變 配 電 站 綜 合 自 動(dòng) 化 系 統(tǒng) 的 應(yīng) 用 與 發(fā) 展
上世紀(jì)九十年代后期變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在我國電力系統(tǒng)開始應(yīng)用，2000年開始已經(jīng)得到普遍推廣，常規(guī)保護(hù)與晶體管保護(hù)在電力系統(tǒng)變配電站已不再采用。我國自行開發(fā)與生產(chǎn)的變配電站綜合自動(dòng)化裝置已進(jìn)入第三代，并達(dá)到國際先進(jìn)水平。由于產(chǎn)品不斷改進(jìn)，價(jià)格不斷下降，工業(yè)與民用建筑變電站也開始推廣變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。
1 定義
1.1變配電站繼電保護(hù)及自動(dòng)化
繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要保證，選擇性、快速性、靈敏性與可靠性是電力系統(tǒng)對繼電保護(hù)的基本要求。備用電源互投、母線測量電壓自動(dòng)切換、有載調(diào)壓、無功補(bǔ)償與遠(yuǎn)方調(diào)度是電力系統(tǒng)自動(dòng)化的主要內(nèi)容。
1.2變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)定義
變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是以一個(gè)配電回路為單元由一臺(tái)變配電站綜合自動(dòng)化裝置（計(jì)算機(jī)）完成繼電保護(hù)、就地監(jiān)控與遠(yuǎn)方調(diào)度功能。變配電站內(nèi)部所有變配電站綜合自動(dòng)化裝置聯(lián)網(wǎng)后形成一個(gè)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。
2變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)
變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（微機(jī)保護(hù)）的可靠性與動(dòng)作正確率高，容易獲得各種附加功能，保護(hù)功能容易得到改善。使用靈活、維護(hù)與調(diào)試方便，具有自診斷與遠(yuǎn)方監(jiān)控功能。保護(hù)越復(fù)雜性能價(jià)格比越好。
3 變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求
3.1集保護(hù)、測量、監(jiān)視、控制和通信于一個(gè)分層分布式系統(tǒng)中。
3.2軟件與硬件設(shè)計(jì)中保護(hù)與監(jiān)控相互獨(dú)立，又要相互協(xié)調(diào)。
3.3串行總線或現(xiàn)場總線接口。
3.4滿足無人值班要求。
3.5先進(jìn)、合理與統(tǒng)一的通信協(xié)議。
3.6高可靠性與高抗干擾能力。
3.7擴(kuò)展性、適應(yīng)性與兼容性好。
3.8標(biāo)準(zhǔn)化和開放性好，符合國家或部頒標(biāo)準(zhǔn)，接近國際標(biāo)準(zhǔn)。
3.9利用數(shù)字通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
3.10開發(fā)研制工作統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一指揮。
4 變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基本特征
4.1功能綜合化。
4.2測量顯示數(shù)字化。
4.3操作監(jiān)視屏幕化。
4.4結(jié)構(gòu)分層分布。
4.5通信局域網(wǎng)絡(luò)化。
4.6運(yùn)行管理智能化。
5 變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能
5.1繼電保護(hù)功能
5.1.1按照保護(hù)對象有：
發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、電源進(jìn)線保護(hù)、分段斷路器保護(hù)、線路（出線）保護(hù)、高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)、高壓電容器保護(hù)等。
5.1.2按照保護(hù)性質(zhì)分為電量與非電量保護(hù)：
電量保護(hù)有無延時(shí)速斷、帶延時(shí)速斷、定時(shí)限過電流、定時(shí)限過負(fù)荷、反時(shí)限過電流、反時(shí)限過負(fù)荷、距離、方向、差動(dòng)、單相接地、過電壓、低電壓、勵(lì)磁等。
非電量保護(hù)有輕瓦斯、重瓦斯、高溫、超高溫等。
5.2自動(dòng)化控制功能
備用電源自投、重合閘與低周波減負(fù)荷等。
5.3監(jiān)控功能
5.3.1測量：電流、電壓與頻率測量，有與無功功率、功率因數(shù)、有與無功電能計(jì)算等。
5.3.2信號(hào)：位置信號(hào)有斷路器，隔離刀閘、接地刀閘、手車運(yùn)行位置等。報(bào)警信號(hào)有輕瓦斯、重瓦斯、高溫、超高溫等。
5.3.3控制：遙控合分閘，保護(hù)跳閘、有載調(diào)壓、自動(dòng)并網(wǎng)等。
5.3.4記錄：操作記錄、預(yù)告與事故記錄與故障錄波等，
5.3.5諧波分析。
6 產(chǎn)品發(fā)展過程
6.1關(guān)鍵技術(shù)
交流采樣是變配電站綜合自動(dòng)化裝置的關(guān)鍵技術(shù)，交流電壓與電流通過電壓與電流互感器將高電壓與大電流轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的0～100V與0～5A交流電壓與電流。變配電站綜合自動(dòng)化裝置內(nèi)部再將0～100V電壓與0～5A電流經(jīng)過電壓與電流變換器（小互感器）轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的交流電壓信號(hào)，經(jīng)過硬件電路將交流電壓信號(hào)過零點(diǎn)定在A/D轉(zhuǎn)換直流5V電源的2.5V，幅值調(diào)整在2.5V以內(nèi)。由于計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的速度越來越快，一個(gè)周波可以采集20點(diǎn)以上，采集到各點(diǎn)瞬時(shí)值數(shù)據(jù)之后就可以由軟件通過各種算法算出電流與電壓有效值，算法有富里埃、微分法、極值法與平均值（積分）算法等，然后再計(jì)算出有功與無功功率、功率因數(shù)與電能。
6.2第一代產(chǎn)品
第一代產(chǎn)品出現(xiàn)于上世紀(jì)九十年代初期，CPU以51系列為主，外加A/D轉(zhuǎn)換、開關(guān)量輸入與輸出以及通信等外部電路組成一個(gè)變配電站綜合自動(dòng)化裝置或單元簡稱綜保裝置或單元。第一代產(chǎn)品抗干擾性能存在一定問題。
6.3第二代產(chǎn)品
上世紀(jì)九十年代中后期產(chǎn)品升級(jí)到第二代。CPU芯片選用80C196、80C551、80C552等，有些產(chǎn)品開始采用DSP信號(hào)處理芯片。變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品抗干擾性能有很大提高，已進(jìn)入成熟階段，開始在電力系統(tǒng)普遍推廣應(yīng)用。
6.4第三代產(chǎn)品
隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，上世紀(jì)末出現(xiàn)了以嵌入式CPU為核心的第三代產(chǎn)品，采用液晶顯示,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上注意信號(hào)數(shù)據(jù)流向,外部接口分為模擬量輸入，開關(guān)量輸入與輸出以及電源與通信三大部分,所有信數(shù)據(jù)直接引向CPU，中間無交叉,開關(guān)量輸入電壓提高為交直流220V,有些還采取了兩級(jí)光電隔離。嵌入式CPU又稱無總線CPU，集成度與工作速度大大提高,程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換與通信芯片全部集成于CPU芯片內(nèi)，程序固化采用電擦除（Flash），便于開發(fā).第三代產(chǎn)品體積減少，抗干擾性能強(qiáng)，加工量減少，成品率提高，價(jià)格降低，功能也有所加強(qiáng)。
6.5變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的最新技術(shù)
6.5.1數(shù)字化變電站是變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（微機(jī)保護(hù)）發(fā)展的最新技術(shù)。電流與電壓互感器以及各種操動(dòng)機(jī)構(gòu)全部為智能化與數(shù)字化單元，由雙路光纖與兩套計(jì)算機(jī)組成全數(shù)字化變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（微機(jī)保護(hù)）。
6.5.2現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)是工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的又一次革命。各單元之間可以相互交換信息，并可以獨(dú)立運(yùn)行，上位計(jì)算機(jī)只負(fù)責(zé)管理。電氣設(shè)計(jì)只剩下單元選擇與通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工作量大為減少。數(shù)字化變電站就是現(xiàn)場總線技術(shù)在變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（微機(jī)保護(hù)）中的具體應(yīng)用。
6.5.3數(shù)字化變電站采用無鐵心的新型電流與電壓互感器，以及智能化斷路器；目前只適用于戶外變配電站，對于采用開關(guān)柜的戶內(nèi)變配電站，還難以實(shí)現(xiàn)。但有些控制方法與設(shè)計(jì)思路可以用于備用電源互投與保護(hù)選擇性連鎖等，以簡化外部電纜設(shè)計(jì)。
6.5.4國外有無外部電源的微機(jī)保護(hù)裝置，其電源由電流互感器在短路后提供，類似于交流操作的電流脫扣器。在正常顯示與調(diào)試上，還有不少問題需要研究。
7存在問題
7.1算法
富里埃算法要在半個(gè)或一個(gè)周波內(nèi)完成采樣后再進(jìn)行處理，再加上出口繼電器動(dòng)作時(shí)間，一般無延時(shí)速斷保護(hù)輸出時(shí)間為35ms，有些產(chǎn)品采用突變量啟動(dòng)來提高繼電保護(hù)出口動(dòng)作時(shí)間，它通過高速A/D采集來的數(shù)據(jù),判別電流采樣值的突變量。
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突變量超過規(guī)定值后，只運(yùn)行保護(hù)采樣、計(jì)算與處理程序，可以提高繼電保護(hù)的出口速度，但在抗干擾方面硬件與軟件都要采取一定措施，最大值啟動(dòng)也是研究的一個(gè)方向，它可以在半個(gè)周波之內(nèi)完成繼電保護(hù)動(dòng)作值處理，在抗干擾處理上也相對簡單可靠。
7.2功能
采用計(jì)算機(jī)之后，保護(hù)功能大大加強(qiáng)，一個(gè)裝置可以完成各種保護(hù)。所以保護(hù)功能越復(fù)雜，其優(yōu)越性越大，但現(xiàn)有產(chǎn)品多以電力系統(tǒng)繼電保護(hù)要求來設(shè)計(jì)，對于終端站,特別是用戶站許多功能用不上，給繼電保護(hù)整定造成一些困難。備用電源自投與母線測量電壓自動(dòng)切換盡量由軟件來完成，可以簡化或取消外部接線。
7.3二次接線設(shè)計(jì)
現(xiàn)有產(chǎn)品國家尚無統(tǒng)一的產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)，不僅功能不統(tǒng)一，端子排列與定義與外形尺寸差別很大，產(chǎn)品說明書標(biāo)注不規(guī)范,給二次接線設(shè)計(jì)造成很大困難。
8發(fā)展中需解決的問題
8.1產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)
國家應(yīng)盡快制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，在功能,結(jié)構(gòu),特別是在端子定義上盡量統(tǒng)一，也可以按用途分為幾類產(chǎn)品，制定出不同標(biāo)準(zhǔn)。
8.2開發(fā)應(yīng)關(guān)注的問題。
8.2.1硬件應(yīng)采用通用型，方便設(shè)計(jì)選用。
8.2.2結(jié)構(gòu)采集及處理與顯示應(yīng)分為兩體，便于安裝接線。
8.2.3軟件按照保護(hù)種類組態(tài)，便于保護(hù)設(shè)置與整定。
8.2.4軟件設(shè)置并運(yùn)行多套保護(hù)定值，便于保護(hù)選擇性配合，減小或消除保護(hù)死區(qū)。
8.2.5利用通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)選擇性連鎖、備用電源互投等。防止越級(jí)跳閘，可取消外部控制與信號(hào)電纜
8.3設(shè)計(jì)規(guī)范
設(shè)計(jì)規(guī)范也應(yīng)結(jié)合變配電站綜合自動(dòng)化的功能作一些必要的修改，在保護(hù)整定值計(jì)算上也應(yīng)有較為統(tǒng)一的規(guī)定。
8.4二次電路標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)
現(xiàn)在國家還沒有統(tǒng)一的變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)二次電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖，在產(chǎn)品逐步統(tǒng)一以及設(shè)計(jì)規(guī)范修訂的基礎(chǔ)上，盡快完成標(biāo)準(zhǔn)二次電路設(shè)計(jì)。
9二次電路設(shè)計(jì)
9.1二次電路設(shè)計(jì)的內(nèi)容
變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)二次電路設(shè)計(jì)可以分為測量回路，保護(hù)與控制回路、信號(hào)回路以及變配電站綜合自動(dòng)化裝置的供電電源等幾個(gè)部分。有計(jì)算機(jī)時(shí)還需要設(shè)計(jì)通信線與集中報(bào)警信號(hào)線，無計(jì)算機(jī)時(shí)只需要設(shè)計(jì)分路報(bào)警的信號(hào)線。除繼電保護(hù)功能必須保證外，有備用電源自投，母線測量電壓自動(dòng)切換等自動(dòng)化要求時(shí)，也應(yīng)在二次電路設(shè)計(jì)中來完成。
9.2測量回路
測量回路涉及到的問題主要有兩電流互感器與三電流互感器，電壓互感器為V/V或Y/Y/△型，有無零序電流互感器或采用零序?yàn)V序器，有無電能表與指示儀表。220/380V低壓系統(tǒng)有無剩余電流測量等。
9.3保護(hù)與控制回路
保護(hù)與控制回路涉及到的問題主要有防跳電路，進(jìn)線與母聯(lián)連鎖，手車柜手車位置以及固定柜隔離刀閘位置信號(hào)，備用電源互投與來電自恢復(fù)，保護(hù)出口連接片以及彈簧儲(chǔ)能與永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合分閘與防跳回路設(shè)計(jì)，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)基本上不再采用。對于電動(dòng)機(jī)以及集中組屏還要考慮兩地操作問題。
9.4信號(hào)回路
信號(hào)回路設(shè)計(jì)首先要弄清楚信號(hào)回路電壓為直流弱電還是與控制回路電壓一致的交流220V，直流220V或110V。對于變壓器重瓦斯與超高溫跳閘以及電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場故障跳閘是否通過信號(hào)回路，由軟件進(jìn)行跳閘。信號(hào)回路有斷路器位置，手車柜的手車位置，固定柜的隔離刀閘位置，接地刀閘位置以及彈簧儲(chǔ)能與永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能位置，變壓器的瓦斯與溫度信號(hào)與高壓電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與事故信號(hào)等。
9.5操作電源
操作電源采用不接地系統(tǒng)并加絕緣監(jiān)測。操作電壓有直流220V，110V與交流220V三種，彈簧儲(chǔ)能與永磁操作機(jī)構(gòu)合分閘電流較小，采用直流操作時(shí)最好選用110V電壓，以減少蓄電池串聯(lián)個(gè)數(shù)，蓄電池容量在不考慮站內(nèi)事故照明時(shí)可選10～38AH。交流操作應(yīng)選用UPS或EPS電源，輸出應(yīng)加隔離變壓器，切換時(shí)間不大于20mS。
10備用電源備自投
變配電站綜合自動(dòng)化裝置都具有備用電源備自投功能，有些單獨(dú)為一個(gè)裝置，外部線路設(shè)計(jì)復(fù)雜。應(yīng)優(yōu)先選用電源進(jìn)線具有備用電源備自投功能的變配電站綜合自動(dòng)化裝置，并充分發(fā)揮其軟件功能,減少一個(gè)裝置，外部線路設(shè)計(jì)也簡單。220/380V低壓監(jiān)控也應(yīng)增加備用電源備自投功能，以簡化二次電路設(shè)計(jì)。
11母線測量電壓切換
變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的電壓互感器測控裝置，應(yīng)具有母線測量電壓自動(dòng)切換功能，有高壓電動(dòng)機(jī)或電能表比較多時(shí)，需要設(shè)計(jì)母線測量電壓自動(dòng)切換。自動(dòng)切換二次電路設(shè)計(jì)要簡單可靠。
12變電站電纜平面圖設(shè)計(jì)
變配電站一定要設(shè)計(jì)電纜表，否則會(huì)給工程施工與調(diào)試造成一定困難，電纜表中包括從直流屏或交流電源屏到開關(guān)柜的各種電纜。開關(guān)柜之間的各種連鎖電纜，變配電站綜合自動(dòng)化裝置到變壓器與電動(dòng)機(jī)的電纜，開關(guān)柜到信號(hào)屏與模擬屏之間的電纜以及到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信電纜等。有了電纜表可以不再設(shè)計(jì)電纜平面圖，但引出電纜的電纜應(yīng)預(yù)埋好電纜套管，或敷設(shè)好電纜橋架。
