变电站综合自动化系统初步设计-本科毕业论文1.pdf

1论文题目：变电站综合自动化系统初步设计（测控硬件部分）专业：电气工程及其自动化本 科 生：签名：指导老师：签名：摘要变电站综合自动化是电力系统自动化的必然趋势，它是综合应用现代电子技术、通信技术、网络技术和图形技术并与配电设备相结合，将配电系统在正常和事故情况下的监视、保护、控制和供电企业的工作管理有机融合在一起的综合性先进技术。它可以大大提高电网安全运行水平，改善供电质量，降损节能。本文首先分析确定了某变电站综合自动化系统的硬件结构。结合变电站自动化的发展趋势，设计了以单片机为核心的变电站测控系统的硬件电路，可对变电站电压、电流等模拟量进行监测，采集开关的状态信息，根据需要对开关的分合状态进行控制。在设计中采用了有效的抗干扰措施，使整个系统运行稳定、可靠。关键词：关键词：变电站综合自动化测控系统抗干扰2Subject：The Preliminary Design about SubstationAutomatic System(Hardware about Measurement and Control Unit)Specialty：Electric Engineering andAutomationName：Signature：Instructor：Signature：ABSTRACTSubstation automation is a certain trend to realize the automation of the power system.Itis the comprehensive advanced technology which contains modern electronic technology,communication technology,network technology and graphics technology.It can not only keepwatch on but also protect and control the distribution system in the case of normal and accident.Combined with management of the power supply enterprise,substation automation canimprove the safe operation level of grid greatly and better power supply quality,meanwhile,decrease waste and save energy.In order to meet the basic need of reliability for power system,the substationsmeasurement and control system is introduced according to the technological demands andtrend of substation automation,main circuit,control system are designed.The singlechip-microcomputeris chosen as the core of the measurement and control system whichachieves intelligent control over the substation.current and voltage in the substations outputlines and calculate corresponding electrical parameters can be measure by the system,sampledigital signals on the switches and control its on-off by actual demandKey words:substation automationmeasurement and control systemInterference rejection3目目录录上上篇篇.1第一章第一章绪论绪论.11.1 课题背景及意义.11.2 变电站综合自动化的基本概念.11.3 变电站综合自动化的发展状况.11.4 变电站综合自动化的内容.21.5 变电站综合自动化系统的基本功能.21.6 变电站的分类及本设计电气主接线.3第二章变电站自动化系统的结构.52.1 集中式综合自动化系统.52.2 分层分布式结构集中式组屏的综合自动化系统.52.3 分散分布式与集中式相结合的综合自动化系统.72.4 完全分散性.82.5 本变电站综合自动化系统结构总体方案.9下篇.12第一章第一章 测控系统测控系统.121.1 测控系统概述.121.2 现场测控信息.121.3 测控装置在变电站综合自动化系统中的意义和功能.131.3.1 变电站综合自动化测控装置的意义.131.3.2 变电站综合自动化测控装置的功能.131.4 采样方式.131.4.1 直流采样.141.4.2 交流采样.141.4 采样频率的计算.15第二章测控系统的硬件设计.162.1 电源模块.162.2 模拟量输入/输出回路.162.3 开关量输入/输出回路.162.4 脉冲量输入回路.172.5 人机对话回路.172.7 测控 CPU 模块.17第三章 各模块硬件设计.183.1 模拟量输入回路.183.1.1 电压形成回路.193.1.2 滤波通道.193.1.3 多路转换开关.213.1.4 采样保持器.223.1.5 A/D 转换器.233.1.6 模拟量输入回路工作原理.2442.2 模拟量输出回路.242.2.1 D/A 转换器（DAC0832）简介.252.2.2 模拟量输出回路工作原理.252.3 开关量输入回路.262.3.1 抗干扰技术.262.3.2 开关量输入回路介绍.282.3.3 开关量输入回路工作原理.282.4 开关量输出回路.282.4.1 开关量输出回路介绍.292.4.2 开关量输出回路工作原理.292.5 脉冲量输入回路.302.5.1 脉冲量输入回路介绍.302.5.2 脉冲量输入回路工作原理.302.6 人机对话.312.7 通信接口.312.7 电源模块.32第四章 系统的抗干扰措施.334.1 干扰概述.334.2 硬件抗干扰措施.33第五章 总结.34致 谢.35参考文献.36附录一（英文参考文献及翻译）.37附录二.431上上篇篇第一章第一章绪论绪论1.1 课题背景及意义变电站综合自动化随着我国电力行业的大规模发展，己经越来越成为电力系统发展的新趋势。随着经济的发展，用电需求的增加，我国新建了大量的电站。根据电网的要求变电站也大量进行了各种技术改造，以提高自动化水平。近十几年来，我国变电站自动化技术也大幅发展，变电站综合自动化可以收集大量数据和信息，利用计算机高速处理，可以方便的监视和控制变电站内各种设备的运行和操作,从而实现高智能的少人或者无人值班的变电站管理。微机技术的发展，特别是单片机的发展和总线技术越来越多的引入了变电站综合自动化技术中，新的原理和新算法的微机保护装置的研究，对变电站综合自动化系统的发展必将起到极大的推动作用。1.2 变电站综合自动化的基本概念变电站综合自动化系统是利用微机技术、自动控制技术和信息处理与传输技术将变电站的二次设备(包括控制、信号、测量、保护、自动装置、远动装置)进行功能的重新组合和结构的优化设计，对变电站进行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。它具有如下特征：（1）功能综合化（2）结构微机化（3）操作监视屏幕化（4）运行管理智能化（5）测量显示数字化（6）运行管理智能化变电站综合自动化系统实现了电网变电站的现代化管理，使运行监控、正常和事故操作、继电保护、变电站电压和无功功率自动化控制、事故和动态过程的记录等功能由计算机完成，站内和站外的信息交换由通讯网实现，从而改变了传统变电站控制室、保护室的主体结构和值班维护方式，成为当前技术发展的必然趋势。21.3 变电站综合自动化的发展状况变电站综合自动化发展及应用从 60 年代后期开始，一些国家就着手研制基于微型计算机的变电站监控装置，并逐步完善为监控和数据采集系统 SCADA。但是上述成果还不是综合的系统。从 70 年代开始，出现了综合式数字保护系统的第一个原型。进入 80年代，由于计算机技术的飞速发展，综合式数字变电站控制和保护系统进入了实用阶段。并且目前国外一些发达国家已经在各种电压等级的变电站实现了无人值守，取得了显著的社会经济效益。7目前，我国 500kV 电压等级的变电站大多数基本上为有人值守运行方式，且自动化水平及可靠性也不够高。新建的 220kV 及以下电压等级的变电站都按无人值守的运行方式设计，并且对原有变电站也在进行综合自动化设备的更新和安装。如今,西安交大、清华大学、华北电力大学、南京自动化研究院、北京四方继保公司等科研院所对变电站综2合自动化系统都进行了理论与应用研究，部分理论和算法达到了国际先进水平。国内许多生产厂家在这方面也进行了大量的研究与开发，经过近二十年的实践与应用，变电站自动化系统从集中式到分布式，其技术特点及运行要求等方面均取得了极大的发展。特别是近年来，随着我国国民经济的增长，电力系统也获得了前所未有的发展，电力需求的增长也使得变电站也得到了广泛的推广及应用，为满足电力系统运行管理现代化的迫切要求，研究变电站综合自动化已迫在眉睫。国内已有科研单位和厂家推出了产品，并投入现场运行，取得了一定的效果。伴随着继承电路和计算机技术的飞速发展，各种新型的大规模集成电路将会进一步应用在测控装置上，如数字信号处理芯片 DSP、高速数据采集系统、嵌入式实时操作系统、大容量 flash、可编程逻辑器件 CPLD、FPGA 等。这些新器件的应用将使保护和测控装置的电路板更加小型集成化，装置通信、数据存储及处理能力更强。将控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能，通过模块化设计集成在一个统一的多功能数字装置内，间隔内和之间以及间隔同站级间的通信可统一用光纤以太网来实现。高集成化系统的发展，降低成本、提高系统可靠性，有利于实现统一的运行管理。智能开关设备、光电式电压和电流传感器、智能电子装置等的出现，使变电站自动化技术进入了数字化阶段。智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路逐渐取代传统一次回路，使变电站层、间隔层、过程层最终用网络连接起来，并实现统一的通信标准。1.4 变电站综合自动化的内容它主要包括如下两个方面内容：对 220kV 及以下中、低变电站，采用自动化系统，利用现代计算机和通信技术，对变电站的二次设备进行全面的技术改造，取消常规的保护、监视、测量、控制屏，实现综合自动化，以全面提高变电站的技术水平和运行管理水平，并逐步实行无人值班或减人增效；对 220kV 以上的变电站，主要是采用计算机监控系统以提高运行管理水平，同时采用新的保护技术和控制方式，促进各专业在技术上的协调，达到提高自动化水平和运行、管理水平的目的。总之，变电站综合自动化内容应包括：电气量采集和电气设备(如断路器等)的状态监视、控制和调节。实现变电站正常运行的监视和操作，保证变电站正常运行和安全。发生事故时，由继电保护和故障录波等完成瞬态电气量的采集、监视和控制，并迅速切除故障设备和完成事故后的恢复操作。从长远观点看，综合自动化系统的内容还应包括高压电气设备本身的监视信息(如断路器、变压器和避雷器等的绝缘和状态监视等)。除了需要将变电站所采集的信息传送给调度中心外，还要送给运行部门和检修中心，以便为电气设备的监视和制定检修计划提供原始数据。实现变电站综合自动化的目标是提高整个变电站全面的技术水平和管理水平，提高安全、可靠、稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，提高供电质量，促进配电系统自动化。实现变电站综合自动化是实现上述目标的一项重要技术措施。1.5 变电站综合自动化系统的基本功能变电站综合自动化是多专业性的综合技术，它是以微型计算机为基础，实现对变电站传统的继电保护、控制方式、测量手段、通信和管理模式的全面技术改造，实现了电网运行管理的一次变革。仅从变电站自动化系统的构成和所完成的功能来看，它是将变3电站的监视控制、继电保护、自动控制装置和远动等所要完成的功能组合在一起，通过计算机硬件、模块化软件和数据通信网构成一个完整的系统。因此，其功能为：（一）继电保护的功能变电站综合自动化系统中的微机继电保护主要包括输电线路保护、电力变压器保护、母线保护、电容器保护、小电流接地系统自动选线、自动重合闸。由于继电保护的特殊重要性，综合自动化系统绝不能降低继电保护的可靠性。（二）监视控制的功能变电站综合自动化系统应能改变常规继电保护装置不能与外界通信的缺陷，取代常规的测量系统，如变送器、录波器、指针式仪表等；改变常规的操动机构，如操作盘、模拟盘、手动同期及手控无功补偿等装置；取代常规的告警、报警装置，如中央信号系统、光字牌等；取代常规的电磁式和机械式防误闭锁设备；取代常规远动装置等。实时数据采集与处理 运行监视功能 故障录波与测距 事故顺序记录与事故追忆功能 控制及安全操作闭锁功能 数据处理与记录功能 人机联系功能 打印功能 运行的技术管理功能 谐波的分析和监视功能 自诊断、自恢复和自动切换功能（三）自动控制装置的功能变电站综合自动化系统必须具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自动控制功能。为此，典型的变电站综合自动化系统都配置了相应的自动控制装置，如电压、无功综合控制装置、低频率减负荷控制装置、备用电源自投控制装置、小电流接地选线装置等。（四）远动及数据通信功能4变电站综合自动化的通信功能包括系统内部的现场级间的通信和自动化系统与上级调度的通信两部分。1.6 变电站的分类及本设计电气主接线变电站按其在系统中的地位和作用可分为以下几类：(1)枢纽变电站一般为 330KV 或 550kV。该类变电站从区域电网中下载电力,为地区(中间)变电站提供电源.(2)地区(中间)变电站一般是 220kV 或 110kV 这类变电站主要作用是从地区电网中下载电力,为地区配电网供电或为用户直接供电。(3)企业专用变电站主要为某一类企业供电,对重要企业,如大型钢厂、化工厂,它们在任何情况下都不允许断电,应有配用电源。4(4)终端变电站它处于系统末端,高压侧有电力转送,一般采用较简单接线。本设计采用某 110kV 机场变电站,它属于企业变电站,专供机场用电,安全可靠性要求比较高。其电气主接线如图 1-1 所示。电气主接线介绍110KV 进线两回，一回来自 330kV 某变电站，一回来自 110kV 某变电站，变电站设有两台变压器，不考虑再扩建第三台主变压器。10KV 采用双单母线分段接线方式，两台主变 10kV 出线各分为两个分支，分别接在两分段母线上，占 4 个间隔。10kV出线，为 24 回。另加 2 回分段，2 台所用变，2 组电容器，2 组电压互感器，及 2 台母线分段兼电压互感器柜。因此本期总共 38 个回路间隔，同时留有 22 个备用位置。图 1-1 电气主接线5第二章变电站自动化系统的结构自从 1987 年清华大学研制成功第一套变电站综合自动化系统投运 10 多年来，由于技术水平的不断提高，体系结构也在不断改进。根据综合自动化系统设计思想、安装的物理位置不同，综合自动化系统硬件结构形式也分成很多种类。但从国内外变电站综合自动化系统发展过程来看，其结构形式有集中式、分布式、分散分布式；从安装物理位置上来划分有集中组屏、分层组屏和分散在一次设备间隔设备上安装等形式。2.1 集中式综合自动化系统集中式结构的综合自动化系统，指采用不同档次的计算机，扩展其外围接口电路，集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。集中结构也并非指由一台计算机完成保护、监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控和与调度等通信的功能也是由不同的微型计算机完成的，只是每台微机承担的任务多一些。例如监控机要负担数据采集、数据处理、开关操作、人机联系等多项任务；担任微机保护的计算机，可能一台微机要负责几回低压线路的保护等。这种结构形式主要出现在变电站综合自动化问世的初期，如图 2-1 所示。这种结构形式的综合自动化系统国内早期产品较多。这种结构形式是按变电站的规模配置相应容量、功能的微机保护装置和监控主机及数据采集系统，它们安装在变电站主控室内。主变压器、各种进出线路及站内所有电气设备的运行状态通过电流互感器、电压互感器经电缆传送到主控制室的保护装置或监控计算机上，并与调度控制端的主计算机进行数据通信。当地监控计算机完成当地显示、控制和制表打印等功能。42.2 分层分布式结构集中式组屏的综合自动化系统随着微机技术和通信技术的发展，特别是 20 世纪 80 年代后期单片机的性能价格比越来越高，给变电站综合自动化系统的研究和开发工作注入了新的活力，使研制者有条件将微机保护单元和数据采集单元按一次回路进行设计。所谓分布式结构，是在结构上采用主从 CPU 协同工作方式，各功能模块(通常是各个从 CPU)之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，多 CPU 系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了集中式结构中独立 CPU 计算处理的瓶颈问题，方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。各自完成各自的功能，增加了保护的可靠性。在变电站综合自动化系统中，通常把继电保护、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能综合在一起的装置称为保护单元，而把测量和控制功能综合在一起的装置称为控制或 I/O 单元，两者通称为间隔级单元(bay level unit)。各种类型的间隔级单元搜集到的状态量和测量值，通过软件来实现各种保护闭锁，取消或大大简化传统设计中为实现闭锁功能所需要的二次回路，以组成变电站综合自动化系统。所谓分层式结构，是将变电站信息的采集和控制分为管理层、站控层和间隔层三个级分层布置。如图 2-2 所示。67间隔层按一次设备组织，一般按断路器的间隔划分，具有测量、控制和继电保护部分。测量、控制部分负责单元的测量、监视、断路器的操作控制和连锁及事件顺序记录等；保护部分负责该单元线路或变压器或电容器的保护、各种录波等。因此，间隔层本身是由各种不同的单元装置组成，这些独立的单元装置直接通过总线接到站控层。站控层的主要功能就是作为数据集中处理的保护管理，担负着上传下达的重要任务，对下它可以管理各种间隔单元装置，包括微机监控、保护、自动装置等，收集各种数据并发出控制命令，起到数据集中作用，还可以通过现场总线完成对保护单元的自适应调整；对上则通过设立开放式结构的站级网络接口，与管理层建立联系。将数据传送给管理后台机或调度端，起到数据处理作用。管理层由一台或多台微机组成，这种微机操作简单方便，界面汉化，使运行值班人员极易掌握。2.3 分散分布式与集中式相结合的综合自动化系统这是目前国内外最流行、受到广大用户欢迎的一种综合自动化系统。它是采用“面8向对象”即面向电气一次回路或电气间隔(如一条出线、一台变压器、一组电容器等)的方法进行设计的，间隔层中各数据采集、监控单元和保护单元做在一起，设计在同一机箱中，并将这种机箱就地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近。这样各间隔单元的设备相互独立，仅通过光纤或电缆网络由站控机对它们进行管理和交换信息。这是将功能分布和物理分散两者有机结合的结果。通常，能在间隔层内完成的功能一般不依赖通信网络，如保护功能本身不依赖于通信网络。这就是分散式结构。如图 2-3 所示。分层分散式结构的优越性(1)简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积。由于配电线路的保护和测控单元，分散安装在各开关柜内，因此主控室内减少了几面保护屏，加上采用综合自动化系统后，原先常规的控制屏、中央信号屏和站内模拟屏可以取消，因此使主控制室面积大大缩小，也有利于实理无人值班。(2)减少了施工和设备安装工程量。由于安装在开关柜的保护和测控单元在开关柜出厂前己由厂家安装和调试安毕，再加上敷设电缆的数量大大减少，因此现场施工、安装和调试的工期随之缩短。(3)简化了变电站二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆。(4)分层分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便。分层分散式结构，由于分散安装，减少了电流互感器 TA 的负担。各模块与监控主机间通过局域网网络或现场总线连接，抗干扰能力强，可靠性高。这种结构形式本身配置灵活，从安装配置上除了分散安装在间隔开关柜上以外，还可实现在控制室内集中组屏或分层组屏，即一部分集中在低压开关室内分别组屏等。这种将配电线路的保护和测控单元分散安装在开关柜内，而高压线路保护和主变压器保护装置等采用集中组屏的系统结构称为分散和集中相结合的结构。如框图 2.3 所示。目前变电站综合自动化系统的功能和结构都在不断地向前发展全分散式的结构一定是今后发展的方向究其原因，主要是：分层分散式的自动化系统的突出优点；随着新设备、新技术的进展如电光传感器和光纤通信技术的发展，使得原来只能集中组屏的高压线路保护装置和主变压器保护也可以考虑安装于高压场附近，并利用日益发展的光纤技术和局域网技术，将这些分散在各开关柜的保护和集成功能模块联系起来，构成一个全分散化的综合自动化系统，为变电站实现高水平、高可靠性和低造价的无人值班创造更有利的技术条件。2.4 完全分散性硬件结构为完全分散性的综合自动化系统，是指以变压器、断路器、母线等一次主设备为安装单位，将保护、控制、输入/输出、闭锁等单元就地分散安装在一次主设备的开关柜上，安装在主控制的主控单元通过现场总线与分散的单元进行通信，主控单元通过网络与监控主机联系。这种完全分散式结构的综合自动化系统在实现，模式上可分为两种：一种是保护相对独立，测量和控制合二为一；另一种是保护、测量、控制完全合一，实现变电站自动化的高度综合。92.5 本变电站综合自动化系统结构总体方案变电站综合自动化系统采用分散分布式与集中式相结合的综合自动化系统，它可以提高综合自动化系统的可靠性和降低总投资。由图 2-4 可见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、远方通讯等功能，后台机完成数据处理、显示、打印及等功能。该结构形式特点：该变电站综合自动化系统是面向对象设计的。系统中每一种装置都面向变电站内的各种一次设备。如线路装置，就是面向开关柜设计的。它包含了对该开关柜的控制、测量、事故记录和线路的各种保护等。所有装置均通过 jbus-485 通信接口同前置机、后台机实现实时数据交换。后台及总控装置为变电站综合自动化装置的核心，它一方面可实现对各设备的实时数据收集。并向上一级调度转发，同时也对各个装置的运行情况进行监视，包括各种故障及报警。10kV 线路保护采用分散式结构，就地安装，节约控制电缆，通过 jbus-485 通信接口10与前置机交换信息。110 线路测控单元和主变保护 1、主变保护 2 采用集中组屏结构，保护屏安装在控制室中，同样通过 jbus-485 通信接口与前置机交换信息。其他自动装置，如 VQC，所用电，直流屏等采用集中组屏结构安装于控制室。变电站系统结构硬件介绍：前置机前置机系统担负着厂站 RTU 和各分局的数据通信及通信规约解释等任务,是SCADA/EMS 系统的桥梁和基础。它具有如下功能：接收多个 RTU 的运动信息,还有完成对接收数据的预处理；向后台机送数；接收后台机的遥控、遥调命令,并通过下行通道向RTU 发送；完成向调度模拟屏传送实时数据；具有转发,实现对各个通道的监视；还有人工设置和在线修改功能等功能。前置主机为双机配置,一台为主机,另一台为备用机。由于是网络配置,网络上所有主机11只要授权都可以充任前置主机,因而可任取两台工作站兼做前置机。值班前置主机担负以下任务：与系统服务器及 SCADA 工作站通信；与各 RTU 通信及通信规约处理；控制切换装置的切换动作；设置各终端服务器的参数。备用前置机担负以下任务中的部分或全部：监听前置主机的工作情况,一旦前置主机发生故障,立即自动升格为主机,担负着主机的全部工作；监听次要通道的信息,确定该通道的运行情况。后台机后台机用于对前置机的在线管理及维护,并对故障录波文件进行分析、打印及数据远传至调度。它具有运行数据实时监控功能,并具有完善的运行数据管理功能,可提供各类运行记录报表,并方便地查询和打印；还具有事故追忆功能,同时可远转数据至上级调度。电量记费系统它实现电量的自动查询、记录、奖惩电量的计算等功能。12下篇第一章第一章 测控系统测控系统1.1 测控系统概述就其功能而言，测控系统的功能一是“测”，即检测各种环境安全参数、设备工况参数、过程控制参数等；二是“控”，即根据检测参数去控制安全装置、报警装置、生产设备、执行机构等。若系统仅用于生产过程的监测，当安全参数达到极限值时产生显示及声、光报警等输出，此种系统一般称为监测系统；除监测外还参与一些简单的开关量控制，如断电、闭锁等，此系统一般称为监测监控系统或监控系统；在监测的基础上增加了对生产机械的控制、调节功能，此种系统一般称为计算机测控系统。就其技术而言，测控系统是传感器技术、通信技术、计算机技术、控制技术、计算机网络技术等信息技术的综合。就其应用而言，测控系统是现代化生产和管理的有利工具，广泛应用于国民经济的各个领域，如电力调度的“四遥”系统；管道输油输气监控系统；城市公共事业的自来水、供热、排水、公共交通的测控系统；地震预测、预报系统；还有在煤矿的生产与管理，在国防建设和空间技术中的应用更是屡见不鲜。就其组成而言，测控系统是两级或三级管理的计算机集散系统（DCS）。就其地位而言，测控系统是企业综合自动化 CIMS 中的子系统，是计算机网络的接点。1.2 现场测控信息变电站自动化系统所处理的现场测控信息非常多。现场测控信息指的是变电站运行参数和运行状况数据，通常按照变电站自动化系统的功能来划分，可以分为遥测量、遥信量、遥控量、遥调量。遥测量是指系统所采集的生产过程层的模拟量信息，主要包括以下内容：三相电流，三相保护电流、三相电压，三相相间电压、三相交流电的频率、相位；有功功率 P，无功功率 Q，功率因数 cos、有功电度 W，无功电度 V、零序电流；母线分段、母联断路器电流、直流母线电压、并联补偿装置的三相交流电流、消弧线圈电流、变压器温度、环境温度。其中可直接测量量包括：三相电流、三相电压、零序电流、变电器温度、环境温度等。有功电度和无功电度可由智能电能表给出的数字电度量或者经二次计算得到。遥信量是指系统所采集的生产过程层的状态量(开关量或数字量)信息，主要包括以下内容：隔离开关位置信号(工作/试验/拉出)；断路器位置信号；保护动作信号；弹簧储能信号；控制回路断线信号；轻/重瓦斯信号；变压器过温信号；低频减载保护信号；CT/PT断线信号；系统异常/故障信号；操作机构故障信号。遥控量是指系统对生产过程层的某些设备的输出控制信号，主要包括以下内容：断路器合闸/分闸控制信号；隔离开关的遥控信号；变压器中性点的接地刀闸信号；某些设备的启动、停止、复位等信号。遥调量是系统对生产过程层的某些设备模拟量的调节控制信号，例如对变压器分头位置调节、消弧线圈的抽头位置调节等。131.3 测控装置在变电站综合自动化系统中的意义和功能在现代社会中，社会的生产、生活对电力的需求与日俱增，电力己经成为世界经济发展的生命线。保障供电质量己成为电力部门的紧迫任务。变电站是供电系统中的重要节点，监测了解其负荷、运行及故障情况非常重要。传统的做法是由人工定期对其进行测量、记录和分析。这样做的缺点是：工作量大，人工处理数据极为不便，且统计周期长，可靠性也无法得到保证。结合变电站目前的应用情况，人们当然希望它能应用自动化控制技术、计算机数据采集和处理技术、通信技术，来代替人工对变电站进行正常运行的监视、操作、无功控制、测量记录和统计分析、故障运行的监视、报警和事件顺序记录等。因此研制开发一种满足国家电力标准、准确可靠的变电站综合自动化装置势在必行。1.3.1 变电站综合自动化测控装置的意义 提高安全性变电站有很多事故是人为因素造成的，操作人员的误操作，往往带来不应出现的事故。而程序控制的开关操作，可以排除运行人员素质的影响和误操作的可能性。改善电能质量，提高经济效益由计算机控制执行的无功补偿，能稳定电压范围，调整功率因数，降低电能损耗，提高经济效益。减轻运行人员负担计算机控制系统进行了信息的采集与处理，运行人员不必再做抄表、统计等工作，计算机管理更加方便、准确。为变电站综合自动化奠定基础变电站的监控系统通过远动设备，可以实现遥信、遥控、遥测、遥调等功能。并为继续完成线路保护、电容器保护等实现整个配电自动化打下良好的基础。1.3.2 变电站综合自动化测控装置的功能在变电站综合自动化系统中，测控装置承担着开关量输入信号采集、脉冲输入信号采集、交流量采集及处理，对断路器、隔离开关、放电回路进行控制，与总控单元或与智能设备接口进行通讯等任务。变电站综合自动化系统中的站控层的计算机监控系统或调度端通过测控装置获取现场数据信息，进行各种分析及处理，同时计算机监控系统或调度端可通过测控装置对断路器、隔离开关、放电回路等设备进行操作。利用测控装置还可对有载调压变压器调压、同期合闸数据运算及辨别并实现其控制，当开关量变位时能够按照设定值发告警信号，向后台传送电笛标志或电铃标志。测控装置是面向间隔层设计的，当通过测控装置对断路器、隔离刀闸等进行操作时，可实现面向间隔层的防误闭锁操作判断1.4 采样方式电力系统和电厂、变电站中的模拟量有三种类型,其一是快速变化的交流量：如交流电压、电流等；其二是变化缓慢的直流量：如控制母线电压和操作母线直流电压；其三是变化缓慢的非电量：频率、温度、水位、油压等。对这些不同类型的模拟量有不同的14采样方式。1.4.1 直流采样它是指将现场不断变化的模拟量先转换成直流电压信号,再送至A/D转换器进行转换,即 A/D 转换器采样的模拟量为直流信号。直流采样的主要特征是 A/D 转换器所采集的模拟信号已转换成变化缓慢的直流信号。其原理框图如 1.4.1 所示直流采样的特点 直流采样对 A/D 转换器的转换速率要求不高,软件算件简单。只要将采样结果乘上相应的标度系数便可得到电流、电压的有效值,因此采样程序简单,软件的可靠性较好。直流采样因经过直流和滤波环节,转换成直流信号,因此抗干扰能力较好。直流采样输入回路,因要滤去整流后的纹波,往往采样 RC 滤波电路,其时间常数较大,因此采样结果实时性差,而且无法反映被测模拟量的波形,尤其不适合用于微机保护和故障录波。直流采样需要变送器屏,故增加了设备投资和占地面积。1.4.2 交流采样即对交流电流和交流电压采集时,输入至A/D转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率、大小成比例的交流电压信号。由于电力系统、发电厂或变电站的一次电流和电压都是大电流或高电压的信号,不能直接送至 A/D 转换器,必须将变电站电压互感器或电流互感器输入的强电信号,经过一个小电压互感器或小电流互感器,变换成 A/D 转换器所能接受的电压信号。这两种方法的主要区别是直流采样必须把交流电流和电压经过整流和滤波,变成直流量,再送给 A/D 转换器进行转换。交流采样是直接对交流电流的波形进行采样,然后通过一定算法计算出其有效值,并计算出 P、Q 值。它有如下主要特点：实时性好。它能避免直流采样中整流、滤波环节的时间常数大的影响,因此在微机保护中必须采用交流采样。能反映原来电流、电压的实际波形,便于对所测量进行波形分析,因此在需要谐波分析或故障录波的场合,必须采用交流采样。15 对 A/D 转换器的转换速率和采样保持器要求比较高。为了保证测量的精度,一个周期内,必须保证有足够的采样点数,因此要求 A/D 转换器要有足够的转换速度。有功功率和无功功率是通过采样得到的 u、i 计算出来的,因此可以省去有功功率和无功功率变送器,可以节约投资并缩小测量设备的体积。测量准确性不仅取决于模拟量输入通道的硬件,而且还取决于软件算法,因此采样和计算程序相当复杂。对于后两类的模拟量,因都属于变化缓慢的电量或非电量,用直流平均值反映该类物理量,能满足电力系统实时性要求,也很容易实现。因此通常采用变送器形式将这两类转变为满足 A/D 变换器输入电压要求的直流电压,供直流采样用。对于快速变化的交流电压,电流及有关电量,如用直流平均值反映此类物理量,不能满足电力系统实时性要求,应用交流采样。对此类物理量的交流采样避免了直流采样中的整流、滤波环节的时间常数大的影响,满足电力系统实时性要求；能快速测得瞬时值,因此,能利用瞬时值形成波形,便于波形分析、故障录波；交流采样电流、电压后,还可以通过软件计算有功(无功)功率、电能电量。直流采样和交流采样是两种不同的采样方式,各有各的特点和应用场合。但从发展的眼光看,随着大规模集成电路技术的提高,A/D 转换器的转换速度和分辨率也不断提高,而且交流采样的算法也有多种方法可选,因此采用交流采样是一种发展的趋势，在变电站中主要是交流量的采集与变换,因此在本系统中采用交流采样。1.4 采样频率的计算在变电站系统正常状态下，模拟量可以认为是频率近似有 50Hz 的交流电信号。对交流电量的测量是采用多点采样的方法，在本设计中，一个周期内系统对每个需要测的交流电量进行 N=12 次采样(就是将一个周期进行 12 等分，在每个等分点上进行测量)，采样频率为 600Hz。16第二章测控系统的硬件设计硬件总体结构整个装置由以下模块构成：电源模块、模拟量输入/输出回路、开关量输入/输出回路、脉冲量输入回路、通信接口、CPU 模块以及人机对话回路。其硬件总体结构如图：2.1 电源模块电源插件把外部提供的交流电源转换为测控装置所需的直流稳压电源，以保证整个装置的可靠供电。输入为 AC220V,经抗干扰滤波回路后，进入电源变换模块。分别用于装置各回路电源使用，以保证整个系统的可靠供电。2.2 模拟量输入/输出回路输入模拟信号主要可分为交流信号和直流信号两类。保护测控装置的对象主要是交流信号。交流电压一般通过两级电压互感器获得所需要的电平。交流电流则先通过两级电流互感器，然后再按某种方式转换为合适电压电平。模拟量输入回路的作用是将来自变电站的模拟信号转换成微机系统能处理的数字信号。计算机的输出是以数字形式给出的，输出模块的作用就是把数字量转换成模拟量，主要由数/模（D/A）转换器来完成。2.3 开关量输入/输出回路它主要由并行接口、光电耦合电路及有关触点的中间继电器等组成，主要用于人机接口、17本地和后台机的告警信号、压板投送信号及闭锁信号、发跳闸信号等。2.4 脉冲量输入回路变电站采集的典型脉冲量是脉冲电能表输出的电能表。这种量的采集在硬件接口上与状态量的采集一样经光电隔离后输入进微机系统，是对电能量（包括有功电能和无功电能）的采集。2.5 人机对话回路其主要功能用于人机对话，如调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。2.6 通信接口变电站综合自动化系统可分为多个子系统,如监控子系统,微机保护子系统、自动控制子系统,各子系统之间需要通信,如微机保护动作跳闸,监控子系统需要知道,即需要它们之间相互通信。同时,各子系统的动作还要远传给调度(控制)中心。所以通信回路的功能主要是完成机间通信及远动通信。2.7 测控 CPU 模块保护测控 CPU 是整个装置的核心部件，完成对数据的处理及其输出。18第三章 各模块硬件设计该设计总共需要采集的数据：模拟量电压参量（16 路）：110kVI 段电压U1a、U1b、U1c110kV II 段电压U2a、U1b、U2c还有 10kV 段电压参量 10 路电流参量（196 路）：110KV I 段I1a、I1b、I1c110KV II 段I2a、I2b、I2c主变