【正文】 2021/6/14 1 變電站綜合自動化系統(tǒng) 黃益莊 教授 地址：清華大學西主樓三區(qū) 216室 清華大學電機工程系 電話 ：（ 010） 62784706 13701073392 2021/6/14 2 內容提要 第 1章 變電站綜合自動化的基本概念 第 2章 變電站自動化系統(tǒng)的功能 第 3章 變電站自動化系統(tǒng)的結構 第 4章 數(shù)字量的輸入、輸出 第 5章 模擬量的輸入、輸出 第 6章 變電站自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信 第 7章 變電站與調度中心的通信標準 2021/6/14 3 第 1章 變電站綜合自動化的基本概念 變電站自動化是技術發(fā)展的必然趨勢 變電站綜合自動化的發(fā)展過程 2021/6/14 4 變電站自動化是技術發(fā)展的 必然趨勢 ? 當前電力系統(tǒng)發(fā)展的要求 i) 全國聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，對電力系統(tǒng)的可靠性提出更高要求。 國家電力公司陸延昌在 2021年全國電網(wǎng)調度工作會議上明確指出：堅持全國聯(lián)網(wǎng) 、 西電東送 、 南北互聯(lián)的發(fā)展方向不動搖 。并且要做到系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) ， 可靠水平不降低 。 我國水力資源主要集中在西部和西南部 ， 這兩地區(qū)可開發(fā)電量占全國 %；煤炭資源華北和西北兩地區(qū)占 80%；而負荷中心集中在中部和東部沿海 ，這兩地區(qū)的經(jīng)濟總量占全國 82%， 電力消費占 78%。 這種差異 ，決定了電力工業(yè)發(fā)展必須實行西電東送 、 南北互供 、 全國聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略 。 要做到全國聯(lián)網(wǎng)后，供電可靠性水平不降低，加強發(fā)電廠、變電站的安全、可靠運行、提高其自動化水平很為重要。 2021/6/14 5 變電站自動化是技術發(fā)展的 必然趨勢 ii) 常規(guī)的變電站存在的問題 ★ 安全性 、 可靠性不能滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需求 。 ★ 不適應電力系統(tǒng)快速計算和實時性要求 。 ★ 供電質量缺乏科學的保證 。 ★ 不利于提高運行管理水平 。 ★ 維護工作量大 ， 設備可靠性差 。 ★ 占地面積大 ， 增加征地投資 。 2021/6/14 6 變電站自動化是技術發(fā)展的 必然趨勢 科學技術的發(fā)展，為發(fā)展變電站自動 化提供了有利的條件 變電站自動化技術的發(fā)展過程與相關學科的發(fā)展密切相關。變電站自動化發(fā)展過程有三個階段： (1) 變電站分立元件的自控裝置階段 。 *電磁式的自動裝置 *晶體管式的自動裝置 *集成電路式的自動裝置 2021/6/14 7 科學技術的發(fā)展，為發(fā)展變電站自動 化提供了有利的條件 (2) 微處理器為核心的智能自動裝置階段 。 計算機工業(yè)的發(fā)展 ， 尤其是 20世紀 70年代微處理器的問世和微計算機技術的迅速發(fā)展 ，為變電站自動化技術的發(fā)展提供了必要的手段 。 這階段廠站自動化的特點：形成變電站內的 自動化孤島 。 (3) 變電站綜合自動化的發(fā)展 ， 全面促進變電站技術水 平和運行管理水平的提高 。 2021/6/14 8 變電站綜合自動化的發(fā)展過程 國外變電站綜合自動化的早期發(fā)展概況 國外變電站自動化的研究工作始于 20世紀 70年代。 70年代末，英、西德、意大利、澳大利亞等國新裝的遠動裝置都是微機型的。 變電站綜合自動化的研究工作，于 70年代中、后期開始。1975年由關西電子公司和三菱電氣有限公司合作，研究配電變電站數(shù)字控制系統(tǒng)。 1979年 9月完成樣機，稱為 SDCS1型， 12月在變電站安裝運行， 1980年開始商品化生產(chǎn)。 SDCS1型由 13臺微機組成。如 圖 ，它具有對一個77kV/。該變電站具有 3臺變壓器， 4回 77kV進線， 36回 。 2021/6/14 9 變電站綜合自動化的發(fā)展過程 圖 SDCS－ 1結構方框圖 國外變電站綜合自動化的早期發(fā)展概況 2021/6/14 10 SDCS－ 1按功能分為 3個子系統(tǒng)： （ 1）繼電保護子系統(tǒng) （ 2）測量子系統(tǒng) （ 3）控制子系統(tǒng) 80年代，研究變電站綜合自動化的國家和公司越來越多，例如，德國西門子公司、 ABB公司、 AEG公司、 GE公司、西屋公司、阿爾斯通公司等都有自己的變電站自動化產(chǎn)品。 1995年西門子公司的變電站自動化系統(tǒng) LSA678在我國已有十多個工程。 國外研究工作突出的特點是他們彼此間一開始就十分重視這一領域的技術規(guī)范和標準的制定與協(xié)調 。 變電站綜合自動化的發(fā)展過程 2021/6/14 11 我國變電站自動化的發(fā)展過程 我國變電站綜合自動化的研究工作始于 80年代中期。 1987年清華大學電機工程系研究成功國內第一個符合國情的綜合自動化系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)由 3臺微機組成，其系統(tǒng)結構如 圖 。 1987年在山東威海望島變電站成功地投入運行。望島變電站是一個 35kV/10kV城市變電站，有 2回 35kV進線， 2臺主變， 8回 10kV出線， 2組電容器。該系統(tǒng)擔負全變電站安全監(jiān)控、微機保護、電壓無功控制、中央信號等任務。按功能分為 3個子系統(tǒng) ：（ 1）安全監(jiān)控子系統(tǒng)；（ 2）微機保護子系統(tǒng)；（ 3）電壓、無功控制子系統(tǒng)。 這是我國第一個變電站綜合自動化系統(tǒng)，其成功的投入運行，證明了我國完全可以自行研究，制造出具有國際先進水平，符合國情的變電站綜合自動化系統(tǒng)。 90年代中期后，綜合自動化系統(tǒng)迅速發(fā)展 。 隨著微機技術的不斷發(fā)展和已投入運行的變電站綜合系統(tǒng)取得的經(jīng)濟效益和社會效益，吸引全國許多用戶和科研單位和高等院校，因此變電站綜合自動化系統(tǒng)到 90年代，成為熱門話題。 變電站綜合自動化的發(fā)展過程 2021/6/14 12 變電站綜合自動化的發(fā)展過程 我國變電站自動化的發(fā)展過程 圖 變電站微機監(jiān)測、保護綜合控制系統(tǒng)框圖 2021/6/14 13 變電站綜合自動化與無人值班 ? 無人值班的發(fā)展簡況 ? 西歐、北美、日本等發(fā)達國家的絕大多數(shù)變電站，包括許多 500kV、 380kV的變電站也都實行無人值班。例如：巴黎， 1985年建立新一代的計算機自動管理系統(tǒng)，所有 225/20kV變電站都由調度中心集中控制。調度室可掌握所有 225/20kV變電站及 20kV主網(wǎng)絡運行狀況，當電網(wǎng)發(fā)生事故時，調度中心可以直接進行必要的處理，使受停電影響的用戶迅速恢復供電。與此同時也出現(xiàn)一批無人值班或少人值班的大、中小型水電站，例如，到 1980年止，意大利 ENEL公司的 474個水電站中，無人值班達 408個，法國 EDF公司 450個水電站中，有 403個無人值班占 90%。 2021/6/14 14 無人值班的發(fā)展簡況 １ .早期的無人值班變電站沒有自動化功能。只適合不重要的 35KV變電站。 2. 20世紀 60年代 ， 進入了遠方監(jiān)視的無人值班階段 。 3. 20世紀 80年代后期 ， 無人值班技術又上了一個臺階 。 促進了調度自動化實用化的深入開展和電網(wǎng)調度管理水平的提高 。 4. 國家電力調度通信中心于 1993年 12月 28日發(fā)布了調自 [ 1994 ] 2號文件 《 關于在地區(qū)電網(wǎng)中實施變電站遙控和無人值班的意見 》 。 該文件明確指出實行變電站遙控和無人值班是可行的 ， 是電網(wǎng)調度管理的發(fā)展方向 ， 并明確指出各單位要積極穩(wěn)妥地開展此項工作 ， 要根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況 ， 因地制宜 ， 統(tǒng)籌安排 ， 綜合考慮 ， 做好規(guī)劃， 逐步實施 。 根據(jù)需要有些地區(qū)可考慮新建變電站一步到位 ， 即按無人站設計建設 ， 尤其是地區(qū)變電站 。 該文件對全國無人值班變電站的建設起了很大的推動作用 。 2021/6/14 15 變電站實現(xiàn)無人值班的目的和意義 (1) 國民經(jīng)濟發(fā)展形勢的需要 不僅發(fā)達地區(qū) 、 人口密集經(jīng)濟發(fā)展的地區(qū)需要發(fā)展無人值班變電站；人口密度少 、 經(jīng)濟不甚發(fā)達的邊遠地區(qū) ， 發(fā)展無人值班也很重要 。 (2) 提高運行的可靠性 ， 減少誤操作率 。 (3) 提高經(jīng)濟效益和勞動生產(chǎn)率 (4) 降低變電站建設成本 。 2021/6/14 16 變電站綜合自動化全面提高無人值班變電站的技術水平 （ 1） 提高了變電站的安全 、 可靠運行水平 。 （ 2） 提高電力系統(tǒng)的運行 、 管理水平和技術水平 （ 3） 縮小變電站占地面積 ， 降低造價 ， 減少總投資 。 （ 4） 提高供電質量 ， 提高電壓合格率 ， 降低電能損耗 。 （ 5）減少維護工作量。由于綜合自動化系統(tǒng)中的 微機保護裝置和自動裝置，都具有故障自診斷功能，裝置內部有故障，能自動顯示故障部位，縮短了維修時間 。 2021/6/14 17 第 2章 變電站自動化系統(tǒng)的基本功能 變電站自動化系統(tǒng)的內涵 監(jiān)控子系統(tǒng) 繼電保護子系統(tǒng) 電能量計量子系統(tǒng) 自動控制子系統(tǒng) 諧波分析與監(jiān)視功能 變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信功能 變電站綜合自動化系統(tǒng)的特點 2021/6/14 18 變電站自動化系統(tǒng)的內涵 (1) 20世紀 80年代和 90年代中期 ， 國內都把上述功能的系統(tǒng)稱為變電站綜合自動化系統(tǒng) ， 以區(qū)別于只有局部功能的自動化 。國外發(fā)表的文章也稱 “ 綜合自動化 ” ， 或一體化的變電站控制與保護 。 國際電工委員會 （ IEC） 根據(jù)國際上變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展的情況 ， 于 1997年國際大電網(wǎng)會議 （ CIGRE） WG 作組在 “ 變電站內數(shù)據(jù)流的通信要求 ” 報告中 ， 提出了 “ 變電站自動化 ” （ SA， Substation Automation） 和 “ 變電站自動化系統(tǒng) ” （ SAS， Substation Automation System） 兩個名詞 。此名詞被國際電工委員會的 TC 57技術委員會 （ 即電力系統(tǒng)通信和控制技術委員會 ） 在制定的 IEC 61850（ 即變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng) ） 標準中采納 。 我國從 20世紀 80年代中 、 后期以來 ，習慣稱之為 “ 變電站綜合自動化 ” 和 “ 變電站綜合自動化系統(tǒng) ” 。 在 IEC 61850變電站通信網(wǎng)絡標準中 ， 對變電站自動化系統(tǒng) （ SAS） 的定義為：變電站自動化系統(tǒng)就是在變電站內提供包括通信基礎設施在內的自動化 。 2021/6/14 19 變電站綜合自動化的內涵 (2) 2021年中國電力出版社出版的 《 變電站綜合自動術 》一書中指出了變電站綜合自動化的含義是將變電站的二次設備 （ 包括測量儀表 、 信號系統(tǒng) 、 繼電保護 、 自動裝置和遠動裝置等 ） 經(jīng)過功能的重新組合和優(yōu)化設計 ， 利用先進的計算機技術 、 現(xiàn)代電子技術 、 信號處理技術和通信技術 、 實現(xiàn)對全變電站的主要設備和輸 、 配電線路的自動監(jiān)視 、 測量 、 自動控制和微機保護 ， 以及與調度通信等綜合性的自動化功能 。 變電站自動化系統(tǒng) ， 是利用多臺微型計算機 （ 包括單片機等 ） 和大規(guī)模集成電路組成的分級分布式的自動化系統(tǒng) ， 它以微計算機為基礎 ，實現(xiàn)對變電站傳統(tǒng)的繼電保護 、 測量手段 、 控制方式以及通信和管理模式的全面改造 。 變電站綜合自動化系統(tǒng)具有功能綜合化 、 結構微機化 、 操作監(jiān)視屏幕化 、 運行管理智能化 、 通信網(wǎng)絡化等特征 。 2021/6/14 20 監(jiān)控子系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集 模擬量的采樣方式 數(shù)據(jù)采集途徑 安全