一种新型的变电站报警和电话信号装置的设计与研究

陈吉祥，KOUASSI Abel，叶 磊，张彦伦

（1.中国长江设计集团有限公司，湖北 武汉 430010；2.科特迪瓦国家能源局，科特迪瓦 阿比让 999063）

0 引言

科特迪瓦电网发展与改造项目是中国长江设计集团有限公司设计的大型海外输变电工程，根据科特迪瓦国家经济和电力的需要，对电网进行的全面升级与改造。本项目变电站工程涉及26个变电站，包括11个新建站和15 个扩建站。由于科特迪瓦电网独特的技术要求，二次系统设计工作难度较大，特别是变电站报警和电话信号装置的设计。

根据现场调研，科特迪瓦电网由法国CIE 公司运行和维护，现有运行变电站均配置有一套报警和电话信号装置（DRST），由布置在主控室的可编程控制器PLC主机或继电器组合装置、信号终端、喇叭、警铃、按钮、电话机等，以及布置在3个宿舍楼或多个继电小室的信号终端、警铃、按钮、电话机等组成，当站内发生电力设备运行故障时，可以在主控室、宿舍楼、继电小室等部位同时响起警报和电话呼叫以提示运行人员及时处理。有些变电站的报警信号装置已经损坏，要求本次改造予以更新。

1 国内变电站信号报警系统设计要求

根据国家能源局颁标准《DL/T 5136-2012 火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》，变电站的电气信号系统宜由计算机监控系统实现［1］。采用计算机监控方式的信号系统，由数据采集、画面显示及声光报警等部分组成。计算机监控的信号分为状态信号和报警信号。信号数据可通过硬接线方式或通过与装置通信方式采集，通信方式应保证信号的实时性和通信的可靠性，重要的信号应通过硬接线方式实现。报警信号由事故信号和预告信号组成。发电厂和变电站的信号在发生事故和预警时在监控显示器上弹出并发出音响，事故信号和预告信号的画面显示和报警音响应有所区分。

《电力工程电气设计手册》电气二次部分，对于发电厂、变电站的中央信号系统的要求是［2］：1）中央信号应能保证断路器的位置指示正确。对单灯控制音响监视接线应能实现亮屏（即断路器位置指示灯亮）及暗屏（运行时断路器指示灯暗）运行，根据需要可以任意选择一种，谓之位置信号装置；2）断路器事故跳闸时，能及时发出音响信号（蜂鸣器），并使相应的位置指示灯闪光，谓之事故信号装置；3）发生故障时，能及时发出区别于事故音响的另一种音响（警铃），并在光字牌上显示故障的性质，谓之预告信号装置；4）大型电厂及变电站发生事故时，应能通过事故分析信号迅速确定事故的性质。

变电站中常用的中央信号报警系统包括事故信号和预告信号两种。预告信号是当电气设备出现不正常运行情况时并不立即使断路器分闸，比如设备过负荷、变压器温度升高、直流系统一点接地、中性点不接地系统发生单相接地、控制回路断线时等等，会及时发出灯光和音响信号进行报警。灯光信号一般是由显示不正常运行性质及地点的光字牌组成；音响信号一般由警铃发出，用以唤起运行人员注意，提示已发生了不正常运行情况，以便采取适当措施加以处理，防止故障扩大化。事故信号是当电气设备发生事故时，继电保护装置应使故障回路的断路器立即自动分闸，并发出灯光和音响信号。灯光信号由光字牌显示发生事故设备的名称；音响信号一般由蜂鸣器发出，便于和预告信号警铃区分，提醒电气运行人员设备发生了事故［3］。

对于有人值班变电站的信号报警系统一般采用光字牌信号显示故障名称，由于光字牌故障较多，宜改造为微机闪光报警装置［4-5］；或智能语音报警装置［6］。国内新建变电站多为微机监控综自站或智能变电站，变电站综合自动化系统提供了详细而丰富的各类设备状态信息，从电网保护事件到装置自检报告，从通讯状态到智能设备状态监测，后台机可全面监视变电站设备的实时运行情况。综自变电站的事故或故障报警信号一般不设置光字牌信号，报警信号通过变电站监控系统后台显示器显示各类事件记录，同时驱动语音报警装置提醒运行人员进行处理［7-9］。也可以考虑设置信号光字牌显示重要保护动作（告警）信号以便于值班员快速处理故障［10］。

对于无人值班变电站，需要考虑的是如何实现变电站的信号系统与集控站以及调度自动化主站之间的信息传递问题，及集控站与调度主站实现分层分控管理模式［11-14］；国内电力部门对于变电站信号系统标准化管理也进行了许多探讨［15-17］。

对于智能变电站的信号报警系统，由于变电站自动化程度高，信息量大，各种信号动作频繁，值班人员任务繁重，容易遗漏重要告警信号或影响事故的正确处理，因此有必要研究智能专家告警系统，实现对告警信号分类显示处理、提取故障报警信息、辅助故障判断及处理等功能［18-22］。

在变电站视频监控系统中可实现语音报警技术。实现方法是采用计算机+电信集成（CTI）技术，通过电话语音卡自动连接计算机和电话机，当监控对象例如变压器、开关设备等有报警信号上传时，系统能及时发出报警信息通知相关人员［23-25］。

由于可编程控制器具有抗干扰性好、灵敏度高、维护简单等优点，采用可编程控制器对现有中央信号系统进行改造或用于新建变电站的信号报警系统，国内进行了许多相关研究［26-27］，采用不同厂家的可编程控制器实现，如德国西门子S7-200PLC［28］，日本欧姆龙Omron PLC［29］，日本三菱FX系列PLC［30］。

除了中央信号报警系统外，国内还有些研究专门的故障报警系统，如电度表故障报警系统［31］、防走错间隔信号提示系统［32］等。

2 新型报警和电话信号装置（DRST）的功能设计

为满足科特迪瓦电网运行要求，结合国内变电站信号报警系统的成熟经验及研究成果，结合当地业主的功能需求，本文设计了一种适合科特迪瓦的一套新的报警和电话信号装置（DRST），该装置具体组成包括：一个具有数字输入和输出的可编程的控制器；中控室、住宅和继电小室中的信号终端；中控室、住宅和继电小室中的铃声、喇叭或话筒；交换机和相关的电话机。

2.1 报警和电话信号装置的配置要求

1）可编程的控制器：它是一个数字设备或中继器，包括输入和输出接口。输入接口的信号来自变电站的操作系统的信号和来自控制台或48 V 直流机柜的信号，该控制器供电直流48 V，输出接口是48 V 直流或24 V 直流，输出到中控室的控制台和住房的机柜，并且输出到话筒。

2）操作台或信号终端：在中控室，在中控室的办公桌上，或者在内部操作人员可到达的墙装式机柜上安装操作台或信号终端，其中四个键设置向住房进行振铃和取消响铃、报警和打电话，在每一个住宅各安装一台信号终端，可以随时看见故障，以便发送远程报警指令。

3）铃声和喇叭或话筒：在中控室，及住宅每间住房中，都安装故障提示的振铃。

4）自动交换机和相关设备：由变电站通信系统给DRST装置提供一个电话分机号码，能够根据需要向住房或中控室发送电话信号。

2.2 报警和电话信号装置功能原理图

DRST装置功能原理图如图1。

图1 变电站报警和电话信号装置功能原理图Fig.1 Function schematic diagram of substation alarm and telephone signal device

根据报警和电话信号装置的功能设计，变电站内中控室操作台可以与各住宅的信号终端、各继电小室信号终端通过可编程控制器PLC 实现电话呼叫，监控系统故障报警信号（包括高/中压侧紧急故障、非紧急故障、过负荷）可以通过PLC实现启动各部位的喇叭和警铃，还可以实现变电站的户外照明及开启大门等功能，该装置应具有以太网接口与变电站监控系统实现数据通信。

3 科特迪瓦变电站信号报警系统解决方案

科特迪瓦项目11 个新建变电站需要提供全新的计算机监控系统及报警和电话信号装置（DRST），而15个扩建变电站的扩建内容和要求则各不相同，有的站没有计算机监控系统，DRST装置为老式继电器组合装置，需要提供新的计算机监控系统及DRST装置，并且需要将原有老间隔控制保护接入新的计算机监控系统及DRST装置；有的站已有计算机监控系统及DRST装置，需将扩建间隔控制保护接入已有的监控系统及DRST装置。针对不同的变电站类型，根据科特迪瓦电网的要求，结合国内变电站的信号系统设计规范及研究成果提出相应的DRST装置设计方案。

3.1 新建变电站报警和电话信号装置设计方案

新建225 kV 变电站DRST 装置，包括1 台可编程控制器PLC 主机、若干台信号终端箱、喇叭、警铃、按钮、电话等。PLC主机安装于中控室公用测控柜内；中控室信号终端布置在控制台上，宿舍楼信号终端箱分别布置于3 个新建宿舍室内，继电小室信号终端箱分别布置于各个225 kV户外开关场继电小室内；功率放大器布置在控制台内，127 V 和48 V 喇叭布置在控制楼外墙上，警铃安装在公用测控柜顶上，按钮安装在中控楼靠近变电站入口的大门外侧墙，电话机安装在主控室和各宿舍室内。DRST 报警系统输入输出原理图见图2，DRST报警系统电话回路原理图见图3。

图2 225 kV变电站DRST报警系统输入输出原理图Fig.2 Schematic diagram of input and output of DRST alarm system in 225 kV substation

图3 225 kV变电站DRST报警系统电话回路原理图Fig.3 Schematic diagram of telephone circuit of DRST alarm system in 225 kV substation

新建90 kV 变电站DRST 装置，包括1 台可编程控制器PLC 主机、若干台信号终端箱、喇叭、警铃、按钮、电话等。除了没有继电小室信号终端外，其它跟新建225 kV变电站相同。

3.2 扩建变电站DRST设计方案1

对于有些没有计算机监控系统，且DRST 装置为老式继电器组合装置的老变电站，需要提供新的计算机监控系统及DRST装置。

此类扩建225 kV 变电站DRST 装置，包括1 台可编程控制器PLC主机、若干台信号终端箱、喇叭、警铃、按钮、电话等。PLC主机安装于中控室公用测控柜内；主控室信号终端布置在控制台上，宿舍楼信号终端箱分别布置于3 个原有的宿舍室内，继电小室信号终端箱分别布置于各个继电小室内；127 V 和48 V 喇叭布置在控制楼外墙上，警铃安装在公用测控柜顶上，按钮安装在中控楼靠近变电站入口的大门外侧墙，电话机安装在主控室和各宿舍室内。此类扩建90 kV变电站DRST报警信号系统除了没有继电小室信号终端箱，其余同225 kV扩建变电站。

此类变电站DRST 设备基本上同新建变电站，但增加了已有的主控室、宿舍楼和继电小室（如有）等部位的改造工作，包括相关的设备更新和电缆敷设及接线等。

3.3 扩建变电站DRST设计方案2

对于有些已经有计算机监控系统，且DRST 装置为可编程控制器PLC 装置的老变电站，不需要提供新的计算机监控系统及整套DRST装置。

对于DRST 报警系统的改造方案是每个扩建间隔各增加1台通信转换器和1个DRST信号终端，通信转换器接收老站原有的DRST 装置报警输出信号，采用RS485 接口与信号终端进行通信，实现扩建继电小室的故障报警和电话振铃。

4 结语

本文介绍了国内变电站信号系统的设计要求，结合科特迪瓦电网当地运行习惯，设计了一套新的变电站报警和电话信号装置（DRST）。新的变电站报警和电话信号装置通过变电站计算机监控系统通信实现主控室、宿舍楼及继电小室等部位事故或故障报警信息联动，将故障报警系统和电话通信有机结合，及时提醒运行人员处理，有效提高运行管理水平，对国内变电站实现“无人值班，少人值守”具有一定参考价值。同时，本文依托科特迪瓦电网发展与改造项目，针对当地电网各种不同类型的变电站，在满足技术要求的条件下，分别提出了相应的DRST 报警系统解决方案，对中国企业在当地或法语区类似输变电工程设计具有较大的参考意义。