变电站综合自动化系统 (课件)

2021/8/21 1 变电站综合自动化系统 注：本课件来源于网络，仅作为学习讨论使用。注：本课件来源于网络，仅作为学习讨论使用。 2021/8/21 2 内容提要内容提要 第第1章章 变电站综合自动化的基本概念变电站综合自动化的基本概念 第第2章章 变电站自动化系统的功能变电站自动化系统的功能 第第3章章 变电站自动化系统的结构变电站自动化系统的结构 第第4章章 数字量的输入、输出数字量的输入、输出 第第5章章 模拟量的输入、输出模拟量的输入、输出 第第6章章 变电站自动化系统的数据通信变电站自动化系统的数据通信 第第7章章 变电站与调度中心的通信标准变电站与调度中心的通信标准 2021/8/21 3 第第1章章 变电站综合自动化的基本概念变电站综合自动化的基本概念 1.1 变电站自动化是技术发展的必然趋势变电站自动化是技术发展的必然趋势 1.2 变电站综合自动化的发展过程变电站综合自动化的发展过程 1.3变电站综合自动化与无人值班变电站综合自动化与无人值班 2021/8/21 4 1.1 变电站自动化是技术发展的变电站自动化是技术发展的 必然趋势必然趋势 1.1.1 当前电力系统发展的要求当前电力系统发展的要求 i) 全国联网的发展方向，对电力系统的可靠性提出更高要求。全国联网的发展方向，对电力系统的可靠性提出更高要求。 国家电力公司陆延昌在国家电力公司陆延昌在2000年全国电网调度工作会议上明确年全国电网调度工作会议上明确指出：坚持全国联网指出：坚持全国联网、西电东送西电东送、南北互联的发展方向不动摇南北互联的发展方向不动摇。并且要做到系统联网并且要做到系统联网，可靠水平不降低可靠水平不降低。我国水力资源主要集中我国水力资源主要集中在西部和西南部在西部和西南部，这两地区可开发电量占全国这两地区可开发电量占全国82.9%；煤炭资源；煤炭资源华北和西北两地区占华北和西北两地区占80%；而负荷中心集中在中部和东部沿海；而负荷中心集中在中部和东部沿海，这两地区的经济总量占全国这两地区的经济总量占全国82%，电力消费占电力消费占78%。这种差异这种差异，决定了电力工业发展必须实行西电东送决定了电力工业发展必须实行西电东送、南北互供南北互供、全国联网的全国联网的战略战略。 要做到全国联网后，供电可靠性水平不降低，加强发电厂、要做到全国联网后，供电可靠性水平不降低，加强发电厂、变电站的安全、可靠运行、提高其自动化水平很为重要。变电站的安全、可靠运行、提高其自动化水平很为重要。 2021/8/21 5 1.1 变电站自动化是技术发展的变电站自动化是技术发展的 必然趋势必然趋势 ii) 常规的变电站存在的问题常规的变电站存在的问题 安全性安全性、可靠性不能满足电力系统发展的需求可靠性不能满足电力系统发展的需求。 不适应电力系统快速计算和实时性要求不适应电力系统快速计算和实时性要求。 供电质量缺乏科学的保证供电质量缺乏科学的保证。 不利于提高运行管理水平不利于提高运行管理水平。 维护工作量大维护工作量大，设备可靠性差设备可靠性差。 占地面积大占地面积大，增加征地投资增加征地投资。 2021/8/21 6 1.1 变电站自动化是技术发展的变电站自动化是技术发展的 必然趋势必然趋势 1.1.2 科学技术的发展，为发展变电站自动科学技术的发展，为发展变电站自动 化提供了有利的条件化提供了有利的条件 变电站自动化技术的发展过程与相关学科变电站自动化技术的发展过程与相关学科的发展密切相关。变电站自动化发展过程有三的发展密切相关。变电站自动化发展过程有三个阶段：个阶段： (1) 变电站分立元件的自控装置阶段变电站分立元件的自控装置阶段。 *电磁式的自动装置电磁式的自动装置 *晶体管式的自动装置晶体管式的自动装置 *集成电路式的自动装置集成电路式的自动装置 2021/8/21 7 1.1.2 科学技术的发展，为发展变电站自动科学技术的发展，为发展变电站自动 化提供了有利的条件化提供了有利的条件 (2) 微处理器为核心的智能自动装置阶段微处理器为核心的智能自动装置阶段。 计算机工业的发展计算机工业的发展，尤其是尤其是20世纪世纪70年代年代微处理器的问世和微计算机技术的迅速发展微处理器的问世和微计算机技术的迅速发展，为变电站自动化技术的发展提供了必要的手段为变电站自动化技术的发展提供了必要的手段。 这阶段厂站自动化的特点：形成变电站内的这阶段厂站自动化的特点：形成变电站内的 自动化孤岛自动化孤岛。 (3) 变电站综合自动化的发展变电站综合自动化的发展，全面促进变电全面促进变电站技术水站技术水 平和运行管理水平的提高平和运行管理水平的提高。 2021/8/21 8 1.2 变电站综合自动化的发展过程变电站综合自动化的发展过程 1.2.1 国外变电站综合自动化的早期发展概况国外变电站综合自动化的早期发展概况 国外变电站自动化的研究工作始于国外变电站自动化的研究工作始于20世纪世纪70年代。年代。70年年代末，英、西德、意大利、澳大利亚等国新装的远动装置代末，英、西德、意大利、澳大利亚等国新装的远动装置都是微机型的。都是微机型的。 变电站综合自动化的研究工作，于变电站综合自动化的研究工作，于70年代中、后期开始。年代中、后期开始。1975年由关西电子公司和三菱电气有限公司合作，研究配年由关西电子公司和三菱电气有限公司合作，研究配电变电站数字控制系统。电变电站数字控制系统。1979年年9月完成样机，称为月完成样机，称为SDCS-1型，型，12月在变电站安装运行，月在变电站安装运行，1980年开始商品化生产。年开始商品化生产。 SDCS-1型由型由13台微机组成。如台微机组成。如图图1.2.1，它具有对一个，它具有对一个77kV/6.6kV的配电变电站的全部保护和控制功能。该变电的配电变电站的全部保护和控制功能。该变电站具有站具有3台变压器，台变压器，4回回77kV进线，进线，36回回6.6kV馈电线路。馈电线路。 2021/8/21 9 1.2 变电站综合自动化的发展过程变电站综合自动化的发展过程 图1.2.1 SDCS1结构方框图 1.2.1 国外变电站综合自动化的早期发展概况国外变电站综合自动化的早期发展概况 2021/8/21 10 SDCS1按功能分为按功能分为3个子系统：个子系统： （1）继电保护子系统）继电保护子系统 （2）测量子系统）测量子系统 （3）控制子系统）控制子系统 80年代，研究变电站综合自动化的国家和公司越年代，研究变电站综合自动化的国家和公司越来越多，例如，德国西门子公司、来越多，例如，德国西门子公司、ABB公司、公司、AEG公公司、司、GE公司、西屋公司、阿尔斯通公司等都有自己的公司、西屋公司、阿尔斯通公司等都有自己的变电站自动化产品。变电站自动化产品。1995年西门子公司的变电站自动年西门子公司的变电站自动化系统化系统LSA678在我国已有十多个工程。在我国已有十多个工程。 国外研究工作突出的特点是他们彼此间一开始就国外研究工作突出的特点是他们彼此间一开始就十分重视这一领域的技术规范和标准的制定与协调十分重视这一领域的技术规范和标准的制定与协调。 1.2 变电站综合自动化的发展过程变电站综合自动化的发展过程 2021/8/21 11 1.2.2 我国变电站自动化的发展过程我国变电站自动化的发展过程 我国变电站综合自动化的研究工作始于我国变电站综合自动化的研究工作始于8080年代中期。年代中期。19871987年年清华大学电机工程系研究成功国内第一个符合国情的综合自动化系清华大学电机工程系研究成功国内第一个符合国情的综合自动化系统统。该系统由该系统由3 3台微机组成，其系统结构如台微机组成，其系统结构如图图1.2.21.2.2。19871987年在山东年在山东威海望岛变电站成功地投入运行。望岛变电站是一个威海望岛变电站成功地投入运行。望岛变电站是一个35kV/10kV35kV/10kV城城市变电站，有市变电站，有2 2回回35kV35kV进线，进线，2 2台主变，台主变，8 8回回10kV10kV出线，出线，2 2组电容器。组电容器。该系统担负全变电站安全监控、微机保护、电压无功控制、中央信该系统担负全变电站安全监控、微机保护、电压无功控制、中央信号等任务。按功能分为号等任务。按功能分为3 3个子系统个子系统：（：（1 1）安全监控子系统；（）安全监控子系统；（2 2）微机保护子系统；（微机保护子系统；（3 3）电压、无功控制子系统。）电压、无功控制子系统。 这是我国第一个变电站综合自动化系统，其成功的投入运行，这是我国第一个变电站综合自动化系统，其成功的投入运行，证明了我国完全可以自行研究，制造出具有国际先进水平，符合国证明了我国完全可以自行研究，制造出具有国际先进水平，符合国情的变电站综合自动化系统。情的变电站综合自动化系统。 9090年代中期后，综合自动化系统迅速发展年代中期后，综合自动化系统迅速发展。随着微机技术的不随着微机技术的不断发展和已投入运行的变电站综合系统取得的经济效益和社会效益，断发展和已投入运行的变电站综合系统取得的经济效益和社会效益，吸引全国许多用户和科研单位和高等院校，因此变电站综合自动化吸引全国许多用户和科研单位和高等院校，因此变电站综合自动化系统到系统到9090年代，成为热门话题。年代，成为热门话题。 1.2 变电站综合自动化的发展过程变电站综合自动化的发展过程 2021/8/21 12 1.2 变电站综合自动化的发展过程变电站综合自动化的发展过程 1.2.2 我国变电站自动化的发展过程我国变电站自动化的发展过程 图图1.2.2 变电站微机监测、保护综合控制系统框图变电站微机监测、保护综合控制系统框图 2021/8/21 13 1.3 变电站综合自动化与无人值班变电站综合自动化与无人值班 1.3.1国外无人值班的发展简况无人值班的发展简况 西欧、北美、日本等发达国家的绝大多数变电站，西欧、北美、日本等发达国家的绝大多数变电站，包括许多包括许多500kV、380kV的变电站也都实行无人值班。的变电站也都实行无人值班。例如：巴黎，例如：巴黎，1985年建立新一代的计算机自动管理系年建立新一代的计算机自动管理系统，所有统，所有225/20kV变电站都由调度中心集中控制。调变电站都由调度中心集中控制。调度室可掌握所有度室可掌握所有225/20kV变电站及变电站及20kV主网络运行状主网络运行状况，当电网发生事故时，调度中心可以直接进行必要况，当电网发生事故时，调度中心可以直接进行必要的处理，使受停电影响的用户迅速恢复供电。与此同的处理，使受停电影响的用户迅速恢复供电。与此同时也出现一批无人值班或少人值班的大、中小型水电时也出现一批无人值班或少人值班的大、中小型水电站，例如，到站，例如，到1980年止，意大利年止，意大利ENEL公司的公司的474个水个水电站中，无人值班达电站中，无人值班达408个，法国个，法国EDF公司公司450个水电个水电站中，有站中，有403个无人值班占个无人值班占90%。 2021/8/21 14 1.3.2国内无人值班的发展简况无人值班的发展简况 . .早期的无人值班变电站没有自动化功能。只适合不重要早期的无人值班变电站没有自动化功能。只适合不重要的的35KV变电站。变电站。 2. 20世纪世纪60年代年代，进入了远方监视的无人值班阶段进入了远方监视的无人值班阶段。 3. 20世纪世纪80年代后期年代后期，无人值班技术又上了一个台阶无人值班技术又上了一个台阶。促促进了调度自动化实用化的深入开展和电网调度管理水平进了调度自动化实用化的深入开展和电网调度管理水平的提高的提高。 4. 国家电力调度通信中心于国家电力调度通信中心于1993年年12月月28日发布了调自日发布了调自 1994 2号文件号文件关于在地区电网中实施变电站遥控和无关于在地区电网中实施变电站遥控和无人值班的意见人值班的意见。该文件明确指出实行变电站遥控和无该文件明确指出实行变电站遥控和无人值班是可行的人值班是可行的，是电网调度管理的发展方向是电网调度管理的发展方向，并明确并明确指出各单位要积极稳妥地开展此项工作指出各单位要积极稳妥地开展此项工作，要根据当地的要根据当地的实际情况实际情况，因地制宜因地制宜，统筹安排统筹安排，综合考虑综合考虑，做好规划做好规划，逐步实施逐步实施。根据需要有些地区可考虑新建变电站一步根据需要有些地区可考虑新建变电站一步到位到位，即按无人站设计建设即按无人站设计建设，尤其是地区变电站尤其是地区变电站 。该文该文件对全国无人值班变电站的建设起了很大的推动作用件对全国无人值班变电站的建设起了很大的推动作用。 2021/8/21 15 1.3.31.3.3 变电站实现无人值班的目的和意义变电站实现无人值班的目的和意义 (1) 国民经济发展形势的需要国民经济发展形势的需要 不仅发达地区不仅发达地区、人口密集经济发展的地区需要发展人口密集经济发展的地区需要发展无人值班变电站；人口密度少无人值班变电站；人口密度少、经济不甚发达的边远经济不甚发达的边远地区地区，发展无人值班也很重要发展无人值班也很重要。 (2) 提高运行的可靠性提高运行的可靠性，减少误操作率减少误操作率。 (3) 提高经济效益和劳动生产率提高经济效益和劳动生产率 (4) 降低变电站建设成本降低变电站建设成本 。 2021/8/21 16 1.3.4 1.3.4 变电站综合自动化全面提高无人值变电站综合自动化全面提高无人值班变电站的技术水平班变电站的技术水平 （1）提高了变电站的安全提高了变电站的安全、可靠运行水平可靠运行水平。 （2）提高电力系统的运行提高电力系统的运行、管理水平和技术水平管理水平和技术水平 （3）缩小变电站占地面积缩小变电站占地面积，降低造价降低造价，减少总投减少总投资资。 （4）提高供电质量提高供电质量，提高电压合格率提高电压合格率，降低电能降低电能损耗损耗。 （5）减少维护工作量。由于综合自动化系统中的）减少维护工作量。由于综合自动化系统中的 微机保护装置和自动装置，都具有故障自诊断功微机保护装置和自动装置，都具有故障自诊断功能，装置内部有故障，能自动显示故障部位，缩能，装置内部有故障，能自动显示故障部位，缩短了维修时间短了维修时间 。 2021/8/21 17 第2章 变电站自动化系统的基本功能 2.1 变电站自动化系统的内涵 2.2 监控子系统 2.3 继电保护子系统 2.4 电能量计量子系统 2.5 自动控制子系统 2.6 谐波分析与监视功能 2.7 变电站综合自动化系统的通信功能 2.8 变电站综合自动化系统的特点 2021/8/21 18 2.1 变电站自动化系统的内涵(1) 20世纪 80年代和年代和90年代中期年代中期，国内都把上述功能的系统称国内都把上述功能的系统称为变电站综合自动化系统为变电站综合自动化系统，以区别于只有局部功能的自动化以区别于只有局部功能的自动化。国外发表的文章也称国外发表的文章也称“综合自动化综合自动化”，或一体化的变电站控制或一体化的变电站控制与保护与保护。 国际电工委员会国际电工委员会（IEC）根据国际上变电站自动化系统发根据国际上变电站自动化系统发展的情况展的情况，于于1997年国际大电网会议年国际大电网会议（CIGRE）WG 34.03工工作组在作组在“变电站内数据流的通信要求变电站内数据流的通信要求”报告中报告中，提出了提出了“变电变电站自动化站自动化”（SA，Substation Automation）和和“变电站自动变电站自动化系统化系统”（SAS，Substation Automation System）两个名词两个名词。此名词被国际电工委员会的此名词被国际电工委员会的TC 57技术委员会技术委员会（即电力系统通即电力系统通信和控制技术委员会信和控制技术委员会）在制定的在制定的IEC 61850（即变电站通信网即变电站通信网络和系统络和系统）标准中采纳标准中采纳。我国从我国从20世纪世纪80年代中年代中、后期以来后期以来，习惯称之为习惯称之为“变电站综合自动化变电站综合自动化”和和“变电站综合自动化系变电站综合自动化系统统”。 在在IEC 61850变电站通信网络标准中变电站通信网络标准中，对变电站自动化系对变电站自动化系统统（SAS）的定义为：变电站自动化系统就是在变电站内提供的定义为：变电站自动化系统就是在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化包括通信基础设施在内的自动化。 2021/8/21 19 2.1 变电站综合自动化的内涵变电站综合自动化的内涵(2) 2000年中国电力出版社出版的年中国电力出版社出版的变电站综合自动术变电站综合自动术一书中指出了变电站综合自动化的含义是将变电站的二一书中指出了变电站综合自动化的含义是将变电站的二次设备次设备（包括测量仪表包括测量仪表、信号系统信号系统、继电保护继电保护、自动装自动装置和远动装置等置和远动装置等）经过功能的重新组合和优化设计经过功能的重新组合和优化设计，利利用先进的计算机技术用先进的计算机技术、现代电子技术现代电子技术、信号处理技术和信号处理技术和通信技术通信技术、实现对全变电站的主要设备和输实现对全变电站的主要设备和输、配电线路配电线路的自动监视的自动监视、测量测量、自动控制和微机保护自动控制和微机保护，以及与调度以及与调度通信等综合性的自动化功能通信等综合性的自动化功能。变电站自动化系统变电站自动化系统，是利是利用多台微型计算机用多台微型计算机（包括单片机等包括单片机等）和大规模集成电路和大规模集成电路组成的分级分布式的自动化系统组成的分级分布式的自动化系统，它以微计算机为基础它以微计算机为基础，实现对变电站传统的继电保护实现对变电站传统的继电保护、测量手段测量手段、控制方式以控制方式以及通信和管理模式的全面改造及通信和管理模式的全面改造。变电站综合自动化系统变电站综合自动化系统具有功能综合化具有功能综合化、结构微机化结构微机化、操作监视屏幕化操作监视屏幕化、运行运行管理智能化管理智能化、通信网络化等特征通信网络化等特征。 2021/8/21 20 2.2 监控子系统监控子系统 2.2.1 数据采集 2.2.2 模拟量的采样方式 2.2.3 数据采集途径 2.2.4 安全监控功能 2.2.5 操作与控制功能 2.2.6 人机联系功能 2.2.7 运行记录功能 2.2.8 对时功能 2021/8/21 21 2.2.1 数据采集内容 （1 1）模拟量的采集）模拟量的采集 （2）开关量的采集开关量的采集 （3 3）事件顺序记录事件顺序记录（SOESOE） （4 4）电能量的采集电能量的采集 2021/8/21 22 2.2.22.2.2 模拟量的采样方式模拟量的采样方式 * *电力系统和电厂电力系统和电厂、变电站中的模拟量有三种类型变电站中的模拟量有三种类型。 * *采样方式采样方式: :一般可分为直流采样和交流采样两种类型一般可分为直流采样和交流采样两种类型。 1 1. . 直流采样直流采样 直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量先转换成直直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量先转换成直流电压信号流电压信号，再送至再送至A AD D转换器进行转换；即转换器进行转换；即A AD D转换器转换器采样的模拟量为直流信号采样的模拟量为直流信号。 2 2. . 交流采样交流采样 交流采样是相对直流采样而言交流采样是相对直流采样而言，即指对交流电流和交流即指对交流电流和交流电压采集时电压采集时，输入至输入至A AD D转换器的是与电力系统的一次电转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率流和一次电压同频率，大小成比例的交流电压信号大小成比例的交流电压信号。如下如下页图页图2 2. .1 1。 在交流采样方式中在交流采样方式中，对于有功功率和无功功率对于有功功率和无功功率，是是通过采样所得到的通过采样所得到的u u，i i , ,计算出计算出P P，Q Q。 2021/8/21 23 图图2.1 2.1 交流电压电流输入通道结构框图交流电压电流输入通道结构框图 （a a）电压输入通道）电压输入通道 （b b）电流输入通道）电流输入通道 2021/8/21 24 2.2.2.3 2.2.2.3 两种采样方式的比较两种采样方式的比较 1 1直流采样的特点直流采样的特点 2 2交流采样的主要特点交流采样的主要特点 2.2.2.4 2.2.2.4 采样定理采样定理 一个随时间连续变化的物理量一个随时间连续变化的物理量f(t)f(t)，如图，如图2.22.2（a a），），经过采样后，得到一系列的脉冲序列经过采样后，得到一系列的脉冲序列f*(t)f*(t)，它是离散的信号，它是离散的信号，被称为采样信号，如图被称为采样信号，如图2.2(c) 2.2(c) 。 根据香农（根据香农（ShannonShannon）定理：如果随时间变化的模拟信）定理：如果随时间变化的模拟信号（包括噪声干扰在内）的最高频率为号（包括噪声干扰在内）的最高频率为f fmaxmax，只要按照采样频，只要按照采样频率率f2 ff2 fmaxmax进行采样，那么所给出的样品系列进行采样，那么所给出的样品系列, ,，就足以代就足以代表（或恢复）表（或恢复）f(t)f(t)了，实际应用中常采用了，实际应用中常采用f(5f(510)f10)fmaxmax。 2021/8/21 25 图图 2 2. .2 2 采样过程采样过程 2021/8/21 26 2.2.32.2.3 安全监控功能安全监控功能 1.对采集的模拟量不断进行越限监视对采集的模拟量不断进行越限监视，如如发现越限发现越限，立刻发出告警信息立刻发出告警信息，同时记同时记录和显示越限时间和越限值录和显示越限时间和越限值，并将越限并将越限情况远传给调度中心或控制中心情况远传给调度中心或控制中心。 2 2. .对微机保护装置和其它各种自动装置的对微机保护装置和其它各种自动装置的工作状态进行监视工作状态进行监视。 3 3. . 将监视结果及时传送给调度中心将监视结果及时传送给调度中心，并接并接收和执行调度中心下达的各种命令收和执行调度中心下达的各种命令。 2021/8/21 27 2.2.4 2.2.4 操作与控制功能操作与控制功能 无论当地操作或远方操作无论当地操作或远方操作，都应有防误操作的都应有防误操作的闭锁措施闭锁措施。 断路器的操作闭锁应包括以下内容断路器的操作闭锁应包括以下内容: : ( (1 1）断路器操作时断路器操作时，应闭锁重合闸；应闭锁重合闸； （2 2）当地进行操作和远方控制操作当地进行操作和远方控制操作，要互相要互相闭锁闭锁。 （3 3）根据实时信息根据实时信息，自动实现断路器与隔离自动实现断路器与隔离开关必要的闭锁操作开关必要的闭锁操作。 ( (4 4) )其他其他 2021/8/21 28 2.2.52.2.5 人机联系功能人机联系功能 1. .人机联系桥梁：显示器人机联系桥梁：显示器、鼠标和键盘鼠标和键盘。 2CRT或液晶显示器显示画面的内容或液晶显示器显示画面的内容 （1 1）显示采集和计算的实时运行参数显示采集和计算的实时运行参数 （2 2）显示实时主接线图显示实时主接线图 （3 3）事件顺序记录事件顺序记录（SOE） （4 4）越限报警显示越限报警显示 （5 5）值班记录显示值班记录显示 （6 6）历史趋势显示历史趋势显示 （7 7）保护定值和自控装置的设定值显示保护定值和自控装置的设定值显示。 （8 8）其它：故障记录显示其它：故障记录显示、设备运行状况显示等设备运行状况显示等。 3. 输入数据输入数据 （1 1）TA、TV变比变比 （2 2）保护定值和越限报警定值保护定值和越限报警定值 （3 3）自控装置的设定值自控装置的设定值 （4 4）运行人员密码运行人员密码 2021/8/21 29 2.2.62.2.6 运行记录功能运行记录功能 对于有人值班的变电站，监控系统可以配备打印机，完成以下对于有人值班的变电站，监控系统可以配备打印机，完成以下打印记录功能打印记录功能: : 定时打印报表和运行日志；定时打印报表和运行日志； 开关操作记录打印；开关操作记录打印； 事件顺序记录打印；事件顺序记录打印； 越限打印；越限打印； 召唤打印；召唤打印； 抄屏打印；抄屏打印； 事故追忆打印。事故追忆打印。 对于无人值班变电站，可不设当地打印功能，各变电站的运行对于无人值班变电站，可不设当地打印功能，各变电站的运行 报表，集中在控制中心打印输出。报表，集中在控制中心打印输出。 2.2.72.2.7 对时功能对时功能 配备配备GPSGPS卫星同步时钟装置、与调度统一时钟。卫星同步时钟装置、与调度统一时钟。 2021/8/21 30 2.3 微机保护子系统微机保护子系统 2.3.1 继电保护的基本任务继电保护的基本任务 2.3.2 对继电保护对继电保护的基本要求的基本要求 2.3.3 微机保护子系统内容微机保护子系统内容 2.3.4 微机保护的优越性微机保护的优越性 2021/8/21 31 2.3.1 继电保护的基本任务继电保护的基本任务 （1）有选择性地将故障元件从电力系统中快速有选择性地将故障元件从电力系统中快速、自动地切除自动地切除，使其损坏程度减至最轻使其损坏程度减至最轻，并保证并保证最大限度地迅速恢复系统中无故障部分的正常最大限度地迅速恢复系统中无故障部分的正常运行运行。 （2）反应电气设备的异常运行工况反应电气设备的异常运行工况，根据运行根据运行维护的具体条件和设备的承受能力维护的具体条件和设备的承受能力，发出报警发出报警信号信号，减负荷或延时跳闸信号减负荷或延时跳闸信号。 （3）根据实际情况根据实际情况，尽快自动恢复停电部分的尽快自动恢复停电部分的供电供电。 2021/8/21 32 2.3.2 对微机保护子系统要求对微机保护子系统要求 （1）满足可靠性、选择性、快速性、灵敏性）满足可靠性、选择性、快速性、灵敏性的要求的要求 （2）软、硬件结构要相对独立；它的工作不软、硬件结构要相对独立；它的工作不受监控系统和其它子系统的影响。受监控系统和其它子系统的影响。 （3）具有故障记录功能）具有故障记录功能 （4）察看）察看和授权修改保护整定值和授权修改保护整定值方便方便 （5 5）具有具有故障自诊断、自闭锁和自恢复功能故障自诊断、自闭锁和自恢复功能 （6）具有对时功能）具有对时功能 （7 7）具有具有通信功能和标准的通信规约通信功能和标准的通信规约。 2021/8/21 33 2.3.3 2.3.3 微机保护子系统的内容微机保护子系统的内容 在变电站综合自动化系统中在变电站综合自动化系统中，微机保护应包括全微机保护应包括全变电站主要设备和输变电站主要设备和输、配电线路的全套保护配电线路的全套保护。 2.3.4. 微机保护优越性微机保护优越性 （1）灵活性强灵活性强 （2）稳定性好）稳定性好 （3）利用微机的记忆功能，可改善保护性能）利用微机的记忆功能，可改善保护性能 （4）体积小，功能全。）体积小，功能全。 2021/8/21 34 2.4 2.4 电能量计算子系统电能量计算子系统 电能量包括有功电能和无功电能电能量包括有功电能和无功电能。电电能量的采集和管理是变电站综合自动系能量的采集和管理是变电站综合自动系统的重要组成部分统的重要组成部分。 2.4.1 电能计量装置的发展历程电能计量装置的发展历程 2.4.2 变电站自动化系统对电能量计量变电站自动化系统对电能量计量 系统的管理模式系统的管理模式 2021/8/21 35 2.4.12.4.1 电能计量装置的发展历程电能计量装置的发展历程 2.4.1.1 机械式的电能表机械式的电能表 电能表的出现和发展已有电能表的出现和发展已有100多年的历史了多年的历史了。大家最大家最熟悉的感应式电能表熟悉的感应式电能表。 2.4.1.2 机电式电能表机电式电能表 为了解决计算机能对电能量进行采集与处理为了解决计算机能对电能量进行采集与处理，最最简单的方法是利用电子技术与传统的感应式电能是相简单的方法是利用电子技术与传统的感应式电能是相结合结合，即对原来感应式的电能表加以改造即对原来感应式的电能表加以改造。 2.4.1.3 电子式电能表电子式电能表 由硬件乘法器完成对由硬件乘法器完成对u ,i相乘得到功率的测量相乘得到功率的测量，由于它由于它没有传统的电能表上的旋转机构没有传统的电能表上的旋转机构，因此又被称为静止因此又被称为静止电能表或固态电能表电能表或固态电能表。 2021/8/21 36 2.4.1.4 微机型电能表微机型电能表 按其原理分，主要有两大类型。按其原理分，主要有两大类型。 （1）利用单片机或）利用单片机或DSP（数字信号处理器）为核心，利用高精度的数字信号处理器）为核心，利用高精度的A/D转换器和采样保持器，采集转换器和采样保持器，采集u和和i , 通过软件计算通过软件计算P、Q，以及，以及 kWHkWH和和 kVarHkVarH等量。等量。 （2）采用专用的电能芯片和单片机构成的数字电能表）采用专用的电能芯片和单片机构成的数字电能表 这些电能计量专用芯片内含有这些电能计量专用芯片内含有16位、位、18位的高分辨率位的高分辨率A/D转换器，因转换器，因此计量准确度高。此计量准确度高。 2.4.1.5 几种特殊功能的新型电能表几种特殊功能的新型电能表 （1 1）具有电能计量综合误差自动跟踪补偿功能的多功能电能表）具有电能计量综合误差自动跟踪补偿功能的多功能电能表 （2 2） 基波电能表基波电能表 (3(3） 多功能视在电能表多功能视在电能表 2.4.1.6 软件计算电能量软件计算电能量 2021/8/21 37 2.4.2 变电站自动化系统对电能量计量系变电站自动化系统对电能量计量系统的管理模式统的管理模式 2.4.2.1 设置专用电能质量管理机设置专用电能质量管理机 2.4.2.2 串行接口管理模式串行接口管理模式 一般新建的变电站或一般新建的变电站或220kV及以上变电站及以上变电站，多采用多采用微机型电能表微机型电能表，它们一般都具有它们一般都具有RS 232/RS 485串行通串行通信接口信接口，因此可直接将这些电能表利用屏蔽双绞线或因此可直接将这些电能表利用屏蔽双绞线或同轴电缆组成同轴电缆组成RS 485网络网络。监控机可直接通过串口与监控机可直接通过串口与电能表的电能表的485网相联接网相联接，对电能计量进行管理对电能计量进行管理。 2.4.2.3 现场总线网络管理模式现场总线网络管理模式 上述串行接口模式接口简单，投资少，但一个上述串行接口模式接口简单，投资少，但一个RS 485网能联接的电能表有限。对于规模较大的变电站，网能联接的电能表有限。对于规模较大的变电站，监控机可以通过现场总线网络，管理各电能表。监控机可以通过现场总线网络，管理各电能表。 2021/8/21 38 2.5 2.5 自动控制子系统自动控制子系统 2.5.1 变电站的电压变电站的电压、无功综合控制无功综合控制 2.5.2 备用电源自投控制备用电源自投控制 2.5.3 低频减负荷控制低频减负荷控制 2021/8/21 39 2.5.1 变电站的电压无功综合控制变电站的电压无功综合控制 2.5.1.1 电压、无功综合控制的重要性电压、无功综合控制的重要性 2.5.1.2 电压、无功综合控制目标电压、无功综合控制目标 （1）维持供电电压在规定的范围内）维持供电电压在规定的范围内 500kV(330kV)变电站的变电站的220kV母线母线 正常时，正常时，0 +10%；事故时，；事故时，-5%+10%。 220kV变电站的变电站的35 110kV母线母线 正常时，正常时，-3% +7%；事故时，；事故时， 10%。 配电网的配电网的10kV母线，电压合格范围：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）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 原则原则 （3）电压、无功综合控制的手段）电压、无功综合控制的手段 调分接头位置调分接头位置 控制无功补偿设备控制无功补偿设备 两者综合考虑两者综合考虑 2021/8/21 40 2.5.1.3变电站电压、无功综合控制的原理 MVR型自控装置实现电压、无功综合控制的基本原理 （1）根据 （1） 调整分接头位置，即改变变比Kn，使UL -ULN = min nABKUUnABKUUnABKUU2021/8/21 41 )()()()(222222rsBCBBTSBCBBSxxUQQRjRRUQQPS （2）改变无功补偿，如图2.1所示的网络，高压网络上的损耗（包括变压器损耗）为 )()()()(222222rsBCBBTSBCBBSxxUQQRjRRUQQPSBTSCBTSBSBUXXQQRRPUU)()(BTSCBTSBSBUXXQQRRPUU)()(BTSCBTSBSBUXXQQRRPUU)()(BTSCBTSBSBUXXQQRRPUU)()(BTSCBTSBSBUXXQQRRPUU)()(BTSCBTSBSBUXXQQRRPUU)()(BTSCBTSBSBUXXQQRRPUU)()(BTSCBTSBSBUXXQQRRPUU)()(BTSCBTSBSBUXXQQRRPUU)()(BTSCBTSBSBUXXQQRRPUU)()( 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. ）。 2021/8/21 42 2.5.1.4 电力系统的电压、无功综合控制的电力系统的电压、无功综合控制的方式方式 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 2.5.1.5微机电压、无功综合控制装置硬件结构 2021/8/21 43 2.5.1.5 MVR-III型微机电压、无功综合控制装置硬件结构 2021/8/21 44 2.5.2 低频减负荷控制低频减负荷控制 1. 电力系统发生频率偏移原因电力系统发生频率偏移原因 2. 电力系统频率降低危害电力系统频率降低危害 3. 低频减负荷的控制方式低频减负荷的控制方式 根据配电线路所供负荷的重要程度，分为基本级和根据配电线路所供负荷的重要程度，分为基本级和特殊级两大类。一般低频减载装置基本级可以设定特殊级两大类。一般低频减载装置基本级可以设定5轮轮或或8轮轮。 4. 低频减负荷的实现方法低频减负荷的实现方法 采用专用的低频减载装置采用专用的低频减载装置 在线路保护装置中，增加低频切负荷功能在线路保护装置中，增加低频切负荷功能 2021/8/21 45 5 对低频减载装置的基本要求对低频减载装置的基本要求 (1) 能在各种运行方式且功率缺额的情况下，能在各种运行方式且功率缺额的情况下，有计划的切除负荷，有效地防止系统频率下降有计划的切除负荷，有效地防止系统频率下降危险点以下。危险点以下。 (2)切降的负荷应尽可能少，应防止超调和悬停切降的负荷应尽可能少，应防止超调和悬停现象。现象。 (3)变电站的馈电线路故障或变压器跳闸造成失变电站的馈电线路故障或变压器跳闸造成失压时，低频减载装置应可靠闭锁，不应误动。压时，低频减载装置应可靠闭锁，不应误动。 (4)电力系统发生低频振荡或谐谐波干扰时，不应电力系统发生低频振荡或谐谐波干扰时，不应误动误动。 2021/8/21 46 2.5.32.5.3 备用电源自投控制备用电源自投控制 备用电源自投控制是当电力系统故障备用电源自投控制是当电力系统故障或其它原因导致工作电源消失时，将备或其它原因导致工作电源消失时，将备用电源迅速投入，以恢复对系统的供电，用电源迅速投入，以恢复对系统的供电，因此备用电源自动投入是保证配电系统因此备用电源自动投入是保证配电系统连续可靠供电的重要措施。在变电站中，连续可靠供电的重要措施。在变电站中，常用的备自投控制有进线备自投、母联常用的备自投控制有进线备自投、母联备自投和备用变压器自投等。备自投和备用变压器自投等。 2021/8/21 47 2.6 2.6 谐波分析与监视功能谐波分析与监视功能 2.6.1 正弦波形畸变指标正弦波形畸变指标 2.6.2 谐波源分析谐波源分析 2.6.3 电力系统谐波监测方法电力系统谐波监测方法 2.6.4 电力系统中谐波的抑制电力系统中谐波的抑制 2021/8/21 48 为定量表示电力系统正弦波形的畸变程度为定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总量大小表示电压采用以各次谐波含量及谐波总量大小表示电压和电流波形的畸变指标和电流波形的畸变指标。 我国谐波国家标准我国谐波国家标准电能质量电能质量 公用电网公用电网谐波谐波（GB/T 14549GB/T 145499393）规定我国公用电网）规定我国公用电网谐波电压的允许值见表谐波电压的允许值见表2 2- -1 1。 2.6.12.6.1 正弦波形畸变指标正弦波形畸变指标 2021/8/21 49 表表2 2- -1 1 公用电网谐波电压（相电压）的允许值公用电网谐波电压（相电压）的允许值 电压标称电压电压标称电压（KV） 电压总畸变率电压总畸变率（%） 各次谐波含有率（各次谐波含有率（100%） 奇次奇次 偶次偶次 0.38 5.0 4.0 2.0 6 4.0 3.2 1.6 10 35 3.0 2.4 1.2 66 110 2.0 1.6 0.8 2021/8/21 50 2.6.22.6.2 谐波源分析谐波源分析 电网谐波主要来自两大方面：一是输配电系统产生谐波；二是用电设备产电网谐波主要来自两大方面：一是输配电系统产生谐波；二是用电设备产生谐波生谐波。 （1 1）电网的主变压器和配电变压器电网的主变压器和配电变压器 配电变压器中励磁电流的谐波含量与硅钢片的材料有关配电变压器中励磁电流的谐波含量与硅钢片的材料有关。如表如表2.2所示所示。 （2）电气化铁路电气化铁路 电力机车是大谐波源电力机车是大谐波源，又是单相大负荷又是单相大负荷，造成三相负荷不平衡造成三相负荷不平衡。 （3） 电弧炼钢炉电弧炼钢炉 炼钢炉电弧电流不规则地急剧变化炼钢炉电弧电流不规则地急剧变化，使电流波形产生严重畸变使电流波形产生严重畸变，引起电引起电网电压波形严重畸变网电压波形严重畸变。 （4 4） 家用电器家用电器 家用电器如收音机家用电器如收音机、电视机电视机、电风扇电风扇、空调等都会产生谐波空调等都会产生谐波，彩色电视彩色电视机产生的谐波比黑白电视机更严重机产生的谐波比黑白电视机更严重，主要是主要是3，5，7，9次谐波次谐波。 （5）晶体管整流设备晶体管整流设备 晶闸管整流设备在工矿企业越来越广泛应用晶闸管整流设备在工矿企业越来越广泛应用，给电网造成大量的谐波给电网造成大量的谐波。 （6） 变频装置变频装置 2021/8/21 51 谐波次谐波次数数 HR In% 热轧硅钢片热轧硅钢片 冷轧硅钢片冷轧硅钢片 1 100 100 3 1555 145050 5 32525 102525 7 21010 51010 9 0.52 2 36 6 11 1 13 3 表表2.2 配电变压器励磁电流中的配电变压器励磁电流中的HR In。 2021/8/21 52 表2.3 电视机产生的HR In 电视机类别电视机类别 HRI1 HRI3 HRI5 HRI7 HRI9 HRI11 HRI12 彩色彩色 100 87.9 68.3 45.2 25.5 6.8 122.6 黑白黑白 100 89.1 16.9 2.1 2.1 1.2 90.7 2021/8/21 53 2.6.3 2.6.3 谐波的危害谐波的危害 严重的谐波电流和谐波电压对电力系统本身的发输严重的谐波电流和谐波电压对电力系统本身的发输电设备电设备、对接入电力系统的用电设备都产生不良的影对接入电力系统的用电设备都产生不良的影响响，甚至影响电力系统的自动装置甚至影响电力系统的自动装置、继电保护装置和继电保护装置和测量装置的正常工作测量装置的正常工作。 （1 1） 谐波对交流电机的危害谐波对交流电机的危害 （2 2）谐波对变压器和输电线路的危害谐波对变压器和输电线路的危害 （3 3） 谐波对电容补偿装置的危害谐波对电容补偿装置的危害 （4 4） 谐波对继电保护和自动控制的干扰谐波对继电保护和自动控制的干扰 （5 5） 谐波影响计量仪表与检测仪表误差增大谐波影响计量仪表与检测仪表误差增大。 （6 6） 谐波对通信系统的影响谐波对通信系统的影响。 2021/8/21 54 2.6.42.6.4 电力系统谐波的监测电力系统谐波的监测 谐波监测是研究分析谐波问题和研究对谐波治理和抑谐波监测是研究分析谐波问题和研究对谐波治理和抑制的主要依据制的主要依据。 （1 1） 谐波监测的主要目的谐波监测的主要目的 （2 2） 谐波监测点的选择谐波监测点的选择 （3 3） 谐波的测量谐波的测量 基于傅里叶变换的谐波测量是当今应用最广泛基于傅里叶变换的谐波测量是当今应用最广泛的一种方法的一种方法。 2021/8/21 55 2.6.52.6.5 电力系统中谐波的抑制电力系统中谐波的抑制 2 2. .6 6. .5 5. .1 1 合理利用电气设备抑制谐波合理利用电气设备抑制谐波 对谐波源本身采取措施对谐波源本身采取措施，使其少产生或不产生谐波使其少产生或不产生谐波，从源头上加以抑制从源头上加以抑制。 （1 1） 不断提高发电机设计制造质量不断提高发电机设计制造质量，从发电源头上减少从发电源头上减少谐波；谐波； （2 2）电力变压器的绕组尽可能采用电力变压器的绕组尽可能采用D D，y y或或Y Y ,d,d 接法接法，可有效抑制可有效抑制3 3的倍数的谐波流入电网；的倍数的谐波流入电网； （3 3）在变电站装设的无功补偿电容器上在变电站装设的无功补偿电容器上，采用串联一定采用串联一定比例的电抗器的方法比例的电抗器的方法，以抑制以抑制3 3，5 5，7 7次谐波；次谐波； 2021/8/21 56 2.6.5.2 利用交流滤波器抑制谐波 （1 1）交流无源滤波器）交流无源滤波器 目前所采用的交流滤波装置是利用R、L、C电路对某次谐波频率串联谐振的原理，使其对特定频率的谐波呈零阻抗，从而阻止该次谐波注入电网。交流滤波器对基波呈容性，兼有无功补偿作用。 （2 2) ) 有源电力滤波器有源电力滤波器 有源电力滤波器APF（Active Power Filter）安装于谐波源处，它是可动态补偿谐波、无功功率的电力电子装置，它的基本原理是实时地检测APF安装处的谐波和无功功率，然后产生一个与该谐波电流（或电压）和无功功率方向相反的谐波电流（或电压）与无功功率，注入电网，使电网只含有基波分量，达到对谐波和无功功率实时检测和补偿的目的。 2021/8/21 57 2.7 变电站综合自动化系统的通信功能 (1)综合自动化系统的现场级通信 主要解决自动化系统内部各子系统与上位机（监控主机）间的数据通信和信息交换问题。 (2)自动化系统与上级调度通信 综合自动化系统必须兼有RTU的全部功能，应该能够将所采集的模拟量和开关状态信息，以及事件顺序记录等远传至调度端；同时应该能接收调度端下达的各种操作、控制、修改定值等命令。即完成新型RTU等全部四遥功能。 通信规约必须符合部颁的规定。目前最常用的有IEC60870 101/103/104和CDT等规约。 2021/8/21 58 2.8 变电站综合自动化系统的特点变电站综合自动化系统的特点 2.8.1 功能综合化功能综合化 2.8.2 分级分布式、微机化的系统结构分级分布式、微机化的系统结构 2.8.3 测量显示数字化测量显示数字化 2.8.4 操作监示屏幕化操作监示屏幕化 2.8.5 运行管理智能化运行管理智能化 总之，变电站实现综合自动化，可以全面提高变电站的技术水平和运行管理水平，使其能适应现代化的大电力系统运营的需要。 2021/8/21 59 第第3章章 变电站自动化系统的结构变电站自动化系统的结构 3.1 概述 3.1.1 变电站自动化系统的分层和逻辑接口 3.1.2 变电站的智能电子设备 3.2 自动化系统的硬件结构模式 3.3 变电站综合自动化技术的发展方向 2021/8/21 60 3.1.1 变电站自动化系统的分层和逻辑接口变电站自动化系统的分层和逻辑接口 国际电工委员会（IEC）TC 57技术委员会（电力系统控制和通术委员会）在制定IEC 61850（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19建立通信，如图3.1所示。 2021/8/21 61 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2021/8/21 62 （1 1）过程层（）过程层（Process level）功能）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 2）间隔层（）间隔层（Bay level）功能）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(3）变电站层（）变电站层（Station level） 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： 2021/8/21 63 3.1.2 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 （ Intelligent Electronic Devices）。IEC 61850 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）。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。 2021/8/21 64 3.23.2 自动化系统的硬件结构模式自动化系统的硬件结构模式 3.2.1 集中式的综合自动化系统 3.2.2 分层（级）分布式系统集中组屏的结 构模式 3.2.3 分布分散式与集中相结合的自动化系 统结构模式 3.2.4 分布分散式的变电站自动化系统结构模式 2021/8/21 65 3.2.1 3.2.1 集中式结构集中式结构 打印机显示器键盘监控主机电能计量微机保护电压无功控制输出接口输入接口输出接口输入接口输入接口 输出接口测量TATV保护动作出口主变保护TATV各线路保护TATV电容器TATV断路器位置输入主变测量TATV各变分头位置电容器开关位置分头控制信号电容器控制信号测量TVTA开关状态输入保护动作信息输入信号输出监控机动作通信控制器调制解调器调度（控制）中心站级层间隔层现场层2021/8/21 66 3.2.2 分层分布式系统集中组屏的结构模式（1） 分层分布式自动化系统的功能在逻辑上仍可分为程层、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。 2021/8/21 67 3.2.2 分层分散式与集中组屏相结合的结构（分层分散式与集中组屏相结合的结构（2） 图2.1 分级分布式系统集中组屏的自动化系统结构框图(一) 2021/8/21 68 3.2.4 分布分散式的变电站自动化系统结构模式分布分散式的变电站自动化系统结