分散式綜合自動化系統在常規站二次改造中的應用

一、前言
　　我局電力系統始建于七十年代末，由于當時技術條件的限制，陸續建起的變電站二次設備繼電器均為電磁式的。部分投運較早、運行時間較長的變電站二次設備老化嚴重，尤其是控保繼電器的快速性、可靠性、靈敏性受到嚴重的影響，導致變電站運行時常出現斷路器拒動甚至誤動現象，給變電站的安全、可靠運行帶來了嚴重的威脅。隨著電子技術、計算機技術和可靠性技術的發展，給計算機測控系統在電力系統實時控制、繼電保護中的應用提供了可能，也使得變電站綜合自動化系統這項新技術的應用愈來愈成熟，從而為常規變電站二次設備的改造提供了技術基礎。變電站綜合自動化是以全微機化的新型二次設備代替常規的電磁式設備，并盡可能做到硬件資源共享，以不同的軟件模塊實現常規的硬件才能完成的功能，用計算機局部通信網絡代替大量的信號電纜的連接，不僅減少了設計、維護工作量，而且也使得改造后的變電站自動化程度及安全、運行的可靠性得到提高，這對保證生產的連續性有著極其重要的意義。

二、變電站綜合自動化系統的布置方式
目前微機變電站布置方式一般有:
　　1、集中式: 即將變電站微機監控系統及微機繼電保護裝置等設備集中布置在主控制室內，集中控制、操作和管理。其優點是設備集中安裝在控制室內，可以有較好的運行環境; 不足之處是要敷設多條信號電纜等，連接點多，故障幾率高，并且發生故障時影響范圍大，因此可靠性較差。
　　2、分散式: 即將一體化的微機監控保護設備采用分散分布結構及就地分散安裝方式。一般是按回路設計，將數據采集、控制單元與微機保護單元就地安裝在開關柜上或其它一次設備附近，相互之間通過網絡電纜，構成分散式的綜合自動化系統。由于其所用電纜少、連接點少、故障幾率低、可靠性高，因此是微機變電站的發展方向，易于推廣應用。
　　根據我局變電站的規模、特點等具體情況，為切實保證二次設備改造后變電站供電的可靠性及施工方便，最大限度地減少施工停電時間，減少對生產的影響，經過我們認真調查和充分論證，認為分散式布置應當作為常規變電站二次設備改造的首選方案。目前利用這一布置方式我們已成功地改造了濮一、中心等幾座35kV變電站，其效果較好。下面結合我局濮一變的具體改造情況對分散式的結構與配置、功能等進行說明。

三、分散式變電站綜合自動化系統的結構、配置及功能
　　我局濮一變是1980年6月份建成投產的，主變安裝容量為2×8000kVA。35kV、6kV側均為單母線分段，其中35kV進出線4回、6kV配出25回(包括線路、電動機、電容器等)。該變電站主要擔負著我局濮城油田的原油生產(日產原油1300噸)供電任務，其供電的可靠性顯而易見。經過20多年的運行，其二次設備老化嚴重，1998年曾因保護誤動作，造成1#主變跳閘，致使油區部分供電線路供電中斷，經濟損失較為嚴重，因此該變電站的二次設備改造勢在必行。為盡量縮短施工停電時間，減少對油氣生產的影響，我們采用了DMP分散式綜合自動化系統，即把所有的6kV微機保護設備分散安裝在高壓開關柜上，35kV一次設備和主變的微機保護與監控分散式單元機箱集中組屏后仍布置在主控制內(因35kV部分及主變均為戶外設備)。該型自動化裝置是針對變電站設計生產的新一代全分散式微機系統，它由若干套微機保護、測量、遠動單元組成，若干單元組合后安裝在高壓柜上，通過通訊電纜與監控主機系統通訊，并通過主機下發四遙命令，實現遠方的遙測、遙信、遙控、遙調功能，從而實現綜合自動化。
1、 系統結構
　　該系統設計為分層管理模式。底層是分布式單元機箱，包括單元保護與監控模擬量、單元開關量采集、操作回路、就地漢字顯示功能。
上層為當地監控，采用高檔586工控微機，以中文Windows95&98為軟件平臺，主要完成對各單元裝置實時數據的采集、實時數據的加工和管理及實現系統管理站功能。其分散式變電站綜合自動化系統結構框圖如圖1所示。

圖1 分散式變電站綜合自動化系統結構框圖

2、 系統硬件配置
　　本系統各單元箱是由以下模塊構成: 電源模塊、交流采樣模塊、CPU主模塊、出口操作模塊、鍵盤液晶顯示模塊、屏蔽隔離板等組成。箱體為全金屬封閉結構，通過屏蔽隔離板，將微機部分與出口繼電器執行部分完全屏蔽隔離，提高微機系統的抗干擾能力。在80196KC微處理器系統中采用了外部硬件“看門狗”和內部軟件“看門狗”雙重手段，確保微機系統正常工作中，因意外情況異常而自動復位。內部出口操作模板上還設有手動跳合閘按鈕供就地跳合閘使用。

圖2 保護測控單元原理框圖
　　如圖2所示，保護TA，測量TA及TV等電量均經過彼此獨立的小TA和小TV模塊進入微處理系統，經過濾波之后，將所有交流電氣信號轉換成0~5V的微機標準接收信號，通過多路轉換開關，由微機進行交流采樣，每個周期采樣12點，經過傅立葉算法之后，可得到所需的基波及其它諧波值的分量，因而可以方便地計算出每條線路的U、I、P、Q、COSφ等值。通過將正弦波處理成方波，利用高速輸入通道HSI，可以方便地計算出線路的頻率，各類電量值的精度不低于0.5級。有功電度和無功電度數既可采集脈沖電度表脈沖數，也可以通過本身PQ值累積得到。其保護功能，通過保護級TA及TV將信號采集之后可得到相關實際值，并利用這些實際值進行不同的組合運算，將結果與給定值比較，判斷是否應該報警或保護動作完成報警保護功能。
　　鍵盤液晶顯示面板供保護動作定值修改和電量參數就地顯示功能用，鍵盤板上共配置9個按鍵，三個指示燈，可以指示本條線路斷路器的位置狀態和單元箱工作狀態。鍵盤液晶顯示共有兩種工作狀態: 一般工作狀態和編程工作狀態。一般工作狀態下可查看各類電量參數。編程工作狀態可以方便地修改各類保護定值。
　　保護測控單元箱可通過配置不同的軟件功能模塊實現多種不同的保護功能: 如主變壓器保護、饋線保護、電容器保護、電動機保護、母線保護等。它可以自動記錄8條事故類型，時間及動作值，供上級微機系統調用。通過后臺管理機，輸入操作密碼，經通訊口可將斷路器分合閘命令傳送至某一測控保護單元，執行對應斷路器分合閘操作功能。

3、 系統功能
除具有微機保護功能外，還具有以下功能：
3.1、數據采集和處理
　　實時采集全站運行過程的輸入信號(包括模擬量、開關量、脈沖量)，經濾波，檢出事故、故障、狀態變位信號和模擬量參數變化，實時地更新數據，為微機保護和監控系統提供運行狀態的數據。
3.2、越限報警
　　電氣和非電氣模擬量設上限、下限、梯度變化值等限值，當測量值越限時發出報警，并作相應處理。
3.3、事件順序記錄
　　將繼電保護、自動裝置的動作和斷路器的跳、合閘按動作順序記錄下來，事件分辨率為5ms。
3.4、電度量的累計
　　接收脈沖電度表輸出的脈沖信號，進行電度量累計，還可進行峰、平、谷時段累計。
3.5、控制操作
　　各單元機箱上安裝有手動分/合閘操作按鈕，可就地操作。也可經后臺機鍵盤執行對站內斷路器、電容器及主變分接頭的控制。執行某單元斷路器的送/停電，倒閘操作等各種順序操作。在控制操作中實現安全操作閉鎖功能。
3.6、人機接口
　　人機接口監視器、鼠標和功能鍵提供靈活的人機交換聯系，能提供正常的運行顯示、調用各種數據、報表及運行狀態圖、參數圖等畫面。
3.7、事件報警
　　在系統發生事件或運行設備工作異常時，自動投入音響報警，推出事故畫面，畫面上相應塊閃光報警，指出事件的性質和異常參數值。
3.8、系統自診斷
　　分布式單元機箱和計算機監控系統具有在線自診斷功能，并能報警。保護單元自診斷出錯時閉鎖保護，同時報警。上層單元對下層單元通過通訊進行互檢。
3.9、與調度通訊、對時
　　該變電站的計算機能與調度系統計算機進行對時、通訊、完成站端事件順序記錄、遙測、遙信、遙控、遙調等功能。可以與多級調度進行遠動通信。
3.10、自動電壓無功調節
　　按給定的電壓無功關系自動投切電容器、調整變壓器的分接頭。
3.11、技術統計與制表打印
　　根據運行要求進行電流、電壓、功率、電度量的整點抄表、累計，設備的運行工況、時間統計及特征值、合格率、負荷率等技術統計。并能定時自動或召喚制表打印輸出。

四、 應用情況
　　2001年4月份濮一變自改造投運以來，未發生過保護誤動和拒動現象，而且正確的保護動作避免了事故的擴大。如2001年8月18日發生612柜的C相過流故障，過流保護正確動作; 2002年2月發生616柜短路故障，電流速斷保護正確動作。此外該系統還具有如下顯著優點:
　　1. 分散式安裝系統，與以往我們所建的集中式安裝系統變電站相比，能夠節省約80%的電纜費用和安裝工作量，不僅降低了投資費用，而且縮短了施工停電時間。
　　2. 系統的保護、控制、監測功能集成一體化，且內外層采用光電耦合，抗干擾能力強。
　　3. 每個單元機箱分散安裝在開關柜上，彼此獨立，并由一根屏蔽(RS-232)雙絞線與主機系統通訊，走線簡單，維護方便。由于基本功能在每一控制單元內，即使通訊網絡損壞也不會影響正常的監控和保護功能。
　　4. 輸入交流采樣，用單片機進行計算替代模擬變送器，即可省去相當大數量的投資，同時又提高了系統測量精度和可靠性，另外裝置的電度計算是每個控制單元的脈沖電度表接入相應的DMP單元，可以顯示和打印各種時限的電度報表，減少了很多計算量，值班人員不用每小時抄表，節省了人力。
　　5. 監測功能完整，除常規電氣量量測外，還具有溫度量測、順序事件記錄等功能。
　　6. 系統每一回路的保護、測量自成體系，互不干擾，互相獨立，并具有全系統軟硬件自檢功能，系統可靠性高。

五、結論
　　濮一變改造投運一年多來，微機控保系統運行安全可靠。改造后不但提高了該變電站的自動化水平，而且也為油氣的生產及其它負荷提供了可靠的電力保障，具有顯著的經濟效益。因此為了節省改造投資，方便施工，并盡量縮短施工停電時間，建議常規變電站二次設備的改造最好采用分散式綜合自動化系統。