毕业设计(论文)

毕业设计（论文）

题 目： 220KV变电站设计 系 别： 机电系 专 业： 电气自动化 年 级： 08届 学 号： 080101001 姓 名： 鲍铭浩 指导教师： 陈虎

二零一一年 四 月二十五 日

目 录

【摘 要】 ......................................................................................................................... 4 第1章 负荷统计及电气主接线 ..................................................................................... 5

1.1 负荷统计 ............................................................................................................... 5 1.2 电气主接线 ........................................................................................................... 6 第2章 负荷统计及变压器选择 ..................................................................................... 6

2.1 负荷统计 ............................................................................................................... 6 2.2 主变压器选择 ....................................................................................................... 6 2.3 主变压器参数计算 ............................................................................................... 7 第3章 短路电流的计算 ............................................................................................... 10

3.1 各支路最大负荷电流的计算 ............................................................................. 10 第4章 主要电气设备选择 ........................................................................................... 12

4.1 高压断路器的选择计算 ..................................................................................... 12 4.2 隔离开关的选择 ................................................................................................. 14 4.3 互感器的选择 ..................................................................................................... 16 第5章 主变压器的继电保护 ......................................................................................... 19

5.1定时限过电流保护 .............................................................................................. 19 5.2电流速断保护 ...................................................................................................... 20 5.3瓦斯保护 .............................................................................................................. 20 第6章 变电站综合自动化 ............................................................................................. 21

6.1 综合自动化概述及其特点 ................................................................................. 21 6.2变电站综合自动化的结构形式 .......................................................................... 22 6.3变电站综合自动化系统的主要功能 .................................................................. 23 第7章 变电站监控系统 ................................................................................................. 25

7.1 变电站监控系统系统的构成 ........................................................................... 25 7.2 系统的通信传输 ............................................................................................... 27 7.3 系统的工作过程和功能 ................................................................................... 28 7.4 系统的特点 ..................................................................................................... 29 7.5系统软件流程 ...................................................................................................... 29

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7.6 系统运行 ............................................................................................................. 36 【参考文献】 ................................................................................................................... 41 致 谢 ............................................................................................................................... 42

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220KV变电站

【摘 要】

电力生产过程有别于其他工业生产过程的一个重要特点，就是它的生产、输送、变换、分配、消费的几个环节是在同一个时间内同步瞬间完成。电力生产过程要求供需严格动态平衡，一旦失去平衡生产过程就要受到破坏，甚至造成系统瓦解，无法维持正常生产。随着经济的快速发展，全国乃至全世界凸现缺电局面，如何进一步优化调度，加强电力资源的优化配置，最大限度满足电力需求成为人们探讨的问题之一。又随着计算机技术、通信技术、信息技术惊人的发展，变电站综合自动化技术进一步优化，整个电网运行的安全性和经济效益得到大幅提升。这项技术将引起电力行业有关部门的重视，成为变电站设计核心技术之一。

本次220KV变电站的设计包括一次和二次部分，主要对变压器台数和容量、主接线方案、高压开关设备、二次接线方案及继电保护的确定；对变电站负荷、无功补偿、短路电流的计算。变电站综合自动化技术是二次部分设计的重点，主要对远程监测系统的构成、工作过程、通信传输等方面的设计，包括电力远程监测技术的研究现状的分析，阐述了系统中普通存在的弊端。详细地阐述了系统的构成，简要地介绍了系统的工作过程，主要功能和特点。介绍了Visual Basic开发工具的特点，论述了基于VB的电力远程监测系统主站软件的模块设计思想和主要流程，并对登录管理界面、主界面和各菜单项进行了说明。

【关键词】 ：220KV变电站；综合自动化；设计

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第1章 负荷统计及电气主接线

1.1 负荷统计 单位：KW 序 号 1U 用电单位 大平甲线 2U 大平乙线 3U 大红甲线 4U 大红乙线 1S 水 厂 2S 3S 4S 5S 6S 7S 矿冶厂 化肥厂 建材厂 农药厂 制药厂 炭素厂 2960 3300 1850 4500 7400 1840 3060 3600 1950 4600 8100 2040 2450 5850 9300 3800 3560 5000 4200 4600 5800 12000 13000 18000 13700 14700 18700 14500 15500 20500 现状负荷 16800 2005年统计负荷 18800 24800 2010年统计负荷 5

8S 9S 10S 医 院 火车站 棉纺厂 合计 1.2 电气主接线

1320 4280 2240 90890 1420 4880 2440 98690 2620 5980 3640 130000 220KV采用双母线带简易旁路 110KV采用双母线接线 10KV采用双母线接线

第2章 负荷统计及变压器选择

2.1 负荷统计

现状负荷统计为:90890KW;2005年统计负荷为:98690KW;2010年统计负为:130000KW。

2.2 主变压器选择

主变参数：型号SFPSZ8—90000/220

额定电压220/121/11KV 额定容量90000/90000/90000KVA

△P＇K（1－2）＝395

△P＇K（1－3）＝414 △P＇K（3－2）＝280

最大负荷：110KV Smax＝15＋j8

10KV Smax＝5＋j2

最小负荷：110KV Smin＝8＋j2

10KV Smin＝2＋j1

高压侧的电压为：V1max＝231KV

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V1min＝220KV

要求中压侧电压不超过110~121KV范围，低压侧电压不超过10~10.8KV范围。 2.3 主变压器参数计算 2.3.1 阻抗值计算

△PK（1－2）＝PˊK（1－2）×（S1N/S2N）3＝395KW,同理 △PK（1－3）＝414KW △PK（2－3）＝280KW

△PK1＝1/2〔△PK（1－2）＋△PK（1－3）－△PK（2－3）〕

＝1/2（395＋414－280）＝264.5KW, 同理

△PK2＝130.5 KW

△PK3＝149.5KW

VK1＝1/2〔VK（1－2）＋VK（1－3）－VK（2－3）〕＝14.75 KV , 同理

VK2＝-0.5KV VK3＝8.25KV RT1＝△PK1VN2/1000SN2

＝(264.5*200*200)/(1000*90*90)=1.58Ω, 同理

RT2＝0.78Ω

RT3＝0.89Ω

XT1＝VN2VK1VN2/100SN

＝（14.75*220*220）/100×90＝79.32Ω XT2＝-2.69Ω XT3＝44.39Ω

2.3.2 选择分接头

最大、最小负荷时的电压损耗: △V1max＝(P1R1＋Q1X1)/V1max＝2.99 KV △V2max＝(P2R2＋Q2X2)/V2max＝-0.04KV △V3max＝(P3R3＋Q3X3)/V3max＝1.67 KV △V1min＝(P1R1＋Q1X1)/V1min＝0.76 KV △V2min＝(P2R2＋Q2X2)/V2min＝0.004 KV

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△V3min＝(P3R3＋Q3X3)/V3min＝0.43 KV

最大、最小负荷时，各绕组归算至高压母线电压 最大负荷时：V1max＝225 KV

V2max＝224.996 KV V3max＝224.566 KV

最小负荷时：V1min＝220 KV

V2min＝217.01 KV V3min＝215.34 KV

选择高压侧分头电压

Vf1max＝V3maxVN3/V3max

＝224.566*10.5/10.8=218.3KV Vf1min＝V3minVN3/V3min

＝215.34*10.5/10=226KV Vf1＝（Vf1max＋Vf1min）/2＝222.15

于是可选220－2.5%的分接头，其中V=225.5 KV 校验低压母线实际电压

V′3max＝V3maxVN3/Vf1

＝224.566*10.5/225.5=10.03>10KV

V′3min＝V3minVN3/Vf1

=215.34*10.5/225.5=10.4<10.8 KV

△V′3max=(10.03-10)/10*100%=0.3%<5%

可见所选分头符合低压母线的调压要求。 选中压侧分接头电压 计算中压侧分接头电压为：

Vf2max＝V′2maxVf1/V2max

=121*222.15/224.996=119.5 KV Vf2min＝V′2minVf1/V2min

＝110*222.15/217.01=112.6 KV Vf2＝Vf2minVf2min/2＝116.05KV

于是可选110－6%的分接头，其中电压V=116.6 KV

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校验中压侧母线电压

V′2max＝V2maxVf2/Vf1

=224.996*116.6/222.15=118.09<121KV.

V′2min＝V2minVf2/Vf1

=217.01*116.6/222.15=113.9>110KV

△V2’max =(113.9-110)/110*100%=3.5%<5% 可见所选中压侧分接头满足调压要求。

2.3.3 无功补偿的计算

最大和最小负荷时变压器阻抗中的电压损耗分别为: △Umax=(15*1.58+8*79.32)/110=5.98KV △Umin=(8*1.58+2*79.32)/110=1.56KV

Uf2=116.05KV,取与其最接近的分接头电压:110*(1+6%)=116.6KV,从而可得电压比为:k=116.6/10=11.66则补偿容量为: Qc=U’2Cmax(U’2Cmax- U2Cmax/k) k2/X

=10*[10-(110-5.98)/11.66]*11.66*11.66/79.32 =18.85Mvar

当Qcmax=18.9Mvar,验算最大负荷时二次侧母线的实际电压: STmax= STmax-JQc=15+J8-18.9=15-J10.9

补偿后变压器阻抗中电压损耗变为: (15*1.58-10.9*79.32)/110=-7.6KV 变电站二次侧母线实际电压为: (110+7.6)/11.66=10.09KV

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第3章 短路电流的计算

3.1 各支路最大负荷电流的计算

10KV负荷电流: Igmax=Smax /√3Ue=739(A) 110KV侧负荷电流: Igmax=Smax /√3Ue=147.4(A) 220KV侧负荷电流:Igmax=Smax/√3Ue=131.2(A) 3.2 短路点的选择及短路电流计算结果表

为了合理选择各种电气设备,对各种电气设备都需校验热稳定和动稳定,因此要进行短路电流计算。短路种数，一般按三相短路验算，短路计算点应选择通过导体和电气设备的短路电流为最大的那些点。

根据以上原则，短路点分别选择为220KV母线、110KV母线、10KV母线，分别为d1、d2、d3点。 参数标么值计算：

取基准容量Sj=100MVA,基准电压Uj选各级平均电压,即Uj=1.05Ue

Uj1=1.05UN1=1.05*220=231KV Uj2=1.05UN2=1.05*110=115KV Uj3=1.05UN3=1.05*10=10.5KV 根据Ij=Sj/3Uj可得基准电流: Ij1=0.25KA Ij2=0.5KA Ij3=5.5KA

基准电抗:X’= (UKI－II* Sj)/(100*SNT):

X’1=0.16 X’2=0.006

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X’3=0.09

注：适当考虑参数计算误差kk取1.1

220千伏母线实用阻抗：X∑(220)=0.16/1.1=0.15 短路电流有效值：I”=I∞=0.25/0.15=1.67kA 短路电流冲击值：ich=2.55*1.67=4.26 KA

短路全电流最大有效值：Ich= ich /1.686=4.26/1.686=2.53kA 短路容量：S=100/0.15=666.67MVA

110千伏母线实用阻抗：X∑(110)=(0.16+0.006)/1.1=0.151 短路电流有效值：I”=I∞=0.5/0.151=3.33kA 短路电流冲击值：ich=2.55×3.33=8.5 kA 短路全电流最大有效值：Ich= ich /1.686=5 kA 短路容量：S=100/0.151=662.25MVA 10千伏母线实用阻抗：

X∑(10)=(0.16+0.006+0.09)/1.1=0.23 短路电流有效值：I”=I∞=5.5/0.23=23.91kA 短路电流冲击值：ich=2.55×23.91=60.97 kA 短路全电流最大有效值：Ich=36.16 kA 短路容量：S=100/0.23=434.78MVA

短路电流计算结果表如下：

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短路点 短路点基准电压（kV） 基准电流（kA） 计算电抗 Xjs 短路电流I＂（kA） 短路电流最大有效值Ich(kA) 短路电流冲击值Ich(kA) 短路容量(MVA) D1 231 0.25 0.16 1.67 2.53 4.26 666.67 D2 115 0.5 0.006 3.33 5 8.5 662.25 D3 10.5 5.5 0.09 23.91

36.16 60.97 434.78 第4章 主要电气设备选择

4.1 高压断路器的选择计算 4.1.1 220kV电压级: 电压:Ue≥Ug=220kV

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电流:Ie≥Igmax=131.2*0.7=91.84(KA) 开断电流:Iekd≥I＂=1.67(KA) 选用断路器型号SW6-220

额定开断电流31.5kA 额定电流1250KA

动稳定电流峰值为80kA,热稳定电流为31.5kA(4S) 校验:

热稳定校验:I∞×√tj/t≤It(设tj=5).

T=4S秒时 I∞×√tj/t=1.67*√5/4=2kA＜It(40kA) ∴热稳定校验合格. 动稳定校验: Ich=2.53kA＜Idw(80kA) ∴合格

∴选断路器SW6-220满足要求。该系列为户外高压少油断路器，可作为发电厂、变电站电气设备和输电线路的控制和保护之用，也可作为联络断路器使用。该断路器各断口单元为标准结构，每柱由两个断口组成，呈“Y”形布置。 4.1.2 110kV电压级: 电压: Ue≥Ug =110KV

电流: Ie≥Igmax==147.4*0.7=103.18(KA) 开断电流: Iekd≥I＂=3.33kA 选用断路器型号LW6-110 额定开断电流40kA 额定电流2000KA 动稳定电流峰值为100KA,热稳定电流分别为31.5KA(4S) 校验:

热稳定校验: I∞×√tj/t≤It(设tj=5)

T=4S秒时 I∞×√tj/t=3.33*√5/4=4.239kA＜It(40kA) ∴热稳定校验合格. 动稳定校验: Ich=5kA＜Idw(100kA) ∴合格

∴选断路器LW6-110 满足要求 4.1.3 10kV电压级:

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电压: Ue≥Ug =10KV

电流: Ie≥Igmax=739*0.7=517.3(A) 开断电流: Iekd≥I＂=23.91kA 选用断路器型号:ZN-10/3150-40 额定开断电流40KA 额定电流3150A

其极限通过电流峰值为100KA,热稳定电流分别为40KA(4S) 校验:

热稳定校验: I∞×√tj/t≤It(设tj=5)

T=4S秒时 I∞×√tj/t=23.91*√5/4=37.8kA＜It(40kA) ∴热稳定校验合格. 动稳定校验:

Ich=36.16kA＜Idw(100KA) ∴合格

∴选断路器ZN-10/3150-40满足要求。该断路器可作为输配电系统配电开关、厂用电开关、电炉变压器和高压电动机频繁操作开关，还可用来切合电容器组。该类型断路器具有结构简单、体积小、重量轻、寿命长、维修量小和适用于频繁操作等特点。在切合电炉变压器和感应电动机时，配有专用的阻容吸收装置或氧化锌避雷器，可有效地限制过电压。

断路器选择结果如下表： 电压等级 断路器型号 220kV SW6-220/1250 110kV SW8-110/2000 10kV ZN-10/3150 4.2 隔离开关的选择 4.2.1 220kV电压级: 电压: Ue≥Ug =220KV

电流: Ie≥Igmax==158*0.7=110.6(A) 选用隔离开关为GW17-220,其动稳定电流峰值为125KA,热稳定流为50KA(3S), 校验:

热稳定校验: I∞×√tj/t≤It (设tj=5S)

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T=3S秒时 I∞×√tj/t=1.67*√5/3=2.2kA＜It(125kA) ∴热稳定校验合格. 动稳定校验:idw≥ich ∵ich =2.53kA＜Idw(50kA) ∴合格

∴所选隔离开关GW17-220满足要求。该系列隔离开关是三相交流50HZ高压开关设备，供在有电压无载荷情况下，断开或闭合线路之用。 4.2.2 110kV电压级: 电压:Ue≥Ug=110KV

电流:Ie≥Igmax=210*0.7=147(A) 选用隔离开关为GW17-110,其动稳定电流峰值为80KA,热稳定流为31.5KA(3S) 校验:

热稳定校验: I∞×√tj/t≤It(设tj=5S)

T=3S秒时 I∞×√tj/t=3.33*√5/3=4.3kA＜It(31.5kA) ∴热稳定校验合格.

动稳定校验:ich=8.5kA＜idw(80kA) ∴合格

∴所选隔离开关GW17-110满足要求。该系列隔离开关为双柱水平断口式结构，有单静触头、双静触头两种形式，易与其他电器构成敞开式组合电器。 4.2.3 10kV电压级: 电压:Ue≥Ug=10KV

电流:Ie≥Igmax=1732*0.7=1212.4（A） 选用隔离开关为GN10-10T/4000,其动稳定电流峰值为160KA，热稳定流为80KA(5S) 校验:

热稳定校验: I∞×√tj/t≤It(设tj=5S)

T=5S秒时 I∞×tj/t=23.91*√5/5=23.91kA＜It(80kA) ∴热稳定校验合格. 动稳定校验: idw ≥ich ∵ich =60.97kA＜Idw(160kA)

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∴所选隔离开关合格. 隔离开关选择结果如下表:

电压等级 隔离开关型号 4.3 互感器的选择

4.3.1 电流互感器主要参数的选择: 电流互感器一次电流选择应遵循以下原则: ⑴一次电流应满足负荷要求,并在标准值中选取。

其标准值为:10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、75及其十进位倍数或小数。 ⑵一次电流应使在正常运行情况下，二次输出电流满足保护装置和测量、计量仪表准确度要求。

不同用途的电流互感器，保证误差准确度的额定一次电流不同，测量用电流互感器，保证满足规定误差要求的一次额定电流的50%--120%特殊用途互感器S级，保证满足规定误差要求一次额定电流的10%--120%。保护用互感器的额定电流应不小于正常负荷电流。 一次电流可用下式选择：

Ir≥K*Il

式中Ir——互感器额定一次电流；

K——可靠系统，对于发电机，变压器和输电线路； IL——电气设备额定一次电流和电器元件的最大负荷；

正常情况下，K一般可取1.2—1.5;对于直接启动的发电机,取1.5—2;对于S级电流互感器取3—5。 电流互感器的选择：

220KV级：LCWB—220，额定电流比为2*750/5；准确级组合5P/5P/5P/5P/0.2/0.2；准确次级0.2，5P；二次负荷60VA；短时热稳定电流20—50KA（3S）；动稳定电流62.5—125KA。该系列为多匝油浸式瓷绝缘电流互感器。其性能符合国标和IEC的有关标准，具有结构严密、绝缘强度高、介质损耗率和局部放电量低、可靠性高以及

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220kV GW17-220/2500 110kV GW17-110/1600 10kV GN2-10G/3150 运行维护简便等优点。

110KV级：LCWB—110，额定电流比2*1000/5；准确级组合P/P/P/0.2；准确次级5P，0.2；二次负荷50VA；短时热稳定电流31.5—45KA；动稳定电流80—145KA。 10KV级：LMZJ—10，额定电流比6000/5；准确级0.2，0.5，3，B。该型电流互感器为母线式环氧树脂全浇注绝缘户内型产品，适用于交流50HZ、10、20KV及以下线路中做电流、电能测量和继电

保护用，它采用环氧树脂混合浇注成型，绝缘性能和防潮、防霉性能良好，机械强度高，适用于湿热带地区。

电流互感器选择结果如下表:

电压等级 电流互感器型号 220 kV LCWB-220 110 kV LCWB-110 10 kV LMZJ-10 4.3.2 电压互感器参数的选择 1、参数选择

电压互感器应按下表所列技术条件选择：

项目 技术条件 正常工作条件 承受过电压能力 环境条件 环境温度、相对湿度、海拔高度、最大风速、污秽 2、型式选择 ①6～20KV配电装置一般采用油浸绝缘结构;在高压开关柜中或布置地位狭窄的地方,可采用树脂浇注绝缘结构。

②35～110KV配电装置一般采用油浸绝缘结构电磁式电压互感器。

③220KV及以上配电装置，当容量和准确度等级满足要求时，一般采用电容式电压互感器。

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参数 一次回路电压、二次电压、二次负荷、准确度等级 绝缘水平、泄露比距 电压互感器选择结果：

型 号 额定电压（KV） 初级 绕组 次级 绕组 剩余电压绕组 TYD220/3-0.0045 200/0.1/0.1 JCC2-110 110/0.1/0.1 JDZX6-10 10/0.1/0.1 220KV等级选择TYD220系列电容式电压互感器，该系列互感器有电容分压器、电磁装置及阻尼器组成，户外型产品，适用于交流50HZ、中性点接地系统，作电压、电能测量及继电保护用，并兼作电力线载波耦合电容器用。

110KV等级选择JCC系列电压互感器，它分为单相、三绕组、串级绝缘、户外安装互感器，适用于交流50HZ电力系统，作电压、电脑测量和继电保护。它可用于中性点直接接地系统，也可用于中性点不直接接地系统，并可在110%额定电压下长期运行。

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二次负荷（VA） 0．5 级 1级 3级 最大容量（VA） 300 600 3 3 500 1000 2000 3 3 0.5 80 200 400 3 3 第5章 主变压器的继电保护

设置保护的目的:

虽然供电系统中有可能遭受短路电流破坏的一次设备都进行了短路动、热稳定度的校验，但这只能保证它们在短时间（1——3S）内能承受住短路电流的破坏。时间一长，就会无一例外地遭受破坏。而在一个供电系统中，要想完全杜绝电路事故是不可能的。因此设置一定数量的保护装置是完

全必要的，以便在短路事故发生后一次设备尚未破坏的数秒内，切除短路电流，使故障点脱离电源，从而保护短路回路内的一次设备，同时迅速恢复系统其他正常部分的工作。 对保护装置的要求:

动作要可靠，动作速度要快，应能有选择地动作，应有足够的灵敏度。 变压器的继电保护

对于变电站的变压器，通常应装设过电流保护。当过电流保护的动作时间大于0.5——0.7S时，应加装电流速断保护。对于容量在400MVA以上的变压器，还应装设瓦斯保护。

5.1定时限过电流保护

该保护装置的动作时间是恒定的，与通过该保护装置的电路电流的大小无关。该保护装置的动作电流按下式整定。

Iop?KrelKwIL.max KreKi式中，Krel为可靠系数，对DL型电流继电器，取1.2；Kw为接线系数，取1；Kre为返回系数，DL型电流继电器，取0.85；Ki为电流互感器的电流比；IL.max为被保护线路在正常情况下的最大负荷电流，按下式计算：

IL.max=（1.5~3）I1NT

式中, I1NT为被保护变压器的一次额定电流.

该保护装置的灵敏度应按被保护线路末端在系统最小运行方式下的两相短路电流来校验：

Sp?KwIk.min??.? KiIop19

已知Ki(220)=750/5=150,

Ki(110)=1000/5=200, Ki(10)=6000/5=1200

IL.max(220)=449.8,IL.max(110)=899.8,IL.max(10)=1732 校验:

220KV级：Iop(220)=(1.2*1)/(0.85*150)*449.8=4.2整定为5A

Sp(220)=(1*1670)/(150*5)=2.2>1.5 校验合格

110KV级：Iop(110)=(1.2*1)/(0.82*200)*899.8=6.35 整定为7A

Sp(110)=(1*3330)/(200*7)=2.4>1.5 校验合格

10KV级：Iop(10)=(1.2*1)/0.85*1200)*1732=12.2 整定为13A

Sp(10)=(1*23910)/1200*13)=1.53>1.5 校验合格

5.2电流速断保护

变压器的电流速断保护的速断电流按下式整定：

Iqb?KrelKwIk.max Ki式中Ik.max?Ik KuKu为变压器的电压比。

电流速断保护的灵敏度按下式校验：

KISp?wk ?1.5

KIIqb25.3瓦斯保护

瓦斯保护装置接线由信号回路和跳闸回路组成。变压器内部发生轻微故障时，继电器触点闭合，发出瞬时“轻瓦斯动作”信号。变压器内部发生严重故障时，油箱内产生大量气体，强烈的油流冲击挡板，继电器触点闭合，发出重瓦斯跳闸脉冲，跳开变压器各侧断路器。变压器严重漏油使油面降低时，继电器动作，同样发出“轻瓦斯动作”信号。

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第6章 变电站综合自动化

6.1 综合自动化概述及其特点

现代变电站综合自动化是二次设备完全用计算机实现对一次设备的安全运行监视与记录、安全操作监视、系统故障记录、

故障分析、继电保护等多方面自动化的综合。其结构可以是一个功能一套设备，也可以是一体的或多机一体分层分布的。从某种角度上可以说，变电站的综合自动化由计算机继电保护和监控系统两大部分组成。

变电站综合自动化最明显的特征有以下四个方面：

(1)功能综合化.变电站综合自动化技术是从建立在计算机硬件技术、数据通信技术、模块化软件技术的基础上发展起来的。它综合了变电站内除交直流以外的全部二次设备。计算机保护代替了电磁式保护，监控装置综合了仪表屏、操作屏、模拟屏、变送器、远动装置、有载调压无功补偿、中央信号系统和光字牌；计算机保护和监控系统一起还综合了故障录波和故障测距、小信号接地等装置。

(2)结构电脑化。分布式、多CPU综合自动化系统内各主要插件全是计算机化的，采用分布式结构，网络总线连接。计算机保护、数据采集、监视控制等环节的CPU群构成了一个有机整体，以实现各种功能。一个系统往往有几个甚至几十个电脑同时并行运行。

(3)操作监视屏幕化。不管有人值班还是无人值班，操作人员不是在变电站内就是在远方调度室或操作中心内面对屏幕显示器进行变电站的全方位监视与操作。常规方式下的指针仪表读数被屏幕数据所代替；常规庞大的模拟屏被CRT屏幕上的实时接线画面所取代；常规在操作屏上进行的跳合闸操作被计算机键盘或鼠标操作所取代；常规光字牌报警被CRT屏幕画面闪光和文字提示所取代。简而言之，面对计算机的彩色可以窥视若大变电站内的瞬变万化。

(4)运行管理智能化。变电站综合自动化另一个特征是运行管理智能化。智能化不仅表现在常规的自动化功能上，如自动报警、自动报报表、电压无功自动调节、小信号接地自动选线、事故判别与处理等方面，还表现在能够在线自诊断并不断将自诊断的结果送向远方的主控端。这是区别常规二次系统的重要特征。简言之，常规二次系统只能检测一次设备，而对自己本身的故障诊断困难，必须更多的靠维护人员去检查发现；综合自动化系统不仅检测一次设备还时刻检查自己是否有故障，

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这就充分体现了其智能化。

6.2变电站综合自动化的结构形式

归纳起来，变电站综合自动化系统的结构模式有集中式、分布分散式和分布式结构集中式组屏三种类型。

集中式的一般采用功能较强的计算机扩展其I/O及外围接口，集中采集信息、集中处理与计算，有的甚至将保护功能也做在一起，如下图所示。这种方式提出得较早，主要受条件限制，当时计算机技术、网络通信技术还没有发展，这种方式可靠性差，功能也有限，很难推广应用。

打印机

入 出 控制回路

变电站集中式综合自动化系统结构图

随着计算机特别是单片机技术、网络技术特别是位总线技术的问世，用于变电站所控制的分布式结构装置与系统相继出现，一般按回路进行设计。将数据采集、控制单元和计算机保护单元就地装在开关柜内或其他一次设备附近就地安装，相互之间有网络电缆或光缆连接起来，构成一个分布分散式的综合自动化系统，如下图所示。这种系统最大的优点就是节省电缆，并避免了电缆传送信息的电磁干扰，其次是最大限度地压缩了二次设备的占地面积。这种模式在高压变电站应用可能更为适合。

另一种形式是分布式结构集中式组屏，这种方式在中低压变电站用得最多，。这种系统具有分布式结构全部的优点，系统便于扩充、便于维护，一个环节故障不影

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人机联系 主计算机 I/O接口 调度所/控制操作中心

响其他部件的正常运行。考虑到中低压变电站的一次设备都比较集中，有不少是组合式设备，分布面不广，所用信号电缆不长，因而采取集中组屏方式，比分散式就地安装多不了多少电缆，优点在于集中组屏后便于设计、安装与维护管理。

打印机或

调度所/控制操作中心

主控机 (或双机) 人机联系 其它接口 光缆或电缆 线路开关柜 馈线开关柜 变压器保护 电容器保护 单 元 保护与控制 保护与监控 TV/TA 操作 TV/TA 操作 TV/TA 保护 TV/TA 保护 单 元 单 元 状态信号 回路 状态信号 回路单元 状态信号 出口 状态 出口 油

分布分散式综合自动化系统结构

6.3变电站综合自动化系统的主要功能

变电站综合自动化主要包括安全监控、计算机保护、开关操作，电压无功控制、远动、低频减载以及自诊断等功能。

1、监控系统功能

监控系统功能包括数据采集、安全监视、事件顺序记录、电能计算、控制操作、与计算机保护装置通信等。

(1)数据采集与显示。采集变电站电力运行实时数据和设备运行状态并通过当地或远方的显示器将运行工况以数据和画面两种方式反映给运行人员。其中，工频模

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拟量采用计算机交流采样，状态触点方式接入监控系统。

(2)安全监视。对采集的模拟量、状态量及保护信息进行自动监视。当有被测量越限、保护动作、非正常状态变化、设备异常时，能及时在当地或远方发出音响或语音报警、推出报警画面、显示异常区域，为运行人员提供处理故障所需的全部信息，事故信息还可存贮和打印记录，供事后分析故障原因用。

(3)事件顺序记录。变电站发生故障时，对异常状态变化的时间顺序进行自动记录、存贮、远传。时间顺序记录分析率一般小于5ms,高压变电站可提高到小于1ms.

(4)电能计算。系统可实现对采集的电能量分时统计，旁路代送时可自动实现电量的累加。

(5)控制操作。系统可实现对断路器、隔离开关的开、合控制和变压器分接头的调整控制，具有防误操作措施，为防止系统故障时无法操作被控设备，在设计上应保留人工直接跳合闸手段。

(6)与保护装置通信、交换数据。向保护装置发出对时、召唤数据命令，传送新的保护定值；保护装置向监控系统报告保护动作参数（动作时间、动作性质、动作值、动作名称等），响应召唤命令回报当前保护定值以及修改定值的返校信息等。

2、计算机保护功能

(1)变压器保护。利用二次谐波制动的电流差动保护、过电流保护、重瓦斯保护等。

(2)进线线路保护。一般按用户要求配置。

(3)馈电线路保护。一般有电流速断保护、定/反时限过电流保护、三相自动重合闸功能。

(4)母线保护。

(5)电容器保护。包括过压保护和欠压保护、过电流保护、电流差动保护。 (6)用户提出的其他合理的保护配置。 3、电压和无功综合控制

以保证电压合格和优化无功补偿为控制目标，实现对有灾调压变压器分接头和并联补偿电容器组的综合调节和控制，既可提高供电质量，又具有节能的功效，同时具有自动统计电压合格率的功能。

4、远动功能

综合自动化系统具有很强的远动功能，不仅具有实现常规的遥测、遥信遥控遥

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调、事件记录远传功能，而且还具有保护定值远方监视与修改、故障录波与测距的远方传输功能。一般综合自动化具有多个远方接口功能，必要时还可服从主站端的通信规约进行非常规的数据通信。

5、系统在线自诊断功能

系统的在线自诊断功能，能自诊断到各设备的插件级。

第7章 变电站监控系统

7.1 变电站监控系统系统的构成

电力远程监测系统采用电话线、CAN总线、以及RS-485总线几种通信信道。由于系统监测居民小区住户的用电信息，因此，采用电话线拨号的方式能够及时、方便地进行系统的远程监测管理，而参数信息在电话线上的顺利传输是通过MODEM的调制和解调功能完成的。为了节约MODEM资源，同时满足系统集中器通信距离和通信速率的要求，集中器的设计采用了CAN总线通信方式。在这种通信方式下，主集中器与从集中器都是CAN的节点，其中主集中器直接与MODEM相连，通过CAN与各从集中器进行通信。由于CAN总线的开支较大，因此系统从集中器的下行信道便采用了RS-485总线。

系统的构成如下图所示。电力远程监测系统是一个三级分布式通信系统，主要由主站、集中器、采集单元、通信信道、采集终端等六部分组成： （1）主站(Master station)

主站是指通过信道对集中器中的信息采集，并进行处理和管理的设备。主站是公用配电变压器远程集中抄表系统的核心，完成低压配电变压器实时监测和低压用户远程抄表后的信息分析与处理，完成监测信息输出、报警、控制等功能，管理系统设备，自动生成各种运行分析报表，记录观测与处理信息。系通过主站计算机操作，用电管理人员可以随时获取所需要的各种数据和信息。计算机主站是系统最主要的人机界面。

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（2）集中器（Concentrator）

集中器是低压电网电能管理系统的中心管理设备和控制设备，负责系统命令的传送、数据通讯、网络管理、事件记录等功能。在本系统中，集中器分为主集中器和从集中器。主、从集中器在结构和功能上没有本质区别，均带有RS-485总线以构成底层通信系统，只是主集中器比从集中器多了MODEM通信功能。

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图2-1 基于CAN总线的电力远程监测系统

（3）采集单元（Acquisition unit）

采集单元是指用于实时采集台区变压器电能质量参数（如电压、电流、功率因数、变压器油温等）的设备。采集单元带有RS-485通信接口，集中器可随时对其进行数据的采集和命令的发布。采集单元完成了对台区变压器的实时监测。

（4）采集模块（Acquisition module）

采集模块是指用于采集单个用户电能表电能量信息，并将它处理后通过信道将数据传送到系统上一级设备（中级器或集中器）的专用模块。在本系统中，采集模块分为无功模块和有功模块，分别监测台区的总无功电量和总有功电量。

（5）采集终端（Acquisition Terminal）

采集终端是指用于采集多个客户电能表能量信息，并经处理后通过信道将数据传送到系统上一级（中级器或集中器）的设备。在本系统中，采集终端安装在居民区，通过导线连接若干个（1～16个）居民用户表（脉冲表），进行脉冲数累加和存储。采集终端的核心是单片机，具有一个与集中器相连接的RS-485通信接口。 （6） 通信信道 (Channel) 通信信道信号传输的媒体，如无线电、电力线、电话线等。如图2.1所示，以通信信道的不同，可将该系统分为上层星型通信网、中层CAN总线通信网和底层RS-485总线通信网。 7.2 系统的通信传输

电力远程监测系统是一个三级分布式通信系统，包括（1）主站与主集中器之间的MODEM通信；（2）主集中器与从集中器之间的CAN总线通信；（3）集中器与威胜全电子式多功能三相交流电能表之间的RS-485_A总线通信或集中器与采集单元、采集模块、采集终端之间的RS-485_B总线通信[2]。 7.2.1 上层星型通信网

基于VB的电力远程监测系统是以安装在电力局管理中心的系统工作站为中心，通过PSTN电话网以分散的形式，与带MODEM的集中器（在本论文中称为主集中器）进行通信

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7.2.2 中层CAN总线通信网

主集中器与从集中器通过CAN总线相连，主从集中器在结构和功能上没有本质区别，均带有RS-485总线以构成底层通信系统，只是主集中器比从集中器多了MODEM通信功能。CAN总线上的节点经上电初始化后具有不同的节点地址,并可动态改变地址。主集中器收到上层的命令或数据后，先判断此命令或数据是不是发给自己的，如果是，主集中器将命令或数据下传给其本身的RS-485总线或进行其它相关操作；如果不是，主集中器则把收到的命令或数据通过CAN总线传送给总线上的其它节点——从集中器。从集中器收到CAN总线的命令或数据后，再将其下传到底层的RS-485总线或进行其它相关操作。

7.2.3 底层RS-485总线通信网

底层RS-485总线通信网由两条独立的总线构成：即RS-485_A总线和RS-485_B总线，以适应不同的总线协议要求。RS-485_A总线接口是为适应威胜全电子式多功能三相交流电能表的数据通信协议而建立的通信接口，连接在总线上的威胜电子表具有不同的地址，且地址可动态改变。RS-485_B总线接口实现了采集单元、采集模块、采集终端的互连。采集单元、采集模块和采集终端都有不同的地址，以实现多机通信。RS-485_A总线喝RS-485_B总线构成了两套独立的主从式通信系统，通信的发起者和结束者都是主集中器或从集中器。通信时，集中器把收到的命令或数据（含地址信息）发送到总线上，总线上的485从机进入通信中断后，先进行地址判别，若收到的地址信息与本机地址相同，则进行相关的操作；若不相同，则退出中断。

7.3 系统的工作过程和功能

从图2.1已经知道，系统主要由主站、电话线、集中器、RS-485总线、采集器、带485总线接口的电度表及脉冲电度表等几个部分组成，系统初次上电时，应先进行系统的配置状态检查：主站计算机发送点名命令，查询从集中器（CAN节点）个数、采集模块个数和采集终端个数，并根据集中器安置情况和采集终端安装情况自动生成系统网络拓扑图。然后，系统即可依据主站命令，进入正常的监测、管理状态。

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基于VB的电力远程监测系统具有配电变压器运行参数远程监测、电能质量参数分析、低压用户用电参数远程监测、系统故障自检、测量参数分析、测量参数记录、数据显示与打印、曲线显示与打印、系统保密、病毒防护、报表生成、历史数据查询、知识查询、分时计费、欠费断电等多种功能。

7.4 系统的特点

（1）系统在国内同类产品中首次采用高性能16位单片机作为集中器，具有良好的系统性能。

（2）采集器可根据现场需要，连接1~16户居民的电能表。 （3）每个采集器均设有一路电压实时检测终端。

（4）由于采用有线信道，为实现用户电能表网络化管理以及“一户一表，抄表到户”制度提供了高效、科学的手段，系统的误码率低于10—7。

（5）系统软硬件设计采用模块化、多冗余设计，既可保证设备工作的可靠性，又能使系统易于扩充和软件升级。

（6）多种通信接口可满足市话网、CAN总线、RS-485专用线等多种通信方式实现数据的传输，满足电力管理部门对不同信道的要求。

（7）系统计费、计时精度高，无脉冲丢失产生，对电能计量不会附加任何误差。

（8）抄表速度可达400户/min。

（9）系统设计考虑了后续发展要求，便于与台区变压器远程监测系统、变电站远程监测系统融合，组建电力远程监测综合管理专家系统[2]。 7.5系统软件流程

电力远程监测系统的主机软件采用Visual Basic开发，软件设计遵循模块设计思想，采用结构化程序设计方案，具有较好的模块性、可移植性和修改性。Visual Basic继承了Basic简便易学的优点，同时具有友好的可视化编程界面，编程方便效率高，并且支持一套出色的数据库访问技术，成为目前最流行的数据库应用软件变成工具之一, 有利于在短时期内实现一个完整的功能强大的并且易于操作的应用软件。 7.5.1 系统的主站软件流程

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本系统主站采用的是模块化的设计方法。模块化就是把一个完整的

程序分若干个小块，其中每个小块完成一个子功能，而把这小块集合起来组成一个整体，就可以实现系统的整体功能。电力远程监测系统是一个复杂的大型系统，利用模块化的思想设计系统软件，可以使程序容易设计、阅读和理解，软件结构非常清晰。基于模块化的程序设计方法，本系统工作流程主要有系统工作流程、系统点名流程、抄表命令流程、设置命令流程、广播命令流程。 7.5.2 系统工作流程

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通过MODEM拨某电话，连接表站 初始化各参数；LinkNum=0 开 始 拨号成功否？ N 抄收电量等参数 Y 抄表命令？ N 设置命令？ N Y 点名从集中器/终端数命令？ N 设置表底数等参数 Y 报错：电话无法接通 Y LinkNum=3? N Y Y 发送命令 LinkNum+1 查询从集中器数 /采集终端数 广播冻结命令吗？ N N 报错：命 令出错 抄收冻结时刻总电量命令？ Y 抄收冻结时刻总电量 广播冻结时间 返回主界面 系统主站的工作流程图

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系统初次上电时，应先进行系统的配置状态检查：主站计算机发送点名命令，查询从集中器（CAN节点）个数、以及采集终端个数，然后，系统即可依据主站命令，进入正常的监测、管理状态。系统主站的工作流程如上图所示，其通信信道是主集中器上行信道——公用电话线网络。主站计算机先通过MODEM拨通某用户电话，建立该用户与表站（变压器台区）之间的连接。当连接建立之后，主站即可发送命令，集中器则进行命令的判断，并转入相应的处理工作。主站命令主要可分为点名命令、抄表命令、设置命令（设置时区时段、设置时间参数、设置电表底数等）、广播冻结命令等。

7.5.3 系统点名流程

系统点名命令一般在系统初次上电时才被执行。电力远程监测管理系统的CAN节点个数为1～110个，因此系统主站必须事先知道该系统从集中器的个数及其地址，以便主站计算机统揽全局，统一管理。类似的，采集终端下挂用户电表，系统采集终端的个数也为1～64个，而每个采集终端最多可挂16个用户电表。因此，系统主站必须也事先知道系统采集终端的个数及其地址，才可完成对具体用户电表的抄收和设置等工作。系统主站发送的点名命令格式为：

“

0BBH

”

+CANADD+

“

0AAH

”

+cmnd+Byteh+Bytel+adrh+adrl+chkxor+chksum “0BBH”——主站发送命令的起始码，即命令头。

CANADD——系统中CAN节点的地址。cmnd——抄表命令号。

“ 0AAH”——主、从集中器之间，及从集中器与各表计之间进行通信的命令起始码。

Byteh、Bytel——所要抄收的数据字节数。其中Byteh为字节高8位，Bytel为低8位，所抄收的数据总长度＝(Byteh*256+Bytel)个字节。 adrh、adrl——分别表示抄收对象的表型和表号。chkxor、chksum——异或校验、和校验。

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系统点名流程图如下: 拨号成功否？ 开始 初始化各参数；LinkNum=0 拨号，连接表站 N Y 查询从集中器以及采集终端个数 LinkNum=3？ Y 发送点名命令 LinkNum+1 N

N 点名完成否？ Y 报错，表站无法接通 返回主界面 系统点名流程

7.5.4 抄表命令流程

抄表工作包括主站抄收采集模块（即台变有功表和无功表）、采集单元、采集终端的数据，并将这些数据进行储存、分析、处理、和显示等。

在抄表命令里，其中：

1.主站所要抄收的参数有：总电量、上（本）月电量、上（本）月最

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大需量模式、时间参数、时区时段、瞬时值检测、缺相检测、末端电压异常、停电记录、实时电压、昨天（前天）曲线等。2.主站发送的“抄表命令”格式与3.1.2节中系统点名命令格式相同，只是，cmnd命令号不同，主、从集中器的工作也不同。抄表命令流程图如图7.5.4所示。 7.5.5 设置命令流程

采集终端等对象的参数进行设置的命令。这些参数包括电表底数、时区时段、时间参数、表号、电表密码、欠费断电、对时命令、费率广播、结算命令等.主站发送的设置命令格式为：

“0BBH”+CANADD+“0AAH”+cmnd+Byteh+Bytel+adrh+adrl+设置数据1+设置数据2+?+设置数据n+chkxor+chksum

式中所要设置的参数长度n=（Byteh*256+Bytel）个字节。 设置命令流程图如图7.5.5所示。 7.5.6 广播冻结命令流程

广播冻结命令的流程图如图7.5.6所示。

广播冻结命令包括广播冻结时间命令以及抄收冻结时刻总电量命

令，其中广播冻结命令的主要功能是主站设定冻结时间并将该时间广播给各集中器；而抄收冻结时刻总电量命令则是指主站计算机抄收各集中器冻结时刻的总电量等参数。主站计算机首先通过MODEM发送一组时间信息给各采集单元、模块、终端等对象，这些对象则在该时刻（即冻结时间）抄收各自的电量数据，并将读数储存起来；接着，当主站发送“抄收冻结时刻总电量”命令时，集中器再将这些电量读数传送给主站计算机。

在图7.5.6中:

（1）主站发送的广播冻结时间命令格式为：

“0BBH”+CANADD+“0AAH”+cmnd+Byteh+Bytel+adrh+adrl+年+月+日+时+分+chkxor+chksum

其中，年、月、日、时、分均为一个字节，即Byteh=0、Bytel=5、adrh=adrl=0。

（2）主站发送的抄收冻结时刻总电量命令格式为：

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“0BBH”+CANADD+“0AAH”+cmnd+Byteh+Bytel+adrh+adrl+chkxor +chksum 其中，Byteh=Bytel=0、adrh=adrl=0。

给系统设定冻结功能，主要是为了了解用户电表某个确定时刻的电量读数，以便掌握用户瞬时的用电情况。 LinkNum+1 发送一个抄表命令 拨号成功？ 拨号，连接表站 选择抄收对象及抄收内容 初始化各参数；变量LinkNum=0 开 始

从串口接收数据，存入数组中 N 数据接收完？ LinkNum=3？ 还有其它抄表命令吗？ 处理数据，并将结果存入数据库 报错，电话线无法接通 显示抄收结果 返回主界面 35 图 7.5.4 主站抄表命令流程

Y 是广播冻结时间命令？ 拨号成功否？ 开 始 初始化各参数；变量LinkNum=0 设定冻结时间 拨号，连接表站 N Y 发送广播冻结命令 LinkNum+1 Y 广播冻结时间 LinkNum=3？ N 冻结时间大于当前时间吗？ Y 抄收冻结时刻总电量 报错：表站无法接通 处理、储存所抄收的数据 N N 报错 返回主界面 图7.5.6广播冻结命令流程

7.6 系统运行 7.6.1 登录管理

主站软件启动后，会提示用户输入密码，只有正确的密码才能运行主站软件，连续三次输入错误的密码，主站软件会退出运行。用户分为普通

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用户和系统管理员，分别有不同的操作权限。系统管理员能管理和设定普通用户的操作权限。 7.6.2 主界面

用户登录后，显示主站软件运行的主界面。主界面与视窗操作系统下的应用软件保持风格的一致，使用户能够在较短的时间内学会主站软件的使用。事件触发机制是可视化编程的一大特点，即程序的功能通过点击菜单、按钮等触发方式组织在一起，这就决定了主站软件的结构是把各个功能分类组织在相应的菜单项之下，用户根据需要对系统进行设置，执行相应的操作。在快捷菜单中设置了一些常用菜单选项，方便用户使用[4]。 7.6.3 菜单功能说明

点击菜单项后会出现菜单选项，选择其中的选项，会打开执行相应功能的窗口，各菜单项的说明如下。

1、 抄表系统

抄表系统选择菜单，包括抄表浏览器、基础数椐、抄表设置、重新登陆、修改密码、退出系统等功能。抄表浏览器中的电表资源浏览器选项能实现对系统抄表形为管理，包括手动抄表和自动抄表。抄表浏览器中的远程监测选项能实现对整个系统的总电量、本月电量、上月电量、本月需量、上月需量实时数据进行采集。抄表浏览器中的文件选项能记录整个系统的操作状态；包括停电记录、最大需量记录、停电记录、末端电压异常（最大/最小电压值及发生时间记录）、操作者的个人信息。抄表浏览器中的系统设置选项即管理系统抄收数据信息选项的多少，包括抄表设置、时区设置、电表注册等。抄表设置即管理系统抄收数据信息的多少，如：A、B、C三相电压、A、B、C、N四线电流、三相有功功率、无功功率、有功电量、有功电量、变压器输出电能（有功与无功）、三相功率因数、缺相、变压器油温、停电记录、最大需量记录。时区设置即管理系统在不同的时区时段的计费。电表注册即管理系统的表记的变化信息。在抄表浏览器选项中可以浏览系统的运行状况，对各种参数进行分析，并以图形的方式显示出来。基础数据菜单选项的窗口中显示系统的用户及设备的详细情况，包括设备的生产厂家、出厂日期、变压器的变比、线路的长度等。

用户可以进行浏览，检索，编辑和打印。下图是基础数据窗口。

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在抄表设置选项的窗口中可以灵活设置系统的运行方式，例如抄表方式，抄表对象，抄表内容等，使系统的自动化运行更加灵活。如下图所示。抄表方式可选择自动抄表或手动抄表，抄表时间任意设置。抄表对象可选择全部电表，部分电表或任意一表。抄表内容根据需要可多项选择。

2. 图形设置

图形处理菜单项在功能窗口中编辑和显示系统中设备分布的拓扑图，从而提高抄表的速度。其界面如下图。

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图形选择界面

系统初始化或运行时，将电力系统设备分布根据“新增地名” 或“已有地名”的不同设置不同拓扑图，在以后抄表时，即可实时显示抄表所在的位置。

3. 报表预览打印与统计报表预览打印

这两个菜单项完成各种统计报表的生成和预览打印。报表预览打印与统计报表预览打印与Windows的电子表格相连，使打印出的表格更具通用性。

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结束语

本文是220KV变电站的设计，所做的工作主要包括以下三个方面：其一，对主变压器台数和容量、主接线方案、高压开关设备、二次接线方案及继电保护的确定；其二，对变电站负荷、无功补偿、短路电流进行计算；其三，对远程监控系统的构成、工作过程、通信传输的等方面的设计。

通过本文的研究，得到这样一些结论：电力远程监测技术是基于现代微电子技术、计算机技术和通讯技术的高科技应用。它以自动抄表技术为核心，具有速度快、精度高、实时性好、可直接与电力营业计算机联网等突出优点， 从根本上克服了传统抄表模式的弊端，促进了电能管理的现代化发展。基于CAN总线的电力远程监测系统是一次将CAN总线技术应用于电力远程监测系统的大胆尝试。随着电力市场管理改革的不断深入，对电力远程监测技术的研究必将成为热点与方向，CAN总线在电力远程监测系统中的应用也必将日益完善，为变电站综合自动化的发展开辟了广阔的前景。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ba5.html