变电站综合自动化

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浅议变电站综合自动化
 
摘要：
本文就变电站综合自动化中的数字化变电站、继电保护、静止无功功率补偿装置、故障录波器、架空线路零序电流及接地距离保护等方面做了浅显的叙述。主要是通过举例和引用表明变电站综合自动化的发展方向与良好前景。
 
引言
中山网讯 11月17日，承担中山电网近1/5负荷的220千伏三乡数字化改造项目顺利通过验收。广东电网公司验收工作组一致认为，该项目为国内首例220千伏枢纽变电站全数字化改造项目，多项技术成果为国内领先。项目的成功实施，为今后我国数字化变电站建设和运行提供了宝贵经验。
220千伏三乡变电站数字化改造工程历经3年，日前终于完成建设。该项目采用了多项数字化变电站新技术，采用过程层、间隔层、站控层三层结构，220kV、110kV部分采用电子式互感器、智能汇控终端、数字化保护装置等新设备，是一座完全意义上的分层分布式数字化变电站，也是国内第一个最复杂、最全面、最彻底的220千伏数字化变电站改造。
该项目的成功实施，标志着中山供电局在变电站自动化建设上，向“数字化”迈出了坚实的一步。
正文
　　变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备(包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等)的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站运行监视和控制任务。变电站综合自动化替代了变电站常规二次设备，简化了变电站二次接线。变电站综合自动化是提高变电站安全稳定运行水平、降低运行维护成本、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技术措施。
　　功能的综合是其区别于常规变电站的最大特点,它以计算机技术为基础, 以数据通讯为手段,以信息共享为目标。
　　综合自动化实现的两个原则：
　　一是中低压变电站采用自动化系统，以便更好地实施无人值班，达到减人增效的目的；
　　二是对高压变电站（220kV及以上）的建设和设计来说，是要求用先进的控制方式，解决各专业在技术上分散、自成系统，重复投资，甚至影响运行可靠性。
　　我国变电站综合自动化建设的发展历程:
　　全国第一套微机保护装置----1984华北电力大学
　　全国第一套分布式综合自动化系统----1994大庆
　　全国第一套就地安装保护装置----1995 CSL200A
　　全国第一套220kV综合自动化变电站----1996珠海南屏
　　全国第一套全下放式220kV综合自动化变电站----1999丹东
　　全国第一套全国产500kV综合自动化变电站----1999南昌
　　全国第一套将专家系统应用到变电站综合自动化系统中--2000
　　国内第一家引进现场总线LonWorks (四方公司引进,四方公司由华北电力大学教授,工程院院士杨奇逊老师创办)
随着IEC61850标准的诞生，变电站综合自动化系统又迎来了新一轮的发展机遇。
1.数字化变电站
数字化变电站是由智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等）和网络化二次设备分层（过程层、间隔层、站控层）构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。
　　数字化变电站是应用IEC61850进行建模和通信的变电站，数字化变电站体现在过程层设备的数字化，整个站内信息的网络化，以及开关设备实现智能化。数字化变电站有如下特点：
　　(1)智能化的一次设备
　　一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
　　(2)网络化的二次设备
　　变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I／O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源其享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
　　(3)自动化的运行管理系统
变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。
2.继电保护
protective relay,power system protection
继电保护是指研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路、母线等）使之免遭损害，所以沿称继电保护。基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。
实现继电保护功能的设备称为继电保护装置。最早的继电保护装置是熔断器。以后出现了作用于断路器的电磁型继电保护装置、电子型静态继电器以至应用计算机的数字式继电保护。随着电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，人工智能技术如人工神经网络、遗传算法、进化规模、模糊逻辑等相继在继电保护领域的研究应用。
　　继电保护装置必须具备以下5项基本性能：①灵敏性。反映故障的能力，通常以灵敏系数表示。②可靠性。在该动作时，不发生拒动作。③快速性。能以最短时限将故障或异常消除。④选择性。在可能的最小区间切除故障，保证最大限度地向无故障部分继续供电。⑤安全性。继电保护装置应在不该动作时可靠地不动作，即不应发生误动作现象。选择继电保护方案时，除设置需满足以上5项基本性能外，还应注意其经济性。即不仅考虑保护装置的投资和运行维护费，还必须考虑因装置不完善而发生拒动或误动对国民经济和社会生活造成的损失。
　　随着电力系统容量日益增大，范围越来越广，仅设置系统各元件的继电保护装置，远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故。为此必须从电力系统全局出发，研究故障元件被相应继电保护装置的动作切除后，系统将呈现何种工况，系统失去稳定时将出现何种特征，如何尽快恢复其正常运行等。系统保护的任务就是当大电力系统正常运行被破坏时，尽可能将其影响范围限制到最小，负荷停电时间减到最短。此外，机、炉、电任一部分的故障均影响电能的安全生产，特别是大机组和大电力系统的相互影响和协调正成为电能安全生产的重大课题。因此，系统的继电保护和安全自动装置的配置方案应考虑机、炉等设备的承变能力，机、炉设备的设计制造也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要。为了巨型发电机组的安全，不仅应有完善的继电保护，还应研究、推广故障预测技术。
　　国外知名品牌有ABB、GE、SWEL、SEL、西门子、阿海珐、施耐德等,国内知名品牌有南瑞、南自、四方、许继等。
随着技术的发展，现代继电保护其装置基本上都包含着下列主要的环节：①信号的采集，即测量环节；②信号的分析和处理环节；③判断环节；④作用信号的输出环节。以上所述仅限于组成电力系统的各元件（发电机、变压器、母线、输电线等）的继电保护问题，而各国电力系统的运行实践已经证明，仅仅配置电力系统各元件的继电保护装置，还远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故。为此必须从电力系统的全局和整体出发，研究故障元件被相应继电保护装置动作而切除后，系统将呈现何种工况，系统失去稳定时将出现何种特征，如何尽快恢复系统的正常运行。这些正是系统保护所需研究的内容。系统保护的任务就是当大电力系统正常运行被破坏时，尽可能将其影响范围限制到最小，负荷停电时间减小到最短。
大电力系统的安全稳定运行，首先必须建立在电力系统的合理结构布局上，这是系统规划设计和运行调度工作中必须重视的问题。在此基础上，系统保护的合理配置和正确整定，同时配合系统安全自动装置（如解列装置、自动减负荷、切水轮发电机组、快速压汽轮发电机出力、自动重合闸、电气制动等），达到电力系统安全运行的目的。
鉴于机、炉、电诸部分构成电力生产中不可分割的整体，任一部分的故障均将影响电力生产的安全，特别是大机组的不断增加和系统规模的迅速扩大，使大电力系统与大机组的相互影响和协调问题成为电能安全生产的重大课题。电力系统继电保护和安全自动装置的配置方案应考虑机、炉设备的承受能力，机、炉设备的设计制造也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要。
为了巨型发电机组的安全，不仅应有完善的继电保护装置，还应积极研究和推广故障预测技术，以期实现防患于未燃，进一步提高大机组的安全可靠性。
3.静止无功功率补偿装置
在电力系统中的变电所或直接在电能用户变电所装设无功功率电源,以改变电力系统中无功功率的流动,从而提高电力系统的电压水平，减小网络损耗和改善电力系统的动态性能，这种技术措施称为无功功率补偿（reactive power compensation）。
无功功率指的是交流电路中，电压U与电流I存在一相角差时,电流流过容性电抗(XC)或感性电抗(XL)时所形成的功率分量。这种功率在电网中会造成电压降落（感性电抗时）或电压升高（容性电抗时）和焦耳（电阻发热）损失，却不能做出有效的功，因而需要对无功功率进行补偿。合理配置无功补偿（包括在什么地点、用多大容量和采用何种型式）是电力系统规划和设计工作中一项重要内容。在运行中,合理使用无功补偿容量，控制无功功率的流动是电力系统调度的主要工作之一。
无功功率的产生和影响
在交流电力系统中，发电机在发有功功率的同时也发无功功率，它是主要的无功功率电源；运行中的输电线路，由于线间和线对地间的电容效应也产生部分无功功率,称为线路的充电功率,它和电压的高低、线路的长短以及线路的结构等因素有关。电能的用户（负荷）在需要有功功率 (P)的同时还需要无功功率(Q),其大小和负荷的功率因数有关；有功功率和无功功率在电力系统的输电线路和变压器中流动会产生有功功率损耗(ΔP)和无功功率损耗(ΔQ),也会产生电压降落(ΔU)。
　　P、Q分别为流入输电线（或变压器）的有功功率和无功功率，U是输电线（或变压器）与P、Q同一点测得的电压,R、X 则分别是输电线（或变压器）的电阻和电抗。
　　由此可见，无功功率在输电线、变压器中的流动会增加有功功率损耗和无功功率损耗以及电压降落；由于变压器、高压架空线路中电抗值远远大于电阻值，所以无功功率的损耗比有功功率的损耗大，并且引起电压降落的主要因素是无功功率的流动。
　　一般情况下，电力系统中发电机所发的无功功率和输电线的充电功率不足以满足负荷的无功需求和系统中无功的损耗，并且为了减少有功损失和电压降落，不希望大量的无功功率在网络中流动，所以在负荷中心需要加装无功功率电源，以实现无功功率的就地供应、分区平衡的原则。
无功补偿的作用
无功补偿可以收到下列的效益：①提高用户的功率因数,从而提高电工设备的利用率;②减少电力网络的有功损耗；③合理地控制电力系统的无功功率流动，从而提高电力系统的电压水平，改善电能质量，提高了电力系统的抗干扰能力；④在动态的无功补偿装置上，配置适当的调节器，可以改善电力系统的动态性能，提高输电线的输送能力和稳定性；⑤装设静止无功补偿器(SVS)还能改善电网的电压波形,减小谐波分量和解决负序电流问题。对电容器、电缆、电机、变压器等，还能避免高次谐波引起的附加电能损失和局部过热。
4.故障录波器
故障录波器用于电力系统，可在系统发生故障时，自动地、准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况，通过这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平均有着重要作用。
以下以WLB-2000A数字式线路故障录波器说明。
WLB-2000A数字式线路故障录波器/WLG-2000A数字式发电机变压器组故障录波器是在充分调研国内外故障录波装置设计及运行情况，吸取微机保护和变电站自动化技术成功经验的基础上，依据《DL/T553-1994 220-500kV电力系统故障动态记录技术准则》和《DL/T873-2004 微机型发电机变压器组动态记录装置技术条件》，并积极采纳故障动态记录行业新标准起草中提出的建议，以高于保护装置要求设计开发的新一代录波装置。
本装置提供了基于启动元件的暂态波形记录（采样率1k～10kHz可整定）、稳态向量记录（记录间隔最小20ms）、无启动元件长录波（采样率1k～2kHz可整定，可选）三种数据记录方式，为电力系统电磁暂态过程、机电暂态过程、稳态过程等各种工况的提供了完整可靠的记录手段；同时本装置提供面向对象的分析软件，为电网的故障分析、故障测距等提供有力的帮助。
本装置采用嵌入式硬件平台，一体化10U机箱，抗干扰能力强，运行稳定可靠；模拟量、开关量采用模块化设计，各采集单元数据同步采集同步传输，同步采样误差仅为1/16uS，所以分配在不同采集单元上的模拟量之间也可以组合出序分量、差动量等启动量，配置非常灵活。因此，本装置通过不同配置完全满足各种电压等级变电站、电厂线路录波和发变组录波的要求。
技术特点：
（1）高速、可靠的嵌入式数据采集和处理平台
①录波装置采用TI公司C6000系列高端32位DSP+FPGA为数据采集基础平台，经过严格的抗干扰设计，保证硬件高速稳定地运行；
②各采集单元采用16位A/D，完全由硬件实现同步采样同步传输，各采集单元之间采样同步误差小于1/16us；
③采样率可整定，工频50Hz时整定范围为1kHz～10kHz，60Hz时为1.2kHz～9.6kHz；故障前后记录时间也可灵活整定；
④内嵌10/100M以太网，用于录波数据的快速送出；
⑤可内嵌GPS模块，同时支持外部RS232/485/分脉冲/IRIG-B等对时方式。
（2）灵活、规范的装置结构配置
①录波装置采用模块化结构，单装置最多可配6个采集单元，每个采集单元有16路模拟量和32路开关量，通过配置可以满足各电压等级变电站、发电厂不同规模的录波需要；
②数据处理单元与采集单元之间采用串行通信，所以采集单元既可集中布置也可分散布置（采集单元下放到现场），分散布置时一般采用光纤连接；
③数据处理单元与采集单元之间通讯格式符合IEC60044-8规约，所以也可与符合国际标准的数字式TV/TA无缝连接；
（3）全面、冗余的录波数据记录
①具有三种数据记录方式：电力系统故障、发生大扰动时的暂态数据记录功能；发电机组和电网正常运行时的稳态数据记录功能；无启动元件长录波功能；
②暂态数据记录有多种启动方式共选择，并且提供默认启动值和模板式的整定界面，尽量减少人为出错因素，保证电力系统故障时装置能正确启动；
③无启动元件长录波功能是在不影响传统的启动式录波基础上，增加一个录波数据处理单元完成，采样率为1kHz或2kHz。此功能尤其对启动元件不易整定或电力系统不明原因故障时的数据记录能起到很好的补充作用；对系统大面积长时间故障的全过程的记录和分析更有意义。
④录波装置中有64M～1G电子盘或CF卡存放暂态数据记录，另外可选配第2个数据处理单元和40G笔记本硬盘存放长录波数据，同时嵌入式管理机（硬件为不带风扇的单板工控机）通过录波装置的嵌入式以太网获取并存放暂态数据记录和稳态数据记录。多重化的冗余存储保证了数据记录的可靠性。
（4）方便、快捷的录波数据检索
①可以按启动时间、启动原因、跳闸线路/元件、跳闸相别、故障线路/元件、故障相别等条件及其组合检索录波数据；
②近期故障录波数据文件无须搜索，显示在屏幕的显著位置，而且其基本信息（启动时间、启动原因等）一览无遗；
③可以从录波数据中有选择地裁剪出部分线路/元件的电压、电流，方便上送调度端和进行快速分析；
④可以在列表中方便地备份、删除数据记录。
（5）专业、实用的离线分析软件
①从定值整定到离线分析，都体现了面向对象的设计思想，按照母线/线路/变压器/发变组等的物理模型建立对象和相互之间的联系，更符合电力系统工作人员的思维方式；
②离线分析之图形分析直观地显示各模拟通道的电压电流波形，开关量状态，以及在此基础上的瞬时值/有效值、频率、功率、谐波、序分量、向量图等，为用户分析提供第一手资料；
③离线分析之高级分析主要提供了面向对象（线路/母线/变压器/发变组等）的电力系统故障分析的功能，该功能体现了继电保护专家的思想，并且可不断扩充，为事故分析提供有力的帮助。
（6）完备、高效的组网通信系统
①可通过MODEM与调度端进行拨号方式组网，也可通过双绞线或光纤以太网进行组网，具有“断点续传”和“数据压缩”的功能，以提高传送效率；
②可采用IEC870-5-103规约接入变电站监控系统。
③提供标准的FTP服务，方便联网。
5.架空线路零序电流及接地距离保护
在三相四线电路中，三相电流的相量和等于零，即Ia+Ib+IC=0
如果在三相四线中接入一个电流互感器，这时感应电流为零。当电路中发生触电或漏电故障时，回路中有漏电电流流过，这时穿过互感器的三相电流相量和不等零，其相量和为：Ia+Ib+Ic=I(漏电电流）
这样互感器二次线圈中就有一个感应电压，此电压加于检测部分的电子放大电路，与保护区装置预定动作电流值相比较，如大于动作电流，即使灵敏继电器动作，作用于执行元件掉闸。这里所接的互感器称为零序电流互感器，三相电流的相量和不等于零，所产生的电流即为零序电流。
产生零序电流的两个条件:
①无论是纵向故障、还是横向故障、还是正常时和异常时的不对称，有零序电压的产生；
②零序电流有通路。
以上两个条件缺一不可。因为缺少第一个，就无源泉；缺少第二个，就是我们通常讨论的“有电压是否一定有电流的问题”。
零序公式:3U0=UA+UB+UC,3I0=IA+IB+IC
正序、负序、零序的出现是为了分析在系统电压、电流出现不对称现象时，把三相的不对称分量分解成对称分量（正、负序）及同向的零序分量。只要是三相系统，就能分解出上述三个分量（有点象力的合成与分解，但很多情况下某个分量的数值为零）。对于理想的电力系统，由于三相对称，因此负序和零序分量的数值都为零（这就是我们常说正常状态下只有正序分量的原因）。当系统出现故障时，三相变得不对称了，这时就能分解出有幅值的负序和零序分量度了（有时只有其中的一种），因此通过检测这两个不应正常出现的分量，就可以知道系统出了毛病（特别是单相接地时的零序分量）。下面再介绍用作图法简单得出各分量幅值与相角的方法，先决条件是已知三相的电压或电流（矢量值），实际工程上是直接测各分量的。
各分量与谐波的关系。由于谐波与基波的频率有特殊的关系，故在与基波合成时会分别表现出正序、负序和零序特性。但我们不能把谐波与这些分量等同起来。由上所述，之所以要把基波分解成三个分量，是为了方便对系统的分析和状态的判别，如出现零序很多情况就是发生单相接地，这些分析都是基于基波的，而正是谐波叠加在基波上而对测量产生了误差，因此谐波是个外来的干扰量，其数值并不是分析时想要的，就如三次谐波对零序分量的干扰。
架空线路由于阻抗，对地电容等的不同，一般接入零序电流保护和接地距离保护。
零序电流保护和接地距离保护是目前超高压输电系统中普遍应用的两种不同动作原理的后备保护，其功能均是快速切除线路上发生的接地故障。目前继电保护整定计算仅考虑相同动作原理保护之间的配合，如零序电流保护仅考虑与零序电流保护的配合。然而从保护功能方面来说，零序电流保护也是相邻接地距离保护的后备。因而为了保证选择性，继电保护整定计算应从功能上考虑保护之间的配合，而不仅仅是动作原理上，即零序电流保护应与接地距离保护配合。由于零序电流保护和接地距离保护在功能上存在着一些重叠，因此必须正确区分这两种保护在保护系统中应处的地位。
主保护能以最快速度有选择性地切除被保护元件故障，一般具有100%的选择性和100%的灵敏度。
目前，200kV 及以上电压等级的输电线路的主保护都得到了加强，每条线路都配置两套全线速动的纵联差动保护，且在系统实际运行中不允许两套主保护同时退出运行。电力系统主保护的动作率接近100%，也就是说后备保护的动作几率是相当低的，在如此低的概率下，仍然保留零序电流保护和接地距离保护在功能上的冗余，增加了整定计算的复杂。
结语：
以上就变电站综合自动化的五个部分做了浅议，整体上看，变电站综合自动化系统，总体上看就是变电站尽可能的数字化，将更多的自动和自动化的观念引入电力系统中，同时遥感和监控等技术充分应用到变电站中去，可以预测，未来变电站的发展将会朝着综合自动化的方向前进，目前各国也在这方面产生着这样或那样的竞争。对于我国来说是一次挑战，更是一次发展机遇。