变电站综合自动化系统中监控和五防整体解决方案

变电站综合自动化系统中监控和五防整体解决方案

1 前言

广州石化分公司现有装机容量224Mw,年发电量11亿kw.h，目前拥有220kV总变电站1座，110kV变电站5座。在2006年以前电气采用传统的控制保护系统，2006年在加氢联合装置变电所采用具有遥测、遥信和遥视功能的监控系统，2007年在220kV总变电站和CFB 发电机组与变电站采用了具有遥测、遥控、遥调和遥视与远动（调度）功能并与微机防误（五防）系统嵌套的综合自动化系统。以上系统运行至今状况良好，达到了设计的性能和目的。

2 变电站综合自动化系统概述

变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通讯技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输配电线路的自动监视、测量、运行控制和保护，以及与调度通讯等综合性的自动化功能。

广州石化分公司变电站综合自动化系统采用网络化设计思想,集监视、控制（含五防系统）、继电保护、计量等功能于一体，在稳定性、实时性、网络化、现场总线技术运用、监控系统面向对象技术等方面具有较优越的功能。整个综合自动化系统采用分层分布式系统结构与按间隔设计的原则，站控层主要设备采用基于双以太网、双监控的双重化设计，从而在系统级有效地保证了很高的可靠性；间隔层按设备间隔布置，除10/6kV采用间隔保护与测控一体化以外，35kV及以上系统采用测控装置按间隔布置，而保护装置完全独立，维护与扩展极为方便。为了达到控制操作的安全性，将微机防误（五防）系统嵌套在综合自动化系统中，实现无缝对接和相互闭锁。这种完全分层分布式系统结构，提高了整个系统的可靠性，使系统具有很大的灵活性和可扩展性，符合国际和国内变电站综合自动化系统的发展趋势。

3 变电站监控系统的应用

3.1选用原则

3.1.1可靠性

系统选用成熟稳定的软、硬件平台和开发工具，采用标准化、通用化、模块化结构，在编程过程中采用面向对象技术、成熟的算法和软件容错技术，系统的可靠性高。

3.1.2开放性

采用开放式、网络化的分层分布式结构，具有良好的开放性能，可与各种微机保护、直流系统、励磁系统、自动准同期装置等智能设备通信接口。

3.1.3实时性

在硬件选择和软件设计上充分保证系统的实时性及抗干扰能力。采用ActiveX控件技术，只需传送少量的变化数据即可，使得系统数据传输量大大减少，数据实时刷新率高。

3.1.4维护、升级性

系统采用模块化设计，便于系统的维护和升级。可配置从单节点到多节点不同规模的网络,在站控层构成的各工作站之间实现资料共享,还可以实现对系统的远程诊断、维护。

3.1.5安全性

系统分配管理权限，确保不被非法用户访问或破坏；设置防火墙，增强内部网络的保密性；对数据加密，确保数据在传输和存储过程中不会造成数据被载移、解读、变易和破坏。

3.2系统结构

系统采用分层分布、开放式结构，按纵向分为站级控制层和间隔测控层。系统主要结构如下图。

站级控制层设备采用集中组屏方式，实现整个系统的监控功能。站控层连接服务器、操作员工作站、继保工程师站、防误工作站和GPS对时系统及远动（调度）工作站的多机设置方式，各工作站可以实现数据共享和远程诊断与维护等功能；主干网为双Ethernet网冗余结构。主机（服务器）基于Windows操作平台，利用组态软件，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的记录与分析等功能。

站级控制层通讯的信息量大、开放性要求高,采用快速以太网通讯，遵循TCP/IP或UDP 通信协议规范，传输速率为自适10/100Mbps。其双网可负载分流，也可独立工作，互为主/备。

站控层与间隔层通讯由于信息量相对较小，通讯速率要求不高，采用PROFIBUS现场总线和RS485网络。通信媒介为超五类屏蔽双绞线，通讯控制方式为主从问答方式，采用IEC870-5-103协议通信规约。实现收集各个智能单元和综合设备的上传信息,并下传控制命令及定值参数等。

间隔层设备包括测控、保护单元和第三方智能装置等部分。继电保护部分采用ALSTOM 和ABB、西门子公司生产的微机型继电保护装置，该类装置具有强大的保护、控制、数据采集、测量、运行参数记录、事件记录（SOE）、故障录波等功能。除实现有选择的快速切除被保护组件各种形式的短路故障外，还与监控系统保持密切的通信联系，以便于操作人员实时了解各类保护单元的工作状况。

这二个层次的监控方案充分利用计算机计算速度快、信息存储量大的优势，实时采集各种运行信息并将各种信息和上级调度命令通过通信技术实现信息的上传或下发。同时将发变组保护、发电机励磁系统、自动准同期系统（ASS）、自动电压调整装置（A VR），以及灭磁开关、发电机出口断路器等有机地组织起来构成完善的自动化系统，实现高层次的逻辑控制功能和数据管理。

3.3系统功能

3.3.1 实时数据采集：

遥测：热电厂、变电站电气设备运行的各种实时数据，如发电机电压电流、母线电压、励磁电压、励磁电流、线路电流、变压器温度、功率、频率等。

遥信：断路器位置、刀闸位置、变压器分接头位置（BCD码）、瓦斯信号、各种事故及报警信号。

3.3.2数据统计和处理：

限值监视和报警处理：多种限值、多种报警级别、多种告警方式、告警闭锁和解除。

遥信信号监视和处理：遥信变位次数统计、变位告警。

运行数据计算和统计：电量累加、分时统计、运行日报、月报、最大值、最小值、负荷率、电压合格率统计。

3.3.3操作控制：断路器的分合，变压器分接头调节，发电机调压调速，同期并列等；满足操作权限设置，操作唯一性要求，任何操作的命令合法性检查和防误闭锁条件检验。

3.3.4运行记录：遥测越限记录、遥信变位记录、SOE事件记录、设备投停记录、遥控遥调操作记录。

3.3.5保护信息：保护运行状态监视、保护动作信息、自检信息、保护故障录波波形及事件记录。

3.3.6人机界面：电气主接线图，实时数据画面显示，实时数据曲线显示，画面调用方式有菜单和导航图，各种参数在线设置和修改，画面拷贝和报表打印，各种记录打印。

3.3.7历史数据：定期地将处理后的数据保留入历史数据库，以供趋势分析、统计计算用。历史数据采样频率及存储期限用户可自己设定，根据需要还可以进行转储、备份。

3.3.8报表功能：根据实际需要组织报表格式、数量及打印时间。可以自动或在线生成日报、月报、年报等各类报表。可随时打印，也可设置打印时间，到时自动打印。提供历史报表召唤、打印。

3.3.9棒图、趋势图显示：可随意在线组织棒图、趋势图，可以是电压、电流、功率等模拟量，以观察实时及历史趋势。

3.3.10事件管理：用户能够监视和管理整个系统发生的事件，包括保护动作，报警及站内其它事件,并可以设定存储期限。

3.3.11报警及事件查询：用户能够按时间、事件性质及开关号查询系统发生的事件。事件记录存储时间根据需要设定。

3.3.12操作员管理：对能够进入系统的工作人员分级，不同级别人员只能进入相应安全级别，进行相应级别操作；同时对其所进行的操作记录存档。

3.3.13 GPS校时功能：提供网络方式GPS硬件对时。GPS装置只需给出一副接点，通过一个网络，即可对所有设备提供硬件对时。

3.3.14电压控制功能：以手动（或自动）方式进行发电机电压调整和发电机同期并网调速。

3.3.15系统自诊断与自恢复功能。

3.3.16保护功能：主设备或每条线路配备独立的保护装置，各单元间无直接电气联系。保护装置具有保护、控制、数据采集、测量、运行参数记录、事件记录、故障录波等功能。

4 变电站微机防误系统的应用

4.1微机防误系统结构

4.1.1硬件部分

采用“三屏合一”：将信号返回屏、模拟屏和控制屏的功能集于一屏。集模拟、控制、监视、防误等功能于一体，节省了大量空间，操作更方便。与监控系统接口后，能够将各电气设备的电量参数、全站的设备状态、事故和故障信息在屏上实时显示和报警，能够对设备倒闸操作进行防误模拟预演，也可以在屏上对设备直接进行倒闸操作。组成结构见下图。

防误操作系统由站控层、间隔层、过程层三大部分构成，站控层功能由综合自动化系统(监控系统)完成，间隔层和过程层设备包括五防工作站、分布式控制器、无线电脑钥匙、闭锁锁具及附件、通讯接口等几大部分

。

4.1.2操作软件部分

防误系统的五防工作站上存放了本站所有五防相关的配置数据，如人员的权限数据、设备的闭锁方式、设备之间的逻辑关系、设备信息采集方式、设备之间的拓扑关系等。根据客户端的请求提供相关的五防服务，能够同时为监控或其他系统提供五防服务，如向监控系统提供虚遥信等，并能够从其他系统获得实遥信、遥测、校时等信息。

4.2电动设备遥控操作的强制性闭锁实现

采用遥控闭锁继电器对监控操作的电动操作设备（断路器和隔离开关）实施强制性闭锁，闭锁原理是将闭锁接点串联在电动操作设备的远方控制操作电源回路中。遥控闭锁继电器可安装在二次测控装置安装的测控屏上，或者控制操作回路被下移至过程层的智能终端上。为了保障电气操作的强制性闭锁原则，遥控闭锁继电器也要跟着下移至过程层，被安装在一次设备的操作端子箱（或开关柜）上，它的解闭锁控制受防误操作系统的控制。而原有的继电保护跳闸和快切装置启动的跳、合闸功能不受该强制性闭锁影响。遥控操作闭锁回路接线方式见下图。

防误操作系统引入系统总线式有线网络模式，将电脑钥匙与五防工作站实时连接起来，五防工作站与电脑钥匙以及现场锁具之间可以实时通讯，实现了操作任务执行状态的在线传输及跟踪监控，特别是实现了在线方式下的实时闭锁逻辑判断功能，即系统跟踪设备状态及遥测等信息的变化，实时进行闭锁逻辑判断，根据判断结果，实时控制电脑钥匙的操作过程，有效提高运行人员的工作准确性及效率。

遥控闭锁继电器在没有操作任务时处于断电模式，其通讯通道被接地短路，有效地杜绝了雷击或其它干扰对系统的影响，系统可靠性、安全性很高。

5 监控系统与微机防误系统相结合形成整体的综合自动化系统

5.1变电站实现监控后，对防止电气误操作提出了许多新的要求，主要有以下几个方面：

●如何防止监控系统软、硬件故障或运行人员操作不当引起的误操作；

●设备存在多个操作点及多项任务并行操作下的防误问题；

●变电站集控中心主站和受控站防误闭锁装置如何配置和选型；

●如何解决以往防误系统无法强制闭锁的临时地线、网门等造成的多发性误操作；

●防误闭锁装置的维护、检修、管理问题的完善。

5.2 当地监控与防误系统功能结合的目的

五防工作站和监控系统之间职责分明、功能独立、相互配合，共同完成变电站综合自动化操作，保障变电站电气设备安全稳定运行。在相互关系上按照国家电网公司安规的规定的两条原则：

①电气设备操作强制性闭锁原则；

②防误操作系统独立性原则；

5.3 监控系统和五防工作站的配合与协调

5.3.1变电站监控系统的站控层通过以太网与防误主机相连。遥控实现过程如下：操作人员在防误主机上进行操作预演，模拟预演完成后，防误主机把闭锁逻辑表发送给站控层监控系统，与此同时，防误主机将相应节点的遥控闭锁继电器闭合。这时，后台发出遥控执行命令后，即可完成相应的遥控操作。监控系统和五防工作站之间协调工作，共同完成电气设备控制操作。以下2组图分别表示了对变电站电气设备的遥控操作和就地手动操作的过程。

电气设备遥控操作过程电气设备就地手动操作过程在操作过程中严格按照防误操作系统规范的程序执行，防误操作系统按照实时防误的逻辑判断，全程跟踪操作的全过程，它负责决定强制性锁具的解/闭锁逻辑，监控系统负责执行电动设备的遥控操作。

5.3.2对电气设备的遥控操作必须由遥控闭锁回路加上利用计算机监控间隔单元闭锁回路（数字逻辑闭锁或辅助接点硬接线闭锁）两项操作开出都接通（接点串联）才能进行操作，是遥控闭锁加单元闭锁双重闭锁的要求。遥控闭锁装置与监控系统的工作框图见下图。

5.3.3遥控操作闭锁最突出的特点是遥控闭锁操作与监控操作是通过两个相对独立的系统通过双通道进行操作的，只要两项操作中一项没有进行，就不可能执行实际分、合闸操作。遥控闭锁操作通过防误系统正确模拟预演后按操作顺序开放闭锁回路，控制操作通过监控系统按正常操作程序发出操作命令后开放控制开出回路，与遥控闭锁开出接点串联，最终执行分、合闸操作，实现了强制闭锁。

6 监控系统与微机防误系统结合的应用效果

变电站综合自动化系统自2006年在我司投运以来，系统运行稳定，连续工作时间长，利用率高，为安全生产提供了可靠的保障。系统的高可靠性、高稳定性使维护的工作量日趋减少，取得较好的应用效果：

6.1 减少了运行值班人员，改善了工作环境，为实现无人值班创造有利条件。

6.2 自动化系统采集的信息量大，实时性强，分辨率高，故障、事故、越限、状态变化等报警和历史事件能自动记录和打印，并能分辨出各种操作和保护的动作顺序及时间，为及时发现设备缺陷，避免设备事故的发生起到重要作用；为事故情况下原因分析及消除隐患提供充分的依据。

6.3 对于值班人员的任何操作，系统都严格检查命令的合法性和闭锁条件，拒绝执行非法命令和不满足闭锁条件的操作指令，对于满足条件的操作，还须确认以后才执行操作，从根本上杜绝了误操作。

6.4 微机保护装置准确率高，灵敏性好，故障发生的位置、类型可直观、准确地显示，为及时事故处理提供可靠支持，避免事故的扩大。

6.5 微机保护、测控装置比常规控制保护设备体积小、占地少，节省控制室占地面积，节约了成本，提高了经济效益。

6.6变电站中基于五防工作站的微机防误系统实现方案，充分考虑了用户的使用方式，在使用安全性、方便性、可靠性、可维护性等方面均得到很大的提升。

7 结束语

7.1变电站综合自动化系统在硬件上采用分层分布式结构，在软件上采用了面向对象的程序设计方法，使整个系统组态灵活、人机界面友好、功能齐全、使用方便、维护简单。特别是将发变组保护、发电机励磁系统、自动准同期系统（ASS）、自动电压调整装置（AVR）等有机地组织起来构成完善的监控系统，提高了热电厂、变电站的综合自动化水平。

7.2利用站级防误系统与间隔层防误闭锁相结合的方案，实现防误操作自动化，即遥控操作命令时得到监控系统嵌套的防误系统的逻辑闭锁和就地间隔防误闭锁装置（遥控闭锁继电器）的双重闭锁控制，而就地操作时可得到独立于监控系统的防误系统工作站的逻辑闭锁和就地间隔防误闭锁装置（无线电脑钥匙通过遥控闭锁继电器的解锁）的闭锁控制。实现了对设备操作过程的实时动态监视和防误闭锁，解决了间隔层操作过程中的实时动态操作监视和闭锁问题。经实际运行操作考验，不但操作时间大大缩短，而且从技术上保证了操作的正确性。

7.3将微机防误（五防）系统嵌套在基于监控系统的综合自动化系统中，实现与监控系统的无缝对接和相互闭锁，实现监控系统和五防系统的有机结合，达到控制操作的安全性目的。

7.4下一步将已具备综合自动化系统的变电站进行连通和整合,将远动信息上传至厂内电力调度中心,实现调度信息共享。

参考文献：

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[2] 防止电力生产重大事故的二十五项重点要求．发输电发[2000]125号

[3] 防止电气误操作装置管理规定．国家电网生[2003]243号

[4] 丁书文，黄训诚，胡起宙．变电站综合自动化原理及应用[M]．北京：中国电力出版社，2003

[5] 珠海优特电力科技股份有限公司．UT-2000微机综合防误操作系统技术说明书[M]

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