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用户变电所综合自动化系统
黄平来
温州市工业设计院 浙江温州
325003
摘要：本文简述了用户变电所的计算机监督控制系统的构成、内容、功能及特点。
关键词：计算机监控系统
遥测 遥信 遥控 抗电磁干扰
1.
用户变电所的综合自动化要求
变电所综合自动化系统是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电所领域的综合应用。
由于变配电所是电力系统组成的一个重要环节，是电力网中线路的重要连接部分，其作用是变换电压、汇集和分配电能。所以，变配电所能否正常运行关系到电力系统的稳定和安全，因此对变电所进行监控和保护具有十分重要的意义。
近年来，变电所的计算机监控技术得到了迅速的发展，并得到了广泛的应用。由于目前我国变电所的计算机监控技术，特别是用户变电所的计算机监控技术，正处于推广工作起步阶段，所以在我们设计和施工的试运行过程中，也暴露出一些问题。
1.1
综合自动化基本配置和要求：
1）用户变电所计算机监控技术要求：
利用现代自动化技术、电子技术、通信技术、计算机及网络技术与电力设备相结合，将配电网在正常及事故情况下的监测、控制、计量和供电部门的工作管理有机地融合在一起。完成调度端遥测、遥信、遥控、遥调四遥功能。改进供电质量，力求供电最为安全、可靠、方便、灵活，经济，变配电管理更为有效，从而改善供电质量，提高服务水平，减少运行费用。
2）变配电所计算机监控系统的配置：
一般由带有通讯接口的采集控制模块：多功能电力综合仪表、开关量采集模块、电流量采集模块、模拟量采集模块、继电器控制输出模块、现场管理机、24V直流电源以及中央管理机等组成。中央管理机是本系统的集中管理中心。一般安置在企业的总值班室内，用于整个变配电系统的实时状态显示、参数统计、数据分析、历史记录、故障报警、控制、报表打印等。
1.2
变配电所计算机监控系统的硬件部分：
1）硬件的系统内容包括
（1）将CT、PT直接接入电力综合仪表测量回路中，即可测量出该回路的电量参数。实现该回路的“遥测”；
（2）该仪表的八路开关量输人分别采集该柜中断路器的分合闸状态、手车工作位置、电机储能状态以及接地刀闸位置，同时对综合继电保护装置中的故障跳闸信号和内部故障进行采集、分析，给予报警，并显示该回路的故障类型。实现该回路的“遥信”；
（3）该仪表的继电器输出分别接至断路器的分、合闸线圈上，实现断路器的远程控制，即断路器的“遥控”。
（4）另外，视当地电力部门或者用户的要求，可以进一步考虑在0.4kV低压主进、母联同样采用电力综合仪表来实现“三遥”功能。该仪表与CT、母线直接相连，采集高精度交流信号，测量该回路的实际电量，实现遥测，同时对主进、母联开关的断路器合、分闸状态，框架式开关的位置以及故障报警等开关量实现遥信，并对断路器实现远程遥控。
2） 四遥功能
（1）遥信
利用开关量采集输入模块采集各出线回路开关分合闸状态、开关故障报警信号、失压报警信号、过压报警信号以及框架式开关的位置，并对变压器的风机状态、高温、超高温信号等开关量实现监控，一个单独模块一般可采集16路开关状态。
（2）遥测
a.
通过电流量输人采集模块采集各出线回路的各相电流，单个模块可采集16回路电流。
每一个回路可以由电流量输入模块采集该回路的电流，并根据测量的实际电压、功率因数等来计算该回路的实际用电量。
b.通过模拟量输入模块采集变压器的温度信号、湿度信号以及液位信号等模拟量信号(各个模拟量信号需有4—20mA或0—5V输出)。
（3）遥控
通过继电器控制输出模块分别对低压各出线回路(带有电动操作机构、失压脱扣器的开关)实现开关的远程分、合闸功能。
（4）遥调
通过计量CT、PT接入电力综合仪表测量回路中，即可遥测和统计出该用户回路的全部电量参数；并且当用户超载运行或者电力调峰时，可以在电力调度的中央管理机直接执行“遥调”的指令。
（5）用户现场（计算机）管理机：
在本系统中位于中央管理机与各模块之间，作为一级底层控制单元，增加系统的可靠性。其功能是：进行现场调试，利用现场管理机动性对各模块进行现场参数整定，独立完成现场显示工作，并将信号整理后通过通讯线（ILS485）发送给中央管理机，同时接受中央管理机所下达的命令。可作为中央管理机的备用机，具有显示功能、自检功能。
1.3
计算机监控系统的软件部分：
变配电所计算机监控系统所安装的监控软件是基于Windows环境下的电力系统专用组态软件，能够运行在Microsoft
WindowsNT、2000、XP平台上。给用户提供的是全中文界面，简洁的画面设计、灵活的组态方式，高性能DDE驱动程序，支持诸多工控产品，并遵循开放式数据库联接(ODBC)标准。允许通过第三方，如Microsoft
Access，SQL Server等访问本系统数据库。目前，我们比较多的是采用：“北京四方”CSC200系列、“珠海万力达”MTPR系列产品，相对西门子和“南瑞”的产品要价格便宜，用户也比较容易接受。
软件部分的主要基本条件是：通讯协议的统一性和兼容性。微机的监控系统，特别是保护设备的可靠性的提高，简化了人机接口和就地控制的功能，所以更应具有性能安全可靠、运行稳定、功能完善、人机界面友好、便以扩展、扩容、修改和增加新的功能、接口简单，重新安装和运行维护方便。以上要求各设备厂家统一使用适用于不同通讯方式的多网通讯协议（RS485工业控制通信接口、CANBUS现场总线、光纤接口等），以便于用户变电所能够进入各级电力系统的微机管理监控系统。
2.
用户变电所监控系统基本功能
2.1应该能够基本满足以下七方面的功能要求：
1）显示功能
a.显示变配电站实际开关柜体图、一次系统图，并在一次系统图上显示各开关的分、合状态；
b.显示各配电回路的三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、频率以及功率因数等电量参数；
c.显示各开关的分、合状态和事故报警类别等；
d.显示各回路电量参数的实时曲线图；
e.显示变压器的运行状态以及高温、超高温报警及瓦斯保护；
f.显示其他工艺设备的运行状态及故障情况。
2）报警功能
a.状态报警：当变配电系统的开关出现过载跳闸、短路故障跳闸以及综合继电保护装置内部故障时，计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时间、站号、回路名称、事故类别。
b.超限报警：当变配电系统的各电量参数出现超过额定值时或其他工艺设备超限运行时，计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时间、站号、回路名称。
c.三相不平衡系数报警：当变、配电系统的三相电流或三相电压值出现不平衡时(可自定义范围)，计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时间、站号、回路名称。
d.用户工艺报警：用户生产工艺流程中，必须保持与电气联锁的非电量故障参数的报警和跳闸功能（如断水、断油、断料、超压、失压等等）。
3）控制功能
a.在变配电站总值班室中央管理机处，可以通过鼠标器控制各种高、低压开关(带有电动操作机构或者带有交流接触器)的合闸和分闸；同时也可实现电气闭锁功能，以防止具有闭锁回路的开关误操作；
b.在中央管理机处鼠标下达操作命令时具有密码识别功能，只有操作人员输入正确密码时才可下达操作命令。
4）统计和打印功能
a.统计和打印所监控的所有电流值、电压值、功率值、频率值、功率因数值以及这些参数一天24小时变化曲线；
b.统计和打印各断路器运行状态变化时间及故障报警时间和类别；
c.统计和打印各断路器的操作时间及操作人员代码；
d.统计和打印有功电度、无功电度的一天24小时内单位小时用电量及电量图，同时具有峰谷计费功能。
5）档案记录
值班室计算机软件能将所监测并统计的各种电量参数、各断路器或开关的状态变化时间、报警故障类别、操作人员代码和时间、开关机时间等永久保存，以便对整个变、配电系统的运行情况进行分析。
6）通讯功能
系统内部遵循KS485通讯协议。与上位机通讯遵循RS485或TCP／IP通讯协议。
7）自检功能
系统必须具有完善的自诊断功能。当系统发生故障时，诊断功能将提供详细的故障信息，以便及时排除故障。
2.2
监控系统的现场布置
1）
通常变配电所计算机监控系统的末端数据采集与控制单元直接安装于开关柜内，采用交流采样直接从电流互感器或电压互感器取交流0-5A电流信号或交流0-100V电压信号(380／220V低压系统直接取交流0-220V或0-380V电压信号)，不再需要各种电量变送器，开关柜上各种测量仪表可以取消，外部电缆只需要一根通信电缆与供电电源电缆，设计与施工十分简单。
2）
虽然智能化开关和智能开关柜本身已经具备监控功能，，开关柜内的继电保护、信号与控制回路一般仍然保留，在监控系统后台不能够正常工作时，现场控制模块仍然可以完成用户方的监控和操作功能。
2.3
计算机监控系统使用的优点
1）
电力调度可直接监视变电设备运行情况，发生故障能及时、准确地提供原始数据和事故记录，为事故的处理提供方便。
2）
变电所负荷调整、电压调节及电量报表等工作可以由调度直接完成，或者由用户计算机来完成，改变了变电运行人员接令执行操作的繁琐环节，降低了变电所运行误操作事故的发生。
3）
一次侧应用真空断路器，二次控制元件无触点集成模块化，提高了设备运行寿命和可靠性，减少了设备维修和调试工作量。
3.
监控系统目前存在的问题和对策
1）
变配电所计算机监控系统对高次谐波的监控、记录和保护有待于完善。
2）
失压保护：考虑到电压回路断线可能的误动作，我们设置了“失流失压保护”（即不失流情况下，电压回路断线不产生误动作）。
3）在用户自动化变电所建设中，要十分重视厂家的产品质量和售后服务质量；要坚持简单、实用、可靠的原则，以达到保证电网安全、经济、可靠，优质运行为目的。
4）低电平的变电所综合自动化系统，必须充分考虑工作环境的电磁干扰和数据采集与控制单元就地散热问题；尤其是干扰问题，对变电所综合自动化系统在线运行的影响是非常严重的，若不采取有效的措施，将产生严重的后果。
3.1抗电磁干扰的措施
针对电磁干扰三要素：干扰源、传播途径、电磁敏感设备。我们一般在系统的硬件和软件方面采取以下一些必要的措施，以期消除或抑制电磁干扰。
1）一、二次间采取隔离和屏蔽：
一次系统的电压互感器和电流互感器均处于强电回路中，必须经过设置在自动化系统各种交流回路中的隔离变压器；这些隔离变压器一、二次中间必须采取隔离层和屏蔽层。
2）开关量的输出要通过光耦合隔离或继电器隔离：
通常断路器、隔离开关辅助触点等开关量的输出，由于断路器和隔离开关都处于强电回路中，因此要通过光耦合隔离或继电器隔离，这样会取得比较好的效果。必要时，可以考虑两级光电隔离的效果会更好（即在开关量输入板的出口处和CPU板的入口处各设置一级光电隔离）。
3）控制电缆应减少感应耦合：
控制电缆应尽可能离开高压母线，并尽可能减少平行布设长度；特别是尽量避开避雷器、避雷针的接地点，电容式电压互感器等，避免干扰由互感耦合侵入。必要时可采用隔离型电缆。
4）二次系统的接地合适，减低电网中的瞬变电位升高和二次设备的电磁兼容：
应做到：①多个电路共用接地线时，其阻抗应尽量减少；②由多个电子器件组成的系统，各电子器件的工作接地应连在一起，通过一点与安全接地网相连；
③工作接地网各点的电位应尽量保持一致。
5）微机电源地线和机壳不连接：
电磁干扰进入综合自动化系统的主要途径是通过微机电源，而且来自电源的干扰很容易引起死机。在实践中，我们多采用微机电源地线和机壳不连接，它的优点是：由于干扰造成的流过电源的浪涌电流可大大减少，从而增加了抗共模干扰的能力，可明显地提高系统的安全性和可靠性。另外，采取①在电源的输入侧安装电源滤波器；②在电源的输入侧安装隔离变压器；③通过UPS电源向微机系统供电；以上三项措施，均可有效地抑制电网低频正常状态下的干扰。
3.2控制单元就地散热问题
1）严格监控单元的选择
一般用户变电所的运行现场条件都比较差，不能够与电力系统变电所相比。所以，我们在用户选择监控单元生产厂家的时候，会特别关照：必须选择厂家经过70℃以上高温老化过的产品。否则在开关柜的用户现场环境中，肯定会经常出问题。
2）严格开关柜的散热布置
在加强开关室的通风散热设计规范的同时，还必须考虑开关柜中监控模块的通风散热布置环境；尽量远离发热器件、避开散热的通风出口。必要时增加辅助通风散热系统。
3）必要时考虑单独组屏
在轧钢厂、铸造厂、化工厂等现场生产环境恶劣和污染严重的企业，一般我们均把监控单元另外单独组屏，直接放在企业总值班室内。相应投资大一点，但是电磁干扰和通风散热条件都大大得到改善。
随着计算机监控技术的日新月异，用户变电所综合自动化系统的应用进程越来越快，用户变电所的‘无人值守’设计理念，将成为当今电气自动化领域的一种发展趋势。
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