一種新型的變電站報警和電話信號裝置的設計與研究

陳吉祥，KOUASSI Abel，葉 磊，張彥倫

（1.中國長江設計集團有限公司，湖北 武漢 430010；2.科特迪瓦國家能源局，科特迪瓦 阿比讓 999063）

0 引言

科特迪瓦電網(wǎng)發(fā)展與改造項目是中國長江設計集團有限公司設計的大型海外輸變電工程，根據(jù)科特迪瓦國家經(jīng)濟和電力的需要，對電網(wǎng)進行的全面升級與改造。本項目變電站工程涉及26個變電站，包括11個新建站和15 個擴建站。由于科特迪瓦電網(wǎng)獨特的技術要求，二次系統(tǒng)設計工作難度較大，特別是變電站報警和電話信號裝置的設計。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，科特迪瓦電網(wǎng)由法國CIE 公司運行和維護，現(xiàn)有運行變電站均配置有一套報警和電話信號裝置（DRST），由布置在主控室的可編程控制器PLC主機或繼電器組合裝置、信號終端、喇叭、警鈴、按鈕、電話機等，以及布置在3個宿舍樓或多個繼電小室的信號終端、警鈴、按鈕、電話機等組成，當站內(nèi)發(fā)生電力設備運行故障時，可以在主控室、宿舍樓、繼電小室等部位同時響起警報和電話呼叫以提示運行人員及時處理。有些變電站的報警信號裝置已經(jīng)損壞，要求本次改造予以更新。

1 國內(nèi)變電站信號報警系統(tǒng)設計要求

根據(jù)國家能源局頒標準《DL/T 5136-2012 火力發(fā)電廠、變電站二次接線設計技術規(guī)程》，變電站的電氣信號系統(tǒng)宜由計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)［1］。采用計算機監(jiān)控方式的信號系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集、畫面顯示及聲光報警等部分組成。計算機監(jiān)控的信號分為狀態(tài)信號和報警信號。信號數(shù)據(jù)可通過硬接線方式或通過與裝置通信方式采集，通信方式應保證信號的實時性和通信的可靠性，重要的信號應通過硬接線方式實現(xiàn)。報警信號由事故信號和預告信號組成。發(fā)電廠和變電站的信號在發(fā)生事故和預警時在監(jiān)控顯示器上彈出并發(fā)出音響，事故信號和預告信號的畫面顯示和報警音響應有所區(qū)分。

《電力工程電氣設計手冊》電氣二次部分，對于發(fā)電廠、變電站的中央信號系統(tǒng)的要求是［2］：1）中央信號應能保證斷路器的位置指示正確。對單燈控制音響監(jiān)視接線應能實現(xiàn)亮屏（即斷路器位置指示燈亮）及暗屏（運行時斷路器指示燈暗）運行，根據(jù)需要可以任意選擇一種，謂之位置信號裝置；2）斷路器事故跳閘時，能及時發(fā)出音響信號（蜂鳴器），并使相應的位置指示燈閃光，謂之事故信號裝置；3）發(fā)生故障時，能及時發(fā)出區(qū)別于事故音響的另一種音響（警鈴），并在光字牌上顯示故障的性質(zhì)，謂之預告信號裝置；4）大型電廠及變電站發(fā)生事故時，應能通過事故分析信號迅速確定事故的性質(zhì)。

變電站中常用的中央信號報警系統(tǒng)包括事故信號和預告信號兩種。預告信號是當電氣設備出現(xiàn)不正常運行情況時并不立即使斷路器分閘，比如設備過負荷、變壓器溫度升高、直流系統(tǒng)一點接地、中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地、控制回路斷線時等等，會及時發(fā)出燈光和音響信號進行報警。燈光信號一般是由顯示不正常運行性質(zhì)及地點的光字牌組成；音響信號一般由警鈴發(fā)出，用以喚起運行人員注意，提示已發(fā)生了不正常運行情況，以便采取適當措施加以處理，防止故障擴大化。事故信號是當電氣設備發(fā)生事故時，繼電保護裝置應使故障回路的斷路器立即自動分閘，并發(fā)出燈光和音響信號。燈光信號由光字牌顯示發(fā)生事故設備的名稱；音響信號一般由蜂鳴器發(fā)出，便于和預告信號警鈴區(qū)分，提醒電氣運行人員設備發(fā)生了事故［3］。

對于有人值班變電站的信號報警系統(tǒng)一般采用光字牌信號顯示故障名稱，由于光字牌故障較多，宜改造為微機閃光報警裝置［4-5］；或智能語音報警裝置［6］。國內(nèi)新建變電站多為微機監(jiān)控綜自站或智能變電站，變電站綜合自動化系統(tǒng)提供了詳細而豐富的各類設備狀態(tài)信息，從電網(wǎng)保護事件到裝置自檢報告，從通訊狀態(tài)到智能設備狀態(tài)監(jiān)測，后臺機可全面監(jiān)視變電站設備的實時運行情況。綜自變電站的事故或故障報警信號一般不設置光字牌信號，報警信號通過變電站監(jiān)控系統(tǒng)后臺顯示器顯示各類事件記錄，同時驅(qū)動語音報警裝置提醒運行人員進行處理［7-9］。也可以考慮設置信號光字牌顯示重要保護動作（告警）信號以便于值班員快速處理故障［10］。

對于無人值班變電站，需要考慮的是如何實現(xiàn)變電站的信號系統(tǒng)與集控站以及調(diào)度自動化主站之間的信息傳遞問題，及集控站與調(diào)度主站實現(xiàn)分層分控管理模式［11-14］；國內(nèi)電力部門對于變電站信號系統(tǒng)標準化管理也進行了許多探討［15-17］。

對于智能變電站的信號報警系統(tǒng)，由于變電站自動化程度高，信息量大，各種信號動作頻繁，值班人員任務繁重，容易遺漏重要告警信號或影響事故的正確處理，因此有必要研究智能專家告警系統(tǒng)，實現(xiàn)對告警信號分類顯示處理、提取故障報警信息、輔助故障判斷及處理等功能［18-22］。

在變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中可實現(xiàn)語音報警技術。實現(xiàn)方法是采用計算機+電信集成（CTI）技術，通過電話語音卡自動連接計算機和電話機，當監(jiān)控對象例如變壓器、開關設備等有報警信號上傳時，系統(tǒng)能及時發(fā)出報警信息通知相關人員［23-25］。

由于可編程控制器具有抗干擾性好、靈敏度高、維護簡單等優(yōu)點，采用可編程控制器對現(xiàn)有中央信號系統(tǒng)進行改造或用于新建變電站的信號報警系統(tǒng)，國內(nèi)進行了許多相關研究［26-27］，采用不同廠家的可編程控制器實現(xiàn)，如德國西門子S7-200PLC［28］，日本歐姆龍Omron PLC［29］，日本三菱FX系列PLC［30］。

除了中央信號報警系統(tǒng)外，國內(nèi)還有些研究專門的故障報警系統(tǒng)，如電度表故障報警系統(tǒng)［31］、防走錯間隔信號提示系統(tǒng)［32］等。

2 新型報警和電話信號裝置（DRST）的功能設計

為滿足科特迪瓦電網(wǎng)運行要求，結(jié)合國內(nèi)變電站信號報警系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗及研究成果，結(jié)合當?shù)貥I(yè)主的功能需求，本文設計了一種適合科特迪瓦的一套新的報警和電話信號裝置（DRST），該裝置具體組成包括：一個具有數(shù)字輸入和輸出的可編程的控制器；中控室、住宅和繼電小室中的信號終端；中控室、住宅和繼電小室中的鈴聲、喇叭或話筒；交換機和相關的電話機。

2.1 報警和電話信號裝置的配置要求

1）可編程的控制器：它是一個數(shù)字設備或中繼器，包括輸入和輸出接口。輸入接口的信號來自變電站的操作系統(tǒng)的信號和來自控制臺或48 V 直流機柜的信號，該控制器供電直流48 V，輸出接口是48 V 直流或24 V 直流，輸出到中控室的控制臺和住房的機柜，并且輸出到話筒。

2）操作臺或信號終端：在中控室，在中控室的辦公桌上，或者在內(nèi)部操作人員可到達的墻裝式機柜上安裝操作臺或信號終端，其中四個鍵設置向住房進行振鈴和取消響鈴、報警和打電話，在每一個住宅各安裝一臺信號終端，可以隨時看見故障，以便發(fā)送遠程報警指令。

3）鈴聲和喇叭或話筒：在中控室，及住宅每間住房中，都安裝故障提示的振鈴。

4）自動交換機和相關設備：由變電站通信系統(tǒng)給DRST裝置提供一個電話分機號碼，能夠根據(jù)需要向住房或中控室發(fā)送電話信號。

2.2 報警和電話信號裝置功能原理圖

DRST裝置功能原理圖如圖1。

圖1 變電站報警和電話信號裝置功能原理圖Fig.1 Function schematic diagram of substation alarm and telephone signal device

根據(jù)報警和電話信號裝置的功能設計，變電站內(nèi)中控室操作臺可以與各住宅的信號終端、各繼電小室信號終端通過可編程控制器PLC 實現(xiàn)電話呼叫，監(jiān)控系統(tǒng)故障報警信號（包括高/中壓側(cè)緊急故障、非緊急故障、過負荷）可以通過PLC實現(xiàn)啟動各部位的喇叭和警鈴，還可以實現(xiàn)變電站的戶外照明及開啟大門等功能，該裝置應具有以太網(wǎng)接口與變電站監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3 科特迪瓦變電站信號報警系統(tǒng)解決方案

科特迪瓦項目11 個新建變電站需要提供全新的計算機監(jiān)控系統(tǒng)及報警和電話信號裝置（DRST），而15個擴建變電站的擴建內(nèi)容和要求則各不相同，有的站沒有計算機監(jiān)控系統(tǒng)，DRST裝置為老式繼電器組合裝置，需要提供新的計算機監(jiān)控系統(tǒng)及DRST裝置，并且需要將原有老間隔控制保護接入新的計算機監(jiān)控系統(tǒng)及DRST裝置；有的站已有計算機監(jiān)控系統(tǒng)及DRST裝置，需將擴建間隔控制保護接入已有的監(jiān)控系統(tǒng)及DRST裝置。針對不同的變電站類型，根據(jù)科特迪瓦電網(wǎng)的要求，結(jié)合國內(nèi)變電站的信號系統(tǒng)設計規(guī)范及研究成果提出相應的DRST裝置設計方案。

3.1 新建變電站報警和電話信號裝置設計方案

新建225 kV 變電站DRST 裝置，包括1 臺可編程控制器PLC 主機、若干臺信號終端箱、喇叭、警鈴、按鈕、電話等。PLC主機安裝于中控室公用測控柜內(nèi)；中控室信號終端布置在控制臺上，宿舍樓信號終端箱分別布置于3 個新建宿舍室內(nèi)，繼電小室信號終端箱分別布置于各個225 kV戶外開關場繼電小室內(nèi)；功率放大器布置在控制臺內(nèi)，127 V 和48 V 喇叭布置在控制樓外墻上，警鈴安裝在公用測控柜頂上，按鈕安裝在中控樓靠近變電站入口的大門外側(cè)墻，電話機安裝在主控室和各宿舍室內(nèi)。DRST 報警系統(tǒng)輸入輸出原理圖見圖2，DRST報警系統(tǒng)電話回路原理圖見圖3。

圖2 225 kV變電站DRST報警系統(tǒng)輸入輸出原理圖Fig.2 Schematic diagram of input and output of DRST alarm system in 225 kV substation

圖3 225 kV變電站DRST報警系統(tǒng)電話回路原理圖Fig.3 Schematic diagram of telephone circuit of DRST alarm system in 225 kV substation

新建90 kV 變電站DRST 裝置，包括1 臺可編程控制器PLC 主機、若干臺信號終端箱、喇叭、警鈴、按鈕、電話等。除了沒有繼電小室信號終端外，其它跟新建225 kV變電站相同。

3.2 擴建變電站DRST設計方案1

對于有些沒有計算機監(jiān)控系統(tǒng)，且DRST 裝置為老式繼電器組合裝置的老變電站，需要提供新的計算機監(jiān)控系統(tǒng)及DRST裝置。

此類擴建225 kV 變電站DRST 裝置，包括1 臺可編程控制器PLC主機、若干臺信號終端箱、喇叭、警鈴、按鈕、電話等。PLC主機安裝于中控室公用測控柜內(nèi)；主控室信號終端布置在控制臺上，宿舍樓信號終端箱分別布置于3 個原有的宿舍室內(nèi)，繼電小室信號終端箱分別布置于各個繼電小室內(nèi)；127 V 和48 V 喇叭布置在控制樓外墻上，警鈴安裝在公用測控柜頂上，按鈕安裝在中控樓靠近變電站入口的大門外側(cè)墻，電話機安裝在主控室和各宿舍室內(nèi)。此類擴建90 kV變電站DRST報警信號系統(tǒng)除了沒有繼電小室信號終端箱，其余同225 kV擴建變電站。

此類變電站DRST 設備基本上同新建變電站，但增加了已有的主控室、宿舍樓和繼電小室（如有）等部位的改造工作，包括相關的設備更新和電纜敷設及接線等。

3.3 擴建變電站DRST設計方案2

對于有些已經(jīng)有計算機監(jiān)控系統(tǒng)，且DRST 裝置為可編程控制器PLC 裝置的老變電站，不需要提供新的計算機監(jiān)控系統(tǒng)及整套DRST裝置。

對于DRST 報警系統(tǒng)的改造方案是每個擴建間隔各增加1臺通信轉(zhuǎn)換器和1個DRST信號終端，通信轉(zhuǎn)換器接收老站原有的DRST 裝置報警輸出信號，采用RS485 接口與信號終端進行通信，實現(xiàn)擴建繼電小室的故障報警和電話振鈴。

4 結(jié)語

本文介紹了國內(nèi)變電站信號系統(tǒng)的設計要求，結(jié)合科特迪瓦電網(wǎng)當?shù)剡\行習慣，設計了一套新的變電站報警和電話信號裝置（DRST）。新的變電站報警和電話信號裝置通過變電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信實現(xiàn)主控室、宿舍樓及繼電小室等部位事故或故障報警信息聯(lián)動，將故障報警系統(tǒng)和電話通信有機結(jié)合，及時提醒運行人員處理，有效提高運行管理水平，對國內(nèi)變電站實現(xiàn)“無人值班，少人值守”具有一定參考價值。同時，本文依托科特迪瓦電網(wǎng)發(fā)展與改造項目，針對當?shù)仉娋W(wǎng)各種不同類型的變電站，在滿足技術要求的條件下，分別提出了相應的DRST 報警系統(tǒng)解決方案，對中國企業(yè)在當?shù)鼗蚍ㄕZ區(qū)類似輸變電工程設計具有較大的參考意義。