变电所综合自动化系统的基本功能简介

在变电所综合自动化的研究和开发的过程中，对变电所综合自动化系统应包括哪些功能和要求，曾有不同的看法，经过几年来实践的结果和发展的趋势，目前这些看法已逐步接近和完善。总之，变电所综合自动化是多专业性综合技术。它以微计算机为基础，实现了对变电所传统的继电保护、控制方式、测量手段、通信和管理模式的全面技术改造，实现了电网运行管理的一次变革。变电所自动化需完成的功能大概有63种，归纳起来的12种功能可分为以下7个功能组。

1）控制、监视功能。

2）自动控制功能。

3）测量表计功能。

4）继电保护功能。

5）与继电保护有关的功能。

6）接口功能。

7）系统功能。

结合我国的情况，具体来说变电所综合自动化的基本功能体现在下述5个子系统中，见图7-2。

1.监控子系统的功能

图7-2　变电所综合自动化的基本功能

监控系统应取代常规的测量系统，取代指针式仪表；改变常规的操作机构和模拟盘，取代常规的告警、报警、中央信号、光字牌，取代常规的远动装置等。其功能主要包括以下几个部分的内容，见表7.1。

表7.1　监控子系统的主要功能

（1）数据采集。变电所的数据采集包括：模拟量、开关量和电能量的采集。

1）模拟量的采集。变电所需采集的模拟量有：各段母线电压；线路电压、电流、有功功率、无功功率；主变压器电流、有功功率和无功功率；电容器电流、无功功率；馈出线的电流、电压、功率以及频率、相位、功率因数等。此外，模拟量还有主变压器油温、直流电源电压、所用变压器电压等。对模拟量的采集，有直流采样和交流采样两种方式。

直流采样即将交流电压、电流等信号经变送器转换为适合于A/D转换器输入电平直流信号；交流采样，则是指输入给A/D转换器的是与变电所的电压、电流成正比例关系的交流电压信号。

直流采样即交流电压，电流信号经变送器转换为适合于A/D转换器输入电平的直流信号；交流采样，则是指输入给A/D转换器的是与变电所的电压、电流成比例关系的交流电压信号。

2）开关量的采集。变电所的开关量有：断路器的状态、隔离开关状态、有载调压变压器分接头的位置、同期检测状态、继电保护动作信号、运行警告等。这些信号都以开关量的形式，通过光电源隔离电路输入计算机，但输入的方式有区别。对于断路器的状态，需采用中断输入方式或快速扫描方式，以保证对断路器变位的采样分辨率在5s之内。对于采用中断状态和分接头位置等开关信号，不采用中断输入方式，可以用定期查询方式读入计算机进行判断。

3）电能计量。电能计量即指对电能量（包括有功电能和无功电能）的采集。众所周知，对电能量的采集，传统的方法是采用机械式电能表，由电能表盘转动的圈数来反映电能量的大小。这些机械式的电能表，无法和计算机直接接口。为了使计算机能够对电能量进行计量，现已有多种解决的方法，下面介绍其中两种。

a.电能脉冲计量法。这种方法的实质是传统的感应式电能表与电子技术相结合的产物，即对原来感应式的电能表加以改造，使电能表转盘每转一圈便输出一个或两个脉冲，用输出的脉冲数代替转盘转动的圈数，计算机可以对这个输出脉冲进行计数，将脉冲数乘以标度系数便得到电能量。这种脉冲计量法有两种类型：脉冲电能表和机电一体化电能计量仪表。

b.软件计算方法。软件计算方法并不需要任何硬件设备，其实质是数据采集系统利用交流采样得到的电流、电压值，通过软件计算出有功电能量。因为U、I的采集是监控系统或数据采集必须的基本量，因此利用所采集的U、I值计算出电能量，不需要增加专门的硬件投资，而只需要设计好计算程序，故称软件计算法。目前软件计算电能也有两种途径：在监控系统或数据采集系统中计算和用微机电能计量仪表计算。

（2）事件顺序记录SOE。事件顺序记录SOE包括断路器跳合闸记录、保护动作记录。微机保护或监控系统采集环节必须有足够的内存，能存放足够数量或足够长时间段的事件顺序记录，确保当后台监控系统或远方集中控制主所通信中断时，不丢失事件信息，并记录事件发生的时间（应精确至毫秒级）。

（3）故障记录、故障录波和测距。

1）故障录波与测距。110kV及以上重要输电线路距离长、发生故障影响大，必须尽快查出故障点，以便缩短修复时间，尽快恢复供电，减少损失。设置故障录波和故障测距是解决此问题的最好途径。变电所的故障录波和测距可采用两种方法实现：一种方法是由微机保护装置兼作故障记录和测距，再将记录和测距的结果送监控机存储及打印输出或直接送调度主所，这种方法可节约投资，减少硬件设备，但故障记录量有限；另一种方法是采用专用的微机故障录波器，并且故障录波器应具有串行通信功能，可以与监控系统通信。

2）故障记录。35、10、6kV配电线路很少专门设置故障录波器，为了分析故障的方便，可设置简单故障记录功能。

故障记录是记录继电保护动作前后与故障有关的电流量和母线电压。故障记录量的选择可以按以下原则考虑：如果微机保护子系统具有故障记录功能，则该保护单元的保护启动同时，便启动故障记录；这样可以直接记录发生事故的线路或设备在事故前后的短路电流和相关母线电压的变化过程；若保护单元不具备故障记录功能，则可以采用保护启动监控机数据采信系统，记录主变压器电流和高压母线电压。

（4）操作控制功能。无论是无人值班还是少人值班变电所，操作人员都可通过CRT屏幕对断路器和隔离开关（如果允许电动操作的）进行分、合操作，对变压器分接开关位置进行调节控制，对电容器进行投、切控制，同时要能接受遥控操作命令，进行远方操作；防止计算机系统故障时无法操作被控设备，在设计时，保留人工直接跳、合闸手段。断路器操作闭锁功能，操作闭锁应包括以下内容：

1）断路器操作时，应闭锁自动重合闸。

2）当地进行操作和远方控制操作，要互相闭锁，保证只有一处操作，以免互相干扰。

3）根据实时信息，自动实现断路器与隔离开关间的闭锁操作。

4）无论当地操作或远方操作，都应有防误操作的闭锁措施，即要收到返校信号后，才能执行下一项；必须有对象校核、操作性质校核和命令执行命令三步，以保证操作的正确。

（5）安全监视功能。监控系统在运行过程中，对采集的电流、电压、主变压器温度、频率等量，要不断进行越限监视，如发现越限，立刻发出警告信号，同时记录和显示越限时间和越限值，另外，还要监视保护装置是否失电，自控装置是否正常等。

（6）人机联系功能。

1）人机联系桥梁。CRT显示器、鼠标和键盘。变电所采用微机监控系统后，无论是有人值班还是无人值班的变电所，最大的特点之一是操作人员或调度员只要面对CRT显示器的屏幕，通过操作鼠标或键盘，就可对全所运行工况和运行参数一目了然，可对全所断路器和隔离开关等进行分、合操作，彻底改变了传统的指针式仪表和依靠模拟屏或操作屏等手段的操作方式。

2）CRT显示画面的内容。作为变电所人机联系的主要桥梁和手段的CRT显示器，不仅可以取代常规的仪器、仪表，而且可实现许多常规仪表无法完成的功能。归纳以下几个方面。

a.显示采集和计算的实时运行参数。监控系统所采集信息所计算出来的U、I、P、Q、cosφ、有功电能、无功电能以及主变压器温度T、系统频率f等，都可在CRT的屏幕上实时显示出来，同时在潮流等运行参数的显示画面上应显示出日期和时间，屏幕刷新。

b.显示实时主接线图。主接线图上断路器和隔离开关的位置要与实际状态相对应。进行对断路器或隔离开关的操作时，在所显示的主接线上，对所要操作的对象应有明显的标记。各项操作都应有汉字提示。

c.事件顺序记录（SOE）显示。显示所发生的事件内容及发生事件的时间。

d.越限报警显示。显示越限和发生越限的时间。

e.值班记录显示。

f.历史趋势显示。显示主变压器负荷曲线、母线电压曲线等。

g.保护速写值和自动控制装置的设定显示。

h.其他。包括故障记录显示、设备运行状况显示等。

3）输入数据。变电所投入运行后，随着送电量的变化，保护定值、越限值等需要修改，甚至由于负荷增长，需要更换原有设备，例如更换TA变比，因此在人机联系系统中，必须有输入数据的功能。需要输入的数据至少有以下几种内容：

a.TA和TV变比；

b.保护定值和越限报警定值；

c.自控装置的设定值；

d.运行人员密码。

（7）打印功能。对于有人值班的变电所，监控系统可以配备打印机完成以下打印记录功能：

a.定时打印报表和运行日志；

b.开关操作记录打印；

c.事件顺序记录打印；

d.越限打印；

e.召唤打印；

f.抄屏打印；

g.事故追忆打印。

（8）数据处理与记录功能。监控系统除了完成上述功能外，数据处理和记录也是很重要的环节。历史数据的形成和存储是数据处理的主要内容。此外，为满足继电保护专业和变电所管理的需要，必须进行一些数据统计，其内容包括：

a.主变和输电线路有功功率每天的最大值和最小值以及相应的时间；

b.母线电压每天定时记录的最高值和最低值以及相应的时间；(www.xing528.com)

c.计算受配电电能平衡率；

d.统计断路器动作次数；

e.断路器切除故障电流和跳闸次数的累计数；

f.控制操作和修改定值记录。

（9）谐波分析与监视。必须保证电力系统的谐波在国标规定的范围内，谐波也是电能质量的重要指标。随着非线性器件和设备的广泛应用，电气化铁路的发展和家用电器的不断增加，电力系统的谐波含量显著增加，并且有越来越严重的趋势。对谐波污染严重的变电所采取适当的抑制措施，降低谐波含量，是一个不容忽视的问题。

2.微机保护子系统

微机保护装置在我国已有十多年历史，并且越来越受到继电保护人员和运行人员的普遍欢迎。它的突出表现主要在以下几个方面。

（1）微机保护子系统的优点。

1）灵活性强。由于微机保护装置是由软件和硬件结合来实现保护功能的，因此在很大程度上，不同原理的继电保护的硬件可以是一样的，换以不同的程序即可改变继电器功能。例如：三段式的电流保护、重合闸和后加速跳闸等功能，可以通过同一套保护装置实现，只要保护软件具备这些功能即可，这是常规继电器很难做到的。

2）综合判断能力强。利用微计算机的逻辑判断能力，很容易解决常规继电保护中，碰到要考虑的因素太多时，用模拟电路很难实现的问题，因而可以使继电保护的动作规律更合理。

3）性能稳定，可靠性高。微机保护的功能主要取决于算法和判断能力、也即由软件决定，对于同类型的保护装置，只要程序相同，其保护性能必然一致，所以性能稳定。

4）微机保护具有记忆功能。利用微机的记忆功能，可明显改善保护性能，提高保护的灵敏性。例如，由微机软件实现功率方向元件，可消除电压死区。

5）微机保护具有人工智能特征。利用微机的智能，可实现故障自诊断、自闭锁和自恢复。

6）体积小、功能全。由计算机软件可实现多种保护功能，可大大简化装置的硬件结构，可以在事故后，打印出各种有用的数据。例如故障前后电压、电流采样、故障点距离、保护的动作过程和出口时间等。

7）运行维护工作量小，现场调试方便。微机保护子系统运行维护工作量小，现场调试方便。可在修改或检查保护定值时，不必停电校验定值。

（2）微机保护子系统的功能。

微机保护是综合自动化的关键环节，它的功能和可靠性如何，在很大程度上影响整个系统的性能，因此设计时必须给予足够的重视。

微机保护子系统中的各保护单元，除了具有独立、完整的保护功能外，还必须满足以下要求，也即必须具备以下附加功能。

1）满足保护装置快速性、选择性、灵敏性和可靠性的要求，它的工作不受监控系统其他子系统的影响。

2）具有故障记录功能。当被保护对象发生事故时，能自动记录保护动作有关的故障信息，包括短路电流、故障发生时间和保护出口时间等，以利于分析故障。

3）具有故障记录功能。

4）存储多种保护速写值。

5）当地显示与多处观察和授权个性保护速写值。

6）设置保护管理机和通信控制机，负责对各保护单元的管理。

7）通信功能。

8）故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。

3.电压、无功综合控制子系统

电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证用户的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一。

对电压和无功进行合理的调节，不仅可以提高电能质量，提高电压合格率，而且可以降低网损。

（1）电压、无功综合调控的目标。电力系统中，电压和无功功率的调整对电网的输电能力、安全稳定运行水平和降低电能损耗有极大影响。因此，必须对电压和无功功率进行综合调控，以保证实现部门和用户内总体运行和经济指标最佳。具体调控目标如下；

1）维持供电电压在规定范围内。

2）保持电力系统稳定和合适的无功平衡。

3）保证在电压合格的前提下电能损耗最小。

（2）微机电压、无功综合控制装置原理。由于电力系统的运行特点，高度自动化是系统的发展趋势，如果靠运行人员手工操作控制，则运行人员必须经常监视变电所的运行工况，并作出如何调控的判断难以达到及时进行最优控制效果。

清华大学研究的MVR—Ⅲ型微机电压、无功综合控制硬件结构以及与一次设备的连接关系见图7-3。其硬件结构与微机监控系统或其他控制系统相类似，主要由以下5部分组成。这5个部分是：

图7-3　MVR—Ⅲ型自控装置的硬件原理框图

1）微型计算机系统。这是微机控制系统的核心，在MVR—Ⅲ型自控工作站带有CRT显示器，为用户提供一个友好的操作指导和人机接口界面。

2）CPU采用Intelpentium微处理器，可方便地随微处理器不断发展和升级，使整个控制装置的功能和性能随电力系统自动化水平提高的需要而不断扩展。

3）模拟量输入回路。其工作原理如下：

a.模拟量输入通道硬件结构。模拟量输入通道作用主要是将交流电压和电流从变电所的TV、TA直接输入回路（模拟量变换模块），隔离和转换A/D转换器所能接受的幅值在±10V以内的交流电压信号，再送至模块，转换成数字量，然后送计算机计算和处理。

b.输入模拟量有7个，分别为高压侧UAB、UBC、IA、IC，中压侧UAC，低压侧UAC和3U0。这些量分别取自相应的TV、TA。然后，根据所采集的u和i，计算出主变高压侧的P、Q和cosφ。

c.采样速率：对于变电所运行方式和调控决策需要的模拟信号，采样速率取每周波20点；对于与谐波分析和监视的有关量，采用每周64点的采样速率，以便算出其1、2、3、5、7、…、9次谐波。

4）开关量输入回路采集变压器分接头、电容器位置的辅助触点；以及变压器运行方式需采集的部分断路器及隔离开关的辅助触点。使用了MVR—Ⅲ可以先输入的开关量经继电器隔离，再经过开关量输入模块上的光电隔离，再输入微机判断。可大大提高整套控制系统的抗干扰能力。

5）开关量输出回路。开关量输出回路的主要任务是输出对1～3台带负荷调压变压器分接头位置进行升、降调节的命令，并输出对1～3台带负荷调压变压器分接头位置进行升、降调节的命令，并输出对1～12组电容器进行投、切的控制命令，当受控对象故障或运行异常时，还可输出报警信号。

4.电力系统的低频减负荷控制

微机实现低频减负荷的方法有两种：一是采用专用的低频减负荷装置实现；二是把低频减负荷的控制装置分散装设在每回馈电线路的保护装置中。

前一种控制方法是将全部馈电线路分为1～8轮（也可根据用户需要设置低于8轮的）的特殊轮，然后根据系统频率情况去切除负荷。（注：第1轮的频率整定为47.5～48.5Hz，最后一轮的频率整定为46～46.5Hz。若采用常规低频率继电器，则相邻两轮间的频率差为0.5Hz，动作时限为0.5s；若采用微机低频负荷装置，则相邻两轮间的整定频率差可以减少，时限差也可以减少。特殊轮的动作频率可取47.5～48.5Hz，动作时限可取15～25s）。

第二种控制方法是指在每回线路配置一套保护装置，在线路保护装置中，增加一个测频环节便可实现低频减负荷控制功能。对各回路轮次考虑安排的原则仍同上所述。只需将第n轮动作的频率和时延定值事前在某回线路的保护装置中设置好，则该回路便属于第n轮被切除的负荷。

（1）备用电源自投控制。备用控制包括以下几种方式：

1）明备用控制。有一个工作电源，一个备用电源的变电所明备用的配置。

2）暗备用控制。有两个工作电源的变电所，两回进线同时对变电所供电，有两种正常运行方式。

3）采用微机型备用自投控制装置。微机型的备用电源自投装置通过精心设计，可以具有以下特点。

a.综合功能齐全，适应面广。用一套装置就可以实现高压母联自投，解决高压进线故障造成的失电问题；又能实现低压母联自投，解决主变压器故障造成的失电问题；对于一回进线明备用的情况，还可实现进线断路器自动控制。因此可适应变电所的各种运行方式。

b.具有串行通信功能，可适用于无人值班变电所。这种备用电源自投装置可以像其他微机保护装置一样，方便地与保护管理机或综合自动化系统接口，适用于无人值班变电所。

c.体积小，性能价格比高。

d.故障自诊断能力强，可靠性高。工作性能稳定，装置本身具有强故障自诊断功能，便于维护和检修。

（2）变电所综合自动化系统的通信任务。包括两方面：

1）综合自动化系统的现场级通信。综合自动化的现场级通信，主要解决自动化内部各子系统与监控主机和各子系统间的数据和信息交换的问题，它们的通信范围是变电所内部。对于集中组屏的综合自动化系统来说，实际是在主控室内部；对于分散的自动化系统来说，其通信范围扩大至主控室与子系统的安装地，最大可能是通信距离加长了。

2）综合自动化系统与上级调度通信。综合自动化系统必须兼有远动RTU的全部功能，应该能够将所采集的模拟量和开关状态信息，以及事件顺序记录等远方信息传至调度端；同时应能接收调度下达的各种操作、控制、修改定值命令。