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1、变电站综合自动化技术培训,变电站综合自动化技术培训提纲,1、变电站综合自动化系统概述2、变电站综合自动化系统设计原则和结构形式3、变电站综合自动化监控系统的功能和实例介绍4、变电站IED设备硬件介绍5、变电站IED设备软件和算法6、变电站保护元件的常规配置 7、变电站综合自动化系统其它IED设备8、变电站综合自动化系统的数据通信 9、提高综合自动化系统可靠性的措施10、变电站综合自动化系统的故障及排除方法 11、变电站综自系统的运行管理、维护和调试等知识,1、变电站综合自动化系统概述,1.1、变电站综合自动化系统的定义1.2、变电站综合自动化系统的基本特征1.3、变电站自动化技术的发展历程1.
2、4、变电站综合自动化系统的功能描述 1.5、变电站综合自动化系统当前发展特点1.6、变电站综合自动化系统今后发展趋势,1.1综自系统概述定义,变电站综合自动化系统，是利用多台微处理器及嵌入式CPU和大规模集成电路组成的分层分布式的自动化系统，它以计算机技术为基础，实现对变电站传统的继电保护、测量手段、控制方式、通信结构和管理模式的全面改造和升级。 该系统将变电站的二次设备，包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等，经过功能的重新组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、信号处理技术和通信技术、实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的综合性的自动化功能。这些包括：自动监视
3、、远程测量、自动控制、微机保护，以及与调度通信等。,1.1综自系统概述定义,在国内，变电站综合自动化系统从通俗意义上讲，指的是包含传统的自动化监控系统、继电保护、自动装置等各种数字式设备，是集保护、测量、监视、控制、远传等功能为一体，通过数字通信及网络技术来实现信息共享的一套微机化的二次设备及系统。 该系统之所以冠名综合自动化系统，是为了区别于以往只实现了局部功能的变电站自动化系统，例如采用常规保护加RTU构成的变电站自动化系统。国外也有文章称综合自动化系统为“一体化的变电站控制与保护系统”。,1.1综自系统概述定义,从国际上看， 在1997年的国际大电网会议（CIGRE）上，国际电工委员会（
4、IEC） WG 34.03工作组根据变电站自动化系统发展的情况，在“变电站内数据流的通信要求”报告中，提出了“变电站自动化”（SA，Substation Automation）和“变电站自动化系统”（SAS，Substation Automation System）两个名词。此名词被国际电工委员会的TC 57技术委员会（即电力系统通信和控制技术委员会）在制定的IEC 61850变电站通信网络和系统标准中采纳。在IEC 61850标准中，对变电站自动化系统（SAS）的定义为：变电站自动化系统就是在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化。,1.2综自系统概述基本特征,变电站综合自动化系统具有如下
5、特征：系统功能综合化综合了除交直流电源外的全部二次系统，综合不是简单的拼凑，而是功能的重新划分和性能指标的最优。（不是简单的1+1）系统构成的模块化和数字化面向被控对象，形成模块化设计，并以模块化为基础实现系统的灵活组态（例如出线按间隔配置，规模可大可小） 。而模块化内部又实现了微机化。系统结构分布、分层、分散化系统结构从功能上采用分层设计（分三层），从物理位置上分散就近安装（中压安装在高压柜上，可靠性远高于集中式）。各子系统分布设计、并列运行、协调工作。,1.2综自系统概述基本特征,操作监视屏幕化以往的模拟屏被显示器上实时刷新的主接线图取代，以往的把手控制操作被键盘鼠标操作取代，以往的光字牌
6、告警被计算机上的数字光字牌、文字提示及语音告警取代，以往的指针显示被显示器的数字显示替代通信网络化以往用于传输设备信息的是传输模拟量或硬接点状态量的电缆，且数量庞大，现在采用以传输串行数字信号用的少量通讯电缆或光缆。网络化的通讯方式使得施工更为简单、组态和扩容更为灵活。运行管理智能化运行管理的自动化不仅表现在常规功能（抄表、VQC、接地试拉、故障隔离和恢复）的自动化上，更体现在在线自动诊断、状态检修和智能告警上。,1.3综自系统概述发展历程,80年代中期,90后-00年代,70年代,国内变电站综合自动化系统的发展历程,分立的保护和自动化设备,微机RTU设备和纯微机保护,分散的微机测控和分散的微
7、机保护,80后-90年中,真正实现综合自动化,1.3综自系统概述发展历程,影响变电站综合自动化系统的发展的关键技术计算机技术计算机尤其是微处理器技术的发展，决定着变电站自动化系统模块集成度的提高和功能的优化。例如早期的8位机产生了功能简单的微机保护和RTU设备，现在的32位机及DSP实现了功能强大的中压保护测控一体化设备和高压主后备一体化保护，也实现了保护和控制逻辑的PLC编程，同时也催生了IEC61850标准研究应用。串行通讯技术通讯技术尤其是以太网技术的发展，决定着变电站自动化系统信息的融合和共享。例如早期的载波技术低速通讯产生了CDT规约实现有限信息的上传，现在的光纤以太网通讯促成了IE
8、C61850的标准体系的建立，实现了变电站各设备间的无缝接入和信息的全面共享。,1.4综自系统概述功能描述,基本功能：测量、监视、控制功能设备保护和安稳保护功能BZT、VQC、程序化操作等自动控制等功能远动及数据通信功能自诊断、自恢复和自动切换功能高级功能：特征量突变捕捉和断点再续视频联动和故障区域成像在线监视和设备故障早期预警电能质量监视和谐波治理电网故障辅助分析和设备缺陷的统计,1.5综自系统概述当前发展特点,从集中控制，功能分散型向全分散网络型发展核心思想在于通过I/O单元的就地化减少传统电缆的敷设集中的RTU设备面向电气间隔分散安装的单元测控集中的母差保护面向电气间隔分散安装的分布式母
9、差集中的故障录波面向电气间隔分散安装的故障录波系统IO单元的就地化也催生了一次设备的智能化从专用设备的开发到标准的软硬件平台开发核心思想在于生产的简单化和规模化采用标准机箱结构（1/3、1/2、全宽），相同的核心模件，灵活配置的I/O模件（插件），实现硬件平台开发和生产的标准化，产品从定制化走向标准化，大大减少了备件的数量和安装维护工作量。在功能强劲硬件平台上，采用由嵌入式操作系统和PLC技术构建的软件平台，通过植入多种保护元件和逻辑块，实现功能的灵活组态（不同的保护相同的软件如、软硬件升级各自完全独立）,1.5综自系统概述当前发展特点,从集中控制向综合智能控制发展采集和控制单元的就地化引发了
10、跨专业综合智能化发展。典型的如中压间隔管理单元，实现了继电保护、故障录波、电气测量、自动控制、电度计量、状态监视、设备维护、自我诊断等功能于一体，真正实现了综合化和智能化从屏幕数据监视到多媒体多维度监视发展得益于视频监控和在线监测技术的发展，现代变电站计算机监控从原先的画面、文字和实时数据的刷新转为语音告警、视频联动、故障点成像、健康指数显示等多媒体多维度可视化监视，即“四遥”- “六遥”（增加遥视和遥诊）,1.5综自系统概述当前发展特点,实现系统纵向和横向的综合通讯协议的标准化促进了智能设备间的互操作性和无缝融合，既实现横向设备及子系统间的信息共享和电气互闭锁，也实现了纵向层面的数据的交互和
11、数据源的一致性。（由纵向为主-横纵结合）,1.6综自系统概述今后发展趋势,变电站的全面数字化和智能化是变电站综合自动化系统的发展方向。数字化、智能化变电站的基本目标是：一次设备智能化二次设备网络化运行管理自动化数字化、智能化变电站的核心标准是：IEC61850 (DL/T860) 变电站网络与通信协议（Communication networks and systems in substations）,1.6综自系统概述今后发展趋势,1.6.1 一次设备的智能化 前置的信号采集系统 后移的智能控制回路一次设备的状态监视（CT、PT、变压器、开关）典型特征：一次设备采集和控制的核心采用了微处理器
12、和光电通讯技术设计，与二次设备的连接的常规强电模拟信号和控制电缆被以光纤为媒介的数字网络所代替，也就是数字信号网络取代传统的导线连接。,1.6综自系统概述今后发展趋势,一次设备的智能化的关键技术：非常规互感器的应用OCT 、 OPT、LPCT、LPPT和MU的应用智能化开关柜的应用通过就地配置智能控制单元，实现控制操作和状态传输的数字化，具备就地电气闭锁和自适应分合闸操作等功能，通过对开关在线监测和诊断，实现状态检修。其它智能化一次设备通过就地配置智能控制单元，实现控制操作和状态传输的数字化，完成对变压器、电抗器油中气体监视、避雷器绝缘性能监视和高压设备的局放监测，实现状态检修。,1.6综自系
13、统概述今后发展趋势,1.6.2 二次设备的网络化二次设备的网络化包括两个方面：传输媒介网络化信息交互网格化典型特性：变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、 测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源其享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块,1.6综自系统概述今后发展趋势,1.6综自系统概述今后发展趋势,1.6.3 运行管理的自动化电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据
14、信息分层、分流交换自动化；故障诊断自动化，故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。,1.6综自系统概述今后发展趋势,1.6.4 IEC61850标准: 变电站IED通向国际标准之路,一个世界一种技术一个标准IEC 61850,IEC 60870-5IEC 60870-6经验,只有 IEC 61850 能提供变电站IT的全面解决方案所有主要的变电站技术的供货商都是IEC 61850成员US 委员会 US TAG的 IEC TC57工作组 10, 11 和12 明确申明IEC 作为变电站自动化的唯一
15、标准,国际认同标准,I E C 6 1 8 5 0,US 通过 UCA 2,第2章 变电站自动化系统的结构和配置,2.1 变电站自动化系统的分层和逻辑接口2.2 变电站的智能电子设备定义2.3变电站自动化系统的硬件结构模式2.4 变电站自动化系统的配置原则2.5 变电站自动化系统的典型配置,2.1 变电站自动化系统的分层和逻辑结构,IEC国际电工委员会TC 57技术委员会（电力系统控制和通信技术委员会）在制定IEC 61850系列标准时，把变电站自动化系统的功能在逻辑上划分为3个层次:站控层(station level)间隔层(bay level)过程层(process level) 各层次间
16、采用高速网络通讯。,站控层,间隔层,过程层,高压一次设备,（1）过程层设备 过程层实际上是指与变电站一次设备断路器、隔离开关和电流互感器TA、电压互感器TV接口设备。（2）间隔层设备 变电站自动化系统在间隔层的设备主要有各种微机保护装置、自动控制装置、数据采集装置和RTU等等。 (3）站控层设备 变电站层的设备包括计算机、打印机、天文钟、通讯管理机或远动工作站等设备。,2.1 变电站自动化系统的分层和逻辑结构,过程层的功能描述 过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的功能划分：(1) 实时的电气量检测主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测 。(
17、2)运行设备的状态参数检测主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性及工作状态等数据。 (3)操作控制执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断路器、刀闸合分控制，直流电源充放电控制。在当前大量应用的变电站综合自动化系统中，由于一次设备的智能化尚未实现，过程的功能实际全部由间隔层的设备来实现。因此有时也将变电站综合自动化系统的逻辑结构划分为两层。,2.1 变电站自动化系统的分层和逻辑结构,间隔层的功能描述间隔层的设备主要有各种微机保护装置、自动控制装置、数据采集装置和RTU等设备，间隔层设备的主要功能是：(1)汇总本间隔过程层实时数据信息；(2)实施对一次设备保护控制功能；(3)
18、实施本间隔操作闭锁功能；(4)实施操作同期及其他控制功能；(5)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；(6)承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。,2.1 变电站自动化系统的分层和逻辑结构,站控层的功能描述(1)通过两级高速网络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转间隔层、过程层执行；(4)具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；(5)具有(或备有)站内当地监控的人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，实现视频、声音等多媒体功能；(6)
19、具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能；(7)具有(或备有)变电站故障自动分析和操作培训功能。,2.1 变电站自动化系统的分层和逻辑结构,2.1 变电站自动化系统的分层和逻辑结构,变电站自动化系统各项功能的逻辑接口,变电站自动化系统各项功能的逻辑接口 间隔层和变电站层之间保护数据交换； 间隔层与远方保护（不在本标准范围）之间保护数据交换； 间隔层内数据交换； 过程层和间隔层之间采样等瞬时数据交换； 过程层和间隔层之间控制数据交换； 间隔和变电站层之间控制数据交换； 变电站层与远方工程师办公地数据交换； 间隔之间类似联锁等直接数据交换； 变电站层内数据交换。,2.1
20、变电站自动化系统的分层和逻辑结构,2.2变电站的智能电子设备定义,变电站自动化系统的设备统称为智能电子设备IED（Intelligent Electronic Devices）。IEC 61850协议对智能电子设备IED的定义是：由一个或多个处理器组成，具有从外部源接收和传送数据或控制外部源的任何设备（例如：电子多功能仪表、数字继电器、控制器）。这些IEDs在物理位置上，可安装在3个不同的功能层（即变电站层、间隔层、过程层）上。,2.3变电站自动化系统的硬件结构模式,2.3.1 早期的集中式系统结构模式这种系统集中采集变电站的模拟量、开关量和脉冲量等信息，集中进行计算和处理，分别完成微机监控、
21、保护和一些自动控制功能。集中结构并非指由单一的计算机完成保护和监控的全部功能。作为变电站自动化系统，这种结构模式已被淘汰，但是RTU作为集中式系统的一个子系统产物，得到了独立发展，目前仍然在国内发电厂中大量使用。集中式系统的缺点：功能过于集中，设备故障影响面大软件复杂，修改和维护工作量大组态不灵活，影响批量生产保护未按对象配置，维护不便,集中式结构,2.3变电站自动化系统的硬件结构模式,2.3变电站自动化系统的硬件结构模式,2.3.2 分层分布式系统结构模式特点：采用分层式结构设计（23层结构）采用分布式结构（各设备相互协调、独立工作）采用面向间隔的结构（每个电气间隔配置一个或多个IED设备）
22、优点：各设备独立完成部分功能，系统故障影响小，可靠性高不同的电气间隔，IED软硬件相似，便于批产和组态实现间隔层IED的就地布置，节省大量电缆，方便检修减少了现场施工和设备安装的工程量，调试和维护方便显著地缩小了变电站主控室的面积。变电站扩建时，系统扩展方便,2.3变电站自动化系统的硬件结构模式,分层分布式系统结构模式,2.3变电站自动化系统的硬件结构模式,2.3.3 当前变电站综合自动化系统的几种模式站控监控层仅设监控主机,通过监控主机实现与远方系统信息交互。站控监控层设监控主机，通信管理单元作为前置机，监控主机及远方系统仅与通信管理单元信息交互。当间隔层设备与自动化系统只能采用单一非以太网
23、通信接口进行信息交互时，常采用该模式。站控监控层设监控主机和通信管理单元,远方系统通过通信管理单元与间隔层设备信息交互。而监控主机主机则独立从间隔设备层获取数据信息。IED设备采用以太网通讯后，该模式被大量使用。站控监控层设监控主机带双通信管理单元,双通信管理单元通过双机互备和自动切换实现与远方系统信息交互，监控主机主机和通信管理机各自独立从间隔设备层获取数据信息，如前图。该模式常用于对通讯可靠性要求较高的高电压等级变电站中。,2.3变电站自动化系统的硬件结构模式,2.3.3 当前变电站综合自动化系统的几种模式各种模式的区别：上述模式的共同特点是采用了分层分布式系统结构，间隔层的配置也基本相同
24、。主要的不同在于站控层与远方调度系统的接口设备上。由于通信管理机作为网关，较常规计算机设备更为稳定和可靠，因此模式3、4被大面积推广。,2.4变电站自动化系统的配置原则,影响系统配置的主要因素 变电站综合自动化系统的配置，是根据变电站一次系统的电压等级、主变台数、进出线多少、变电站的重要程度等多方面综合考虑的。综合自动化系统配置的指导思想（一）通讯网络首选采用以太网通讯监控主机应直接与间隔层IED交互信息采用独立的嵌入式设计的通讯管理机与远方系统通讯除骨干网外，应采用星型拓扑降低网络复杂度。,2.4变电站自动化系统的配置原则,综合自动化系统配置的指导思想（二）IED采用面向电气间隔配置，且应提
25、升IED集成度以简化接线。同一站采用同一系列的产品以降低系统的调试维护工作量。（减少多方协调）暂不实施IEC61850标准时，站内设备推荐使用IEC103协议。单主机系统采用Windows或Linux操作系统（简单），多机系统采用UNIX操作系统（可靠），历史数据库应采用商用数据库（开放）。监控系统的监控软件除能实现常规SCADA功能外，还应能实现站内保护设备故障信息显示和分析。（功能集成，很强的实用性）,变电站自动化系统间隔层设备配置原则根据电力系统微机继电保护技术导则，对使用3-35kV微机保护装置宜采用保护、测量、控制、通讯为一体的四合一单元；高压变电所的自动化系统，因保护配置复杂及安全
26、性的要求，保护与监控必须分离。据此，宜采取如下配置：电压等级为35kV/10kV/6kV的间隔层，宜选用保护测控综合装置，并安装于开关柜上。电压等级为110kV线路、主变压器保护监控宜组屏安装于中控室或保护室内。电压等级220kV及以上的电力设备，保护监控应独立配置；并组屏安装于中控室或保护室内。,2.4变电站自动化系统的配置原则,2.4变电站自动化系统的典型配置,2.4变电站自动化系统的典型配置,典型变电站配置举例：某110KV降压变电站，设置两台110/10KV变压器，110KV侧采用内桥接线，10KV侧采用单母线分段，每段母线配一组双Y接线电容器和一组消弧变。基本思想：采用分层分布的综合
27、自动化系统，将110KV间隔相关二次设备、主变相关二次设备、公用二次设备、网络设备及通信管理机集中组屏，布置在中控室内，其余设备则就地安装在高压柜中。,2.4变电站自动化系统的典型配置,一、主控室布置：后台计算机系统配置PC机或工控机、打印机、音响各一套，安装监控系统软件，完成变电站当地监控、自动控制、故障分析、设备维护等功能。第一面屏：110KV线路屏配置两台测控装置（含110KV线路操作箱）、一台备自投装置（含桥开关操作箱），两测控装置各完成一条进线的测控，备自投装置完成进线互投、桥开关自投以及桥开关自身的保护测控。,2.4变电站自动化系统的典型配置,一、主控室布置：第二、三面屏：变压器保
28、护测控屏每台主变配置一套主变测控装置，另外独立配置变压器主保护、后备保护和非电量保护。主变测控装置同时完成档位和温度采集，以及档位调节和接地刀的遥控）第四面屏：公共信息屏配置一台通信管理机、一台公共测控装置、一台GPS装置、一台逆变电源，一台网络交换机。通讯管理机完成于远方系统的信息交互，公共测控装置完成直流屏、交流屏、火灾、保安等设备的信号采集。GPS以IRIG-B码完成全站IED设备的对时，以网络或串行通信完成监控主机的对时。网络交换机，完成站控层设备的通讯。,2.4变电站自动化系统的典型配置,二、10KV高压室布置10KV出线间隔（16套）16套馈线保护测控一体化装置，就地安装在开关柜上
29、，完成相关的保护、测控、录波、远传等功能10KV电容器间隔（2套） 2套电容器保护测控一体化装置，就地安装在开关柜上，除完成常规的保护、测控、录波、远传等功能外，每套还需实现完成两路零序过压保护。10KV消弧接地间隔（2套） 2套接地变保护测控一体化装置，就地安装在接地柜上，除完成常规的保护、测控、录波、远传等功能外，还需提供消弧消谐功能。,2.4变电站自动化系统的典型配置,二、10KV高压室布置10KV PT间隔（2套）2套PT测控装置，就地安装在PT柜上，除完成常规测控和电压谐波、母线绝缘监视、PT自动并列等功能。10KV分段间隔（1套）1套备用电源自投及分段保护测控一体化装置，就地安装在
30、母联柜上，实现分段自投、分段开关的保护测控等功能。间隔层网络交换机16口两套，布置在引线柜，完成10KV两段母线各间隔的通讯集成。,第3章监控系统的操作和使用,3.1监控系统的任务和要求3.2监控系统的基本功能 3.3监控系统软件的体系结构和运行环境3.4监控系统实例介绍,3.1 监控系统的任务和要求,监控系统的任务：完成一次设备的监视、控制、数据采集、事件顺序记录及显示、使值班人员把握安全控制、事故处理的主动性，减少和避免误操作，缩短事故停电时间，提高运行管理水平，减少变、配电损失。监控系统的基本要求：实时性强（及时获得关注的数据，并显示出来）可靠性高（满足全天候实时监视和控制）维护性好（方
31、便参数修改，增删间隔，系统组态 ）人机交流方便（友好的界面，人性化的设计）通讯可靠（通讯可靠是系统正常运行的保障）信息接入容量庞大（不限变电站规模，扩建方便）可编程资源丰富（提供一系列工具实现特殊要求）,3.2 监控系统的基本功能,实时数据的采集和处理 模拟量、数字量或状态量、电能量的采集、折算回一次值、显示并保存到历史库人机界面功能主接线、数据、报文、报表、曲线、记录显示运行监视和报警 越限报警、事故报警、设备状态监视和记录、工况监视操作控制功能 开关分合、电容投退、档位调节、保护投退。具备多级权限管理和电气闭锁、防误操作等功能数据处理和统计需量记录、电压合格率、主变负载率、开关动作次数、事
32、故状况统计、操作记录等,3.2 监控系统的基本功能,事故记录和追忆保护报文、SOE记录、开关变位记录、事故前后的电压电流采样值故障分析故障录波波形显示、运算、分析、故障电压、电流显示、故障测距制表打印对报表、报文、定值、曲线、日志等进行手动或自动打印数据查询对历史数据、统计数据、历史报文、操作记录等检索系统维护参数定义、设备增删、限值设置、报表制作,3.3 监控系统的体系结构和运行环境,硬件体系结构,3.3 监控系统的体系结构和运行环境,3.3 监控系统的体系结构和运行环境,操作系统Unix（Solaris, AIX, HP UX, Tru64）Linux（多种发行版本）Windows（XP/
33、2003/Vista/2007）数据库Oracle（9i/10g/11g）Microsoft SQL Server（2000/2005/2008）MysqlWEBApachePHP,3.3 监控系统的体系结构和运行环境,3.4 监控系统实例介绍,Super-2000 SCADA/EMS自动化系统规模可裁剪：最高用于省调系统，最低用于变电站单机监控系统，灵活的硬件配置要求。系统跨平台：适用于各种主流硬件、各种主流操作系统、主流数据库平滑升级：软件设计向上兼容，用户可自行完成平滑升级，最大限度保护用户投资功能强大：集成了SCADA、EMS、PAS、RMS、DTS、AVC等功能，实现“六遥”功能,A
34、VC控制显示界面,3.4 监控系统实例-AVC界面,遥控和视频联动,3.4 监控系统实例-视频联动界面,保护定值管理,3.4 监控系统实例-保护定值调用,保护录波回放,3.4 监控系统实例-故障录波显示,3.4 监控系统实例-可视化界面,生命线示例，红色代表重载线路,3.4 监控系统实例-生命线在SCADA中的应用,操作票界面,3.4 监控系统实例-集成两票管理,SCADA视图,CIM视图,3.4 监控系统实例-对象编辑界面,对象字典定义,3.4 监控系统实例-对象字典定义,从画面上调对象操作面板,3.4 监控系统实例-无处不在的对象操作面板,从告警中调对象操作面板,3.4 监控系统实例-无处
35、不在的对象操作面板,从公式编辑中调用对象操作面板,3.4 监控系统实例-无处不在的对象操作面板,遥信对象操作面板,断路器对象操作面板,3.4 监控系统实例-无处不在的对象操作面板,从对象操作面板查询事件,3.4 监控系统实例-无处不在的对象操作面板,保护对象操作面板,3.4 监控系统实例-无处不在的对象操作面板,变压器图元的参数,3.4 监控系统实例-参数化图元,开关挂牌,3.4 监控系统实例-参数化图元,变压器图元绑定到设备，图元参数自动设定,3.4 监控系统实例-超级绑定,建模时自动关联设备和测点,3.4 监控系统实例-关联和拷贝和自动粘连,拓扑着色采用混色,3.4 监控系统实例-拓扑着色
36、,事故推缩略图画面，按告警优先级排序,3.4 监控系统实例-事故推画面,棒图、饼图和光字牌,3.4 监控系统实例-即插即用的图元组件,系统控制台组件,3.4 监控系统实例-可扩展系统控制台,在线报文翻译,3.4 监控系统实例-在线报文自动翻译,公式编辑,3.4 监控系统实例-强大的数据加工能力,主变经济运行曲线,3.4 监控系统实例-变压器经济运行分析,负荷管理，限电跟踪控制,3.4 监控系统实例-负荷管理,基于WEB的综合统计查询,3.4 监控系统实例-WEB服务,3.4 监控系统实例-省调应用,3.4 监控系统实例-电解铝厂应用,第4章变电站IED的硬件介绍,4.1 变电站IED的硬件的组
37、成4.2 模拟量采集回路 4.3 开关量采集回路4.4 继电器输出回路4.5 CPU核心系统回路4.6 IED的电源系统4.7 保护装置操作回路4.8 IED机箱设计,4.1 变电站IED的硬件的组成,变电站IED的硬件的基本组成模拟量采集回路 开关量采集回路继电器输出回路CPU核心系统回路液晶显示和键盘通讯接口开关电源,4.1 变电站IED的硬件的组成,一个IED的硬件原理框图,4.2 模拟量采集回路,两种不同的模拟量采集和比较 1. 直流量采样 直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量先转换成直流电压信号，再送至AD转换器进行转换；即AD转换器采样的模拟量为直流信号。直流量采样适用于低速、缓
38、慢变化的信号。 直流量采样实现电气隔离困难、易受高频干扰、零漂检测和消除困难。对快速变化的信号，实现高精度采样难度高。 2. 交流采样 交流采样是相对直流采样而言，即指对交流电流和交流电压采集时，输入至AD转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率，大小成比例的交流电压信号。在交流采样方式中，对于有功功率和无功功率，是通过采样所得到的u，i ,计算出P，Q。 交流量采样尤其适用于电力系统工频变化信号。可采用互感器实现隔离，容易消除检测到直流零漂并实现软件，需要采取措施实现双极性采样，对工频信号易实现高精度采样。,4.2 模拟量采集回路,模拟量采集回路的组成 1. 传感器2. 信号处理环节3
39、. 多路模拟开关 4. 采样保持器 5. 模/数（A/D）转换器 现代实际IED设计时，往往采用模拟开关、采样保持、A/D转换为一体的A/D器件，以提升硬件的可靠性。例如AD7865、MAX125、AD7656、ADS8364等,4.2 模拟量采集回路,两种直流模拟量采集方式回路,交流电压电流输入通道结构框图,4.2 模拟量采集回路,采样定理 一个随时间连续变化的物理量f(t)，下图a，经过采样后，得到一系列的脉冲序列f*(t)，它是离散的信号，被称为采样信号，如图c 。 根据香农（Shannon）定理：如果随时间变化的模拟信号（包括噪声干扰在内）的最高频率为fmax，只要按照采样频率f2 f
40、max进行采样，那么所给出的样品系列,，就足以代表（或恢复）f(t)了，实际应用中常采用f(510)fmax。,4.2 模拟量采集回路,采样保持器的作用和原理 （1）保证转换时的误差在A/D转换器的量化误差内（2）实现多个模拟量的同步采样（功率计算、差动保护）,4.2 模拟量采集回路,A/D转换器的主要技术性能（1）分辨率：分辨率反映A/D转换器对输入模拟信号微小变化响应的能力，通常以数字量输出的最低位（LSB）所对应的模拟输入电平值表示。N位A/D转换能反映1/2n满量程的模拟量输入电压。一般用A/D转换器输出数字量的位数来表示分辨率。,4.2 模拟量采集回路,A/D转换器的主要技术性能（2
41、）准确度： 绝对误差：对应一个数字量的实际模拟量的值和模拟量的理论值之差，为绝对误差。用数字量的最小有效位表示。例如： 1/2LSB, 1LSB 相对误差：(相对误差/满量程的模拟量） 100%（3）转换时间：完成一次A/D转换所需的时间。对变电站IED而言，即便每周波200点密集采样，全部通道转换周期也只要小于100 s即可。例如：AD7865的每通道转换时间为2.4 s（4）量程：A/D转换器所能转换的模拟输入电压的范围 单极性： 0 5 V， 0 10 V， 0 20 V， 双极性：2.5 2.5 V, 5 5 V, 10 10 V 影响性能的关键因素在于AD分辨率和信号的信噪比。由于变
42、电站IED内部噪音约为15mV。提升信噪比即提升量程，故在最大10 V量程下，14位AD精度已接近信噪比极限，采用更高AD位数效果并不明显。,4.2 模拟量采集回路,4.3 开关量采集回路,开关量的采集的几个注意事项1、信号输入推荐采用DC110/220V高电压输入以提升抗干扰能力2、输入端提供低通滤波和反向旁路抑制高频干扰3、应实现内外信号电气隔离4、应设定合适的开关量动作检出阈值，例如DC220V输入的开关量，阈值设定在110V。5、从时间或阀值上具备一定的迟滞特性来过滤抖动,采用光电隔离的开关量输入方式,4.3 开关量采集回路,采用继电器隔离的开关量输入方式,两种输入方式的优缺点对比1、
43、采用光耦隔离的开关量输入方式节省空间、功耗低(一般设定2mA)、速度快(几十us)、成本低廉、抗扰动性能不如继电器，但电气隔离能力优于继电器2、采用继电器隔离的开关量输入方式 具有天然的迟滞特性，抗扰动能力强。但所占空间大、功耗大（一般至少为510mA）、速度慢（几ms）,成本高,4.3 开关量采集回路,4.3 开关量采集回路,开关量、数字量输入的后续输入回路,一种开关量光耦输入前置抗扰动处理回路,4.3 开关量采集回路,CPU对开关量、数字量采集的处理方式1、状态变化申请中断方式采样实时性极高（us级响应），采样电路复杂，丢失中断时将监测不到变化的信号，故仅用于高速信号捕捉时才使用。2、采用
44、定时扫描方式采样 采样电路简单，采集方式性能可靠，可与交流采样中断中顺带实现，实时性也能满足一般遥信量的需要。例如在每周波24点下，时间分辨率为0.833ms。但高于扫描周期高速变化信号则无法捕捉。常用于遥信量采集。,4.3 开关量采集回路,软件的防抖处理软件处理时应捕捉第一次状态变化时间，但应延时判别后才能确认状态是否变化,4.3 开关量采集回路,4.4 开关量输出回路,开关量输出回路的几个注意事项1、继电器线圈去激励时的瞬变干扰抑制2、多重闭锁措施防止误出口3、根据控制对象的特点设计印制板走线4、应实现内外信号电气隔离5、推荐两级隔离抑制源于输出回路的传导干扰,常用数字量输出接口电路输出接
45、口电路可直接由CPU IO引脚内部寄存器锁存输出，也可由外部控制总线锁存输出。两则的区别仅仅在于锁存器在CPU片内还是片外。显然片内锁存可靠性更高些，但CPU IO资源往往有限，无法满足大规模开关量输出需要。,4.4 开关量输出回路,继电器输出电路设计继电器线圈并列续流二级管抑制瞬变干扰动作于开关的出口继电器，其工作电源必须经装置自诊断输出和装置启动输出控制推荐采用光耦将CPU逻辑电源与继电器工作电源进行隔离动作于开关的出口继电器，其印制板走线应满足额定10A的载流能力，相应的继电器接点容量也应满足大容量负载要求所有出口和信号输出印制板走线长度应尽量短，减少外部干扰信号进入IED内部的辐射空间
46、,4.4 开关量输出回路,继电器输出回路设计,4.4 开关量输出回路,CPU核心系统基本组成CPU芯片（832位，DSP、ARM、COLDFIRE、PPC、51/96）RAM及容量（SRAM或SDRAM、带电池SRAM，116M字节)可编程ROM及容量（FLASH ，116M字节）地址译码电路（CPLD、FPGA等）RTC(实时日历时钟)硬件WATCHDOG及电源监视回路,4.5 CPU核心系统介绍,CPU核心系统可选模块大容量存储单元（SD卡、CF卡、U盘）以太网络（32位自带以太网接口、外挂网络接口）串行接口（RS485/232）,关于三种总线选择方式的技术评价总线不出CPU特点：所需器件
47、最少，受干扰面积最小，可靠性最高缺点：资源有限，软硬件升级困难，仅用于代码量小的IED设备总线不出模块特点：易共享软硬件平台，升级方便，易规模化生产缺点：集成度高，布线密集总线不出CPU板特点：布线容易缺点：针对特别的IED开发，易造成板件种类增多，受干扰面积最大，可靠性最低。,4.5 CPU核心系统介绍,4.5 CPU核心系统实例,电源系统-IED的“心脏”完成高电压小电流输入到低压大电流输出的转换完成外部电源系统与IED内部系统的隔离抑制外部高频干扰信号对IED内部系统的扰动抑制内部高频信号对外部电源系统的干扰实现过流、过压、过热保护在电源输入较大波动下，仍然维持输出稳定,4.6 IED电
48、源系统介绍,电源系统设计准则元器件等降额使用（整流器件、电容、MOSFET）电源输出功率降额使用电解电容原理发热器件优化散热条件考虑EMI和EMS寿命计算和等寿命法则运用,4.6 IED电源系统介绍,电源系统工作原理,4.6 IED电源系统介绍,4.6 IED电源系统介绍,操作回路的基本功能 电气防跳动作保持以保证出口接点不拉弧断路器异常闭锁操作（压力、储能）断路器操作回路断线监视断路器位置监视实现人工远方或就地分闸闭锁重合闸,4.7 保护操作回路介绍,4.7 保护操作回路介绍,机箱的基本要求 美观、实用提供人机操作界面实现对外部干扰的屏蔽,4.8 变电站保护、测控及自动化装置机箱,两种插件布
49、置结构 前插件结构 维护方便、强弱电分离困难、抗干扰差后插件结构 每块插件就地实现内外隔离和屏蔽、弱电走线远离强电区域、抗干扰强、组屏方式不易维护,4.8 变电站保护、测控及自动化装置机箱,采用后插件结构的机箱实例,第5章变电站IED设备软件和算法,5.1 有效值的计算方法5.2 功率和电度量计算方法 5.3 定时限过量保护元件的实现5.4 定时限欠量保护元件的实现5.5 定时限矢量保护元件的实现5.6 反时限保护的实现5.7 复杂保护的实现,5.1 有效值计算方法,有效值计算方法主要有三种正弦函数的半周积分法 周期函数的傅立叶滤波算法周期函数的真有效值计算法,5.1 有效值计算方法,正弦函数
50、的半周积分法 一个正弦函数的半周期面积为S，而S可由离散采样点通过梯形法近似求得。,半波绝对值算法常用用于过流保护等场合,5.1 有效值计算方法,周期函数的傅立叶滤波算法,一个周期函数可用傅立叶级数展开为：,该函数的基波表达式为：,其中a1、b1分别为基波相量的实部和虚部，可由傅立叶逆变换求得：,5.1 有效值计算方法,周期函数的傅立叶滤波算法,a1、b1用离散采样点梯形法求和近似可得：,该函数对应相量表达式为： I1=a1+jb1该相量表达式在基波功率计算、方向保护、阻抗保护、序分量计算中极为有用,5.1 有效值计算方法,周期函数的真有效值(RMS)计算方法,真有效值计算方法也称均方根算法，
