变电站设计

0 引言在我国农村地区，电力基础设施普遍比较落后，严重地影响了经济发展的后劲，也制约了整个国民经济的进一步发展。

加快农网技术改造，是实现城乡电网同网同价发展目标的必要条件。

农网中变电站为数众多，配电设备陈旧落后，很多是20多年前的技术，现已不适应电力系统的发展要求。

新兴的基于微计算机技术的电站综合自动化系统经过国内近10年的发展与应用，已成为比较成熟的技术，得到了越来越广泛的应用。

如何有效地构造一个高效、低成本的，既符合电力行业的设计规范，又能体现技术发展水平的微机综合自动化系统，是一个值得探讨的话题。

1 结构分布式的变电站综合自动化系统随着技术的发展，以前影响高功能集成度的处理器处理能力瓶颈现象已经得到缓解，越来越多的变电站采用了将RTU功能和保护功能合二为一的模式，典型的是结构分布式变电站综合自动化系统。

结构分布式系统采用了面向对象的自动化设备构建模式，针对不同的电力设施的特点和要求，制造专用的自动化设备（简称AIO或AIO设备）来完成对设施运行状态的实时监控；将不同的AIO通过串行数据总线连接起来，构成一个完整的综合自动化系统。

不同的A IO设备间在功能上除了相互间的通讯联系外无别的电气联系。

因此，基于结构分布式的自动化系统具有灵活的可扩充性、可靠性和系统维护性，代表了电站综合自动化系统的一个重要方向发展。

1.1 系统的设计构想及技术性能1.1.1 系统内部通信的特点及要求由于变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存在电源雷击等电磁干扰和地电位差干扰，通信环境恶劣，而变电站内各设备连续运行，事故发生时各参数变化需要快速地反映到调度，因此变电站综合自动化系统内部通信应具有以下特点和要求。

（1）变电站通信网络的要求a.快速的实时响应能力，电力工业标准中对系统的数据传送有严格的实时性指标，因此网络要有足够的速度才能保证数据实时性；b.很高的可靠性；c.优良的电磁兼容性能；d.分层结构。

这是由整个系统的分层分布式结构所决定的。

（2）信息传输响应速度的要求不同类型和特性的信息要求传送的时间差异很大，在《电力系统调度自动化设计技术规程》中有详细规定，所以网络应能决定各类数据传送的优先级。

（3）各层次之间和每层内部传输信息时间的要求《电力系统调度自动化设计技术规程》规定信息传送到调度端主站的时间最少为1～2s，故变电站内部传送时间最大不能超过1s，具体传送时间分配要求如下：a.设备层和间隔层1～100ms；b.间隔内各个模块1～10 0ms；c.间隔层的各个间隔单元之间1～100ms；d.间隔层和变电站层之间10～1000ms；e.变电站的各个设备之间≥1000ms；f.变电站和调度控制中心≥1000ms。

1.1.2 现场通信的实施（1）对于结构简单的变电站，现场通讯多为点对多点的模式，基于RS 485总线的通讯就是被普遍应用的一种，应用于单CPU对多CPU的串行通讯。

对于多于32个AI O设备或需要进一步提高数据访问速度等情况，可采用构建多个主从式通讯子网，每个子网管理一部分AIO设备，然后将不同子网的通讯主站用并行通讯技术连接起来以构成完整的自动化系统。

（2）对于复杂的变电站内部通讯可用Lonworks现场总线。

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，全数字化的、智能、双向、多变量、多点、多站的通信网络，它按国际标准化组织ISO和开放系统互连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。

由于Lonworks的特性，它更适应于量比较大的变电站综合自动化系统。

每个AIO设备均具有2类相对独立的功能，即RTU功能和保护功能，AIO设备是根据其应用对象（电力设施）来分类的，对象要求的不同，RTU及保护功能规定的AIO设备功能不同。

为基于AIO设备更好地构建电站综合自动化系统，设计AIO设备时应优先考虑一些技术因素。

1.1.3 系统的时间基于AIO设备的电站实时监控系统在时间功能上作了优先的考虑：所有投运的AIO 装置正常运行时（不包括启动瞬间）的最大时间差不超过1ms。

基于时间的功能主要表现在：（1）时标功能：所有的实时数据包括模拟电量数据、开关状态信息和保护动作记录等都附带有时标信息，同一AIO装置内部的实时数据的时标误差不超过1ms；同一系统内（指共用同一通讯通道的AIO装置）的实时数据的时标误差不超过2ms；（2）时间设定功能：AIO装置支持预约事件功能，即后向指定期望发生的事件功能，为实施系统的同步测量等功能奠定了基础。

1.1.4 保护功能可构造35kV及以下的电站的完整保护方案，满足电站的一次设备对安全的要求。

主要的保护功能包括：二段式比例制动特性的变压器差动主保护；带复合电压启动的电流型变压器后备保护；带方向选择和电压连锁的电流三段式线路保护，并具有检无压或检同期功能的三相一次自动重合闸功能和加速跳功能；对速动保护，动作时间≤30ms；对带延时的保护，延时误差≤±30ms或0.3%，保护动作量的幅值相对误差≤±5%，动作量返回系数的裕量（与1相比）不低于5%；以上述3种保护为基础，发展全系列的中低压电站的配套保护设备。

1.1.5 测量功能绑定了时间信息的测量数据可通过通讯的手段向上位机传送，传送的速率决定于所支持的通讯协议，但AIO设备应能支持至少0.2s的数据访问周期。

测量的数据包括：提供3相4电压的测量功能，达到0.2级的测量精度；提供3相4电流的测量功能，达到0.2级的测量精度；提供一个频率的测量功能，达到±0.01Hz的测量精度；提供三相四线制的有功/无功测量及功率累加功能，达到0.5级的测量精度；提供1～2路带隔离的直接电量测量功能，达到0.2级的测量精度。

1.1.6 遥信功能电站遥信量按电站主设备对象为单位来划分，由该主设备对应的保护测量AIO设备负责监视和检测，并通过串行总线进行传输、收集和汇总。

自动装置对遥信量的响应时间应符合电力行业标准的要求。

由于受传输手段的数据传输速率的限制，我们将全部遥信量按重要程度划归为2类：开关量和状态量，分别定义不同的响应时间和监测方法，以期使系统既有足够快的响应时间，又有比较全面的监测功能。

任一AIO系列装置都配备了16路的遥信量监测通道，其中有6路定义为开关量，10路定义为状态量；而10路状态量中又有4路可定义为脉冲量，以连接电能脉冲设备。

对于变压器等同时配备有主保护和后备保护的设备对象，可有32路的遥信量监测通道。

1.1.7 遥控及遥调功能AIO系列设备全都支持8路相互独立的开出控制，其中有4路用于支持DL的合/分操作，另4路作为备用，可考虑用于实现遥控及遥调功能。

1.1.8 其他相关通讯功能（1）参数设定功能：提供所有现场数据的通讯设定功能；（2）数据采样功能：提供对任何逻辑通道任一后向指定时刻（时间分辨率不低于2 ms）开始的10周波的数据采样功能，采样间隔不低于24点/周波；（3）掉电保护的数据存储器至少可保存最近发生的4次事故记录以供查询；1.1.9 通讯规约作为一个示例，可将某变电站综合自动化系统中串行总线数据通讯的数据包格式定义为如下形式。

DA命令类型信息长度正文校验码子站：SA命令类型信息长度类型状态正文校验码DA /SA为目的/源地址号，范围为1～32，另外定义99H为广播地址号，用于系统对时等公共操作；命令类型可为FOH～FFH等类型之一；信息长度为帧字节长度减2，即除站号和校验字节以外的数据长度；正文为传送的有效信息部分，部分命令可无正文；类型为SA标定的子站AIO设备的类型；状态反映DA/SA标定的子站AIO设备的运行状态，可用于主站决定随后的通讯策略。

1.2 基于AIO装置的变电站综合自动化系统该系统可以按集中组屏的方式构建，即不同电力设施（称为对象）的保护/测量AIO 设备共同放置于1个或几个屏柜中；也可以按分开布置的方式构建，即不同对象的AIO设备按就近的原则布置在该对象的附近。

AIO设备间通过串行数据通讯总线连接。

1.2.1 AIO装置设计原理图（见图1）。

1.2.2 基于AIO装置的变电站综合自动化系统的构成（见图2）。

由于变压器保护及监控的特点，1个双圈变压器的测量及保护至少要使用2个AIO设备（分别称为A设备和B设备），1个用于变压器的主保护（即差动保护，A设备），完成变压器高压侧电量等的测量，进行高压侧DL等的相关控制；另一个用于变压器的后备保护（B设备），完成变压器低压侧电量等的测量，进行低压侧DL等的相关控制。

1.2.3 基于AIO装置的双圈变压器微机保护测量方案由于不同类型的AIO装置均只设计有1路完备的DL控制出口回路，无论是主保护AIO装置还是后备保护AIO装置都不能同时直接控制高/低压侧的2个DL，而保护动作又有同时跳开高/低压侧的2个DL的需要。

为解决这一矛盾，主保护AIO装置和后备保护AIO 装置（所有的AIO装置）均配有专用的辅助开入和开出通道各2路，通过类似于手动分闸的原理来快速自动地协同跳开高压侧和低压侧的2个DL开关。

具体地讲就是：对于有双跳要求的变电站综合自动化方案，主保护设备A动作时不仅跳开高压侧的DL，同时通过备份开出接点启动B设备的特定开入，从而跳开低压侧DL；反之亦然。

2结束语结构分布式变电站综合自动化模式在技术上是可行的，在结构上是简洁可靠的，在构建方案上是灵活的，同时AIO设备自动化系统具有扩充性好、可维护性高等优点。

随着计算机技术、通讯技术如广域网（WAN），光纤分布数据接口（FDDI），综合业务数据（ISDN）及帧驳接（Frame Relay）的进一步发展，结构分布式变电站综合自动化方案将得到越来越广泛和深入的应用，代表了变电站综合自动化的一个十分重要的发展方向。

（1）油断路器：采用变压器油作为灭弧介质和触头开断后的弧隙绝缘介质的断路器称为少油式断路器；采用变压器油作为灭弧介质和触头开断后弧隙绝缘介质以及带电部分与接地外壳之间绝缘介质的断路器称为多油式断路器。

（2）压缩空气断路器：采用压缩空气作为灭弧介质和触头开断后的弧隙绝缘介质的断路器。

其灭弧能力强、动作迅速，但结构复杂、耗材较多。

（3）真空断路器：利用真空的高介质强度来灭弧的断路器，其灭弧速度快、寿命长、体积小。

（4）六氟化硫（SF6）断路器：采用具有优良灭弧和绝缘性能的SF6气体作为灭弧介质的断路器。

其开断能力强、体积小，但结构复杂、耗材多。

高压断路器是发电厂、变电所及电力系统中最重要的控制和保护设备，它的作用是：(1)控制作用。

根据电力系统运行的需要，将部分或全部电气设备，以及部分或全部线路投人或退出运行。

(2)保护作用。

当电力系统某一部分发生故障时，它和保护装置、自动装置相配合，将该故障部分从系统中迅速切除，减少停电范围，防止事故扩大，保护系统中各类电气设备不受损坏，保证系统无故障部分安全运行。