Automation Renovation and Design of Secondary System of Conventional Substations
摘 要：結合已建成和改造完的無人值班站經驗，以河北省南部電網典型的常規變電站為例，探討常規變電站的自動化改造與設計。
關鍵詞：變電站；遠動；自動化改造
Abstract：Referring to the experiences of already constructed or renovated unmanned substations, this paper, taking the substations in South Hebei Electric Power Network as examples, discussed the automation renovation and design of conventional substations.
Keywords：substation;remote control;automation renovation
變電站是輸配電系統中的重要環節，是電網的主要監控點。隨著計算機技術在電力系統的應用和發展，越來越多的新建變電站采用綜合自動化設計，該設計在河北省南部電網所有新建變電站中已成為成熟的定型設計。但在電力系統中，仍存在大量服役多年的常規變電站，這些老變電站一般都是電網的樞紐變電站，容量大、出線多、投運久，其一次設備老化、損壞及腐蝕嚴重，維護更新的工作量及費用逐年增加，且效果不明顯。站內二次設備從電磁型繼電器保護、晶體管保護、集成電路保護、弱電選控設備到“四合一”的集控臺都在同時運行。這些設備的老化對變電站的安全、優質、高效運行構成很大威脅，對電網系統的安全、穩定、最優運行也是一大隱患。鑒于每年對這類變電站投入大量人力、物力、財力進行維護整治而效果不理想，因此，對這些舊站合理的、經濟的、先進可行的改造，使其滿足無人值班或少人值班的要求，已成為電力系統工程技術人員面臨的迫切問題。
1改造目的
a. 實現對變電站所有電氣設備的實時監控，提高變電站運行的安全可靠性。
b. 達到無人值班/少人值班的要求，改善工作條件，實現CRT實時監控及運行記錄自動化，提高變電站的自動化水平和運行效率。
c. 滿足電網調度自動化的功能要求和對遠動數據的實時性、可靠性、正確性和準確性的要求。更加及時、全面地掌握電網及變電站的運行情況，實現“四遙”和電壓/無功功率調整自動控制（VQC）功能，增強調度中心監視和控制的能力。
d. 降低電網成本，提高經濟效益。
2改造原則
a. 充分利用原有設備，盡量降低改造成本；合理設計回路，減小改造難度。
b. 增強“四遙”功能，利用RTU組建站內自動化系統以及相應的分布式通信網絡，實現全站自動化。保證遠動信息直采直送，遠動命令直收直控。至中調、地調的遠動信息傳輸采用數據網串行接口通信和遠程計算機網絡接口通信2種方式。
c. 繼電保護裝置、故障錄波器和系統安全自動裝置獨立設置，保護信號采用雙重采集，即微機保護裝置的主保護信號以硬接點方式分別接入中央信號和監控系統，數字輸出通過串行口或由保護管理機接入以太網與監控系統相連。
d. 電能量信息由智能電能表以串行接口方式接入測控裝置，計量關口點的電能量信息采用無源脈沖接點方式接入測控裝置。
e. RTU的電氣模擬量采用交流采樣，系統框架和容量按變電站最終規�？紤]，測控部分按現狀規模配置。
f. 監控系統通過多媒體服務器與變電站工業電視設備進行通信。
3自動化系統模式的選擇
常規變電站自動化改造的關鍵是自動化模式的選擇，必須根據各變電站的實際情況全面、系統考慮。目前國內變電站實現自動化改造主要有以下2種模式。
3.1常規遠動方式
常規遠動方式是指采用調度自動化系統的遠動RTU實現自動化改造。該方式在原有RTU基礎上，采用局域以太網或RS485星形結構，由功能分布式網絡化的RTU構成監控系統，增加相應的測控功能及信號�？刂剖业睦^電保護屏和中央信號系統保持原設計不變，保留原二次系統，僅對原有二次回路進行改動，易于運行和維護。充分利用原有設備，投資小、改造施工簡便、工作量小，但改造后的二次回路設計較復雜。
原則上運行一、二十年的變電站宜采用該方案。
3.2綜合自動化方式
綜合自動化方式是指采用保護、測量、控制一體化的監控系統實現自動化。該方式集變電站二次功能為一體，信息高度共享，結構簡單、功能較多。需進行全面的二次系統改造，取消中央信號系統（信號屏、控制屏），保護屏更換為保護測控屏，遠動系統和計算機監控系統統一考慮，采用分層分布式結構的開放式系統，將信號和控制回路接入計算機監控系統。該方案需更換大量原有保護及二次設備，投資高、改造難度大、施工復雜、工作量大。
采用該方式對舊站進行改造比較困難，但改造后的二次回路設計大為簡化。通常適用于新建站，運行超過30年的變電站可考慮。
4具體方法
4.1遙測部分
需要進入計算機監控系統的測量參數根據有關規定和用戶的實際需要來確定。主要問題是如何保證系統在更換過程中，舊RTU不停運。
原老變電站測量和計量共用1個TA卷，RTU作為全站測量回路的終端，串接在電能表屏后面。
根據DL/T 51372001《電測量及電能計量裝置設計技術規程》，應結合擴建和技改工程更換TA，設置專用計量TA。遙測信號串接在儀表之后，電纜由控制屏至RTU 采集屏；電能表接專用TA，原控制屏至電能表屏、電能表屏至RTU采集屏的回路及電纜接線不變，投運后直接拆除舊RTU即可。
無法更換TA的，遙測信號串接在儀表之后，用1根四芯電纜由控制屏至RTU 采集屏（IA,IC,IA′,IC′），原控制屏至電能表屏、電能表屏至RTU采集屏的回路及電纜接線不變，投運后直接拆除舊RTU即可。
4.2遙信部分
4.2.1事故總信號
a. 事故總信號的采集比較繁瑣，方案也很多，一般方法是改造二次回路，從中央信號回路中采集。放棄當地音響功能，或通過加裝壓板或繼電器人為地在“當地”和“遠方”之間切換，該法存在信號誤發問題，且不滿足“雙軌制”的運行條件，不利于長期運行；同時，每當站內進行事故音響檢查時，調度端均會收到事故信號，造成遙信誤動。
b. 采用多接點靜態型信號繼電器實現事故總信號的多重采集。該繼電器能提供三對及多對接點，一對為有源接點，用以點亮光字牌，保證當地功能；另兩對為無源接點，其中一對供給RTU的保護動作信號，另一對與其它各套保護中的信號繼電器接點并接后送給RTU，產生事故總信號，當站內任一套保護啟動并跳閘時，事故總信號與該套保護動作信號同時送出。該方法使事故總信號在當地與遠方間相互獨立運行，解決了上述問題。
c. 由RTU軟件處理生成，或由調度端主站軟件處理生成。將所有啟動跳閘的保護信號軟件啟動，生成事故總信號。這種方法現場信號回路和接線基本不變，安全可靠、簡便易行、施工工作量小。
4.2.2控制回路斷線信號
控制回路斷線是監視斷路器分合閘回路完好與否的信號，如果原控制回路中裝設了位置繼電器，則將分、合閘位置繼電器備用的常閉接點接送至RTU即可實現。實際上絕大多數老式變電站設計中均未考慮裝設位置繼電器，如果重新加裝位置繼電器，則增大了投資，不僅施工難度大，而且會破壞屏的整體感。
a. 一般采用從光字牌利用光電隔離的方法，將信號轉接入RTU。
b. 采用帶從動接點的紅、綠指示燈，該燈有一常開與一常閉接點，將同一控制回路中的紅、綠指示燈的常閉接點串接送給RTU，即可獲得控制回路斷線信號。施工時只需更換指示燈，接上2根信號線。采用這種方法，同屏控制回路可共用電纜，降低了資金投入和施工難度。
4.2.3斷路器和隔離刀閘位置信號
斷路器和隔離刀閘的位置信號是反映其運行狀態的信號，一般從斷路器和隔離刀閘的備用輔助接點處采集，但電纜施放工作量大。
以上述經驗為基礎，用控制回路中紅、綠指示燈的從動繼電器常開接點來輸出開關位置信號，與控制回路斷線信號共用電纜，進一步減少了成本投入和施工工作量。
4.2.4其它遙信量
其它遙信量包括：主變壓器的溫度越限、輕瓦斯、油位異常、SF6斷路器的壓力異常、壓力閉鎖、彈簧未貯能、機構異常、直流接地、事故信號熔絲熔斷、預報信號熔絲熔斷等。上述諸多信號一次設備只能提供一對有源接點，動作后用以點亮光字牌。
a. 如取消光字牌，則將其改為無源接點或直接提供給RTU。
b. 如保留光字牌，可利用保護動作或設備異常時觸發站內光字牌的直流電源，加裝一級中間繼電器或采用有從動繼電器的光字牌，當裝置動作時，點亮現場光字牌；同時啟動繼電器，利用繼電器的常開接點發遠動信號。
c. 采用光端子，利用光電隔離的方法，從光字牌并接入RTU。當保護動作或設備異常時，在啟動現場光字牌的同時；驅動光電隔離，利用開關管的開關特性與遠動RTU的直流24 V/48 V電源構成回路，發出遠動信號。
d. 保留光字牌和遠動信號同時并存的主要問題是，當做光字牌傳動試驗時，將誤發遠動信號。解決方法是在控制屏上光字牌至RTU 的220 V直流電源回路中加入1個控制開關，當做光字牌傳動試驗時，打開控制開關，切斷至RTU的信號回路。
4.2.5傳統處理方法與光電隔離方法的比較
傳統改造方法因大量使用中間繼電器，產生繼電器接點接觸不良、接點抖動而引起的拒發和誤發遠動信號的現象，大量的繼電器必須集中組屏安裝，增加了投資費用。而采用光電隔離的信號轉換因全部采用集成電路和電子元件，克服了上述問題，可隨意安裝在保護或控制屏上，提高了可靠性，降低了費用，施工簡易、靈活。
4.3遙控部分
a. 將RTU屏上每路遙控輸出端“+”、遙分、遙合、閉鎖重合閘分別接至原控制回路中正電源、就地操作開關KK的分閘接點7和合閘接點8以及重合閘放電接點2、4即可實現。施工時注意：相鄰回路共用電纜，減少施工工作量和RTU屏端的電纜數量； “+”電源應分別使用各自回路的控制電源，嚴禁多回路共用，并通過RTU側壓板閉鎖。
b. 將RTU屏上每路遙控輸出端“+”、遙分、遙合分別與手控開關并聯接至原控制回路中的正電源、操作箱，并增加就地/遠方控制選擇開關。
4.4遙調部分
老站部分變壓器分接頭調整雖能通過主控室控制箱由人工按照母線電壓高低來完成，但不具備自動或由遠方操作的功能，必須更換其控制裝置。改造后，應能實現如下功能：
a. 分接頭位置可視母線電壓高低自動或手動調節，也可由遙控操作調節。
b. 有與RTU連接的通訊口。
c. 有提供給RTU的分接頭位置信號的無源接點和數字接點。
d. 實現主變過載閉鎖調壓功能，調壓電源消失、裝置異常等信號就地發信和遠方傳遞。
4.5電容器的自動投切裝置
a. 對原電磁型保護、控制回路不做改動，充分運用現有設備，不做大的投入，減少施工工作量和投資。
b. 保護動作與自動投切信號分開。
c. 改造后實現當地與遠方雙重功能。
4.6其它需改造或更換的設備
4.6.1直流裝置的更型
老站一般采用硅整流裝置，用電容貯能，其故障的發現和正常的檢查工作必須由人工操作完成，應將之更換為免維護裝置，采用雙充電機和一組免維護蓄電池，該裝置至少應有如下功能：
a. 2臺充電機可并列或獨立運行，相互切換，自動調節充電方式。
b. 各直流分路有自動絕緣檢查功能。
c. 有提供給RTU的絕緣破壞、直流電壓過高、直流電壓過低、電機停充、電池放電等信號的無源接點。
d. 實現對每節電池的電壓、溫度等自動檢測和發信。
4.6.2增設斷路器分合閘線圈防燒毀裝置
當斷路器由KK或遠方操作時，如斷路器分合閘回路的輔助接點調整不當，或輔助接點因長期使用轉動部件間隙過大，在切換過程中易造成拉弧或不能斷開，使分合閘線圈長時間帶電而燒毀，可能造成火災和損壞直流裝置。為防止此類事故的發生，在無人值班改造的同時，應考慮加裝防斷路器分、合閘線圈燒毀裝置。
4.6.3更換繼電器
正常運行時KK的位置一般置于合后，當遠方分閘操作后，因開關的常閉接點閉合，KK不會自動對應至分閘位置，這樣重合閘啟動回路接通，其延時時間繼電器將一直處于動作狀態，特別是處于熱備用的設備(如旁路開關)，線圈將會因長時間帶電而燒壞，因此，必須將其更換為靜態型重合閘繼電器。
5結論
采用分布式RTU實現“四遙”功能的老站改造模式，其特點是基本保留了原二次系統設計，保護回路不動，二次回路改動少，充分利用了原有設備，投資少、改造難度小、施工簡易、方便。改造后的自動化系統經濟、實用、可靠，具有推廣價值。
老站改造的設計、施工，應對現場情況進行全面和深入的調研收資，設計要與現場實際情況相符合，提倡切合實際的優化設計，保證變電站自動化改造的順利實施。
參考文獻
［1］ DL/T 51372001，電測量及電能計量裝置設計技術規程［S］.
