1、第3章 开闭所和配电变电站内自动化,开闭所：无变压器,即高压开关站,又称高压配电站,仅起配电作用,实现环网供电、双路互投等功能。 变电站：有变压器,可实现变电、配电两种功能。变电站、开闭所是配电网的重要组成部分，其自动化程度高低直接反映了配电自动化的水平。,3.1 远动装置(RTU)的发展,远方终端装置(RTU，Remote Terminal Unit)：简称远动终端，是SCADA系统（监控和数据采集系统）中安装在变电站和配电站的一种远动装置。负责采集站内电力运行的模拟量和状态量，监视并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心发往所在站的控制和调度命令。,远动装置(RTU)的发展-续,触
2、点远动装置：第一代远动装置，功能弱，精度低，速度慢、可靠性差。 集中式微机远动装置：单CPU结构的RTU装置，功能弱、可靠性差。 分布式微机远动装置：每个CPU分别完成一定的任务，提高了速度、可靠性，同时广泛采用交流采样技术。多CPU结构的分布式微机远动装置成为主流。,3.2 微机远动装置的基本功能,RTU的基本功能：遥测（YC）、遥信（YX）、遥调（YT）、遥控（YK）。 RTU的辅助功能：屏幕显示、参数整定输入、打印制表、信息转发、自恢复与自检、数据保存、事件顺序记录等功能。,1. “四遥”功能,1）遥信(YX)：对应开关量。测量开关位置、保护动作信号、设备运行状态信号，调压变压器分接头位
3、置。一般用无源接点，有变位时立即上传。 2）遥测(YC)：对应模拟量。对U、I、P、Q、 f、功率因数、温度、压力、流量等所有模拟信号的采集，并将采集信号上传。 3）遥控(YK)：远方控制断路器分合，电容器、电抗器的投切等。一般也用无源接点，要求动作准确率大于99.99%。 4）遥调(YT)：用于有载变压器分抽头的升降调节等，也采用无源接点，要求准确率大于99.99%。,2. 事件顺序记录(SOE, Sequence of events),SOE：自动记录事件状态变化的时间。对事故时各种开关、继电保护、自动装置的状态变化信号按时间顺序排队。 作用：用于事故分析。 输入信号：取继电器动作出口信号
4、（不取信号继电器接点）、断路器辅助接点（受分散性、不同步影响)。,2. 事件顺序记录-SOE分辨率,事件分辨率要求达到毫秒级。分辨率高带来高造价。 SOE站内分辨率：RTU内(站内)顺序发生一串事件后，两事件间能辨认的最小时间，要求5ms。 SOE站间分辨率：各RTU间(站间)顺序发生一串事件后，两事件间能辨认的最小时间，要求10ms。 SOE分辨率影响因素： 站内：RTU时钟精度； 站间：系统时钟、通道延时、CPU处理速度。,3. 系统对时,目的：保证SOE具有统一时钟，确保各RTU时钟与调度中心同步。 方法：1）利用GPS，需设置GPS接收机、天线及放大器，通过通信接口(RS232/RS4
5、85)与RTU相连。2）软件对时，根据采用的通信规约对各测控点对时，优点是省投资（不需要增加硬件），但精度受影响。,4. 电能采集,采集变电站进线、出线、主变的电度值。 过去一般用脉冲电度表脉冲，目前一般通过智能电度表的通信实现。,5.自恢复和自检,设置看门狗电路，防止程序跑飞，断电后能自动恢复。 设置自检功能，及时报告出错信息，防止RTU装置元件故障。 通常装置每隔12S自动检测一次，主站侧通过远方诊断，定位到具体故障插件。,6. 与SCADA系统通信和当地功能,根据相应的通信规约（如应答Polling、循环CDT、对等式DNP等），将RTU采集的信息上报配电SCADA系统。 利用RTU微机
6、功能，接入显示CRT或打印机，可就地显示与参数输入整定，或一发多收。 RTU通信速率应可选择整定。 RTU应支持多种通信信道转接功能（如光端机、微波、载波、无线电台等）。,3.3 微机远动装置的分类,RTU结构：集中式、分布式（功能分布式与结构分布式）。 集中式：单CPU结构； 分布式：多CPU结构。 采样方式：直流、交流采样。 组屏方式：集中、分散组屏。,就地安装/分散组屏,集中组屏,1.集中式RTU,构成：单CPU结构，并行总线，CPU管理其他非智能模块，设3个RS232口，2个经Modem与调度主机连，另1个与CRT连。内部模块分遥信、遥测、脉冲电度量采集、遥控、遥调。目前较少使用。 优
7、缺点：成本低，适合于小配置情况；精度、分辨率低，布置不灵活，容量扩展难。,2. 功能分布式RTU,特点：多CPU结构，串行总线，智能模板。 功能模块：智能遥信(IYX)、智能遥控(ISOC)、智能遥测(IYC)、智能遥调(ISOR)、智能电度(IPA)、CPU模块。 各功能模块特点：采用一个（或多个）单片机控制，CPU模块可采用单片机或32位微机实现，相同功能模块布置在一块模板上，组合灵活。 内部串行总线：采用RS485方式或现场总线方式。,功能分布式RTU基本组成,3.结构分布式RTU,特点：面向设备对象设计，同一设备或同一开关柜的“四遥”功能布置在一个RTU中。 布置特点：各RTU单元可分
8、散布置在开关柜中，省空间、二次连线（各RTU间通过RS485或现场总线相联）；也可组屏安装。 优点：可与微机保护、监控功能结合（保护、监控采用各自独立的CPU），方便变电站综合自动化实现。,结构分布式RTU基本组成,结构分布式RTU装置特点,硬件：采用一个或多个单片机，速度快，实时性强，可靠性高。如采用2个单片机，1个负责信号采集、处理，另1个负责通信、人机接口（键盘、显示等）。 通信：采用隔离的高速实时网进行数据通讯，支持双网。 人机对话：大屏幕液晶，汉字显示测量信息；既可遥控亦可当地手控。 系统配置：RTU可单独运行，完成四遥。配上位机系统可组成变电站微机监控系统，RTU与上位机间用现场总
9、线或工业以太网联接。,结构分布式RTU装置功能,交流采样：交流采样，可得到Uab、Ubc、Uca，Ua、Ub、Uc，3Uo，Ia、Ib、Ic，P、Q，cos ；可计算正反向WP、WQ，f（精度0.01Hz)。 遥信量采集：容量为8、12、16点（空接点），一般分辨率4ms。 脉冲度量：一般容量4点，可转入正反向有功、无功电度，脉冲宽度20ms。 遥控：1个对象的分合闸控制，可远动或上位机遥控，亦可在装置上手控。,结构分布式RTU装置构成的变电站监控系统,结构分布式RTU构成的变电站监控系统特点,RTU装置：用于进线、馈线、母线、变压器，母联等设备的监控。 主控单元（MCU）功能： 将系统组态信
10、息发至各RTU装置； 不间断地接收每个RTU的各种现场信息，再把这些信息送至上位机和调度； 接收上位机或调度下达的命令并转发给RTU； 完成对变电站设备的各种控制与调节； 与其他智能设备（如微机保护）进行串行通讯。,结构分布式RTU构成的变电站综合自动化,4.采用智能电能表简化RTU的结构,智能电能表功能：分时段采集WP、WQ，并可采集U、I、P、Q、cos等参数。 优点：智能电能表通过RS485与外联系，可省去RTU中遥测部分，简化结构。随着智能化多功能电能表的成熟，在配网自动化中的应用增多。 缺点：变电所出线多时，遥测刷新慢，在配电自动化中应用有争议。,采用智能电能表的变电站监控系统,5.
11、 RTU的选择,对于现有35-110kV中心变电所、出线较多(总单元数大于10)，其他二次设备又不作改造时，则可采用功能分布式RTU，结合保护等其他装置，实现综合自动化。 对于现有出线小于6回，总单元数小于10个的小型变电所，可采用结构分布式RTU，每个功能模块包括遥测、遥、遥控、遥调，甚至可增加微机保护功能，构成综合自动化系统。 对于6-10kV终端变电所，一般采用结构分布式RTU，且增加微机保护功能，构成综合自动化系统，达到无人值班的条件。 新建变电所应一步到位，按高标准设计，直接达到无人值班条件。具体形式可根据变电所容量大小及重要性来确定，但最好实现综合自动化。如采用微机保护加监控系统，
12、测控及保护一体化单元，智能重合器等构成综合自动化系统。,6. 直流采样和交流采样,直流采样：直接对变送器直流输出（直流电压或电流）进行采样。 特点：简单，但数据稳定性、实时性差，变送器故障几率较高、维护工作量较大；造价大。 交流采样：直接采样各相电流电压，根据算法实时计算电流电压等量。 交流采样算法：算法种类多，保护一般用傅里叶算法；测量一般用均方根算法，例如I、U有效值：,I(k)、U(k)为k时刻电流、电压采样值。,交流采样方式,1）单一通道采样方式 异步采样：也称定时采样，采样间隔周期固定不变，系统基频变化时精度不高。 同步采样：采样周期跟踪系统基频而变化，保持fs/f1=N为不变整数。
13、 2）多通道采样方式 同时采样：同时采样，同时或依次A/D转换。 顺序采样：顺序采样，用于同时性要求不高的场合。 3）分组同时采样 所有输入通道分若干组，组内各通道同时采样，组间顺序采样。,同时采样，同时A/D转换 同时采样，依次A/D转换,顺序采样,依次A/D转换,3.4 变电站综合自动化系统,变电站综合自动化系统：将电力系统的保护、测量、控制、监视、故障分析等功能集合在一起构成变电站综合自动化系统。 目标：实现电力系统优化控制、经济运行、智能决策。,1. 变电站综合自动化系统功能,保护功能：包括各种常规保护设备所能完成的各种功能。如距离、变压器、母线、发动机、电容器、电抗器的主保护、后备保
14、护。 控制功能：近距离控制(就地)、远距离控制(遥控)。 测量功能：遥测、遥信。 通信：与调动系统通信。 诊断功能：自检、自诊断，断路器动作次数、故障电流大小等。 故障录波功能：故障时各种参数波形记录。,2. 变电站综合自动化的优越性,提高供电质量，提高电压合格率（有载调压、无功补偿，无功潮流合理，降低网损，节约电能损耗）。 提高变电站的安全、可靠运行水平（微机保护、故障自诊断功能）。 提高电力系统运行、管理水平（监视、测量、记录、抄表等由计算机完成，提高测量精度，无人为干预）。 与上级调度系统通信（检测数据及时送往调度中心，调度员及时掌握各变电站运行情况，并进行必要调节和控制）。 记录查询（
15、各种操作的时间顺序记录，提高运行管理水平）。,3. 变电站综合自动化发展现状,集中式结构：早期采用，由13台微机完成全变电站的保护、监控。 分布分散式结构：目前大多采用，并采用分层设计。 保护测控一体化：35kV及以下线路，保护测控相互融合、信息共享，保护、测控功能集成在一个独立装置中。 高压或超高压线路：保护、测控装置完全独立，但可统一设计、组屏。 基本监控功能：如遥测、遥信、遥控等已较成熟。 高层次应用：变电站防误闭锁、电压无功控制等应用增多，但还有待研究、发展。,4. 无人值守变电站,无人值班变电站：调度值班员借助微机远动技术替代变电所现场值班员来控制和管理的变电所。 无人值守变电站是变
16、电所的一种先进管理模式。调度员在主站端设备的键盘上进行必要的遥控、遥调操作。 无人值守变电站并非任何操作都无须人员现场进行。 不必再配置单独RTU，模拟量和开关状态信息，通过通信管理单元直接送往调度。 各微机保护单元将动作信息送给调度，并通过通信管理单元转发或执行调度下达的命令。,5. 变电站综合自动化系统结构,系统为多微机、多层次结构形式。 最上层设在电力系统控制中心；13层均设在变电站内。,结构形式：集中式、分布式、分散与集中相结合、全分散式。,1）集中式的结构形式,集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动化功能。 集中式结构也
17、并非指由一台计算机完成保护、监控等全部功能。 多数集中式结构的微机保护、微机监控和与调度等通信的功能由不同的微机完成，只是每台微计算机承担的任务多一点。 缺点：工程和投资量大、系统精度低，易受干扰、调试、维护工作量大，扩展灵活性差。,集中式综合自动化系统框图,2）分布式的结构形式,不同电气设备均单独安装对应的微机保护装置和RTU，任一装置故障，不影响系统正常工作。 系统内装置间信息的传送均为数字信号，抗干扰能力强。 系统为多CPU工作方式，各装置都具有一定的数据处理能力，大大减轻主控制机的负担。 系统扩充灵活方便。 具有自诊断功能，自动对系统内所有装置巡检，发现故障自动检出，并加以隔离。 具有
18、事件顺序记录功能（SOE），分辨率可达1mS，为事故分析提供有效的数据。,分布式综合自动化系统框图,3）全分散式综合自动化系统,特点：将数据采集、测量、监控功能并入微机保护装置（微机综合保护测控装置）。 微机综合保护测控装置：也称分布式保护测控装置、“四合一”装置(保护、遥测、遥控、遥信)。 全分散式综合自动化系统是一分层分布式系统，按一个元件、一个装置分布式配置，各装置间通过网络联接，网络组态灵活。 整个系统可靠性高，任一装置故障仅影响相对应的元件。 各保护测控装置既可分散安装在开关柜上，也可集中组屏安装。,110/35kV变电站自动化系统配置方案,35kV变电站自动化系统配置方案,6. 微
19、机保护,微机保护：以微处理器为核心组成的电力系统继电保护。特点： 性能优：高速运算、逻辑判断和记忆，可实现复杂保护功能，故障参数追忆、打印； 可靠性高：自诊断、抗干扰； 灵活性强：硬件、外围设备可通用； 调试维护工作量小：软件成熟后，硬件完好下几乎不用调试； 经济性好：包括投资费用和运行维护费用； 多功能化和综合应用：实现保护外的其他功能（录波、记录、数据远传）。,3.5 配电变电站自动化的若干问题,1. 环境温度和湿度 各种微机装置选用民用级芯片(工作温度0-500C)，但变电站环境温度有时较低(-150C)，须选用工业级芯片。 连续运行的微机装置，只要进入严寒时未停过电，器件本身发热可维持
20、芯片最低极限工作温度，装置仍能在较低温度下工作。 停电或关机后微机装置再启动将困难。 可采用装置预热方法实现再启动；或采用环境机箱，通过PTC加热，使机箱温度达到装置工作温度；或再与抽风扇配合，降低湿度。,2. 状态量采集,开关量接点形式：保护继电器输出触点，断路器与刀闸的辅助接点，刀闸和断路器等设备的故障信号 如压力等.,3. 防跳跃机构,跳跃：当断路器手动或遥控合闸于故障线路时（如短路），不论操动机构有无自动脱扣，断路器都应自动分闸。此时若合闸命令还未解除（如转换开关的手柄或继电器还未复位），则断路器分闸后又将再次合闸，紧接着又会分闸。这样，有可能使断路器连续多次合、分故障电流，这一现象称
21、为“跳跃” 。 防跳跃意义：出现跳跃时，断路器将无谓的连续多次合、分短路或故障电流，造成触头严重烧损甚至引起爆炸事故。因此对于非手动操作的操动机构必须具有防止跳跃的能力，使得断路器关合短路而又自动分闸后，即使合闸命令尚未解除，也不会再次合闸。,3. 防跳跃机构续,防跳跃措施：在分闸命令和合闸命令同时施加的情况下，防跳跃继电器使分闸优先。防跳跃继电器由分闸命令直接启动，并通过合闸继电器的触点保持在得电位置，它们的触点完全切断合闸线圈回路，使断路器不能实现合闸，直到合闸信号完全解除。 实现方法：利用继电器对合闸回路进行闭锁。 防跳继电器（TBJ）：有两个线圈，一个是电流启动线圈，一个是电压保持线圈
22、。电流线圈串联在跳闸回路中，以便当继电保护动作于跳闸时，使防跳继电器可靠地启动。电压线圈的主要作用是在继电器动作后能可靠地自保持。,利用防跳继电器的防跳接线图,利用普通继电器闭锁合闸回路的防跳接线图,合闸时，合闸整流桥输出经Y3/S2/S3/S1/KO(2-1常闭)接通。 继电器KO并联在合闸回路上，断路器合闸后并联在合闸回路的辅助接点S3闭合，继电器KO线圈接通，KO触点切换到(4-1常开) ，断开合闸回路并保持，若此时合闸于故障，继电保护动作跳闸，由于合闸回路已可靠断开，防止了跳跃。,4. 有功功率采集,小电流接地系统(三相三线制)，常采用两瓦特计法（两表法）进行P的测量。 电源EAB供给
23、负载的有功功率： 电源ECB供给负载的有功功率：,1）三相三线制,负载的全部有功功率：,设I(k)、U(k)为k时刻电流、电压采样值, 离散化表达式:,2）三相四线制,对大电流接地系统（三相四线制），采用三表法进行P的测量。,离散化表达式:,5. 电度量采集,脉冲电度表法： 存在问题：丢脉冲问题（特别是微机装置复位时易丢脉冲）；电磁干扰问题（传输线较长，易受电磁干扰，使脉冲变形、记数不准）；电度表底值问题。 智能电度表法：通过RS485连接，每次上报电度表当前电度值，精度高，装置复位、干扰不影响电度的测量累计。 直接采样法：通过微机计算累计得到电度量，但精度受影响。,作业,RTU的结构分为几类？ 远动装置RTU的四遥是含义是什么。 结构分布式RTU的硬件结构框图。 事件顺序记录（SOE）的作用、要求、影响因素有哪些？ 直流采样和交流采样的优缺点 。 防跳跃意义与措施。 变电站综合自动化系统的功能特点与结构形式。,
