电力经典资料变电站自动化基础知识.ppt

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1、2023/11/3,1,变电站综合自动化系统,黄益庄教授地址：清华大学西主楼三区216室清华大学电机工程系电话：（010）62784706,2023/11/3,2,内容提要,第1章 变电站综合自动化的基本概念第2章 变电站自动化系统的功能第3章 变电站自动化系统的结构第4章 数字量的输入、输出第5章 模拟量的输入、输出第6章 变电站自动化系统的数据通信第7章 变电站与调度中心的通信标准,2023/11/3,3,第1章 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 1.2 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,2023/11/3,4,1.1 变电站自

2、动化是技术发展的必然趋势,1.1.1 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。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指出：坚持全国联网、西电东送、南北互联的发展方向不动摇。并且要做到系统联网，可靠水平不降低。我国水力资源主要集中在西部和西南部，这两地区可开发电量占全国82.9%；煤炭资源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，这两地区的经济总量占全国82%，电力消费占78%。这种差异，决定了电力工业发展必须实行西电东送、南北互供、全国联网的战略。要做到全国联网后，供电可靠性水平不降低，加强发电厂、变电站的安全、可靠运行

3、、提高其自动化水平很为重要。,2023/11/3,5,1.1 变电站自动化是技术发展的必然趋势,ii)常规的变电站存在的问题 安全性、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。供电质量缺乏科学的保证。不利于提高运行管理水平。维护工作量大，设备可靠性差。占地面积大，增加征地投资。,2023/11/3,6,1.1 变电站自动化是技术发展的必然趋势,1.1.2科学技术的发展，为发展变电站自动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的发展密切相关。变电站自动化发展过程有三个阶段：(1)变电站分立元件的自控装置阶段。*电磁式的自动装置*晶体管式的自动装置*集成

4、电路式的自动装置,2023/11/3,7,1.1.2科学技术的发展，为发展变电站自动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。计算机工业的发展，尤其是20世纪70年代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。这阶段厂站自动化的特点：形成变电站内的 自动化孤岛。(3)变电站综合自动化的发展，全面促进变电站技术水平和运行管理水平的提高。,2023/11/3,8,1.2 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 国外变电站自动化的研究工作始于20世纪70年代。70年代末，英、西德、意大利、澳大利亚等国新装的远动

5、装置都是微机型的。变电站综合自动化的研究工作，于70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，研究配电变电站数字控制系统。1979年9月完成样机，称为SDCS-1型，12月在变电站安装运行，1980年开始商品化生产。SDCS-1型由13台微机组成。如图，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。该变电站具有3台变压器，4回77kV进线，36回6.6kV馈电线路。,2023/11/3,9,1.2 变电站综合自动化的发展过程,图 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,2023/11/3,10,SDCS1按功能分为3个子系

6、统：（1）继电保护子系统（2）测量子系统（3）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来越多，例如，德国西门子公司、ABB公司、AEG公司、GE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。1995年西门子公司的变电站自动化系统LSA678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,2023/11/3,11,1.2.2 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80年代中期。1987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统。该

7、系统由3台微机组成，其系统结构如图。1987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35kV/10kV城市变电站，有2回35kV进线，2台主变，8回10kV出线，2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、中央信号等任务。按功能分为3个子系统：（1）安全监控子系统；（2）微机保护子系统；（3）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，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。90年代中期后，综合自动化系统迅速发展。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

8、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系统到90年代，成为热门话题。,1.2 变电站综合自动化的发展过程,2023/11/3,12,1.2 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,图 变电站微机监测、保护综合控制系统框图,2023/11/3,13,1.3 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 西欧、北美、日本等发达国家的绝大多数变电站，包括许多500kV、380kV的变电站也都实行无人值班。例如：巴黎，1985年建立新一代的计算机自动管理系统，所有225/20kV变电站都由调度中心集中控制。调度室可掌握所有225/20

9、kV变电站及20kV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、中小型水电站，例如，到1980年止，意大利ENEL公司的474个水电站中，无人值班达408个，法国EDF公司450个水电站中，有403个无人值班占90%。,2023/11/3,14,1.3.2国内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。只适合不重要的35KV变电站。2.20世纪60年代，进入了远方监视的无人值班阶段。3.20世纪80年代后期，无人值班技术又上了一个台阶。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

10、的提高。4.国家电力调度通信中心于1993年12月28日发布了调自 1994 2号文件关于在地区电网中实施变电站遥控和无人值班的意见。该文件明确指出实行变电站遥控和无人值班是可行的，是电网调度管理的发展方向，并明确指出各单位要积极稳妥地开展此项工作，要根据当地的实际情况，因地制宜，统筹安排，综合考虑，做好规划，逐步实施。根据需要有些地区可考虑新建变电站一步到位，即按无人站设计建设，尤其是地区变电站。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。,2023/11/3,15,1.3.3 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 不仅发达地区、人口密集经济发展的地区需要发展

11、无人值班变电站；人口密度少、经济不甚发达的边远地区，发展无人值班也很重要。(2)提高运行的可靠性，减少误操作率。(3)提高经济效益和劳动生产率(4)降低变电站建设成本。,2023/11/3,16,1.3.4 变电站综合自动化全面提高无人值班变电站的技术水平,（1）提高了变电站的安全、可靠运行水平。（2）提高电力系统的运行、管理水平和技术水平（3）缩小变电站占地面积，降低造价，减少总投资。（4）提高供电质量，提高电压合格率，降低电能损耗。（5）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能，装置内部有故障，能自动显示故障部位，缩短了维修时间。,2023/11

12、/3,17,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,2023/11/3,18,2.1 变电站自动化系统的内涵(1),20世纪 80年代和90年代中期，国内都把上述功能的系统称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。国外发表的文章也称“综合自动化”，或一体化的变电站控制与保护。国际电工委员会（IEC）根据国际上变电站自动化系统发展的情况，于1997年国际大电网会议（CIGRE）W

13、G 34.03工作组在“变电站内数据流的通信要求”报告中，提出了“变电站自动化”（SA，Substation Automation）和“变电站自动化系统”（SAS，Substation Automation System）两个名词。此名词被国际电工委员会的TC 57技术委员会（即电力系统通信和控制技术委员会）在制定的IEC 61850（即变电站通信网络和系统）标准中采纳。我国从20世纪80年代中、后期以来，习惯称之为“变电站综合自动化”和“变电站综合自动化系统”。在IEC 61850变电站通信网络标准中，对变电站自动化系统（SAS）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

14、内的自动化。,2023/11/3,19,2.1 变电站综合自动化的内涵(2),2000年中国电力出版社出版的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次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的重新组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、信号处理技术和通信技术、实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站自动化系统，是利用多台微型计算机（包括单片机等）和大规模集成电路组成的分级分布式的自动化系统，它以微计算机为基础，实现对变电站传统的继电保护、测量手段、控制

15、方式以及通信和管理模式的全面改造。变电站综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化、通信网络化等特征。,2023/11/3,20,2.2 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,2023/11/3,21,2.2.1 数据采集内容,（1）模拟量的采集（2）开关量的采集（3）事件顺序记录（SOE）（4）电能量的采集,2023/11/3,22,模拟量的采样方式,*电力系统和电厂、变电站中的模拟量

16、有三种类型。*采样方式:一般可分为直流采样和交流采样两种类型。1.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流电压信号，再送至AD转换器进行转换；即AD转换器采样的模拟量为直流信号。2.交流采样 交流采样是相对直流采样而言，即指对交流电流和交流电压采集时，输入至AD转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率，大小成比例的交流电压信号。如下页图2.1。在交流采样方式中，对于有功功率和无功功率，是通过采样所得到的u，i,计算出P，Q。,2023/11/3,23,图2.1 交流电压电流输入通道结构框图（a）电压输入通道（b）电流输入通道,2023/11/3,24,2.2.2.3

17、两种采样方式的比较 1直流采样的特点 2交流采样的主要特点2.2.2.4 采样定理 一个随时间连续变化的物理量f(t)，如图2.2（a），经过采样后，得到一系列的脉冲序列f*(t)，它是离散的信号，被称为采样信号，如图2.2(c)。根据香农（Shannon）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fmax，只要按照采样频率f2 fmax进行采样，那么所给出的样品系列,，就足以代表（或恢复）f(t)了，实际应用中常采用f(510)fmax。,2023/11/3,25,图 2.2 采样过程,2023/11/3,26,安全监控功能,1.对采集的模拟量不断进行越限监视，如发现越限

18、，立刻发出告警信息，同时记录和显示越限时间和越限值，并将越限情况远传给调度中心或控制中心。2.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。3.将监视结果及时传送给调度中心，并接收和执行调度中心下达的各种命令。,2023/11/3,27,2.2.4 操作与控制功能,无论当地操作或远方操作，都应有防误操作的闭锁措施。断路器的操作闭锁应包括以下内容:(1）断路器操作时，应闭锁重合闸；（2）当地进行操作和远方控制操作，要互相闭锁。（3）根据实时信息，自动实现断路器与隔离开关必要的闭锁操作。(4)其他,2023/11/3,28,人机联系功能,1.人机联系桥梁：显示器、鼠标和键盘。2CRT或液晶显

19、示器显示画面的内容（1）显示采集和计算的实时运行参数（2）显示实时主接线图（3）事件顺序记录（SOE）（4）越限报警显示（5）值班记录显示（6）历史趋势显示（7）保护定值和自控装置的设定值显示。（8）其它：故障记录显示、设备运行状况显示等。3.输入数据（1）TA、TV变比（2）保护定值和越限报警定值（3）自控装置的设定值（4）运行人员密码,2023/11/3,29,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，完成以下打印记录功能:定时打印报表和运行日志；开关操作记录打印；事件顺序记录打印；越限打印；召唤打印；抄屏打印；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

20、站的运行 报表，集中在控制中心打印输出。对时功能配备GPS卫星同步时钟装置、与调度统一时钟。,2023/11/3,30,2.3 微机保护子系统,2.3.1 继电保护的基本任务2.3.2 对继电保护的基本要求微机保护子系统内容微机保护的优越性,2023/11/3,31,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、自动地切除，使其损坏程度减至最轻，并保证最大限度地迅速恢复系统中无故障部分的正常运行。（2）反应电气设备的异常运行工况，根据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出报警信号，减负荷或延时跳闸信号。（3）根据实际情况，尽快自动恢复停电部分的供电。,2023/11/3,3

21、2,2.3.2 对微机保护子系统要求,（1）满足可靠性、选择性、快速性、灵敏性的要求（2）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。（3）具有故障记录功能（4）察看和授权修改保护整定值方便（5）具有故障自诊断、自闭锁和自恢复功能（6）具有对时功能（7）具有通信功能和标准的通信规约。,2023/11/3,33,2.3.3 微机保护子系统的内容,在变电站综合自动化系统中，微机保护应包括全变电站主要设备和输、配电线路的全套保护。2.3.4.微机保护优越性（1）灵活性强（2）稳定性好（3）利用微机的记忆功能，可改善保护性能（4）体积小，功能全。,2023/11/3,34,2.4

22、电能量计算子系统,电能量包括有功电能和无功电能。电能量的采集和管理是变电站综合自动系统的重要组成部分。2.4.1 电能计量装置的发展历程变电站自动化系统对电能量计量系统的管理模式,2023/11/3,35,2.4.1电能计量装置的发展历程,机械式的电能表 电能表的出现和发展已有100多年的历史了。大家最熟悉的感应式电能表。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，最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，即对原来感应式的电能表加以改造。电子式电能表由硬件乘法器完成对u,i相乘得到功率的测量，由于它没有传统的电能表上的旋转机构，因此又被称为静止电能表或固态电能表。,2023

23、/11/3,36,微机型电能表按其原理分，主要有两大类型。（1）利用单片机或DSP（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u和i,通过软件计算P、Q，以及 kWH和 kVarH等量。（2）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16位、18位的高分辨率A/D转换器，因此计量准确度高。几种特殊功能的新型电能表（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（2）基波电能表(3）多功能视在电能表 软件计算电能量,2023/11/3,37,变电站自动化系统对电能量计量系统的管理模式,2.4.2.1 设置专用电能质量管理机 串行接口管理

24、模式 一般新建的变电站或220kV及以上变电站，多采用微机型电能表，它们一般都具有RS 232/RS 485串行通信接口，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RS 485网络。监控机可直接通过串口与电能表的485网相联接，对电能计量进行管理。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RS 485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。,2023/11/3,38,2.5 自动控制子系统,2.5.1 变电站的电压、无功综合控制2.5.2 备用电源自投控制2.5.3 低频减负荷控制,2023/11/3,39,2.5.1

25、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2.5.1.2 电压、无功综合控制目标（1）维持供电电压在规定的范围内 500kV(330kV)变电站的220kV母线 正常时，0+10%；事故时，-5%+10%。220kV变电站的35 110kV母线 正常时，-3%+7%；事故时，10%。配电网的10kV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 原则（3）电压、无功综合控制的手段 调分接头位置 控制无功补偿设备 两者综合考虑,2023/11/3,40,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

26、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,2023/11/3,41,（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,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.,）。,2023/11/3,42,2.5.1.4 电力系统的电压、无功综合控制的方式,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 微机电压、无

27、功综合控制装置硬件结构,2023/11/3,43,2.5.1.5 MVR-III型微机电压、无功综合控制装置硬件结构,2023/11/3,44,2.5.2 低频减负荷控制,1.电力系统发生频率偏移原因2.电力系统频率降低危害3.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，分为基本级和特殊级两大类。一般低频减载装置基本级可以设定5轮或8轮。4.低频减负荷的实现方法 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,2023/11/3,45,5 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，有计划的切除负荷，有效地防止系统频率下降危险点以下。(2)切降的负

28、荷应尽可能少，应防止超调和悬停现象。(3)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。(4)电力系统发生低频振荡或谐谐波干扰时，不应误动。,2023/11/3,46,2.5.3备用电源自投控制,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、母联备自投和备用变压器自投等。,2023/11/3,47,2.6 谐波分析与监视功能,正弦波形畸变指标 谐波源分析 电力系统谐波监测方法2.6.4 电力系统中谐波的抑制,

29、2023/11/3,48,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和电流波形的畸变指标。我国谐波国家标准电能质量公用电网谐波（GB/T 1454993）规定我国公用电网谐波电压的允许值见表2-1。,正弦波形畸变指标,2023/11/3,49,表2-1公用电网谐波电压（相电压）的允许值,2023/11/3,50,2.6.2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；二是用电设备产生谐波。（1）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。如表2.2所示。（2）电气化铁路 电力机车是大谐波源，又是单相大负荷，造

30、成三相负荷不平衡。（3）电弧炼钢炉 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，引起电网电压波形严重畸变。（4）家用电器 家用电器如收音机、电视机、电风扇、空调等都会产生谐波，彩色电视机产生的谐波比黑白电视机更严重，主要是3，5，7，9次谐波。（5）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，给电网造成大量的谐波。（6）变频装置,2023/11/3,51,表2.2 配电变压器励磁电流中的HRIn。,2023/11/3,52,表2.3 电视机产生的HR In,2023/11/3,53,2.6.3 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电设备、对接入电力系

31、统的用电设备都产生不良的影响，甚至影响电力系统的自动装置、继电保护装置和测量装置的正常工作。（1）谐波对交流电机的危害（2）谐波对变压器和输电线路的危害（3）谐波对电容补偿装置的危害（4）谐波对继电保护和自动控制的干扰（5）谐波影响计量仪表与检测仪表误差增大。（6）谐波对通信系统的影响。,2023/11/3,54,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制的主要依据。（1）谐波监测的主要目的（2）谐波监测点的选择（3）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的一种方法。,2023/11/3,55,电力系统中谐波的抑制,2.6.5.1 合理利用电气设备抑制谐

32、波 对谐波源本身采取措施，使其少产生或不产生谐波，从源头上加以抑制。（1）不断提高发电机设计制造质量，从发电源头上减少谐波；（2）电力变压器的绕组尽可能采用D，y或Y,d 接法，可有效抑制3的倍数的谐波流入电网；（3）在变电站装设的无功补偿电容器上，采用串联一定比例的电抗器的方法，以抑制3，5，7次谐波；,2023/11/3,56,2.6.5.2 利用交流滤波器抑制谐波（1）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)有源电力滤波器 有源电力滤波

33、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。,2023/11/3,57,2.7 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

34、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。,2023/11/3,58,2.8 变电站综合自动化系统的特点,2.8.1 功能综合化2.8.2 分级分布式、微机化的系统结构2.8.3 测量显示数字化2.8.4 操作监示屏幕化2.8.5 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。,2023/11/3,59,第3章 变电站自动化

35、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,2023/11/3,60,3.1.1 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。,2023/11/3,61,2023/11/3,62,（1）过程层（Process l

36、evel）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）间隔层（Bay level）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）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：,2023/11/3,63,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

37、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。,2023/11/3,64,3.2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,2023/11/3,65,3.2.1 集中式结构,2023/11/3,66,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

38、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。,2023/11/3,67,3.2.2 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),2

39、023/11/3,68,3.2.4 分布分散式的变电站自动化系统结构模式,2023/11/3,69,3.2.4.1 系统结构特点图3.5所示的自动化系统，可适用于超高压的变电站，系统采用分层、分布、分散式的结构。按一次设备的电压等级分别以小室方式分散布置。（1）变电站层是一个双光纤网的计算机监控与远动通信系统。（2）变电站内的各IEDs的通信网络采用现场总线，IEDs按不同的电压等级，组成相应的现场总线网，然后经规约转换和光电转换，通过光纤组成双光纤以太网与变电站层的各工作站通信。3.2.4.2 分布分散式结构的优越性（1）显著地缩小了变电站主控室的面积。（2）二次设备与一次设备就近安装，节省

40、了大量的连接电缆。（3）减少了现场施工和设备安装的工程量。（4）分层分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便。（5）节约了占地面积和施工工期，减少了投资。,2023/11/3,70,第4章数字量的输入/输出（1）,4.1 概述 变电站综合自动化系统中，要采集的信息有：模拟量、开关量、脉冲量和广义读表数。4.2 输入/输出信息的组成（1）数字信息（2）状态信息（3）控制信息4.3 输入/输出的传送方式（1）并行传送（2）串行传送,2023/11/3,71,第4章数字量的输入/输出（2）,4.4 CPU对输入/输出的控制方式 1.同步传送方式（无条件程序传送方式）见图4.2、图4.32.查询传送方式

41、（条件程序传送方式）3.中断控制输入/输出方式4.直接存储器访问方式（DMA方式）4.5 开关量输入/输出接口电路 4.5.1 开关量输入接口电路,见图4.17、图4.18 4.5.2 开关量输出接口电路,见图4.19、图4.204.6 开关量输入/输出的抗干扰措施,2023/11/3,72,第4章数字量的输入/输出（3）,4.4 CPU对输入/输出的控制方式,图4.1 典型的I/O接口电路,图4.2 典型的I/O接口电路,2023/11/3,73,第4章数字量的输入/输出(4),4.4 CPU对输入/输出的控制方式,图4.3 同步传送输出方式,2023/11/3,74,第4章数字量的输入/输

42、出(5),4.5.1 开关量输入/输出接口电路,图4.18 八开关量输入接口电路,2023/11/3,75,第4章数字量的输入/输出(6),3.5.2 开关量输出接口电路,图4.20 八个开关量输出接口电路,2023/11/3,76,第4章数字量的输入/输出(7),4.6 开关量输入/输出的抗干扰措施4.6.1 光电隔离,见图4.21、图4.24.6.2 继电器隔离,见图4.234.6.3 继电器和光电耦合双重隔离,2023/11/3,77,第4章数字量的输入/输出(8),4.6.1 光电隔离,图4.22,2023/11/3,78,第4章数字量的输入/输出(9),4.6.2 继电器隔离,图4.

43、23,2023/11/3,79,第5章 模拟量的输入、输出(1),电力系统中的电流、电压、有功功率、无功功率、频率、水位、温度等均属模拟量。模拟量都是随时间连续变化的物理量。5.1 模拟量输入/输出通道组成5.1.1 模拟量输入通道由以下几部分组成：见图5-1 1.传感器2.信号处理环节3.多路模拟开关 4.采样保持器 5.模/数（A/D）转换器5.1.2 模拟量输出通道组成,2023/11/3,80,第5章 模拟量的输入、输出(2),5.1 模拟量输入/输出通道组成,2023/11/3,81,第5章 模拟量的输入、输出(3),5.2 A/D转换器的主要技术性能（1）分辨率：分辨率反映A/D转

44、换器对输入模拟信号微小变化响应的能力，通常以数字量输出的最低位（LSB）所对应的模拟输入电平值表示。N位A/D转换能反映1/2n满量程的模拟量输入电压。一般用A/D转换器输出数字量的位数来表示分辨率。表51,2023/11/3,82,第5章 模拟量的输入、输出(4),5.2 A/D转换器的主要技术性能（2）准确度：绝对误差：对应一个数字量的实际模拟量的值和模拟量的理论值之差，为绝对误差。用数字量的最小有效位表示。例如：1/2LSB,1LSB 相对误差：(相对误差/满量程的模拟量）100%（3）转换时间：完成一次A/D转换所需的时间。例如：AD574A的转换时间为25 35 sAD1674A的转

45、换时间为10s MAX 125的转换时间为3.5 13 s（4）量程：A/D转换器所能转换的模拟输入电压的范围 单极性：0 5 V，0 10 V，0 20 V，双极性：2.5 2.5 V,5 5 V,10 10 V,2023/11/3,83,第5章 模拟量的输入、输出(5),（5）输出逻辑电平：多数为TTL电平，即0 5V（6）工作温度范围：民用品为：0 70工业级为：20 85军用品为：55 125,2023/11/3,84,第5章 模拟量的输入、输出(6),5.3多路转换器（模拟多路开关）多路开关的作用和要求,见图5.12 1.作用：（1）“多选一”（2）“一到多”2.要求：（1）接通时，

46、电阻尽量接近于0（2）断开时，电阻尽量接近（3）切换时间要快（4）噪声要小（5）寿命要长常用的多路开关集成电路芯片1.AD75018选1 2.AD750616选13.CD40518选11到8 4.CD4067 16选11到16,2023/11/3,85,第5章 模拟量的输入、输出(7),多路开关的作用和要求,图5.12 多回路分时共用A/D、D/A转换器,2023/11/3,86,第5章 模拟量的输入、输出(8),5.4采样保持器的作用（1）保证转换时的误差在A/D转换器的量化误差内（2）实现多个模拟量的同步采样,图,2023/11/3,87,第5章 模拟量的输入、输出(9),5.4.2 采样

47、保持器的工作原理,图5.12 采样保持器的基本组成电路,2023/11/3,88,第6章 变电站自动化系统的数据通信,变电站自动化系统的通信分两大部分：1)变电站内的信息传输。2)变电站自动化系统与调度中心或控制中心的通信。,2023/11/3,89,6.1 变电站内的信息传输,在具有变电站层间隔层（单元层）过程层（设备层）的分层分布式自动化系统中，需传输的信息有以下几部分:6.1.1 过程层与间隔层的信息交换过程层提供的信息主要有两种：模拟量 状态信息，主要为断路器或间隔刀闸的辅助触点。6.1.2 间隔层内设备间的通信间隔层设备间内部通信，主要解决两个问题：数据共享 互相闭锁,2023/11

48、/3,90,6.1 变电站内的信息传输,间隔层与变电站层的通信间隔层和变电站层的通信内容很丰富，概括起来有以下4类：测量信息 状态信息 操作信息 参数信息6.1.4 变电站层的内部通信变电站层不同设备间的通信，根据各设备任务和功能的特点，传输所需的测量信息、状态信息和操作信息等。,2023/11/3,91,6.2 变电站自动化系统的信息传输网络,6.2.1 变电站自动化系统通信网络的要求 快速的实时响应能力 高的可靠性 优良的电磁兼容性能 分层式结构,2023/11/3,92,6.2 变电站自动化系统的信息传输网络,6.2.2串行通信接口EIA-RS-232C和EIA-RS-422/485 1

49、.EIA-RS-232C接口标准EIA-RS-232接口标准是早期串行通信接口标准。是美国电子工业协会（EIA）于1973年制定的数据传输标准接口。因接口简单，因此也广泛应用于变电站综合自动化系统内部的通信，但其主要缺点是易受干扰，故传输距离短，速率低，最大传输距离为15米。而在距离15米时，最大传输速率为20Kbps。2.EIA-RS 422/485 接口标准RS422对RS323C的电路进行改进，采用了平衡差分的电气接口，RS422加强了抗干扰能力，使传输速率和距离比RS232有很大的提高。由RS422标准变形为RS485。RS422用4根传输线，工作于全双工，RS485只有两根传输线，工

50、作于半双工，它们的传输距离可到1200M，传输速度100K。,2023/11/3,93,6.2 变电站自动化系统的信息传输网络,表6-1 几种常用的串行通信标准接口的主要性能,2023/11/3,94,6.2 变电站自动化系统的信息传输网络,RS422/485的优点：接口简单，仅需一根信号电缆（双绞线、同轴电缆），便可实现多节点互联。可采用标准传输规约，例如：IEC60870-5-103协议（我国行标为DL/T 667-1999）由于以上优点，间隔层设备间的通信以前常采用RS-232或RS-485串行接口。RS422/485缺点：能连接的通信点数32个。通信多为查询方式,2023/11/3,9