Automation Renovation and Design of Secondary System of Conventional Substations
摘 要：結(jié)合已建成和改造完的無人值班站經(jīng)驗(yàn)，以河北省南部電網(wǎng)典型的常規(guī)變電站為例，探討常規(guī)變電站的自動(dòng)化改造與設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：變電站；遠(yuǎn)動(dòng)；自動(dòng)化改造
Abstract：Referring to the experiences of already constructed or renovated unmanned substations, this paper, taking the substations in South Hebei Electric Power Network as examples, discussed the automation renovation and design of conventional substations.
Keywords：substation;remote control;automation renovation
變電站是輸配電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，是電網(wǎng)的主要監(jiān)控點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，越來越多的新建變電站采用綜合自動(dòng)化設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)在河北省南部電網(wǎng)所有新建變電站中已成為成熟的定型設(shè)計(jì)。但在電力系統(tǒng)中，仍存在大量服役多年的常規(guī)變電站，這些老變電站一般都是電網(wǎng)的樞紐變電站，容量大、出線多、投運(yùn)久，其一次設(shè)備老化、損壞及腐蝕嚴(yán)重，維護(hù)更新的工作量及費(fèi)用逐年增加，且效果不明顯。站內(nèi)二次設(shè)備從電磁型繼電器保護(hù)、晶體管保護(hù)、集成電路保護(hù)、弱電選控設(shè)備到“四合一”的集控臺都在同時(shí)運(yùn)行。這些設(shè)備的老化對變電站的安全、優(yōu)質(zhì)、高效運(yùn)行構(gòu)成很大威脅，對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、最優(yōu)運(yùn)行也是一大隱患。鑒于每年對這類變電站投入大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行維護(hù)整治而效果不理想，因此，對這些舊站合理的、經(jīng)濟(jì)的、先進(jìn)可行的改造，使其滿足無人值班或少人值班的要求，已成為電力系統(tǒng)工程技術(shù)人員面臨的迫切問題。
1改造目的
a. 實(shí)現(xiàn)對變電站所有電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高變電站運(yùn)行的安全可靠性。
b. 達(dá)到無人值班/少人值班的要求，改善工作條件，實(shí)現(xiàn)CRT實(shí)時(shí)監(jiān)控及運(yùn)行記錄自動(dòng)化，提高變電站的自動(dòng)化水平和運(yùn)行效率。
c. 滿足電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的功能要求和對遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性、正確性和準(zhǔn)確性的要求。更加及時(shí)、全面地掌握電網(wǎng)及變電站的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)“四遙”和電壓/無功功率調(diào)整自動(dòng)控制（VQC）功能，增強(qiáng)調(diào)度中心監(jiān)視和控制的能力。
d. 降低電網(wǎng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。
2改造原則
a. 充分利用原有設(shè)備，盡量降低改造成本；合理設(shè)計(jì)回路，減小改造難度。
b. 增強(qiáng)“四遙”功能，利用RTU組建站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)以及相應(yīng)的分布式通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全站自動(dòng)化。保證遠(yuǎn)動(dòng)信息直采直送，遠(yuǎn)動(dòng)命令直收直控。至中調(diào)、地調(diào)的遠(yuǎn)動(dòng)信息傳輸采用數(shù)據(jù)網(wǎng)串行接口通信和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口通信2種方式。
c. 繼電保護(hù)裝置、故障錄波器和系統(tǒng)安全自動(dòng)裝置獨(dú)立設(shè)置，保護(hù)信號采用雙重采集，即微機(jī)保護(hù)裝置的主保護(hù)信號以硬接點(diǎn)方式分別接入中央信號和監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)字輸出通過串行口或由保護(hù)管理機(jī)接入以太網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)相連。
d. 電能量信息由智能電能表以串行接口方式接入測控裝置，計(jì)量關(guān)口點(diǎn)的電能量信息采用無源脈沖接點(diǎn)方式接入測控裝置。
e. RTU的電氣模擬量采用交流采樣，系統(tǒng)框架和容量按變電站最終規(guī)模考慮，測控部分按現(xiàn)狀規(guī)模配置。
f. 監(jiān)控系統(tǒng)通過多媒體服務(wù)器與變電站工業(yè)電視設(shè)備進(jìn)行通信。
3自動(dòng)化系統(tǒng)模式的選擇
常規(guī)變電站自動(dòng)化改造的關(guān)鍵是自動(dòng)化模式的選擇，必須根據(jù)各變電站的實(shí)際情況全面、系統(tǒng)考慮。目前國內(nèi)變電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化改造主要有以下2種模式。
3.1常規(guī)遠(yuǎn)動(dòng)方式
常規(guī)遠(yuǎn)動(dòng)方式是指采用調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)RTU實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化改造。該方式在原有RTU基礎(chǔ)上，采用局域以太網(wǎng)或RS485星形結(jié)構(gòu)，由功能分布式網(wǎng)絡(luò)化的RTU構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)，增加相應(yīng)的測控功能及信號。控制室的繼電保護(hù)屏和中央信號系統(tǒng)保持原設(shè)計(jì)不變，保留原二次系統(tǒng)，僅對原有二次回路進(jìn)行改動(dòng)，易于運(yùn)行和維護(hù)。充分利用原有設(shè)備，投資小、改造施工簡便、工作量小，但改造后的二次回路設(shè)計(jì)較復(fù)雜。
原則上運(yùn)行一、二十年的變電站宜采用該方案。
3.2綜合自動(dòng)化方式
綜合自動(dòng)化方式是指采用保護(hù)、測量、控制一體化的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。該方式集變電站二次功能為一體，信息高度共享，結(jié)構(gòu)簡單、功能較多。需進(jìn)行全面的二次系統(tǒng)改造，取消中央信號系統(tǒng)（信號屏、控制屏），保護(hù)屏更換為保護(hù)測控屏，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一考慮，采用分層分布式結(jié)構(gòu)的開放式系統(tǒng)，將信號和控制回路接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該方案需更換大量原有保護(hù)及二次設(shè)備，投資高、改造難度大、施工復(fù)雜、工作量大。
采用該方式對舊站進(jìn)行改造比較困難，但改造后的二次回路設(shè)計(jì)大為簡化。通常適用于新建站，運(yùn)行超過30年的變電站可考慮。
4具體方法
4.1遙測部分
需要進(jìn)入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的測量參數(shù)根據(jù)有關(guān)規(guī)定和用戶的實(shí)際需要來確定。主要問題是如何保證系統(tǒng)在更換過程中，舊RTU不停運(yùn)。
原老變電站測量和計(jì)量共用1個(gè)TA卷，RTU作為全站測量回路的終端，串接在電能表屏后面。
根據(jù)DL/T 51372001《電測量及電能計(jì)量裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，應(yīng)結(jié)合擴(kuò)建和技改工程更換TA，設(shè)置專用計(jì)量TA。遙測信號串接在儀表之后，電纜由控制屏至RTU 采集屏；電能表接專用TA，原控制屏至電能表屏、電能表屏至RTU采集屏的回路及電纜接線不變，投運(yùn)后直接拆除舊RTU即可。
無法更換TA的，遙測信號串接在儀表之后，用1根四芯電纜由控制屏至RTU 采集屏（IA,IC,IA′,IC′），原控制屏至電能表屏、電能表屏至RTU采集屏的回路及電纜接線不變，投運(yùn)后直接拆除舊RTU即可。
4.2遙信部分
4.2.1事故總信號
a. 事故總信號的采集比較繁瑣，方案也很多，一般方法是改造二次回路，從中央信號回路中采集。放棄當(dāng)?shù)匾繇懝δ埽蛲ㄟ^加裝壓板或繼電器人為地在“當(dāng)?shù)亍焙汀斑h(yuǎn)方”之間切換，該法存在信號誤發(fā)問題，且不滿足“雙軌制”的運(yùn)行條件，不利于長期運(yùn)行；同時(shí)，每當(dāng)站內(nèi)進(jìn)行事故音響檢查時(shí)，調(diào)度端均會(huì)收到事故信號，造成遙信誤動(dòng)。
b. 采用多接點(diǎn)靜態(tài)型信號繼電器實(shí)現(xiàn)事故總信號的多重采集。該繼電器能提供三對及多對接點(diǎn)，一對為有源接點(diǎn)，用以點(diǎn)亮光字牌，保證當(dāng)?shù)毓δ埽涣韮蓪闊o源接點(diǎn)，其中一對供給RTU的保護(hù)動(dòng)作信號，另一對與其它各套保護(hù)中的信號繼電器接點(diǎn)并接后送給RTU，產(chǎn)生事故總信號，當(dāng)站內(nèi)任一套保護(hù)啟動(dòng)并跳閘時(shí)，事故總信號與該套保護(hù)動(dòng)作信號同時(shí)送出。該方法使事故總信號在當(dāng)?shù)嘏c遠(yuǎn)方間相互獨(dú)立運(yùn)行，解決了上述問題。
c. 由RTU軟件處理生成，或由調(diào)度端主站軟件處理生成。將所有啟動(dòng)跳閘的保護(hù)信號軟件啟動(dòng)，生成事故總信號。這種方法現(xiàn)場信號回路和接線基本不變，安全可靠、簡便易行、施工工作量小。
4.2.2控制回路斷線信號
控制回路斷線是監(jiān)視斷路器分合閘回路完好與否的信號，如果原控制回路中裝設(shè)了位置繼電器，則將分、合閘位置繼電器備用的常閉接點(diǎn)接送至RTU即可實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上絕大多數(shù)老式變電站設(shè)計(jì)中均未考慮裝設(shè)位置繼電器，如果重新加裝位置繼電器，則增大了投資，不僅施工難度大，而且會(huì)破壞屏的整體感。
a. 一般采用從光字牌利用光電隔離的方法，將信號轉(zhuǎn)接入RTU。
b. 采用帶從動(dòng)接點(diǎn)的紅、綠指示燈，該燈有一常開與一常閉接點(diǎn)，將同一控制回路中的紅、綠指示燈的常閉接點(diǎn)串接送給RTU，即可獲得控制回路斷線信號。施工時(shí)只需更換指示燈，接上2根信號線。采用這種方法，同屏控制回路可共用電纜，降低了資金投入和施工難度。
4.2.3斷路器和隔離刀閘位置信號
斷路器和隔離刀閘的位置信號是反映其運(yùn)行狀態(tài)的信號，一般從斷路器和隔離刀閘的備用輔助接點(diǎn)處采集，但電纜施放工作量大。
以上述經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，用控制回路中紅、綠指示燈的從動(dòng)繼電器常開接點(diǎn)來輸出開關(guān)位置信號，與控制回路斷線信號共用電纜，進(jìn)一步減少了成本投入和施工工作量。
4.2.4其它遙信量
其它遙信量包括：主變壓器的溫度越限、輕瓦斯、油位異常、SF6斷路器的壓力異常、壓力閉鎖、彈簧未貯能、機(jī)構(gòu)異常、直流接地、事故信號熔絲熔斷、預(yù)報(bào)信號熔絲熔斷等。上述諸多信號一次設(shè)備只能提供一對有源接點(diǎn)，動(dòng)作后用以點(diǎn)亮光字牌。
a. 如取消光字牌，則將其改為無源接點(diǎn)或直接提供給RTU。
b. 如保留光字牌，可利用保護(hù)動(dòng)作或設(shè)備異常時(shí)觸發(fā)站內(nèi)光字牌的直流電源，加裝一級中間繼電器或采用有從動(dòng)繼電器的光字牌，當(dāng)裝置動(dòng)作時(shí)，點(diǎn)亮現(xiàn)場光字牌；同時(shí)啟動(dòng)繼電器，利用繼電器的常開接點(diǎn)發(fā)遠(yuǎn)動(dòng)信號。
c. 采用光端子，利用光電隔離的方法，從光字牌并接入RTU。當(dāng)保護(hù)動(dòng)作或設(shè)備異常時(shí)，在啟動(dòng)現(xiàn)場光字牌的同時(shí)；驅(qū)動(dòng)光電隔離，利用開關(guān)管的開關(guān)特性與遠(yuǎn)動(dòng)RTU的直流24 V/48 V電源構(gòu)成回路，發(fā)出遠(yuǎn)動(dòng)信號。
d. 保留光字牌和遠(yuǎn)動(dòng)信號同時(shí)并存的主要問題是，當(dāng)做光字牌傳動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，將誤發(fā)遠(yuǎn)動(dòng)信號。解決方法是在控制屏上光字牌至RTU 的220 V直流電源回路中加入1個(gè)控制開關(guān)，當(dāng)做光字牌傳動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，打開控制開關(guān)，切斷至RTU的信號回路。
4.2.5傳統(tǒng)處理方法與光電隔離方法的比較
傳統(tǒng)改造方法因大量使用中間繼電器，產(chǎn)生繼電器接點(diǎn)接觸不良、接點(diǎn)抖動(dòng)而引起的拒發(fā)和誤發(fā)遠(yuǎn)動(dòng)信號的現(xiàn)象，大量的繼電器必須集中組屏安裝，增加了投資費(fèi)用。而采用光電隔離的信號轉(zhuǎn)換因全部采用集成電路和電子元件，克服了上述問題，可隨意安裝在保護(hù)或控制屏上，提高了可靠性，降低了費(fèi)用，施工簡易、靈活。
4.3遙控部分
a. 將RTU屏上每路遙控輸出端“+”、遙分、遙合、閉鎖重合閘分別接至原控制回路中正電源、就地操作開關(guān)KK的分閘接點(diǎn)7和合閘接點(diǎn)8以及重合閘放電接點(diǎn)2、4即可實(shí)現(xiàn)。施工時(shí)注意：相鄰回路共用電纜，減少施工工作量和RTU屏端的電纜數(shù)量； “+”電源應(yīng)分別使用各自回路的控制電源，嚴(yán)禁多回路共用，并通過RTU側(cè)壓板閉鎖。
b. 將RTU屏上每路遙控輸出端“+”、遙分、遙合分別與手控開關(guān)并聯(lián)接至原控制回路中的正電源、操作箱，并增加就地/遠(yuǎn)方控制選擇開關(guān)。
4.4遙調(diào)部分
老站部分變壓器分接頭調(diào)整雖能通過主控室控制箱由人工按照母線電壓高低來完成，但不具備自動(dòng)或由遠(yuǎn)方操作的功能，必須更換其控制裝置。改造后，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)如下功能：
a. 分接頭位置可視母線電壓高低自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可由遙控操作調(diào)節(jié)。
b. 有與RTU連接的通訊口。
c. 有提供給RTU的分接頭位置信號的無源接點(diǎn)和數(shù)字接點(diǎn)。
d. 實(shí)現(xiàn)主變過載閉鎖調(diào)壓功能，調(diào)壓電源消失、裝置異常等信號就地發(fā)信和遠(yuǎn)方傳遞。
4.5電容器的自動(dòng)投切裝置
a. 對原電磁型保護(hù)、控制回路不做改動(dòng)，充分運(yùn)用現(xiàn)有設(shè)備，不做大的投入，減少施工工作量和投資。
b. 保護(hù)動(dòng)作與自動(dòng)投切信號分開。
c. 改造后實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)嘏c遠(yuǎn)方雙重功能。
4.6其它需改造或更換的設(shè)備
4.6.1直流裝置的更型
老站一般采用硅整流裝置，用電容貯能，其故障的發(fā)現(xiàn)和正常的檢查工作必須由人工操作完成，應(yīng)將之更換為免維護(hù)裝置，采用雙充電機(jī)和一組免維護(hù)蓄電池，該裝置至少應(yīng)有如下功能：
a. 2臺充電機(jī)可并列或獨(dú)立運(yùn)行，相互切換，自動(dòng)調(diào)節(jié)充電方式。
b. 各直流分路有自動(dòng)絕緣檢查功能。
c. 有提供給RTU的絕緣破壞、直流電壓過高、直流電壓過低、電機(jī)停充、電池放電等信號的無源接點(diǎn)。
d. 實(shí)現(xiàn)對每節(jié)電池的電壓、溫度等自動(dòng)檢測和發(fā)信。
4.6.2增設(shè)斷路器分合閘線圈防燒毀裝置
當(dāng)斷路器由KK或遠(yuǎn)方操作時(shí)，如斷路器分合閘回路的輔助接點(diǎn)調(diào)整不當(dāng)，或輔助接點(diǎn)因長期使用轉(zhuǎn)動(dòng)部件間隙過大，在切換過程中易造成拉弧或不能斷開，使分合閘線圈長時(shí)間帶電而燒毀，可能造成火災(zāi)和損壞直流裝置。為防止此類事故的發(fā)生，在無人值班改造的同時(shí)，應(yīng)考慮加裝防斷路器分、合閘線圈燒毀裝置。
4.6.3更換繼電器
正常運(yùn)行時(shí)KK的位置一般置于合后，當(dāng)遠(yuǎn)方分閘操作后，因開關(guān)的常閉接點(diǎn)閉合，KK不會(huì)自動(dòng)對應(yīng)至分閘位置，這樣重合閘啟動(dòng)回路接通，其延時(shí)時(shí)間繼電器將一直處于動(dòng)作狀態(tài)，特別是處于熱備用的設(shè)備(如旁路開關(guān))，線圈將會(huì)因長時(shí)間帶電而燒壞，因此，必須將其更換為靜態(tài)型重合閘繼電器。
5結(jié)論
采用分布式RTU實(shí)現(xiàn)“四遙”功能的老站改造模式，其特點(diǎn)是基本保留了原二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保護(hù)回路不動(dòng)，二次回路改動(dòng)少，充分利用了原有設(shè)備，投資少、改造難度小、施工簡易、方便。改造后的自動(dòng)化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠，具有推廣價(jià)值。
老站改造的設(shè)計(jì)、施工，應(yīng)對現(xiàn)場情況進(jìn)行全面和深入的調(diào)研收資，設(shè)計(jì)要與現(xiàn)場實(shí)際情況相符合，提倡切合實(shí)際的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證變電站自動(dòng)化改造的順利實(shí)施。
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