电力毕业论文

山西经济管理干部学院毕业论文

自动化技术在煤矿变电站改造中

的应用

姓 名: 冯二帆

专业班级:2008级电力系统及自动化

指导教师: 张国才

日 期: 2010.10

摘 要

变电站综合自动化技术现在已成为热门话题,有许多煤矿的供电系统综合自动化系统也已投入运行,且展现了极强的生命力。本文以晋煤集团供电公司机关35KV变电站为设计依据,设计了煤矿供电系统的综合自动化系统。

首先分析了当前变电站综合自动化系统的发展概况,其次,依据机关35KV变电站所采用的PDS-7000系列变电站综合自动化系统进行分析,该系统按分层分布分散式结构设计,分为三层,间隔层、通讯层和站控层。具体分析了间隔层的各种保护测控一体化装置(变压器保护测控装置、线路保护测控装置和电容器保护测控装置)和一些自动控制装置(备用电源自投、电压无功综合控制和小电流接地选线等装置)所实现的功能;简要分析了通讯层所采用的双层网络(现场总线和以太网);站控层所采用的设备和站控层的基本任务。最后对于煤矿供电系统的综合自动化系统的未来发展进行展望。

关键词:煤矿; 供电系统; 变电站综合自动化系统; PDS-7000

目 录

1 绪论 .............................................................................................................................................................. 1

1.1 煤矿供电系统综述 .............................................................................................................................. 1

1.1.1 煤矿的供电系统 .............................................................................................................................. 1

1.1.2 煤矿对供电系统的要求 .................................................................................................................. 1

1.1.3 煤矿的各级变电所 .......................................................................................................................... 1

1.2 变电站综合自动化系统的发展 .......................................................................................................... 2

1.2.1 国外变电站综合自动化系统的发展 .............................................................................................. 2

1.2.2 国内变电站综合自动化系统的发展 .............................................................................................. 3

1.3 煤矿变电站综合自动化系统及其优越性 .......................................................................................... 4

1.3.1 煤矿变电站综合自动化系统构成 .................................................................................................. 4

1.3.2 煤矿变电站综合自动化系统的优越性 .......................................................................................... 5

1.4 本文的主要工作 .................................................................................................................................. 5

2 变电站综合自动化系统的通信 .................................................................................................................... 7

2.1 通信的基本概念 .................................................................................................................................. 7

2.2 通信的传输方式 .................................................................................................................................. 7

2.3 变电站综合自动化系统通信的任务 .................................................................................................. 8

3 煤矿供电系统综合自动化系统的分析与设计 ............................................................................................ 10

3.1煤矿供电系统综合自动化系统的结构 ............................................................................................. 10

3.2煤矿供电系统综合自动化系统的间隔层 .......................................................................................... 11

3.2.1 变压器保护测控装置 .................................................................................................................... 12

3.2.2 线路的保护测控装置 .................................................................................................................... 14

3.2.3 电容器保护测控装置 .................................................................................................................... 16

3.2.4 备用电源自投装置 ........................................................................................................................ 17

3.2.5 电压、无功综合控制装置 ............................................................................................................ 20

3.2.6 小电流接地选线装置 .................................................................................................................... 20

3.2.7 低频减载装置 ................................................................................................................................ 21

3.3 煤矿供电系统综合自动化系统的通讯层 ........................................................................................ 21

3.3.1现场总线 ......................................................................................................................................... 22

3.3.2通讯控制器 ..................................................................................................................................... 23

3.3.3以太网 ............................................................................................................................................. 23

3.4 煤矿供电系统综合自动化系统的站控层 ........................................................................................ 24

4 煤矿供电系统综合自动化系统的发展前景 ................................................................................................ 26

结 论 ................................................................................................................................................................ 28

参考文献 ............................................................................................................................................................ 29

致 谢 ................................................................................................................................................................ 31

1 绪论

1.1 煤矿供电系统综述

1.1.1 煤矿的供电系统

煤矿的用电电源.一般来自于电力系统的区域变电站或发电厂,电能送到煤矿以后再经变压器降压后配给煤矿各个用户,这样就组成了煤矿供电系统。

煤矿的受电电压一般为6~110kv,视煤矿的井型及所在地区的电力系统的电压而定,一般为35~110kv的双电源受电,经总降压站后,以高压向车间、井下变电所及高压用电设备等配电,组成高压供电系统。各变电所经变压器向低压用电设备配电,组成低压供电系统。

根据矿井及井田范围、煤层埋藏深度、矿井年产量、开采方式、井下涌水量,以及开采的机械化程度和电气化程度的不同,煤矿又分为深井和浅井供电系统。对于开采煤层深、用电负荷大的矿井,通过井筒将3~10KV高压电经电缆送入井下,一般称为深井供电。如煤层深度距地表为100~150m,且电力负荷较小时,可通过井筒或钻孔将低压电能经电缆直接送入井下,井下不需要开设专门的变电所硐室,这种系统为浅井供电。 煤矿供电系统又分为井上和井下两大部分。

煤矿地面的降压变电站主变压器的一次受电电压为35~110KV,经降压后的二次电压为3~10KV。经配电变压器、井下中央变电站或采区变电站降压后, 380/220V送至地面(井上)的用户,380/660/1140V的送至井下。

1.1.2 煤矿对供电系统的要求

现代化煤矿企业的动力是电力,应了解煤矿对供电系统的要求,其具体有:

(1)供电可靠。 煤矿的供电系统如果供电中断,不仅会影响产量,而且有可能发生人身事故或设备的重大损坏,严重时会造成煤矿矿井的破坏。为了保证对煤矿供电的可靠性,供电电源应采用双电源,双电源可以来自不同的变电所(或发电厂)或同一变电所的不同母线上。即在一个电源发生故障的情况下,仍应保证对主要生产用户的供电,使人身和设备不受损害,以及生产能正常进行。

(2)供电安全 。由于煤矿生产环境复杂,自然条件恶劣,供电设备易于受到损坏,可能造成触电及电火花引起火灾和瓦斯媒尘爆炸等事故,所以必须采取一系列的技术措施和管理制度,确保供电安全。

(3)技术经济合理。在满足供电可靠与安全的前提下系统应尽量简单,使操作方便,建设投资和运行维护费用低。

1.1.3 煤矿的各级变电所

1 地面变电所:它是矿井供电的枢纽,担负着向井上、井下配电的任务。

2 井下中央变电所:它是全矿井下的供电中心,接受从地面变电所送来的高压电能后,分别向采区变电所及主排水泵等高压设备转供电能,并通过变电所内的矿用变压器降压

后,在向井底车场附近的低压动力和照明供电。

3 采区变电所:它是采区的供电中心,任务是将中央变电所送来的高压电能变为低压电能,并将电能配送到采掘工作面配电点或用电设备。

4 移动变电站:对于机械化程度较高的采区,特别是综合机械化采区,设备比较多,设备的单机容量和总容量都比较大,且采区范围广,回采速度快,使用固定的变电所不能适应煤矿井下采区综合机械化发展的需要,因此要提高采区工作电压和缩短供电距离就必须采用移动变电站。

1.2 变电站综合自动化系统的发展

1.2.1 国外变电站综合自动化系统的发展

国外变电站综合自动化系统的研究工作始于20世纪70年代,最早是用微机型远动装置代替布线逻辑型远动装置,同时变电站监控系统的功能在扩大,供电网的监控功能迅速发展。

日本于1975年,开始研究用于配电变电站的数字控制系统(称为SDCS-1),于1979年9月完成样机,同年12月在那须竹克里变电站安装并进行现场实验,于1980年开始商品化。

SDCS-1是以13台微处理器为基础的系统,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4回77KV输电线,3台变压器和36回6.6KV的馈电线。

SDCS-1按功能分为三个子系统。

(1)继电保护子系统。从高速数据通道获取瞬时值,并把保护的动作状态送到中速数据通道。继电保护子系统有8个保护部件,包括以下4种类型的保护功能:

1)77KV母线保护;

2)3台主变压器的保护;

3)6.6KV母线保护;

4)6.6KV馈线保护等。

(2)测量子系统。从高速数据通道输入(u,i)瞬时值,并把计算后的有效值送到低速数据通道上。

测量子系统的功能主要有:

1)测量电压、电流有效值,有功功率和无功功率以及电能量;

2)监视主变压器的负荷。

(3)监控子系统。分别从低速和中速数据通道输入有效值和断路器状态信号。监控子系统的功能主要有:

1)备用电源自投控制;

2)故障线路探测;

3)6.6KV馈电线自动重合闸;

4)载调压分接开关控制;

5)排除变压器故障后自动恢复供电;

6)数据传送和远方控制等。

20世纪80年代以后,研究变电站综合自动化系统的国家和公司越来越多,如德国西门子公司,瑞士的ABB公司,AEG公司,美国的GE公司、西屋公司,法国的阿尔斯通公司等。

德国西门子公司于1985年研制成功了第一套综合自动化LSA678系统,此后在德国和欧洲投运了300多套该系统,到1995年,该公司在中国也陆续得到十几个工程项目,基本上是110KV的城市变电站。LSA678系统的结构有全分散式和集中与分散相结合两种类型。

美国变电站综合自动化系统目前投运的有三类:一类以RTU为基础进行实时数据采集,配置微机完成当地功能,并和上级调度中心通信;第二类以通用计算机为数据采集设备,采集实时数据并建立历史数据库,并通过计算机以太网与远程工作站联络;第三类采用MODBUS-PLUS,保护部件均通过规约转接器接入该网,并通过RTU与调度中心联系,网上标准计算机建立实时、历史数据和提供人机联系画面等。

由此可见,国外的变电站综合自动化系统,开始于20世纪70年代后期,而到了80年代以后发展的较快。

1.2.2 国内变电站综合自动化系统的发展

我国变电站综合自动化的研究始于20世纪80年代中期,1987年,清华大学电机工程系研制成功第一套变电站综合自动化系统,在山东威海望岛变电站成功投入运行。

望岛变电站是一个35KV的城市变电站,具有两回35KV进线,两回35KV出线,两台主变压器。8回10KV馈电线路和两组无功补偿电容器。该变电站的综合自动化系统主要由三台微机组成,分为三个子系统,担负了变电站的安全监控、微机保护、电压/无功控制、中央信号等全部任务。

(1)安全监控子系统。安全监控系统由一台微型计算机及其外围接口电路组成,完成当地的监控功能,其中包括:

1)测量。对全站主要设备,如变压器、电容器、全部输、配电线路,的电压、电流、有功功率、无功功率、主变压器油温等进行采集和处理。

2)监视。对所采集的电压、电流、主变压器油温等不断进行越限判断,若有越限,则发出警告信号,同时对全站的断路器状态进行监视。

3)记录。记录继电保护的动作信息,并记录保护动作前、后的短路电流值。

4)显示。通过CRT显示器显示全站的实时主接线图和各开关状态,并以不同画面显示全部巡回检测的量,自动显示保护动作性质和保护动作前后的电流值。

5)制表打印。可定时打印报表,可召唤打印实时检测数据,自动打印越限值和越限时刻,事故记录打印等。

(2)微机保护子系统。微机保护子系统的主要功能包括:

1)全部进线和馈电线路的微机保护与自动重合闸和后加速跳闸;

2)主变压器保护;

3)电容器保护;

4)单相接地选线保护。

(3)电压、无功控制子系统。电压、无功控制子系统由一台微机组成,可对两台带负荷调压变压器的分接开关和无功补偿电容器进行综合控制。

(4)中央信号系统。由各个子系统直接发出报警信号和预告信号,直接触发发光管,显示故障性质和发出故障音响,简化了常规的中央信号系统。其中担负微机保护的计算机和担负电压、无功控制的计算机软、硬件配置相同,可互为备用。在正常运行情况下,各自完成自己的任务,后者同时监视保护机的状态,一旦发现保护机故障,则在4ms内,控制机立刻停止执行电压、无功控制程序而转去担负保护机的任务,确保保护子系统的可靠性。

该系统于1987年成功投入运行,1988年通过技术鉴定。鉴定结果为国内首创,填补了国内一项空白,并达到国际80年代先进水平。其运行结果表明:微机技术可以全面、系统、可靠的应用于变电站的综合自动化系统中,同时也证明了变电站综合自动化系统对提高变电站的运行、管理水平及技术水平、缩小占地面积、减少值班人员抄表和记录,以及减少维护工作量等方面都有着显著的优越性。

近几年来,大规模集成电路技术、微机技术和通信技术的迅猛发展,网络技术,现场总线等的出现,使变电站综合自动化系统的功能不断的完善。变电站综合自动化系统将成为今后新建变电站的主导技术。

1.3 煤矿变电站综合自动化系统及其优越性

近年来,随着科学技术的发展,计算机技术日益广泛地应用于各个生产领域。对煤矿生产来讲,煤矿的供电系统是保证煤矿安全生产的重要前提,电能质量的好坏、供电可靠性的高低、供电设备管理水平等直接影响整个煤矿生产系统的各个环节,影响着煤矿生产的效率和安全。因此,利用现代计算机技术、网络技术对煤矿供电系统进行综合自动化设计是很有必要的。

煤矿事故的发生多由井下电缆漏电、单相接地等故障而产生的电弧,使瓦斯爆炸而引起。所以,有待于快速改进煤矿生产监控设备,通过先进的自动化设备快速、准确的将煤矿生产的运行情况、事故状态描述出来,并能够快速作出反应,下达相应的解决方案与措施,防止事故的继续扩大,消灭事故隐患。

目前,变电站综合自动化系统已大量应用于煤矿变电站的运行、控制与维护中,而该技术的关键在于将大量的现场采集的信息与数据快速、准确、实时的上传到监控中心,也能将监控中心下达的控制命令准确无误的发送到控制单元,及时采取措施避免事故的发生。

1.3.1 煤矿变电站综合自动化系统构成

主要引入了站控层、通讯层和间隔层概念,系统采用分层分布式结构。设备分变电站层设备(站控层)、通讯层和间隔层设备。间隔层设备原则上按一次设备组织,例如1条线路、1台主变压器。每一间隔层设备包括保护、控制、测量、通信、录波等功能。这类系统实现了信息资源的共享以及保护、监控功能的综合化,大大简化了站内二次回路,完全

消除了设备之间错综复杂的二次电缆。 由于间隔层设备可放在开关柜上或一次设备附近,从而可大大缩小主控制室面积,节省控制电缆,减少TA负担, 同时大大提高了整个系统的可靠性和可扩展性。

1.3.2 煤矿变电站综合自动化系统的优越性

(1)供电质量、电压合格率的提高。变电站综合自动化系统中包含有电压、无功综合控制的功能,对于具备有载调压变压器和无功补偿电容器的变电站,可大大提高电压的合格率,保证了电力系统的主要设备和各种电气设备的安全,使无功潮流更合理,降低了网损,节约了电能的损耗。

(2)在线运行的可靠性高。变电站综合自动化系统利用软件实现在线检测,具备故障自诊断功能。微机系统在进行软件设计时,考虑到电力系统各种复杂的故障,可在线对有关硬件电路中各个环节进行自检,具有很强的综合分析和判断能力;利用有关的硬件和软件相结合的技术,防止干扰进入微机系统后造成严重后果;加之该系统中的各个子系统的微机保护装置和微机自动装置具有故障自诊断功能,使变电站的一次和二次设备运行的可靠性方面已远远超过了传统的变电站。

(3)变电站运行管理的自动化水平高。变电站实现综合自动化以后,监视、测量、记录、抄表等工作都由计算机自动进行,既提高了测量的精度又避免了人为主观的干预,运行人员只要通过观看CRT显示器屏幕,对变电站的主要设备和各个输配电线路的运行工况和运行参数便一目了然。综合自动化系统具有与上级调度通讯的功能,可将检测到的数据及时送往调度中心,使调度员能够及时掌握各个变电站的运行情况,也能对它进行必要的调节与控制,且各种操作都有事件顺序记录可供查阅,大大提高运行管理水平。

(4)缩小占地面积,减少控制电缆,减少总投资。变站综合自动化系统采用计算机技术和通信技术,实现资源共享和信息共享,硬件电路多采用大规模集成电路,结构紧凑、体积小、功能强,大大缩小变电站的占地面积。随着微处理器和大规模集成电路的不断降价,微计算机性能价格比逐步上升,发展的趋势使综合自动化系统的造价逐渐的降低,性能逐步的提高,因而减少了变电站的总投资。

(5)维护调试方便,减少维护工作量,实现减人增效。在综合自动化系统中,各个子系统都有故障自诊断能力,系统内部有故障时能自己检测出故障部位,缩短了维修时间。微机保护和自动装置的定值可在线读出检查,节约定期核对定值的时间。监控系统的自动抄表功能,使值班人员不必定时抄表和记录;RTU的功能,即实现四遥功能(遥测、遥信、遥控、遥调),则基本上可实现无人值班,达到减人增效的目的。

综合自动化系统的优缺点还取决于技术方面,同时又与各国的技术经济发展状况有关。相信随着技术的不断更新和完善,以及运行人员技术水平的不断提高,变电站综合自动化技术必将发挥它应有的巨大作用。

1.4 本文的主要工作

由于煤矿供电系统又分为井上和井下两大部分,本着对以后工作的需要,本文将只分析井上的部分,主要依据是,晋城煤业集团供电公司的机关35KV变电站综合自动化系统。

本文的具体工作如下:

1 首先,搜集变电站综合自动化相关资料,依据机关35KV变电站具体情况先从整体上对综合自动化系统有个大概的了解。

2 其次,对综合自动化系统进行具体分析,主要对间隔层所采用的保护测控一体化装置的功能及原理进行介绍,简单分析通讯层和站控层的功能。

3 最后,对整个设计进行总结与归纳,从思想上重新审视论文,从整体结构上观察其不足之处,进行最后的修正。

2 变电站综合自动化系统的通信

通信是变电站综合自动化系统非常重要的基础功能。借助于通信,各断路器间隔中保护测控单元、变电站计算机系统、电网控制中心自动化系统得以相互交换信息和信息共享,提高了变电站运行的可靠性,减少了连接电缆和设备数量,实现变电站远方监视和控制。变电站自动化系统通信主要涉及以下几个方面的内容。

(1)各保护测控单元与变电站计算机系统通信。

(2)各保护测控单元之间通信。

(3)变电站自动化系统与电网自动化系统通信。

(4)其他智能化电子设备IED与变电站计算机系统通信。

(5)变电站计算机系统内部间的通信。

2.1 通信的基本概念

通信的基本目的是在信息源和受信者之间交换信息。

(1)信息源,指产生和发送信息的地方。如保护、测控单元。

(2)受信者,指接收和使用信息的地方。如,计算机监控系统、调度中心SCADA系统。 要实现信息源和受信者之间的通信,两者之间必须有信息传输路径。如,电话线、无线电通道等。信息源、受信者和传输路径是通信的三要素。实现和完成通信,需要信息源和受信者合作。如,信息源必须在受信者准备好接收信息时,才能发送信息。受信者一方必须准确知道通信如何开始,何时结束。信息的发送速度必须与好受信者接收信息速度相匹配,否则,可能会造成接收到的信息混乱。除此之外,信息源和受信者之间还必须制定某些规约。约定可能包括:信息源和受信者间的传输是否可以同时还是必须轮流,一次发送的信息总量,信息格式,以及如果出现意外该做什么。在通信过程中,所传输的信息不可避免的会受到干扰和破坏,为了保证信息传输准确、无误,要求有检错和抗干扰措施。

数字通信系统的工作方式按照信息传送的方向和时间,可分为单工通信、半双工通信、全双工通信等三种方式。

单工通信是指消息只能按照一个方向传送的工作方式。

半双工通信是指消息可以双方向传送,但两个方向的传输不能同时进行,只能交替进行。

全双工通信是指通信双方同时进行双方向传送消息的工作方式。

为完成数据通信,两个计算机系统之间必须有一个高度的协调。计算机之间为协调动作而进行的信息交换一般成为计算机通信。类似的,当两个或更多的计算机通过一个通信网相互连接时,计算机站的集合称之为计算机网络。

2.2 通信的传输方式

1 并行数据通信方式

并行数据通信是指数据的各位同时传送,可以用字节为单位(8位数据总线)并行传送,

也可以用字为单位(1 6位数据总线)通过专用或通用的并行接口电路传送,各位数据同时发送,同时接收,其特点如下。

(1)传输速度快。有时可高达每秒几十、几百兆字节。 (2)并行数据传送的软件和通信规约简单。

(3)并行传输需要传输信号线多,成本高,因此只适用于传输距离较短且传输速度较高的场合。在早期的变电站综合自动化系统中,由于受当时通信技术和网络技术的限制,变电站内部通信大多采用并行通信方式,而在综合自动化系统的结构上多采用集中组屏的方式。

2串行数据通信

串行通信是数据一位一位顺序地传送,串行通信有以下特点。

(1)串行通信的最大优点是串行通信数据的各不同位,可以分时使用同一传输线,这样可以节约传输线,减少投资,并且可以简化接线。特别是当位数很多和远距离传送时,其优点更为突出。

(2)串行通信的速度慢,且通信软件相对复杂。因此适合于远距离传输,数据串行传输距离可达数千公里。

在变电站综合自动化系统内部,各种自动装置间或继电保护装置与监控系统间,为了减少连接电缆,简化接线,降低成本,常采用串行通信。

3局域网络通信

局域网络是一种在小区域内使各种数据通信设备互连在一起的通信网络。局部网络可分为两种类型:①局部区域网络,简称局域网(LAN);②计算机交换机(CBX)。局域网是局部网络中最普遍的一种。局域网络为分散式的系统提供通信介质、传输控制和通信功能的手段。

局域网的核心是互连和通信,网络的拓扑结构、传输介质、传输控制和通信方式是局域网的四大要素。

2.3 变电站综合自动化系统通信的任务

变电站综合自动化系统通信包括两个方面的内容:一是变电站内部各部分之间的信息传递,如保护动作信号传递给中央信号系统报警;二是变电站与操作控制中心的信息传递,即远动通信。向控制中心传送变电站的实时信息,如:电压、电流、功率的数值大小、断路器位置状态、事件记录等;接收控制中心的断路器操作控制命令以及查询和其他操作控制命令。

1 综合自动化系统的现场级通信 综合自动化系统的现场级通信,主要解决综合自动化系统内部各子系统与上位机(监控主机)之间的数据通信和信息交换问题,其通信范围是在变电站内部。对于集中组屏的综合自动化系统来说,实际是在主控室内部;对于分散安装的综合自动化系统来说,其通信范围扩大至主控室与子系统的安装地(如断路器屏柜间),通信距离加长了。综合自动化系统现场级的通信方式有并行数据通信、串行数据通信、局域网络和现场总线等。

2 综合自动化系统与上级调度的通信

综合自动化系统必须兼有RTU的全部功能,应能够将所采集的模拟量、断路器状态信息及事件顺序记录等远传至调度端;应能接收调度下达的各种操作、控制、修改定值等命令。即完成新型RTU等全部四遥功能。

3 煤矿供电系统综合自动化系统的分析与设计

3.1煤矿供电系统综合自动化系统的结构

本文通过晋城煤业集团供电公司的机关35KV的供电系统综合自动化进行分析。机关35KV变电站是晋煤集团供电公司所管辖的35KV/6KV变电站。有两回35KV进线,35KV侧采用单母线分段接线,分段断路器备用电源自投的方式,正常工作时,一路运行,一路备用,因此提高了供电的可靠性;两台主变压器,容量为10000KVA,变比为35KV/6KV;6KV侧有18回出线,采用单母线分段的接线形式。

采用单母线分段接线, 用断路器把母线分段后,对重要用户可以从不同母线段引出两个回路,有两个电源供电;当一段母线发生故障,分段断路器自动将故障切除,保证正常段母线不间断供电,这样不致使重要用户停电。

其一次系统主接线如图4-1所示:

电容器补偿I回

宏圣公司

关南变I回

铁运处I回

机厂I回

文化宫I回

备用出线

铁运处II回

铁运处信号楼

北石店

关南变II回

电容器补偿II回

机厂II回

文化宫II回

备用出线

图 4 - 1 机 关 3 5 K V 变 电 站 主 接 线 图

供电系统综合自动化系统主要采用微机保护测控一体化装置代替传统的继电保护装

置和测量装置,因此微机保护测控装置是供电系统综合自动化系统的核心。对于110KV及以上的电压等级,为了保证供电的可靠性常采用二对一的配置原则,即把保护装置和测控装置独立设置,以提高供电可靠性。而对于35KV及以下电压等级的常采用一对一的配置

原则,即保护测控一体化装置,可节省大量的连接电缆,减少设备投资。本机关35KV变电站就采用了这种方式进行配置,而且采用分层分布分散式的结构。

其系统结构如图4-2所示:

图 4-2 系统结构图

系统分为三层,依次为间隔层、通讯层和站控层。

该机关35KV供电系统综合自动化系统主要采用南京南自机电自动化有限公司的PDS-7000系列综合自动化系统。现针对该套系统进行分析。

3.2煤矿供电系统综合自动化系统的间隔层

间隔层设备在站内按间隔分布式配置,可直接下放至开关场,取消了原本大量引入主控室的信号、测量、控制、保护等电力电缆,节省投资。各间隔设备相对独立,仅通过间隔层通信网联接,并同变电站层的设备通信,减少大量的二次接线,提高了系统的可靠性。

间隔层设备主要有:数字式线路保护装置、数字式母线保护装置、数字式变压器保护装置、数字式馈出线保护测控装置、数字式电容器保护测控装置、数字式综合测控装置、数字式备用电源自投装置、数字式电压无功控制装置、数字式故障录波装置、电能质量在线监测装置。

间隔层设备的主要功能是:①对一次设备进行实时数据信息的采集;②对一次设备起保护控制功能;③对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制;④通过通讯网络与站控层进行通信,进行数据的交换。

3.2.1 变压器保护测控装置

本站有两台主变压器,分别采用PDS-721A 数字式变压器差动保护装置,作为变压器的主保护。采用PDS-725A 数字式变压器保护测控装置,作为变压器的高低后备保护。

(1)主要保护功能有:

1)主保护:差动电流速断保护;具有比率特性的差动保护;二次谐波制动原理励磁涌流判别元件;差动保护交流回路 TA 断线检测及 TA 断线闭锁(报警);差动保护电流回路差电流越限延时告警功能;按电流启动风扇;过载闭锁调压;事件记录和故障录波;

2)后备保护:复合电压方向过电流保护;零序电压保护(告警);三相式过负荷保护;分散式母线保护功能;低周保护(带滑差闭锁);操作回路和防跳回路等。

(2)主要测控功能有:

1) 三相电流、三个相电压、三个线电压、有功、无功、功率因数及频率; 2)断路器遥控分合、保护功能压板的投/退、定值修改及定值区的切换; 3) 16路遥信开入、保护装置动作/告警信息; 4) 事件记录和故障录波 (3)主要保护功能说明

1变压器差动保护的基本原理 用环流法构成的两绕组变压器的电流差动保护的原理接线图如图4-3所示。变压器的两侧都装设同极性端子相连的电流互感器,其二次绕组按环流原则相串联,差动继电器接在差流回路上。

正常运行和外部故障时,如图4-3(a)所示,变压器两侧都有电流流过,两个电流互感器的变比若选的合适,则二次电流Ih、Il,大小相等,方向相同,在臂中环流;而在差流

回路中Ih、Il 的方向相反,所以差动继电器中流过的电流为:

Id = Ih – Il ≈0 继电器K不会动作。

当变压器内部发生相间短路时,如图4-3(b)所示,流过电流互感器二次侧的电流大小不相等,即非电源侧的二次电流很小,而电源侧的二次电流很大,差动回路中通过的二次短路电流很大,使得差动继电器K动作。

当变压器接双电源时,如图4-3(c)所示,则两侧电流互感器的二次电流在差动回路中方向相同,继电器流过的电流为两次二次电流之和,

即Id = Ih + Il ,使得差动继电器动作。 2 比率制动式差动保护

比率制动式差动保护的原理就是保护的动作电流,即差动电流值,随着外部短路电流按比率增大,既能保证外部短路不误动,又能保证内部短路有较高的灵敏度。这里的比率指的是差动保护的差动电流与制动电流之比。使制动电流在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用,而在内部故障时,制动作用最小。

比率制动式差动保护具有灵敏度高,保护范围外部故障时制动特性好,加二次谐波制动后有较强的抗励磁涌流能力,因而被广泛用作现代中、大型变压器的主保护。

3 变压器的差动速断保护

一般情况下比率制动原理的差动保护作为电力变压器的主保护,但在严重内部故障时,短路电流很大的情况下,电流互感器的二次侧基波电流为零,高次谐波分量大,比率制动原理的差动保护无法反应区内短路的故障,影响了比率差动保护的快速动作,变压器比率制动原理的差动保护还需配有差动速断保护,作为辅助保护以加快保护内部严重故障时的动作速度。

差动速断保护是差动电流过电流瞬时速动保护。当变压器任一相差电流大于差动速断保护定值,保护瞬时动作,用于快速切除变压器内部严重故障。差动速断定值按躲过外部故障时最大不平衡电流和励磁涌流来整定。

4 电流互感器TA断线监视 在运行中电流互感器某相断线,断线相的二次电流为零,差动回路中差动电流不为零,也可能引起差动保护误动作。需要进行电流互感器的断线监测和监视。

当三相电流之和不为零,且有一相电流为零,另两相电流小于最大过负荷电流时判定为CT断线。当检测出电流互感器断线后,发出告警信号,用户可根据实际情况由控制字选择是否闭锁差动保护。

5 瓦斯保护

油浸式电力变压器的油箱内发生短路故障时,短路点的电弧极易使变压器油和绝缘材料产生大量气体,瓦斯保护就是反应油箱内部气体和油位变化的一种气体继电器。它被安装在油箱与油枕联通的导油管中,当油箱内大量气体流经气体继电器时,它的挡板转动而使一对动静触点闭合,并接通断路器的跳闸回路,使其跳闸,这适于重瓦斯保护。当电力变压器长时间过负荷运行时,绕组过热而产生的气体会使另一对轻瓦斯保护触点闭合,并动作于信号。当油箱漏油而使油位降至一定值时,轻瓦斯也会动作于信号。

6复合电压闭锁过电流保护 复合电压闭锁过电流保护,是在过电流保护的基础上,加上一个复合电压闭锁元件(由

正序低电压和负序过电压组成)构成的保护。只有在电流测量元件及电压起动元件均动作时,保护装置才能动作于跳闸。

微机保护中复合电压闭锁元件靠软件来实现,不增加任何硬件,在一般变压器即使是35KV,容量不是很大的变压器后备保护中,都配置复合电压闭锁过流保护。

7变压器过负荷保护

变压器过负荷保护一般仅取一相电流,I段用于发警告信号,II段用于启动风扇冷却器,III段用于闭锁有载调压。

8变压器零序保护

变压器的零序电流保护、变压器间隙电流保护与变压器零序电压保护一起构成了反应零序故障分量的变压器零序保护,是变压器后备保护中的重要组成部分,同时也是整个电网接地保护中不可分割的一部分。

3.2.2 线路的保护测控装置

本站高压35KV侧采用PDS-741A 数字式线路保护测控装置作为对各段线路、馈线或母线的保护和测控。在低压侧即6KV侧采用PDS-761A 数字式线路保护测控装置作为对厂用电系统的馈线、分支或母线分段保护和测控,装置自带操作回路。

(1)主要保护功能:

电流速断保护 (低电压闭锁或经方向闭锁电流 I 段);定时限过电流保护 (低电压闭锁或经方向闭锁电流 II 段);定时限或反时限过电流保护 (低电压闭锁或经方向闭锁电流 III 段); 零序过流保护;一次/二次重合闸功能 (带检同期或检无压);后加速保护(手合、重合加速);低周/低压保护(带滑差闭锁);过负荷保护(可选择跳闸或告警);模糊数字模型的小电流接地选线功能;分散式母线保护功能;TV 断线检测;操作回路和防跳回路;事件记录和故障录波。

(2)主要测控功能:

1)遥信:16 路外部硬遥信开入、装置内部遥信、事件遥信及遥信 SOE。 2)保护事件报文。

3)遥控:断路器遥控分、合及接地探索分、合。 4)遥测:三相测量电流、P、Q、cosφ。 5)遥脉:4 路脉冲量输入上送。 6)保护压板远方投/退。 7)保护定值远方查看、修改及定值区切换。 (3)主要保护功能说明 1无时限电流速断保护

保护的动作电流是按躲过被保护输电线路末端最大短路电流来整定,没有时限元件,在被保护范围内短路故障将瞬时动作于跳闸。这种保护的主要缺点是,不能保护线路的全长,只能保护本线路的一部分,且保护范围不固定,随着电力系统的运行方式的变化而变化。它的最大优点就是无时限瞬时动作。

2 带时限电流速段保护

由于无时限电流速断保护不能保护本线路的全长,因此必须增设一套新的保护,用来切除本线路电流速断保护范围以外的故障,作为无时限速断保护的后备保护,这就是带时限电流速断保护。

为了保护本线路全长,限时电流速断保护的保护范围必须延伸到下一条线路去,这样当下一条线路出口短路时,它就能切除故障。

为了保证选择性,必须使限时电流速断保护的动作带有一定的时限。

为了保证速动性,时限尽量缩短。时限的大小与延伸的范围有关,为使时限较小,使限时电流速断的保护范围不超出下一条线路无时限电流速断保护的范围。因而动作时限t''比下一条线路的速断保护时限t'高出一个时间阶段Δt。

3 定时限过电流保护

过电流保护通常是指其动作电流按躲过最大负荷电流来整定,而时限按阶梯性原则来整定的一种电流保护。

在系统正常运行时它不起动,而在电网发生故障时,则能反应电流的增大而动作,它不仅能保护本线路的全长,而且也能保护下一条线路的全长。作为本线路主保护拒动的近后备保护,也作为下一条线路保护和断路器拒动的远后备保护。

定时限过电流结构简单,工作可靠,对单侧电源的放射型电网能保证有选择性的动作。不仅能作本线路的近后备(有时作主保护),而且能作为下一条线路的远后备。一般在 35KV及以下网络中作为主保护。定时限过电流保护的主要缺点是越靠近电源端其动作时限越大,对靠近电源端的故障不能快速切除。

4 方向性电流保护

在单侧电源网络中,各个电流保护线路靠近电源的一侧,在发生故障时,它们都是在短路功率的方向从母线流向线路的情况下,有选择性地动作,但在双侧电源网络中,如只装过电流保护是不能满足选择性要求。

为了消除双侧电源网络中保护无选择性的动作,就需要在可能误动的保护上加设一个功率方向闭锁元件。该元件当短路功率由母线向线路时(即内部故障时)动作;当短路功率由线路流向母线时(即可发生误动时)不动作。从而使继电保护具有一定的方向性。

5 零序电流保护

在大接地电流系统中的零序电流保护,是利用中性点直接接地电网中发生接地故障时出现零序电流的特点而构成。在单电源辐射形网络中,常常采用无方向的三段式零序电流保护作为接地故障的主保护及后备保护。通常三段式零序电流保护从构成上看与三段式相间电流保护相类似,其主要区别在于零序电流保护的测量元件(电流继电器)接入的电流量性质是零序电流。

6 自动重合闸

在电力系统的各种故障中,输电线路发生故障的几率是最多的,约占系统总故障的90%,因此,提高输电线路的可靠性具有重要的意义。

输电线路发生故障时大多都是瞬时性故障,占线路总故障的80%~90%,瞬时性故障就是在出现故障后,线路的继电保护快速动作,使相应的断路器迅速跳闸,短路点的电弧立即熄灭,周围介质绝缘强度迅速恢复,故障将自行消失。

若输电线路采用自动化重合闸装置,将保护切除的线路重新投入运行,从而提高线路

的供电可靠性。

自动重合闸(ZCH)装置是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置。 (1)三相一次自动重合闸就是在输电线路上发生任何故障,继电保护装置将三相断路器断开时,自动重合闸起动,经0.5~1s的延时,发出重合脉冲,将三相断路器一起合上。若为瞬时性故障,则重合成功,线路继续运行;若为永久性故障,则继电保护再次动作将三相断路器断开,不再重合。

(2)自动重合闸前加速

当线路发生故障时,继电保护加速电流保护的第III段,造成无选择性瞬时切除故障,然后重合闸进行一次重合。若重合于瞬时性故障,则线路就恢复了供电。若重合于永久性故障,则保护带时限有选择性地切除故障。

采用前加速保护的优点:

1)能快速地切除瞬时性故障。

2)使瞬时性故障不至于发展成永久性故障.从而提高重合闸的成功率。 3)使用设备少,只需装设一套重合闸装置,简单、经济。 (3)自动重合闸后加速

就是当线路发生故障时,首先保护有选择性动作切除故障,重合闸进行一次重合。若重合于瞬时性故障,则线路恢复供电;如果重合于永久性故障上,则保护装置加速动作,瞬时切除故障。

后加速保护的的优点:

1)第一次有选择性的切除故障,不会扩大停电范围。 2)保证永久性故障能瞬时切除,并仍然是有选择性的。

3)和前加速保护相比,使用中不受网络结构和负荷条件的限制。

3.2.3 电容器保护测控装置

电容器内部故障时,内部电流增大,致使内部气体压力增大,轻者发生漏油或“凸肚”现象,重者会引起爆炸。电力电容器保护需反映电容器组内部击穿与短路,及时切除故障,防止故障扩大。

外部短路故障时,使电容器失压,但在电荷尚未释放时,可能在恢复供电时再次充电使电容器过电压;;另一种情况是恢复供电时,变压器与电容器同时投入,容易引起操作过电压和谐振过电压,使电容器过电压。

系统异常是指系统电压过高或过低,可能危及电容器的安全运行。引起系统电压过高的原因有操作 谐振引起过电压及雷电波的入侵等。因电容器内部功耗与电压平方成正比,过电压时电容器因内部功耗增大使温升显著升高,将进一步损坏电容器内部绝缘介质。

本站在低压侧即6KV侧的两段母线上,分别装设PDS-763A 数字式电容器保护装置,主要适用于 10kV 及以下各种电压等级的中性点不接地或经电阻接地系统并联电容器的保护和测控。装置自带操作回路。

(1)主要保护功能:

电流速断保护 (电流 I 段);定时限或反时限过电流保护 (电流 II 段);零序过流保护;

过电压保护;欠电压保护;单元件的不平衡电压保护;自动投切功能;分散式母线保护功能;TV 断线检测;非电量保护;操作回路和防跳回路;事件记录和故障录波

(2)主要测控功能

1)遥信:8 路外部硬遥信开入、装置内部遥信、事件遥信及遥信 SOE 2)保护事件报文

3)遥控:断路器遥控分、合及接地探索分、合 4)遥测:三相测量电流、P、Q、cosφ 5)遥脉:1 路脉冲量输入上送 6)保护压板远方投/退

7)保护定值远方查看、修改及定值区切换。

3.2.4 备用电源自投装置

本站采用了PDS-731A数字式备用电源自投装置,主要适用于110kV及以下各种电压等级系统的备用电源自投。装置自带母联测量回路。

装置同时设有自适应压板,投入该压板后,装置能根据运行方式的变化自动切换定值区以选择不同的备自投方式。若此压板不投,用户可根据运行方式的变化,通过切换定值区的方式选择不同的备自投方式,某种方式的备自投动作一次后由于备自投放电而自动退出,直至运行方式恢复后下次充电完成才能投入。

(1)备自投功能

母联/桥开关备自投;线路备自投;变压器备自投;备自投过负荷联切;备自投自适应功能;TV 断线检测;事件记录和故障录波

(2)测控功能

1)遥信:16 路外部硬遥信开入、装置内部遥信、事件遥信及遥信 SOE 2)保护事件报文

3)遥测:母联三相测量电流、P、Q、cosφ 4)遥脉:4 路脉冲量输入上送 5)保护压板远方投/退

6)保护定值远方查看、修改及定值区切换。

备用电源自投是保证电力系统连续可靠供电的重要措施,它已成为变电站综合自动化系统的基本功能之一。

备用电源自投装置是当电力系统故障或其他原因使工作电源被断开后,能迅速将备用电源或备用设备或其他正常工作的电源自动投入工作,使原来工作电源被断开的用户能迅速恢复供电的一种自动控制装置。

备用电源自投装置主要用于110KV 以下的中低压配电系统中,其接线方案主要有如下两种形式:

(1) 明备用接线

该方式的主接线如图4-4所示:

TV1

TV2图 4 -4 进 线 备 自 投

方式1:当进线XL1带I段、II段运行,即1QF、3QF在合位,2QF在分位时,进线XL2为备用电源。

方式2:当进线XL2带I段、II段运行,即2QF、3QF在合位,1QF在分位时,进线XL1为备用电源。这两种方式也称为进线备自投。

(2)暗备用接线

其主接线形式如图4-5所示:

TV1

TV2

图 4 - 5 高 低 压 分 段 断 路 器 备 自 投

暗备用接线又有两种方式:

1)高压分段断路器3QF断开:正常运行时,进线XL1、XL2同时对两段高压母线供电。当有一路进线故障被切除后,如进线XL1故障,则1QF断开,高压分段断路器3QF自动合上,转为由进线XL2对两段母线供电。

2)低压分段断路器6QF断开:正常运行时,两台主变压器同时对两段低压母线供电。当有一台变压器故障被切除后,备用电源自投装置发出控制命令,使低压侧分段短路器6QF合上,保证低压侧两段母线的负荷的正常供电。

传统的备用电源自投装置是晶体管式或电磁式的自动控制装置,这些老式的装置不仅体积大、功能单一,且可靠性不高。随着微机技术、网络技术和通信技术的迅猛发展,微机型的备用电源自投装置已取代了常规的自动装置。

微机型的备用电源自投装置有以下几个特点:

1)综合功能比较齐全,适应面广。以上的几种备自投控制方式,如果采用传统的装置,则需要安装几套,不仅体积大,成本也高。但是采用微机型备自投后,则可以用一套装置就可以实现高压分段断路器备自投,解决高压进线故障造成的失电问题,又能实现低压分段断路器备自投,解决主变压器的故障造成的失电问题。对于一回进线为明备用的情况,还可以实现进线断路器自投控制,如图4-6所示,可以适应变电站的各种运行方式。

备自投 )(

TV1

备自投 )(TV2图 4 - 6 微 机 型 备 自 投

2)具有串行通信的功能。通信技术的迅猛为新设计的备用电源自投装置具有串行通信的功能提供了极为方便的条件。因此备用电源自投装置可以像其他微机保护装置一样,方

便的与综合自动化系统接口。

3)体积小,性能价格比高。随着大规模集成电路技术的不断发展,微处理器和单片机价格的不断下降,这个特点越来越明显。

4)故障自诊断能力强,可靠性高。微机型的备用电源自投装置像其他微机保护装置一样,具有许多明显的优点,其动作判据主要决定于软件,工作性能稳定,装置本身具有强的故障自诊断功能,便于维护和检修。

3.2.5 电压、无功综合控制装置

电压是衡量电能质量的一个重要指标,保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一,如果电压偏额较大时,将对用户的正常工作带来不利影响,使电网网损增大,甚至危及系统运行的稳定性。

造成电压质量的下降,主要是由于系统无功功率不足或无功功率分布不合理,所以电压的调整问题就成了无功功率的补偿与分布问题。

变电站的调压手段一般采用有载调压变压器和补偿电容器。利用有载调压变压器分接头进行调压时,本身不产生无功功率,在整个系统无功不足的情况下不能用这种方法提高电压水平;利用补偿电容器进行调压,本身可产生无功功率,但在系统无功充足而由于无功分布不合理时,此种方式也不能采用。因此,若将两种方式结合起来可达到良好的效果,这就是电压、无功的综合控制。

电压无功的综合控制,就是在变电站中利用有载调压变压器和并联电容器组,根据运行情况进行变电站的电压和无功的自动调整,以保证负荷侧母线电压在规定范围之内,而且使进线功率因数尽可能的高。

本站采用了PDS-732 系列数字式电压无功控制装置,适用于电力系统中 35kV 至 220kV 各类变电站,根据电网实际运行需要,对有载调压变压器分接头的调节以及并联电容器的投、切进行综合自动控制。

主要功能是电压无功控制:以主变中压侧和低压侧电压作为控制目标,同时兼顾高压侧电压,分别将电压控制在各自允许的范围内,充分利用低压侧电容器的补偿作用,将进线的无功功率或功率因数控制在设定范围内。

3.2.6 小电流接地选线装置

我国电力系统的中性点运行方式主要有三种:中性点直接接地,中性点不接地和中性点经消弧线圈接地。根据系统中发生单相接地故障时接地电流的大小划分,其第一种又称为大电流接地系统,后两种为小电流接地系统。

我国3~35KV电网,普遍采用小电流接地系统,即中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。当小电流接地系统中发生单相接地时,故障电流很小,对供电设备不至于造成很大的危害,此时,故障相电压降低几乎为零,非故障相电压升高,最大为线电压,线电压仍然保持对称,这时允许电网继续运行一段时间,不影响正常供电。但是如果不对其进行及时的处理,则有可能发展成为两相接地短路故障,就危及到电网的安全运行,正确及时的找出故障相对提高供电可靠性有很重要点意义。

变电站自动化系统对小电流接地选线功能采用了分散采样集中判别的方法,在间隔层

保护测控单元中均设置有采集零序电压和零序电流的模块,在系统单相接地时启动计算零序电压和零序电流相量和幅值,上送至变电站层, 经过综合比较各线路的零序功率方向和零序电流值,来判断哪条线路真正接地,因此可以及时找出故障相,对其进行处理。

本站所采用的小电流接地选线装置,是我们中国矿业大学智能电器研究所自主研发、开发、生产的产品WLD-6型小电流接地选线装置。其选线准确,性能优良。

WLD-6型小电流接地选线装置与FLH0-2型零序电流互感器配套使用。适用于6-10KV电网中性点不接地、中性点经消弧线圈并(串)电阻接地、中性点经电阻接地三种小电流接地系统。

小电流接地选线装置有以下的功能特点:

1)装置能同时监测两段(或一段)母线、32路出线,装置输出具有声光报警、时钟指示、打印功能。

2)适用范围广:适用于不接地系统,消弧线圈接地系统,电阻接地系统;长短线路不限,并联运行的出线数不限。

3)具有根据电网母线分列、并列运行情况的自动判断、互感器自检、手动或自动复位等功能。

4)采用大屏幕液晶汉字显示,轻触键盘菜单操作,维护工作量小。

5)选线原理独特、先进,选线准确,动作速度快。

6)具有接地故障起始时刻及故障累计时间记录功能;故障追忆等功能。

7)具有RS232、RS485串行通信接口,便于接入变电站综合自动化系统。

8)装置采用标准19英寸4U机箱,可方便地与其它变电站综合自动化设备一起在主控室组屏安装。

3.2.7 低频减载装置

频率是衡量电能质量的重要指标,当电网发生短路故障、大型机组突然切除或用电负荷突然大幅度增加时,电网频率将急剧下降,致使大量用电设备不能正常运行,甚至造成电力系统崩溃,危害相当严重。当系统发生有功功率缺额的事故时,需迅速的断开部分负荷,减小系统的有功功率缺额,使系统频率维持在正常水平或允许范围内。

本站采用PDS-737低频减载装置。本装置设置独立的低频减载压板。系统有功功率缺额较大会引起系统频率下降,这时需由低频减载切除次要负荷,保证重要负荷的供电可靠性。

低频减载装置的任务就是在系统发生故障,有功功率严重缺额,需要切除部分负荷时,尽可能做到有次序、有计划的切除负荷,并保持所切负荷的数量合适,以尽量减少切除负荷后造成的经济损失。

低频减载一般配有低电压闭锁,低电流闭锁,滑差闭锁方式等,其中带滑差闭锁方式比较常用。利用从闭锁级频率下降至动作级频率的变化速度△f/△t是否超过某一数值来判断是系统功率缺额引起的频率下降,决定是否进行闭锁以躲过短路的影响,装置需带一定的延时。

3.3 煤矿供电系统综合自动化系统的通讯层

通讯层设备主要有:

通信服务器、通讯管理装置、规约转换装置、智能网关、网络交换机。

所有的保护及测控设备均采用双CAN网接入通讯管理机,通讯管理机至计算机监控系统采用以太网方式通讯,可以采用单网或双网配置。

3.3.1现场总线

在煤矿变电站综合自动化系统中,通常采用RS232C和RS485通信接口实现多个设备之间的互联,但是连接的节点数一般不超过32个,在较大的变电站中,将不满足综合自动化系统的要求。因此,在国际上就提出了一种现场总线,并制定了相应的标准。

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 。

现场总线是基于微机化的智能现场仪表,实现现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散式、全数字化、智能、双向、多点、多站的通信网络,它按国际标准化组织ISO和开放系统互联OSI提供了网络服务,可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、造价低、维护成本低等特点。

现场总线的功能是提供现场设备间、设备与控制器间的数据交互,并向上层网络提供生产现场的参数,以满足工业生产中实时控制的任务。

本设计中的间隔层设备采用双CAN网现场总线。所有的保护测控设备均采用双CAN网接入通讯控制器。现场总线采用短帧结构,传输时间短,不易受干扰;有较强的自检及纠错措施,保证了间隔层数据传输的实时性和可靠性。

CAN总线是一种具有国际标准而且性能价格比又较高的现场总线,它在当今自动控制领域的发展中发挥着重要的作用。

CAN总线是一种多主总线,即每一个节点机构都可成为主机,且节点之间也可进行通信,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤;CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能;CAN协议采用了CRC校验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性。

CAN总线具有的优越性能、极高的可靠性,特别适合工业设备测控单元的互连,因此受到工业界的重视,并已公认为最有前途的现场总线之一。

变电站采用现场总线后,使综合自动化设备具备以下的优势:

(1)互操作性好。具有现场总线接口的设备不仅在硬件上标准化,而且在软件上也标准化,现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作,这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品,集成在一起,避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制。

(2)现场总线的通信网络为开放式网络。以前采用不同厂家的产品,要实现设备的互联很难,现在采用现场总线以后,由于是开放式互联网络,既可以与同层网络互联,也可与不同层网络互联,还可以实现网络数据库的共享。这就给综合自动化系统带来了更大的适应性。

(3)成本降低。现场总线采用全数字化通信,控制功能也下放到现场,因此由现场总线

设备组成的综合自动化系统,减少了占地面积,简化控制系统内部的连接,可节约大量连接电缆,大大降低了成本。

(4)安装、维护、使用方便。采用现场总线接口技术,就不需要很多的控制电缆连接各控制设备,只需将各个设备挂在总线上,因此减少了连接电缆,使得安装方便,抗干扰能力强。

3.3.2通讯控制器

通讯控制器是变电站综合自动化系统的神经中枢,其功能是进行数据集中处理和保护管理,担负着上传下达的重要任务,对下它可以管理间隔层的各种保护测控装置,主要为变压器、线路和电容器的保护测控装置和各种自动控制装置等,它负责收集各种装置所采集到的数据并发出控制命令,起到数据集中的作用;对上则通过局域网,现常采用以太网,与站控层建立联系,将数据传送给监控主机或调度控制中心,起到数据处理作用。它是间隔层和站控层通信的桥梁。

通讯控制器与各部分的通信如下:

(1)与各保护测控装置的通信

通讯控制器与各保护测控装置的通信数据量大,要求周期性更新,实时性要求高。通信控制器通过现场总线与各保护测控装置相连,通信介质可采用双绞线或光缆等。通信控制方式,因为采用了现场总线一般为查询和主动上送的混合传输方式,大大提高了信息实时响应的时间。

与保护测控装置通信的主要内容有:1)遥信,如断路器、隔离开关、有载调压变压器分接头位置等;2)遥测,如电压U、电流I、有功功率P、无功功率Q、功率因数、频率f 及主变油温等;3)保护动作信息;4)整定值修改;5)自诊断信息;6)遥控、遥调命令等。

(2)与自动装置间的通信

自动装置包括有备用电源自投、小电流接地选线、电压无功综合控制等。

(3)与监控主机的通信

与监控主机通信量尤其大,保护各测控保护装置及自动控制装置等的所有数据信息,实时性和可靠性要求也相应提高。

(4)与调度中心的通信

采用变电站综合自动化系统后,为电网调度自动化系统对变电站进行监测和控制提供了更为丰富的信息和新的功能,如保护定值的修改及远传,故障状态下的电气参数等。

通信控制器是变电站综合自动化系统中的关键部分,其可靠性、稳定性和实时性均要求比较高。通信控制器不仅需要同数十个保护测控装置、自动控制装置等进行高速通信,而且还要和监控主机以及远方调度中心进行通信。为保证通信控制器的可靠稳定工作,其电源应采用不间断电源UPS供电,且输入处应加装电源滤波器,同时还要有良好的接地。

3.3.3以太网

现场总线的应用部分地缓解了变电站综合自动化系统对通信的需求,但在系统容量较大时仍有不足之处,以太网的应用,使得通讯问题得到更进一步的解决。

变电站综合自动化系统的传输网络和传输规约,是实现变电站自动化的关键。目前,在各大公司推出的变电站综合自动化系统中,采用的通信协议多种多样,有的公司用Lonworks总线实现了系统内部的通信,有的公司用CAN总线作为通信平台,在有些系统中,还存在多种协议并存的现象。由于设备的通信接口是固定的,具有Lonworks通信接口的设备只能和具有同类通信接口的设备进行通信,而不能和诸如CAN总线等其他现场总线的设备进行通信,这就造成了一个系统中只能选择一个厂家的设备,而不能在多家厂商的设备中进行选择,从而影响了用户对系统集成灵活性的要求。可行的解决方案是:将工业以太网技术引入变电站通信网络。以太网是目前世界上应用最广的局域网技术,90%以上的计算机都采用以太网通信。随着集成电路技术的发展,以太网通信控制器可以做在CPU芯片里了,这就使得现场智能设备应用以太网通信成为可能。由于以太网已经成为事实上的工业标准,各大厂商都开发了基于以太网通信的设备,因此,设备的互联互通已不成问题,既可以灵活的进行系统集成,又便于操作人员的运行维护。

站控层设备采用以太网技术。以太网传输速率高,采用TCP/IP协议,保证了通信的快速性、开放性。

以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准,组建于七十年代早期。Ethernet(以太网)是一种传输速率为10Mbps的常用局域网(LAN)标准。在以太网中,所有计算机被连接一条同轴电缆上,采用具有冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)方法,采用竞争机制和总线拓朴结构。

基本上,以太网由共享传输媒体,如双绞线电缆或同轴电缆和多端口集线器、网桥或交换机构成。在星型或总线型配置结构中,集线器/交换机/网桥通过电缆使得计算机、打印机和工作站彼此之间相互连接。

共享媒体和电缆:10BaseT(双绞线),10Base-2(同轴细缆),10Base-5(同轴粗缆)。 转发器或集线器:集线器或转发器是用来接收网络设备上的大量以太网连接的一类设备。通过某个连接的接收双方获得的数据被重新使用并发送到传输双方中所有连接设备上,以获得传输型设备。

网桥:网桥属于第二层设备,负责将网络划分为独立的冲突域或分段,达到能在同一个域/分段中维持广播及共享的目标。网桥中包括一份涵盖所有分段和转发帧的表格,以确保分段内及其周围的通信行为正常进行。

交换机:交换机,与网桥相同,也属于第二层设备,且是一种多端口设备。交换机所支持的功能类似于网桥,但它比网桥更具有的优势是,它可以临时将任意两个端口连接在一起。交换机包括一个交换矩阵,通过它可以迅速连接端口或解除端口连接。与集线器不同,交换机只转发从一个端口到其它连接目标节点且不包含广播的端口的帧。

3.4 煤矿供电系统综合自动化系统的站控层

站控层设备采用分布式、开放式的设计,组态完成站内监控功能,全面提供设备状态监视及控制、保护信息记录与分析等功能。系统利用通信网络来实现变电站内信息的共享,网络通信将间隔层设备的所有信息上传给变电站层设备,并将变电站层设备的命令转发给间隔层设备。变电站层设备可采用多种配置模式,既保证了系统整体的可靠性,也使得功能配置更灵活、合理。

站控层的设备主要有:

服务器、操作员站、工程师站、不间断电源(UPS)、卫星对时装置(GPS)

站控层的主要任务是:①通过两层网络,现场总线和以太网,汇总全站的实时数据信息,不断刷新实时数据库,按时登录历史数据库;②按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心;③接收调度或控制中心有关控制命令并经通讯层传达到间隔层,对一次设备进行控制操作;④具有站内当地监控,人机联系功能,如显示、操作、打印、报警,以及图像和声音等多媒体功能;⑤对间隔层、一次设备的在线维护、在线组态,在线修改定值的功能;⑥具有变电站故障自动分析和操作培训功能等。

4 煤矿供电系统综合自动化系统的发展前景

供电系统综合自动化系统,国内外均是向完全分散式系统发展,完全分散式的实现依托于如今飞速发展的计算机及网络技术,特别是现场总线技术。

目前变电站自动化系统中,面向对象技术已成为一个十分流行的趋势,即不单纯考虑某一个量,而是为某一个设备配备完备的保护和监控功能装置,以完成特定的功能,从而保证系统的分布式开放系性。

典型的变电站综合自动化系统,分为三个层次。由下至上依次为间隔层,通讯层和站控层。间隔层的综合设备,把模拟量、开关量数字化,实现保护功能,上送测量和保护信息,接收控制命令和定值参数,是系统与一次设备的接口;通讯层为站内通信网,它的任务是搜集各综合设备的上传信息,下达控制命令及定值参数等,是信息流动的动脉;站控层是变电站的监控及通信系统,它的任务是与站内通信网相连,使全站数据进入数据库,并根据需要向上送往调度中心及控制中心,实现远方通信功能, 同时,通过人机界面、数据处理能力,实现监控功能,是系统与运行人员的接口。其中各间隔层与站控层所有的控制指令、数据传送、信息交换等都是通过计算机数字通信实现的,这就对承担数字通信的物理介质的可靠性、实时性提出了非常高的要求。因此在变电站自动化向分散式系统发展时,采用计算机网络的优点来代替传统串口通信成为一种趋势。

变电站综合自动化系统的研究方向主要体现在以下几方面:

(1)保护测控一体化

这种方式在35kV及以下的电压等级中已普遍采用,今后在110kV及以上的线路间隔和主变三侧中采用此方式已是大势所趋.它的好处是高度地功能按一次单元集中化,以利于稳定信息采集和设备状态控制,极大地提高了性能效率比.其目前的缺点也是显而易见的:此种装置的运行可靠性必须极高,否则任何形式的检修维护都将迫使一次设备的停役.这也是目前110kV及以上的电压等级还采用保护和监控分离设置的原因之一.随着技术的发展,冗余性,在线维护性设计的出现,将使保护监控一体化成为必然.

(2)智能一次设备

从技术的发展趋势看,将来的测控设备还将和一次设备完全融合,实现所谓的智能一次设备,每个对象均会有保护、监控、计费、操作、闭锁等一系列功能及信息库,面向自动化的仅是一对通信双绞线,该双绞线以网络方式与计算机相连。变电站内不再有规模庞大的测控屏以及大量连接信号源和测控屏之间的铜芯电缆,全部测控装置就地设置,实现所有功能,而在控制室,取而代之的是一个计算机显示器甚至为一台临时监视、操作使用的便携机。

除了常规的电流电压,有功,无功,开关状态等信息采集外,对一些设备的在线状态检测,如主变的油位,开关的气体压力等等,都将紧密结合一次设备的传感器,直接采集到监控系统的实时数据库中.控制操作也不局限于开关和闸刀的分合,如门锁的开启,清洁系统的开启等等也将纳入控制范围.高技术的智能化开关,光电式电流电压互感器的应用,必将给数据采集控制系统带来全新的模式。

(3)高集成化、数字化、标准统一化

随着集成电路和计算机技术的飞速发展,各种新型的大规模集成电路将会进一步应用在继电保护和测控装置上,如32位CPU、数字信号处理芯片DSP、高速数据采集系统、

嵌入式实时操作系统、大容量Flash、可编程逻辑器件CPLD、FPGA等。这些新器件的应用将使保护和测控装置的电路板更加小型集成化,装置通信、数据存储及处理能力更强。将间隔的控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能,通过模块化设计集成在一个统一的多功能数字装置内是可行的,间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信可统一用一层网即光纤以太网来实现。高集成化系统的发展,无疑能降低成本,提高系统可靠性,有利于实现统一的运行管理。

变电站自动化系统最终向数字化发展,指的是智能化电气的发展,如智能开关设备、光电式电压和电流互感器、智能电子装置(IED)等的出现,使变电站自动化技术进入了数字化阶段。智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路逐渐取代传统的一次回路, 使站控层、通讯层、间隔层最终用网络联接起来,并实现统一的通信标准。

总之,变电站自动化技术是伴随着现代科技技术发展,尤其是网络技术、计算机软、硬件技术及超大规模集成电路技术的发展而不断进步, 自动化系统以按对象设计的全分层分布分散式,向二次设备功能集成化,一次设备智能数字化方向发展;运行管理向各专业协调统一和站内无人值班模式发展。同时经济性和可靠性也是变电站自动化技术发展所要考虑的实际问题。IEC61850标准的实施应用,电能质量监测管理,一次设备的在线监测,网络安全技术,数字式视频图像监控技术,基于同步相量测量装置的电力系统实时动态监测, 以及如何融入变电站自动化系统, 都是变电站自动化技术发展所要研究的课题。

结 论

本文以晋煤集团供电公司机关35KV变电站为设计依据,设计了煤矿供电系统的综合自动化系统。首先分析了当前变电站综合自动化系统的发展现状,之后,依据机关35KV变电站实现综合自动化系统,该系统按分层分布分散式结构设计,分为三层,间隔层、通讯层和站控层。具体分析了间隔层的各种保护测控一体化装置所实现的功能。简要分析了通讯层所采用的双层网络,现场总线和以太网,站控层所采用的设备和站控层的基本任务。最后对于煤矿供电系统的综合自动化系统的未来发展进行展望。该综合自动化系统已经成功投入运行,运行至今状况良好,实现了综合自动化所应有的功能。

虽然本设计并没有什么新的成果,但是我在整个设计的过程中,查阅了大量的书籍,搜集了大量的网络资料,通过阅读学习这些资料,使我对变电站综合自动化系统有了更深的理解,这对我来说将是一个很好的基础,我想有了这次的经历,在我以后的人生道路上都会起到很大的作用,本次设计锻炼了我查阅资料的能力,自我学习的能力,独立分析与总结问题的能力。

总之,这次的设计使我在很多方面都得到了锻炼,为今后的工作奠定了坚实的基础。

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[36] PDS-7000变电站综合自动化系统.技术说明书.http:// nzjd.com.cn

致 谢

首先,要真诚的感谢我的导师张国才,本次设计的指导工作,都是在张老师繁忙的工作时间里抽出时间来给予我细心的指导,每一次的指导,张老师都引导我走向更高更远的一步。张老师严谨的教学态度,要求我从最基本的知识入手,做任何事都要一步一个脚印,踏踏实实的走下去,这样地基才是最坚固的, 我将永远牢记心中!再次表示衷心的感谢! 其次,要感谢图书馆管理员的敬业精神,一切方便于大家,为大家服务。在我想找而找不到着急的时候,这时,管理员为我提供查找线索,并帮助我找到为止。

冯二帆

2010 -08 -02


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