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1、内容提要：本章介绍了供电系统的基本功能以及变电所综合自动化系统的结构，还介绍了备用电源投入装置、自动重合闸装置、中性点不接地系统单相接地自动选线装置，最后介绍了电力负荷管理和控制。,第7章供电系统变电所的自动化,第7章 供电系统变电所的自动化,第一节 概述第二节 变电所自动化系统的基本功能第三节 变电所综合自动化系统的结构第四节 备用电源自动投入装置第五节 自动重合闸装置第六节 变电所的电压、无功综合控制第七节 中性点不接地系统单相接地自动选线装置第八节 电力负荷管理与控制,第一节 概述,变电所的自动化系统就是将变电所的二次设备（包括：继电保护装置、控制装置、测量装置、信号装置）通过计算机网络
2、和现代通信技术综合集成为一体，实现变电所运行管理自动化的系统。,一、变电所的自动化系统的定义,二、变电所的自动化系统的主要功能,具有微机保护，数据、信号采集与测量，自动控制，运行监视，打印记录，故障录波与测距，信息储存与分析，自诊断，与调度所通信以及接受、处理和传送来自线路需经变电所传送的信号等功能。,三、变电所的自动化系统的分类,1）在中、低压变电所中采用自动化系统，取消常规的保护、监视、测量、控制屏，以全面提高变电所的技术水平和运行管理水平，并逐步实行无人值班，达到减员增效的目的。,2）对于高压大型枢纽变电所的建设和设计来说，采用自动化系统，解决了各专业在技术上保持相对独立而造成的互相脱节
3、、重复投资，甚至影响运行可靠性的弊端。达到提高自动化水平和运行管理水平的目的。,第二节 变电所自动化系统的基本功能,一、监视控制功能,变电所综合自动化系统的监控功能，应包括变电所模拟量、状态量、脉冲量的数据采集，时间顺序记录，故障录波，谐波监测与分析，变电站操作控制，人机联系，变电所内通信以及与上级调度通信的全部功能。,1.数据采集:对供电系统运行参数的在线实时采集是变电所自动化系统的基本功能之一，运行参数可分为模拟量、状态量和脉冲量等。,2.数据处理与记录:数据处理的内容为电力部门和用户内部生产调度所要求的数据。(1)变电所运行参数的统计、分析与计算(2)变电所内运行参数和设备的越限报警及记
4、录(3)变电所内的事件记录,3.运行监视:运行监视即对采集到的反映变电所运行状况和设备状态的数据进行自动监视。,4.故障录波:10kV及以上的重要配电线路距离长、发生故障影响大，当配电线路故障时必须尽快查出故障点，以便缩短维修时间，尽快恢复供电，减少损失。,5.事故顺序记录与事故追忆 事故顺序记录就是对变电所内的继电保护、自动装置、断路器等在事故时动作的先后顺序自动记录。事故追忆是指对变电所内的一些主要模拟量，如线路、主变压器的电流、有功功率、母线电压等，在事故前后一段时间内作连续测量记录。,6.控制及安全操作闭锁：操作人员可通过显示器屏幕对断路器、隔离开关进行分、合闸操作；对变压器分接头进行
5、调节控制；对电容器组进行投、切控制。并且所有的操作控制均能就地和远方控制、就地和远方切换相互闭锁，自动和手动相互闭锁。操作闭锁包括以下内容：操作系统出口具有断路器分、合闸闭锁功能。,二、微机继电保护功能,微机继电保护是变电所自动化系统中的关键环节，主要包括线路保护、电力变压器保护、母线保护、电容器保护、小电流接地系统自动选线、自动重合闸。由于继电保护的特殊重要性，自动化系统绝不能降低继电保护的可靠性、独立性。,微机继电保护应满足的要求：1.系统的微机继电保护按被保护的电力设备单元(间隔)分别独立设置，直接由相关的电流互感器和电压互感器输入电气量，保护装置的输出，直接作用于相应断路器的跳闸线圈。
6、2.保护装置设有通信接口，供接入站内通信网，在保护动作后向变电所层的微机设备提供报告，但继电保护功能完全不依赖通信网。3.为避免不必要的硬件重复，以提高整个系统的可靠性和降低造价，对35kV及以下的变（配）电所，在不降低保护装置可靠性的前提下，可以配给保护装置其他一些功能。4.除保护装置外，其他一些重要控制设备，例如备用电源自动投入装置、控制电容器投切和变压器分接头有载切换的无功电压控制装置等，也不依赖通信网，设备专用的装置放在相应间隔屏上。,三、自动控制装置的功能,变电所自动化系统必须具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自动控制功能。因此，典型的变电所自动化系统都配置了相应的自动控制装置，
7、如备用电源自动投入控制装置、自动重合闸装置、电压、无功综合控制装置、小电流接地选线装置等。,1.备用电源自投控制：当工作电源因故不能供电时，备用电源自动投入装置应能迅速及时将备用电源自动投入使用或将用电负荷切换到备用电源上去。,2.自动重合闸装置：在供电系统的架空线路发生“瞬时性故障”被继电保护迅速断开后，由于故障的瞬时性，故障点的绝缘强度会自动恢复。利用这一特点，采用自动重合闸装置能够自动将断路器重新合闸，恢复供电，提高供电的可靠性。,4.小电流接地选线装置：在中性点不接地系统中发生单相接地时，接地保护应能正确地选出接地线路及接地相，并予以报警。,3.电压、无功综合控制：变电所电压、无功综合
8、控制是利用有载调压变压器和母线无功补偿电容器及电抗器进行局部的电压及无功功率补偿的自动调节控制，使负荷侧母线电压偏差在规定范围以内以及用户供电系统的功率因数达到电力部门的要求。,四、远动及数据通信功能,变电所自动化的通信功能包括系统内部的现场级的通信和自动化系统与上级调度的通信两部分。,1)自动化系统的现场级通信，主要解决变电所内部自动化各子系统间和各子系统与上位机(监控主机)间的数据和信息交换问题。它们的通信范围是变电站内部。对于集中组屏结构的自动化系统来说，实际上是在变电所主控室内部；对于分散分层结构的自动化系统来说，其通信范围扩大至主控室与现场单元的安装地。,2)自动化系统必须兼有远动终
9、端（Remote Terminal Unit,RTU）的全部功能，应该能够将所采集的模拟量和开关量信息，以及事件顺序记录等远传至上级调度中心；同时应该能够接收调度中心下达的各种操作、控制、修改定值等命令。,第三节 变电所综合自动化系统的结构,一、变电所综合自动化系统设计的原则,根据变电所在供电系统中的地位和作用，对变电所自动化系统的结构设计应考虑可靠、实用、先进的原则。,可靠性是变电所自动化系统结构设计的基础，系统本身应有较强的抗干扰能力和自检恢复功能，在系统运行中，继电保护的动作行为仅与保护装置有关，不依赖于监控系统和其他环节，保证自动化系统中某一环节故障只影响局部功能的实现，不影响保护子系
10、统的正常工作。且都应设有手动跳、合闸功能及防跳功能。,变电所自动化系统的实用性是要求对自动化系统的结构和功能设计从实际应用的对象出发。从而提高变电所自动化系统性能价格比，减少投资。同时系统本身在结构配置上应有可扩充余地、通用性要强、操作使用要方便、便于修改和增删。,变电所自动化系统的先进性通常是以系统的整体结构、功能水平及其可靠性、实用性等综合指标为衡量依据的。变电所自动化系统的整体结构和功能水平设计，要求安全可靠、运行稳定、经济效益等综合指标好，并为变电所的进一步自动化和人工智能应用提供平台，满足和促进变电所无人值班的实施。同时应符合国家或部颁标准，使系统开放性能好，便于升级。,二、变电所综
11、合自动化系统的结构,变电所自动化系统的结构可分为集中式、分布分散式和分散 集中组屏式三种类型。,图7-1 集中式变电所自动化系统结构示意图,1、集中式变电所自动化系统,1）结构简单，投资少。2）功能简单，综合性能差，通常要采用双机并联运行的结构才能提高可靠性。3）程序设计复杂，调试和维护不方便。4）组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须另行设计，不利于推广。,集中式变电所自动化系统，一般适合于小型变电所的新建或改造。,集中式变电所自动化系统的基本特点是：,2、分布集中组屏式变电所自动化系统,图7-2 分布集中组屏的变电所自动化系统结构示意图,这种按功能设计的分散模块化结构具
12、有软件相对简单、调试维护方便、组态灵活、系统整体可靠性高，便于扩充和维护，而且其中一个环节故障，不会影响其他部分的正常运行。适用于主变电所的回路数相对较少，一次设备比较集中，从一次设备到数据采集柜和控制柜等所用的信号电缆不长，易于设计、安装和维护管理的1035kV供电系统变电所。,分布集中组屏式变电所自动化系统的基本特点:,3、分布分散式变电所自动化系统,图73 分布分散式变电所自动化系统结构示意图,减少了所内的二次设备及信号电缆，避免了电缆传送信息时的电磁干扰，节省了投资，简化了维护，同时最大限度地压缩了二次设备的占地面积。由于装置相互独立，系统中任一部分故障时，只影响局部，因此提高了整个系
13、统的可靠性，也增强了系统的可扩展性和运行的灵活性。,分布分散式变电所自动化系统特点:,第四节 备用电源自动投入装置,一、备用电源自动投入装置的作用与类型,作用：用于两路及以上电源进线的变配电所中，提高供电可靠性。,工作电源与备用电源的接线方式可分为两大类：明备用:在正常时，备用电源不投入工作，只有在工作电源发生故障时才投 入工作。暗备用:在正常时，两电源都投入，互为备用。,在正常情况下，QF1闭合，QF2断开，负荷由工作电源供电。,当工作电源故障时，APD动作，将QF1断开，切除故障电源，然后将QF2闭合，使备用电源投入工作，恢复供电。,图74 备用电源接线方式示意图a)明备用,正常情况下，Q
14、F1,QF2闭合，QF3断开，两个电源分别向两段母线供电。,若电源A(B)发生故障，APD动作，将QF1(QF2)断开，随即将QF3闭合，此时全部负荷均由B(A)电源供电。,图74 备用电源接线方式示意图 b)暗备用,1）不论什么原因失去工作电源，APD都能迅速起动并投入备用电源；2）必须在工作电源确已断开、而备用电源电压也正常时，才允许投入备用电源；3）APD应只动作一次，以免将备用电源重复投入永久性故障回路中；4）当电压互感器二次回路断线时，APD不应误动作。,二、对备用电源自动投入装置的基本要求,三、备用电源自动投入装置的原理,第五节 自动重合闸装置,一、自动重合闸的作用和类型,运行经验
15、表明，电力系统的故障特别是架空线路上的故障大多是暂时性的，多数能很快地自行消除。因此，采用自动重合闸装置（ARD），迅速恢复供电，从而大大提高供电可靠性。,自动重合闸装置分三相一次重合闸、二次重合闸和三次重合闸三种形式,二、对自动重合闸装置的基本要求,1)线路正常运行时，自动重合闸装置（ARD）应投入，当值班人员利用控制开关或遥控装置将断路器断开时，ARD不应动作。当值班人员手动合闸，由于线路上有永久性故障而随即由保护装置将断路器断开时，ARD亦不应动作。2)除上述情况外，当断路器因继电保护装置或其他原因跳闸时，ARD均应动作。3)ARD可采用控制开关位置与断路器位置不对应原则启动重合闸装置，
16、即当控制开关处在合闸位置而断路器实际上处于断开位置的情况下，使ARD启动动作。4)ARD的动作次数应符合预先的规定（如一次重合闸只应动作一次）。无特殊要求时对架空线路只重合一次，而对电缆线路一般不采用ARD，因其瞬时性故障极少发生。5）ARD的动作时限应大于故障点灭弧并使周围介质恢复绝缘强度所需时间和断路器及操作机构恢复原状，准备好再次动作的时间，一般采用0.51s。6)ARD动作后，应能自动复归，为下一次动作做好准备。7)应能和保护装置配合，使保护装置在ARD前加速动作或ARD后保护加速动作。,三、单电源线路三相一次重合闸的工作原理,（1）重合闸启动（2）重合闸时间（3）一次合闸脉冲（4）手
17、动跳闸后闭锁（5）重合闸后加速保护跳闸回路,图7-5 三相一次重合闸的工作原理框图,在供电系统中，利用自动重合闸所提供的条件以加速切除故障,1、自动重合闸前加速保护：重合闸前加速保护一般又简称“前加速”。,图7-6 重合闸前加速保护方式的构成原理示意图（a）网络接线图（b）时间配合关系,2、自动重合闸后加速保护：每段线路相应均装设重合闸装置，当线路第一次出现故障时，利用线路上设置的保护装置按照整定的动作时限动作。然后相应的ARD动作，使断路器重合一次。,图77 自动重合闸装置后加速保护动作原理图,第六节 变电所的电压、无功综合控制,变电所电压、无功综合控制装置的控制对象是有载调压变压器的分接头
18、和在低压母线上设置的并联补偿电容器组。控制的目的是保证主变压器低压侧母线电压在允许范围内，且尽可能提高进线的功率因数。,一、变电所电压、无功综合控制的目的,二、正常工作状态变电所电压、无功综合控制原理,图7-8 运行区域图,1区间进线功率因数满足要求，但母线电压超越上限，控制器发出指令调节变压器分接头降压。如分接头已调到极限而电压仍高于上限，则强切补偿电容器组以调节电压。2区间母线电压和进线功率因数均超越上限，此时往往电力负荷较小，控制器发出指令应先切补偿电容器组，一方面改善进线功率因数使其在正常值范围内，另一方面降低母线电压。如电压仍超越上限，则再调节变压器分接头降压。3区间母线电压正常，但
19、进线功率因数超越上限，控制器发出指令逐步切除补偿电容器组，以调节进线功率因数。4区间电压低于下限，但进线功率因数超越上限。此时若先切补偿电容器调节进线功率因数，则母线电压会更低，所以指控制器指令先调节变压器分接头升压，待电压满足运行要求后，再切补偿电容器组来调节进线的功率因数。5区间该区间的母线电压低于下限，而进线功率因数在要求范围内，则控制器指令调节变压器分接头升压。如果变压器分接头已调至极限位限时，则强制投入补偿电容器组来改善母线电压。,6区间进线功率因数和母线电压均低于下限值，此时，控制器优先发出投入补偿电容器组的指令。这样一方面提高进线功率因数；另一方面可改善母线电压，若母线电压仍低于
20、下限，则再调节变压器分接头升压，使母线电压水平满足要求。7区间电压正常，但进线功率因数低于下限要求，则指令投入补偿电容器组，以提高进线功率因数。8区间运行参数是电压越上限，而进线功率因数低于下限值，如果此时，仅投入补偿电容器组来提高进线功率因数，会使母线电压进一步升高。因此，控制器指令先调节变压器的分接头降压，然后再投入补偿电容器组来提高进线的功率因数。,三、异常运行状态综合控制原理,1)当电容器组因故障保护动作切除后，应能自动闭锁控制在未排除故障前不能再发出投入电容器组的指令。2)当电压太低时(如低于额定电压的80%)，应自动闭锁调压功能。3)在变压器过负荷时，应自动闭锁调压功能。4)为了避
21、免控制器过于频繁动作，除在电压限值的上、下限范围内设置一定的调节死区处，还应在控制动作一次后，有一定的延时，在此时间内只监视运行情况，而不发出新的控制命令。,第七节 中性点不接地系统单相接地自动选线装置,一、中性点不接地系统单相接地自动选线装置的特点,中性点不接地系统单相接地自动选线装置，用于在不停电的情况下寻找故障线路。,二、中性点不接地系统基于基波零序电流方向单相接地自动选线装置的工作原理,1）由于单相接地故障，全系统将出现零序电流。2）非故障回路（包括电源变压器回路）中的零序电流有效值等于正常情况下该回路每相对地的电容电流的3倍，其方向由母线指向线路。3）故障回路上的零序电流为全系统非故
22、障回路对地电容电流之总和，其方向由线路指向母线。4）变电所低压母线上出线回路越多，则故障回路上反映的零序电流就越大，也越有利于单相接地自动选线装置的故障选线判断。,图7-9 中性点不接地系统单相接地时零序电流分布示意图,在线路 上k点发生A相接地故障后,图710 中性点经消弧线圈接地系统单相接地时零序电流分布示意图,第八节 电力负荷管理与控制,一、电力负荷管理,电力负荷管理从整体上讲，应包括负荷特性调查与管理决策、负荷分析与预测、负荷调整及直接控制等内容。,负荷特性调查与管理决策 不同类型的电力消费，有其不同的负荷特性。负荷特性调查的目的在于了解其特有的用电规律，以便为科学地管理负荷提供决策依
23、据。,负荷分析与预测 研究各类用电负荷的构成以及随时间的变化规律，了解用电负荷的均衡程度，从中分析用电负荷调整的潜力。而正确预测负荷的增长，是确定电网建设发展规划，拟定系统运行方式，确定市场营销策略的基本依据。,负荷调整及直接控制 负荷调整是用电负荷管理的一项主要内容。在电力系统合理调度、及时调整发电厂发电出力的同时，合理调整用户供电系统的电力负荷，减小系统运行的负荷峰谷差，促使用电负荷曲线趋向平坦。负荷直接控制是指当电网发生事故或出现电力供应不足时，为保证电网的安全运行和重要负荷的用电，利用技术手段限制某些具有可控性、可替代性的负荷的运行；或在负荷高峰时段，对某些用电进行削峰或避峰施行的中断
24、供电措施。,二、电力负荷管理系统的结构和功能,综合利用计算机技术、控制技术和通信技术，对用电负荷实施广泛的监测、控制和管理的技术手段即为电力负荷管理系统。,（一）分散型负荷管理装置,分散型负荷管理装置一般安装在电力用户的供电线路或需监控的大型设备上，按预先整定的时间或分时段定值对用电状况进行监控。,1.电力定量器,2.电力时控开关,（二）集中型负荷管理系统,集中型负荷管理系统由电力负荷管理中心、数据传输信道及安装在被监控侧的控制终端构成。其主要功能有：监测变电所馈电线路负荷、变电所馈电线路断路器、馈电线路末端电压和用户各种表计；在正常和紧急情况下，进行过负荷减载，削峰、填谷，调整负荷曲线，改善
25、负荷率，包括降压减负荷、用户负荷周期控制和用户负荷切除；通过控制终端，将用户各种负荷信息传送给负荷管理中心，使供电部门掌握用户的负荷情况，进行跟踪处理。包括设备管理、负荷预计、负荷管理方案研究和评价等。根据所采用的信息传输方式有：音频电负荷管理、无线电负荷管理和电力线载波负荷管理。,1.无线电力负荷管理,无线电负荷管理系统采用特高频（我国为230MHz频段）无线电信号传送信息和数据，系统的特点是远方终端数量多，但每个终端的实时信息量不大，而且对实时性的要求也比变电站自动化系统或电力调度系统要低些。且具有双向通信、不与强电系统耦合、安装调试和运行方便等优点，因而在工程中获得广泛应用。,图7-11
26、 电力负荷管理系统管理中心组成示意图,无线电力负荷管理的主要功能有：1）利用遥测、遥控以及当地功率定量或电量定量控制等功能对广大用户负荷实时监控，迅速调整电网负荷，保证电网安全。2）对采集的各类负荷数据分析处理，进行负荷预测和电力市场预测。3）对上网电厂的上网电力进行监控，保证大电网的安全经济运行和环境保护。4）对大中型电力用户的电能计量装置进行远方自动抄表，并与变电所、配电变压器等电能量抄表相结合，进行科学的线损分析和处理。5）实施催交电费。并及时发现电能表故障和窃电现象。6）利用系统的遥测遥控功能，实现电压合格率监测、用户电容器自动投切、柱上开关的控制等。7）利用装置的显示、打印及通信接口
27、，为电力用户提供数据，协助用户对内部用电实施经济调度和管理。,2.音频电力负荷管理系统,音频电力负荷管理系统的数据信息传输方式是在输电线路上耦合音频信号，借以传输监控用户电力负荷的信息。,图7-13 音频电力负荷控制系统框图,采用音频传输用户电力负荷的信息的特点是输送距离较长，衰减小，不易受外界电磁波干扰，但是发射装置数量多，尤其是需要反馈信息的双向监控管理时，还需要在用户接收端另增设音频发生器和耦合设备，因而总造价昂贵，限制了该装置在实际工程中的应用和发展。,3.电力线载波负荷管理系统,图7-14 载波电力负荷控制系统框图,载波电力负荷管理系统，借 助 在输电线路上的载波信号，传输用户的电力
28、负荷信息。,载波电力负荷管理系统与音频电力负荷管理系统除在电力线路上传输的载波频率不一样外，其余结构基本相同，由于电力载波的信号频率比音频高100倍，故其传输信息的速率较高，相关设备体积小，容易实现双向信息的传输。但利用载波传输数据信息的方式与电力线路关系密切，在比较复杂的配电网中还需加装阻波器、增音器，在实际施工、系统安全及信号传输等方面都有一定的困难。,例：用电管理中的自动抄表与远程电能计费系统,（一）多功能电子式电能表,1电子式电能表的性能及组成原理,（1）用电计测功能,2多功能电子式电能表的功能,（2）监视功能,（3）控制功能,（4）管理功能,（5）存贮功能,（6）自恢复与自检测,（二）自动抄表技术,本地自动抄表方式,移动式自动抄表方式,预付费电能计费方式,远程自动抄表方式,1）本地自动抄表方式,2）移动式自动抄表方式,3）预付费电能计费方式,4）远程自动抄表方式,（三）远程电能计费系统,一个典型的远程电能计费系统主要由具有自动抄表功能的电能表、抄表集中器、抄表交换机和中央信息处理机等组成。,电子式电能表,三相电子式多费率电能表,单相电子式多费率电能表,三相电子式多功能电能表,
