220kV变电站综合自动化设计毕业设计.docx
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220kV变电站综合自动化设计毕业设计
设计(论文)题目:
220kV变电站自动化研究
摘要
随着我国科学技术的发展,特别是计算机技术的进步,电力系统对变电站的更要求也越来越高。
所谓最新的变电站综合自动化,就是广泛采用微机保护和微机远动技术,分别采集变电站的模拟量、脉冲量、开关状态量及一些非电量信号,经过功能的重新组合,按照预定的程序和要求实现变电站监视、测量、协调和控制自动化的集合体和全过程,从而实现数据共享和资源共享,提高变电站自动化的整体效益。
本设计讨论的是220kV变电站综合自动化的设计。
首先对原始资料进行分析,在采用电力数据数据网系统作为整个变电站的通讯支撑的基础上进行监控系统、继电保护保护信息管理系统的设计,选择设备,然后进行防雷接地以及信息安全的设计。
关键字:
计算机监控;继电保护信息管理;远动通信。
第一章综合自动化概述及其特点···························5
第一节变电站综合自动化的结构形式····················5
第二节变电站综合自动化系统的主要功能················6
第二章变电站监控系统的设计·····························8
第一节概述··········································8
第二节综合自动化技术应用····························8
第三节系统功能介绍·································10
第四节系统主要技术参数·····························12
第五节存在问题·····································12
第六节总结·········································13
第三章继电保护及故障信息管理系统······················14
第一节概述·········································14
第二节系统设计目标·································14
第三节硬件平台·····································14
第四节软件系统设计·································16
第五节典型系统简介·································21
第六节主要技术特点·································22
致谢····················································24
参考文献················································25
前言
变电站对电力的生产和分配起到了举足轻重的作用,学习和了解变电站的结构和运行对电力资源的可持续发展垫下了基础。
随着经济的快速发展,我国电力需求迅速增长,由于产业结构调整和居民生活水平的提高,第三产业和居民生活用电比重上升,制冷制热负荷大幅度增加,使得电网规模不断扩大,高电压、大机组、长距离输电、电网互联的趋势,使电网结构越来越复杂。
常规变电站的二次部分主要由四大类装置组成:
继电保护、故障录波、就地监控和远动。
在微机化以前,这些装置不仅功能不同,实现的原理和技术也完全不同,因而长期以来形成了不同的专业和相应的技术管理部门。
近年来,开始采用微机型继电保护装置、微机型故障录波器、微机监控和微机远动装置。
这些装置尽管功能不一样,其硬件配置却大体相同,除微机系统本身以外,无非是对各种模拟量的数据采集以及I/O回路,并且装置所采集的量和要控制的对象还有许多是共同的,因而显得设备重复,互联复杂。
人们自然提出这样一个问题,是否应该从全局出发来考虑全微机化的变电站二次部分的优化设计,提高变电站的可控性,更多的采用远方集中控制、操作、反事故措施等,提高劳动生产率,减少人为误操作的可能,提高运行可靠性,这就是变电站综合自动化的来历。
变电站的综合自动化由电脑继电保护和监控系统组成。
最明显的特征有以下四个方面:
1、功能综合化。
2、结构电脑化。
3、操作监视屏幕化。
4、运行管理智能化。
变电站的总体结构采用分布式结构,引入计算机局域网(LAN)技术,将站内所有的智能化装置(IED)连接起来。
变电站综合自动化应该改变常规的保护装置不能与外界通信的缺陷,取代常规的测量系统,如变送器、录波器、指针式仪表等;改变常规的操作机构,如操作盘、模拟盘、手动同期及手控无功补偿等装置;取代常规的告警、报警装置,如中央信号系统、光字牌等;取代常规的电磁式、机械式防误闭锁设备;取代常规的远动装置等。
计算机技术、通信技术、信息技术惊人的发展,为变电站综合自动化开辟了广阔的前景。
变电站综合自动化系统能够大大地提高整个电网运行的安全性和经济效益已经形成共识,其目标应实现变电站的小型化、无人化的高可靠性。
综合自动化技术始终追随着计算机技术的发展而发展,计算机和通信技术发展中的任何一种新技术都很快会在变电站综合自动化中找到它的位置。
第一章
综合自动化概述及其特点
现代变电站综合自动化是二次设备完全用计算机实现对一次设备的安全运行监视与记录、安全操作监视、系统故障记录、故障分析、继电保护等多方面自动化的综合。
其结构可以是一个功能一套设备,也可以是一体的或多机一体分层分布的。
从某种角度上可以说,变电站的综合自动化由计算机继电保护和监控系统两大部分组成。
变电站综合自动化最明显的特征有以下四个方面:
(1)功能综合化.变电站综合自动化技术是从建立在计算机硬件技术、数据通信技术、模块化软件技术的基础上发展起来的。
它综合了变电站内除交直流以外的全部二次设备。
计算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;计算机保护和监控系统一起还综合了故障录波和故障测距、小信号接地等装置。
(2)结构电脑化。
分布式、多CPU综合自动化系统内各主要插件全是计算机化的,采用分布式结构,网络总线连接。
计算机保护、数据采集、监视控制等环节的CPU群构成了一个有机整体,以实现各种功能。
一个系统往往有几个甚至几十个电脑同时并行运行。
(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远方调度室或操作中心内面对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所代替;常规庞大的模拟屏被CRT屏幕上的实时接线画面所取代;常规在操作屏上进行的跳合闸操作被计算机键盘或鼠标操作所取代;常规光字牌报警被CRT屏幕画面闪光和文字提示所取代。
简而言之,面对计算机的彩色可以窥视若大变电站内的瞬变万化。
(4)运行管理智能化。
变电站综合自动化另一个特征是运行管理智能化。
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。
这是区别常规二次系统的重要特征。
简言之,常规二次系统只能检测一次设备,而对自己本身的故障诊断困难,必须更多的靠维护人员去检查发现;综合自动化系统不仅检测一次设备还时刻检查自己是否有故障,这就充分体现了其智能化。
一、变电站综合自动化的结构形式
归纳起来,变电站综合自动化系统的结构模式有集中式、分布分散式和分布式结构集中式组屏三种类型。
集中式的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,如下图所示。
这种方式提出得较早,主要受条件限制,当时计算机技术、网络通信技术还没有发展,这种方式可靠性差,功能也有限,很难推广应用。
打印机调度所/控制操作中心
入出控制回路
随着计算机特别是单片机技术、网络技术特别是位总线技术的问世,用于变电站所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、控制单元和计算机保护单元就地装在开关柜内或其他一次设备附近就地安装,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,如下图所示。
这种系统最大的优点就是节省电缆,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适合。
另一种形式是分布式结构集中式组屏,这种方式在中低压变电站用得最多,。
这种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,比分散式就地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。
打印机或调度所/控制操作中心
其它接口光缆或电缆
TV/TA操作TV/TA操作TV/TA保护TV/TA保护
状态信号回路状态信号回路状态信号出口状态出口
油温
分布分散式综合自动化系统结构
二、变电站综合自动化系统的主要功能
变电站综合自动化主要包括安全监控、计算机保护、开关操作,电压无功控制、远动、低频减载以及自诊断等功能。
1.监控系统功能
监控系统功能包括数据采集、安全监视、事件顺序记录、电能计算、控制操作、与计算机保护装置通信等。
(1)数据采集与显示。
采集变电站电力运行实时数据和设备运行状态并通过当地或远方的显示器将运行工况以数据和画面两种方式反映给运行人员。
其中,工频模拟量采用计算机交流采样,状态触点方式接入监控系统。
(2)安全监视。
对采集的模拟量、状态量及保护信息进行自动监视。
当有被测量越限、保护动作、非正常状态变化、设备异常时,能及时在当地或远方发出音响或语音报警、推出报警画面、显示异常区域,为运行人员提供处理故障所需的全部信息,事故信息还可存贮和打印记录,供事后分析故障原因用。
(3)事件顺序记录。
变电站发生故障时,对异常状态变化的时间顺序进行自动记录、存贮、远传。
时间顺序记录分析率一般小于5ms,高压变电站可提高到小于1ms.
(4)电能计算。
系统可实现对采集的电能量分时统计,旁路代送时可自动实现电量的累加。
(5)控制操作。
系统可实现对断路器、隔离开关的开、合控制和变压器分接头的调整控制,具有防误操作措施,为防止系统故障时无法操作被控设备,在设计上应保留人工直接跳合闸手段。
(6)与保护装置通信、交换数据。
向保护装置发出对时、召唤数据命令,传送新的保护定值;保护装置向监控系统报告保护动作参数(动作时间、动作性质、动作值、动作名称等),响应召唤命令回报当前保护定值以及修改定值的返校信息等。
2.计算机保护功能
(1)变压器保护。
利用二次谐波制动的电流差动保护、过电流保护、重瓦斯保护等。
(2)进线线路保护。
一般按用户要求配置。
(3)馈电线路保护。
一般有电流速断保护、定/反时限过电流保护、三相自动重合闸功能。
(4)母线保护。
(5)电容器保护。
包括过压保护和欠压保护、过电流保护、电流差动保护。
(6)用户提出的其他合理的保护配置。
3.电压和无功综合控制
以保证电压合格和优化无功补偿为控制目标,实现对有灾调压变压器分接头和并联补偿电容器组的综合调节和控制,既可提高供电质量,又具有节能的功效,同时具有自动统计电压合格率的功能。
4.远动功能
综合自动化系统具有很强的远动功能,不仅具有实现常规的遥测、遥信遥控遥调、事件记录远传功能,而且还具有保护定值远方监视与修改、故障录波与测距的远方传输功能。
一般综合自动化具有多个远方接口功能,必要时还可服从主站端的通信规约进行非常规的数据通信。
5.系统在线自诊断功能
系统的在线自诊断功能,能自诊断到各设备的插件级。
第二章
变电站监控系统的设计
一、概述
在电力系统内,电力主设备继电保护主要经历了电磁式、晶体管式、集成电路式、微机式保护4个阶段。
特别是21世纪以来,电力工业突飞猛进,整个电力系统呈现出往超高电压等级、单机容量增大、大联网系统方向发展的趋势,这就对电力设备保护的可靠性、灵敏性、选择性和快速性提出了更高的要求。
电力系统相关部门已把变电站自动化作为一项新技术革新手段应用于电力电网,各大专业厂家亦把变电站自动化系统的开发作为重点研发项目,不断地完善和改进,相应地推出各具特色的变电站综合自动化系统,以满足电力系统发展的要求。
所谓最新的变电站综合自动化,就是广泛采用微机保护和微机远动技术,分别采集变电站的模拟量、脉冲量、开关状态量及一些非电量信号,经过功能的重新组合,按照预定的程序和要求实现变电站监视、测量、协调和控制自动化的集合体和全过程,从而实现数据共享和资源共享,提高变电站自动化的整体效益。
随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真、液晶显示、远程监控等技术日趋成熟,以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用,“三化”改造和无人值班变电站的进一步发展,要求变电站综合自动化系统运行高效、实时、可靠,从而提高电网安全稳定运行水平。
继电保护技术未来趋势将是向计算机化,网络化,智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化的方向发展。
新的变电站综合自动化系统,利用组屏取代了常规的仪表屏柜以及一些中央信号装置,经过优化组合成为系统,节省了变电站、控制室和配电室的占地面积,缩短建设工期,提高了变电站的自动化水平,减少人为事故,保证了供电质量,有利于电网安全稳定运行,实现了电力系统的减员增效目标,提高了企业的劳动生产率和经济效益。
现在市场上流通着有各种各样的自动化系统,并且在不断地改进和更新。
我们所熟悉的有北京四方CSC2000变电站综合自动化系统、南瑞继科技BSJ-2200监控系统、国电南自PS6000变电站自动化系统、许继电气CBZ8000变电站自动化系统、深圳南自的ISA300变电站综合自动化系统等。
电压等级不同又有一些功能不一致。
本文主要根据南瑞继保RCS9700变电站综合自动化系统在110kV变电站的最新应用情况进行分析。
针对变电站综合自动化系统的功能设计、结构、性能、安装和试验等方面的技术要求,展开论述。
二、综合自动化技术应用
1.设计原则和特点
变电站一期工程包括:
三卷变1台,绕组电压等级为110kV/35kV/10kV;35kV线路2回,35kV旁路1回;110kV线路1回,110kV旁路1回;10kV部分出线11回,电容器组2组,10kV站用变一台。
综合自动化系统设计过程中始终贯穿着充分保证可靠性这一原则,采用分散分层分布式模块化结构,各保护、测量、控制、通信等各个模块之间既相互独立又互相联系。
2.系统结构
2.1微机监控系统采用分散分层分布式系统。
变电站运行管理为无人值班值守方式。
微机监控系统采用分散分层分布式系统。
(见图1)。
2.2各装置优化组合
主变保护及测控装置、110kV线路保护装置采用分别组屏方式,布置在二次设备室。
35kV馈线、10kV馈线、电容器组站用变等设备采用微机型保护测控一体化装置组屏安装在二次设备室。
其它智能设备可通过通信口接入监控系统。
2.3微机监控系统
微机监控系统分为站级控制层和间隔级控制层,网络按双网配置。
间隔级控制层设备配置双以太网接口。
将采集和处理后的数据信号,经双绞线传输到站级控制层,各间隔级单元相互独立,不相互影响。
站级网络采用基于TCP/IP协议的自适应10/100M双以太网结构(A、B网)。
应用层协议使用DL/T667-1999标准。
2.4系统通讯能力
综合自动化系统具备为双串口、双网络通讯能力,系统配备相关通讯接口及通讯设备。
监控系统与调度SCADA系统能同时实现以串口方式及网络方式同时进行通讯,选用的通讯规约为DL/T634-5-101-2002、DL/T634-5-104-2002和新部颁CDT。
远动通道具备2路数字串口通讯、2路数字模拟通讯、2路网络通讯。
通道具有防雷、过压保护装置。
调制解调器满足CCITT标准的要求,传送电平0~20db可调,接受电平-40~0db,低于-40db发告警信号,通道误码率小于10-5时,调制解调器能正常工作。
其调制方式为FSK。
同步方式为同步或异步可设置,与调度通信方式为异步方式。
3.硬件的配置
3.1监控主机
用标准的、网络的、分布功能和系统化的开放式的硬件结构,满足IEEEPOSIX标准。
测控装置面向对象设计,采用统一的硬件平台、统一的软件平台、统一的数据库管理。
装置采用32位CPU和DSP硬件平台,14位以上高精度模数转换器,采用嵌入式实时操作系统。
利用冗余硬件、自诊断和抗干扰等措施达到高可靠性。
3.2操作员工作、继保工程师工作站
系统配置一台操作员工作站兼作继保工程师站。
能在正常和电网故障时,采集、处理各种二次装置信息,并充分利用这些信息为继电保护运行、管理服务,为分析、处理电网故障提供支持。
继保工程师站具备多路数据转发能力,能通过网络通道向多个调度中心进行数据转发,通信规约符合《中国南方电网继电保护故障信系统通信与接口规范》。
2.3.3系统配置一台微机五防工作站
微机五防工作站为珠海共创电气有限公司微机五防系统,防误操作功能比较完备。
4.电源
系统站级控制层交流电源由在线式UPS供电。
其他交流电源由站用变交流系统提供。
二次设备室的设备由变电站直流系统220V电源供电。
5.设计规划
站级控制层设备按远期规模配置。
三、系统功能介绍
1.系统功能
系统具备较强的故障软化与容错能力,具有系统动态重构能力和一定的冗余措施,在任一单个硬件或软件失效时,能防止系统信息的丢失或影响系统主要功能。
2.微机保护及自动装置
2.110kV、35kV馈线保护装置
包括三段时限电流保护、零序过流,三相一次重合闸、低周减载及操作回路。
能够上传保护定值、故障报告、动作信息、采样数据等,能够在线修改定值。
2.210kV电容器保护装置
包括装设带有时限电流速断、定时过流保护,零序过流,过压和欠压保护,不平衡电压保护不平衡电流保护,温度保护,远方管理等功能。
2.3主变压器保护装置
主变压器保护装置=主保护+后备保护+本体非电量保护。
主保护装置与后备保护装置相互独立,硬件上完全分开。
主保护装设一套二次谐波制动原理的纵差保护。
后备保护包括复合电压起动的过流保护、零序过流保护、间隙零序过流保护、零序过压保护、过负荷保护、主变有载调压控制系统、主变风扇控制系统。
非电量保护包括重瓦斯、轻瓦斯、压力释放、油温度高、绕组温度高,有载调压重瓦斯。
2.4110kV线路微机光纤纵联保护
光纤分相电流差动保护=三相电流分相差动保护+零序电流差动保护+距离保护和零序电流保护(后备)。
主保护和后备保护CPU各自独立。
装置具有电流电压保护功能和低周保护功能。
光纤分相电流差动保护用专用光纤作为通道,传送模拟量和开关量。
具有通道监测功能,通道故障时自动闭锁差动保护。
距离保护有重合闸功能。
2.5低频低压减载装置
双CPU结构,强弱电严格分离,舍弃传统的背板配线方式,有很强的抗干扰和抗电磁辐射的能力。
完善的事件记录报文处理,可保存最新128次动作报告,24次故障录波报告。
有友好的人机界面、中文显示、打印。
具备软件和硬件GPS脉冲对时功能。
3.微机监控系统的功能
3.1实时数据采集及处理功能
遥测:
变电站运行的各种实时数据,如母线电压、线路电流、主变温度、功率、频率等;遥信:
开关、刀闸位置、分接头位置、各种设备状态、瓦斯、气压信号等。
通过间隔层I/O单元进行实时数据的采集和处理。
模拟量信息的采集采用交流采样方式,输入回路采用隔离变压器进行隔离。
模拟量数据处理包括模拟数据的滤波、数据合理性检查、工程单位变换、数据变化及越限检测、精度及线性度测试、零漂校正、极性判别等。
微机监控系统根据CT、PT的采集信号,计算每一个电气单元的电流、电压、有功、无功和功率因数及电度量等,显示在CRT上。
3.2限值监视和报警处理功能
多种限值、多种报警级别、多种告警方式(声响、语音)、告警闭锁和解除,遥信变位次数统计、变位告警。
报警处理分两种方式,一种是事故报警,包括非操作引起的开关跳闸和保护装置动作信号;另一种是预告报警,包括一般设备变位、状态异常信息、模拟量越限/复限、计算机站控系统的各个部件、间隔层单元的状态异常等。
3.3事件顺序记录和事故追忆功能
开关和保护信号的动作顺序以ms级进行记录。
SOE分辨率为2ms。
能够在CRT上显示动作顺序,及在打印机上打印。
顺序事件进行存档,存档保存时间可由用户确定。
事故追忆表的容量能记录事故前1分钟至事故后2分钟全站的模拟量。
3.4控制功能
能通过当地或调度端微机的键盘、鼠标输入操作命令,对变电站的控制对象进行操作。
包括开关及刀闸的分合、变压器分接头调节、PT并列信号复归等。
就地测控单元可实现一对一的操作以保证计算机系统瘫痪时的最低监控手段。
为了防止误操作,在任何控制方式下都必须采用分步操作,即选择、校核、执行,并设置操作员和线路代码口令。
3.5管理功能
管理功能主要指对一些设备工况报告、设备档案的编制和调用。
运行人员或工程师可以进行修改、检索、显示、打印设备工况报告;对各种运行记录及设备的资料进行档案管理;对于不同性质的工作人员,系统具有管理权限、操作权限分类设置的功能。
3.6在线统计计算功能
具有统计计算和报表统计功能、用户自定义报表工具。
根据采样的CT、PT实时数据能够计算:
每一电气单元的有功、无功功率;各相电流、电压;功率因数;电压、功率因数合格率的分时段统计、变压器负荷率及损耗所用电率、开关正常及事故跳闸次数、变压器的停用时间及次数等。
3.7画面显示和打印功能
在CRT上显示主接线图、直流系统图、站用电系统图、监控系统运行工况图、系统网络结构图、开关量状态表、各种实时测量值表、历史事件及某些重要数据表、主要设备参数表、继电保护定值表、有功、无功、电流、电压、频率、主变分接头、潮流方向、电压棒图、110kV母线相电压及3U0电压、10kV母线接地时3U0电压及母线相电压的趋势曲线等。
能储存某些历史负荷曲线及包括某些历史事件画面。
3.8与远方调度的信息交换功能
能正确接收、处理、执行变电站SCADA或地区调度中心的遥控命令,但同一时刻只能执行一个主站的控制命令。
厂站号标志位不对应不允许遥控。
与市调分别有主备两个通道。
采用全双工通信方式,遥测越死区传送、遥信变位传送,电度量定时冻结传送,遥控按“选择返送校核执行”程序运行,结构组态和处理参数由调度端下装。
传送速率为:
300bps~9600bps,可调。
能传送模拟量、开关量、各种信号。
3.9系统的自诊断和自恢复功能
微机监控系统能够在线诊断系统的软件、硬件运行情况,一旦发现异常能够发出报警信号。
在微机监控系统诊断到软件运行出格时,能自动发出报警信号,并能自动恢复正常运行,且不丢失重要的数据。
任何插件可带电插拔,而不会导致误动。
3.10维护功能
工程师可以通过工作站对该系统进行诊断、管理、维护、扩充等工作,能够用交互方式在线对数据库中的各个数据项进行修改和增删。
对各种应用功能运行状态的监测,各种报表的在线生成和显示画面的在线编辑。
还可以对计算机站控系统的各个设备进行状态检查。
3.11GPS同步对时功能
在变电站内采用一套标准同步钟本体,在主控室集中组屏,天线安装在主控室屋顶。
与GPS
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