提高變電站電氣監(jiān)理人員對(duì)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)

趙 江

（內(nèi)蒙古康遠(yuǎn)工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

變電站在電力系統(tǒng)中起到變換調(diào)整電壓、接受和分配電能、控制電力流向的作用。變電站中匯集了大量具有不同用途的電氣設(shè)備。而這些電氣設(shè)備按其用途及功能不同，一般分為一次設(shè)備和二次設(shè)備兩大類。我們將變電站直接傳輸、分配電能的電氣設(shè)備稱為一次設(shè)備。如：變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電壓互感器、電流互感器、電抗器、電力電容器、母線、電力電纜等電氣設(shè)備。將對(duì)一次設(shè)備起測(cè)量、監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)及保護(hù)作用的電氣設(shè)備稱為二次設(shè)備。如：測(cè)量計(jì)量?jī)x表、繼電保護(hù)裝置、斷路器操作箱、測(cè)控裝置、電壓切換、電壓并列、低頻減載裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、交、直流電源系統(tǒng)等。

目前從事變電站電氣監(jiān)理的人員能夠通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙、規(guī)程規(guī)范、強(qiáng)制性條文對(duì)變電站一、二次設(shè)備安裝過(guò)程作良好的控制。但大部分電氣監(jiān)理人員對(duì)于變電站的理解止步于安裝過(guò)程及設(shè)備本身，對(duì)于專業(yè)的一、二次設(shè)備互聯(lián)、繼電保護(hù)設(shè)備原理與運(yùn)行知之甚少。在變電站系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程及故障分析中，監(jiān)理由于不具備此方面知識(shí)而陷入被動(dòng)局面。一、二次設(shè)備是不可分割的整體。如果將變電站比喻成一個(gè)人的話，那么各一次設(shè)備的互聯(lián)就是人的軀干和四肢的互聯(lián)，二次接線就是人的神經(jīng)系統(tǒng)，而各個(gè)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置就是人體大腦各個(gè)片區(qū)。只有它們都處于良好狀態(tài)，才能保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

筆者著重論述變電站二次設(shè)備的作用及其互聯(lián)，旨在提高電氣監(jiān)理人員對(duì)于變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。為了使讀者便于理解，筆者先從變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的組成、站控層及間隔層各裝置的作用兩方面做鋪墊；最后簡(jiǎn)要闡述保護(hù)及自動(dòng)化裝置如何與一次設(shè)備互聯(lián)及裝置與裝置之間的互聯(lián)。

1 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

理解變電站二次裝置與一次裝置互聯(lián)，首先要了解變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。目前廣泛應(yīng)用的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)為分層分布式結(jié)構(gòu)，其邏輯上將系統(tǒng)分為兩層：變電站站控層和間隔層。

站控層是位于變電站控制室里的總控單元。可通過(guò)測(cè)控裝置傳來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)、位置信號(hào)并經(jīng)過(guò)監(jiān)控組態(tài)軟件監(jiān)視變電站內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行情況，通過(guò)“五防”機(jī)的邏輯判別遙控變壓器調(diào)檔機(jī)構(gòu)、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、母線接地刀等設(shè)備，完成調(diào)壓、倒閘、改變運(yùn)行方式等操作。站控層設(shè)備包括：操作員工作站、工程師工作站、“五防”工作站、遠(yuǎn)動(dòng)工作站、打印機(jī)、GPS 時(shí)間同步系統(tǒng)等。

間隔層完成電力系統(tǒng)不同對(duì)象繼電保護(hù)、同期功能及對(duì)站內(nèi)各間隔設(shè)備數(shù)據(jù)采集和處理的任務(wù)。間隔層設(shè)備包括：針對(duì)不同電壓等級(jí)、不同對(duì)象的繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、測(cè)控保護(hù)一體化裝置、電壓并列、電壓切換、故障錄波裝置及計(jì)量?jī)x表等。

2 站控層及間隔層各裝置的作用

2.1 站控層各設(shè)備作用

2.1.1 操作員站的作用

操作員站負(fù)責(zé)管理和顯示有關(guān)運(yùn)行信息，供運(yùn)行人員對(duì)變電站的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視和控制，包括對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)方復(fù)歸、軟連片的投退、間隔層設(shè)備工作方式的選擇。同時(shí)具有主處理器及服務(wù)器的功能，是站控層數(shù)據(jù)收集、處理、存儲(chǔ)及發(fā)送的中心。操作員站采用雙機(jī)配置原則，兩臺(tái)互為熱備用，它們都能獨(dú)立執(zhí)行各項(xiàng)操作。

2.1.2 工程師工作站的作用

工程師工作站供系統(tǒng)管理人員進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)用，可完成數(shù)據(jù)庫(kù)的定義、修改，系統(tǒng)參數(shù)的定義、修改，報(bào)表的制作、修改，供繼電保護(hù)人員遠(yuǎn)方查看定值、定值修改和定值區(qū)切換，以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、系統(tǒng)診斷等工作。

2.1.3 “五防”工作站的作用

“五防”工作站供變電站運(yùn)行人員進(jìn)行操作票生成、預(yù)演、打印、執(zhí)行、管理和模擬操作等工作。

2.1.4 遠(yuǎn)動(dòng)工作站的作用

遠(yuǎn)動(dòng)工作站采用兩臺(tái)冗余配置模式，與調(diào)度主站通信，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)及規(guī)約轉(zhuǎn)換等功能。

2.1.5 GPS時(shí)間同步系統(tǒng)的作用

GPS 時(shí)間同步系統(tǒng)從 GPS 衛(wèi)星上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，將這些信息通過(guò)各種接口類型來(lái)傳輸給自動(dòng)化系統(tǒng)中需要時(shí)間信息的設(shè)備(計(jì)算機(jī)、保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、故障錄波器、安全自動(dòng)裝置、遠(yuǎn)動(dòng) RTU)，這樣就可以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間的同步。

2.2 間隔層各裝置的作用

2.2.1 各類保護(hù)裝置的作用

變電站保護(hù)裝置分為：主變保護(hù)裝置、主變非電量保護(hù)裝置、母線保護(hù)裝置、線路保護(hù)裝置、斷路器保護(hù)裝置、電容器保護(hù)裝置等。它們依據(jù)所保護(hù)對(duì)象的不同采用相關(guān)原理完成電力系統(tǒng)繼電保護(hù)任務(wù)。

2.2.2 測(cè)控裝置的作用

測(cè)控裝置綜合考慮變電站對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理的要求，以微機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)、電能量采集、事件記錄、GPS 對(duì)時(shí)、同期合閘檢測(cè)、防誤操作邏輯閉鎖、TV/TA 斷線檢測(cè)等功能，將所采集的模擬量、信號(hào)量、開(kāi)關(guān)量傳至后臺(tái)監(jiān)控機(jī)及遠(yuǎn)動(dòng)工作站，并接受來(lái)自后臺(tái)或遠(yuǎn)方調(diào)度端的指令。

2.2.3 電壓切換裝置的作用

二次系統(tǒng)的測(cè)控及故障判別元件均需要準(zhǔn)確的反應(yīng)間隔所在位置的電壓。一般把間隔處電壓互感器采集的二次電壓作為間隔所在位置的電壓。對(duì)一個(gè)間隔來(lái)說(shuō)，當(dāng)一次系統(tǒng)運(yùn)行方式改變時(shí)，反應(yīng)該間隔位置的電壓采集點(diǎn)應(yīng)隨之改變。只有這樣，電壓互感器采集的二次電壓才能正確反應(yīng)一次系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。因此，電壓互感器二次回路必須設(shè)置電壓切換裝置。雙母線系統(tǒng)上所連接的電氣元件，為了保證其一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)在電壓上保持對(duì)應(yīng)，要求保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量都有自動(dòng)切換功能。

2.2.4 電壓并列裝置的作用

雙母線系統(tǒng)并列運(yùn)行(母聯(lián)斷路器處于合閘狀態(tài))，當(dāng)任意一組母線電壓互感器停電檢修時(shí)，其所帶的測(cè)量、保護(hù)及自動(dòng)裝置等二次設(shè)備因無(wú)輸入電壓，而不能正確反映一次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。只有把測(cè)量、保護(hù)及自動(dòng)裝置所需電壓取自令一組母線電壓互感器，實(shí)現(xiàn)兩組母線電壓互感器二次回路的并列運(yùn)行，才能保證測(cè)量、保護(hù)及自動(dòng)裝置的正確性。因此，對(duì)于單母線分段或雙母線接線的變電站，一般均配置電壓并列裝置。

2.2.5 低頻減載裝置的作用

電力系統(tǒng)有功功率平衡是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，對(duì)于變化幅度很小、變化周期較短的負(fù)荷引起的頻率偏移，將由發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行調(diào)整，稱為頻率的一次調(diào)整。對(duì)于變化幅度較大，變化周期較長(zhǎng)的負(fù)荷引起的頻率偏移，將由發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻器進(jìn)行調(diào)整，稱為頻率的二次調(diào)整。然而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較大事故時(shí)，例如大型發(fā)電機(jī)組突然被切除或用電負(fù)荷突然大幅度增加時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的有功功率缺額，頻率將隨之急劇下降，這時(shí)緊靠機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)解決不了問(wèn)題，必須采取緊急的低頻減負(fù)荷控制措施有次序、有計(jì)劃地切除負(fù)荷來(lái)制止頻率下降，防止電網(wǎng)頻率的崩潰。

2.2.6 斷路器操作箱的作用

斷路器操作箱內(nèi)部由一系列繼電器組成，保護(hù)及測(cè)控裝置跳合閘出口至斷路器操作箱來(lái)控制斷路器的分合閘，斷路器操作箱起到擴(kuò)大繼電器接點(diǎn)容量，使得保護(hù)設(shè)備與一次高壓設(shè)備隔離的作用。

2.2.7 故障錄波裝置作用

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障錄波裝置繪制出故障錄波圖來(lái)分析電力系統(tǒng)故障類別和性質(zhì)，有哪些保護(hù)裝置動(dòng)作、保護(hù)裝置的動(dòng)作過(guò)程和先后順序如何、保護(hù)裝置的動(dòng)作行為是否正確、二次回路接線是否正確、TV/TA 極性是否正確等問(wèn)題。

2.2.8 交、直流電源系統(tǒng)設(shè)備作用

站內(nèi)交流電源由站用變低壓側(cè)送出接至低壓配電盤(pán)，為站內(nèi)照明、消防泵房機(jī)組、空調(diào)、電加熱器、直流充電機(jī)、斷路器機(jī)構(gòu)箱照明及加熱裝置、隔離開(kāi)關(guān)照明加熱及電機(jī)等負(fù)荷供給所需的交流電。

站內(nèi)直流電源系統(tǒng)為站內(nèi)各類保護(hù)測(cè)控及自動(dòng)化裝置屏柜、斷路器分合閘線圈及直流電機(jī)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)提供直流電源。

3 間隔層設(shè)備與一次設(shè)備互聯(lián)及間隔層設(shè)備之間的互聯(lián)

3.1 間隔層設(shè)備與互感器的互聯(lián)

間隔層設(shè)備與互感器互聯(lián)涉及保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、電壓切換裝置、電壓并列裝置、TA、TV。

主變保護(hù)裝置取主變?nèi)齻?cè) TA 二次差動(dòng)保護(hù)電流，以同名端對(duì)接形成差動(dòng)保護(hù)回路。

主變高中低三側(cè)測(cè)控裝置、各間隔測(cè)控裝置取本間隔三相電壓、三相電流、頻率等完成模擬量的采集，對(duì) 3U0、3I0、有功功率、無(wú)功功率及功率因數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

電壓切換裝置取各個(gè)間隔電壓互感器電壓，再將電壓傳送至保護(hù)、測(cè)控、電度計(jì)量裝置。電壓并列裝置取一二母線電壓互感器電壓，并將電壓傳輸給保護(hù)測(cè)控。

3.2 間隔層設(shè)備與斷路器的互聯(lián)

間隔層設(shè)備與斷路器的互聯(lián)涉及保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、斷路器操作箱、斷路器匯控箱、斷路器機(jī)構(gòu)箱。保護(hù)裝置動(dòng)作開(kāi)出至斷路器操作箱，斷路器操作箱連接至斷路器匯控箱，匯控箱將二次接線轉(zhuǎn)接至斷路器機(jī)構(gòu)箱，完成保護(hù)的動(dòng)作跳閘。測(cè)控裝置同樣通過(guò)操作箱、匯控箱至機(jī)構(gòu)箱，完成后臺(tái)及遠(yuǎn)動(dòng)的遙控分合閘。斷路器機(jī)構(gòu)箱通過(guò)遠(yuǎn)近控開(kāi)關(guān)接通遠(yuǎn)控及就地分合閘回路。斷路器可進(jìn)行就地分合，測(cè)控分合、后臺(tái)及遠(yuǎn)動(dòng)分合。

3.3 間隔層設(shè)備與隔離開(kāi)關(guān)的互聯(lián)

間隔層設(shè)備與隔離開(kāi)關(guān)的互聯(lián)涉及測(cè)控裝置、隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)箱、電壓并列裝置、電壓切換裝置、電能表、母差保護(hù)。后臺(tái)或遠(yuǎn)動(dòng)工作站開(kāi)出遙控分合指令至間隔測(cè)控裝置，測(cè)控裝置接通分合觸點(diǎn) KCTJ、KCHJ 控制隔離開(kāi)關(guān)的分合，并通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)的位置觸點(diǎn)采集隔離開(kāi)關(guān)的位置。

電壓切換箱和操作箱用隔離開(kāi)關(guān)的位置觸點(diǎn)來(lái)進(jìn)行兩套線路保護(hù)電壓的切換。電壓并列裝置一般取母聯(lián)隔離開(kāi)關(guān)和母線 TV 隔離開(kāi)關(guān)的位置觸點(diǎn)。電能表的電壓切換用隔離開(kāi)關(guān)位置觸點(diǎn)接入相應(yīng)母線電壓，進(jìn)行計(jì)量。兩套母線差動(dòng)保護(hù)接入隔離開(kāi)關(guān)位置觸點(diǎn)來(lái)判斷母線運(yùn)行方式。

3.4 間隔層設(shè)備與主變本體設(shè)備和調(diào)壓設(shè)備的互聯(lián)

間隔層設(shè)備與主變本體設(shè)備和調(diào)壓設(shè)備的互聯(lián)涉及主變本體測(cè)控裝置、主變非電量保護(hù)裝置、主變有載調(diào)壓檔位變送器、主變風(fēng)冷系列裝置、主變溫度變送器、主變高中壓側(cè)中性點(diǎn)隔離開(kāi)關(guān)等裝置。

計(jì)算機(jī)只識(shí)別二進(jìn)制碼，因此主變調(diào)壓機(jī)構(gòu)箱檔位變送器須將檔位開(kāi)入信息變換成 BCD 碼(8421 碼)，由控纜開(kāi)入至主變本體測(cè)控裝置，測(cè)控裝置完成對(duì)主變 BCD 碼的采集任務(wù)。調(diào)壓機(jī)構(gòu)箱的電動(dòng)機(jī)電源狀態(tài)，電機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)同樣送入本體測(cè)控裝置。測(cè)控通過(guò)開(kāi)出接點(diǎn)至調(diào)壓機(jī)構(gòu)箱，完成變壓器檔位的升降停操作。

主變溫度由控纜將主變繞組及油溫引入溫度變送器，溫度變送器將模擬量變換成 0～5V 直流電壓開(kāi)入至主變本體測(cè)控裝置，完成主變溫度的遙測(cè)。

主變風(fēng)冷控制箱將風(fēng)冷工作電源狀態(tài)、風(fēng)冷操作電源狀態(tài)、冷卻器狀態(tài)開(kāi)入到主變本體測(cè)控，完成風(fēng)冷狀態(tài)信息的采集。

中性點(diǎn)刀閘輔助觸點(diǎn)將中性點(diǎn)刀閘位置信息送入主變本體測(cè)控，同時(shí)測(cè)控開(kāi)出分合命令至現(xiàn)場(chǎng)隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)箱，完成對(duì)其的遙控分合操作。

3.5 間隔層設(shè)備與站控層設(shè)備的互聯(lián)

站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備的互聯(lián)涉及后臺(tái)與測(cè)控裝置的互聯(lián)、遠(yuǎn)動(dòng)工作站與測(cè)控裝置及保護(hù)裝置的互聯(lián)、GPS 時(shí)間同步系統(tǒng)與各間隔層裝置的互聯(lián)。

因?yàn)檎究貙釉O(shè)備都裝有中央處理器(CPU)，CPU 只能理解數(shù)字量，因此無(wú)法解讀現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備傳遞的模擬量及繼電器接點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量，需要間隔層測(cè)控裝置將模擬量通過(guò)電壓形成電路、低通濾波器、采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、模數(shù)變換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路將觸點(diǎn)的分合轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。既然間隔層設(shè)備與站控層設(shè)備傳遞的數(shù)字量，那么站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備即可通過(guò)光纖、網(wǎng)線接口互聯(lián)成局域網(wǎng)絡(luò)。為確保系統(tǒng)可靠，采取雙網(wǎng)冗余配置。

主變壓器測(cè)控裝置按本體及高、中、低壓三側(cè)配置，其他測(cè)控裝置按照間隔配置，一般一面屏組三臺(tái)測(cè)控裝置。保護(hù)裝置及測(cè)控裝置通過(guò)網(wǎng)線連接到遠(yuǎn)動(dòng)屏配置的交換機(jī)，通過(guò)交換機(jī)將信息傳輸給后臺(tái)及遠(yuǎn)動(dòng)工作站，后臺(tái)即可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制，遠(yuǎn)動(dòng)工作站再將信息通過(guò)雙調(diào)制解調(diào)器雙通道連接到調(diào)度模擬通道，或者通過(guò)交換機(jī)、路由器傳輸?shù)秸{(diào)度數(shù)字通道，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)四遙功能。

“五防”工作站通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控計(jì)算機(jī)及各測(cè)控裝置，對(duì)測(cè)控裝置傳遞的數(shù)據(jù)采用組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，并經(jīng)“五防”機(jī)邏輯判斷，完成“五防”功能。

GPS 時(shí)間同步系統(tǒng)一般配置 GPS 和北斗雙衛(wèi)星天線接收裝置，以 RS232/RS485 等接口用 IRIG-B 碼方式來(lái)為站內(nèi)各測(cè)控、保護(hù)裝置、故障錄波、信息管理子站、電量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等授時(shí)。

3.6 間隔層設(shè)備之間的互聯(lián)

間隔層設(shè)備之間的互聯(lián)涉及故障錄波裝置、各保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、斷路器操作箱、電壓并列、電壓切換、低頻低周減載裝置、電能計(jì)量裝置等。

為了能夠全面分析保護(hù)的動(dòng)作過(guò)程，故障錄波器接入的模擬量、開(kāi)關(guān)量應(yīng)盡可能全面。線路保護(hù)、主變保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)相關(guān)動(dòng)作命令、信號(hào)及斷路器操作箱接點(diǎn)信號(hào)作為開(kāi)關(guān)量接入故障錄波器，線路、母聯(lián)及變壓器各側(cè)三相電流和零序電流，母線電壓互感器三相對(duì)地電壓和零序電壓作為模擬量經(jīng)電壓并列及電壓切換裝置接入故障錄波。用于測(cè)量的電流量先經(jīng)過(guò)測(cè)控裝置，再由測(cè)控裝置接入電能計(jì)量表，在末端二次側(cè)短路并一點(diǎn)接地。用作測(cè)量的電壓量先經(jīng)過(guò)電能計(jì)量表，再由計(jì)量表屏轉(zhuǎn)接至測(cè)控。

低頻低周減載裝置聯(lián)系各負(fù)荷間隔測(cè)控裝置，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的有功功率缺額，頻率隨之急劇下降時(shí)，低頻減載裝置將分輪有計(jì)劃有步驟地聯(lián)系間隔測(cè)控裝置切除負(fù)荷。

4 結(jié) 語(yǔ)

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是一整套復(fù)雜的系統(tǒng)，微機(jī)繼電保護(hù)原理是變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的核心。只了解上述內(nèi)容還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在此希望廣大的電氣監(jiān)理人員尤其是電氣專業(yè)人才夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，將電氣監(jiān)理工作中所看到的、聽(tīng)到的、學(xué)到的、想到的加以整理總結(jié)，提高自身能力，為業(yè)主提供專業(yè)化、高水平的監(jiān)理服務(wù)。