提高变电站电气监理人员对变电站综合自动化系统的认识

赵 江

（内蒙古康远工程建设监理有限责任公司， 内蒙古 呼和浩特 010020）

变电站在电力系统中起到变换调整电压、接受和分配电能、控制电力流向的作用。变电站中汇集了大量具有不同用途的电气设备。而这些电气设备按其用途及功能不同，一般分为一次设备和二次设备两大类。我们将变电站直接传输、分配电能的电气设备称为一次设备。如：变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、电抗器、电力电容器、母线、电力电缆等电气设备。将对一次设备起测量、监视、控制、调节及保护作用的电气设备称为二次设备。如：测量计量仪表、继电保护装置、断路器操作箱、测控装置、电压切换、电压并列、低频减载装置、远动装置、交、直流电源系统等。

目前从事变电站电气监理的人员能够通过设计图纸、规程规范、强制性条文对变电站一、二次设备安装过程作良好的控制。但大部分电气监理人员对于变电站的理解止步于安装过程及设备本身，对于专业的一、二次设备互联、继电保护设备原理与运行知之甚少。在变电站系统调试过程及故障分析中，监理由于不具备此方面知识而陷入被动局面。一、二次设备是不可分割的整体。如果将变电站比喻成一个人的话，那么各一次设备的互联就是人的躯干和四肢的互联，二次接线就是人的神经系统，而各个继电保护及自动装置就是人体大脑各个片区。只有它们都处于良好状态，才能保证电力系统的正常运行。

笔者着重论述变电站二次设备的作用及其互联，旨在提高电气监理人员对于变电站综合自动化系统的认识。为了使读者便于理解，笔者先从变电站综合自动化系统的组成、站控层及间隔层各装置的作用两方面做铺垫；最后简要阐述保护及自动化装置如何与一次设备互联及装置与装置之间的互联。

1 变电站综合自动化系统的结构

理解变电站二次装置与一次装置互联，首先要了解变电站综合自动化系统的结构。目前广泛应用的变电站综合自动化系统为分层分布式结构，其逻辑上将系统分为两层：变电站站控层和间隔层。

站控层是位于变电站控制室里的总控单元。可通过测控装置传来的测量数据、位置信号并经过监控组态软件监视变电站内各设备的运行情况，通过“五防”机的逻辑判别遥控变压器调档机构、断路器、隔离开关、母线接地刀等设备，完成调压、倒闸、改变运行方式等操作。站控层设备包括：操作员工作站、工程师工作站、“五防”工作站、远动工作站、打印机、GPS 时间同步系统等。

间隔层完成电力系统不同对象继电保护、同期功能及对站内各间隔设备数据采集和处理的任务。间隔层设备包括：针对不同电压等级、不同对象的继电保护装置、测控装置、测控保护一体化装置、电压并列、电压切换、故障录波装置及计量仪表等。

2 站控层及间隔层各装置的作用

2.1 站控层各设备作用

2.1.1 操作员站的作用

操作员站负责管理和显示有关运行信息，供运行人员对变电站的运行情况进行监视和控制，包括对微机保护装置动作信号进行远方复归、软连片的投退、间隔层设备工作方式的选择。同时具有主处理器及服务器的功能，是站控层数据收集、处理、存储及发送的中心。操作员站采用双机配置原则，两台互为热备用，它们都能独立执行各项操作。

2.1.2 工程师工作站的作用

工程师工作站供系统管理人员进行系统维护用，可完成数据库的定义、修改，系统参数的定义、修改，报表的制作、修改，供继电保护人员远方查看定值、定值修改和定值区切换，以及网络维护、系统诊断等工作。

2.1.3 “五防”工作站的作用

“五防”工作站供变电站运行人员进行操作票生成、预演、打印、执行、管理和模拟操作等工作。

2.1.4 远动工作站的作用

远动工作站采用两台冗余配置模式，与调度主站通信，实现遥测、遥信、遥控、遥调及规约转换等功能。

2.1.5 GPS时间同步系统的作用

GPS 时间同步系统从 GPS 卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备(计算机、保护装置、测控装置、故障录波器、安全自动装置、远动 RTU)，这样就可以达到整个系统时间的同步。

2.2 间隔层各装置的作用

2.2.1 各类保护装置的作用

变电站保护装置分为：主变保护装置、主变非电量保护装置、母线保护装置、线路保护装置、断路器保护装置、电容器保护装置等。它们依据所保护对象的不同采用相关原理完成电力系统继电保护任务。

2.2.2 测控装置的作用

测控装置综合考虑变电站对数据采集、处理的要求，以微机技术实现现场设备的遥测、遥信、遥控、遥调、电能量采集、事件记录、GPS 对时、同期合闸检测、防误操作逻辑闭锁、TV/TA 断线检测等功能，将所采集的模拟量、信号量、开关量传至后台监控机及远动工作站，并接受来自后台或远方调度端的指令。

2.2.3 电压切换装置的作用

二次系统的测控及故障判别元件均需要准确的反应间隔所在位置的电压。一般把间隔处电压互感器采集的二次电压作为间隔所在位置的电压。对一个间隔来说，当一次系统运行方式改变时，反应该间隔位置的电压采集点应随之改变。只有这样，电压互感器采集的二次电压才能正确反应一次系统的运行状态。因此，电压互感器二次回路必须设置电压切换装置。双母线系统上所连接的电气元件，为了保证其一次系统和二次系统在电压上保持对应，要求保护、测量、计量都有自动切换功能。

2.2.4 电压并列装置的作用

双母线系统并列运行(母联断路器处于合闸状态)，当任意一组母线电压互感器停电检修时，其所带的测量、保护及自动装置等二次设备因无输入电压，而不能正确反映一次设备的运行状态。只有把测量、保护及自动装置所需电压取自令一组母线电压互感器，实现两组母线电压互感器二次回路的并列运行，才能保证测量、保护及自动装置的正确性。因此，对于单母线分段或双母线接线的变电站，一般均配置电压并列装置。

2.2.5 低频减载装置的作用

电力系统有功功率平衡是一个动态的过程，对于变化幅度很小、变化周期较短的负荷引起的频率偏移，将由发电机组的调速器进行调整，称为频率的一次调整。对于变化幅度较大，变化周期较长的负荷引起的频率偏移，将由发电机组的调频器进行调整，称为频率的二次调整。然而当系统发生较大事故时，例如大型发电机组突然被切除或用电负荷突然大幅度增加时，系统出现严重的有功功率缺额，频率将随之急剧下降，这时紧靠机组调速系统已经解决不了问题，必须采取紧急的低频减负荷控制措施有次序、有计划地切除负荷来制止频率下降，防止电网频率的崩溃。

2.2.6 断路器操作箱的作用

断路器操作箱内部由一系列继电器组成，保护及测控装置跳合闸出口至断路器操作箱来控制断路器的分合闸，断路器操作箱起到扩大继电器接点容量，使得保护设备与一次高压设备隔离的作用。

2.2.7 故障录波装置作用

当电力系统发生故障时，故障录波装置绘制出故障录波图来分析电力系统故障类别和性质，有哪些保护装置动作、保护装置的动作过程和先后顺序如何、保护装置的动作行为是否正确、二次回路接线是否正确、TV/TA 极性是否正确等问题。

2.2.8 交、直流电源系统设备作用

站内交流电源由站用变低压侧送出接至低压配电盘，为站内照明、消防泵房机组、空调、电加热器、直流充电机、断路器机构箱照明及加热装置、隔离开关照明加热及电机等负荷供给所需的交流电。

站内直流电源系统为站内各类保护测控及自动化装置屏柜、断路器分合闸线圈及直流电机储能机构提供直流电源。

3 间隔层设备与一次设备互联及间隔层设备之间的互联

3.1 间隔层设备与互感器的互联

间隔层设备与互感器互联涉及保护装置、测控装置、电压切换装置、电压并列装置、TA、TV。

主变保护装置取主变三侧 TA 二次差动保护电流，以同名端对接形成差动保护回路。

主变高中低三侧测控装置、各间隔测控装置取本间隔三相电压、三相电流、频率等完成模拟量的采集，对 3U0、3I0、有功功率、无功功率及功率因数进行计算。

电压切换装置取各个间隔电压互感器电压，再将电压传送至保护、测控、电度计量装置。电压并列装置取一二母线电压互感器电压，并将电压传输给保护测控。

3.2 间隔层设备与断路器的互联

间隔层设备与断路器的互联涉及保护装置、测控装置、断路器操作箱、断路器汇控箱、断路器机构箱。保护装置动作开出至断路器操作箱，断路器操作箱连接至断路器汇控箱，汇控箱将二次接线转接至断路器机构箱，完成保护的动作跳闸。测控装置同样通过操作箱、汇控箱至机构箱，完成后台及远动的遥控分合闸。断路器机构箱通过远近控开关接通远控及就地分合闸回路。断路器可进行就地分合，测控分合、后台及远动分合。

3.3 间隔层设备与隔离开关的互联

间隔层设备与隔离开关的互联涉及测控装置、隔离开关机构箱、电压并列装置、电压切换装置、电能表、母差保护。后台或远动工作站开出遥控分合指令至间隔测控装置，测控装置接通分合触点 KCTJ、KCHJ 控制隔离开关的分合，并通过隔离开关的位置触点采集隔离开关的位置。

电压切换箱和操作箱用隔离开关的位置触点来进行两套线路保护电压的切换。电压并列装置一般取母联隔离开关和母线 TV 隔离开关的位置触点。电能表的电压切换用隔离开关位置触点接入相应母线电压，进行计量。两套母线差动保护接入隔离开关位置触点来判断母线运行方式。

3.4 间隔层设备与主变本体设备和调压设备的互联

间隔层设备与主变本体设备和调压设备的互联涉及主变本体测控装置、主变非电量保护装置、主变有载调压档位变送器、主变风冷系列装置、主变温度变送器、主变高中压侧中性点隔离开关等装置。

计算机只识别二进制码，因此主变调压机构箱档位变送器须将档位开入信息变换成 BCD 码(8421 码)，由控缆开入至主变本体测控装置，测控装置完成对主变 BCD 码的采集任务。调压机构箱的电动机电源状态，电机启动状态同样送入本体测控装置。测控通过开出接点至调压机构箱，完成变压器档位的升降停操作。

主变温度由控缆将主变绕组及油温引入温度变送器，温度变送器将模拟量变换成 0～5V 直流电压开入至主变本体测控装置，完成主变温度的遥测。

主变风冷控制箱将风冷工作电源状态、风冷操作电源状态、冷却器状态开入到主变本体测控，完成风冷状态信息的采集。

中性点刀闸辅助触点将中性点刀闸位置信息送入主变本体测控，同时测控开出分合命令至现场隔离开关机构箱，完成对其的遥控分合操作。

3.5 间隔层设备与站控层设备的互联

站控层设备与间隔层设备的互联涉及后台与测控装置的互联、远动工作站与测控装置及保护装置的互联、GPS 时间同步系统与各间隔层装置的互联。

因为站控层设备都装有中央处理器(CPU)，CPU 只能理解数字量，因此无法解读现场一次设备传递的模拟量及继电器接点的开关量，需要间隔层测控装置将模拟量通过电压形成电路、低通滤波器、采样保持器、多路转换开关、模数变换器将模拟量转换为数字量；通过开关量输入输出电路将触点的分合转换为数字量。既然间隔层设备与站控层设备传递的数字量，那么站控层设备与间隔层设备即可通过光纤、网线接口互联成局域网络。为确保系统可靠，采取双网冗余配置。

主变压器测控装置按本体及高、中、低压三侧配置，其他测控装置按照间隔配置，一般一面屏组三台测控装置。保护装置及测控装置通过网线连接到远动屏配置的交换机，通过交换机将信息传输给后台及远动工作站，后台即可对现场设备状态实时监视与控制，远动工作站再将信息通过双调制解调器双通道连接到调度模拟通道，或者通过交换机、路由器传输到调度数字通道，实现远动四遥功能。

“五防”工作站通过局域网络连接监控计算机及各测控装置，对测控装置传递的数据采用组态软件进行组态，并经“五防”机逻辑判断，完成“五防”功能。

GPS 时间同步系统一般配置 GPS 和北斗双卫星天线接收装置，以 RS232/RS485 等接口用 IRIG-B 码方式来为站内各测控、保护装置、故障录波、信息管理子站、电量计费系统、监控系统等授时。

3.6 间隔层设备之间的互联

间隔层设备之间的互联涉及故障录波装置、各保护装置、测控装置、断路器操作箱、电压并列、电压切换、低频低周减载装置、电能计量装置等。

为了能够全面分析保护的动作过程，故障录波器接入的模拟量、开关量应尽可能全面。线路保护、主变保护、母线差动保护相关动作命令、信号及断路器操作箱接点信号作为开关量接入故障录波器，线路、母联及变压器各侧三相电流和零序电流，母线电压互感器三相对地电压和零序电压作为模拟量经电压并列及电压切换装置接入故障录波。用于测量的电流量先经过测控装置，再由测控装置接入电能计量表，在末端二次侧短路并一点接地。用作测量的电压量先经过电能计量表，再由计量表屏转接至测控。

低频低周减载装置联系各负荷间隔测控装置，当系统出现严重的有功功率缺额，频率随之急剧下降时，低频减载装置将分轮有计划有步骤地联系间隔测控装置切除负荷。

4 结 语

变电站综合自动化系统是一整套复杂的系统，微机继电保护原理是变电站综合自动化系统的核心。只了解上述内容还远远不够，在此希望广大的电气监理人员尤其是电气专业人才夯实专业基础知识，理论联系实际，将电气监理工作中所看到的、听到的、学到的、想到的加以整理总结，提高自身能力，为业主提供专业化、高水平的监理服务。