【正文】 流差動母線保護和電流比相式 分層分布式變電站綜合自動化工程應(yīng)用 本文所 采用的變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式： 變電站綜合自動化系統(tǒng)分為變電站層和間隔層，這兩層之間建立了基于以太網(wǎng)的站內(nèi)通信網(wǎng)，間隔層設(shè)備間建立 CAN 總線通信網(wǎng)。如圖 25 所示，變電站層包括前置機通信單元和后臺監(jiān)控主機單元，這些構(gòu)成了上位機系統(tǒng)。間隔層也就是下位機系統(tǒng)，按斷路器間隔劃分，包括主變監(jiān)控保護單元、主變后備保護單元、線路監(jiān)控保護單元、電容器保護單元等。 圖 25 變電站綜合自動化系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)框圖 RCS9000 變電站綜合自動化系統(tǒng) RCS9000是新一代的，集保護、控制、監(jiān)視、測量和其他自動化功能于一體的35kV500kV 變電站綜合自動化系統(tǒng)。它分為三層的體系結(jié)構(gòu)。 RCS9000是分布式系統(tǒng)，配置有一系列單元監(jiān)控裝置。這些裝置可以安裝在變電站的間隔里，長期穩(wěn)定地運行在高溫、強電磁干擾和潮濕的惡劣環(huán)境中。通信層采用標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，可以方便地實現(xiàn)不同廠家的設(shè)備互連。為保證通信可靠性采用雙網(wǎng)通信方式。變電站層主要是位于變電站控制室里的總控單元?？梢酝瑫r用不同的規(guī)約向兩個或多個調(diào)度所或集控站發(fā)送報文。系統(tǒng)功能 強大，用戶界面友好，可以很好地滿足變電站自動化的要求。 單元監(jiān)控裝置將保護、測控和其他功能按對象進行設(shè)計，可以就地安裝在開關(guān)柜里，通過通信電纜或光纜和總控單元聯(lián)系，從而取消了接往控制室的大量信號、測量、控制、保護和其他電纜，提高了系統(tǒng)的可靠性，也節(jié)約了投資。 RCS 總線采用電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 6671999（ IEC 608705103）通信規(guī)約，用于站內(nèi)保護和測控的綜合通信，實時性強，可靠性高，具有不同廠家同種規(guī)約產(chǎn)品的互操作變電站 綜合自動化 系統(tǒng) 變電站層 間隔層 前置通信單元 后臺監(jiān)控主 機 上位機系 統(tǒng) 主變監(jiān)控保護單元 線路監(jiān)控保護單元 主變后備保護單元 …… 下位機 系統(tǒng) 性。為所有裝置提供兩個獨立的通信網(wǎng)。兩網(wǎng)可以都用于通信，從而提高通信的可靠 性。也可以將兩網(wǎng)分別用于通信和故障錄波。 以 GPS 對時網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備進行時間同步。為此， GPS 裝置只需提供一副觸點，避免了以往為每臺設(shè)備提供一副觸點和一對接線的麻煩。監(jiān)控系統(tǒng)采取開放式、模塊化設(shè)計；基于 Windows NT；通過不同設(shè)置實現(xiàn)各種監(jiān)控功能，工作可靠，安全；可以提供保護和錄波分析的全部信息。 RCS9000變電站綜合自動化 系統(tǒng)主要功能有：數(shù)據(jù)采集和處理、超高壓線路和低壓饋線保護及測控、備自投、低頻減載、自動同期、電壓無功控制等自動控制功能；數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理，例如電量統(tǒng)計、電壓合格率統(tǒng)計以 及主變負荷率計算等；異常和事故報警及處理、保護及故障信息管理和處理。 上位機系統(tǒng) 上位機系統(tǒng)相對于下位機系統(tǒng)來說相當(dāng)于主站，主要是對下位機各測控、保護單元進行監(jiān)控；相對于遠方的調(diào)度部門來說，又相當(dāng)于子站，上傳變電站的運行信息，同時執(zhí)行該調(diào)度的控制和調(diào)節(jié)命令，完成相應(yīng)的功能。 后臺監(jiān)控主機 后臺監(jiān)控主機主要作用是完成當(dāng)?shù)乇O(jiān)控的功能。除了要完成變電站正常運行時主設(shè)備的運行參數(shù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集和處理的任務(wù)外；還要對不正常運行狀態(tài)和事故狀態(tài)運行的數(shù)據(jù)進行分析和處理與數(shù)據(jù)收集（ SCADA）； 同時還要完成保護定值的修改與下發(fā)、調(diào)度命令的 隨時 解釋和下達執(zhí)行等等。具體說來其功能可以分成以下幾個方面 : （ 1）收集并存儲變電站下位機各檢測保護單元采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，錄入并保存反映變電站和各一次設(shè)備運行狀態(tài)的離線數(shù)據(jù)。 （ 2）運行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，處理實時數(shù)據(jù)，下發(fā)控制、調(diào)節(jié)命令，對歷史數(shù)據(jù)進行運算、統(tǒng)計、繪圖、打印和輸出等處理，為系統(tǒng)運行管理提供科學(xué)依據(jù)。 （ 3）提供報警提示。報警分為計算機圖形報警、文字報警和語音告警三種；報警類型分為事故告警、變位報警和越限報警三種。當(dāng)各設(shè)備出現(xiàn)故障，包括斷路器跳閘、 保護裝置動作等故障，以及各種不正常事件，如設(shè)備變位、狀態(tài)異常、模擬量越限以及下位機各間隔單元狀態(tài)異常的情況時，后臺監(jiān)控主機會發(fā)出相應(yīng)的提示。 （ 4）給操作人員提供各種形式的信息顯示界面，其中包括以地圖為背景的實時系統(tǒng)運行工況圖。 （ 5）事故記錄和事故追憶。變電站運行的各種事件被分別登錄到狀態(tài)變化、遙測越限和 SOE（事件順序記錄儀）登錄表中。將事故前 M分鐘和事故后 N分鐘的重要運行數(shù)據(jù)自動存入歷史數(shù)據(jù)庫。 本方案中上位機的后臺主機為監(jiān)控主機。作為調(diào)度、運行及保護等各個專業(yè)人員的人機交互窗口，該監(jiān)控主機以圖形顯示 、報表打印、語音報警等各種方式對系統(tǒng)運行狀況進行實時監(jiān)控、對可控裝置進行控制調(diào)節(jié)等，并協(xié)助調(diào)度中心完成“四遙”功能。 下位機監(jiān)測、控制和保護單元 單元可分為以下幾種裝置：通用測控裝置 NSD200，線路測控裝置 NSD100，保護測控裝置 NSR600下位機監(jiān)測、控制和保護單元由三個功能模塊組成：采集保護模塊、主 CPU 模塊和通信模塊。為了提高系統(tǒng)的運行速度，減輕單個 CPU 運行負荷，每個模塊單元均采用雙 CPU 結(jié)構(gòu)：一片 CPU 完成模擬量采集和處理、開關(guān)量輸入／輸出和人機接口等功能；另一片 CPU 完成與 CAN 總線接口的通信任務(wù)。應(yīng)用雙口 RAM ，以便使兩 CPU 之間的數(shù)據(jù)順利交換。 電力系統(tǒng)的保護單元裝置中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)在進入保護功能處理程序之前，要進行一系列的預(yù)處理。 從電力系統(tǒng)中輸入到繼電保護裝置的模擬信號主要有兩類：來自 PT 或 CT 的交流電壓、電流信號，來自分壓器或分流器的直流電壓電流信號。這些信號首先被轉(zhuǎn)換成與微型計算機相匹配的電平，通過模擬濾波削去其中的高頻成分，然后由采樣保持環(huán)節(jié)將連續(xù)信號離散化。由于輸入的信號往往不止一個，不可能要 A/D 轉(zhuǎn)換器與這些輸入信號一一對應(yīng)。所以，設(shè)置 一臺多路轉(zhuǎn)換器，由它逐一控制輸入信號的采集，并把它們按一定規(guī)律傳給 A/D 轉(zhuǎn)換器， A/D 轉(zhuǎn)換器接著把它們一一轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。這些數(shù)字量還應(yīng)在存儲器中按先后順序排列，以方便處理程序的調(diào)用。 通信模塊主要負責(zé)測控保護單元與 CAN總線的接口的：包括從 CAN總線接收數(shù)據(jù)和向 CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)。為了保證系統(tǒng)的可靠性和運行獨立性，通信模塊由一片專門的 CPUZ(80C196）負責(zé)，與測控保護模塊分開，互不影響。任何一個模塊出錯不會影響另一模塊的正常運行。下位機與 CAN 總線接口的通信，總線控制器可完成 CAN 通信協(xié)議所要 求的大部分功能，包括數(shù)據(jù)的組幀、解幀、幀校驗等。在本系統(tǒng)中，選用 PHILIPS 公司生產(chǎn)的獨立 CAN 總線控制器 SJA1000；總線收發(fā)器是 CAN控制器與物理總線間的接口，系統(tǒng)中選用 PHILIPS 公司生產(chǎn)的芯片 PCA82C25O，它可以提供對總線的差動收發(fā)能力。 各測控保護單元采用雙 CPU結(jié)構(gòu)，一塊用于保護，另一塊用于通信。這兩個 CPU都選用為 80C196KB。它擁有一套效率高、執(zhí)行速度快的指令系統(tǒng)。 微機保護硬件的一般結(jié)構(gòu)： 微機保護的硬件類型分為三種：高壓線路微機保護，微機元件繼點保護，低壓線路的微 機保護 . ① 高壓線路微機保護： 目前我國的高壓線路微機保護裝置的原理，性能，主要指標(biāo)以及制造工藝方面以達到了國際先進水平，微機保護的動作正確率也已經(jīng)超過了常規(guī)保護。對于高壓和超高壓輸電線路微機保護裝置，多單片機構(gòu)成的多 CPU 硬件結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)行的實際標(biāo)準(zhǔn)。這種類型的微機保護裝置的基本特點是：電壓頻率轉(zhuǎn)換原理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為整套裝置的公共部分 ,其頻率輸出信號分別傳送給各個保護插件，再由各個保護插件完成相應(yīng)的測頻，采樣值標(biāo)度變換，保護功能計算。 3 個保護 CPU 分別完成高頻保護，距離保護，零序保護功能。監(jiān)控 CPU 主 要負責(zé)人機接口，保護定值管理。通信控制，保護 CPU 運行狀態(tài)監(jiān)控等功能。 3 個保護插件啟動元件按三取二的原則啟動各套保護裝置的出口回路，從而大大的提高了保護裝置的可靠性。 監(jiān) 控 C P UV / F 轉(zhuǎn) 換通 信 接 口I / O 接 口保 護 C P U 1保 護 C P U 2保 護 C P U 3 但是這種多 CPU 微機保護裝置采用了不完全冗余技術(shù)。保護輸入和輸出通道不采用冗余技術(shù)，而只是在信號處理器部分采用。如果模擬輸入通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生故障，那麼輸入 3 個 CPU 插件的故障數(shù)據(jù)將不在準(zhǔn)確，整套裝置不能正確工作；跳閘出口通道發(fā)生故障，整套裝置同樣不能正確工作。因此整個保護 裝置并不因為采用了多 CPU 技術(shù)而使可靠性大幅度的提高。 多 CPU 微機保護裝置除完成本線路的繼電保護功能外，同時還必須完成相鄰線路的遠后備保護功能。廣泛的使用多 CPU 微機保護裝置中，距離保護三段和零序保護三段，都具有遠后備的功能。在距離保護 CPU 插件或者零序保護 CPU 插件發(fā)生故障時，即使線路的主保護可以正常工作，仍將失去遠方后備保護的功能。由于以上的原因，在高壓和超高壓輸變電線路中，不但主保護必須雙重化配置，后備保護也必須雙重化配置。 ② 微機元件繼電保護： 微機元件保護的種類很多，硬件結(jié)構(gòu)也各有特色，基本的 類型有單片機型和工控機型微機元件保護。許多廠家得宜于線路微機保護的成功開發(fā)和應(yīng)用中的成功經(jīng)驗，推出了許多與微機線路保護硬件結(jié)構(gòu)相似的單片機型微機元件保護。比如采用了高壓線路保護類似的 VFC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高性能單片機構(gòu)成的雙 CPU 系統(tǒng)，變壓器主保護與變壓器 各側(cè)的后備保護分別采用不同的 CPU 完成保護功能。為適合變電站自動化的發(fā)展，新型微機變壓器保護也提供了基于現(xiàn)場總線的通信接口功能。 采用工控機實現(xiàn)的微機保護，具有小型化，低成本，高可靠性等優(yōu)點。工控機總線接口簡單，模塊化程度高，容易結(jié)合，使用維護方便，系統(tǒng)功能 容易擴展。可以大大縮短微機保護裝置的開發(fā)周期，實現(xiàn)微機繼電保護裝置的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，便于運行部門的運行維護，必將在微機保護的發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。 ③ 低壓線路的微機保護： 這種類型的保護裝置可以分為兩種：一種為 “一對一 ”方式，即一套裝置實現(xiàn)一條線路的保護；另一種為 “一對 N”方式，即一套裝置實現(xiàn)多條線路保護。采用 “一對一：實現(xiàn)時，一套裝置負責(zé)一條線路或一臺變壓器的測量，保護和控制。使用 “一對 N”方式實現(xiàn)時，一套裝置負責(zé)多條線路或變壓器的測量，保護和控制。它具有分布式結(jié)構(gòu)的全部優(yōu)點而且又便于設(shè)計安裝及運行維護 。為中低壓變電站廣為采用。 110KV 變電站綜合自動化系統(tǒng)保護測控裝置詳細配置 （ 1） 110kv 側(cè)保護測控裝置配置 本設(shè)計采用 RCS9700C 系列測控裝置 RCS9700C 系列測控裝 置 是為將測控功能分散實現(xiàn)而設(shè)計開發(fā)的，在設(shè)計的過程中充分考慮了裝置惡劣的運行條件。裝置具有良好的電磁兼容性能，抗電磁干擾能力強，功耗低，工作溫度范圍寬。 RCS9700C 系列測控裝置綜合考慮變電站對數(shù)據(jù)采集、處理的要求，以計算機技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制、信號等功能。該裝置完全按照分布式系統(tǒng) 的設(shè)計要求，在信息源點安裝小型的高可靠性的單元測控裝置，采用工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)與安裝于控制室的中心設(shè)備相連接，實現(xiàn)全變電站的監(jiān)控。該系列裝置除完成常規(guī)的數(shù)據(jù)采集外，還可實現(xiàn)豐富的測量、記錄、監(jiān)視、控制功能，取代了其它常規(guī)的專門測量儀表。因此，這種系統(tǒng)充分滿足各種電壓等級的變電站對實現(xiàn)綜合自動化和無人值班的要求。 裝置在設(shè)計的過程中充分考慮了運行的安全性，控制系統(tǒng)中的各種閉鎖、開放控制電路的設(shè)置，高可靠性連接元件的選用，通信技術(shù)的應(yīng)用，新型大節(jié)點容量繼電器的使用，出口繼電器檢驗，保證了裝置能更安全可靠的接地運行。 RCS9700C 系列測控裝置采用新型的 ARM+DSP 硬件平臺， 14位并行 AD 轉(zhuǎn)換器，160*240圖形點陣液晶， 100M 以太網(wǎng)雙網(wǎng)，工業(yè)用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了大容量、高精度的快速、實時信息處理 ，裝置支持主接線圖顯示圖形可網(wǎng)絡(luò)下載，裝置具備完善間隔層聯(lián)鎖功能，聯(lián)鎖邏輯可網(wǎng)絡(luò)下裝。 RCS9702C、 RCS9703C、 RCS9705C、RCS9706C、 RCS9709C、 RCS9701C 可提供硬件邏輯閉鎖接點輸出。 RCS9700C 系列測控裝置主要包括交直流測量單元、獨立遙控 單元、狀態(tài)量采集單元、脈沖累計計算單元、網(wǎng)絡(luò)接口。各部分功能如下： 1) 測量單元 現(xiàn)場 CT、 PT來的 5A 和 1A、 100V 的交變波形經(jīng)高精度的變換器轉(zhuǎn)換成適合計算機采集的小信號，經(jīng)濾波后送入 A/D變換成數(shù)字信號，最后進入 CPU 進行計算。本裝置按每個周波采集 32點，對 CT、 PT 和直流變送器進行交直流采樣，并按 N 次等間隔采樣的離 散表達式計算電流、電壓、有功、無功、有功電度、無功電度、功率因素、頻率等交流值和溫度、電流、電壓等直流測量值。 2) 遙信單元 信號以空節(jié)點方式引入，經(jīng)過光電隔離后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入裝置，從 而取得狀態(tài)信號，變位信號。信號量的采集帶有濾波回路，裝置每 ，有變位即進行記錄，信號采集具有防止接點抖動的能力。此外每一信號的采集帶有現(xiàn)場可整定的時限，以確保信號功能的準(zhǔn)確性。 3) 控制單元 控制操作由調(diào)度或當(dāng)?shù)乇O(jiān)控下達命令，裝置接收此命令并返回校核無誤，即輸出此命令對開關(guān)進行跳 /合操作。該控制受開放控制電路的