变电站自动化系统讲座

2. 变电站自动化系统讲座 刘晓川 Tel:0779-3928828 MP:13977920006 北海银河高科技产业股份有限公司 2003年9月 北海 http://www.yinhetech.com

3. 1 变电站自动化系统的发展 2 变电站自动化系统的特点 3 变电站自动化系统的系统组织和结构 4 采集与控制 5 变电站自动化系统的功能要求 6 变电站自动化系统装置 7 变电站自动化系统的发展方向 内容提要

4. 1 变电站自动化系统的发展 1.1 变电站的组成 一次设备：变压器、母线、输电线、断路器、 隔离刀闸、电容器、电抗器、互感器等。 二次设备：仪表、操作台、模拟屏、监控设备、 保护设备、通信设备、直流系统等。 变电站二次设备配置大致可划分为三种模式：

5. 第一种模式：常规方式 变电站二次设备采用常规电磁式保护、常规仪表屏、操作屏、中央信号系统、常规光字牌、变送器、远动装置、故障录波装置、小信号接地选线装置、无功补偿、低周减载等设备。 这种模式的缺点是设备配置复杂，信息重复采样，CT负担重，资源不能共享，占地面积大。 性能上的缺点是大部分设备没有自诊断能力，维护工作量大，维护人员必须定期做各种校验与检查，一旦在检验之前出现故障就可能给变电运行或一次设备带来灾难性的后果。

6. 第二种模式：常规方式+当地功能 在常规二次设备配置的基础上增加了计算机管理功能，例如自动巡检打印、CRT屏幕监视、数值计算及自动报表等，有些地方称作“当地功能”。这种模式也被称为“变电站综合自动化”。 实际上，这种模式只是常规模式下的计算机辅助管理，对变电站的二次设计没有带来根本性的变化，在某种场合下更加重了CT负载，经济上还增加了投资。由于没有能够替代常规操作监视设备，增加的计算机功能对使用人员来说不是不可缺少的。当然，这种模式是为“有人值班”而设计的，无人值班的变电站就不可取了。

7. 第三种模式：变电站自动化系统 以全微机化的新型二次设备替代常规的电磁式设备，尽量做到硬件资源共享，用不同的模块软件实现常规设备的各种功能，用计算机局域网通信代替大量的信号电缆的连接，用主动模式代替常规设备的被动模式，具有设备简捷、维护方便、占地面积少、分散安装、二次电缆少、变电运行更安全可靠等特点。

8. 1.2 变电站无人值班 变电站有人或无人值班是变电站运行管理采用“当地”还是“远方”两种不同管理模式的一种选择。一般来说，与变电站是否实现综合自动化无关。采用常规的二次设备也可实现无人值班，只是要求变电站的远动设备和调度端的主设备具有遥测、遥信、遥控和遥调功能即可。当然被控的一次设备应具备有被控、被调的接口，同时运行可靠无需经常维护，只有这样才能保证正常的无人值班变电站的运行。

9. 变电站实施综合自动化后同样可以采用有人值班制或无人值班制两种模式中的一种。不过采用综合自动化后更能满足无人值班的要求，因为综合自动化的信息内容丰富，它不仅完成常规调度功能，如潮流状态、负荷分配、跳合闸操作等，还将一次设备运行的各种信号、二次设备本身运行状态（自诊断信号）统统快速送向主站端并作相应的报警或预告处理，使控制中心对变电站情况一目了然。变电站实施综合自动化后同样可以采用有人值班制或无人值班制两种模式中的一种。不过采用综合自动化后更能满足无人值班的要求，因为综合自动化的信息内容丰富，它不仅完成常规调度功能，如潮流状态、负荷分配、跳合闸操作等，还将一次设备运行的各种信号、二次设备本身运行状态（自诊断信号）统统快速送向主站端并作相应的报警或预告处理，使控制中心对变电站情况一目了然。 变电站若无人值班，应注意消防问题，主要从两方面着手，一是对于油开关和室内主变，采用自动消防系统进行灭火，并将主变的散热器与主体分离；二是在设备选型上，尽量采用无油化设备。如10kV采用真空开关，110kV采用SF6开关，站用变采用干式变压器及采用一些阻燃的控制与信号电缆等。

10. 1.3远动技术的发展 远动是以变电站运行监控为目的的。 布线逻辑远动→微机远动 布线逻辑远动装置。将数字逻辑电路按预定的要求用固定的布线连接起来，各部分电路在时序的配合下按顺序协同工作，实现预定的功能。装置在制成之后，由于电路已固定，再要增加或改变功能就比较困难。适应性较差。 微机远动装置。在硬件系统的支持下，CPU按照软件流程完成远动功能。处理能力强，适应性强，扩展性好。

11. 1.4保护技术的发展 保护是以变电站一次设备安全运行为目的的。 机电式继电器（电磁型、感应型、电动型） →静态继电保护装置（晶体管式、集成电路式、计算机式） 机电式继电器这种保护装置体积大、消耗功率大、动作速度慢、机械转动部分和触点容易磨损或粘连，调试维护比较复杂。 晶体管式继电保护装置体积小、功率消耗小、动作速度快、无机械转动部分，但工作可靠性低于机电式保护装置，经过20多年的研究和实践，才得以解决。 集成电路式继电保护装置体积更小，可靠性更高。 微机保护装置硬件标准化，不同的保护功能由不同的软件实现。

12. 1.5通信技术的发展 通信是以变电站内、外可靠的数据传输为目的的。 RS-232C→RS-422、RS-485→CAN、以太网 点对点→点对多点（主从方式）→多主方式 CDT→polling 遵循国际标准： IEC 60870-5-101 基本远动任务配套标准 IEC 60870-5-102 电力系统电能量传输配套标准 IEC 60870-5-103 继电保护设备信息接口配套标准 IEC 60870-5-104 使用标准传送文件的IEC 60870-5-101网络访问 IEC 61850 变电站自动化系统的通信网络和系统的国际标准

13. 2 变电站自动化系统的特点

14. 2.1 功能综合化 变电站综合自动化技术是建立在计算机硬件技术、数据通信技术、模块化软件技术上发展起来的，它综合了变电站内除交直流电源以外的全部二次设备。微机保护代替了电磁式保护，监控装置综合了仪表屏、操作屏、模拟屏、变送器、远动装置、有载调压无功补偿、中央信号系统和光字牌；微机保护和监控装置一起还综合了故障录波测距、小信号接地等装置。

15. 2.2 结构微机化 综合自动化系统内主要插件全是微机化的，分布式结构，网络总线连接，将微机保护、数据采集、控制等环节的CPU群构成一个整体，实现各种功能，一个系统往往有几十个CPU同时并行运行。

16. 2.3 操作监视屏幕化 不管有人值班还是无人值班，操作人员不是在变电站内就是在主控站内面对大屏幕显示器进行变电站的全方位监视与操作。常规方式下的指针仪表读数被屏幕数据显示所代替；常规庞大的模拟屏被CRT屏幕上的实时接线画面取代；常规在操作屏上进行的跳合闸操作被CRT屏幕上的光标操作取代；常规光字牌报警被CRT屏幕画面闪耀和文字提示所取代；简而言之，面对计算机的彩色屏幕可以监视偌大变电站内的瞬变万化。

17. 2.4 运行管理智能化 智能化不仅表现在常规的自动化功能上，如自动报警，自动报表，电压无功自动调节，小信号接地自动选线，事故判别与处理等方面；还表现在能够在线自诊断并不断将自诊断的结果送向远方的主控端。这是区分常规二次系统的重要特征，简而言之，常规二次系统只能监测一次设备，而自己本身的故障必须靠维护人员去检查，去发现；综合自动化系统不仅监测一次设备，还每时每刻检测自己是否有故障，这就充分体现了其智能化。

18. 2.5 经济性 • 专业综合，易于发现隐患、处理事故及时、恢复供电快。 • 采用先进的微机保护，灵敏度高、可靠性高。 • 极大限度地简化了二次接线和二次设备的配置，大大减少了主控室和保护室的面积，消除了控制电缆和电缆层，提高了系统的易维护性，降低了变电站的综合造价。 • 提高了运行的自动化水平。

19. 3 变电站自动化系统的系统组织和结构

20. 3.1 组织模式 三种模式：集中式、分布分散式和分布式结构集中式组屏

21. 集中式模式 集中式一般采用功能较强的计算机扩展其I/O及外围接口，集中采集信息，集中处理与计算，有的甚至将保护功能也做在一起。这种方式提出得较早，当时微机技术、网络通信技术还没有发展。其可靠性差，功能也有限，很难推广应用。 采用各种智能的功能模板，通过并行或串行总线连接。维护和扩展方便，但二次电缆仍然多。

22. 分布分散式模式 随着单片机技术、网络技术特别是位总线技术的问世，用于变电站控制的分布式结构装置与系统相继出现，一般按回路进行设计。将数据采集、控制单元和微机保护单元就地装在开关柜内或其他一次设备附近，相互之间有网络电缆或光缆连接起来构成一个分布分散式的综合自动化系统。这种系统最大的优点是节省电缆，并避免了电缆传送信息的电磁干扰，其次是最大限度地压缩了二次设备的占地面积。这种模式在高压变电站应用可能更为合适。

23. 分布式结构集中式组屏模式 这种方式在中低压变电站用得最多。系统具有分布式结构全部的优点，系统便于扩充，便于维护，一个环节故障不影响其他部件的正常运行。考虑到中低压变电站的一次设备都比较集中，有不少是组合式的设备，分布面不广，所用信号电缆不长，因而采取集中组屏方式，比分散式就近安装多不了多少电缆，优点在于集中组屏后便于设计、安装与维护管理，因此被大多数用户所选用。

24. 保护下放 变电站综合自动化结构设计中另一个最为关注的问题是保护是否下放的问题。变电站综合自动化实际上是一个跨专业的课题，它应该是调度自动化、保护、变电管理、通信等专业综合起来考虑，尽量做到资源共享。但由于技术和专业管理的原因，以及高可靠性的要求，高压的微机保护一般不下放。在综合自动化装置中保持独立性，但与监控系统紧密通信，做到尽量减少信息电缆及信号转接。

25. 3.2 系统结构 三层结构：间隔层、通信层、变电站层 IEC 61850的三层结构：过程层、间隔层、变电站层

26. 变电站自动化系统采用分层分布式结构，按纵向分为间隔层、通信层和变电站层。间隔层在站内按间隔分布式配置。间隔层的设备均可直接下放至开关场就地，减少大量的二次接线。各间隔设备相对独立，仅通过通信网互连，并通过通信层的通信服务器的数据管理同变电站层的设备通信，取消了原本大量引入主控室的信号、测量、控制、保护等使用的电缆，节省投资，提高系统可靠性。通信服务器可以有效地提高变电站级的网络安全防护能力，同时也有利于变电站内其他智能设备的接入，达到站内信息有效管理。变电站层设备也采用分布式、开放式的设计，组态完成站内监控功能，全面提供设备状态监视及控制、保护信息记录与分析等功能。变电站层设备可以根据需求采用多种配置模式，一方面保证了系统整体的可靠性，另一方面，也使得功能选择、配置更灵活、更合理。变电站自动化系统采用分层分布式结构，按纵向分为间隔层、通信层和变电站层。间隔层在站内按间隔分布式配置。间隔层的设备均可直接下放至开关场就地，减少大量的二次接线。各间隔设备相对独立，仅通过通信网互连，并通过通信层的通信服务器的数据管理同变电站层的设备通信，取消了原本大量引入主控室的信号、测量、控制、保护等使用的电缆，节省投资，提高系统可靠性。通信服务器可以有效地提高变电站级的网络安全防护能力，同时也有利于变电站内其他智能设备的接入，达到站内信息有效管理。变电站层设备也采用分布式、开放式的设计，组态完成站内监控功能，全面提供设备状态监视及控制、保护信息记录与分析等功能。变电站层设备可以根据需求采用多种配置模式，一方面保证了系统整体的可靠性，另一方面，也使得功能选择、配置更灵活、更合理。

27. 3.3 当地监控系统 3.3.1 结构 单机系统、多机系统 3.3.2 基本功能 图形显示：一次接线图、趋势图、棒图、饼图； 表格显示：参数表、报表； 查询与设置：历史数据、实时数据、系统参数； 数据存储：历史数据、报表、记录、故障录波； 在线编辑：图形、报表、数据库； 统计：电压最大、最小值，负荷最大值，开关动作次数； 分析计算：电压无功控制（VQC）、小电流接地选线； 运行操作：操作票、“五防”。

28. 4 采集与控制

29. 4.1 遥信 状态量数据的采集有：断路器状态、隔离开关状态、同期检测状态、锁定状态、设备运行告警信号、变压器分接头位置信号、手车位置信号以及接地信号等。这些信号大部分采用光电隔离方式的开关量中断输入或周期性扫描采样获得，其中有些信号可通过“电脑防误闭锁系统”的串行口通信而获得。对保护动作信号（常规方式作为状态量输入）则采用串行口或LAN网络通过通信方式获得，这样可大大节省信号电缆及采样系统的I/O接口量。 这些量的特点是二元状态量。遥信量是一种二元状态量。国际电工委员会IEC标准规定：“0”表示断开状态，“1”表示闭合状态。

30. 4.1.1 遥信量的隔离 遥信状态量来自监测对象的辅助接点，多为空接点。辅助接点与远动装置的距离较远，现场干扰大，为提高遥信信号的传输距离和抗干扰能力，一般遥信取样回路都施加24V、48V、220V直流电压。 为了不使二次信号可能夹杂的干扰侵入到计算机系统，还需要采取信号隔离措施，常采用的两种隔离方法：继电器隔离，光电耦合隔离。

32. 4.1.2 遥信量的采集 一个厂站的遥信量少则几十个，多则几百个。这些众多的分散的遥信量需要汇总起来，供CPU处理。有三类芯片可以完成这一工作：三态门芯片、并行接口芯片、数字多路开关芯片。 遥信量采集有两种工作方式：查询方式和中断方式。

33. 4.1.3 脉冲量的采集 脉冲量指电能表输出的电度量，这种量的采集在硬件接口上与状态量的采集相同。 脉冲量采集有两种方式：硬件计数（计数器）和软件计数（遥信）。

34. 4.2 遥测 变电站采集的典型模拟量有：各母线电压，线路电压、电流和功率值，馈线电流、电压及功率值，频率，相位等，此外还有变压器油温，变电站室温，直流电源电压，所用电电压和功率等。 遥测量是连续变化的量，按照接入测控装置的形式不同，可分为模拟量、数字量和脉冲量。电压、电流、有功、无功变送器输出的直流模拟电压，为模拟量；水电厂水库用的数字式水位计输出的为数字量；脉冲电度表输出的为脉冲量。

35. 4.2.1 模拟量的采集4.2.1.1 模拟量采集过程 模拟多路开关 CT、PT 变送器 采样/保持器 总线 一次信号 ——→ 二次信号 —→ 采样信号 ———→ 模/数转换器 —→ CPU 交流高电压 0~100V AC 0~5V DC A/D DATA 大电流 0~5A AC -5~5V DC 数字量

36. 4.2.1.2 模/数转换 模/数转换：将模拟量转换为数字量 转换原理：逐次逼近法、积分法、并行法 逐次逼近法：天平原理 积分法：对时间积分的原理 并行法：直尺原理

37. 4.2.2 遥测量的处理 A/D转换后得到的模拟遥测量是一个原始数据，又称生数据，需要经过一系列处理才能使用。如数字滤波、乘系数、二—十转换等。

38. 4.2.2.1 数字滤波 输入到遥测量采集系统的模拟直流电压都是来自各类变送器和传感器，这些有用的信号中常混杂有各种频率的干扰信号。因此，在遥测量采集的输入端通常加入RC低通滤波器，用以抑制某些干扰信号。RC滤波器易实现对高频干扰信号的抑制，但欲抑制低频干扰信号（如频率为0.01Hz的干扰信号）要求的C值太大，不易实现。而数字滤波器可以对极低频率的干扰信号进行滤波，弥补了RC滤波器的不足。为了进一步提高滤波效果，在模/数转换之后再进行一次数字滤波。

39. 数字滤波就是在计算机中用一定的计算方法对输入信号的量化数据进行数学处理，减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。这种软件方法，对滤波算法的选择、滤波系数的调整都有极大的灵活性，而且数字滤波程序可以为多路遥测量公用，一致性好，因此在遥测量的处理上广泛采用。数字滤波就是在计算机中用一定的计算方法对输入信号的量化数据进行数学处理，减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。这种软件方法，对滤波算法的选择、滤波系数的调整都有极大的灵活性，而且数字滤波程序可以为多路遥测量公用，一致性好，因此在遥测量的处理上广泛采用。 模拟信号数字化后，得到的是一等时间间隔的离散的数字序列。数字滤波是对数据序列进行一定的处理，以达到滤波的目的。按参与滤波的数据的不同，可分为非递归滤波和递归滤波。

40. 4.2.2.1.1一阶递归滤波 其中，Xk为新采样的生数据，Yk-1为前一次的滤波输出，Yk为这一次的滤波输出，A为滤波系数。 上式是一迭代公式，其初值为Y0 = X0，A的取值范围为0≤A＜1，A值的取值大小决定了滤波输出是重视本次采样，还是重视以前的采样，当A = 0时不进行数字滤波。用上式作滤波处理，会造成输出与输入信号之间的相位滞后，故又称一阶滞后滤波。

41. 4.2.2.1.2 限幅滤波法 对于缓慢变化量如温度、水位等，根据实际经验确定出两次采样输入信号幅值可能出现的最大偏差Y，通过程序判断确定本次滤波输出。输出判据如下： 若|Xk- Yk-1|≤Y，则Yk = Xk 若|Xk- Yk-1|＞Y，则Yk = Yk-1 此法对滤去脉冲性干扰十分有效。

42. 4.2.2.1.3 算术平均滤波法 是将N个采样值相加，然后取其算术平均值作为本次滤波输出值。计算公式如下： 其中，Yk为第k次滤波输出值，Xi为第i次采样值，N为采样次数。 此法可以有效地消除随机误差，对周期性等振幅干扰也有较明显的滤波效果。 算术平均滤波法中每计算一次滤波输出值，需要N帧数据，N值取得大，虽然平滑滤波效果好，但滤波输出刷新周期会变长，实时性降低。因此在采样周期较长或要求数据刷新速度较高的实时系统中，不能采用，而采用改进方法—递推平均滤波法。

43. 4.2.2.1.4递推平均滤波法 在存贮器中开辟一能存贮N个数据的缓冲区，该缓冲区中的数据采用先进先出（FIFO）的方法刷新数据，使缓冲区中存放的始终是最新的N个数据，再采用算术平均方法计算。 式中，Yk为第k次滤波输出值，Xk-i为从第k次向前递推i次的采样值，N为递推平均项数。

44. 在采样过程中，往往会遇到尖脉冲干扰，这种干扰常使个别采样数据远离真实性。如果直接用上式计算会将失真数据带入滤波输出结果中。因此在求平均之前，先剔除N个待求平均的数据中最大值和最小值，再对余下的N-2数据求平均，这样既滤去了脉冲干扰又滤去了随机干扰。将上式作进一步修改，可得到防脉冲干扰的递推平均滤波方法。在采样过程中，往往会遇到尖脉冲干扰，这种干扰常使个别采样数据远离真实性。如果直接用上式计算会将失真数据带入滤波输出结果中。因此在求平均之前，先剔除N个待求平均的数据中最大值和最小值，再对余下的N-2数据求平均，这样既滤去了脉冲干扰又滤去了随机干扰。将上式作进一步修改，可得到防脉冲干扰的递推平均滤波方法。

45. 4.2.2.1.5 中位值滤波法 也是一种滤除脉冲干扰的方法，它是将N个采样数据按大小顺序排列，取中间的值作为滤波输出值。

46. 4.2.2.2 死区计算 监控装置中遥测量的采集工作是不间断地循环进行着，并需要将遥测数据上送至调度中心。这些遥测量并不是随时随刻都在大幅度变化，而大多数遥测量在某一时间内变化是缓慢的。如果要将这微小的变化不停地送往调度中心，会增加各个环节的负担，同时对调度运行人员观测运行状态也无益。

47. 4.2.2.3 乘系数（标度变换） 一次系统的电量信号都是高电压、大电流信号，必须经过电压互感器（PT）和电流互感器（CT）变换成100V和5A（1A）的二次系统的交流信号。这些信号再经过电量变送器（电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等变送器），变换成0~±5V 或0~5V直流信号，最后经过A/D转换后，得到数字量。 这个数字量是无量纲的，它可以对应电压、电流、有功、无功，也可以对应不同母线的电压、不同线路的电流、有功、无功。而实际上，某一个数字量和某一个实际量是唯一对应的，并且是一一对应的。将数字量转换为实际量，称为标度变换。 回过头再看看信号的变换过程，互感器、变送器、A/D转换器都是线性变换。实际上，实际量与数字量的标度变换就是一个系数关系，这种变换又称为乘系数。

48. 为了尽量提高测量精度，一般以实际量的满量程值对应数字量的满码值。因此标度变换系数K为为了尽量提高测量精度，一般以实际量的满量程值对应数字量的满码值。因此标度变换系数K为 其中，SMAX为实际量的满量程值，DMAX为数字量的满码值（全“1”码） 还有另外一种计算标度变换系数K的方法 其中，KH为互感器的变换系数，KB为变送器的变换系数，KD为A/D转换器的变换系数。 确定了标度变换系数K，只要得到A/D转换后的数字量D，就可以计算出实际量S

49. 4.2.2.4 二—十转换 标度变换后的数据已经代表了遥测量的实际值，但此数据是以二进制数表示的。在某些场合，还希望再转换为十进制数，这就需要进行二—十转换。 这里的十进制实际上还是采用二进制数来表示，一个十进制数用4位二进制数的前10个状态表示十进制的09，后6个状态无效，这些二—十进制代码称为BCD码。标度变换后的数据可能有整数和小数两部分，在进行二—十转换时对整数和小数的处理方法不同，应分别对待。

50. 对于整数的二—十转换应先确定二进制数可能对应的十进制数的最高位数，例如：12位二进制数若转换为十进制数，最高只能是千位。用待转换的二进制数不断减去1000，并对减的次数计数。至不够减时，则计数值为千位数，余数再不断地减去100，并对减的次数计数，至不够减时，计数值为百位数，如此类推可得十位数和个位数。也可用除法指令，通过除法运算得到二—十转换的结果。对于整数的二—十转换应先确定二进制数可能对应的十进制数的最高位数，例如：12位二进制数若转换为十进制数，最高只能是千位。用待转换的二进制数不断减去1000，并对减的次数计数。至不够减时，则计数值为千位数，余数再不断地减去100，并对减的次数计数，至不够减时，计数值为百位数，如此类推可得十位数和个位数。也可用除法指令，通过除法运算得到二—十转换的结果。 对小数的二—十转换则采用“乘10取整”的方法。将二进制小数乘10，得到的整数部分为十进制小数小数点后的第一位，再将余下的小数乘10，得到的整数部分为小数点后的第二位，如此下去，可得第三位、第四位等等。