ATS投入使用,否則很有可能將備用電源投入到故障網絡中,使發生故障的網絡不但不能解除故障,反而使故障程度進一步發生難以預測的惡化的后果。
Acrel-1000變電站綜合自動化監控系統在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設備組成，并用分層、開放式網絡系統實現連接。站控層設備包括監控主機，提供站內運行的人機聯系界面，實現管理控制間隔層設備等功能，形成全站監控，并與遠方監控、調度通信；間隔層由若干個二次子系統組成，在站控層及站控層網絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監控功能。
針對工程具體情況，設計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，性能價格比*，監控系統由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網絡結構，站控層網絡采用TCP/IP協議的以太網。站控層網絡采用單網雙機熱備配置。
4.2應用場所：
適用于公共建筑、工業建筑、居住建筑等各行業35kV以下電壓等級的用戶端配、用電系統運行監視和控制管理。
Acrel-1000變電站綜合自動化系統，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。
監控系統具有事故報警功能。事故報警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護裝置動作信號；預告報警包括一般設備變位、狀態異常信息、模擬量或溫度量越限等。
1）事故報警。事故狀態方式時，事故報警立即發出音響報警（報警音量任意調節），操作員工作站的顯示畫面上用顏色改變并閃爍表示該設備變位，同時彈窗顯示紅色報警條文，報警分為實時報警和歷史報警，歷史報警條文具備選擇查詢并打印的功能。
事故報警通過手動，每次確認一次報警。報警一旦確認，聲音、閃光即停止。
次事故報警發生階段，允許下一個報警信號進入，即次報警不覆蓋上一次的報警內容。報警處理具備在主計算機上予以定義或退出的功能。
2）對每一測量值（包括計算量值），由用戶序列設置四種規定的運行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分別定義作為預告報警和事故報警。
3）開關事故跳閘到次數或開關拉閘到次數，推出報警信息，提示用戶檢修。
4）報警方式。
報警方式具有多種表現形式，包括彈窗、畫面閃爍、聲光報警器、語音、短信、電話等但不限于以上幾種方式，用戶根據自己的需要添加或修改報警信息。
操作員對需要控制的電氣設備進行控制操作。監控系統具有操作監護功能，允許監護人員在操作員工作站上實施監護，避免誤操作。
操作控制分為四級：
第控制，設備就地檢修控制。具有優先級的控制權。當操作人員將就地設備的遠方/就地切換開關放在就地位置時，將閉鎖所有其他控制功能，只進行現場操作。
級控制，間隔層后備控制。其與第三級控制的切換在間隔層完成。
第三級控制，站控層控制。該級控制在操作員工作站上完成，具有遠方/站控層的切換。
第四級控制，遠方控制，優先級。
原則上間隔層控制和設備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執行，并在站級層設置操作員、監護員口令及線路代碼，以確保操作的性和正確性。對任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進行下一步操作。同一時間只允許一種控制方式。
納入控制的設備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開關及帶電動機構的接地開關；站用電380V斷路器；主變壓器分接頭；繼電保護裝置的遠方復歸及遠方投退連接片。
3）定時控制。操作員對需要控制的電氣設備進行定時控制操作，設定啟動和關閉時間，完成定時控制。
4）監控系統的控制輸出。控制輸出的接點為無源接點，接點的容量對直流為110V（220V）、5A，對交流為220V、5A。
系統設置了用戶權限管理功能，通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作系統可以定義不同操作權限的權限組（如管理員、維護員、值班員組等），在每個權限組里添加用戶名和密碼，為系統運行、維護、管理提供可靠的保障。
5 系統硬件配置
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 |
35kV變電站綜合自動化系統 | Acrel- 1000 |
| 可顯示變電站主接線圖，模擬配電網絡運行，實現無人值班模式；根據順序事件記錄、歷史曲線、故障錄波，協助運維人員實現快速故障分析、定位和排除問題，盡量縮短停電時間；實時采集各回路、設備的電流、電壓、功率、電能以及諧波、電壓波動等參數，對配電系統和用電設備進行用能分析和能效管理 |
網關 | ANet- 2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協議的數據接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等協議上傳，支持斷點續傳、XML、JSON進行數據傳輸、支持標準8GB SD卡（32GB）、支持不同協議向多平臺轉發數據；每個設備的多個報警設置。輸入電源：AC/DC 220V，導軌式安裝。 |
35kV/10kV/6kV 弧光保護 | ARB5-M |
| 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監測（4組）、11個跳閘出口； |
ARB5-E | 擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號： | ||
ARB5-S |
| 弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜。弧光探頭的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區域； | |
35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監測 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協議。 |
35kV/100kV/6kV 間隔智能操控、 節點測溫 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； |
35kV/10kV/ 6kV傳感器 | ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125℃，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； |
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量 | APM830 |
| 三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示； |
變壓器繞組 溫度檢測 | ARTM-8 |
| 8路溫度巡檢，預埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出； |
變壓器接頭測溫低壓進出線柜接頭測溫 | ARTM-Pn-E |
| 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； |
ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； | |
柜內環境溫濕度 | AHE100 |
| 無線溫濕度傳感器，溫度精度：±1℃，濕度精度：±3％RH，發射頻率：5min，傳輸距離：200m，電池壽命：≥3年（可更換） |
ATC600 |
| 兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m，ATC600-C可接收AHE傳輸的數據，1路485,2路報警出口。 |
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 | 其他功能 |
35kV/10kV/ 6kV進線 | AM6-L |
| 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環保護、斷路器失靈保護； | 操作回路、 雙以太網口、 雙485口、 2路4-20mA變 送輸出、 故障錄波、 GPS對時、 全電量測量 直流量測量
|
35kV/10kV/ 6kV饋線 | AM6-L | 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環保護、斷路器失靈保護； | ||
35kV主變 （2000kVA以上） | AM6-D2/ AM-3 | 兩圈變/三圈變差動速斷保護、比例制動差動保護； | ||
AM6-TB | 變壓器后備保護測控、三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、非電量保護、啟動通風保護、PT斷線告警、遙調升檔、遙調降檔、遙調急停； | |||
35kV/10kV/ 6kV廠用變 | AM6-S | 三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、零序過流、過負荷保護（告警/跳閘）、控故障告警、PT斷線告警、非電量保護； | ||
35kV電機 （2000kW以上） | AM6-MD | 差動速斷保護、比例差動保護、過流、過負荷、堵轉等電機綜合保護； | ||
10kV/6kV 異步電機 | AM6-M | 兩段式過流/零序過流/負序過流保護、過負荷保護（告警/跳閘）、低電壓保護、PT斷線告警、堵轉保護、啟動超時、熱過載保護、電壓不平衡； | ||
35kV/10kV/6kV PT監測 | AM6-UB | PT并列/解列、PT監測； | ||
10kV/6kV 電容器 | AM6-C | 兩段式過流/零序過流保護、過負荷保護（告警/跳閘）、PT斷線告警、過電壓/欠電壓跳閘、不平衡電壓/電流保護； | ||
35kV/10kV/ 6kV母聯 | AM6-B | 兩進線備投/母聯備投/自適應備投、聯切備投、三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、PT斷線告警、過負荷聯切/告警、檢同期、合環保護； |
在當今世界科學技術和社會生產力迅速提高的今天,采用變電所自動化控制系統,能夠地減少人員投入、提高工作效率,保證電力供應的高質、穩定、連續和可靠運行,同時地提高了整個電力系統的自動化控制水平。本文對變電所自動化控制運行系統進行了概括性地分析和研究,隨著現代電力電子技術、網絡通信技術、自動化控制技術、計算機技術、AI等技術的迅速發展,必將進一步地提高變電所自動化控制系統的自動化程度,其功能亦將會更加*和*,以不斷滿足社會快速進步對電力發展的需要。
[1]劉介才.主編.工廠供電[M].機械工業出版社,2009.
[2]翁利民.主編.無人值班變電所的綜合自動化[M].江西電力,2000.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版．
[4]王凱.變電所自動化控制系統應用與分析
