变电站自动化及测控装置

第四阶段：面向间隔和对象(object-oriented)的分层分 布式结构模式 90年代中期，随着计算机技术、网络和通信技术的飞速发 展，行业内对计算机保护与测控技术不断争论和探讨达成 了一致的认识，采用面向设备或间隔为对象设计的保护及 测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成了真正意义 上的分层分布式自动化系统。该系统特点是针对110KV以 下电压等级的设备或间隔采用保护测控一体化设计的装置， 针对110KV及以上电压等级的设备或间隔采用继电保护装 置与测控装置分别独立设计但共同组屏的原则，故障录波 功能下放至各间隔或设备的继电保护装置中去，采用先进 的网络通信技术，系统配置灵活，扩展方便，非常方便运 行管理和维护。
测控装置的校验
随着变电站自动化技术的发展，综合自动化变电 站越来越多，交流采样测量装置的校验，已成为 电网测量数据采集准确性的关键。国家电网公司 为使校验更加标准化和专业化，先后推出了 Q/GDW140-2006《交流采样测量装置运行检验管 理规程》、 Q/GDW213-2008《变电站计算机监控 系统工厂验收管理规程》和Q/GDW214-2008《变 电站计算机监控系统现场验收管理规程》针对于 测控装置校验和变电站计算机监控系统校验的三 个规程。
事件（event）指的是运行设备状态的变化，如开关所处 的闭合或断开状态的变化，保护所处的正常或告警状态的 变化。 事件顺序记录（Sequence Of Event )是指开关或继电保护动作 时，按动作的时间先后顺序进行的记录。因此要完成事件 顺序记录的功能，交流采样装置必须提供实时时钟。 事件分辨率（separating capability,discrimination） 指能正确区分事件发生顺序的最小事件间隔。 同期：是指发电机出口电压的大小、相位、频率与电网电 压的大小、相位、频率一致。电力系统中同期并列的条件： 1、电压大小相等2、电压的相位相同3、电压频率相等4、 电压相序相同
（2）自动装置类产品： 包含：安全稳定控制装置，备用电源自投 装置，电压无功控制装置，自动补偿消谐 装置，自动准同期装置等。
（3）测控装置类产品 测控装置类产品包括两大功能：①测量：保证 有足够的精度和对变化量的实时反映，其中测 量包含：模拟量、电流量、开关量、温度量、 直流量、压力量、流量等。②控制调节：接收 远方或就地的命令进行调节控制，也可根据装 置设定的逻辑编程进行调节控制，规定保证控 制的有效性和可靠性。控制调节内容包含：开 关的控制、可控硅导通用的控制（PWM）、DA 控制。
（4）故障录波类产品 （5）其他智能电气类产品 变电站内其他智能电气类产品有：智能电 子电度表，智能直流开关电源及智能变压 器，这些设备没有统一的接口与标准，需 要经过不同的智能接口设备转换，才能接 入变电站自动化系统。
测控装置在电力系统中的应用
随着综合自动化的发展，测控装置的使用已越来越普及， 它已代替电测量变送器作为电网电测量参数(有功功率、 无功功率、电压、电流、相位、频率、功率因素)测量的 在线测量仪器。 传统的用于电网参数监测的电测量变送器是把交流电压、 电流信号经过各种变送器转化为0 ～ 5 V的直流电压或 4～20 mA直流电流，再由测量直流信号的RTU及各种测量 仪表进行采样或显示。这种采集方式中变送器的精度和稳 定性对测量精度有很大影响，存在设备复杂，维护困难等 问题。
第一阶段：变电站传统的监测和控制系统由各种 继电器、测量仪表、光字牌、信号灯、警铃、
叭等等构成变电 站的二次回路，实现变电站的控 制、监视、测量和告警功能。
第二阶段：面向功能设计的集中式RTU加 常规继电保护模式 80年代是以RTU为基础的远动装置及当地 监控为代表。该类系统是在常规的继电保 护及二次接线基础上增设RTU装置，功能 主要为完成与远方调度主站通信实现“四 遥”(遥测，遥信，遥调，遥控)，继电保护 及自动装置与系统联结采用硬接点状态接 入。此类系统特点是功能简单，整体性能 指标较低，系统联结复杂，不便于运行管 理与维护，为自动化系统的初级阶段。
二、测控装置在电力系统中的应用
目前，测控装置在电力系统中的应用已越来 越广泛，在电力系统中使用测控装置，相 当于以数字方式建立了多种虚拟仪表。与 直流采样相比，采用交流采样技术的优越 性是十分明显的。交流采样是智能化设备 中最重要的环节之一。基于交流采样的产 品，可以保证变电站自动化水平的提高。
交流采样测量装置以其性能稳定可靠，施工 简便已被众多用户所认同。在各等级的变电 站、发电厂、水电站等测量及监控或其他工 业领域的实时监控系统都有使用。其电压等 级已从500 kV的大型变电站发展到35 kV 的 无人值守变电站。准确度等级可分为0．2级。 在近几年新建和改造的变电站中，已有90％ 以上使用了交流采样测量装置，电测量指针 式仪表和变送器几乎完全被淘汰。
变电站综合自动化系统图
二、我国变电站自动化系统的发展阶段
变电站内二次设备传统按功能可分为五 类： 继电保护，自动装置, 故障录波，当地监 控和远动。五大类产品的不断发展及其功 能相互渗透，推动了变电站自动化系统的 发展，产生了多种多样的系统模式，按系 统模式出现的时间顺序可将变电站自动化 系统的发展分为四个阶段：
主站系统
远动通讯规约
变电站
数字通信线
测控装置是将二次测得的电压、电流经高精度的 TV、TA隔离变换成计算机可测量的交流小信号， 然后再送人计算机进行处理。直接计算 ，然后计 算P、Q、COS 等，由于这种方法能够对被测量的 瞬时值进行采样，因而实时性好，效率高，相位 失真小，适用于多参数测量。通过在电力系统中 应用的实践表明，采用交流采样方法进行数据采 集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功 率、功率因数等电力参数有着较好的准确度和稳 定性。
直流采样
直流模拟量
P/Udc
U(t) I (t) 直流模拟量
Q/Udc
直流模拟量
直流 采样
RTU
数字量 P、 Q、 U、 I
A/D
远动通讯规约
主站系统
U/Udc
直流模拟量
I/Udc 交流采样 交流采样 RTU
U(t) I (t) 数字量 P、Q、U、 I 测量 单元 内部通讯协议 中央 通讯 单元 数字量 1 、 2 、 3、 4
三、变电站自动化系统中的智能设备 (IED)
分层分布式变电站自动化系统中的智能设备 (IED) 主要有：继电保护类，自动装置类， 测控装置类，故障录波类，电子计量类及 其他智能电气类设备，下面就这几类产品 的现状作一一介绍：
(1)继电保护类产品：继电保护类产品从电 压等级划分为两大类中低压保护和高压及 超高压保护，从保护装置的应用划分主要 有：电网保护(线路保护)包括220KV及以上 110KV 35KV 线路保护，110KV线路保护，35KV及以下 配电线路保护；主设备保护(元件保护)包括 发电机保护，变压器保护，母线保护，电 容器保护，电抗器保护，电动机保护，厂 用变压器保护等。
交流采样测量装置将采集到的数据按照一定的规 约方式传输到当地监控终端或调度室。常用的用 于交流采样测量装置数据传输的规约有： CDT(Cyclic Date Transmission)规约、101规约、 102、103、104规约等。目前交流采样测量装置制 造厂所使用的规约较乱，即使是同一种规约，因 生产厂家的不同、设备型号的不同，差异也较大， 有些甚至还需专用接口连线方可取数校验。
遥测即远程测量（telemetering）:应用远程通讯技术， 传输被测变量的值。遥测信息是表征系统运行状态的连续 变化量（或称模拟量），分为电量和非电量两种。 遥信即远程指示；远程信号 （teleindication;telesignalization）：对诸如告警情 况、开关位置或阀门位置这样状态信息的远程监视。遥信 信息是二元状态量，既是说对于每一个遥信对象而言它有 两种状态，两种状态为“非”的关系。 遥控即远程命令（telecommand）：应用远程通信技术， 完成改变运行设备状态的命令，如对断路器的控制。 遥调即远程调节（teleadjusting）：应用远程通信技术， 完成对具有两个以上状态运行设备进行控制的远程命令。 如机组出力的调节、励磁电流的调节、有载调压分接头的 位置调节。
测控装置及校验
一.变电站自动化系统的现状与发展 变电站自动化系统的现状与发展 二.测控装置在电力系统中的应用 测控装置在电力系统中的应用 三.测控装置的校验
变电站自动化系统的现状与发展
一、 变电站自动化系统的定义
变电站自动化系统，国际电工委员会已正式 采用了“Substation Automation System— SAS”名词，并解释为“在变电站内提供包括通 信基础设施在内的自动化（SAS—Substation Automation System：The SAS provides automation in a substation including the communication infrastructure）”。
目前在国内，我们说变电站综合自动化系统 （Integrated Substation Automation System）， 并定义为：集保护测量、控制、远传等功能为一 体，通过数字通信及网络技术实现信息共享的微 机化的二次设备及系统，用以取代了常规的仪表 盘，控制屏，继电保护屏及中央信号屏。此定义 更多强调了继电保护和测控装置技术如何融合的 设计思想。它不仅包含传统的自动化监控系统 （SCADA），同时包含继电保护、自动装置等设备。
PT、CT 、 二次侧 隔离 转换
U、I 、 小信号
采样保持
交流采样装置
过零比较
A/D 转换
CPU
将互感器二次电流与电压分别经交流采样测量装置内隔离变换， 再次转换为弱电流及电压信号； 通过一个叫采样保持器的元件采集、保存电流、电压信号； 经模、数（A/D）变换；通过数据线传送给CPU,计算出电流、电压、 电网频率及有功、无功功率等电量并存储在记忆元件中。
一、测控装置交流采样的基本原理
交流采样法是按一定规律对被测交流信号的瞬时 值进行采样，再用一定的数学算法求得被测量， 用软件功能代替硬件的计算功能。它是用一条阶 梯曲线代替一条光滑被测正弦信号，其原理误差 主要有2项：① 用时间上离散的数据近似代替时 间上连续的数据所产生的误差，这主要是由每个 正弦信号周期中的采样点数决定的，实际上它取 决于A／D转换器转换速度和CPU的处理时间；② 将连续的电压和电流进行量化而产生的量子化误 差，这主要取决于A／D转换器的位数。
直流采样
直流模拟量
P/U dc
Leabharlann Baidu直流模拟量 U(t)
数字量 P、 Q、 U、 I
Q/U dc
直流模拟量
直流 采样
RTU
直流模拟量
A/D
远动通讯规约
主站系统
I (t)
U/U dc I/U dc
第三阶段：面向功能设计的分布式测控装置加微 机保护模式 90年代初期，微机保护及按功能设计的分布测控 装置得以广泛应用，保护与测控装置相对独立， 通过通信管理单元能够将各自信息送到当地监控 计算机或调度主站。此类系统的出现是由于当时 国内电力系统保护和远动分属于不同部门和专业， 另外对继电保护与测控装置在技术上如何融和没 有达成一致的认识，故相当一部分尤其是110KV 及以下电压等级自动化系统采用此类模式。该模 式没有做到面向对象设计，信息共享程度不高， 另外系统的二次电缆互联较多，扩展性不好，不 利于运行管理和维护。
U=
1 N
∑ u ( n)
2 n =1
N
I=
1 N
∑ i ( n)
2 n =1
N
1 P = ∑ u (n)i (n) T n =1
N
在交流采样的计算中，只要采样点足够多就 可以用离散的数字量来代替模拟量。根据 采样定理可知，抽样频率fs与信号的最高频 率Fm之间必须满足下列关系式: fs≧2 Fm Fs≧2 Fm是一个临界条件，实用上采用的抽 样频率必须大于2 Fm
连续周期交变电压、电流有效值及平均功率的计算 公式如下:
1 T 2 U= ∫0 U (t )dt T
1 T I= i (t )dt ∫0 T
1 T P = ∫ U (t )i (t )d (t ) T 0
式中，u(t)、 (t)为电压、电流的瞬时值；T为信号 周期。 对以上积分公式进行离散化处理，推导可得出相 对应的计算电压、电流的有效值和平均功率的离 散化公式，离散积分公式(均方根算法)