论文题目：变电站综合自动化系统的研究
专业：电气工程及其自动化
摘要
本次毕业论文通过对变电站自动化的概念和发展趋势，以及变电站综合自
动化系统研究的意义和国内外现在发展的状况的论述，探讨了变电站综合自动
化系统的功能，结构，保护配置，并且进一步讨论了微机保护硬件的结构和特
点。通过对变电站综合自动化系统通信方面的研究，介绍了当前各种总线方式
和最新的通信技术，将各种通信方式进行了详细的说明，并将他们的优缺点进
行了详细的分析，比较了各种方式的性价比。并且对此前景进行了简介。最后 |
关键词：变电站综合自动化，通信协议，微机保护，硬件配置。
Abstract
Thethesis of the substation automation concept and development trends,and integrated substation automation system and the significance ofthe study of the development of the domestic and internationalsituation now exposition
Discussionof integrated substation automation system functions, structure,protection configuration, and further discussion of the computerhardware protection of the structure and characteristics. Through theintegrated substation
automation system communication research, on the current bus various ways and the latest communications technology, the various modes of communication for a detailed description, and the advantages and disadvantages of a detailed analysis to compare the cost-effectiveness of various forms. And the prospects for this |
brief.Finally, integrated substation automation systems and comprehensiveprotection from the installation of equipment for a detailedbriefing. Graphic and running, and finally some of the substationautomation system for Chinese English translation of the article,This understanding of integrated substation automation system withthe latest technology in a great help.
Keywords: integrated substation automation, communication protocols,microprocessor-based protection, hardware configuration.
目录
目录.............................................................................................................................3第1章绪论.............................................................................................................51.1 变电站综合自动化系统的研究......................................................................51.1.1变电站综合自动化系统的研究意义..........................................................51.1.2变电站综合自动化系统的发展趋势..........................................................61.2 国外变电站综合自动化系统的发展...............................................................71.3 我国变电站综合自动化技术的发展...............................................................71.4 变电站实现综合自动化的优越性..................................................................81.5 变电站综合自动化系统的发展前景...............................................................81.6 小结.............................................................................................................8第2章变电站综合自动化系统的结构，功能与保护配置...........................................9
2.1 变电站综合自动化系统的结构....................................................................9 |
2.2.3远传：..................................................................................................132.2.4 保护：..................................................................................................132.3 变电站综合自动化系统的硬件配置.............................................................132.3.1 综合自动化系统变电站主控室的结构分为三类：..................................132.3.2 硬件的配置原则..................................................................................152.3.3 变电站综合自动化系统微机保护的硬件结构........................................162.4 小节...........................................................................................................19第3章变电站综合自动化系统的通信网络.............................................................203.1 通信网络的发展：.........................................................................................203.1.1 RS-232，RS-422和RS-485总线：.......................................................203.1.2 LONWORKS总线..............................................................................203.1.3 CANBUS现场总线.............................................................................213.1.4 各种总线技术的优缺点......................................................................21
3.2 现场总线在变电站综合自动化内部网的应用.................................................22 3.2.2 嵌入式以太网方案：...........................................................................233.2.3 LONWORKS 现场总线网方案和嵌入式以太网方案的比较和分析：.....24 3.2.4 基于CANBUS 总线的通信系统方案：.................................................24 |
3.3 内部通信网的传输实时性分析..................................................................263.4 国外相关产品的比较.................................................................................263.5 通信协议的作用........................................................................................273.6 光纤通信技术...........................................................................................273.6.1 光纤通信优点....................................................................................273.6.2 光纤通信的类型以及在配电自动化系统中的应用如下........................283.7 现场总线通信技术.................................................................................283.8 无线通信技术........................................................................................283.9 配电线载波通信技术.............................................................................293.10 小结......................................................................................................29第4章继电保护设备和综自设备的设置...................................................................304.1 35KV开关柜智能保护单元.........................................................................304.2 10KV开关柜智能保护单元.........................................................................304.2.1 变压器后备保护.................................................................................304.2.2 电容器保护........................................................................................31
4.2.3 配电变压器保护.................................................................................36 |
英文翻译....................................................................................................................42
第1章绪论
1.1变电站综合自动化系统的研究
1.1.1 变电站综合自动化系统的研究意义
电力系统变电站的安全，可靠和经济运行再很大程度上依赖于变电站继电
保护，控制和监控技术的完善程度以及它们的可靠性，技术特性指标和经济性
等多方面的因素。计算机技术的发展，推动了电力系统计算机自动化技术的发
况，通过控制操作和闭锁，可以实现变电站当地和远方的监视和控制；为远方的 |
究，对于电力系统的运行可靠，保护和控制以及对变电站的设计更加的合理，布
局更加紧凑都有很重要的意义。
变电站综合自动化系统是一种以计算机为主，将变电站的一，二次设备经
过功能组合形成的标准化，模块化，网络化的计算机监控系统。变电站的综合
自动化，是将变电站的二次设备经过功能的重新组合和优化设计，利用先进的
计算机技术，自动化技术和通信技术，实现对全变电站的主要设备和输配电线
路的自动监视，测量，控制和微机保护，以及调度通信等综合性的自动化功能。
变电站综合自动化系统代替了常规的测量和监视仪表，代替了常规控制屏，中
央信号系统和远动屏，用微机保护代替了常规的继电保护屏，解决了常规的继
电保护装置不能与外界通信的问题。变电站综合自动化系统可以采集到比较齐
全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可以方便的监
视和控制变电站内的各种设备的运行和操作，它具有功能综合化，结构微机化，
操作监视屏幕化，运行管理智能化等显著特点。通过利用先进的综合自动化技
术，提高了供电质量，提高了电压合格率，提高了变电站的安全可靠性和系统
的运行管理水平，缩小了变电站占地面积，降低了造价，减少了总投资，减少
了维护工作量，减少了值班员劳动强度。变电站综合自动化系统是在计算机技
术和网络通信技术的基础上发展起来的。 |
（3）：工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准。
（4）：可靠性提高。
（5）：使用灵活方便。
（6）：可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机
监空系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。
1.1.2变电站综合自动化系统的发展趋势
（1）保护监控一体化 |
|
这种方式在35KV及以下的电压等级中已普遍采用，它的好处是功能按一
次单元集中化，利于稳定的进行信息采集以及对设备状态进行控制。极大的提
高了性能效率比。它的缺点是对运行的可靠性要求极高，任何形式的检修维护
都将迫使一次设备的停止。可靠性和稳定性要求很高。
(2)设备安装就地化，户外化
综合自动化装置将和一次设备整合在一起，其电气的抗干扰性能，设备抗
热，抗寒，抗雨雪，防腐蚀等各项环境指标将达到极高的地步。目前的综合自
动化装置都是安装在低电压的中置柜上和室内的开关室内，户外的仅是一些实
现简单功能的柱上设备。随着高电压等级的推广，其设备都将就地安装在户外
的端子箱上，对环境条件要求高。这种方式最终将带来无人值班变电站没有建 |
(3)人机操作界面接口统一化，运行操作无线化
无人无建筑小室的变电站，变电运行人员如果在就地查看设备和控制操
作，将通过一个手持式可视无线终端，边监视一次设备边进行控制操作，所有
相关的量化数据将显示在可视无线终端上。
(4) 就地通讯网络协议标准化
强大的通讯接口能力，主要通讯部件双备份冗余设计（双CPU，双电源等），
采用光纤总线等等，使现代化的综合自动化变电站的各种智能设备通过网络组 | |
成一个统一的，互相协调工作的整体。 | |
(5) 全站数据标准化
变电站的智能监控装置将无电压等级划分，只是下载参数设置版本不同。
全站统一数据库，统一维护组态工具软件，分类分单元下载参数设置数据。其
实时运行数据库可通过严密的安全防护措施与整个电力系统实时数据连在一
起
(6) 数据采集和一次设备一体化
除了常规的电流电压，有功无功，开关状态等信息采集外，对一些设备的
在线状态检测量化值，直接采集到监控系统的实时数据库中。高技术的智能化
开关。光电式电流电压互感器的应用，必将给数据采集控制系统带来全新的模式。 |
不断扩大，要求电网及变电站的控制和保护系统必须运行安全、可靠、经济。因
此，各级调度中心需要更多的信息，以便及时掌握电网及变电站的运行情况。同
时，采用无人值班管理模式，进行远方控制，减少人为误操作的可能性，提高
运行可靠性，降低变电站的造价和运行维护费用。
随着微处理器技术、计算机网络技术、数字通信技术的发展，人们可以利用现
代先进的技术和设备来组成一个自动化的控制和保护系统，改变传统二次设备
模式，做到设备简化，信息共享，减少变电站的造价和运行维护费用。世界发
达国家率先研制出成熟系统，并推广应用，大大提高了变电站管理的自动化水
平，实现电力系统的安全、可靠、经济运行。目前，日本日立、三菱、东芝公司，
德国西门子公司（SIEMENS）、AEG公司，瑞士ABB公司，美国通用电气公司
（GE）、西屋电气公司（Westinghouse），法国阿尔斯通公司（ALSTHOM），瑞士Landis&Gyr公司等国际著名大型电气设备制造公司都开发和生产了变电站综合自动化系统（或称保护与控制一体化装置），并取得了较为成熟的运行经
验......
1.3 我国变电站综合自动化技术的发展
我国变电站自动化系统的发展阶段： |
将变电站自动化系统的发展分为三个阶段：
第一阶段：面向功能设计的集中式RTU加常规继电保护模式
80年代是以RTU为基础的远动装置及当地监控为代表。该类系统是在常规的
继电保护及二次接线基础上增设RTU装置，功能主要为完成与远方调度主站
通信实现“四遥”(遥测，遥信，遥调，遥控)，继电保护及自动装置与系统联结采
用硬接点状态接入。此类系统特点是功能简单，整体性能指标较低，系统联结
复杂，不便于运行管理与维护，为自动化系统的初级阶段。
第二阶段：面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式
90年代初期，微机保护及按功能设计的分布测控装置得以广泛应用，保护与测
控装置相对，通过通信管理单元能够将各自信息送到当地监控计算机或调
度主站。此类系统的出现是由于当时国内电力系统保护和远动分属于不同部门
和专业，另外对继电保护与测控装置在技术上如何融和没有达成一致的认识，
故相当一部分尤其是110KV及以下电压等级自动化系统采用此类模式。该模
式没有做到面向对象设计，信息共享程度不高，另外系统的二次电缆互联较多，
扩展性不好，不利于运行管理和维护。
第三阶段：面向间隔和对象(object-oriented)的分层分布式结构模式
90 年代中期，随着计算机技术、网络和通信技术的飞速发展，行业内对计算机 |
隔采用保护测控一体化设计的装置，针对110KV及以上电压等级的设备或间
隔采用继电保护装置与测控装置分别设计但共同组屏的原则，故障录波功
能下放至各间隔或设备的继电保护装置中去，采用先进的网络通信技术，系统
配置灵活，扩展方便，非常方便运行管理和维护。
1.4 变电站实现综合自动化的优越性
（1）：提高供电质量，提高电压合格率 （2）：提高变电站的安全，可靠运行水平。 | |
（3）：减少维护工作时间，减少值班人员的劳动强度，并达到减员增效
（4）：缩小变电站占地面积，减少总投资。5：提高电力系统的运行管理水平
1.5 变电站综合自动化系统的发展前景
随着国民经济的飞速发展，电力工业作为很重要的国家战略企业，十分重
视电力系统综合自动化技术的发展，实现变电站综合自动化，这是电力工业发
展的趋势。对电力技术的发展来说，具有重要的意义，也是电力工业发展的显
著标志。虽然变电站综合自动化技术在80年代后才被开发应用。但由于在技术
分的巨大。 |
研究的意义和发展趋势。下来介绍了国内外变电站综合自动化的发展过程和巨
大的前景应用。
第2章变电站综合自动化系统的结构，功能与保护配置
2.1 变电站综合自动化系统的结构
变电站综合自动化系统的组成在结构上主要可以分成：集中式，分布集中
式，集中和分散式，分散式四种。
2.1.1 集中式综合自动化系统：
它是按功能要求配置相应的继电保护装置和远动装置并安装在变电站的中
辅助触点有电缆传送到变电站的控制室的保护装置和远动装置内。经初步 |
的特点是将变电站中所有的信息统一集中处理，形成一个系统，并符合传统的
变电站运行模式。它实际上是微机保护和微机远动的系统集成。缺点是组屏多，
占地面积大，而且需要铺设大量的电缆，投资量和工程量大，接线复杂，
单元较多，维护工作量大，运行不可靠。如图所示：
当地监控后
台机
I/O通信控制器
继电保护装置远动装置
馈 | 变 | 备 | 电 | 低 | 遥 | 遥 | 遥 | 遥 | 遥 |
压 | 容 | ||||||||
线 | 压 | ||||||||
器 | 自 | 器 | |||||||
保 | 减 | 信 | 测 | 脉 | 控 | 调 | |||
保 | 投 | 保 | |||||||
护 | 载 | ||||||||
护 | 护 |
CT
2.1.2 分散式综合自动化系统：
保护单元和单回路的数据采集和监控单元，这样不但可以节省大量的光电缆，
同时也提高了抗干扰能力。微机保护单元和单回路的数据采集和监控单元与
I/O通信控制器相互之间用网络电缆连接起来，仅做数据信息的传送。分布式
综合自动化系统的优点除了减少了大量的电缆，抗干扰能力增强，并大大的简
化了二次设备，减小了占地面积。缺点是运行时仍不是很稳定。
当地监控后台机
送远方调度
中心
I/O通信控制器1I/O通信控制器2
馈线间隔级
网络电缆
单回路 | 单回路 | 单回路 | 单回路 | 保护装置 | 数采和监控 |
数采和监控 | 数采和监控 | ||||
保护装置 | 单元 | 保护装置 | 单元 | 单元 |
…………
开关 | 开关柜n | 其它电气设 |
柜1 | 备 |
分布式综合自动化系统原理图
2.1.3 分布集中式综合自动化系统：
整个变电站的一，二次设备分为三层，变电站层，单元层和设备层。设备层
按断路器间隔划分，具有测量，控制部件或继电保护部件。单元层本身是有各
种不同的单元装置组成，这些的单元装置直接通过局域网络或串行总线与
变电站层联系，也有可能设有数据采集管理机或保护管理机，分别管理各测量，
监视单元和各保护单元，然后集中由数采管理机和保护管理机与变电站层通信。
单元层本身就是两级系统的结构。变电站层包括全站性的监控主机，远动通信
机等。变电站层设现场总线或局域网，供各主机之间和监控主机和单元层之间
交换信息。变电站综合自动化系统主要集中在单元层和变电站层。
2.1.4 集中和分散结合式综合自动化系统：
随着单片机技术和通信技术的发展，特别是现场总线和局域网络技术的应
用，一种发展趋势是按每个电网元件，比如一台变压器，一台断路器等为对象，
集测量，保护，控制为一体，设计在同一机箱内。至于高压线路保护装置和变
压器保护装置，仍然可以按照集中组屏安装在主控室内。这种结构方式介于集
中式和分散式之间。目前国内应用较多的是分散式结构集中式组屏。这种结构
方式具有分散式结构的全部优点，并且由于采用了集中式组屏，有利于系统的
设计，安装以及维护管理。但是这种结构比较适合用于中低压变电站。 |
2.2.1监测：
综合自动化系统通过对变电站的数据进行采集，处理，显示和打印，使运
行人员了解变电站的运行工况，并采取相应的措施。所采集的数据分为三大类：
模拟量，开关量和脉冲量。
(1)模拟量：变电站需要监测的各种模拟量包括主变一次，二次和各线路的
电流，各段母线及重要线路的电压，各线路零序电流，母线零序电压，主变温
度和室温。 |
器分接头，继电保护动作信息，开关机构运行状态，交直流电源运行状态，各
微机运行状态等。
(3)脉冲量：变电站需要监测的各种脉冲量，包括线路，主变一次和二次的
有功电度量和无功电度量，电容器的无功电度量，所用电的有功电度量等。
2.2.2 监控：
综合自动化系统提供方便可靠的人机对话，运行人员利用键盘和显示器操
作开关，刀闸和变压器分接头。该系统还可以根据电网运行情况自动控制开关
操作方式分为手动操作和遥控执行。手动操作分为三种方式：键盘操作，把 |
端发出遥控开关或遥调变压器分接头的命令后，该系统能可靠的执行。
变电站监控的内容主要有以下几个方面：
(1) ：跳闸统计：统计开关跳闸次数。分为有事故跳闸次数和手动跳闸次数
两种。
(2) ：接地选相：对于中性点不接地系统，当电网出现单相接地故障时利用
零序电压，零序电流增量以及压降可判断接地线路及相别，也可以利用功率方
向等其它方法来判别。也可利用功率方向法等其他方法来判别。为了保证可靠
性，应多次采样后才能确定。确定后，主机报警，并显示和打印。运行人员按照
提示，用人工检除方法跳开开关自动重合，验证主机的判断。
(3): 无功电压自动控制：根据电网无功，电压计算和判断是投切电容器，
还是调节变压器分接头位置。以使无功和电压满足要求。在变压器。电容器。或
电网故障时不应该误动。当电容器检修时，不应参与控制。
2.2.3 远传：
当变电站正常运行或发生事故及报警等事件时，远传机会实时的向上级调
度传送该站信息，使调度人员了解该站的运行情况。
2.2.4 保护： | |
| |
整定值，并可修改整定值。
(2):具有事故追忆功能。能够记录事故前后的线路电流和母线电压。(3):具备实时自检功能。能够对保护柜包括主机在内的各元件进行在线
检查。
变电站保护分为以下几种类型：
(1): 线路保护：包括电流速断保护，定时限过电流保护，方向性电流保护，零序电压，电流及方向保护，反时限过流保护，高频保护，距离保护。双回线方
向横差保护和低周减载保护。
(2):变压器保护：包括差电流速断保护，带二次谐波制动的比例差动保
护。本体保护（重瓦斯，轻瓦斯，有载重瓦斯，有载轻瓦斯等），过流保护（包括低
压启动，复合电压启动），过负荷保护。零序保护，高压侧备用电源自投和低压
侧备电源自投。
(3):电容器保护：包括电流速断保护，过流保护，反时限过流保护，相间过
电压保护，相间低电压保护和零序过电压保护。4：母线保护：包括完全电流差
动母线保护和电流比相式
2.3 变电站综合自动化系统的硬件配置 |
他如保护柜，变送器柜，电度表柜，监控柜，交直流电源柜等均放在模拟屏后，
或分置于其他房间。
保护柜，变送器柜，电度表
柜，监控柜
后部
模拟屏
主接线图上安装仪表和
操作把手
前部
微机台，显示器，键盘，打印
机
(2) 控制台式：再主控室前部设控制台，无模拟屏。在控制台对面设保护柜，
显示器CRT。打印机和键盘。模拟主接线，操作把手，必要的仪表和光字均安
装在控制台面上。
主控室前部的 | OPPOSITE | 保护柜，变送 |
器柜，监控 | ||
控制台 | ||
柜，电度表 | ||
上面安装显示器，打印机， | ||
键盘，模拟主接线，操作把 | ||
柜，电流柜 | ||
手，必要仪表 |
(3)微机台式：在主控室前部设微机台，无模拟凭，无控制台。主控室后部设
保护柜，变送器柜，监控柜，电度表柜，交直流电源柜等设备。微机台内装主机
和微机电源，微机台上放CRT，打印机和键盘。
后部
保护柜，变送器柜，监控柜，电度表
柜，交直流电流柜
主控室
前部微机台
内设有主机和微机电源，打印机，键盘
2.3.2 硬件的配置原则 |
|
(1):各自，相互配合。不同功能的硬件之间只能有信息交换，不应有电 | |
的直接联系。采用光电隔离和继电器接点闲离的方法实现。保护柜内各单元应
有的交流输入，电源，出口，应有可靠的抗干扰措施。监控部分
在监控机，电度机，采样机，远传机任一故障情况下，应不影响其他机正常工
作。
(2):软硬件模块化，方便维护和扩展。各单元应具有模块化的主机板，开
出板。开入板，模入板等，方便维护，并可在此基础上进一步开发。
(3)：具有较强的抗干扰能力。满足在强电场，高频影响和谐波冲击等环境
下可靠工作，并能防止雷电冲击。
微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段：
第一阶段是以单cpu的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式A/D模
数转换器构成，硬件和软件的设计符合四统一设计标准，其代表产品为微机高
压输电线路保护装置。
第二阶段以多单片机构成的多cpu硬件结构为主，数据采集系统为电压频
率转换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装
置的成功运行经验，利用多cpu的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可
以定位，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动和误动
第三阶段以高性能的16 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出 |
产品也采用了性能更好，功能更强大的工业控制计算机。
2.3.3变电站综合自动化系统微机保护的硬件结构
(1)处理器分为单片机和数字信号处理器两种。
单片机通过大规模集成电路技术将CPU,ROM, RAM, 和I/O接口电路封装在一块芯片中，具有可靠性高，接口设计简单，运行速度快，功耗低，性价比
高的优点。使用单片机的微机保护具有较强的针对性，系统结构紧凑，整体性
能和可靠性高，但通用性和可扩展性相对较差。而且某些保护算法需要使用乘
法，除法或是开平方运算，而早期的片内资源有限，实际应用时常常需要对其
功能进行补充和外部扩展。
新型高性能的单片机性能得到了很大的提高。运行能力也得到了大大的
加强，出现了无须进行外部扩展的所谓总线不出芯片的新型微机保护。此保护
采用了高集成度16位单片机，其内部包含了124KEPROM，4KRAM，接近10
个内部计数器，定时器和中断口，2个全双工的串行口，以及整个内部A/D转换
器。其高效丰富的指定系统使得编程及其应用即灵活又简洁。高性能单片机包
含了微机保护所需要的各种硬件功能，使新型微机保护的电路设计异常简单可
靠。 | 由于单片机价格低廉，因此，微机保护由当初的单CPU 的硬件结构为主发 |
片机的微机保护仍将是我国微机保护的主流产品。
数字信号处理器DSP：它与目前通用的CPU不同，是一种为了达到快速运
算而具有特殊结构的微处理器。DSP具有强大的处理功能，在相同的主频率下，
甚至比目前最先进的个人计算机快10—50倍。快速的指令周期，哈佛结构，流
水操作，专用的乘法器，特殊的指令，加上集成电路优化设计，可以使DSP的
指令周期达到200ns。
DSP的突出特点是计算能力强，精度高，总线速度快，吞吐量大，尤其是
采用专用硬件实现定点和浮点加乘运算，速度非常的快。将数字信号处理器应 |
间，不但可以完成数据采集，信号处理的功能，还可以完成以往主要由COU完
成的运算功能，甚至完成的继电保护功能。随着数字信号处理器芯片和开
发工具的价格下降，可以预期数字信号处理器将会在微机继电保护装置中发挥
重要的作用。
(2)数据采集系统：
变电站综合自动化的数据采集系统分为三种：逐次逼近式A/D转换器构成
的数据采集系统，电压频率转换原理的计数式数据采集系统，高速数据采集
系统
①逐次逼近式A/D 转换器构成的数据采集系统： |
量多路转换开关采用硬件电路控制记数自动进位切换通道号。为了节省CPU
的工作时间，数据采集系统在变化完成后的得到的数字输出不需要经过CPU
控制，而经DMA控制直接存入本插件的RAM中。再同一时刻采样的全部通道
转换完成并存入RAM后，才由DMA请求中断，由CPU做出相应的处理。这种
数据采集系统使用的芯片比较多，电路复杂，抗干扰能力差，因此，在其改进
型产品中使用了电压频率转换原理的计数式数据采集系统。
②电压频率转换原理的计数式数据采集系统：
第2 代微机线路保护的VFC (电压频率保护) 数据采集系统中，为了提高 |
数据采集系统的采集速度，每个模拟输入通道都需要使用单独的电压频率转换
/光耦合器，其输出频率信号送至可编程计数器8255进行频率测量，在每个数
据采集周期由CPU读取可编程计数器的计数值，并进行标度变换以获得实际
的采样植。主要优点是：通过光电耦合器与CPU接口，因此抗干扰能力强，容易
实现多单片机系统的多CPU接口。
③高速数据采集系统：
近几年来。以ANN为代表的人工智能技术和小波分析理论，以及行波保
护，暂态保护等概念逐步引入继电保护领域，对采样速度提出了更高的要求。在 |
保护装置使用公控机时，通常采用工控机智能同步数据采集模板完成采
样，再将采样数据通过双口RAM，FIFO等方式传送给主CPU进行处理，因此并
不占用主CPU的处理时间。当保护装置使用单片机时，目前使用的VFC数据采
集系统难以满足要求，必须对此单独进行考虑。为了进一步简化电路设计和调
试，一些半导体厂家将完整的数据采集系统集成到一块芯片中，能够自动完成
所有输入通道的数据采集而无须CPU干预。采用这种专用数据采集芯片，将极
大简化单片机型微机保护装置数据采集系统的设计，生产，调试方式，大大的 | |
提高其数据采集系统的数据采集能力。 | |
(3)微机保护硬件的一般结构：
微机保护的硬件类型分为三种：高压线路微机保护，微机元件继点保护，低
压线路的微机保护.
①高压线路微机保护：
目前我国的高压线路微机保护装置的原理，性能，主要指标以及制造工艺
方面以达到了国际先进水平，微机保护的动作正确率也已经超过了常规保护。
对于高压和超高压输电线路微机保护装置，多单片机构成的多CPU硬件结构
已成为现行的实际标准。这种类型的微机保护装置的基本特点是：电压频率转
换原理的数据采集系统为整套装置的公共部分,其频率输出信号分别传送给各
个保护插件，再由各个保护插件完成相应的测频，采样值标度变换，保护功能
要负责人机接口，保护定值管理。通信控制，保护CPU运行状态监控等功能。3
个保护插件启动元件按三取二的原则启动各套保护装置的出口回路，从而大大
的提高了保护装置的可靠性。
监控CPU
V/F转换 | 保护CPU1 | |
通信接口 | 保护CPU2 | |
I/O接口 | 保护CPU3 |
但是这种多CPU微机保护装置采用了不完全冗余技术。保护输入和输出通
道不采用冗余技术，而只是在信号处理器部分采用。如果模拟输入通道和数据
采集系统发生故障，那麽输入3个CPU插件的故障数据将不在准确，整套装置
不能正确工作；跳闸出口通道发生故障，整套装置同样不能正确工作。因此整个
保护装置并不因为采用了多CPU技术而使可靠性大幅度的提高。
多CPU微机保护装置除完成本线路的继电保护功能外，同时还必须完成相
邻线路的远后备保护功能。广泛的使用多CPU微机保护装置中，距离保护三段
和零序保护三段，都具有远后备的功能。在距离保护CPU插件或者零序保护
CPU 插件发生故障时，即使线路的主保护可以正常工作，仍将失去远方后备保 |
微机元件保护的种类很多，硬件结构也各有特色，基本的类型有单片机型
和工控机型微机元件保护。许多厂家得宜于线路微机保护的成功开发和应用中
的成功经验，推出了许多与微机线路保护硬件结构相似的单片机型微机元件保
护。比如采用了高压线路保护类似的VFC数据采集系统和高性能单片机构成
的双CPU系统，变压器主保护与变压器各侧的后备保护分别采用不同的CPU
完成保护功能。为适合变电站自动化的发展，新型微机变压器保护也提供了基
于现场总线的通信接口功能。 | |
采用工控机实现的微机保护，具有小型化，低成本，高可靠性等优点。工控 | |
机总线接口简单，模块化程度高，容易结合，使用维护方便，系统功能容易扩
展。可以大大缩短微机保护装置的开发周期，实现微机继电保护装置的系列化
和标准化，便于运行部门的运行维护，必将在微机保护的发展中发挥重要的作
用。
③低压线路的微机保护：
这种类型的保护装置可以分为两种：一种为“一对一”方式，即一套装置实
现一条线路的保护；另一种为“一对N”方式，即一套装置实现多条线路保护。采
用“一对一：实现时，一套装置负责一条线路或一台变压器的测量，保护和控制。
使用“一对N”方式实现时，一套装置负责多条线路或变压器的测量，保护和控制。 |
本节介绍了变电站综合自动化系统的结构形式，并介绍了各种结构形式的
特点；变电站综合自动化系统主要包括监测，监控，远传和保护四部分，介绍了
各部分的主要功能。介绍了综合自动化系统的硬件结构以及主要的配置，为下
一章的通信协议做好了铺垫。
第3章变电站综合自动化系统的通信网络
3.1 通信网络的发展：
目前，国内变电站综合自动化系统用的通信网络主要是总线式网络。该系
统最初使用RS-232总线，后来用到RS-485总线。近年来随着新型现场总线
CANBUS和LONWORKS的推出，变电站综合自动化系统的网络通信得到了新的发展，新型现场总线CANBUS是变电站综合自动化系统通信网络性价比最好的一种。
3.1.1 RS-232，RS-422 和RS-485 总线： |
离传输，此时可将两台具有RS-232接口的通信设备直接相连，如果要进行远距
离传输，可以再加调制器即可。
RS-422为全双工，可以同时接收和发送。采用RS-422标准，可以削弱干扰的影响，获得更长的传输距离和允许更大的信号衰减。采用RS-422标准通信时
位率可达到10Mbit/s。
RS-485为半双工通信方式，在某一时刻，一个发送一个接受，当用于多站
互连时，可节省信号线，便于高速远距离的传送。
3.1.2 LONWORKS总线
LONWORKS是美国Echeton公司推出的一种新型现场总线。它的基本思
想是将控制系统按局域网络的方式构造，用网络节点代替局域网中的工作站，
网络节点安装在监控现场，直接于各种传感器和控制器相连。LONWORKS总线的技术特性有以下9点：
(1):开放性。网络协议开放，对任何用户平等。
(2)：通信介质开放。可以在任何通信介质条件下通信，包括双绞线，电力线，
光纤，同轴电缆，射线电缆，红外线等，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。(3)：互操作性。Lonworks 通信协议符合OSI 模型，任何制造商的产品都可 |
置增加了通信技术的可靠性。
(5)：它的通信每桢有效字节可以达到0到228个字节。
(6)：它的通信速度可达1.25Mbit/s，此时的有效距离为130m(7)：Lonworks技术的一个测控网络的节点数可达32000个。
(8)：Lonworks直接通信距离长达2700m
(9)：Lonworks技术的核心是神经元芯片。该芯片内部装有3个微处理器；MAC处理器完成介质访问控制。网络处理器完成OSI的3-6层网络协议。应用处理器
完成用户现场控制应用。它们之间通过公共存储器传递数据。 |
3.1.3 CANBUS现场总线
CANBUS德国BOSCH公司设计的，它是一种基于优先级的高速。抗干扰
能力强并具有检错功能的现场总线，可采用多种媒体通信，比如光缆和双绞线。
CANBUS通信设备本身又具有较低的造价，从而它的应用范围很广，特别是在
电气自动化领域。
CANBUS的主要技术特性如下：
(1)：CANBUS可以多主方式工作，网络上任意一个接点均可以在任何时刻
主动向其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。 |
任何影响继续传送数据，大大的节省了总线冲突裁决时间。
(4)：CANBUS可以点对点，一点对多点全局广播几种方式传送接收数据。
(5)：CANBUS直接通信距离最远可达10km，CANBUS的通信速率最高可
达1Mbit/s.
(6)：CANBUS上的节点数实际上可达110个，理论上可达2000多个。(7)：CANBUS采用短砧结构，每一砧的有效字节数为8个，这样传输时间短，
受干扰的概率低，重新发送时间短，尤其适合在强电磁场环境下工作。
(8)： CANBUS 每砧信息都有CRC校验及其它检验措施，保证了数据出错 率极低。
(9)：CANBUS节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断
它和总线的联系，以使总线的其操作不受影响。
(10):NZR编码/解码方式，并采用位填充技术。
3.1.4 各种总线技术的优缺点
RS-232总线通信速度快，距离短。RS-422和RS-485虽然在传输速度和距
离上有所提高，但存在以下缺点：网络上只能有一个主节点，无法构成多主冗余
系统，系统可靠性差，数据通信方式为命令响应方式，从节点只有在接到主节
能力差。LONWORKS 总线性能较强，但系统复杂，造价较高。因而实用性较差。 |
单，造价低，实用性强等优点，因此CANBUS是变电站综合自动化系统的一种性价比最优的选择。
3.2 现场总线在变电站综合自动化内部网的应用
变电站综合自动化系统内部通信网主要可以分为三种：LONWORKS现场总
线网方案，嵌入式以太网方案，基于CANBUS总线的通信系统方案。
3.2.1 LONWORKS 现场总线网方案：
如图所示，
变电站内部有两个LONWORKS网络，分别为监控网和录波网。监控网用
来传送各种控制和状态信息。录波网则传送电力系统故障录波信息。网络的通
信速率为78kb/s,最大通信距离为2km。通信介质为屏蔽双绞线或光纤。每个保护装置都带有LONWORKS 网络接口，后台机，工程师站，远动机等pc 机上均 |
站时，由于网络节点增多，网络流量增大，网络带宽就显得不够了，特别是当
多个保护共同动作时，网上冲突加剧，重发次数增多，通信效率降低，因此这
种方案只使用于中小变电站自动化系统。
3.2.2 嵌入式以太网方案：
如图2所示，
站内有3个相互的光纤以太网，网络1，2为监控网，网络3为录波网。
将站内通信网络分为两层。间隔以上和间隔内部。间隔以上用10MB/S 的嵌入 |
容性。这种方案实际上是将嵌入式以太网和LONWORKS现场总线技术相结合，
发挥了各自的优势。
测控单元是整个方案的核心和关键。图3中详细的介绍了测控单元的工作原理。
其中Neuron芯片作为CPU的通信处理器完成了LONWORKS网络的通信任务，利用它可和保护装置通信。CPU采用32b单片机，CPU部分采用了嵌入
式软件设计，利用实时多任务操作系统及TCP/IP模块，完成以太网的通信和测
控任务
3.2.3 LONWORKS现场总线网方案和嵌入式以太网方案的比较和分析：
(1)：方案1中只有LONWORKS一层网络，站内的几十个保护装置均连接
等特殊情况下，网络负载突然加重，这时会出现较严重的网络冲突现象，网络 |
于是LONWORKS的网络负载极低，即使在各台保护同时动作的情况下，通信
效率仍很高。而当信息传到主干网时，由于主干网的带宽很宽，所以站内的流
量对于其而言仍属轻负载，以太网在轻负载时效率极高，因此方案2能满足变
电站综合自动化系统的要求，并且留有余地。
(2)：故障录波数据上传输速度大大加快。LONWORKS网主要支持侦长为几十B的短侦，当传送录波数据时，效率较低，耗费时间较多，以太网支持最长
可达1500B的长侦，因此方案2的录波数据传输速率大大的增强。
(3)：与PC 机接口。PC 机必须用PCLTA卡等专用卡与LONWORKS 网络
接口，这些板卡由于是专用品所以价格较高，PC机台数增多时，很不划算。而
PC机用廉价的以太网卡也可以联到以太网上。所以方案2中更方便，更经济。
(4)：易于广域网相连。由于以太网使用开放式的TCP/IP协议，所以可以
较为方便的与广域网相联。
3.2.4 基于CANBUS总线的通信系统方案：
图1所示为变电站综合自动化基于CANBUS总线的分层结构图。
在整个变电站综合自动化系统中，变电站内部各单元之间以及变电站与远
方调度中心之间的通信都通过通信管理机来处理，所以通信管理机在整个变电
站自动化中占有重要地位。具体的方式如下图所示
变电站综合自动化系统中通信管理机的主要任务是实现变电站内部的变
电站子层和单元子层之间的通信。以及本地的变电站系统和远程调度中心的通
ROM 实时RAM
监控主
机
备用串口 | MAX232 | 通信 | CAN总 | PC |
液晶显示 | 管理 | 线接 | ||
CAN卡 | ||||
口 | ||||
机系 |
统的
远方通信 | 键盘输入 | CPU | CAN总 | 至监控保护单元 |
工业MODEM | 线接 | |||
口 |
信。：
变电站内部的通信基于CAN总线，包含两层通信网络：站级CAN网络和现
场级CAN 网络。其中站级CAN 网络用于实现上位机监控主机和通信管理机之 |
包括键盘输入，液晶显示，程序存储器EPROM，实时时钟RAM,以及备用的
RS-232串口
3.3 内部通信网的传输实时性分析
方案一中的LONWORKS现场总线方式中由于带宽有限，特别是当多个保
护共同动作时，网上冲突加剧，重发次数增多，通信效率降低。所以这种方案
的传输实时性不好。
方案二中的嵌入式以太网方案要从间隔内部的LONWORKS网络和间隔外
部的以太网两方面来分析。首先分析间隔内部LONWORKS网络的实时性。
LONWORKS网络通过网络变量来实现节点之间的通信，不同的网络变量可以设置成不同的优先级，这样开关变位等重要信息就可以用优先级高的网络优先
传输。LONWORKS以这样的方式来保证网络传输的实时性。根据应用经验，当站内节点数不超过40时，LONWORKS总线的网络实时性是很好的。在方案2
中，内部间隔的LONWORKS网络节点数一般不超过10个，所以在这种情况下内部间隔的网络传输实时性是有保证的。以太网虽然没有LONWORKS或CAN网络的优先级设置，但其带宽高达10MB/S，因此可以承受的网络负荷很
大。实际应用中表明，当网络负荷不超过带宽的37%时，网络上的冲突率很低，
以太网的传输效率是有保障的。事实上10MB/S 的以太网完全可以满足系统数 |
要求。
3.4 国外相关产品的比较
国外变电站综合自动化系统主要是由西门子公司生产的LSA678，该系统的结构主要分为完全分散和集中与分散相结合式，后者由于价格和灵活性上的
优势而在国内应用较多。除了西门子公司外，还有ABB公司生产的SCS100 和SCS200。德国AEG公司的ILS系统，美国通用电气，美国西屋电气，法国的阿尔斯通和瑞士的LANDIS公司都有该类产品。
国内的生产厂家主要有南京自动化研究所，北京自动化研究所，以及珠海
的拓普公司，烟台的东方电子，许昌继电器厂等公司。它们相继开发了一系列
产品，并在全国各个省市的变电站中得到了应用。与国外产品相比，国内产品
虽然在技术性能上存在一定的差距，但是也有其本身的特点。首先站控级的软
件开发具有一定的水平，尤其是在汉化方面比国外公司更具优势，其次价格上
也有一定的优势。再者国内产品在工程组织，现场调试，售后服务等方面比国
外产品更具有优势。
3.5 通信协议的作用 |
实时性，可靠性，所以认识认识通信协议对整个控制系统的影响就比较重要。在
变电站控制系统中，CPU采集控制单元不仅要采集各类信号（开关位置，保护信
号，有功，无功，电压，电流，功率因数，电量等），还要对各单元的开关进行控
制和完成逻辑判断等功能，这占用了很多CPU负荷以及内存空间等资源。同时
采集来的信号要往主站送，承担和主站通信的功能。如果单纯采用扩大计算机
内存的数量的方式不仅是不经济的，也是有限的。现在工业上用的采集器为了
达到实时性，一般较少采用读写硬盘的方式，而多采用没有硬盘的内存。但这
在变电站中也是不可行的，所以采用一个好的通信协议就能达到事办功倍的效
果。
目前用于电力系统的通信协议品种繁多，有国际标准，有国家标准，也有
行业标准甚至是企业标准。目前我们主要使用的有以下通信协议:
IEC870-5-101通信协议（远动通信标准），IEC870-5-102通信协议（电量采集通信标准），IE870-5-1-103通信协议（保护传输通信标准）。IE870-5-104网络通信协议（远动网络通信标准），DNPV3.0通信协议,MODBUS通信协议，CDT循环通信协议，SC1801通信协议，M4F通信协议等。
3.6 光纤通信技术
3.6.1 光纤通信优点 | |
段。与其它通信技术相比，有以下优点： | |
(1) ：传输频带很宽，通信容量大。
(2) ：传输衰耗少，适合长距离传输。
(3) ：体积小，重量轻，可绕性强，利用电缆沟道和电力线杆，铺设方便。(4) ：输入和输出间电隔离，不怕电磁干扰。
(5) ：保密性好。无漏信号和串音干扰。
(6) ：抗腐蚀和抗酸碱，可直接埋与地下。
缺点是强度不如金属线，连接比较困难，分路和耦合不方便，弯曲半径
不易太小。
3.6.2 光纤通信的类型以及在配电自动化系统中的应用如下
(1) ： SDH（同步数字体系）和PDH（准同步数字体系）。其中SDH光端机
具有自愈功能，并可以支持多个光方向，通常用SDH光纤网组成主干通信通道，
PDH用于信息量不大的点对点连接。与光端机配合使用的电端机PCM可实现
语音和数据信号传送。
(2) :光调制解调器。它是一种用于低速传输数字信号的光电合一产品。
通常实现开闭所RTU至主站信息的传输，同时用于建设馈线FTU信息向配电
子站集结的信息通道，但不能传语音。 | |
品。 | |
总之，光纤通信已经成为了主要的通信方式，应用于主干层及馈线终端层传输通道建
设。
3.7 现场总线通信技术
现场总线是应用于生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多
节点的数字通信系统，也被称为开放式，数字化，多点通信的底层控制网络。传
输介质主要是双绞线。
现场总线的特点：
(1): 系统的开放性，即标准的一致性，公开性。 | |
(2)：互可操作性和互用性：设备和设备间，不同生产厂家之间。 | |
(3)：现场设备的智能化与功能自治性。
(4)：系统结构的高度分散性。
(5):对现场环境的适应性。
在配电自动化系统中现场总线通信技术应用越来越广。
3.8 无线通信技术
在配电自动化中常用以下几种无线通信方式：
(1):无线数传电台：远程监控，监测常常利用无线数传电台进行数据交换。
范围覆盖等特点 |
(3):无线扩频通信技术：具有抗干扰能力强，系统误码率低，建设方便，投资少等特点。
3.9 配电线载波通信技术
配电通信载波是以6—10KV配电线路为传输通道，采用移频监控和跳频技术相结合的调制方式，应用先进的DSP数字信号处理技术和集成电路技术来实
现数话同传的通信方式。具有实施方便，组网灵活，开放透明的通信网络平台，
数据传输的可靠性高，实时性强，信道可靠等特点。
3.10 小结
本节介绍了综合自动化系统的通信网络发展，对不同网络通信总线进行了
比较。通过具体的3种方法将变电站内的设备用通信协议连接了起来。最后探
讨了光纤通信技术，现场总线通信技术，无线通信技术，配电载波通信技术在
变电站综合自动化系统的应用前景。
第4章继电保护设备和综自设备的设置
4.1 35KV开关柜智能保护单元
本变电站中35KV开关柜采用的是ABB公司的SF6开关柜ZX2，它的保护
和控制单元柜为柜上安装的REF2plus.它由主机和作为控制单元的人机接口HMI两部分组成，HMI可于一个运行WINDOWSNT的PC机相连接。
REF2plus具有保护，测量，控制，监测的功能。
REF2plus 中的数字处理器DSP 执行测量和保护的功能，电流传感器适用于距离保护和差动保护。 |
SIEMENS系列产品NSP7系列保护及测控装置。
4.2.1 变压器后备保护
(1)：三段式复压闭锁过流保护：
配有三段共九时限（每段三时限）的复压闭锁过流保护，每段都有的
电流定值，时间定值和方向定值。通过定植的整定，每段过流保护可以选择是
否经过复压元件闭锁，是否经过方向元件闭锁以及方向元件的设定。 |
开入闭锁或门构成。外部接入的复压开入闭锁方式配合复压出口功能，可实现
各侧复合电压的并联方式。在PT断线期间，可以选择复压闭锁或不闭锁。
(2):三段式零压闭锁零序过流保护：
配有三段共九时限（每段三时限）的零压闭锁零序过流保护，作为变压
器中性点接地运行方式下的接地保护。每段可投退，并且保护可以选择是
否经过零压元件闭锁，是否经过方向元件闭锁以及方向元件的设定。
零压闭锁元件的零序电压，采用三相电压计算自产零序电压3Uz
零序电流可选择取自变压器中性点零序电流或三相电流计算自产零序电流。
(3): 二段式间隙零序过流保护： |
包括过复合警告，启动风冷，闭锁有载调压，各一段一时限。每个时限都
可投退，采用最大相电流判别。
启动风冷，过负荷告警触点为常开触点。闭锁有载调压可选择常开或常闭
触点。
(5)：复合电压出口功能：
为实现各侧复合电压并联的方式，本装置配有复合电压出口功能，有
的低电压和负序电压定值，当复合电压满足条件，接通复压出口触点，并异常
告警。 (6) : PT 断线告警： | |
三相电压均小于16V，某相电流大于0。2A，判为三相失压。
三相电压和大于8V，最大线电压小于16V，判为二相PT断线。
三相电压和大于8V，最大线电压和最小线电压差大于16V，判为单相PT
断线。
恢复正常以后，告警自动消失。
4.2.2 电容器保护
(1)：三相式相间电流保护：
映的故障类型有：电容器组引接母线，电流互感器，放电线圈电压互感器，串联 | ||||
Ia>It.set | ≥1 | SW1 | t1 | 0 |
Ib>It.set | ||||
Ic>It.set | ||||
H2
Ia>It.set | ≥1 | SW2 | t1 | 0 | ≥1 | 跳闸 |
Ib>It.set | ||||||
Ic>It.set |
H3
Ia>It.set | ≥1 | SW3 | t1 | 0 |
Ib>It.set | ||||
Ic>It.set |
三段式相间电流保护原理图
(2) ：过电压保护：
为避免使用相电压在单相接地时引起过电压保护误动，过电压保护采用
相电压。过电压保护取母线电压是为了防止母线电压过高时损坏电容器，且切
除电容器可降低母线电压。为防止电容器未投时误发信号或保护动作后装置不
复归，过电压保护中加有断路器位置判断
H1
Uab>Uset1 | ≥1 | t1 | 0 | & | Y2 跳闸 |
Ubc>Uset1 | |||||
Uca>Uset1 |
ktp
sw1
KB | Y3 跳闸 |
| |
如果母线失去电源而造成失压，当母线电压恢复时，可能因电容器组未放
完电而使电容器承受过电压，为此设置低电压保护，发现母线电压低于定值后
带延时，切除电容器组。
Uab<Uset
Ubc<Uset | & | ktp | & | t | 0 | 跳闸 |
Uca<Uset |
Ia<Iset
Ib<Iset &
Ic<Iset
欠电压保护原理图
在电容器组中过电压和欠电压保护均可通过延时来判别稳态过电压和欠电压。
(4): 不平衡电流保护：
C2的电抗，此时流过C1和C2的电流不相等，因此流过不平衡电流Iund，而当
Iunb>Iset时保护系统动作。
Iunb>Iset | sw | & | t | 0 | 跳闸 |
零序电流保 | |||||
护投入 |
不平衡电流保护原理图
(5): 不平衡电压保护：
当双星型接线采用不平衡电压保护时，可用电压互感器的一次绕组串在中
性线中，当某电容器组发生多台电容器故障时，故障电容器组所在星型的中性
点电位发生偏移，从而产生不平衡电压，当Uunb>Uset时，保护动作。
Uunb>Uset | t | 跳闸 |
X1
零序电压保 | sw | 0 |
护投入 |
不平衡电压保护原理图
(6)：两段式零序过流保护：
配有两段式零序过流保护，可选择投退。当Iunb>Iset时，保护动作。
t1
零序电流保护
投入 0
Sw1
跳闸
≥1
I>Iset2 | t1 | 0 |
零序电流保护 | ||
投入 | ||
Sw2 |
两段零序过电流保护原理图
(7)：桥差电压保护：
三相桥差电压保护为反映桥式接线电容器组中电容器内部短路而设置。如
图所式
c1
c2
：
器组被损坏时，由于C1 和C2容抗不等，因此两只TV的一次绕组分压不等，压
差接线的二次绕组中将出现差电压，当压差超过定值时，保护动作。
H1
Ua>Uset
Ub>Uset | ≥1 | & | T1 |
Uc>Uset | |||
桥差投入sw 桥差电压保护原理框图 (8)：桥差电流保护： | |||
三相桥差电流保护为反应桥式接线电容器内部短路而设置。电容器组为单
星型接线，而每相接成四个平衡臂的桥路时，可以采用桥差接地保护方式。当
正常运行时四个桥臂容抗平衡，Xc1=Xc2,Xc3=Xc4因此M和N之间无电流通过。当有一个电容器组存在多个电容器损坏时，桥臂之间因此不平衡，再桥差
接线MN之间流过不平衡差电流。当差流超过定值时，保护系统动作。
(9)：PT断线告警保护
三相线电压均小于16V，某相电流大于0.2A，判断为三相失压。
三相电压和大于8V，最大线电压小于16V，判断为二相PT断线。
三相电压和大于8V，最大线电压和最小线电压差大于16V，判断为单相PT
断线。
恢复正常后，告警自动消失。
>0.2A
Uab<16V
Ubc<16V
Uca<16V&
Ua+Ub+Uc>13V
Uab<16V | ≥1 | ≥1 | t1 | 0 | 告警 |
Ubc<16V | |||||
Uca<16V |
Ua+Ub+Uc>13V
Uab-Ubc≥16v
Ubc-Uca≥16v | ≥1 |
pT断线告警保护原理图
4.2.3 配电变压器保护
(1) : 三段式相间电流保护
且均可带复合电压闭锁，可分别投退。 (2) : 两段式零序过流保护
各段均可投退，主要考虑在小电阻接地系统中发生的单相接地故障。
(3)：过负荷保护：
和上面的电容器过负荷保护相同。
(4)：充电保护：
设有一段充电相过流保护和一段充电零序过电流保护，可选择投退。
(5) ：小电流单相接地保护：
中性点不接地系统：零序电压启动，零序电流的方向和大小判别接地线路。
经消弧线圈接地系统：零序电压启动，零序电流的五次偕波方向和大小判别接
地系统。
(6)：PT断线告警：
三相电压均小于16V，某相电流大于0.2A，判断为三相失压。三相电压和大于8V，最大线电压小于16V，判断为二相PT断线。
三相电压和大于8V，最大线电压和最小线电压的压差大于16V，判断为单
相PT断线
恢复正常后，告警自动消失
4.2.4 馈线保护 | |
| |
三相短路时方向元件的死区。低电压元件检测三个线电压的值，过流1，2，3段
来判断逻辑是否一致。
(2)：三相二次重合闸
启动方式：保护启动重合闸以及开关位置不对应启动重合闸。
抽取电压：线电压和相电压。
检同期和检无压：闭锁条件：控制回路断线确认后/弹簧未储能信号/外部闭
锁重合闸信号/低周减载元件动作/手合后加速动作/过负荷跳闸动作
(3)：充电保护 | |
设有充电相电流和充电零序电流保护，充电相过流可带低压闭锁以及方
向闭锁。
(4)：小电流单相接地保护
中性点不接地系统：零序电压启动，零序电流的方向和大小判别接地回路。
经消弧线圈接地系统：零序电压启动，零序电流的五次偕波的方向和大小
判别接地线路。
4.2.5 备自投保护
装置，每个进线开关各引入任一相电流，是为了防止PT 全相断线后造成备自投 |
电压，是为了在进线互投时判别备用进线电压是否合格；装置引入开关和母联
位置，作为系统运行方式判别以及自投准备和选择自投方式，装置还引入闭锁
备自投开入量以及各开关的合后位置和允许备自投开入量，以便手跳时闭锁，
以及变压器后备保护动作时闭锁自投装置。装置具有多种备投方案，并有PT断
线告警功能。
4.2.6 测控及自检功能的配置
A：自诊断及故障记录功能 | |
当CPU自检到硬件故障（定值RAM故障，内部RAM故障，外部RAM故障，
ROM校验出错，EPROM定值出错，采样异常等）时，故障告警灯亮，告警继电
器触点闭合，并闭锁保护，同时信息远传。
(1)：遥控记录（远方，当地），定值修改记录等
(2)：故障记录
(3)：可存储四套定值。
(4)：可记录256个SOE报文纪录。
B ：测控功能 |
(3)：遥控功能：正常断路器遥控开合。
C：通讯功能
(1)：一个标准的RS485接口。
(2)：一个可选的CANBUS接口，通信速率可选。
(3)：一个可选的以太网接口。
(4)：一个RS232调试串行接口。
(5)：系统可以方便的拓展为双RS485网络
D：特点 | |
(1) ：采用了先进的工业级芯片，各装置内部含保护CPU和管理CPU，保
护CPU为32位DSP芯片，存储定值安全可靠；管理CPU为RCM3200，硬件系
统具有高的抗干扰能力和工作可靠性。
(2)：采用16位A/D采集芯片，提高了数据采集的分辨率和测量精度。
(3)：主要芯片采用表面贴装技术
(4)：装置电气隔离和屏蔽按国际标准电磁兼容设计。
(5)：所采用的保护原理成熟可靠，并且已经有丰富的运行经验。
(6)：装置保护功能相对。
(8) ：采用大屏幕液晶显示。(7) ：具有丰富的通信接口。 |
波报文。
(11)：具有看门狗和电源监测电路，系统安全，可靠。
4.3 小结
本章通过对变电站二次设备的配置要求，以及变电站各种保护装置功能。
实现了变电站综合自动化的硬件保护及配置功能。
第5章总结
变电站综合自动化系统是一种以计算机为主，将变电站的一，二次设备经
过功能组合形成的标准化，模块化，网络化的计算机监控系统。实现变电站综
合自动化系统是当今电力工业发展的必然趋势。
论文通过对变电站综合自动化系统的发展过程以及发展趋势的介绍，论述
了变电站综合自动化系统的优越性，针对变电站综合自动化系统的四种结构形
式，即集中式，分布集中式，集中和分散式以及分散式进行了比较和分析。集
中式是把按功能要求配置的继电保护装置以及远动装置集中安装在变电站的 |
局域网交换信息。集中与分散结合式是介于分散式和集中式之间，结构形式较
多。分散式是按回路就地安装微机保护单元和单回路的数采/监控单元，提高了
抗干扰能力，减化了二次设备，减小了占地面积。分散式是变电站综合自动化
系统的发展方向。
论文提出了综合自动化系统硬件配置应遵循的原则，各自，相互配合，
软硬件模块化，方便维护和扩展，具有较强的抗干扰能力。
论文介绍了通信网络的发展，比较了RS485 总线。LONWORKS 总线以及 |
信技术等各自的特点。
论文最后介绍了变电站综合自动化系统的继电保护装置和综自设备设置。
参考文献
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英文翻译
Inrecent years, as the level of power grid operations increased levelsdispatch center to ask for more information, to grasp power grid andthe operation of the substation and improve substationcontrollability, then ask for more focused use of remote control,operation, anti-accident measures, namely Unattended mode ofmanagement. to improve labor productivity, reduce the possibility ofhuman error in their operation and improve the reliability. The otherhand, the contemporary computer technology, communication technologyand other advanced technological means of application, has changedthe traditional model of secondary equipment to simplify the system,information sharing, reducing cable, reducing size, lowering the costhas changed the face of
the substation operation. For the above reasons, substation automation from "hot substation automation as a means of the new technological innovations in power system operation, professional major manufacturers have put substation |
far,major power equipment companies are gradually introduced to the massproduction products. If ABB, SIEMENS, HARRIS companies, since the1990s, new substation countries in the world use most of the digitalsecondary equipment; accordingly adopted a substation automationtechnology; China launched integrated substation automation researchand development compared with developed countries of the world later,But with the number of protective equipment in a mature and widelyused, scheduling automation systems mature application, Substationautomation system has been the power system user acceptance of theuse, However, the use of the electricity sector in the process, thereare roughly two principles : First, the low voltage substationautomation system in order to better implement the Unattended achievereduced efficiency purposes; Second is the high voltage substation(220 kV and above) the construction and design, is calling for theuse of advanced control method address
the professional technical scattered, as a system, redundant investment, and even affected the operational reliability. And the actual project surviving in the following major issues : |
fromthe current domestic and foreign integrated substation automation ofthe development, generally exist following structure :
(1)Distributed System Architecture
Substationsare under surveillance by an object or system function distributionof multiple single-function computer equipment, They will be able toconnect to a network to share resources to achieve distributedprocessing. Here we are talking about the 'distribution' is thephysical resources by the substation on the distribution (notemphasize geographic distribution), stressed is the angle from thecomputer to study the distribution of the problem. This is an idealstructure, in order to fully distributed architecture, scalability,Universal and open areas with strong advantages, However, inpractical application of engineering and technical realization willencounter many current issues that are hard to solve, If thescattered layout of the installation, poor operating environment,resistance to electromagnetic interference, information transmissionchannels and reliability assurance on the issue and so on, on thecurrent technique is not enough mature,
blind pursuit of fully distributed structure, neglected works practicality is |
thecomputer to study the distribution of the problem. This is an idealstructure, in order to fully distributed architecture, scalability,Universal and open areas with strong advantages, However, inpractical application of engineering and technical realization willencounter many current issues that are hard to solve, If thescattered layout of the installation, poor operating environment,resistance to electromagnetic interference, information transmissionchannels and reliability assurance on the issue and so on, on thecurrent technique is not enough mature, blind pursuit of fullydistributed structure, neglected works practicality is unnecessary.
(3)Distributed hierarchical structure
Atthe substation level and control targets set up the station controllevel (grade point) and the local unit control level (level of) thetwo-story-- Bush control system.
This compared to the centralized structure of the system with the following obvious advantages : ①enhanced reliability, as part of the equipment failure affects only the part of the forthcoming 'dangerous' scattered, When the station-level system or |
networkfailure, it affects only part of the monitoring, and the mostimportant protection, control function of the level will continue torun; to the level of an intelligent unit should not lead to damage tothe station's communications interruptions, For example, long-termoccupation of the station's communications network
②scalabilityand open higher, to the design and application.
③ stationssecondary equipment necessary cables significantly reduced, savingthe investment will simplify the maintenance of debugging.
Substationautomation application refers to automatic control technology,information processing and transmission technology, computer hardwareand software systems or automatic devices to replace manual operationof the various operations and improve substation operations, A levelof management automation system. Substation automation areas includeintegrated automation technology; Substation automation refers to thesecondary equipment (including control, protection, measurement,signal devices and automatic remote devices) through
the use of computer technology functions of reorganization and optimization of measurement, control and coordination of an integrated automation system It is automation and computers, communication technology in the field of integrated |
statusinformation; Operation information; Parameter information. Accordingto the information transmission performance requirements, generallycan be divided into two categories to consider, one immediateresponse to the higher demand information, If the incident detection,warning, sequence of events and actions for the protection of theinformation requested higher transmission speeds; Another is responsetime, low-information, such as for recording, record and failureanalysis of the information, allow for longer delivery time. Fordifferent data have different security requirements, the stationcommunications network linking
all | stations | intelligent | modules, | background | monitoring | and | remote |
communicationdevices, is the key to the whole system, according to the actualsystem architecture and engineering needs, generally
consideredby the following principles ：
(1)electricity production and the importance of continuity, Network
reliability should be top priority. it should have a strong anti-jamming capability to meet the temperature, humidity and electromagnetic interference and other | ||
environmental requirements, it should consider measures to spare. | the | load |
characteristicsof a reasonable distribution, there is no guarantee that the
'bottleneck' | phenomenon. | However | contains | communications | load, | large |
substationconsider 100 ~ 256 load nodes, small and medium substation considernot more than 60-hundred load nodes. Distance communication designconsiderations not more than one kM. .
(3)communication network stations should meet the portfolio flexibility,scalability, and has good open and debugging easy maintenancerequirements. Bus used to form networks.
(4)communication media selection principle is to maximize the use ofoptical fiber, taking into account the economic, can still use cableas a major medium of communication, but the general interface cableisolation transformer, common mode interference suppression.
(5)Station communications network within the agreement and the statuteshould be consistent with national and international standards.
(6)PointCommunication Network Communication Network station level as in
a better operating environment, its larger information flow (Distributed network based on actual project needs, and in the operating environment may be quite poor (Distributed scattered layout), the actual amount is not large, may |
conventional1980s RTU is based on the remote device and Monitoring of localrepresentatives.
Thistype of system is in a conventional relay and the second on the basisof additional wiring
RTUdevices, main functions of the remote scheduling and completion ofthe main points
Communication"four distance" (telemetry, remote signal and remotetransfer, remote control),
andautomatic protection devices and systems used to link state Yingjieaccess point. Such a
systemis characterized by a simple function, the overall performance indexlower, the system
linkingcomplex, ease of operation and maintenance management, Automationsystem for the
initialstage.
2ndstage : Function-oriented design of distributed computer controlinstallations protected
modeearly 1990s, Computer Protection and by the functional design of thedistribution
monitoringdevice to the wider use, protection and control devices relativelyindependent,
throughcorrespondence management module respective information can be sentto a local
computermonitor or master scheduling. The emergence of such systems isbecause domestic
power system protection and remote belonging to different departments and professional, Another pair of relay protection and control device in how to integrate technology failed to reach consensus on the understanding, In particular, there is a considerable number of 110 KV and below voltage level automation system using such models. The model has not done |
object-orienteddesign, information sharing is not that high, and the secondarysystem more cable Internet, Scalability well, is not conducive tooperational management and maintenance.
Thethird stage : Object-oriented layout and (object-oriented)Hierarchical structure of the mid-1990s models With computertechnology, networks and the rapid ICT development industry and theprotection of computer monitoring and control technologies andexplore the debate reached a consensus understanding, - orientedequipment or layout design targeted at the protection and controlmodules, a hierarchical distributed system architecture, formed areal sense of Hierarchical Distributed Automation System. The systemis characterized by the following address 110 KV voltage level ofequipment or layout used to protect the design of integratedmeasurement and control devices, against 110 KV and above voltagelevel of equipment or layout using relay devices and monitoring andcontrol devices to independently design but Ping Group commonprinciples, fault recorder functions delegated to the spacing orequipment protection devices, and advanced network communicationstechnology, system configuration flexibility and facilitateexpansion, a very convenient operation management and maintenance.
Substation automation technology is the development of the power industry |
翻译
近年来，随着电网运行水平的提高，各级调度中心要求更多的信息，以便
及时掌握电网及变电站的运行情况，提高变电站的可控性，进而要求更多地采
用远方集中控制，操作，反事故措施等，即采用无人值班的管理模式，以提高
劳动生产率，减少人为误操作的可能，提高运行的可靠性。另一方面，当代计
算机技术，通讯技术等先进技术手段的应用，已改变了传统二次设备的模式，为
简化系统，信息共享，减少电缆，减少占地面积，降低造价等方面已改变了变 |
目，不断地完善和改进相应地推出各具特色的变电站综合自动化系统，以满足
电力系统中的要求。
国外从80年代初开始进行研究开发，到目前为止，各大电力设备公司都
陆续地推出系列化的产品。如ABB，SIEMENS,HARRIS等公司，90年代以来，
世界各国新建变电站大部分采用了全数字化的二次设备；相应地采用了变电站
自动化技术；我国开展变电站综合自动化的研究及开发相比世界发达国家较晚，
但随着数字化保护设备的成熟及广泛应用，调度自动化系统的成熟应用，变电
站自动化系统已被电力系统用户接受使用，但在电力部门使用过程中大致有两 |
到减人增效的目的；二是对高压变电站(220kV及以上)的建设和设计来说，是要
求用先进的控制方式，解决各专业在技术上分散、自成系统，重复投资，甚至
影响运行可靠性。
目前从国内、外变电站综合自动化的开展情况而言，大致存在以下几种结
构：
(1)分布式系统结构
按变电站被监控对象或系统功能分布的多台计算机单功能设备，将它们连
接到能共享资源的网络上实现分布式处理。这里所谈的'分布'是按变电站资源
物理上的分布(未强调地理分布)，强调的是从计算机的角度来研究分布问题的。
这是一种较为理想的结构，要做到完全分布式结构，在可扩展性、通用性及开 |
一味地追求完全分布式结构
(2)集中式系统结构
系统的硬件装置、数据处理均集中配置，采用由前置机和后台机构成的集
控式结构，由前置机完成数据输入输出、保护、控制及监测等功能，后台机完
成数据处理、显示、打印及远方通讯等功能。目前国内许多的厂家尚属于这种
结构方式，这种结构有以下不足：前置管理机任务繁重、引线多，是一个信息'瓶
颈'，降低了整个系统的可靠性，即在前置机故障情况下，将失去当地及远方的 |
所有信息及功能，另外仍不能从工程设计角度上节约开支，仍需铺设电缆，并
且扩展一些自动化需求的功能较难。在此值得一提的是这种结构形成的原由，
变电站二次产品早期开发过程是按保护、测量、控制和通信部分分类、开
发，没有从整个系统设计的指导思想下进行，随着技术的进步及电力系统自动
化的要求，在进行变电站自动化工程的设计时，大多采用的是按功能'拼凑'的方
式开展，从而导致系统的性能指标下降以及出现许多无法解决的工程问题。略
工程实用性是不必要的。
(3)分层分布式结构
按变电站的控制层次和对象设置全站控制级(站级)和就地单元控制级(段级) |
统或网络故障，只影响到监控部分，而最重要的保护、控制功能在段级仍可继
续运行；段级的任一智能单元损坏不应导致全站的通信中断，比如长期霸占全
站的通信网络。
②可扩展性和开放性较高，利于工程的设计及应用。
③站内二次设备所需的电缆大大减少，节约投资也简化了调试维护。
变电站自动化的基本概念
变电站自动化是指应用自动控制技术、信息处理和传输技术，通过计算机 |
平的一种自动化系统。变电站自动化的范畴包括综合自动化技术；变电站综合
自动化是指将二次设备(包括控制、保护、测量、信号、自动装置和远动装置)利
用微机技术经过功能的重新组合和优化设计，对变电站执行自动监视、测量、控
制和协调的一种综合性的自动化系统，它是自动化和计算机、通信技术在变电
站领域的综合应用
变电站综合自动化站内通信网络的建立
变电站内传送或交换的基本信息有：测量及状态信息；操作信息；参数信息。
根据信息传送的性能要求，大致可分两类考虑，一类要求实时响应较高的信息，
如事故的检出、告警、事件顺序记录和用于保护动作的信息，要求传送速度较 |
实际系统结构及工程实际需要，大致按以下原则考虑：
(1)电力生产的连续性和重要性，通信网的可靠性应放在第一位.一方面应
具有较强的抗干扰能力，以满足温度、湿度和电磁干扰等环境要求，另一方面
应考虑备用措施。
(2)站内通信网应根据通信负荷的特点合理分配，保证不出现'瓶颈'现象，
通讯负荷不过载，对于大型变电站考虑100~256个负载节点，一般中小型变电
站考虑不超过60~100 个负载节点。通讯距离设计考虑不超过1kM.。 |
试维修方便的要求。宜采用总线形网络。
(4)通信媒介的选用原则是尽量采用光纤，考虑到工程的经济性，仍可采
用电缆作为主要的通信媒介，但电缆接口一般设有隔离变压器，以抑制共模干
扰.
(5)站内通信网的协议及规约应尽量符合国家及国际标准.
(6)站内通信网的站级通信网由于处于较佳的运行环境，其信息流较大(分
布式集中布置)，故可采用高速网；段级通信网根据实际工程需要，并且可能处
于运行环境比较恶劣(分布式分散布置)，因实际的信息量不是很大，可考虑慢
速网(如现场总线或4８5 通信方式)的环境。 |
继电保护及二次接线基础上增设RTU装置，功能主要为完成与远方调度主站
通信实现“四遥”(遥测，遥信，遥调，遥控)，继电保护及自动装置与系统联结采
用硬接点状态接入。此类系统特点是功能简单，整体性能指标较低，系统联结
复杂，不便于运行管理与维护，为自动化系统的初级阶段。
第二阶段：面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式
90年代初期，微机保护及按功能设计的分布测控装置得以广泛应用，保护与测
控装置相对，通过通信管理单元能够将各自信息送到当地监控计算机或调
度主站。此类系统的出现是由于当时国内电力系统保护和远动分属于不同部门 |
和专业，另外对继电保护与测控装置在技术上如何融和没有达成一致的认识，
故相当一部分尤其是110KV及以下电压等级自动化系统采用此类模式。该模
式没有做到面向对象设计，信息共享程度不高，另外系统的二次电缆互联较多，
扩展性不好，不利于运行管理和维护。
第三阶段：面向间隔和对象(object-oriented)的分层分布式结构模式
90年代中期，随着计算机技术、网络和通信技术的飞速发展，行业内对计算机
保护与测控技术不断争论和探讨达成了一致的认识，采用面向设备或间隔为对
象设计的保护及测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成了真正意义上的
分层分布式自动化系统。该系统特点是针对110KV 以下电压等级的设备或间 |
配置灵活，扩展方便，非常方便运行管理和维护。
变电站综合自动化技术是现代电力工业发展的显著标志，该项技术是微电
子、计算机和通信技术的有机结合，其应用前景必然十分广阔，必将是现代电
力技术发展及技术改造的主导技术。由于此项技术具有极高的综合技术水准，
其广泛的应用，必然给我国国民经济的可持续发展带来深远影响。
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