變電站綜合自動化微機繼電保護研究

胡寅，王軍

(宿遷市泗陽縣供電公司，江蘇 宿遷 223700)

1 變電站綜合自動化概述

變電站綜合自動化是將變電站的二次設(shè)備(測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等)經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設(shè)計，利用先進的計算機技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技術(shù)，實現(xiàn)對全變電站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動監(jiān)視、測量、自動控制和微機保護、調(diào)度通信等綜合自動化功能的計算機監(jiān)控系統(tǒng)［1］。變電站綜合自動化系統(tǒng)具有功能綜合化、結(jié)構(gòu)微機化、操作監(jiān)視屏幕化、運行管理智能化等特征，它的出現(xiàn)為變電站的小型化、智能化、擴大控制范圍及變電站安全可靠、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟運行提供了現(xiàn)代化手段和基礎(chǔ)保證。

2 變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型

變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示?！皵?shù)據(jù)采集和控制”、“繼電保護”、“直流電源系統(tǒng)”三大塊構(gòu)成變電站自動化基礎(chǔ)?！巴ㄐ趴刂乒芾怼笔菢蛄海?lián)系變電站內(nèi)部各部分之間、變電站與調(diào)度控制中心之間使其相互交換數(shù)據(jù)。“變電站主計算機系統(tǒng)”對整個綜合自動化系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)、管理和控制，并向運行人員提供變電站運行的各種數(shù)據(jù)、接線圖、表格等畫面，使運行人員可遠方控制斷路器分、合操作，還提供運行和維護人員對自動化系統(tǒng)進行監(jiān)控和干預(yù)的手段。

變電站綜合自動化系統(tǒng)的組成在結(jié)構(gòu)形式上主要可分為集中式、分布集中式、集中和分散結(jié)合式、分散式四種［2］。

圖1 變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.1 集中式變電站綜合自動化系統(tǒng)

集中式變電站綜合自動化系統(tǒng)是按功能要求配置相應(yīng)的繼電保護裝置及遠動裝置并安裝在變電站的中央控制室內(nèi)。變壓器、各進出線及其他電氣設(shè)備的運行狀態(tài)通過CT、PT、開關(guān)輔助觸點由電纜傳送到變電站的中央控制室的保護裝置和遠動裝置內(nèi)，經(jīng)初步處理后送到I/O通信控制器進行數(shù)據(jù)格式的變換(規(guī)約轉(zhuǎn)換)，并將變電站所有保護、測量、信號和控制信息統(tǒng)一處理，與當(dāng)?shù)氐暮笈_機和遠方調(diào)度中心進行信息交換。此種方式實際上是現(xiàn)有微機保護與微機遠動的系統(tǒng)集成，但其組屏多，占地面積大，而且需敷設(shè)大量電纜，投資和工程量大，應(yīng)用會越來越少。

2.2 分布式(分散式)綜合自動化系統(tǒng)

分布式綜合自動化系統(tǒng)按回路進行設(shè)計，每一個開關(guān)柜上或其他一次設(shè)備上就地安裝微機保護單元和單回路的數(shù)采/監(jiān)控單元，故開關(guān)和其他一次設(shè)備與單回路的數(shù)采/監(jiān)控單元和微機保護單元在同一柜內(nèi)，可免去大量的電纜聯(lián)接，同時也提高了抗干擾能力，它無須再設(shè)置繼電保護和遠動裝置屏，大大減化了二次設(shè)備，并減小了占地面積［3］。故分布式變電站綜合自動化系統(tǒng)自問世以來，顯示出強大的生命力。

2.3 分布集中式綜合自動化系統(tǒng)

分布集中式綜合自動化系統(tǒng)將整個變電站的一、二次設(shè)備分為3層，即變電站層、單元層和設(shè)備層。變電站層稱為2層，單元層為1層，設(shè)備層為0層。變電站綜合自動化系統(tǒng)主要位于1層和2層。單元層一般按斷路器間隔劃分，具有測量、控制部件或繼電保護部件，它本身由各種不同的單元裝置組成，這些獨立的單元裝置直接通過局域網(wǎng)絡(luò)或串行總線與變電站層聯(lián)系;也可能設(shè)有數(shù)采管理機或保護管理機，分別管理各測量、監(jiān)視單元和各保護單元，然后集中由數(shù)采管理機和保護管理機與變電站層通信。變電站層設(shè)現(xiàn)場總線或局域網(wǎng)，供各主機之間和監(jiān)控主機和單元層之間交換信息。

2.4 集中與分散結(jié)合式綜合自動化系統(tǒng)

集中與分散結(jié)合式綜合自動化系統(tǒng)按每個電網(wǎng)元件(如:一條出線，一臺變壓器、一組電容器等)為對象，集測量、保護、控制為一體，設(shè)計在同一機箱中。至于高壓線路保護裝置和變壓器保護裝置，仍可采用集中組屏安裝在主控室內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)方式介于集中式與分散式兩種結(jié)構(gòu)之間，形式較多。其具有分散式結(jié)構(gòu)的全部優(yōu)點，因為中低壓變電站的一次設(shè)備比較集中，所以此種結(jié)構(gòu)方式比較適用于中低壓變電站。

現(xiàn)在分散式(分布式)變電站綜合自動化系統(tǒng)是以后發(fā)展的趨勢。

3 傳統(tǒng)變電站監(jiān)控保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為傳統(tǒng)變電站監(jiān)控保護系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)及其設(shè)備狀態(tài)的信息示意圖［4，5］。這里僅以變電站一部分主接線方案來表示一次設(shè)備與其信息處理系統(tǒng)之間的連接關(guān)系。一次系統(tǒng)及主設(shè)備的信息通過傳感器變換后，一部分變換成由人的感官能接收的信息形式(如發(fā)光、音響和儀表指示)。操作員對信息進行分析、判斷和做出處理決定后，手動進行控制和操作，從而構(gòu)成一個閉合信息系統(tǒng)。信息流中的信息多數(shù)是模擬量的連續(xù)電信號，值班人員必須在控制室和現(xiàn)場經(jīng)常監(jiān)視、掌握信息變化情況。另一部分信息傳至繼電保護和自動裝置，并經(jīng)它們處理后，作用于對一次設(shè)備進行自動控制(如跳、合閘)或調(diào)節(jié)，構(gòu)成圖1中虛線所示的閉合信息系統(tǒng)和信息流。這部分信息也必須靠值班人員管理。兩部分信息流系統(tǒng)及其正常工作都是以人為核心的傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)工作模式。

圖2 傳統(tǒng)變電站監(jiān)控保護系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

變電站的傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中，信息由控制電纜傳輸，信息匯總的處理者是值班人員［6］。值班人員通過感官接收到變電站的各種信息后，按運行規(guī)程和信息的特征，憑日常的技術(shù)積累，由大腦做出處理決定，發(fā)出各種控制、調(diào)節(jié)指令，控制一次系統(tǒng)的開關(guān)與設(shè)備。

4 變電站綜合自動化微機保護功能實現(xiàn)

4.1 變電站綜合自動化微機保護的功能和特點

反映數(shù)字量的微機型保護的出現(xiàn)，在功能上除了滿足繼電保護選擇性、快速性、可靠性、靈敏性基本要求外，還具有以下功能和特點［7，8］:

4.1.1 通信功能

通信接口是微機保護用于變電站綜合自動化的必要條件，具備有RS－232，RS－422/485等標準接口。RS－232接口可以方便地轉(zhuǎn)化為光信號，方便與遠動裝置的光纖連接，結(jié)合分布式的RTU實現(xiàn)保護遠動的就地安裝，將大大節(jié)省電纜投資。RS－422/485的抗干擾能力強，且傳輸距離較長，同時可以掛網(wǎng)，使微機保護即可分散安裝也可集中組屏。一般微機保護通信規(guī)約具有基本命令和報文功能，在正常的通信行為中應(yīng)處于被動的狀態(tài)，接收來自遠方的各下行詢問命令，在發(fā)生異常及保護動作后，主動上報相關(guān)報文。

4.1.2 保護功能的遠方投切［9］

隨著變電站綜合自動化及無人值班變電站技術(shù)的發(fā)展，在遠方完成保護功能的投切顯得愈為迫切。微機保護裝置中各功能由軟件控制是否投入運行，以滿足遠方投切的要求，其功能如同常規(guī)保護所設(shè)立的連接片。這種軟件控制開關(guān)稱為軟連接片。軟連接片引入微機保護之后，此時的保護程序標準化變得易于實現(xiàn)，程序編制應(yīng)按最大考慮，對各功能模塊加設(shè)軟件連接片，用戶可根據(jù)使用環(huán)境調(diào)整軟連接片。

4.1.3 遠方整定功能

這是變電站綜合自動化系統(tǒng)中微機保護的重要特征，也是無人值班技術(shù)的基礎(chǔ)。為保證定值遠方傳輸?shù)恼_性，必須進行定值返校及修改確認。在進行遠方整定的操作過程中，保護裝置在未收到修改確認命令前應(yīng)按原定值不間斷運行，當(dāng)收到確認命令號，將新定值寫入定值區(qū)后按新定值運行。在遠方整定過程中保護始終不退出，因而提高了供電連續(xù)性及可靠性。

4.1.4 自動校時功能

信號傳輸采用數(shù)字通信方式，事件報文含發(fā)生時刻，計算機時鐘的準確是事件排序正確的基礎(chǔ)。微機保護若用于多個變電站綜合自動化系統(tǒng)，其校時方法至少應(yīng)具備兩種，即通信廣播校時及分、秒中斷校時。變電站綜合自動化主站在接到上級等時鐘信號后，對站內(nèi)所有計算機進行時鐘分校時或秒校時，保證全站所有智能設(shè)備時鐘一致，最好精確到毫秒。

4.1.5 獨立性

微機保護的發(fā)展，其硬件越來越完善，由單一CPU完成多種保護、單一CPU完成多個開關(guān)的保護，發(fā)展到現(xiàn)在單個開關(guān)保護由獨立CPU完成，微機保護的獨立性具體表現(xiàn)在以下幾個方面:保護運行與通信無關(guān);保護與測量無關(guān)，不應(yīng)將測量及遠動與保護混為一體;保護電源獨立，不與其他保護共用;保護CPU獨立。這是微機保護安全性、可靠性的基礎(chǔ)。

4.1.6 附加功能

微機保護作為變電站綜合自動化中重要一環(huán)，應(yīng)在維護與調(diào)試的便捷方面下功夫。除去正常的自檢功能外，還增設(shè)下列有關(guān)功能:

(1)采樣通道校驗功能。在校驗或檢修狀態(tài)下，保護自動顯示指定通道輸入量大小，并可方便調(diào)節(jié)校準。

(2)出口中間繼電器校驗功能。由軟件在校驗狀態(tài)下實時驅(qū)動出口回路，校驗裝置出口回路是否完好。

(3)相關(guān)狀態(tài)輸入量校驗功能(如復(fù)歸輸入、開關(guān)設(shè)置等)。校驗與狀態(tài)量有關(guān)保護功能的輸入正確性。

(4)具備較完整功能的試驗單元。通過簡單的電纜連接，可以模擬保護裝置所需故障量及開關(guān)狀態(tài)。

4.2 變電站綜合自動化微機保護系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

通常一套微機保護裝置的硬件構(gòu)成可分為五部分，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)、人機接口與通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。圖3給出了典型微機保護裝置的硬件構(gòu)成［10］。主要說明如下:

圖3 變電站綜合自動化微機保護系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(模擬量輸入系統(tǒng))的主要功能就是將由TV、TA輸入至保護裝置的電壓、電流等模擬量準確轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)字量。該部分主要包括電壓形成、模擬濾波、采樣保持、多路開關(guān)及模數(shù)轉(zhuǎn)換。

4.2.2 CPU 主系統(tǒng)

CPU主系統(tǒng)是微機保護裝置的核心，它包括中央處理單元(CPU)、只讀存儲器(一般用EPROM)、隨機存儲器(RAM)以及定時器等。保護裝置工作時，CPU執(zhí)行放在EPROM中的程序，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到信息輸入至RAM區(qū)并進行分析處理，以完成各種繼電保護功能。

4.2.3 開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)

開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)是微機保護與外部設(shè)備的聯(lián)系電路，它由若干個并行擴展芯片、光電耦合器及中間繼電器等組成。該系統(tǒng)完成各種保護的出口跳閘、信號報警、外部接點輸入等功能。

4.2.4 人機接口與通信系統(tǒng)

人機接口與通信系統(tǒng)是由液晶顯示器、鍵盤、打印機及通信芯片等組成，完成裝置調(diào)試、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、定值整定及實現(xiàn)與其他設(shè)備通信等功能。每個保護裝置都帶有標準的通信接口電路，如RS－232，RS－422/485，CAN或LONWORK等現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)接口電路。

4.2.5 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)提供整個裝置所需要的直流穩(wěn)壓電源，一般采用逆變電源將輸入的直流電源逆變成高頻交流電源再整流成為不同電壓等級的直流電源，以保證整個裝置的可靠供電。通過逆變后的供電電源具有極強的抗干擾能力，對變電站中因斷路器跳、合閘等原因引起的強干擾可完全消除掉。

5 變電站綜合自動化微機保護軟件結(jié)構(gòu)

微機保護與傳統(tǒng)繼電保護的最大區(qū)別，就在于不僅有實現(xiàn)繼電保護功能的硬件電路，而且還有實現(xiàn)保護和管理功能的軟件。

圖4給出了變電站綜合自動化常用微機保護裝置主程序流程圖。圖中初始化包括初始化(一)、初始化(二)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化三個部分:

圖4 變電站綜合自動化常用微機保護裝置主程序流程圖

初始化(一)主要是對微處理器CPU及其擴展芯片的初始化及保護輸出的開關(guān)量出口初始化，賦以正常初值，以保證出口繼電器均不動作。

初始化(二)包括采樣定時器的初始化、對RAM區(qū)中所有運行時要使用的軟件計數(shù)器及各種標志位清零等程序。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化主要指采樣值存放地址指針初始化，如果是VFC式采樣方式，則還需對可編程計數(shù)器初始化。

6 總結(jié)與展望

本文在比較分析傳統(tǒng)變電站監(jiān)控保護系統(tǒng)與變電站綜合自動化微機保護系統(tǒng)的區(qū)別基礎(chǔ)上，著重分析了變電站綜合自動化微機保護系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)與特點。通過綜合分析，未來變電站綜合自動化微機繼電保護系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是:保護監(jiān)控一體化;設(shè)備安裝就地化、戶外化;人機操作界面接口統(tǒng)一化、運行操作無線化;防誤閉鎖邏輯驗證圖形化、規(guī)范化、離線模擬化;就地通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準化;全站數(shù)據(jù)標準化;數(shù)據(jù)采集和一次設(shè)備一體化。

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