1、題題 目：目：牽引 變電 所綜合自動化 院院 系：系：西安鐵路職業技術學院西安鐵路職業技術學院專專 業：業： 鐵鐵 道道電電 氣氣 化化 姓姓 名：名： 楊楊 智智 華華 指導教師：指導教師： 馬馬 玲玲 西西 安安 職職 業業 技技 術術 學學 院院 院校 西安鐵路職業技術學院 專業 鐵道電氣化 年級 2004 級 學號 0409010 姓名 楊智華 指導教師 馬玲 題目 牽引變電所綜合自動化 指導教師評 語 是否同意答辯 過程分(滿分 20) 指導教師 (簽章) 評 閱 人評 語 評 閱 人 (簽章)成 績 答辯組組長 (簽章) 年 月 日 畢畢 業業 設設 計計 任任 務務 書書班 級

2、2004 級 學生姓名 楊智華 學 號 0409010 發題日期8 年 5 月 10 日 完成日期：8 年 11 月 10 日題題 目目 牽引變電所綜合自動化 題目類型題目類型：工程設計 技術專題研究 理論研究 軟硬件產品開發一、一、設計任務及要求設計任務及要求、 綜合自動化技術的特點、 硬件結構、功能分析 、 技術特點的分析 、 在實際中的應用 二、二、應完成的硬件或軟件實驗應完成的硬件或軟件實驗 應完成牽引變電所綜合自動化系統的配置和功能。 三、三、應交出的設計文件及實物（包括設計論文、程序清單或磁盤、實驗裝置或產品等）應交出的設計文件及實物（包括設計論文、程序清單或磁盤、實驗裝置或產品等

3、） 畢業設計（論文） 四、四、指導教師提供的設計資料指導教師提供的設計資料 五、五、要求學生搜集的技術資料（指出搜集資料的技術領域）要求學生搜集的技術資料（指出搜集資料的技術領域）、了解牽引變電所綜合自動化系統的配置 、弄清牽引變電所綜合自動化系統配置的功能 、各種保護的應用 六、六、設計進度安排設計進度安排第一部分牽引變電所綜合自動化技術（ 周）第二部分牽引變電所綜合自動化系統的硬件 （ 周）第三部分牽引變電所綜合自動化的保護和控制系統（ 周）第四部分牽引變電所綜合自動化保護和監控裝置 （ 周）第五部分牽引變電所綜合自動化的數據通信系統 （ 周）評閱及答辯 （ 周） 指導教師： 年 月 日學

4、院審查意見：審 批 人： 年 月 日誠誠信信承承諾諾一、 本設計是本人獨立完成；二、 本設計沒有任何抄襲行為；三、 若有不實，一經查出，請答辯委員會取消本人答辯資格。承諾人（鋼筆填寫）：年月日目 錄摘 要1第 1 章 實現牽引變電所綜合自動化的技術基礎 21.1 實現牽引變電所綜合自動化的必然性21.1.1 牽引變電所實現綜合自動化與常規變電所相比較21.1.2 對牽引變電所綜合自動化系統的要求31.2 牽引變電所綜合自動化技術的發展方向41.2.1 牽引變電所綜合自動化系統的發展概況41.3 牽引變電所綜合自動化的基本概念51.4 牽引變電所綜合自動化系統的基本特征51.5 牽引變電所綜合自

5、動化的內容、主要功能及信息量61.5.1 牽引變電所綜合自動化系統的內容61.5.2 牽引變電所綜合自動化系統的主要功能及信息量7第 2 章牽引變電所綜合自動化系統的硬件82.1 綜合自動化系統的硬件結構形式82.1.1 結構形式92.1.2 分散分布式與集中相結合的綜合自動化系統結構102.2 牽引變電所綜合自動化系統的硬件原理112.2.1 模擬量輸入/輸出回路12第 3 章牽引變電所綜合自動化的保護和控制系統 143.1 變壓器的微機保護143.1.1 主保護143.1.2 變壓器的后備保護173.2 接觸網微機保護183.3 電容器的微機保護193.4 自動重合閘193.5 備用電源自

6、投裝置20第 4 章牽引變電所綜合自動化保護、監控裝置 214.1 自動化保護監控裝置214.2 牽引變電所綜合自動化的數據通信系統224.3 以隴海線華山牽引變電所為例234.3.1 傳輸線路的遠程保護234.3.2 變電所饋線監視和保護254.3.3 牽引變電所的集成式控制和保護系統27結 束 語 29致 謝 30 參考文獻 31摘 要隨著電氣化鐵路的規模的擴大和現代化水平的提高,對牽引變電所監控和保護系統的可靠性、安全行、經濟性和可用性的要求越來越高。國外將牽引變電所監控和保護綜合在一起（統稱變電所綜合自動化）的研究已經很久。該技術在我國也迅速得到了發展，促使牽引變電所綜合自動化技術迅速

7、推廣和應用的原因主要有三點：常規牽引變電所二次系統存在諸多缺陷；電氣化鐵路對牽引變電所保護、監控等提出了更高的要求；新技術的迅速發展為其奠定了技術基礎。十余年來，國內外都對牽引變電所綜合自動化技術開展了討論、研究.隨著自動化技術、計算機技術和通信技術的發展，牽引變電所綜合自動化技術得到迅速發展。有很多按新概念、新原理設計的牽引變電所綜合自動化系統投入運行。展現了其極強的生命力，并成為我國電氣化鐵路牽引變電所推行技術進步的重點之一。關鍵詞： 變電所；綜合自動化；控制第 1 章 實現牽引變電所綜合自動化的技術基礎1.1 實現實現牽引變電所牽引變電所綜合自動化的必然性綜合自動化的必然性1.1.1 牽

8、引變電所實現綜合自動化與常規變電所相比較(一)常規變電所情況常規變電所的二次系統主要由繼電保護、當地監控、遠動裝置、濾波裝置所組成,是按繼電保護、遠動、當地控制、測量、濾波等功能組織的.相應的有保護屏、控制屏、濾波屏、中央信號屏等.每一個一次設備,如一臺變壓器、一組電容器等,都與所有這些屏相對應.因而,每個設備的電流互感器的二次側,都需要分別引到這些屏上;同樣斷路器的跳、合閘操作回路,也需要連到保護屏、控制屏、遠動屏及其他自動裝置屏上。此外,對同一個一次設備,與之相應的各二次設備(屏)之間,保護與遠動設備之間都有許多連線.由于各設備安裝在不同地點,因而變電所內電纜錯綜復雜。(二) 牽引變電所實

9、現綜合自動化的優越性與常規變電所二次系統比較,變電所實現綜合自動化體現出獨特的優越性：在線運行的可靠性高。變電所綜合自動化系統可以利用軟件實現在線自糾,具有故障診斷功能.微機系統的軟件設計,既有很強的綜合分析和判斷能力,在軟件程序的指揮下,微機系統可以在線實時的對有關硬件電路中各環節進行自檢;利用有關的硬件和軟件相結合技術，可有效防止干擾進入微機系統后可能造成的嚴重后果,更為重要的是變電所綜合自動化系統中的各子系統, 如微機保護裝置和微機自動裝置具有故障自診斷功能。其可靠性大大提高。 供電質量提高。由于在變電所綜合自動化系統中包括有電壓、無功自動控制功能，對于具有有載調壓變壓器和無功補償補償電

10、容器的變電所,可大大提高電壓合格率,保證牽引供電系統主要設備和各電器設備的安全，使無功潮流合理,降低網損,節約電能損耗。專業綜合,易于發現隱患,處理事故恢復供電快.實現綜合自動化以后，各專業綜合考慮,并裝備有先進的計算機,可以收集眾多需要的數據和信號,利用計算機告訴計算和正確判斷能力,將數據和信號經計算機處理后,以綜合的結果反映給變電所值班人員、供電調度及相關技術人員，還可提供時間分析的結果以及如何處理的參考意見,盡早恢復供電。牽引變電所運行管理的自動化水平高。實現自動化后,監視、測量、記錄、抄表等工作都由計算機自動進行,既提高了測量的精度,又避免了人為的主觀干預,運行人員只要通過觀看變電所后

11、臺機,對牽引變電所主要設備和各接觸網線路的運行工況和運行參數便一目了然。綜合自動化具有與上級調度通信功能,可將檢測到的數據及時送往調度中心,使調度員能及時掌握各變電所的運行情況,也能對它進行必要的調節和控制,且各種操作都有事件記錄可供查閱,大大提高運行管理水平和故障查找的方便性。減少控制電纜,縮小占地面積.實現綜合自動化以后，實現資源共享和信息共享,硬件電路多采用大規模集成電路，大大縮小變電所的占地面積。維護調試方便。為變電所實現無人值班提供了可靠的技術條件。變電所綜合自動化系統可收集到非常齊全的數據信息.有前大的計算機計算能力和邏輯判斷能力,可方便的監視和控制變電所的各種設備,不僅可以全面提

12、高無人值班變電所的技術水平,也為變電所安全穩定運行提供了可靠保證。當然,變電所實現綜合自動化技術以后,也出現一些問題.如與傳統的變電所監控裝置有根本性的背離,對長期從事傳統監控裝置維護、運行人員來說并不熟悉,在操作和維護過程中,較難以掌握.不過,這些優缺點取決于技術方面,同時又與各國的經濟發展狀況有關。相信隨著技術的不斷更新和完善,以及運行人員技術水平的不斷提高，變電所綜合自動化技術必將發揮它應有的巨大作用。1.1.2 對變電所綜合自動化系統的要求變電所綜合自動化應能全面代替常規的二次設備。綜合自動化系統中的繼電保護、測量監視、運行控制和通信于一個分級分布式的系統中,應能代替常規的繼電保護、儀

13、表、中央信號、模擬屏、控制屏和運行控制裝置。變電所微機保護的軟、硬件裝置既要與監控系統相互對立,又有相互協調。即保證在綜合自動化系統中,任何環節故障只影響局部功能的實現，也不影響保護子系統的正常工作。但與監控系統要保持緊密通信聯系。微機保護裝置應具有串行接口或現場總線接口,向計算監控系統或 rtu 提供保護動作信息或保護定值等信息。變電所綜合自動化系統的功能和配置,應滿足無人值班的總體要求。其功能設計應從牽引系統的安全、穩定運行,提高經濟效益的綜合指標出發，并具備 rtu 全部功能。要由可靠、先進的通信網絡和合理的通信協議。必須保證綜合自動化系統具有較高的可靠性和強的抗干擾能力。綜合自動化系統

14、中的各個子系統要相互獨立的自診斷和自恢復功能。系統的可擴展性和適應性要好。系統的標準化程度和開放性能要好。必須充分利用數字通信的優勢，實現數據共享。實現數據共享才能簡化自動化系統的結構，減少設備的重復，才能降低造價。變電所綜合自動化系統的研究和開發工作，必須統一規劃，統一指揮。1.2 變電所綜合自動化技術的發展方向1.2.1 變電所綜合自動化系統的發展概況國內變電所綜合自動化系統的研究工作始于 70 年代。最早是用微機型遠動裝置代替布線邏輯型的遠動裝置；同時變電所監控系統的功能在擴大，供牽引網的監控功能正以綜合自動化為目標迅速發展。在 1975 年，日本開始研究用于變電所的數字控制系統；198

15、0 年開始商品化。按其功能可分成三個子系統：繼電保護系統；測量子系統；控制子系統。我國變電所綜合自動化的研究始于 80 年代中期。1987年，清華大學工程系研制成功第一套符合國情的變電所綜合自動化系統，在山東威海望島變電所成功地投入運行。80 年代后期，投入變電所綜合自動化研究的高等院校、研究單位和生產廠家逐步增加。近幾年來，隨著研究變電所綜合自動化進入高潮，其功能和性能也不斷完善。變電所綜合自動化成為今后變電所的主導技術。其發展方向：從集中控制、功能分散型向分散（層）網絡型發展。從專用設備到平臺。從傳統控制向綜合智能方向發展。從室外型向戶外型演變。從單純的屏幕數據監視到多媒體監視。縱向和橫向

16、綜合。1.3 變電所綜合自動化的基本概念變電所綜合自動化是自動化技術、計算機技術和通信技術等高科技在變電所領域的綜合應用。變電所綜合自動化系統可以采集到比較齊全的數據和信息，利用計算機的高速計算能力和邏輯判斷能力，可方便的監視和控制變電所內各種設備的運行和操作。變電所綜合自動化是將變電所的二次設備（包括測量儀表、信號系統、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等）經過功能的組合和優化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信號處理技術，實現對全變電所的主要設備的自動監視、測量、自動控制和微機保護，以及與調度通信等綜合性的自動化功能。變電所綜合自動化系統的基本配置。如 1-1 圖所示：圖 1-

17、1 變電所綜合自動化系統的配置圖1.4 變電所綜合自動化系統的基本特征變電所綜合自動化當是通過監控系統的局域網通信，將微機保護、微機自動裝置、微機遠動裝置采集的模擬量、開關量、狀態量、脈沖量及一些非電量信號，經過數據處理及功能的重新組合，按照預定的程序和要求，對變電所實現綜合性的監視和調度。因此，綜合自動化的核心是自動監控系統，而綜合自動化的紐帶是監控系統的局域通信網絡，它把微機繼電保護、微機自動裝置、微機遠動功能綜合在一起形成一個具有遠方功能的自動監控系統。變電所綜合自動化系統最明顯的特征表現在以下幾個方面：功能綜合化。在綜合自動化系統中，微機監控系統綜合了變電所的儀表屏、操作屏、模擬屏、變

18、送器屏、中央信號系統等功能。遠動的 rtu 功能及電壓和無功補償自動調節功能。微機保護綜合了故障錄波、故障測距、小電流接地選線、自動按頻率減負荷、自動重合閘等自動裝置功能。結構分布、分層化。綜合自動化系統中的子系統都是按分布式結構設計的，每個子系統可能有多個 cpu 分別完成不同功能。另外，按照變電所物理位置和各子系統功能分工的不同，其總體結構又按分層原則來組成。操作監視屏幕化（均被 cpu 屏幕取代）。通信局域網絡化。運行管理智能化。常規二次系統只能監測一次設備，而本身的故障必須靠維護人員去檢查，去發現。綜合自動化系統不僅監測一次設備，還每時每刻檢測自己是否有故障，這當充分體現了其自能化，實

19、現了常規保護裝置與調度中心的通信。測量顯示數字化、常規指針式儀表被 crt 顯示器上的數字所代替。直觀、明了，提高測量精度和管理的科學性。綜合自動化將成為今后新建變電所的主導技術，同時也是變電所改造的首選產品。1.5 變電所綜合自動化的內容、主要功能及信息量1.5.1 變電所綜合自動化系統的內容電氣量的采集和電氣設備（如斷路器等）的狀態監視、控制和調節。實現變電所正常運行的監視和操作，保證變電所正常運行和安全。發生故障時，由繼電保護和故障錄波等完成瞬態電氣量的采集、監視和控制，并迅速切除故障設備和完成事故后的恢復正常操作。從長遠的觀點來看，綜合自動化系統的內容還應包括高壓電氣設備本身的監視信息

20、（如斷路器、變壓器和避雷器等的絕緣和狀態監視等）。1.5.2 變電所綜合自動化系統的主要功能及信息量繼電保護的功能變電所綜合自動化系統中的微機繼電保護主要包括接觸網線路保護、牽引變壓器保護、母線保護、電容器保護、小電流接地系統自動選線、自動重合閘。此外，附加功能包括：繼電保護的通信功能及信息量。具有與系統統一時鐘對時功能。存儲各種保護整定值功能。當地顯示與遠方觀察和授權遠方修改保護整定值。設置保護管理機或通信控制機，負責對各保護單元的管理。故障自診斷、自閉鎖和自恢復功能。自動重合閘功能。監視控制功能實時數據采集與處理。采集變電所牽引運行實時數據和設備運行狀態，包括各種狀態量、模擬量、脈沖量、數

21、字量和保護信號，并將這些采集到的數據去偽存真后存于數據庫供計算機處理之用。運行監視功能。主要是對變電所的運行工況和設備狀態，進行自動監視，即對變電所各種狀態量變位情況的監視和各種模擬量的數值監視。故障錄波與測距功能。變電所的故障錄波和測距可采用兩種方法實現：由微機保護裝置兼作故障記錄和測距，再將記錄和測距的結果送監控機存儲及打印輸出或直接送調度主所，這種方法可節約投資，減少硬件設備，但故障記錄的量有限；采用專用的微機故障錄波器，并且錄波器應具有串行通信能力，可以與監控系統通信。事故順序記錄與事故追憶功能。事故記錄當是對變電所內的繼電保護、自動裝置、斷路器等在事故時動作的先后順序自動記錄；事故追

22、憶是指變電所內的一些主要模擬量，如線路、主變壓器各側的電流、有功功率、主要母線電壓等，在事故先后一段時間內作連續測量記錄。控制及安全操作閉鎖功能。操作人員可通過 crt 屏幕對斷路器、隔離開關進行分、合閘操作；對變壓器分接頭進行調節控制；對電容器進行投、切控制，同時要能接受遙控操作命令，進行遠方操作，并且所有操作控制均能實現當地和遠方控制，當地和遠方切換相互閉鎖，自動和手動相互閉鎖。數據處理與記錄功能。人機聯系功能。打印功能。運行的技術管理功能。歷史數據處理、存檔、檢索。統計值處理。累計值處理。 諧波的分析和監視功能。自診斷、自恢復和自動切換功能。牽引變電所自動控制裝置的功能。無壓、無功綜合控

23、制。利用有載調壓變壓器和母線無功補償電容器及電抗器進行局部的電壓及無功補償的自動調節，使負荷側母線電壓偏差在規定范圍內。備用電源自投控制。當工作電源因故障不能供電時，自動裝置應能迅速將備用電源投入使用。典型的備用自投有變壓器備投、進線備投。遠動及數據通信功能變電所綜合自動化的通信功能包括系統內部的現場級間的通信和自動化系統與上級調度的通信兩部分。第 2 章 變電所綜合自動化系統的硬件2.1 綜合自動化系統的硬件結構形式根據綜合自動化系統設計思想和安裝的物理位置的不同，綜合自動化系統硬件結構形式可以分成很多種類。從國內變電所綜合自動化系統的發展過程來看，其結構形式有集中式、分布式、分散（層）分布

24、式；從安裝物理位置上來劃分有集中組屏、分層組屏和分散在一次設備間隔設備上安裝等形式。2.1.1 結構形式一、集中式綜合自動化系統采用不同檔次的計算機，擴展其外圍接口電路，集中采集變電所的模擬量、開關量和數字量等信息，集中進行計算和處理，分別完成微機監控、微機保護和一些自動控制等功能。這種機構形式是按變電所的規模配置相應容量、功能的微機保護裝置和監控主機及數據采集系統，它們安裝在變電所主控室內。主變壓器各種進出線路及所內所有電氣設備的運行狀態通過電流互感器、電壓互感器經電纜傳送到主控制的保護裝置或監控計算機上，并與調度控制端的主計算機進行數據通信。當地監控計算機完成當地顯示控制和制表打印等功能。

25、變電所綜合自動化系統的目標是實現變電所的小型化、無人化和高可靠性，我國 20 世紀 80 年代開始研制分布式綜合自動化系統。二、分層分布式結構集中式組屏的綜合自動化分層分布式結構的概念所謂分布式結構，是在結構上采用主從 cpu 協同工作方式，各功能模塊（通常是各個 cpu）之間采用網絡技術或串行方式實現數據通信，多 cpu 系統提高了處理并行多發事件的能力，解決了集中式結構中獨立 cpu 計算處理的瓶頸問題，方便系統擴展和維護，局部故障不影響其他模塊正常運行。且變電所信息的采集和控制分為管理層、所控層和間隔層三級分布布置。中、小型變電所的分層分布式集中組屏結構把整套綜合自動化系統按其功能組裝成

26、多個屏，集中安裝在主控室中。特點：軟件相對簡單調試維護方便，組態靈活，系統可靠性高。大型變電所分層分布式集中組屏結構較之中小型變電所的綜合自動化系統，大型變電所則在管理層可能設有通信控制機，專業負責與調度中心通信，并設有工程師機，負責軟件開發與管理功能。分層分布式集中組屏綜合自動化系統結構特點可靠性高，有故障時，只影響局部；可擴展性和靈活性高；電纜大大簡化，節約投資。分布式系統為多 cpu 工作方式，減輕了主控室機的負擔。繼電保護相對獨立。可靠的自動化監控系統。具有與系統控制中心通信功能。2.1.2 分散分布式與集中相結合的綜合自動化系統結構這是目前國內外最為流行、受到廣大用戶歡迎的一種綜合自

27、動化系統。它采用“面向對象”即面向電氣一次回路或電氣間隔的方法進行設計的，間隔層中各數據采集、控制單元和保護單元做在一起，設計在同一機箱中，并將這種機箱當地分散安裝在開關柜上或其他一次設備附近，這樣各間隔單元的設備相互獨立，僅通過光纖或電纜網絡由所控機對它們進行管理和交換信息，這是將功能分布和物理分散兩者有機結合的結果。分散與集中相結合的變電所綜合自動化系統結構框圖。如 2-1 圖所示：將配電線路的保護和測控單元散發安裝在開關柜內，而高壓線路保護和主變壓器保護裝置等采用集中組屏的系統結構稱為分散和集中相結合的結構，適合應用在各種電壓等級的變電所中。結構特點牽引變電所綜合自動化系統一般采用集中組

28、屏的系統結構。27.5kv 饋線保護、110kv 高壓線路保護和變壓器保護采用集中組屏結構，安裝在控制室或保護室中，可靠性高。備用電源自投控制裝置和電壓無功綜合控制裝置采用集中組屏結構安裝于控制室或保護室中。采用脈沖電能表或帶串行通信接口的智能型電能計量表，保證電能計量的準確性。圖 2-1 分散與集中相結合的變電所綜合自動化系統結構框圖優越性簡化了變電所二次部分的配置，縮小了主控室的面積，利于實現無人值班。減少了施工和設備安裝工作量。簡化了變電所二次設備之間的互連線，節省了電纜。分層分散式結構可靠性高，組態靈活，檢修方便。目前，變電所綜合自動化系統的功能和結構都在不斷地向前發展，全分散式的結構

29、一定成為今后發展的方向，為變電所實現高水平、高可靠性和低造價的無人值班創造更有利的技術條件。2.2 變電所綜合自動化系統的硬件原理目前，變電所綜合自動化系統均按模塊化設計，也就是說對于成套的綜合自動化系統中，微機保護系統、監控系統、自動控制系統等裝置都是若干模塊組成的。不同的功能用不同的軟件來實現，不同的使用場合按不同的模塊組合方式構成。一個變電所綜合自動化系統中各個子系統（如微機保護）的典型硬件結構主要包括：模擬量輸入/輸出回路、微型機系統、開關量輸入/輸出回路、人機對話接口回路、通信回路、電源。變電所綜合自動化硬件結構。如 2-2 圖所示：圖 2-2 變電所綜合自動化硬件結構2.2.1 模

30、擬量輸入/輸出回路變電所綜合自動化系統采集的變電所的電流、電壓、有功功率、無功功率、溫度等都是屬于模擬量。模擬量輸入電路的主要作用是隔離規范輸入電壓及完成模/數變換，以便與 cpu 接口，完成數據采集任務。模擬量的作用是把微型機系統輸出的數字量轉換成模擬量輸出，由數/模（d/a）變換器來完成。根據模/數變換原理的不同，綜合自動化裝置中的模擬量輸入電路有兩種方式：一是基于逐次逼近型 a/d 轉換方式（adc），是直接將模擬量轉變為數字量的變換方式；二是利用電壓/頻率變換（vfc）原理進行模/數變換方式，它是將模擬量電壓轉換為頻率脈沖量，通過脈沖計數變換為數字量的一種變換形式。電壓形成電路起電量作

31、用外，還將一次設備的電流互感器 ct、電壓互感器 pt的二次回路與微機 a/d 轉換系統完整隔離，提高抗干擾能力；低通濾波電路的作用是限制輸入信號的最高頻率；采樣主要表現為真實的反映出原始的連續時間信號中所包含的重要信息；模擬量多路轉換開關的作用是將多路待轉換的模擬量每次只選通一路，輸出只有一個公共端接至 a/d 轉換器，達到分時轉換；a/d 轉換器的作用將連續變換的模擬信號轉換為數字信號。輸出電路的結構由鎖存器、d/a 轉換器、低通濾波器、功率放大器組成。一、 微型機系統變電所綜合自動化裝置硬件系統的數字核心部分一般由 cpu 存儲器、定時器/計數器、watchdog 等組成。cpu（中央處

32、理器）是計算機系統自動工作的指揮中樞。存儲器。利用存儲器把程序和數據保存起來，使計算機可以在脫離人的干預下自動的工作。定時器/計數器。用來觸發采樣信號，引起中斷采樣。在電壓-頻率（v/f）變換式 a/d 中，把頻率信號轉換為數字信號的關鍵部件。watchdog。其作用是監視程序的運行情況。二、開關量輸入/輸出回路由串行接口、光電耦合電路及有觸點的中間繼電器等組成。用于告警信號、壓板投送信號及閉鎖信號。三、人機對話接口回路。主要包括打印、顯示、鍵盤及信號燈、音響或語言告警，主要功能用于人機對話。四、通信回路。用于完成變電所綜合自動化系統各子系統的機間通信和遠動通信。五、電源（直流穩壓電源）。 第

33、 3 章 變電所綜合自動化的保護和控制系統牽引變電所綜合自動化系統中的微機繼電保護主要包括接觸網線路保護、牽引變壓器保護、母線保護、電容器保護、自動重合閘。3.1 變壓器的微機保護變壓器微機保護分為主保護、后備保護和輔助保護。牽引變壓器的主保護主要有比率制動式差動保護、差動速斷保護、本體重瓦斯、有載調壓中瓦斯和壓力釋放。后備保護有中性點不接地系統變壓器后備保護和中性點直接接地系統變壓器后備保護。3.1.1 主保護差動保護（用于變壓器內部相間短路，差動保護一般為瞬時動作）。用環流法構成兩繞組變壓器電流差動保護。變壓器的兩側都裝設同極性端子相連的電流互感器，其二次繞組按環流原則相串聯。差動繼電器接

34、在差流回路上。以兩繞組變壓器差動保護為例，其接線如 3-1 圖所示：基本原理：當變壓器內部發生相間短路時，流過電流互感器二次側的電流大小不等，即非電源側的二次電流很小，而電源側的二次電流很大。差動回路流入二次短路電流很大，使差動繼電器 k 動作。當變壓器連接雙電源時，兩側電流互感器的二次電流 i 和 i 在差動回路中方向相同。繼電器流過的電流為兩二次電流之和。i =i +i ，使差動繼電器動作。牽引變壓器比率制動式差動保護原理：保護的動作電流隨外部短路電流按比率增大，既能保證外部短路不誤動，又能保證內部短路有較高的靈敏度。比率是指差動保護的差動電流與制動電流之比。制動電流的選取：在不平衡電流較

35、大的外部故障時有制動作用，而在內部故障時制動作用最小。一般按最大差電流相的三側電流之最大者來選作制動電流。比率式制動特性如 3-2 圖所示：曲線差動回路中的不平衡電流，外部短路時，差動保護的不平衡電流與外部短路電流的大小成正比。水平線無制動時差動保護的整定電流，它是按躲過最大不平衡電流整定的，為一個常數。曲線變壓器差動保護區內短路時的差電流，它隨短路電流的增大而線性的增大。曲線 4有制動特性的某種差動繼電器的差動保護特性。在無制動時，曲線 3 與曲線 2 相交于 b 點，這時保護不動作區為 ob。即保護區內短路時短路電流大于 ob所代表的電流值，保護才能動作。有制動時，曲線 3 與曲線 4 相

36、交于 a 點，短路電流的代表值 r 大于 oa，保護當能動作，不動作區只限于 oa以左。可見 oaob，這說明在同樣的內部短路水平下，有制動特性的差動保護要比無制動特性的差動保護的靈敏度高。牽引變壓器的縱聯差動保護原理：在變壓器兩側分別接電流互感器。若兩個電流互感器二次側電流大小相等、方向相同。將兩電流之差送給差動繼電器。若差值為零，則運行正常；若差值大于零，則出現故障。根據變壓器原、副邊電流（經電流互感器變化）之差，而動作的差電流保護。主要針對變壓器的匝間短路故障。yd 變壓器差動保護電流大小：通過控制電流互感器的變比。電流方向：通過改變電流互感器的接線方式。克服勵磁涌流及不平衡電流影響的方

37、法牽引變壓器：采用二次諧波制動克服勵磁涌流，通過變壓器中性點零序電流分量補償，可消除不平衡電流的影響。牽引變壓器：對于電磁型差動繼電器而言，利用速飽和變流器和短路線圈克服勵磁涌流；利用平衡繞組克服外部短路時不平衡電流的影響。對于晶體管型差動繼電器，利用鑒別電流波形間斷角的大小和二次諧波制動的方法躲過勵磁涌流；利用變壓器外部短路故障時的穿越性故障電流產生制動躲過不平衡電流。變壓器的差動速斷保護差動速斷保護是差動電流過電流瞬時速動保護，以加快保護內部嚴重故障時的動作速度。差動速斷的整定值按躲過最大不平衡電流和勵磁涌流來整定。其整定值可取正常運行時負荷電流的 56 倍。即 i（56）i電流互感器斷線

38、監視若在運行中發現電流互感器某相斷線，則斷線相的二次電流為零，于是差電流i 不為零，可能引起差動保護誤動作。需要進行電流互感器的斷線監測和監視。依據：i +i +i 某一值（如 0。5a） 零序電流 i 設定值 i maxi ，i ，i 5a 當檢測出電流互感器斷線后，發出警告信號。由控制字選擇是否閉鎖差動保護。3.1.2 變壓器的后備保護一、復合電壓閉鎖方向過電流保護變壓器每一側的后備保護均采用同一個復合電壓閉鎖元件。其原理與線路保護中的方向元件完全相同。如果是作為變壓器相鄰元件的后備保護，則變壓器指向母線正方向。如果作為變壓器本身的后備保護，則母線指向變壓器的方向為正方向。復合電壓閉鎖過電

39、流保護有二段式和三段式兩種，為了縮小故障范圍通常段動作跳本側分段斷路器，段動作跳本側斷路器，段跳三側斷路器。三段方向元件均可通過控制字單獨投退并改變方向，其方向指向變壓器為正方向。牽引變壓器的過電流保護分設在變壓器的高壓側和低壓側。高壓側采用三相式過電流保護低壓側采用單相式過電流保護。牽引變壓器低壓啟動過電流保護（三相）。如 3-3 圖所示：其構成原理：當變壓器上發生短路故障時（差動保護范圍內），三相低壓啟動過電流保護啟動，而單相低壓啟動過電流保護不啟動。只有當變壓器的主要保護拒動時，才由三相低壓啟動過電流保護經延時后動作，變壓器退出運行。當變壓器外部某相發生短路故障時，高、低壓側電流保護均啟

40、動，但由延時較短的電相低壓啟動過電流保護動作，該相斷路器跳閘，切除短路故障。二、變壓器過負荷保護變壓器過負荷保護一般取兩相電流。段用于發警告信號，段用于啟動斷路器跳閘。由于三相牽引變壓器各相負荷不對稱。因此，過負荷保護裝置應裝設在變壓器高壓側的兩個重負荷相上。三、變壓器零序保護主變壓器零序保護使用于 110kv 及以上等級電壓的變壓器，主變壓器零序保護由主變壓器零序電流、主變壓器零序電壓、主變壓器間隙零序電流元件構成。根據不同的主變壓器接地方式分別設置如下三種保護形式：中性點直接接地保護方式、中性點不接地保護方式、中性點經間隙接地的保護方式。在大接地電流系統中，對中性點直接接地的牽引變壓器，為

41、防止進線側上發生的接地短路故障，應裝設中性點零序過電流保護，作為變壓器的后備保護。保護用電流互感器裝設在中性點接地線上。保護裝置的動作時限應與進線零序過電流保護裝置的動作時限相配合選取。三相牽引變壓器的零序電流保護的動作電流整定：i =k /k i 70%（可靠系數 k 取 12，返回系數 k 取 085）i 變壓器中性點接地側額定電流。 牽引變壓器中性點直接接地的零序保護方式是由一段式的零序電流構成，可由控制字選擇經或不經零序電壓閉鎖。零序電流保護設一個時限，分別由整定控制字控制保護的投退，延時跳高低壓斷路器。3.2 接觸網線路微機保護一、接觸網短路的電流保護根據繼電器動作電流整定原則和繼電

42、保護裝置動作時限的不同，過電流保護可分為定時限過流保護、帶時限電流速斷保護，把它們組成一套電流保護裝置稱為兩段式電流保護。其啟動元件均為過電流繼電器，但整定值不同。整定電流：段按躲過本線路末端最大短路電流進行整定。 段按最大負荷電流進行整定。三、牽引網的接地保護牽引系統中性點接地方式有兩種：中性點直接接地方式；中性點不接地。牽引網保護一般采用電流速斷、過電流、電流增量和阻抗保護。電流速度按保護：按照躲過接觸網末端最小短路電流設定過電流保護：按照躲過供電臂組大負荷電流整定。電流增量保護：按照一臺機車的啟動電流整定。帶諧波擬制功能的阻抗保護：按照接觸網短路時的牽引網電抗進行整定，一般分為 i、ii

43、、iii 段阻抗保護，分別按照不同的短路點進行設定，并利用電力機車負荷中的高次諧波進行制動，以防保護誤動。3.3 電容器的微機保護為了補充牽引系統無功功率的不足，提高功率因數，改善供電質量，在各個變電所廣泛采用無功補償并聯電容器組。并聯補償電容組的通用保護的方法：電抗器限流保護：能夠限制短路電流，防止電容器合閘時充電涌流及放電電流過大損壞電容器，防止高次諧波的影響。避雷器的過電壓保護：吸收系統過電壓的沖擊波。電容器組的電壓保護：利用母線電壓互感器 ptv 測量和保護電容器，用于防止系統穩態過電流和欠電壓。電容器組的電流保護：用于保護電容器組內部短路。3.4 自動重合閘一、自動重合閘的作用：對于

44、瞬時自消性故障，利用重合閘避免不必要的停電。二、適用范圍：瞬時故障多發區，安裝在線路的自動裝置上。三、單電源供電線路的一次自動重合閘原則（1）瞬時故障跳閘重合（2）手動分閘不重合（3）手動合閘于故障線路不重合（4）重合閘一旦失敗，不會有二次重合閘3.5 備用電源自投裝置備用電源自動投入裝置是牽引系統故障或其他原因使工作電源被斷開后，能迅速將備用電源或備用設備或其他正常工作的電源自動投入工作，使原來工作電源被斷開的用戶，能迅速恢復供電的一種自動控制裝置。備用電源自動投入裝置的基本特點：工作電源確實斷開后，備用電源投入，防止備用電源投入到故障元件中。備用電源自動投入切除工作電源斷路器必須經延時，從

45、而躲過工作母線引出線路故障造成的母線電壓下降。手動跳開工作電源時，備自投不應動作。應具有閉鎖備用電源自動投入裝置的功能，防止備用電源投入到故障元件上。備用電源不滿足有壓條件，備用電源自動投入裝置不應動作。工作母線失壓時，還必須檢查工作電源無流，才能啟動備用電源自動投入裝置，以防止 pt 二次側三相斷線造成誤投。備用電源自動投入裝置只允許動作一次。第 4 章 變電所綜合自動化保護、監控裝置微機保護的一大特色當是利用基本相同的硬件結構和電路。通過不同的軟件原理完成不同的功能。以型線路保護、監控裝置為例說明輸電線路保護、監控裝置。4.1 自動化保護監控裝置型線路監控、保護裝置是新一代高性能微機保護產

46、品，集保護、監測、控制、錄波、自動重合閘、通信于一體，適用于牽引變壓器保護，也使用于.kv 饋線上,既可分散安裝在開關柜上,也可集中安裝在控制室中。一、硬件結構由電源板、tvta 板、通用 i/o 板、cpu 板和 lcd 板六塊電路板構成。二、功能變壓器后備保護功能變壓器主保護功能主變測控功能饋線保護測控功能并補電容器保護測控功能.動力變保護測控功能通用測控功能.信號顯示功能.通用通訊功能三、監控部分事件順序紀錄當各類保護動作或監視的其他狀態發生變化時,裝置將自動紀錄事件及動作值,事件順序紀錄可通過面板進行查詢。故障錄波裝置將對所輸入的各個值進行連續采樣，采樣值存放于 ram 中，錄波條件滿

47、足時，將保留啟動前 4 個周期的數據，且連續采樣并存放 180 個周期的數據。4.2 變電所綜合自動化的數據通信系統在變電所綜合自動化系統中，數據通信是一個重要環節。其主要任務體現在兩個方面，一個方面是完成綜合自動化系統內部各子系統間或各種功能模塊間的信息交換；另一方面是完成變電所與控制中心的通信任務。在變電所里依靠通信網把繼電保護、自動裝置和監控系統緊密的聯系在一起實現變電所綜合自動化。一、綜合自動化系統與控制中心的通信內容綜合自動化系統前置機或通信控制機具有執行遠動功能，會把變電所內相關信息送到控制中心，同時能接受上級調度數據和控制命令。通信內容包括：遙測信息遙信信息遙控信息遙調信息二、綜

48、合自動化系統的遙信功能微機保護的通信功能接受監控系統的查詢向監控系統傳送事件報告向監控系統傳送自檢報告校對時鐘，與監控系統對時，修改時鐘修改保護值接受調度或監控系統值班人員投退保護命令保護信號的遠方復歸功能實時向監控系統傳送保護主要狀態自動裝置的通信功能與信息內容小電流接地系統接地選線裝置的通信內容備用電源自投裝置的通信功能電壓和無功調節控制通信功能微機監控系統的通信功能具有擴展遠動 rtu 功能具有與系統通信的功能三、數據遠傳通信線路音頻電纜通信光纖通信四、變電所信息傳輸規約開放系統互聯交換信息的標準循環式通信規約問答式傳輸規約4.3 以隴海線華山變電所為例4.3.1 傳輸線路的遠程保護 對

49、于傳輸線路的遠程保護，利用遠程繼電器，一個重要觀察結果是從接通繼電器的時刻開始，繼電器就連續采樣輸入信號，因此，在信號變化的整個過程中均可獲得輸入數據。但由于實際原因，存貯器緩沖器中只保存了有限的采樣值。在某種意義上。通常這種存貯器的存取是循環的，每當緩沖器貯滿時，就存儲下一批采樣值以取代舊采樣值。這種特性能做到連續監視傳輸線路負載，此外還能捕捉牽引信號在正常故障過渡時的預兆故障值和故障值。以微處理機為基礎的遠程繼電器的另一個共同特性是繼電器正常狀況和工作狀態的自診斷。這一特性對測試和維護是極其有用的，與以前的技術相比是設計上的一個重要的進步。此外，在操作接口方面也得到了一定的改進。用于繼電器

50、的設定、工作狀態和各種牽引系統信號測量情況的各種操作均可進行顯示，通過使用帶有更改設定值的復雜的處理協議的終端，繼電器設定過程可以得到大大的強化和簡化。 由于對信號采樣值進行了各種邏輯和算術運算，因而實現了基于微機的繼電器內部處理。通過使用存貯在繼電器固件內的軟件流程實現了繼電器算法。圖 4-1 給出了典型的功能軟件流程圖。該圖示出了一個基于微機的設計所具有的絕妙的靈活性，它所提供的繼電器算法的每個處理步驟均為獨立的軟件模塊，使設計師能方便地改變某些模塊，以便適應不同繼電器的要求。在采用遠程繼電器的情況下，繼電器工作特性的各種不同狀態，以及電壓、電流和阻抗測量的各種算法，均可以使用同樣的基本硬

51、件和圖 4-1 所介紹的同樣軟件編排來實現。 總之，基于微機的繼電器，可將繼電器設計成具有一些傳統的遠程保護功能，例如帶有適于傳送跳閘閉合功能的各種通訊選擇的分段限時保護。另一方面，可以用一個遠程繼電器微計算機實現很復雜的設計。在這種情況下除基本遠程繼電器保護功能外，還可以包括其他功能，例如：局部斷路器失效保護、高速重閉、自動同步校驗，不同步保護，瞬時記錄、故障定位、soe(事件順序)記錄。 4-1 圖 遠程繼電器的軟件流程圖 請注意，利用設計中的這種靈活性對于獲得性能價格比高的遠程繼電器保護是十分重要的。如果只需要基本的繼電器保護功能，可以使用廉價的 8 位單板微計算機。另一方面，如果需要復

52、雜的遠程保護設計，可能需要高性能 16 位多微計算機系統。這種設計與等效的常規設計相比可能不是高性能價格比的。但在這種情況下，可通過增加不花錢就可得到的額外功能，使整個復雜遠程繼電器保護設計比具有等效功能的各種常規設備便宜。開 始ny區段內故障定時器啟動跳閘邏輯啟動區 域 比 較r入的計算故 障 分 類故 障=1？ 故 障 檢 驗模 塊 測 試硬件啟動測 試=1 ？收集的新采樣值測試顯示ynnyy4.3.2 饋線監視和保護 微機為饋線監視和保護設備的設計者展現了一個新前景。過去由于成本或技術方面的原因，這種新的監視與保護功能是不可能實現的。這些進步的一些實例包括饋線用的數字緩充器、數字故障記錄

53、和分析系統，以及變電所自動化系統。過去在這方面做了許多研究和開發工作，一個大型研究實例是幾個配電自動化工程，例如 eprigetesc0和epri西屋cpl工程。texas am研究人員的研究成果已經證明，把許多功能有效地匯織到一個集成系統是可能的。這項研究的目的是要說明，把變電所功能匯集成一個硬件和軟件設計的可行性和優點。饋線保護和監視系統(fpms)的樣機，選擇了表中所給出的各種保護、監視和通訊特性。表4-1 fpms 功能和特性保護特性監視和記錄功能相/地過流保護可編程繼電器曲線遠程曲線設置坐標參數的遠程設置故障信號波形的分析故障前/后數據記錄操作員可選擇的事件記錄事件記時標記饋線負載監

54、視饋線諧波/噪音記錄通 訊 特 性遠程雙向通訊局部特性接口程序向下裝入能力故障記錄的遠程傳送fpms的過流繼電器部分，包括用于饋線的過流保護和監視。這種瞬時和計時過流功能提供了等效于機電系統可提供的主要饋線保護。 在繼電器內存貯的靈活的時間電流座標曲線是傳統的曲線類型。但是，這些曲線可被規定為任何單值電流函數，與常規機電設備的反特性相比不是限制性的，這種繼電器對于所有饋線保護使用一種曲線，如果饋線條件改變，為適時修正座標曲線特性，這些曲線可向下裝入繼電器。 用于估算原始饋線電流數值的過流保護算法原來是基于交叉相關技術的以240hz的速率采集所有四種電流的信號，并與參考值相比較，然后用walsh

55、數值估算法估算結果分量，以估算出60hz分量。對于高于故障拾取閥值的特定計算電流值，用查表算法連續地斷定跳閘時間。對于反向曲線通常是陡硝的低故障電流，該麥具有很高的分辨力。查表過程允許用戶輸入座標曲線，以便繼電器不限于常規設備的有限的反向曲線特性。 這種設備的明顯優點在于：使用任何繼電器曲線形狀或曲線組合，對過流部分進行編程序的能力。而且，經過適當的人機接口，可對這些曲線進行本地或遠程修改。 fpms數據記錄器具有存貯幾類系統會通到的有關于擾信息的功能。當故障發生時，包括發生時間、最大相電流和地電流，以及故障期間繼電器的設定值等數據全被存貯起來，并與干擾記錄相比較。如果沒有隨干擾發生跳閘，則干

56、擾被分類為事件存貯起來；如果發生了任何一種形式的bet路，則干擾分類事故障存貯起來，以供操作員使用。除此以外，引發電路斷開的設備連同故障發生的相可一起識別出來，如斷路時間，斷路器動作時間之類的值也將被記錄下來。 所有示波器記錄的三相和接地的故障數據都被存貯起來。對于那些長數據記錄，使用數據縮減程序舍棄重復數據以節省系統存貯器空間。這種記錄系統的優點很多。可根據要求將故障數據提供給操作員供以后分析系統操作和故障特性用。還可通過現有的通訊鏈路，把這種數據傳送到遠方某地，供高級計算機詳細分析。對于本地的或經過電話調制解凋器的遠方數據傳送，雙向通訊都是可采用的。 此外還實現并論證了適于故障信號波形分析

57、的研究級算法。想用該算法檢測出用標準過流繼電保護裝置不可能檢測出來的配電電路中的很低電流故障。由于存在能分析常規過流保護系統可忽略的故障波形和參數的算法，有效地提高了檢測很低電流放障的可的性。 集成饋線保護系統的優點是很多的，使用數字技術后，能獲得并分析以前被忽略或舍棄的大量重要數據。在集成系統中，可以以很低的成本獲得詳細的示波器記錄下來的故障數據。可以實現利用保護曲線和協調理輯進行程序設計的、安裝普通繼電器硬件的能力；獲得同其他變電所自動化設備(例如5dada系統)互連保護裝置的團力，以及與遠程保護和監視裝置的交互作用的能力。我們尚可設想安裝一些保護與監視模塊與作為變電所擴展的變電所聯網。

58、其他明顯的優點包括實現詳細的饋線健全性的實時診斷的能力，監視饋線的長期和短期負載趨向的能力，以及檢驗象過度諧波含量一類的異常情況的能力。利用饋結集成系統的公共數據庫，能以很低成本實現這些能力。 另一優點是通過數字系統設計，得到了改善保護可靠性的潛在能力。有些人覺得為了達到足夠的保護可靠性，必須有獨立的機電或靜態裝置，而不是公共硬件。慎重的分析證明，使用多微機設計，能獲得智能系統的自診斷能力，以及二次應急保護能力。與簡單冗余機電系統相比可提供獲得了重大改進的統計可靠性。4.3.3 變電所的集成式控制和保護系統 這種系統設計概念要求所有變電所自動化功能存在于一個基于多微機的分布處理系統中，因此術語

59、“集成”描述了所有功能包括在一個很可能由幾個微計算機的網絡組成的計算機系統中的事實。系統的主要設計特性是，處理機功能分配給互連起來的許多不同微機中。因此，有些研究人員則認為名詞“協同處理”是較適當的描述。這一名詞較好地描述了這樣的事實：許多不同功能被分配到一個系統中的不同處理機，系統主要特性是不同功能的協調。但盡管認為名詞“協同處理”是十分適當的，但往往還是使用名詞“集成”。在圖4-2個給出了一個這類系統的實例。 變電所計算機通 訊 系 統保護繼電控制瞬態記錄本地控制編 組 所 設 備主控接口遠程操作員本地操作員集成控制和保護系統框圖層 1層 2層 34-2 圖 集成控制和保護系統框圖從圖4-

60、2所給出的集成系統可以看出，它具有分層結構，至少可以識別出三種不同處理層。一層是數據采集層，另一層是某些時間臨界功能的處理層，第三層是整個變電所層。所有相鄰層使用各種通訊鏈路互連，這種通訊設備使得整個設計好象是整個變電所的一個系統。 應該指出，有許多把變電所功能分配給系統內處理層的方法，這些可因2 集成控制和保護系統框圖能性已引發丁許多不同的設計方法，并由此形成了由幾個公司提供工業產品的局面。由epri支持的幾種新產品被西屋電氣公司和通用電氣公司引入，長期開發也被哥倫布的aep5k務公司承擔。近幾年已受這種概念影響的其他公司有：e1ectricite de f ran cc(及幾個法國廠家)、