变电站综合自动化系统-(课件)

2020/3/191变电站综合自动化系统黄益庄教授地址：清华大学西主楼三区216室清华大学电机工程系电话：（010）62784706137010733922020/3/192内容提要第1章变电站综合自动化的基本概念第2章变电站自动化系统的功能第3章变电站自动化系统的结构第4章数字量的输入、输出第5章模拟量的输入、输出第6章变电站自动化系统的数据通信第7章变电站与调度中心的通信标准2020/3/193第1章变电站综合自动化的基本概念1.1变电站自动化是技术发展的必然趋势1.2变电站综合自动化的发展过程1.3变电站综合自动化与无人值班2020/3/1941.1变电站自动化是技术发展的必然趋势1.1.1当前电力系统发展的要求i)全国联网的发展方向，对电力系统的可靠性提出更高要求。国家电力公司陆延昌在2000年全国电网调度工作会议上明确指出：坚持全国联网、西电东送、南北互联的发展方向不动摇。并且要做到系统联网，可靠水平不降低。我国水力资源主要集中在西部和西南部，这两地区可开发电量占全国82.9%；煤炭资源华北和西北两地区占80%；而负荷中心集中在中部和东部沿海，这两地区的经济总量占全国82%，电力消费占78%。这种差异，决定了电力工业发展必须实行西电东送、南北互供、全国联网的战略。要做到全国联网后，供电可靠性水平不降低，加强发电厂、变电站的安全、可靠运行、提高其自动化水平很为重要。2020/3/1951.1变电站自动化是技术发展的必然趋势ii)常规的变电站存在的问题★安全性、可靠性不能满足电力系统发展的需求。★不适应电力系统快速计算和实时性要求。★供电质量缺乏科学的保证。★不利于提高运行管理水平。★维护工作量大，设备可靠性差。★占地面积大，增加征地投资。2020/3/1961.1变电站自动化是技术发展的必然趋势1.1.2科学技术的发展，为发展变电站自动化提供了有利的条件变电站自动化技术的发展过程与相关学科的发展密切相关。变电站自动化发展过程有三个阶段：(1)变电站分立元件的自控装置阶段。*电磁式的自动装置*晶体管式的自动装置*集成电路式的自动装置2020/3/1971.1.2科学技术的发展，为发展变电站自动化提供了有利的条件(2)微处理器为核心的智能自动装置阶段。计算机工业的发展，尤其是20世纪70年代微处理器的问世和微计算机技术的迅速发展，为变电站自动化技术的发展提供了必要的手段。这阶段厂站自动化的特点：形成变电站内的自动化孤岛。(3)变电站综合自动化的发展，全面促进变电站技术水平和运行管理水平的提高。2020/3/1981.2变电站综合自动化的发展过程1.2.1国外变电站综合自动化的早期发展概况国外变电站自动化的研究工作始于20世纪70年代。70年代末，英、西德、意大利、澳大利亚等国新装的远动装置都是微机型的。变电站综合自动化的研究工作，于70年代中、后期开始。1975年由关西电子公司和三菱电气有限公司合作，研究配电变电站数字控制系统。1979年9月完成样机，称为SDCS-1型，12月在变电站安装运行，1980年开始商品化生产。SDCS-1型由13台微机组成。如图1.2.1，它具有对一个77kV/6.6kV的配电变电站的全部保护和控制功能。该变电站具有3台变压器，4回77kV进线，36回6.6kV馈电线路。2020/3/1991.2变电站综合自动化的发展过程图1.2.1SDCS－1结构方框图1.2.1国外变电站综合自动化的早期发展概况2020/3/1910SDCS－1按功能分为3个子系统：（1）继电保护子系统（2）测量子系统（3）控制子系统80年代，研究变电站综合自动化的国家和公司越来越多，例如，德国西门子公司、ABB公司、AEG公司、GE公司、西屋公司、阿尔斯通公司等都有自己的变电站自动化产品。1995年西门子公司的变电站自动化系统LSA678在我国已有十多个工程。国外研究工作突出的特点是他们彼此间一开始就十分重视这一领域的技术规范和标准的制定与协调。1.2变电站综合自动化的发展过程2020/3/19111.2.2我国变电站自动化的发展过程我国变电站综合自动化的研究工作始于80年代中期。1987年清华大学电机工程系研究成功国内第一个符合国情的综合自动化系统。该系统由3台微机组成，其系统结构如图1.2.2。1987年在山东威海望岛变电站成功地投入运行。望岛变电站是一个35kV/10kV城市变电站，有2回35kV进线，2台主变，8回10kV出线，2组电容器。该系统担负全变电站安全监控、微机保护、电压无功控制、中央信号等任务。按功能分为3个子系统：（1）安全监控子系统；（2）微机保护子系统；（3）电压、无功控制子系统。这是我国第一个变电站综合自动化系统，其成功的投入运行，证明了我国完全可以自行研究，制造出具有国际先进水平，符合国情的变电站综合自动化系统。90年代中期后，综合自动化系统迅速发展。随着微机技术的不断发展和已投入运行的变电站综合系统取得的经济效益和社会效益，吸引全国许多用户和科研单位和高等院校，因此变电站综合自动化系统到90年代，成为热门话题。1.2变电站综合自动化的发展过程2020/3/19121.2变电站综合自动化的发展过程1.2.2我国变电站自动化的发展过程图1.2.2变电站微机监测、保护综合控制系统框图2020/3/19131.3变电站综合自动化与无人值班1.3.1国外无人值班的发展简况西欧、北美、日本等发达国家的绝大多数变电站，包括许多500kV、380kV的变电站也都实行无人值班。例如：巴黎，1985年建立新一代的计算机自动管理系统，所有225/20kV变电站都由调度中心集中控制。调度室可掌握所有225/20kV变电站及20kV主网络运行状况，当电网发生事故时，调度中心可以直接进行必要的处理，使受停电影响的用户迅速恢复供电。与此同时也出现一批无人值班或少人值班的大、中小型水电站，例如，到1980年止，意大利ENEL公司的474个水电站中，无人值班达408个，法国EDF公司450个水电站中，有403个无人值班占90%。2020/3/19141.3.2国内无人值班的发展简况１.早期的无人值班变电站没有自动化功能。只适合不重要的35KV变电站。2.20世纪60年代，进入了远方监视的无人值班阶段。3.20世纪80年代后期，无人值班技术又上了一个台阶。促进了调度自动化实用化的深入开展和电网调度管理水平的提高。4.国家电力调度通信中心于1993年12月28日发布了调自[1994]2号文件《关于在地区电网中实施变电站遥控和无人值班的意见》。该文件明确指出实行变电站遥控和无人值班是可行的，是电网调度管理的发展方向，并明确指出各单位要积极稳妥地开展此项工作，要根据当地的实际情况，因地制宜，统筹安排，综合考虑，做好规划，逐步实施。根据需要有些地区可考虑新建变电站一步到位，即按无人站设计建设，尤其是地区变电站。该文件对全国无人值班变电站的建设起了很大的推动作用。2020/3/19151.3.3变电站实现无人值班的目的和意义(1)国民经济发展形势的需要不仅发达地区、人口密集经济发展的地区需要发展无人值班变电站；人口密度少、经济不甚发达的边远地区，发展无人值班也很重要。(2)提高运行的可靠性，减少误操作率。(3)提高经济效益和劳动生产率(4)降低变电站建设成本。2020/3/19161.3.4变电站综合自动化全面提高无人值班变电站的技术水平（1）提高了变电站的安全、可靠运行水平。（2）提高电力系统的运行、管理水平和技术水平（3）缩小变电站占地面积，降低造价，减少总投资。（4）提高供电质量，提高电压合格率，降低电能损耗。（5）减少维护工作量。由于综合自动化系统中的微机保护装置和自动装置，都具有故障自诊断功能，装置内部有故障，能自动显示故障部位，缩短了维修时间。2020/3/1917第2章变电站自动化系统的基本功能2.1变电站自动化系统的内涵2.2监控子系统2.3继电保护子系统2.4电能量计量子系统2.5自动控制子系统2.6谐波分析与监视功能2.7变电站综合自动化系统的通信功能2.8变电站综合自动化系统的特点2020/3/19182.1变电站自动化系统的内涵(1)20世纪80年代和90年代中期，国内都把上述功能的系统称为变电站综合自动化系统，以区别于只有局部功能的自动化。国外发表的文章也称“综合自动化”，或一体化的变电站控制与保护。国际电工委员会（IEC）根据国际上变电站自动化系统发展的情况，于1997年国际大电网会议（CIGRE）WG34.03工作组在“变电站内数据流的通信要求”报告中，提出了“变电站自动化”（SA，SubstationAutomation）和“变电站自动化系统”（SAS，SubstationAutomationSystem）两个名词。此名词被国际电工委员会的TC57技术委员会（即电力系统通信和控制技术委员会）在制定的IEC61850（即变电站通信网络和系统）标准中采纳。我国从20世纪80年代中、后期以来，习惯称之为“变电站综合自动化”和“变电站综合自动化系统”。在IEC61850变电站通信网络标准中，对变电站自动化系统（SAS）的定义为：变电站自动化系统就是在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化。2020/3/19192.1变电站综合自动化的内涵(2)2000年中国电力出版社出版的《变电站综合自动术》一书中指出了变电站综合自动化的含义是将变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的重新组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、信号处理技术和通信技术、实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站自动化系统，是利用多台微型计算机（包括单片机等）和大规模集成电路组成的分级分布式的自动化系统，它以微计算机为基础，实现对变电站传统的继电保护、测量手段、控制方式以及通信和管理模式的全面改造。变电站综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化、通信网络化等特征。2020/3/19202.2监控子系统2.2.1数据采集2.2.2模拟量的采样方式2.2.3数据采集途径2.2.4安全监控功能2.2.5操作与控制功能2.2.6人机联系功能2.2.7运行记录功能2.2.8对时功能2020/3/19212.2.1数据采集内容（1）模拟量的采集（2）开关量的采集（3）事件顺序记录（SOE）（4）电能量的采集2020/3/19222.2.2模拟量的采样方式*电力系统和电厂、变电站中的模拟量有三种类型。*采样方式:一般可分为直流采样和交流采样两种类型。1.直流采样直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量先转换成直流电压信号，再送至A／D转换器进行转换；即A／D转换器采样的模拟量为直流信号。2.交流采样交流采样是相对直流采样而言，即指对交流电流和交流电压采集时，输入至A／D转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率，大小成比例的交流电压信号。如下页图2.1。在交流采样方式中，对于有功功率和无功功率，是通过采样所得到的u，i,计算出P，Q。2020/3/1923图2.1交流电压电流输入通道结构框图（a）电压输入通道（b）电流输入通道2020/3/19242.2.2.3两种采样方式的比较1．直流采样的特点2．交流采样的主要特点2.2.2.4采样定理一个随时间连续变化的物理量f(t)，如图2.2（a），经过采样后，得到一系列的脉冲序列f*(t)，它是离散的信号，被称为采样信号，如图2.2(c)。根据香农（Shannon）定理：如果随时间变化的模拟信号（包括噪声干扰在内）的最高频率为fmax，只要按照采样频率f≥2fmax进行采样，那么所给出的样品系列,，…就足以代表（或恢复）f(t)了，实际应用中常采用f≥(5～10)fmax。2020/3/1925图2.2采样过程2020/3/19262.2.3安全监控功能1.对采集的模拟量不断进行越限监视，如发现越限，立刻发出告警信息，同时记录和