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摘要:本文主要对35 kV 中小型电网变电站微机综合保护自动化系统的总体设计作了论述。仅供同行参考。
关键词:变电站; 网络结构; 电力保护;设计
1 引言
本文主要针对县级电业局(供电公司) ,其管辖的变电站配进线大部分是35 kV 电压等级,配出线则是10 kV 电压等级。新型微机变电站中由微机实现的设备包括除计量装置以外的所有二次设备。变电站内通常设置两台主变压器,其高压侧各自并联联接到同一条配进线母线上,低压侧则联接到各自的配出线母线上,配出线母线分为Ⅰ段和Ⅱ段,通过母联开关相联接。两台主变压器可以各自独立同时运行,向各自的用户供电,这时母联开关分闸,也可单独运行向所有用户供电,这时母联开关合闸。
2 系统的传感部件
一個典型的35 kV 变电站的构成如图1 所示。电力保护和管理工作所需的各种数据在此采集。
2.1 检测模拟信号
在该系统中,检测模拟信号电压值的传感部件是电压互感器(PT) ,PT 把高压变换为100 V 左右的低压交流信号,当两台主变压器同时运行时,配出线电压值取自各自的PT ,单独运行时,电压值取自其中一个PT。检测电流值的传感部件是电流互感器(CT) ,CT 把高压的电流值变换为较低的交流信号,其构成的回路可分为计量回路CT 和保护回路CT ,后者较前者输出信号的上限值高,通常为几十安培。
2.2 检测开关信号
检测及控制的开关信号是高压开关的机械联动机构,该机构给出数对继电器结点反映开关位置,各保护装置也都通过继电器结点给出信号。手动刀闸一般没有结点给出,需要采集刀闸位置信号时,必须另加信号装置。
3 变电站微机综合保护自动化系统的总体模块设计
电网的运行方式和变电站的结构决定了微机变电站自动化系统是一个典型的集散型系统,由一个中心枢纽单元(包括操作员接口、工程师接口和通用计算机接口) 和若干个现场单元组成,二者之间以通信网络相连结,构成一个整体。通常一个集散型系统的构成如图2 所示[1、2 ] ,其中: (1) 操作员接口:
集中生产管理过程的全程信息,操作人员通过键盘操作,实现对整个生产管理过程的监视及操作的人机交互功能。(2) 工程师接口:根据现场需要建立工作状态,预置参数值,选择控制方式,调整现场单元的工作状态。(3) 通用计算机接口:配有高级语言和多种外部设备,查阅状态和变量的现状、历史记录,进行长期趋势分析和最优化监控,完成更高层次的管理和控制。(4) 现场单元: 完成现场各信号的输入、输出变换、数据采集和各种算法。(5) 低级人机接口:实现简单的人机交互功能,显示变量状态。
(6) 通信网络设备:将物理上分散配置的多台计算机及现场单元有机地连接起来,实现相互协调,资源共享的集中控制。
据此,新型的35 kV 变电站微机综合保护自动化系统的总体结构设计如图3 所示。
3.1 中心枢纽单元
值班员接口(即操作员接口) 是整个系统的中枢,系统的基本功能之一就是为值班员服务,系统其它接口的工作优先级低于值班员接口。数据采集与处理模块及保护模块的数据在此被分析、存贮和显示,值班员依据这些信息及上级调度命令进行变电站定值保护决策,通常也称作定值计算机接口。
维护人员接口:根据变电站保护需要建立和修改各种参数,调整数据采集与处理模块及各保护模块的工作状态,监视设备工作状况。
通用微机接口:把变电站工作的各种信息提供给用电管理部门,实现更大范围的资源共享。
上级调度接口:电力调度的管理是梯级形式的,微机变电站自动化系统是上一级调度的子系统。通过远程通信网络将变电站数据信息上送调度中心,调度员依据这些信息进行调度决策。
以上几部分设备通常都在变电站(所) 值班室,它们之间的联接一般采用通用的计算机网络,当前主要采用局域网,如NOVELL 网、以太网等,在设计中主要考虑功能的完善,人机界面是否友好等问题。
3.2 现场单元
数据采集与处理模块:采集变电站内的电流、电压、有功、无功等电气量及开关位置等数据,经过编码通过专用通讯设备通道机上送值班员,并通过电力载波或无线通信信道及时上送调度中心,此外,还进行低级人机界面等工作。
主变压器保护模块:有效区分内部故障及通过性故障,进行差动保护,同时提供一些后备保护,如过负荷保护、零序过流保护、负序过流保护以及重瓦斯保护。给维护人员提供可靠信息,及时排除故障,保障变压器设备不受损害,使电网正常运行[3 ] 。
配出线保护模块:有效区分配出线故障是相间短路,还是单、多相接地,进行速断、限时速断、过流、重合闸、方向、距离等保护[4 ] 。
母线保护模块:有效区分母线故障的相间短路及单、多相接地,进行差动保护及电流速断保护。直流保护模块:保护变电站的直流电路系统,进行直流过压、欠压、接地短路保护。
电容器保护模块:主要是防止电容器出现低阻情况而产生的过电流现象。
以上工作单元分布在变电站工作现场,其工作环境恶劣,电磁干扰强,维护十分不便,在设计中主要考虑系统的精度、抗干扰能力等,同时设备的稳定性及易维护性也至关重要。
变电站微机综合保护自动化系统是微机变电站自动化系统的重要组成部分。微机变电站自动化系统又作为调度自动化系统的子系统,是通过供电公司(电业局) 的远程通信网络实现与调度端连接的,主要有电力载波机、无线电台及少量的通信电缆组成,信号传输距离远,信道干扰强,传输速度要求不高,但稳定性和可靠性要求高[5 ] 。同时,它又具有较强的人机接口,通过通用计算机可作为下一级监控调度(如对工厂的负荷监控) 的中心单元,具有向下扩展的能力。
4 主要模块设计
4.1 数据采集与处理模块
其基本组成如图4 所示。
现场测控单元:采集各种现场数据上送并执行定值计算机发来的各种指令,并可作为下一级调度的中心单元。在变电站微机综合调度保护自动化系统中,数据采集与处理模块采用多微处理器系统,变送单元与现场测控单元之间采用RS232 口连接,由现场测控单元向变送单元发出召唤,后者回答的方式进行工作。既可独立运行,又可组成一个整体,相互间连接关系简单,便于维护,便于与其它设备连接。数据采集与处理模块的通信接口以及与变送单元的接口也在这一部分。
遥测:通过变送单元完成。变送单元的基本工作原理是对输入信号(电流或电压) 进行采样,然后进行FFT ,得到某一个周波的有效值和相位值,接着取下一周波的数据;这样连续得到10 个周波的数据,再进行中值滤波,去掉两个最大值和最小值,把其余6 个周波数据平均,得到最终结果。
遥信:即变电站中各个开关位置、继电器状态等开关量,由于这些开关量的采集点在开关柜及二次保护屏等高压设备旁,在开关、刀闸、继电器等动作时,很可能产生高压冲击,如电弧等,所以信号采集必须加光电隔离。在变电站中开关信号的动作时间通常在几十毫秒到几百毫秒之间,这样可模拟键盘扫描的方式来确定开关量以减少连线、降低成本。要正确反映变电站内各种操作及故障时,不仅要给出开关状态变化,同时也要记录动作发生的时间。遥控:通过遥控可实现无人值守的运行方式。
在限负荷的情况下,受时间限制,可能无法及时下调负荷,这时采用遥控方法可使若干个变电站内的一些线路跳闸,以免造成更大面积的停电。其方法是用遥控单元对直流固态继电器进行控制,直流固态继电器的输出对各个开关的直流线路联动机构进行控制,使开关分闸或合闸。
电度计量:通过电度表给出的脉冲量计算得出,可采用脉冲宽度、脉冲占空比和有功电度与无功电度的比较正确得出。
人机界面:具有显示各开关状态、重合闸状态、事故显示和遥控显示等功能,以方便值班人员的操作和监视。通信:采用CDT 方式,其格式如图5 所示。
通信格式采用异步通信,每个字节一个启动位、8 个数据位和一个停止位。帧信息码包括帧长,帧性质(遥测、报警等) ,校验采用CRC 校验。一帧数据发送完后,立即上送另一帧数据。
4.2 主变压器保护模块
该模块的基本结构如图6 所示。
整个模块的输入量为:模拟信号有变压器高压侧CT 的三相电流i1a 、i1b 、i1c ,低压侧CT 的三相电流i2a 、i2b 、i2c ,高压侧PT 的三相电压u1a 、u1b 、u1c ;开关信号有变压器高压侧开关状态(合或分) 、低压侧开关状态、变压器高低压侧开关的上下刀闸状态、人工合分变压器高低压侧开关信号和重瓦斯信号。
输出量为开关信号:控制继电器分合变压器高低压侧开关,同时通过计算判定各种故障,进行输出显示[6 ] ,并进入常规保护控制回路。
主变压器保护策略:
(1) 主变压器的主保护———差动保护,就是适当选择高低压两侧CT的变流比nT1和nT2 ,使其比值等于变压器变压比nT ,这时差电流= 0[7] 。变压器差动保护采样电路如图7 所示。R1 a ……R2c为采样电阻。
高压侧CT接成Δ形,低压侧CT接成Y形,在这种接法下,差电流i差a ( t) = i1a ( t) - i2a ( t) ; i差b( t) = i1b( t) -i2b( t) ; i差c ( t) = i1c ( t) - i2c ( t) 。根据差电流的大小就可判定变压器是正常运行还是内部故障或外部故障。
(2) 主变压器的后备保护是指除了变压器主保护以外所附设的保护,其特征是带时限动作切除故障,主保护则不带时限或时限很短。
①零序过流保护
变压器正常运行时,三相电流瞬时值之和为零,所谓零序过流保护是指当和值不为零且超过某一限值时进行的保护。如果I0 ( t) = i1a + i1b + i1c大于某一限值时,变压器的开关跳闸。
②负序过流保护
变压器正常运行时,两相电流瞬时值之和减去另一相瞬时值,其最大值为单相最大值的两倍。所谓负序过流保护是指该值大于两倍且超过某一限值时进行的保护。如果I负( t) = i1a - i1b + i1c大于某一限值时,变压器的开关跳闸。
③过负荷保护
当I1 大于某一给定负荷时启动报警。
(3) 变压器的瓦斯保护
变电站通常采用的变压器都是充油式且具有油枕的变压器,变压器的内部故障之一就是油箱发生故障,对此故障,利用差动保护和过电流保护往往不能反应,这时可利用对变压器油箱内所有故障都有作用的瓦斯保护。
瓦斯继电器的两个结点处于常开状态,当变压器内油箱发生各种故障时,由电弧或其它因素使油和其它绝缘材料分解而形成瓦斯气体。故障不大时,瓦斯气体较少,则轻瓦斯结点闭合,在发生严重故障时,重瓦斯结点闭合。
变压器保护电路将这两个开关信号通过光电隔离引入到保护逻辑单元和CPU 中,CPU 检测到轻瓦斯信号时,并不输出到保护逻辑单元,而仅仅送给信号装置进行显示报警,以便检修人员准备在一定时间内检修。CPU 检测到重瓦斯信号时,一面进行显示报警,同时将此信号送给逻辑保护单元,開关立刻跳闸,达到保护变压器油箱的目的[3、7 ] 。
5 结语
变电站微机综合保护自动化系统设备的工作特点是长时间不间断地运行(几个月甚至几年) 。因此设计中必须充分考虑系统的稳定性与可靠性,元器件的选择和老化检验都必须严格。同时微机变电站自动化系统又是电力调度、生产和管理的一个子系统,与之相联的各种设备种类繁多,完善程度各异。该系统经过多次改进后,通过了鉴定,但还有许多后续工作,如提高采样速率,以实现精度更高、速度更快的保护。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:变电站; 网络结构; 电力保护;设计
1 引言
本文主要针对县级电业局(供电公司) ,其管辖的变电站配进线大部分是35 kV 电压等级,配出线则是10 kV 电压等级。新型微机变电站中由微机实现的设备包括除计量装置以外的所有二次设备。变电站内通常设置两台主变压器,其高压侧各自并联联接到同一条配进线母线上,低压侧则联接到各自的配出线母线上,配出线母线分为Ⅰ段和Ⅱ段,通过母联开关相联接。两台主变压器可以各自独立同时运行,向各自的用户供电,这时母联开关分闸,也可单独运行向所有用户供电,这时母联开关合闸。
2 系统的传感部件
一個典型的35 kV 变电站的构成如图1 所示。电力保护和管理工作所需的各种数据在此采集。
2.1 检测模拟信号
在该系统中,检测模拟信号电压值的传感部件是电压互感器(PT) ,PT 把高压变换为100 V 左右的低压交流信号,当两台主变压器同时运行时,配出线电压值取自各自的PT ,单独运行时,电压值取自其中一个PT。检测电流值的传感部件是电流互感器(CT) ,CT 把高压的电流值变换为较低的交流信号,其构成的回路可分为计量回路CT 和保护回路CT ,后者较前者输出信号的上限值高,通常为几十安培。
2.2 检测开关信号
检测及控制的开关信号是高压开关的机械联动机构,该机构给出数对继电器结点反映开关位置,各保护装置也都通过继电器结点给出信号。手动刀闸一般没有结点给出,需要采集刀闸位置信号时,必须另加信号装置。
3 变电站微机综合保护自动化系统的总体模块设计
电网的运行方式和变电站的结构决定了微机变电站自动化系统是一个典型的集散型系统,由一个中心枢纽单元(包括操作员接口、工程师接口和通用计算机接口) 和若干个现场单元组成,二者之间以通信网络相连结,构成一个整体。通常一个集散型系统的构成如图2 所示[1、2 ] ,其中: (1) 操作员接口:
集中生产管理过程的全程信息,操作人员通过键盘操作,实现对整个生产管理过程的监视及操作的人机交互功能。(2) 工程师接口:根据现场需要建立工作状态,预置参数值,选择控制方式,调整现场单元的工作状态。(3) 通用计算机接口:配有高级语言和多种外部设备,查阅状态和变量的现状、历史记录,进行长期趋势分析和最优化监控,完成更高层次的管理和控制。(4) 现场单元: 完成现场各信号的输入、输出变换、数据采集和各种算法。(5) 低级人机接口:实现简单的人机交互功能,显示变量状态。
(6) 通信网络设备:将物理上分散配置的多台计算机及现场单元有机地连接起来,实现相互协调,资源共享的集中控制。
据此,新型的35 kV 变电站微机综合保护自动化系统的总体结构设计如图3 所示。
3.1 中心枢纽单元
值班员接口(即操作员接口) 是整个系统的中枢,系统的基本功能之一就是为值班员服务,系统其它接口的工作优先级低于值班员接口。数据采集与处理模块及保护模块的数据在此被分析、存贮和显示,值班员依据这些信息及上级调度命令进行变电站定值保护决策,通常也称作定值计算机接口。
维护人员接口:根据变电站保护需要建立和修改各种参数,调整数据采集与处理模块及各保护模块的工作状态,监视设备工作状况。
通用微机接口:把变电站工作的各种信息提供给用电管理部门,实现更大范围的资源共享。
上级调度接口:电力调度的管理是梯级形式的,微机变电站自动化系统是上一级调度的子系统。通过远程通信网络将变电站数据信息上送调度中心,调度员依据这些信息进行调度决策。
以上几部分设备通常都在变电站(所) 值班室,它们之间的联接一般采用通用的计算机网络,当前主要采用局域网,如NOVELL 网、以太网等,在设计中主要考虑功能的完善,人机界面是否友好等问题。
3.2 现场单元
数据采集与处理模块:采集变电站内的电流、电压、有功、无功等电气量及开关位置等数据,经过编码通过专用通讯设备通道机上送值班员,并通过电力载波或无线通信信道及时上送调度中心,此外,还进行低级人机界面等工作。
主变压器保护模块:有效区分内部故障及通过性故障,进行差动保护,同时提供一些后备保护,如过负荷保护、零序过流保护、负序过流保护以及重瓦斯保护。给维护人员提供可靠信息,及时排除故障,保障变压器设备不受损害,使电网正常运行[3 ] 。
配出线保护模块:有效区分配出线故障是相间短路,还是单、多相接地,进行速断、限时速断、过流、重合闸、方向、距离等保护[4 ] 。
母线保护模块:有效区分母线故障的相间短路及单、多相接地,进行差动保护及电流速断保护。直流保护模块:保护变电站的直流电路系统,进行直流过压、欠压、接地短路保护。
电容器保护模块:主要是防止电容器出现低阻情况而产生的过电流现象。
以上工作单元分布在变电站工作现场,其工作环境恶劣,电磁干扰强,维护十分不便,在设计中主要考虑系统的精度、抗干扰能力等,同时设备的稳定性及易维护性也至关重要。
变电站微机综合保护自动化系统是微机变电站自动化系统的重要组成部分。微机变电站自动化系统又作为调度自动化系统的子系统,是通过供电公司(电业局) 的远程通信网络实现与调度端连接的,主要有电力载波机、无线电台及少量的通信电缆组成,信号传输距离远,信道干扰强,传输速度要求不高,但稳定性和可靠性要求高[5 ] 。同时,它又具有较强的人机接口,通过通用计算机可作为下一级监控调度(如对工厂的负荷监控) 的中心单元,具有向下扩展的能力。
4 主要模块设计
4.1 数据采集与处理模块
其基本组成如图4 所示。
现场测控单元:采集各种现场数据上送并执行定值计算机发来的各种指令,并可作为下一级调度的中心单元。在变电站微机综合调度保护自动化系统中,数据采集与处理模块采用多微处理器系统,变送单元与现场测控单元之间采用RS232 口连接,由现场测控单元向变送单元发出召唤,后者回答的方式进行工作。既可独立运行,又可组成一个整体,相互间连接关系简单,便于维护,便于与其它设备连接。数据采集与处理模块的通信接口以及与变送单元的接口也在这一部分。
遥测:通过变送单元完成。变送单元的基本工作原理是对输入信号(电流或电压) 进行采样,然后进行FFT ,得到某一个周波的有效值和相位值,接着取下一周波的数据;这样连续得到10 个周波的数据,再进行中值滤波,去掉两个最大值和最小值,把其余6 个周波数据平均,得到最终结果。
遥信:即变电站中各个开关位置、继电器状态等开关量,由于这些开关量的采集点在开关柜及二次保护屏等高压设备旁,在开关、刀闸、继电器等动作时,很可能产生高压冲击,如电弧等,所以信号采集必须加光电隔离。在变电站中开关信号的动作时间通常在几十毫秒到几百毫秒之间,这样可模拟键盘扫描的方式来确定开关量以减少连线、降低成本。要正确反映变电站内各种操作及故障时,不仅要给出开关状态变化,同时也要记录动作发生的时间。遥控:通过遥控可实现无人值守的运行方式。
在限负荷的情况下,受时间限制,可能无法及时下调负荷,这时采用遥控方法可使若干个变电站内的一些线路跳闸,以免造成更大面积的停电。其方法是用遥控单元对直流固态继电器进行控制,直流固态继电器的输出对各个开关的直流线路联动机构进行控制,使开关分闸或合闸。
电度计量:通过电度表给出的脉冲量计算得出,可采用脉冲宽度、脉冲占空比和有功电度与无功电度的比较正确得出。
人机界面:具有显示各开关状态、重合闸状态、事故显示和遥控显示等功能,以方便值班人员的操作和监视。通信:采用CDT 方式,其格式如图5 所示。
通信格式采用异步通信,每个字节一个启动位、8 个数据位和一个停止位。帧信息码包括帧长,帧性质(遥测、报警等) ,校验采用CRC 校验。一帧数据发送完后,立即上送另一帧数据。
4.2 主变压器保护模块
该模块的基本结构如图6 所示。
整个模块的输入量为:模拟信号有变压器高压侧CT 的三相电流i1a 、i1b 、i1c ,低压侧CT 的三相电流i2a 、i2b 、i2c ,高压侧PT 的三相电压u1a 、u1b 、u1c ;开关信号有变压器高压侧开关状态(合或分) 、低压侧开关状态、变压器高低压侧开关的上下刀闸状态、人工合分变压器高低压侧开关信号和重瓦斯信号。
输出量为开关信号:控制继电器分合变压器高低压侧开关,同时通过计算判定各种故障,进行输出显示[6 ] ,并进入常规保护控制回路。
主变压器保护策略:
(1) 主变压器的主保护———差动保护,就是适当选择高低压两侧CT的变流比nT1和nT2 ,使其比值等于变压器变压比nT ,这时差电流= 0[7] 。变压器差动保护采样电路如图7 所示。R1 a ……R2c为采样电阻。
高压侧CT接成Δ形,低压侧CT接成Y形,在这种接法下,差电流i差a ( t) = i1a ( t) - i2a ( t) ; i差b( t) = i1b( t) -i2b( t) ; i差c ( t) = i1c ( t) - i2c ( t) 。根据差电流的大小就可判定变压器是正常运行还是内部故障或外部故障。
(2) 主变压器的后备保护是指除了变压器主保护以外所附设的保护,其特征是带时限动作切除故障,主保护则不带时限或时限很短。
①零序过流保护
变压器正常运行时,三相电流瞬时值之和为零,所谓零序过流保护是指当和值不为零且超过某一限值时进行的保护。如果I0 ( t) = i1a + i1b + i1c大于某一限值时,变压器的开关跳闸。
②负序过流保护
变压器正常运行时,两相电流瞬时值之和减去另一相瞬时值,其最大值为单相最大值的两倍。所谓负序过流保护是指该值大于两倍且超过某一限值时进行的保护。如果I负( t) = i1a - i1b + i1c大于某一限值时,变压器的开关跳闸。
③过负荷保护
当I1 大于某一给定负荷时启动报警。
(3) 变压器的瓦斯保护
变电站通常采用的变压器都是充油式且具有油枕的变压器,变压器的内部故障之一就是油箱发生故障,对此故障,利用差动保护和过电流保护往往不能反应,这时可利用对变压器油箱内所有故障都有作用的瓦斯保护。
瓦斯继电器的两个结点处于常开状态,当变压器内油箱发生各种故障时,由电弧或其它因素使油和其它绝缘材料分解而形成瓦斯气体。故障不大时,瓦斯气体较少,则轻瓦斯结点闭合,在发生严重故障时,重瓦斯结点闭合。
变压器保护电路将这两个开关信号通过光电隔离引入到保护逻辑单元和CPU 中,CPU 检测到轻瓦斯信号时,并不输出到保护逻辑单元,而仅仅送给信号装置进行显示报警,以便检修人员准备在一定时间内检修。CPU 检测到重瓦斯信号时,一面进行显示报警,同时将此信号送给逻辑保护单元,開关立刻跳闸,达到保护变压器油箱的目的[3、7 ] 。
5 结语
变电站微机综合保护自动化系统设备的工作特点是长时间不间断地运行(几个月甚至几年) 。因此设计中必须充分考虑系统的稳定性与可靠性,元器件的选择和老化检验都必须严格。同时微机变电站自动化系统又是电力调度、生产和管理的一个子系统,与之相联的各种设备种类繁多,完善程度各异。该系统经过多次改进后,通过了鉴定,但还有许多后续工作,如提高采样速率,以实现精度更高、速度更快的保护。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。