基于供配電系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)的組態(tài)仿真構(gòu)建

殷培峰, 馬莉

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

基于供配電系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)的組態(tài)仿真構(gòu)建

殷培峰, 馬莉

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

企業(yè)供配電系統(tǒng)是由總降壓變電所、高壓供電線路、車間變電所、低壓配電線路以及用電設(shè)備組成。由于投入大、成本高，要想建立供配電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)基地十分困難。但采用組態(tài)技術(shù)仿真企業(yè)供配電系統(tǒng)的多級(jí)保護(hù)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)模擬量、數(shù)字量、狀態(tài)量和電能量的實(shí)時(shí)采集，不僅有效降低教學(xué)投入的成本，而且具有操作監(jiān)視屏幕化、系統(tǒng)構(gòu)成模塊化、設(shè)備動(dòng)作直觀化等優(yōu)點(diǎn)，提升了教學(xué)手段和教學(xué)效果。

供配電系統(tǒng);組態(tài)仿真;變電所;高壓電氣設(shè)備;運(yùn)行監(jiān)視;報(bào)警系統(tǒng)

0 引 言

企業(yè)供配電系統(tǒng)一般由總降壓變電所、高壓供電線路、車間變電所、低壓配電線路以及用電設(shè)備組成。由于供配電系統(tǒng)所需的設(shè)備多，且價(jià)格昂貴。對(duì)學(xué)校來(lái)講要建立一個(gè)供配電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)基地是十分困難。但采用組態(tài)王仿真企業(yè)供配電系統(tǒng)，建立110 kV供配電系統(tǒng)的主接線、自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)、主變壓器、高壓斷路器、輸電線路和電網(wǎng)的接地保護(hù)與監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)。引入計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)模擬量、數(shù)字量、狀態(tài)量和電能量的實(shí)時(shí)采集，不僅有效降低教學(xué)投入成本，而且具有操作監(jiān)視屏幕化、系統(tǒng)構(gòu)成模塊化、設(shè)備動(dòng)作直觀化等優(yōu)點(diǎn)，提升了教學(xué)手段和教學(xué)效果。

1 供配電系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)仿真控制平臺(tái)構(gòu)建

1.1 供配電系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)控制平臺(tái)的基本配置

供配電系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)控制平臺(tái)分成三層，分別為變電站層、網(wǎng)絡(luò)層和間隔層。間隔層由110 kV高壓線路監(jiān)控裝置、主變主保護(hù)裝置、主變高壓側(cè)裝置、主變中壓側(cè)裝置、主變低壓側(cè)裝置、35 kV線路監(jiān)控裝置、10 kV線路監(jiān)控裝置、10 kV電容器裝置。在間隔層中配置的保護(hù)由變壓器保護(hù)、斷路器保護(hù)、線路保護(hù)、母線保護(hù)、電容器保護(hù)等。網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)絡(luò)通信裝置和前置機(jī)系統(tǒng)裝置構(gòu)成。變電站層由后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、防誤閉鎖裝置、工程師站和操作員工作站等組成[1]。如圖1所示，為110 kV供配電系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)控制平臺(tái)的基本配置。

圖1 110 kV供配電系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)控制平臺(tái)的基本配置

1.2 供配電系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)監(jiān)控平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)

圖2 供配電自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)

在供配電監(jiān)控系統(tǒng)中，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)管理單元、測(cè)控單元、遠(yuǎn)動(dòng)接口、打印機(jī)等部分組成，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)采集、計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、事件庫(kù)、事故追憶庫(kù)、錄波數(shù)據(jù)庫(kù)、畫面庫(kù)、遠(yuǎn)方通信和時(shí)鐘同步等環(huán)節(jié)組成，實(shí)現(xiàn)變電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。通過(guò)狀態(tài)量變位監(jiān)視，可監(jiān)視供電系統(tǒng)各種斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、變壓器分接頭的位置和動(dòng)作情況、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況以及它們的動(dòng)作順序，完成分析、處理、顯示、報(bào)警、記錄、控制等功能，以及遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)通信以及各種自動(dòng)、手動(dòng)智能控制等任務(wù)。圖2為供配電自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)。1.3 供配電系統(tǒng)的主接線結(jié)構(gòu)設(shè)置

如圖3所示，為供配電系統(tǒng)的一次接線圖仿真。設(shè)置兩個(gè)電壓等級(jí)，分別是110 kV和10 kV。其中110 kV采用內(nèi)橋接線，通過(guò)主變壓器降為10 kV后，供變電站周圍負(fù)荷用電。在系統(tǒng)配置上采用分層分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)置一次設(shè)備配置，滿足不同電壓等級(jí)間隔層的測(cè)量、監(jiān)視、控制、通信功能。

圖3 供配電系統(tǒng)的主接線結(jié)構(gòu)

2 供配電系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)的組屏仿真

以某企業(yè)110 kV降壓變電站為例，描述110 kV供配電自動(dòng)化系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)的組屏仿真。

2.1 110 kV間隔層的仿真

該層為供配電系統(tǒng)的總降壓變電站，在繼電保護(hù)功能方面，由于110 kV采用的是內(nèi)橋接線方式，進(jìn)線不需配置保護(hù)，由上一級(jí)線路保護(hù)完成或主變壓器后備保護(hù)承擔(dān)。配置一臺(tái)三相操作箱分別對(duì)應(yīng)于兩條進(jìn)線和橋斷路器，用于對(duì)進(jìn)線和橋斷路器的控制，并且要具有防跳、壓力閉鎖等功能。測(cè)控功能方面，針對(duì)2回110 kV進(jìn)線和橋開關(guān)分別設(shè)置數(shù)字式斷路器測(cè)控裝置，可用于本間隔的斷路器、隔離開關(guān)的參數(shù)和信息的測(cè)量和控制等。自動(dòng)控制功能方面，可配置數(shù)字式備用電源自投裝置，實(shí)現(xiàn)橋備投或進(jìn)線備投功能、變壓器備自投功能或用戶需求的多種備自投方案[2]。圖4為 110 kV間隔層的監(jiān)控系統(tǒng)仿真。

圖4 110 kV間隔層的監(jiān)控系統(tǒng)仿真

2.2 主變壓器間隔層的仿真

由于變壓器測(cè)控的重要性，可以采用集中組屏，設(shè)置兩面屏，分別對(duì)應(yīng)于2臺(tái)主變壓器間隔層。主變壓器保護(hù)功能方面，可配置數(shù)字式變壓器主保護(hù)裝置和后備保護(hù)裝置[3]。完成主變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)的檢測(cè)，變壓器和變壓器室的溫度遙測(cè)量、遙信量、遙控量。采用RCS-9671C實(shí)現(xiàn)變壓器差動(dòng)保護(hù)，RCS-9661C實(shí)現(xiàn)變壓器非電量保護(hù)，并配有以太網(wǎng)通信接口，提供10路非電量保護(hù)，其中六路可直接跳閘。采用RCS-9603測(cè)控系統(tǒng)檢測(cè)主變壓器分接頭的調(diào)節(jié)、變壓器溫度和事件記錄。采用RCS-9681實(shí)現(xiàn)變壓器后備保護(hù)，完成電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)、接地零序保護(hù)、不接地零序保護(hù)和過(guò)負(fù)荷保護(hù)。圖5為主變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控仿真。

圖5 主變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控仿真

2.3 10 kV間隔層的仿真

采用分散安裝方式，配置測(cè)量、監(jiān)視、保護(hù)一體化裝置，分別安裝在10 kV開關(guān)柜上。完成對(duì)斷路器合閘、跳閘的保護(hù)；母線單相接地測(cè)控功能、零序電流保護(hù)、絕緣監(jiān)察自動(dòng)控制功能、監(jiān)視斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、變壓器分接頭的位置和動(dòng)作情況。10 kV母線分段間隔可配置數(shù)字式母分保護(hù)及備投裝置?？刹捎肅SL-160C型數(shù)字式線路保護(hù)系統(tǒng)，配置交流插件(AC)、模數(shù)變換插件(VFC)、故障錄波插件、繼電保護(hù)CPU插件、繼電器插件和電源插件來(lái)實(shí)現(xiàn)斷路器合閘、跳閘、報(bào)警和復(fù)位監(jiān)控[4]。圖6為10 kV間隔層的仿真。

圖6 10 kV間隔層的仿真

2.4 公用間隔層的仿真

針對(duì)110 kV、10 kV兩段母線TV分別配置數(shù)字式電壓測(cè)控裝置，實(shí)現(xiàn)110 kV、10 kV兩段母線自動(dòng)并列功能或手動(dòng)、遠(yuǎn)方并列功能的仿真。針對(duì)全站公用信息配置數(shù)字式綜合測(cè)控裝置[5]，主要采集變電站如直流系統(tǒng)故障信號(hào)、直流屏交流失壓、所用電切換信號(hào)、所用電Ⅰ段失壓、所用電Ⅱ段失壓、控制電源故障、合閘電源故障、控制母線故障、合閘母線故障、通信故障信號(hào)、通信電源故障、火災(zāi)報(bào)警動(dòng)作信號(hào)、保安報(bào)警信號(hào)等。通過(guò)其通信接口RS—232與通信服務(wù)器進(jìn)行通信，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層對(duì)時(shí)廣播命令，以保證全系統(tǒng)時(shí)鐘統(tǒng)一。運(yùn)動(dòng)功能，可配置通信服務(wù)器，將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選排序，并按調(diào)度方規(guī)約進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成調(diào)度通信。電源源方面，配置一臺(tái)逆變電源，將直流電源逆變成交流220 V，以供給后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)用電。

2.5 后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)

在供配電系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)是由監(jiān)控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)管理單元、測(cè)控單元、遠(yuǎn)動(dòng)接口、打印機(jī)等部分組成[6]。負(fù)責(zé)完成收集站內(nèi)各間隔層裝置采集的信息，完成分析、處理、顯示、報(bào)警、記錄、控制等功能，完成遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)通信以及各種自動(dòng)、手動(dòng)智能控制等任務(wù)。其主要由數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理、人機(jī)聯(lián)系、遠(yuǎn)方通信和時(shí)鐘同步等環(huán)節(jié)組成，實(shí)現(xiàn)變電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。圖7為監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真。

監(jiān)控系統(tǒng)在硬件方面，需要監(jiān)控主機(jī)[7]，設(shè)置兩臺(tái)計(jì)算機(jī)互為備用(也可僅設(shè)置一臺(tái))，監(jiān)控主機(jī)需要有源音箱實(shí)現(xiàn)音響報(bào)警，需要打印機(jī)進(jìn)行變電站技術(shù)數(shù)據(jù)管理，軟件方面需要后臺(tái)監(jiān)

控軟件和網(wǎng)絡(luò)附件等，在微機(jī)保護(hù)、自動(dòng)裝置與監(jiān)控系統(tǒng)相互通信時(shí)，采用串行通信。串行通信在數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約“開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模型”物理層，廣泛應(yīng)用RS—485串行接口，在多站互聯(lián)中非常方便。通信協(xié)議選用POLLING規(guī)約，以滿足廣義數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上兩點(diǎn)之間進(jìn)行對(duì)等通信的需要。

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)企業(yè)供配電技術(shù)的理論與實(shí)踐教學(xué)，通過(guò)組態(tài)技術(shù)仿真企業(yè)供配電系統(tǒng)的多級(jí)保護(hù)，建立110 kV供配電系統(tǒng)的主接線、不同電壓等級(jí)的間隔層仿真，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電系統(tǒng)的模擬量、數(shù)字量、狀態(tài)量等實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)處理。熟悉變電站自動(dòng)化系統(tǒng)流行的分層分布式結(jié)構(gòu)，,加深對(duì)供電系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控的理解，不僅有效降低教學(xué)投入成本，而且具有操作監(jiān)視屏幕化、系統(tǒng)構(gòu)成模塊化、設(shè)備動(dòng)作直觀化等優(yōu)點(diǎn)，有助于激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提升了教學(xué)手段和教學(xué)效果。

[1] 高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2] 覃貴禮.組態(tài)軟件控制技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

[3] 丁書文.變電站綜合自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

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[6] 袁秀英.計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

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Establishing Configuration Simulation Based on the Multilevel Protection of the Power Supply and Distribution System

YIN Pei-feng, MA Li

(Lanzhou Petrochemical Vocational and Technical Institute，Lanzhou Gansu 730060, China)

The power supply and distribution system of the enterprise is composed of the general step-down transformer substation, high-voltage power supply line, workshop substation, low-voltage distribution line and electric equipment. To set up a training base for the power supply and distribution system is quite difficult because of its high investment and cost. However, if configuration technology is used to simulate the multilevel protection of the power supply and distribution system of the enterprise, and real-time collection of the analog quantity, digital quantity, quantity of state and electric energy of the power supply system is realized by means of computer technology and communication technology, that will not only effectively reduce the input cost for the teaching, but also realize operational monitoring on the screen, modular system composition and visualization of equipment operation, thus upgrading teaching means and improving teaching effect.

power supply and distribution system;configuration simulation; power substation;high-voltage electrical equipment;operation monitoring;alarm system

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育教學(xué)研究基金項(xiàng)目(JY2014-21)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.025

TM72

A

1000-3886(2015)02-0076-03

殷培峰 (1967- )，男，甘肅臨洮人，副教授，專業(yè)：電氣自動(dòng)化。 馬莉(1982- )，女，甘肅張掖人，研究生，專業(yè)：過(guò)程自動(dòng)化。

定稿日期: 2014-07-14