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微機綜合保護系統(tǒng)的發(fā)展與在變配電系統(tǒng)中應用

2017-05-13

  目前我國的電網(wǎng)處于發(fā)展壯大時期,現(xiàn)階段建設的工廠變配電裝置投資規(guī)模大,所服務的裝置生產(chǎn)流程長,從原料到成品往往需要經(jīng)過多個生產(chǎn)工序,所以必須保證生產(chǎn)裝置的連續(xù)運行與穩(wěn)定供電,如果在生產(chǎn)過程中遇到突然停電等事故會使生產(chǎn)環(huán)節(jié)中斷、重要設備損壞,造成重大經(jīng)濟損失。

  傳統(tǒng)的繼電保護裝置存在較多的弊端,已經(jīng)不適用現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展。需要引入自動化微機綜合保護系統(tǒng)對傳統(tǒng)繼電保護升級或在新廠建設階段直接配置自動化微機綜合保護系統(tǒng),本文針對常規(guī)繼電保護系統(tǒng)與自動化微機綜合保護系統(tǒng)的結構,要求,系統(tǒng)之間的優(yōu)缺點進行研究。

  一、常規(guī)繼電保護裝置

  1、傳統(tǒng)繼電保護屏的發(fā)展

  繼電保護的發(fā)展是隨著電力系統(tǒng)和自動化技術的發(fā)展而發(fā)展的。在20世紀50年代及以前,差不多都是用電磁型的機械元件構成。隨后陸續(xù)推廣了整流型元件和由半導體元件組成的裝置。70年代以后,集成電路構成的繼電保護裝置中得到廣泛運用。到80年代,隨著新技術新工藝的采用,繼電保護硬件設備的可靠性,運行維護方便性也在不斷得到提高。

  2、供電系統(tǒng)對繼電保護的要求

  2.1選擇性;保護裝置動作時,僅將故障元件從電力系統(tǒng)中切除,使停電范圍盡量縮小,以保證系統(tǒng)中無故障部分仍能繼續(xù)安全運行

  2.2速動性;短路時快速切除故障,可以縮小故障范圍,減輕短路引起的破壞程度,減小對用戶工作的影響,提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

  2.3靈敏性;靈敏性是指對保護范圍內發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)的反應能力。保護裝置的靈敏性,通常用靈敏系數(shù)來衡量,靈敏系數(shù)越大,則保護的靈敏度就越高,反之就越低。

  2.4可靠性;可靠性是繼電保護在規(guī)定的保護范圍內發(fā)生了屬于它應該動作的故障時,它不應該拒絕動作,而在其它不屬于它應該動作的情況下,則不應該誤動作。

  3、常規(guī)繼電保護缺點:

  常規(guī)繼電保護多數(shù)是采用繼電器組合搭建而成,如:過流繼電器、時間繼電器、中間繼電器、等通過復雜的組合,來實現(xiàn)保護功能,經(jīng)過多年的使用和維護經(jīng)驗總結其缺點如下:

  3.1占地空間大,安裝不方便,變電站安裝需要較大的空間,增加盤柜數(shù)量,建設投資增加。

  3.2采用的繼電器觸點多,降低了保護的靈敏度和可靠性。

  3.3調試、檢修復雜,一般要停電才能進行,如出現(xiàn)事故將很難找到故障點,及時修復,應該生產(chǎn)。

  3.4沒有靈活性,保護定值修改要在繼電器上調節(jié),有時候還要更換繼電器。

  3.5使用壽命太短,由于繼電器線圈的老化與發(fā)熱問題將直接影響保護的可靠動作。

  3.6繼電器保護功能單一,要安裝各種檢測儀表才能觀察與實時觀測功能。

  3.7數(shù)據(jù)不能遠方監(jiān)控,無法實現(xiàn)遠程控制,不具備聯(lián)網(wǎng)功能。

  3.8繼電器自身不具備監(jiān)控與自檢功能,當繼電器線圈短路后,不到現(xiàn)場檢查是很難發(fā)現(xiàn)問題的。

  3.9繼電器保護是直接和電器設備連接的,中間沒有光電隔離措施,在系統(tǒng)收到雷擊等強電壓沖擊時容易產(chǎn)生故障并使故障范圍擴大。

  3.10常規(guī)繼電保護已經(jīng)逐漸淘汰,很多繼電器已經(jīng)停止生產(chǎn),備件采購困難。

  3.11維護復雜,故障出現(xiàn)后沒有故障處理經(jīng)驗的維護人員很難找到故障點。

  3.12運行維護工作量大,設備的運行成本比微機綜合保護系統(tǒng)多出50%以上。

  二、國內目前較為先進的自動化微機綜合保護系統(tǒng)

  目前國內的自動化微機綜合保護系統(tǒng)的設計和生產(chǎn)均采用GB、IEC等標準,二次系統(tǒng)設備的組成也采用了單純的數(shù)字信息處理系統(tǒng)。自動化微機綜合保護系統(tǒng)基于先進的計算機軟硬件、自動控制、傳感器和光纖網(wǎng)絡通信等技術,融合了電子式互感器、繼電保護、測控、通訊、當?shù)乇O(jiān)控和遠程監(jiān)控,遠程指揮等主要功能,能夠最大限度地滿足供電安全、穩(wěn)定和高效運行的要求。

  1、自動化微機綜合保護系統(tǒng)特點

  1.1自動化微機綜合保護系統(tǒng)包含電子式電壓、電流互感器、高度智能終端、專用工控交換機、高低壓繼電保護插件、測控、監(jiān)控等專用設備和人性化的人機界面與工具軟件包。

  1.2用光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)信號電纜進行通訊,簡化接線,適用較長距離的控制要求,提高安全可靠性,避免電磁環(huán)境對信號的干擾,使用以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)間隔聯(lián)鎖閉鎖、母線差動失靈保護、過負荷聯(lián)切等功能,用少量光纖取代大量信號控制電纜,降低施工成本并大大改善電磁兼容環(huán)境。

  1.4軟件系統(tǒng)與人機界面能夠跨多個操作系統(tǒng)平臺使用,開發(fā)后的代碼能適用于多個操作系統(tǒng),或者實現(xiàn)混合平臺應用,并能根據(jù)實際需求靈活選擇軟硬件資源配置。

  1.5并行實時數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫采用冗余技術保證數(shù)據(jù)安全,將監(jiān)控、遠動及保護信息管理系統(tǒng)整合存儲。

  1.6柜間隔獨立、雙重保護獨立,合理劃分網(wǎng)絡和一二次設備,雙重化或主備分開的保護獨立,屏柜界限清晰,屏間信號具備軟硬件隔離點,方便設備的運行維護和檢修。

  2、自動化微機綜合保護系統(tǒng)按站控層、間隔層和過程層劃分。

  2.1站控層:監(jiān)控系統(tǒng)包含監(jiān)控、一體化五防、VQC和保護信息管理等功能。

  2.2間隔層:保護裝置、測控裝置、安全穩(wěn)定裝置等自動裝置。

  2.3過程層:電子式互感器、智能終端應用于開關和變壓器智能化管理控制。

  2.4其它設備包括系統(tǒng)配置器、變電站專用工業(yè)以太網(wǎng)交換機、RS-485接口等。

  3、自動化微機綜合保護系統(tǒng)的各邏輯接口具有的功能:間隔與遠方保護系統(tǒng)之間保護數(shù)據(jù)交換;過程層和間隔層之間PT和CT瞬時數(shù)據(jù)交換;變電站與遠方工程師辦公地點數(shù)據(jù)交換;間隔之間直接數(shù)據(jù)交換,尤其是像聯(lián)鎖、保護這樣需要快速動作的功能;變電站和遠方控制中心之間或者與DCS、ESD等系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)交換等。

  4、通信網(wǎng)絡物理上應該分為兩層,其一為站控間隔層網(wǎng)絡,其二為過程層網(wǎng)絡。

  變配電之間的網(wǎng)絡可采用雙絞線以太網(wǎng)或光纖以太網(wǎng),過程層網(wǎng)絡采用光纖以太網(wǎng),推薦采用簡單可靠的星型拓撲結構或者環(huán)網(wǎng)機構。隔層網(wǎng)絡和傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)一樣,可通過雙網(wǎng)熱備用或雙網(wǎng)雙工方式冗余提高通信可靠性;而過程層網(wǎng)絡則視為繼電保護的一部分,需根據(jù)保護配置原則進行冗余,在雙網(wǎng)運行時應采用雙網(wǎng)雙工無延時切換,以滿足保護跳閘要求。

  三、自動化微機綜合保護系統(tǒng)較傳統(tǒng)繼電保護的優(yōu)點:

  1.自動化微機綜合保護系統(tǒng),系統(tǒng)具備采集、監(jiān)視、控制、自檢查功能、通過一臺設備可以發(fā)現(xiàn):輸電線路的故障,輸電線路的負荷、自身的運行情況(當設備自身某種故障,微機保護通過自檢功能,把故障進行呈現(xiàn))人為介入處理,采用計算機原理進行遠程控制和監(jiān)視。

  2.由于自動化微機綜合保護系統(tǒng)采用各種電力邏輯運算來實現(xiàn)保護功能,所以只需要采集線路上的電流電壓等少量信息,簡化了接線與布線工作。

  3.自動化微機綜合保護系統(tǒng)采用計算機控制功能,保護定值、保護功能、保護手段采用程序邏輯,這樣可以隨時修改保護參數(shù),修改保護功能。

  4.自動化微機綜合保護系統(tǒng)還具備通訊功能,可以通過網(wǎng)絡把用戶所需要的各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,進行集中調度。

  5.自動化微機綜合保護系統(tǒng)的采樣與控制信號采用光電耦合隔離技術,把所有采集上來的電信號轉換為光信號,這樣在有強電流進入控制系統(tǒng)的時候,設備可以建立自身保護機制防止損壞或擴大事故。

  6.自動化微機綜合保護系統(tǒng)采用雙核或者多核心CPU進行數(shù)據(jù)處理,加大了數(shù)據(jù)處理速度保證動作相應時間。

  7.自動化微機綜合保護系統(tǒng)的壽命長,由于設備在正常狀態(tài)處于休眠待機等狀態(tài),只有程序實時運行。

  8.自動化微機綜合保護系統(tǒng)具備時鐘同步功能,對于故障可以記錄,采用故障波形記錄的方式把故障記錄下來,便于對故障的分析判斷。

  9.自動化微機綜合保護系統(tǒng)采用了多層印刷板和表面貼裝技術,因而具有很高的可靠性和抗干擾能力。

  四、自動化綜合保護系統(tǒng)在企業(yè)變配電系統(tǒng)中的應用

  東能化工有限公司10kV總變電站項目,自動化微機綜合保護系統(tǒng)采用了國電南京自動化有限公司NEP998A電動機綜合保護裝置、NEP983數(shù)字式變壓器保護裝置等,構成自動化微機保護監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)采用工業(yè)總線經(jīng)過智能網(wǎng)關、以太網(wǎng)網(wǎng)絡交換機及遠動裝置在后臺監(jiān)控機上實現(xiàn)全站監(jiān)控所電氣設備。

  1、系統(tǒng)硬件結構及配置

  NEP9xx系列數(shù)字式繼電保護裝置主要用于110kv及以下電壓等級的變電站,該系列主要由線路保護,變壓器保護,電容器保護,電抗器保護,備自投、電動機保護綜合測控組成,采用高性能32位CPU將保護、測控、通信功能集成于一體。

  2、NEP9xx系列數(shù)字式繼電保護裝置系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能

  2.1實時數(shù)據(jù)采集及處理功能

  (1)遙測:可選程遙測變電站運行的各種實時數(shù)據(jù),如母線電壓、線路電流、主變溫度、功率、頻率等。

  (2)遙信:開關、刀閘位置、分接頭位置、各種設備狀態(tài)、瓦斯、氣壓信號等。通過間隔層I/O單元進行實時數(shù)據(jù)的采集和處理。根據(jù)CT、PT的采集信號,計算每一個電氣單元的電流、電壓、有功功率、無功功率和功率因數(shù)及電度量等。

  2.2限值監(jiān)視和報警處理功能

  限值、報警級別、告警方式、告警閉鎖和解除,變位告警等。

  2.3事件順序記錄、事故追憶功能和保護信號的動作順序以毫秒級進行記錄。分辨能力2ms。

  2.4控制功能

  在授權許可條件下,通過當?shù)鼗蛘{度端計算機鍵盤或鼠標輸入操作命令,對變電站的控制對象進行操作,包括開關及刀閘的分合、變壓器分接頭調節(jié)、PT并列信號復歸等。

  2.5管理功能

  系統(tǒng)具有管理權限、操作權限分類設置的功能,對于不同性質的工作人員,可授予不同的權限。運行人員或工程師可以修改、檢索、顯示、打印設備工況報告,對各種運行記錄及設備的資料進行檔案管理。

  2.6在線統(tǒng)計計算功能

  具有統(tǒng)計計算和報表統(tǒng)計功能,用戶自定義報表工具。根據(jù)采樣的CT、PT實時數(shù)據(jù),能夠

  計算每一電氣單元的有功、無功功率,各相電流、電壓,功率因數(shù);能夠分時段統(tǒng)計電壓、功率因數(shù)合格率,開關或事故跳閘次數(shù),變壓器的停用時間及次數(shù)等信息。

  2.7畫面顯示和打印功能

  在CRT畫面上顯示主接線圖、直流系統(tǒng)圖、站用電系統(tǒng)圖、監(jiān)控系統(tǒng)運行工況圖、系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖、開關量等狀態(tài)表、各種實時測量值表、歷史事件及某些重要數(shù)據(jù)等。

  2.8自診斷和自恢復功能

  微機監(jiān)控系統(tǒng)能夠在線診斷系統(tǒng)的軟件、硬件運行情況,一旦發(fā)現(xiàn)異常能夠發(fā)出報警信號。在微機監(jiān)控系統(tǒng)診斷到軟件運行時,能自動發(fā)出報警信號,不丟失重要的數(shù)據(jù)。

  2.9維護功能

  工程師可以通過工程師站對該系統(tǒng)進行診斷、管理、維護和擴充等工作,能夠用交互方式在線對數(shù)據(jù)庫中的各個數(shù)據(jù)項進行修改和增刪。可以對各種應用功能運行狀態(tài)進行監(jiān)測,在線生成各種報表和在線編輯顯示畫面,還可以對計算機站控制系統(tǒng)的各個設備進行狀態(tài)檢查。

  五、分析自動化微機綜合保護系統(tǒng)目前存在的問題與解決方法

  1、安全性問題:由于自動化微機綜合保護系統(tǒng)的功能強大,并且可以控制運行設備,與電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行關系密切,在通過網(wǎng)絡異地修改保護定值或其它設置時,客戶機端通過加密的數(shù)字簽名核實調度端傳送數(shù)據(jù)的可信度,并通過校驗碼保證定值的可靠性。當客戶機向保護傳送定值時,系統(tǒng)可以自動檢測修改值的合理性,如對系統(tǒng)運行工況影響較大則先提出警告和提示等。

  2、通訊協(xié)議問題,需要將工廠網(wǎng)絡的所有微機保護、故障錄波器和現(xiàn)場智能采集設備聯(lián)系到一起,如果能夠解決好信息的組織及傳輸通訊規(guī)約問題,將減少系統(tǒng)投資加快通訊速率。

  3、增加視頻監(jiān)控措施。在操作執(zhí)行后,能在一次設備附近裝設視頻和聲控系統(tǒng),通過遠動和通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采樣和傳輸,運行操作人員在控制室就能對設備的運行工況及狀態(tài)變化情況了如指掌,同時也減少了與高壓設備接觸的不安全因素。

  4、微機綜合保護裝置的功能插件板比較容易受靜電等因素損壞。有些電源板插件因為散熱問題損壞,通信監(jiān)控插件的損壞導致通信連接不上,需要配備有經(jīng)驗的維修人員與設備進行維修。

  5、設備的運行維護與技術培訓要及時更新,通過不斷的學習培訓,完成人員的培訓與技術更新進步。

  總結:自動化微機綜合保護系統(tǒng)比傳統(tǒng)的繼電保護屏在個個方面具有明顯優(yōu)勢,雖然初期裝置建設費用較傳統(tǒng)繼電保護裝置高,但是裝置投產(chǎn)后會得到良好的后期使用效果,減少配電系統(tǒng)的故障率,保障化工裝置的連續(xù)生產(chǎn),其收到的間接經(jīng)濟效果將超過裝置建設多出的費用。自動化微機綜合保護系統(tǒng)在使用過程中還可將配電系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)、信號通過通訊線路傳送到生產(chǎn)管理部門及總變電站的微機系統(tǒng),生產(chǎn)管理部門及總變電站的各項指令也可通過數(shù)據(jù)傳輸下達到各級變電所的微機工作站,減少人工參與過程,保證數(shù)據(jù)的真實可靠,方便化工企業(yè)通過內部網(wǎng)絡組建ERP管理系統(tǒng)。


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