浅析35kV变电站综合自动化系统的结构和功能设计

引言

随着电子技术、计算机技术和自动检测技术的飞速发展,变电站自动化水平也不断提高。这就要求在我们进行变电站电气设计时不断采用性能可靠、技术先进及自动化程度高的产品,使变电站的继电保护突破了传统的继电保护形式,出现了以计算机技术为核心的综合自动化保护形式且被迅速推广和应用。

1 对传统变电站的分析

传统的变电站继电保护已不能满足厂用电要求,其主要原因是：

1）传统电磁测量仪表和继电器等模拟设备具有测量误差大、数量多、功耗大、不能记录事件发生的准确时间和顺序,不便于值班人员监视观察等。

2）依靠值班人员的感官和判断能力对以上信息进行分析不可避免存在误差,将会出现丢失信息、错误判断和处理等情况。

3）二次接线系统无自检、存储记忆和复读功能,若元器件、仪表或继电器本身损坏,不能及时发现和报警。二次设备之间的信息交换和通信能力差,信息资源无法得到综合利用,不能进行画面显示和集中控制。

为解决变电站存在的以上问题,目前以综合自动化脏控保护装置取代传统的继电保护装置,经过设计研究和安装调试,现在已进入系统试运行阶段。

2 35kV变电站的功能要求

2.1一次系统原则

变配电所采用综合自动化系统后对一次系统接线没有影响,一次系统接线方式及供电方案按要求与规定进行设计。应发挥计算机的图形显示功能,模拟信号盘简化或取消。实现无人或少人职守,值班室面积减小,分散值班集中于一处值班。

2.2二次系统设计原则

按要求,保持开关柜内的继电保护、计量、信号与控制回路,值班室的信号系统(信号屏、计量屏与控制屏)只包括电源进线与母联联络开关柜,所有出线开关柜均不再进入信号系统。电源进线、母联开关柜及所有出线开关柜的信号系统(信号、计量与控制)全部进入综合自动化系统箍§合课题要求,此方案具有技术先进、维护方便、可靠性高、施工周期短、使用效果好、造价低、经济效益高等优点。

3 变电站综合自动化系统设计内容

3.1一次系统电气设计内容

1）一次系统的电气主接线方案保持,在单线系统图的设备型号说明中注明采用综合自动化系统后所增加的设备数量与型号,如电量变送器、电力监控器等。

2）对于需通过综合自动化系统进行远方遥控操作的开关,改用能进行远方合闸的自动开关

3）主回路开关运行状态进入综合自动化系统的开关,要有—对独立的常开接点引入综合自动化系统。低压自动开关的型号设计时也要注意满足这一要求,多选一对常开辅助接点。

3.2 二次系统电气设计研究的内容

变电站二次系统作就是对变电站的监控和保护,是变电站综合自动化系统设计的主要内容,一般可分为继电保护设计和测量回路设计两部分：

3.2.1继电保护设计

1）35kV供电系统选用综合自动化系统保护,而且考虑采用变配电所综合自动化单元。

2）10kV电系统保护和监控分开,其保护仍以常规继电器保护为主,另外再设计只有监控功能的变电站综合自动化单元。

3）380/220V低压配电系统,以自动开关与熔断器保护为主,有监控功能的变配电综合自动化单元,本工程设计中暂不考虑本部分内容。

3.2.2测量回路设计

1）需要进入综合自动化系统的测量参数则根据有关规定与用户实际需要来确定,在综合自动化系统中测量参数是影响系统控制功能的主要因素,一定按有关规定和功能需求来确定。

2）需要进入综合自动化系统的各种测量参数,首先经过电力系统的电流互感器与电压互感器变为统一的交流0~5A电流和0~100V电压,380/220V系统直接利用0~220v或0~380V电压,然后再经各种电量变送器将交流参数变为直流0~5V或4~20mA信号给综合自动化系统进行测量。

3）电量变送器的种类与电工测量仪表完全对应,有什么类型的电工测量仪表,就有什么样类型的电量变送器。

4）电量变送器的一次接线与电工测量仪表完全相同,电流回路串联在电流互感器二次回路中,电压回路并联在电压互感器二次回路中。设计时将电量变送器统一布置于电流互感器电流回路的末端．避免与电工仪表相互交叉布置。

5）电压变送器的测量输入电压值应提高20％,高压选交流l200V,低压选交流250V或420V。各种电量变送器的输出一般选直流0~5V或4~20mA。

6）采用变电所综合自动化系统后,其监控单元均为交流采样,直接从电流或电压互感器获取0~5A或0~100V测量信号,低压直接取220V或380V信号,开关柜上各种测量仪表可以取消,或按用户需要设置。

7）电度计量应选用带脉冲输出的电度表,其型号及一次接线与原电度表相同,只在备注中说明带脉冲输出即可,并注明与综合自动化系统相匹配的直流电源电压,设计时选用自带供电电源的有源型,输出为隔离型的脉冲电度表。计量柜电度表一般不进入综合自动化系统,所以在进线开关柜内增加有功与无功脉冲电度表各一块,作为内部统计用电量使用。

4 信号测控回路设计研究的内容

所有需要综合自动化系统进行监视的开关状态,均有一对常开接点引到综合自动化系统。所有常开接点共用一个信号地线,但不能与交流系统地线相连接。所有信号继电器均有一对单独的常开接点引到综合自动化系统。有信号系统时,信号继电器另设一对常开接点引到信号系统,以上两种常开接

点应分开,由于电压等级不同不能共用地线。

4.1控制回路设计研究的内容

1）综合自动化系统都有合闸与分闸继电器输出接点,一般接点容量为AC25OV、1A,将其连接到开关柜的合、分闸开关或按键上就可以进行远方合分闸操作。

2）综合自动化系统的合分闸继电器触头与开关柜上合分闸开关或按钮之间设计手动与远方自动转换开关。

3）10kV及以上的供配电系统需要综合自动化系统进行远方合分闸操作时,其控制开关取消不对应接线,选用自复式转换开关,也可选用控制按钮。

4）所有进入综合自动化系统的远方操作开关的手动分闸操作开关或按钮有一对独立的常开接点引到综合自动化系统,以便在人工手动分闸时给综合自动化系统—个开关量输入信号发出非误动作报警信号。本课题研究的主要内容为35kV变电站综合自动系统的结构和功能设计、硬件系统设计和原理分析以及系统中变压器保护的应用软件开发与分析。

5 安科瑞Acrel-1000变电站综合自动化系统

5.1方案综述

Acrel-1000变电站综合自动化监控系统在逻辑功能上由站控层、间隔层二层设备组成，并用分层、开放式网络系统实现连接。站控层设备包括监控主机，提供站内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层设备等功能，形成全站监控，并与远方监控、调度通信；间隔层由若干个二次子系统组成，在站控层及站控层网络失效的情况下，仍能独立完成间隔层设备的就地监控功能。

针对工程具体情况，设计方案具有高可靠性，易于扩充和友好的人机界面，性能价格比优越，监控系统由站控层和间隔层两部分组成，采用分层分布式网络结构，站控层网络采用TCP/IP协议的以太网。站控层网络采用单网双机热备配置。

5.2应用场所：

适用于公共建筑、工业建筑、居住建筑等各行业35kV以下电压等级的用户端配、用电系统运行监视和控制管理。

5.3系统结构

5.4系统功能

5.4.1 实时监测

Acrel-1000变电站综合自动化系统，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。

5.4.2 报警处理

监控系统具有事故报警功能。事故报警包括非正常操作引起的断路器跳闸和保护装置动作信号；预告报警包括一般设备变位、状态异常信息、模拟量或温度量越限等。

1）事故报警。事故状态方式时，事故报警立即发出音响报警（报警音量任意调节），操作员工作站的显示画面上用颜色改变并闪烁表示该设备变位，同时弹窗显示红色报警条文，报警分为实时报警和历史报警，历史报警条文具备选择查询并打印的功能。

事故报警通过手动，每次确认一次报警。报警一旦确认，声音、闪光即停止。

次事故报警发生阶段，允许下一个报警信号进入，即次报警不覆盖上一次的报警内容。报警处理具备在主计算机上予以定义或退出的功能。

2）对每一测量值（包括计算量值），由用户序列设置四种规定的运行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分别定义作为预告报警和事故报警。

3）开关事故跳闸到指定次数或开关拉闸到指定次数，推出报警信息，提示用户检修。

4）报警方式。

报警方式具有多种表现形式，包括弹窗、画面闪烁、声光报警器、语音、短信、电话等但不限于以上几种方式，用户根据自己的需要添加或修改报警信息。

5.4.3 调节与控制

操作员对需要控制的电气设备进行控制操作。监控系统具有操作监护功能，允许监护人员在操作员工作站上实施监护，避免误操作。

操作控制分为四级：

第控制，设备就地检修控制。具有优先级的控制权。当操作人员将就地设备的远方/就地切换开关放在就地位置时，将闭锁所有其他控制功能，只进行现场操作。

级控制，间隔层后备控制。其与第三级控制的切换在间隔层完成。

第三级控制，站控层控制。该级控制在操作员工作站上完成，具有远方/站控层的切换。

第四级控制，远方控制，优先级。

原则上间隔层控制和设备就地控制作为后备操作或检修操作手段。为防止误操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即选择、返校、执行，并在站级层设置操作员、监护员口令及线路代码，以确保操作的性和正确性。对任何操作方式，保证只有在上一次操作步骤完成后，才进行下一步操作。同一时间只允许一种控制方式。

纳入控制的设备有：35kV及以下断路器；35kV及以下隔离开关及带电动机构的接地开关；站用电380V断路器；主变压器分接头；继电保护装置的远方复归及远方投退连接片。

3）定时控制。操作员对需要控制的电气设备进行定时控制操作，设定启动和关闭时间，完成定时控制。

4）监控系统的控制输出。控制输出的接点为无源接点，接点的容量对直流为110V（220V）、5A，对交流为220V、5A。

5.4.4 用户权限管理

系统设置了用户权限管理功能，通过用户权限管理能够防止未经授权的操作系统可以定义不同操作权限的权限组（如管理员、维护员、值班员组等），在每个权限组里添加用户名和密码，为系统运行、维护、管理提供可靠的保障。

6 系统硬件配置

应用场合	型号	图片	保护功能
35kV变电站综合自动化系统	Acrel- 1000

	可显示变电站主接线图，模拟配电网络运行，实现无人值班模式；根据顺序事件记录、历史曲线、故障录波，协助运维人员实现快速故障分析、定位和排除问题，尽量缩短停电时间；实时采集各回路、设备的电流、电压、功率、电能以及谐波、电压波动等参数，对配电系统和用电设备进行用能分析和能效管理
网关	ANet- 2E8S1

	8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等协议的数据接入，ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等协议上传，支持断点续传、XML、JSON进行数据传输、支持标准8GB SD卡（32GB）、支持不同协议向多平台转发数据；每个设备的多个报警设置。输入电源：AC/DC 220V，导轨式安装。
35kV/10kV/6kV 弧光保护	ARB5-M

	主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口；
ARB5-E	扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号：
ARB5-S

	弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域；
35kV/10kV/6kV 进线柜电能质量 在线监测	APView500

	相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。
35kV/100kV/6kV 间隔智能操控、 节点测温	ASD500

	5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出；
35kV/10kV/ 6kV传感器	ATE400

	合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
35kV/10kV/6kV 间隔电参量测量	APM830

	三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及需量，本月和上月值，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD显示；
变压器绕组 温度检测	ARTM-8

	8路温度巡检，预埋PT100，RS485接口，2路继电器输出；
变压器接头测温低压进出线柜接头测温	ARTM-Pn-E

	无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯；
ATE400

	合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
柜内环境温湿度	AHE100

	无线温湿度传感器，温度精度：±1℃，湿度精度：±3％RH，发射频率：5min，传输距离：200m，电池寿命：≥3年（可更换）
ATC600

两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m，ATC600-C可接收AHE传输的数据，1路485,2路报警出口。

应用场合	型号	图片	保护功能	其他功能
35kV/10kV/ 6kV进线	AM6-L

	三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护；	操作回路、 双以太网口、 双485口、 2路4-20mA变 送输出、 故障录波、 GPS对时、 全电量测量 直流量测量
35kV/10kV/ 6kV馈线	AM6-L	三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护；
35kV主变 （2000kVA以上）	AM6-D2/ AM-3	两圈变/三圈变差动速断保护、比例制动差动保护；
AM6-TB	变压器后备保护测控、三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、非电量保护、启动通风保护、PT断线告警、遥调升档、遥调降档、遥调急停；
35kV/10kV/ 6kV厂用变	AM6-S	三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、零序过流、过负荷保护（告警/跳闸）、控故障告警、PT断线告警、非电量保护；
35kV电机 （2000kW以上）	AM6-MD	差动速断保护、比例差动保护、过流、过负荷、堵转等电机综合保护；
10kV/6kV 异步电机	AM6-M	两段式过流/零序过流/负序过流保护、过负荷保护（告警/跳闸）、低电压保护、PT断线告警、堵转保护、启动超时、热过载保护、电压不平衡；
35kV/10kV/6kV PT监测	AM6-UB	PT并列/解列、PT监测；
10kV/6kV 电容器	AM6-C	两段式过流/零序过流保护、过负荷保护（告警/跳闸）、PT断线告警、过电压/欠电压跳闸、不平衡电压/电流保护；
	35kV/10kV/ 6kV母联	AM6-B	两进线备投/母联备投/自适应备投、联切备投、三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、PT断线告警、过负荷联切/告警、检同期、合环保护；

应用场合	型号	图片	保护功能	其他功能
35kV/10kV/ 6kV进线	AM6-L

	三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护；	操作回路、 双以太网口、 双485口、 2路4-20mA变 送输出、 故障录波、 GPS对时、 全电量测量 直流量测量
35kV/10kV/ 6kV馈线	AM6-L	三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护；
35kV主变 （2000kVA以上）	AM6-D2/ AM-3	两圈变/三圈变差动速断保护、比例制动差动保护；
AM6-TB	变压器后备保护测控、三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、非电量保护、启动通风保护、PT断线告警、遥调升档、遥调降档、遥调急停；
35kV/10kV/ 6kV厂用变	AM6-S	三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、零序过流、过负荷保护（告警/跳闸）、控故障告警、PT断线告警、非电量保护；
35kV电机 （2000kW以上）	AM6-MD	差动速断保护、比例差动保护、过流、过负荷、堵转等电机综合保护；
10kV/6kV 异步电机	AM6-M	两段式过流/零序过流/负序过流保护、过负荷保护（告警/跳闸）、低电压保护、PT断线告警、堵转保护、启动超时、热过载保护、电压不平衡；
35kV/10kV/6kV PT监测	AM6-UB	PT并列/解列、PT监测；
10kV/6kV 电容器	AM6-C	两段式过流/零序过流保护、过负荷保护（告警/跳闸）、PT断线告警、过电压/欠电压跳闸、不平衡电压/电流保护；
	35kV/10kV/ 6kV母联	AM6-B	两进线备投/母联备投/自适应备投、联切备投、三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、PT断线告警、过负荷联切/告警、检同期、合环保护；

7 结语

变电站综合自动化系统实际运行结果证明变电站综合自动化技术和变电站无人值班技术是变电站监控和保护发展的主流和必然趋势。

参考文献

[1] 许盈盈.关于35kV变电站综合自动化系统设计研究的内容．

[2] 卓乐友.电力工程电气设计200例.北京:中国电力出版社,2005．

[3] 李宏任.实用继电保护.北京:机械工业出版社,2002．

[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版．

安科瑞电气电子产品选型介绍 吴智敏

审核编辑黄昊宇