企业35kv10kv变电站监控系统设计说明书
摘
变电计算机监控系统采面象设计思想托计算机技术网络通信技术现代控制技术图形显示技术等变电集控制测量现代综合理等功集体综合动化系统
常规监控系统相运行员通控室机接口装置便实现整变电运行数监控记录关信息通远动设备级调度中心传送运行性提高综合效益显著
文针现场实际存问题前变电站监控系统发展趋势变电监控特殊工艺提出分层监控计算机解决方案组态软件组态王文介绍组态软件基特点求
讲述设计监控界面详细步骤制作中注意事项控制系统硬件配置进行选择设计
关键词：组态王 监控系统 变电综合动化
ABSTRACT
Substation's computer supervision system is ecological design of object oriented and relies on computer technique network communication technique modern control technique graphic display technique which gathers control measure and modern comprehensive manage into one comprehensive automation
Compares with the conventional supervisory system operator can make monitoring and noting of the whole substation by humancomputer interface device of main monitoring house and transmit relative information to all levels attempering center running dependability improves greatly and comprehensive benefit is marked
The present paper needle scene actual existence question and the current transformer substation supervisory system development tendency and the transformer substation monitoring special craft proposed the lamination monitoring computer solution in the configuration software design monitoring contact surface manufacture detailed step and the manufacture matters needing attention have also carried on the choice and the design to the control system hardware disposition
Key words Configuration software Supervisory system Transformer substation synthesis automation
目 录
第1章 设计说明 1
11 设计技术背景设计 1
12 设计务 1
13 变电站综合动化系统发展历史 1
第2章 电气接线设计 3
21 电气接线概述 3
22 35KV侧接线设计 3
23 10KV侧接线设计 3
24 接线方案较选择 4
25 接线中设备配置 5
第3章 变压器选择 7
31负荷分析 7
32 变压器台数确定 8
33 变压器相数确定 8
34 变压器容量确定 8
第4章 短路电流计算 10
41 短路电流计算目规定 10
42 短路电流计算结果 10
第5章 电气设备选择 15
51 电气设备选择概述 15
52 高压断路器隔离开关选择 16
53 母线选择 18
54 绝缘子穿墙套选择 22
第6章 继电保护知识简介 24
61 变电站继电保护发展 24
62 继电保护装置基求 24
63 继电保护整定 24
64系统障分析 25
65线路继电保护装置 25
66变继电保护装置 25
67设计继电保护原理概述 26
第 7章 变压器继电保护整定计算 27
71 概述 27
72 瓦斯保护 27
73 差动保护 28
74 电流保护 28
第8章 线路继电保护整定计算 34
81 概述 34
82 线路继电保护原理 35
83 35kv线路保护整定计算 35
84 10kv线路保护整定计算 38
第9章 变电站综合动化简介 40
91 发展变电站综合动化意义 40
92 变电站综合动化发展程 41
第10章 变电站综合动化概述 43
101 变电站综合动化基原理 43
102 变电站综合动化系统结构形式 44
第11章 变电站监控系统总体设计原 46
111 变电站总体布局监控求 46
112 变电站监控系统额定组态软件 47
第12章 变电站综合动化系统设计实现 50
121 监控界面功 50
122 监控功实现 52
参考文献 53
外文翻译译文 54
致谢 75
附录 77
结束语 79
第1章 设计说明
11 设计技术背景设计
变电站35kv方变电站35kv架空进线两回（约20km）属两独立电源10kv馈出现8回安装变两台（2×4000KVA）载调压变电10kv母线8回出线期中800KVA500KVA630KVA二回20000KVA1600KVA回预留800KVA630KVA回10kv系统采单母分段接线方式系统穷考虑
12 设计务
设计求终设计结果实时显示变电站综合动化系统运行参数（包括电压电流功率频率COSφ等参数）运行趋势图障报警显示建立实时历史数库实现SCADA功实现值守变电站综合动化 时求功率数低095性济性满足变电站综合动化求
13 变电站综合动化系统发展历史
变电综合动化系统80年代开始应新课题常规变电二次部分继电保护障录波监控远动装置组成
微处理器应前装置仅功实现原理技术80年代微处理器普遍应长期形成专业相应技术理部门装置开始采微机技术成微机型继电保护装置微机监控微机远动装置微机型装置功硬件配置体相微机系统身外非种模拟量数采集输入输出接口电路装置采集量控制象许显设备重复互连复杂然提出综合动化优化设计全微机化变电二次部分控制测量信号遥信角度考虑求微机控制理集中性越高越数事件信息集中度实时性越高越保护动作特性快速维护角度考虑求微机理独立性物理空间单性越明确越微机出现障时影响面越越
变电综合动化系统特点远动保护监控安全动装置济动装置融体控制集中布置分散控制方案灵活户行设计硬件标准化简化变电站运行操作综合动化系统功分散程实行集中监视控制分散控制适应分散程象集中监视操作理达掌握全局目着动控
制装置控设备性提高变电控制操作渡远方操作动操作
变电综合动化方式特征站监控功SCANDA信号采集远动功数字保护信息结合统整体全微机化新型二次设备取代传统机电式二次设备模块化软件实现机电式设备种功计算机局部网络通信代量信号连接通机设备实现变电综合动化理监视测量控制印记录等功取消传统集中控制屏
目前变电综合动化技术发展迅速已进入面积推广应阶段项新技术发展综合动化系统实现奠定技术基础目前变电站综合动化系统中广泛新技术述方面
1数字信号处理（DSP）技术应
20世纪80年代末90年代初DSP技术应次设备布置分散式测控单元快发展起提供强力功综合优化手段电压功率电测量直接输电线路变压器等设备直接交流采样通DSP出相电流电压数字波形分析计算仅计算出相电流相电压基波谐波效值相功功电压功电量等测量实时数进步计算出功率数入频率零序负序参数等值关输入输出触点起集成变电站综合动化系统中
2数字通信技术光纤技术应
20世纪80年代数字通信设备发展应提高通信系统通信容量时通信技术中光纤通信技术正迅速取代金属电缆轴电缆远距离通信短距离容量信息传输光纤通信具频带宽信道衰减特点外具抗强电磁干扰优点光纤通信实际受电磁干扰浪涌暂态分量端间位差影响非常适变电站强电磁干扰环境保护监控装置佳通信信道
3计算机网络技术现场总线技术发展
20世纪80年代计算机网络技术现场总线技术发展特局域网（LAN）技术迅速发展应成种潮流满足电力系统特殊求该项技术变电站综合动化中广泛应
着计算机技术控制技术通信技术显示技术断提高机结合变电综合动化系统正着功综合化结构微机化操作监视屏幕化运行智化方发展必综合动化系统进入新起点变电综合动化系统发展方终目标限度提高变电动化水利计算机代手工操作终实现变电值班
第2章 电气接线设计
21 电气接线概述
发电厂变电中次设备定求序连接成电路称电气接线成电路电源送电汇集起分户表明种次设备数量作设备间连接方式电力系统连接情况电气接线发电厂变电电气部分体发电厂变电电力系统安全济运行起着重作电气设备选择配电装置配置继电保护控制方式拟定较影响
211 选择电气接线时设计
（1）发电厂变电电力系统中位作
（2）发电厂变电分期终建设规模
（3）负荷重性
（4）系统备容量
（5）系统专业电气接线提供具体资料
212 接线设计基求
（1）性
（2）灵活性
（3）济性
22 35KV侧接线设计
35KV侧双回路系统相连
电力工程电气次设计手册第二章第二节中规定知：35—110KV线路两回时宜采桥形线路变压器组线路分支接线
35KV侧采桥形连接方式
23 10KV侧接线设计
10KV侧出线回路数8回
电力工程电气设计手册第二章第二节中规定知：6—10KV配电装置出线回路数6回时采单母分段连接
10KV采单母分段连接
24 接线方案较选择
知变电站接线两种方案
方案：35KV侧采外桥接线连接方式10KV侧采单母分段连接图21示
图21 35KV电气接线方案
方案二：35KV侧采桥形连接方式10KV侧采单母分段连接图22示
图22 35kv电气接线方案二
两种方案较
方案 35KV侧采单母分段连接方式便变压器正常投切障切10KV采单母分段连线重户段引出两回路段母线发生障分段断路器动障切保证正常母线供电间断方案时兼顾性灵活性济性求
方案二供电更调度更灵活方案相较设备增配电装置布置复杂投资占面增母线障检修时隔离开关作操作电器容易误操作
知设计中采第种接线35KV侧采桥形连接方式10KV侧采单母分段连线
25 接线中设备配置
251接刀闸接器配置
保证电器母线检修安全35KV段母线根长度宜装设1—2组接刀闸接器两接刀闸间距离应量保持适中母线接刀闸宜装设母线电压互感器隔离开关母联隔离开关装回路母线隔离开关基座必时设置独立式母线接器
252电压互感器配置
（1） 电压互感器数量配置接线方式关应满足测量保护期动装置求电压互感器配置应保证运行方式改变时保护 装置失压期点两侧提取电压
（2） 旁路母线否需装设电压互感器应视回出线外侧装设电压互感器情况需确定
（3） 需监视检测线路侧电压时出线侧相应装设电压互感器
（4） 需330KV变压器回路中提取电压时量利变压器电容式套电压抽取装置
（5） 发电机出口般装设两组电压互感器供测量保护动电压调整装置需发电机配双套动电压调整装置采零序电压式匝间保护时增设组电压互感器
253电流互感器配置
（1） 装断路器回路均应装设电流互感器数量应满足测量仪表保护动装置求
（2） 未设断路器列点应装设电流互感器：发电机变压器中性点发电机变压器出口桥形接线跨条等
（3） 直接接系统般三相配置非直接接系统具体求两相三相配置
（4） 台半断路器接线中线路—线路串装设四组电流互感器满足保护测量求条件装设三组电流互感器线路—变压器串变压器套电流互感器利时装设三组电流互感器
254避雷器装置
（1） 配电装置组母线应装设避雷器进出线装设避雷器时外
（2） 旁路母线否需装设避雷器应视旁路母线投入运行时避雷器保护设备电气距离否满足求定
（3） 220KV变压器避雷器电气距离超允许值时应变压器附增设组避雷器
（4） 三绕组变压器低压侧相宜设置台避雷器
（5） 列情况变压器中性点应装设避雷器
① 直接接系统中变压器中性点分级绝缘装隔离开关时
② 直接接系统中变压器中性点全绝缘变电单进线单台变压器运行时
③ 接消弧线圈接系统中雷区单进线变压器中性点
④ 发电厂变电35KV电缆进线段电缆架空线连接处应装设避雷器
⑤ SF6全封闭电器架空线路侧必须装设避雷器
⑥ 110—220KV线路侧般装设避雷器
第3章 变压器选择
31 负荷分析
311 负荷分类定义
（1） 级负荷：中断供电造成身伤亡重设计损坏难挽回带极政治济损失者属级负荷级负荷求两独立电源供电
（2） 二级负荷：中断供电造成设计局部破坏生产流程紊乱较长时间修复量产品报废重产品量减产属二级负荷二级负荷应两回线供电两回线路困难时（边远区）允许回专架空线路供电
（3） 三级负荷：属级二级般电力负荷三级负荷供电特殊求允许较长时间停电单回线路供电
312 负荷计算容目
1) 计算负荷称需负荷负荷计算负荷假想持续性负荷热效应时间实际变动负荷产生热效应相等配电设计中通常采30分钟均负荷作发热条件选择电器导体
2) 尖峰电流指单台台电设备持续1秒左右负荷电流般取启动电流午周期分量作计算电压损失电压波动电压降选择电器保护元件等校验瞬动元件时应考虑启动电流非周期分量
3) 均负荷段时间电设备消耗电该段时间常选负荷班（代表性昼夜电消耗量班）均负荷时计算年均负荷均负荷计算负荷电消耗量
313 负荷计算方法
负荷计算方法需系数法利系数法二项式法等种
需系数法公式简单计算方便适类变配电供配电干线长期运行负载稳点设备生产车间（锅炉引风机水源泵站集中空压站）负荷计算适合电设备台数少台间容量悬殊工作制度时电力负荷计算
二项式法负荷分基部分附加部分者系考虑定数量容量设备影响适机修类电设备计算类车间车间变电设计常采二项式法计算结果般偏
利系数法概率基础根设备利率考虑设备台数台间功率差异影响确定计算负荷均负荷间偏差量（反映系数中1部分）求负荷种计算方法更具客观性普遍性适种类型负荷计算求结果更接实际国利
系数缺乏切实工作数积累计算方法身较述两种方法复杂尚未广泛采
次设计中采需系数法确定
综合计算负荷计算公式：
（31）
求
式中 —时系数出线回数较少时取09～095出线回数较时取085～09
—线损取5
085×{×2+}×（1+5）
737734KVA (32)
32 变压器台数确定
企业电次变电低压侧已构成环网情况变电装设两台变压器宜设计中变电站符合情况选择两台变压器满足负荷求
33 变压器相数确定
（1） 变压器采三相单相考虑变压器制造条件性求运输条件等素
（2） 受运输条件限制时330KV发电厂变电均应采三相变压器社会日新月异天科技已十分进步变压器制造运输等等已成问题规程知变电变应采三相变压器
34 变压器容量确定
装两台变压器变电中中台变压器停运时余变压器容量般应满足60全部综合计算负荷
（n1） （34）
知变电站单台变压器容量：
×60737734×6044264 KVA （35）
应选容量4000KVA变压器综合分析计算选择变压器型号S9400035型参数表31示
外形尺寸：
2890×2305×298
油重器身总重：
205046878850
空载损耗
4600
电源相数：
三相
负载损耗：
28500
阻抗电流：
70
冷形式：
液油浸式
负载电流：
070
容量：
4000KVA
联接组：
Yd11
额定功率：
4000（KVA）
冷方式：
油浸冷式
型号：
S9400035
绕组形式：
双绕组
表31 变压器S9400035参数表
第4章 短路电流计算
41 短路电流计算目规定
411 短路电流计算目
变电电气设计中短路电流计算中重环节选择电气设备时保证正常运行障情况安全工作需进行全面短路电流计算例：计算某时刻短路电流效值校验开关设备开断力确定电抗器电抗值计算短路较长时间短路电流效值校验设备热稳定值计算短路电流击值校验设备动稳定
412 短路电流计算般规定
（1） 电力系统中电源均额定负荷运行
（2） 短路种类：般三相短路计算
（3） 接线方式应发生短路电流正常方式（运行方式）仅切换程中列运行接线方式
（4） 短路电流计算点：正常接线方式时通电气设备短路电流点
42 短路电流计算
取基准容量基准电压公式：计算出基准值表41示：
表41 基准值
37
105
156
550
1369
110
421 计算变压器线路等值电抗
次设计选取变压器S9系列双绕组变压器变压器电抗值计算：
(41)
线路等值电抗计算（35KV进线侧电线长约20km取线路标准电抗参数04）
(42)
422 系统等值网络图
系统等值网络图图41示：
图41 系统等值网络图
423 短路计算点选择短路电流计算
选择等值电抗图中d1d2d3点短路点图(41)示
（1） 点短路时（图42示）
图42 d1点短路等值电抗图
次暂态短路电流标幺值计算：
(43)
次暂态（0s）4s时短路电流相等三相短路电流名值：
(44)
两相短路电流：0866×534462KA (45)
击电流
(46)
短路容量：
(47)
(48)
(2) 点短路时（图43示）：
图43 点短路时系统网络等值简化
次暂态短路电流标幺值计算：
(49)
次暂态（0s）4s时短路电流相等三相短路电流名值：
(410)
两相短路电流0866×269233KA (411)
击电流：
(412)
短路容量：
(413)
(414)
（3）点短路时（图44示）：
图44 点短路时系统网络等值简化
次暂态短路电流标幺值计算：
(415 )
次暂态（0s）4s时短路电流相等三相短路电流名值：
(416)
两相短路电流：0866×471408KA (417)
击电流：
(418)
短路容量：
(419)
第5章 电气设备选择
51 电气设备选择概述
511 选择原
（1） 应满足正常运行检修短路电压情况求考虑远景发展
（2） 应环境条件校核
（3） 应力求技术先进济合理
（4） 整工程建设标准应协调致
（5） 类设备应量减少种类
（6） 选新产品均应具实验数
（7） 设备选择校验
512 电气设备载流导体选择般条件
（1） 正常工作条件选择
① 额定电压：选电气设备电缆高允许工作电压低装设回路高运行电压UN≥UNs
② 额定电流：选电气设备额定电流IN载流导体长期允许电流Iy低装设回路持续工作电流I max 计算回路持续工作电流I max 时应考虑回路种运行方式持续工作电流选者
（2） 短路状态校验
① 热稳定效验：
短路电流通选择电气设备载流导体时热效应应超允许值It2t> Qktktin+ta校验电气设备电缆（3～6KV厂馈线电缆外）热稳定时短路持续时间般采备保护动作时间加断路器全分闸时间
② 动稳定校验：
ies＞ish熔断器保护电气设备载流导体校验热稳定电缆校验动稳定
（3） 短路校验时短路电流计算条件：
短路电流容量应具体工程设计规划容量计算应考虑电力系统远景发展规划计算电路应发生短路电流正常接线方式应仅切换程中列接线方式短路种类般三相短路校验发电机出口两相短路中性点直接接系统耦变压器等回路中单相两相接短路较三相短路更严重时应严重情况校验
52 高压断路器隔离开关选择
521 35KV电压等级断路器隔离开关选择
（1） 出线侧断路器母联断路器选择
流断路器持续工作电流：
额定电压选择：
额定电流选择：
开断电流选择 (点短路电流)
选SW335型断路器技术参数表23示：
表23 型断路器技术参数
断路器型号
额定电压KV
额定电流A
高工作电压KV
额定断流容量KA
极限通电流KA
热稳定电流KA
固分闸时间S
峰值
4S
35
2000
405
66
17
66
006
热稳定效验：
电弧持续时间取004s热稳定时间：
需计入短路电流非周期分量查表非周期分量等效时间T005S
满足热稳定效验
动稳定效验：
满足动稳定效验
选断路器合适
（2） 变压器侧短路器选择
额定电压选择：
额定电流选择：
开断电流选择： (点短路电流)
表知样满足变压器侧断路器选择
动稳定热稳定计算母联相
满足动稳定热稳定求选隔离开关合适
522 10KV电压等级断路器隔离开关选择
（1） 出线侧断路器母联断路器选择
流断路器持续工作电流：
额定电压选择：
额定电流选择：
开断电流选择： (点短路电流)
选型断路器技术参数表25示：
表25 型断路器技术参数
断路器型号
额定电压KV
额定电流A
高工作电压KV
额定断流容量KA
极限通电流KA
热稳定电流KA
固分闸时间S
峰值
1S
10
12500
500
289
71
432
006
热稳定效验：
电弧持续时间取004s热稳定时间：
需计入短路电流非周期分量查表非周期分量等效时间T005S
满足热稳定效验
动稳定效验：
满足动稳定效验
选断路器合适
（2） 变压器侧断路器选择
额定电压选择：
额定电流选择
开断电流选择： (d3点短路电流)
表知样满足变压器侧断路器选择
动稳定热稳定计算母联相
53 母线选择
531 35KV母线选择
（1） 济电流密度选择导体截面
选LGJ70铝绞线
满足长期发热条件求
（2）热稳定效验
插值法：
查表知：
选截面满足热稳定求
（3）振效验
取356L12m
固频率30～160HZ外时β≈1p<1情况考虑振影响取β1
（4） 动稳定效验
相间电动力数值：
相间应力数值：
根
查形状系数
条间电动力：
允许衬垫跨距：
铝双条导体取1003衬垫界跨距：
均12m需装设衬垫
满足动稳定求
选母线符合求
532 10KV母线选择
（1） 济电流密度选择导体截面
查槽形铝导体长期允许载流量表选
槽形铝导体放
（2） 热稳定效验
插值法：
查表知：
选截面满足热稳定求
（3） 振效验
导体阶固频率
固频率30～160HZ外时β≈1p<1情况考虑振影响取β1
（4） 动稳定效验
相间电动力数值：
相间应力数值：
双槽型导体计算相间条间电动力时均取
条间电动力：
允许衬垫跨距：
铝双条导体取1003衬垫界跨距：
均12m需装设衬垫
条间计算应力：
满足动稳定求
选母线符合求
54 绝缘子穿墙套选择
541 35KV母线绝缘子选择
初选 型支柱式绝缘子机械负载跨距12m时
受机械荷载：
满足动稳定性求
选母线符合求
542 10KV母线绝缘子选择
初选 型支柱式绝缘子机械负载跨距12m时
受机械荷载：
满足动稳定性求
选母线符合求
543 10KV母线穿墙套选择
初选型穿墙套机械负载5S时热稳定电流75KA
热稳定效验：
满足热稳定求
跨距12m时
受机械荷载：
满足动稳定性求
选母线符合求
第6章 继电保护设计基础
61 变电站继电保护发展
变电站电力系统重组成部分直接影响整电力系统安全济运行联系发电厂户中间环节起着变换分配电作电气接线发电厂变电环节电气接线拟定直接关系着全厂（）电气设备选择配电装置布置继电保护动装置确定变电站电气部分投资决定性素
继电保护发展现状电力系统飞速发展继电保护断提出新求电子技术计算机技术通信技术飞速发展继电保护技术发展断注入新活力继电保护技术天独厚40余年时间里完成发展4历史阶段着电力系统高速发展计算机技术通信技术进步继电保护技术面着进步发展趋势国外继电保护技术发展趋势：计算机化网络化保护控制测量数通信体化工智化
继电保护未发展继电保护技术未趋势计算机化网络化智化保护控制测量数通信体化发展微机保护技术发展趋势：
① 高速数处理芯片应
② 微机保护网络化
③ 保护控制测量信号数通信体化
④ 继电保护智化
62 继电保护装置基求
继电保护动装置属二次部分电力系统安全稳定运行起着关重作
继电保护装置基求四点：选择性灵敏性速动性性
63 继电保护整定
继电保护整定基务种继电保护出整定值电力系统中全部继电保护说需编出整定方案整定方案通常电力系统电压等级者设备编制继电保护功划分方案分进行例：35kV变电站继电保护分：相间短路电压电流保护单相接零序电流保护短线路联差动保护等
整定计算般包括动作值整定灵敏度校验动作时限整定三部分分：
① 时限电流速断保护整定
② 动作时限整定
③ 带时限电流速断保护整定
64系统障分析
设计3510kV系统双电源35kV桥接线10kV侧单母线分段接线接负荷属二类负荷居
1) 设计中电力系统具非直接接架空线路中性点接电力变压器等设备线路讲障单相接两相接三相接
2) 电力变压器障分外部障部障两类
① 变压器外部障常见高低压套引线障引起变压器出线端相间短路引出线碰接外壳
② 变压器部障相间短路绕组匝间短路绝缘损坏
3) 变压器正常运行负荷外部短路引起电流油温升油位低
65 线路继电保护装置
根线路障类型设置相应继电保护装置：
1) 10kV负荷侧单回出线保护采两段式电流保护电流速断保护电流保护中电流速断保护保护带时限0s跳闸
2) 35kV 线路保护采三段式电流保护电流速断保护带时限电流保护电流保护中电流速断保护保护带时限0s跳闸
66变压器继电保护装置
变压器变电核心设备根障正常运行情况反应种障快速灵敏提高系统安全性出发设置相应保护异常运行保护必辅助保护：
1) 保护：瓦斯保护（防御变压器部障油面降低）联差动保护（防御变压器绕组套引出线相间短路）
2) 备保护：电流保护（反应变压器外部相间障）负荷保护（反应负荷引起电流）
3) 异常运行保护必辅助保护：温度保护（检测变压器油温防止变压器油劣化加速）冷风机启动（变压器相电流70启动冷风机防止变压器油温高）
67设计继电保护原理概述
1) 10kV线路电流速断保护：根短路时通保护装置电流选择动作电流动作电流控制保护装置保护范围时限电流速断延时电流速断采二相二电流继电器完全星形接线方式设计选时限电流速断保护
2) 10kV线路电流保护利短路时电流正常运行时特征鉴线路发生短路障动作选择性电流保护装置动作具适延时保证定时限电流保护反时限电流保护设计电流速断保护装置两组电流互感器采二相二继电器完全星形接线方式选定时限电流保护作电流速断保护备保护切电流速断保护范围外障保护范围线路全部段线路部分
3) 变压器瓦斯保护：利安装变压器油箱油枕间瓦斯继电器判变压器部障变压器部发生障时电弧油绝缘物分解产生气体障轻微时油箱气体缓慢产生气体升聚集继电器里油面降继电器动作接点闭合时作信号称轻瓦斯保护障严重时油箱产生量气体该气体作形成强烈油流击继电器继电器动作接点闭合时作跳闸发信称重瓦斯保护
4) 变压器联差动保护：循环电流原理构成变压器两侧装设电流互感器二次绕组环流原串联差动继电器接回路壁中正常运行外部短路时二次电流臂中环流差动保护正常运行外部短路时动作电流互感器流入继电器电流应相等相位相反流继电器电流零变压器部发生相间短路时电流互感器流入继电器电流等相位相继电器电流流实际变压器励磁涌流接线方式电流互感器误差等素影响继电器中存衡电流变压器差动保护需解决问题方法：
①整定值躲衡电流
②采例制动差动保护
③采二次谐波制动
④采间歇角原理
⑤采速饱变流器
设计采较济BCH2型带速饱变流器继电器提高保护装置励磁涌流力
第7章 变继电保护整定计算继电器选择
71概述
GB50062—92电力装置继电保护动装置设计规范规定：电力变压器列障异常运行方式应装设相应保护装置：
①绕组引出线相间短路中性点直接接侧单相接短路
②绕组匝间短路
③外部相间短路引电流
④中性点直接接电力网中外部接短路引起电流中性点电压
⑤负荷
⑥油面降低
⑦变压器温度升高油箱压力升高冷系统障
高压侧35kV总降压变电变压器说应装设电流保护电流速断保护瓦斯保护负荷时需装设负荷保护设计中根求需装设电流保护电流速断保护负荷保护瓦斯保护
①保护备保护：
35kV供电系统中电气设备线路应装设短路障保护短路障保护应保护备保护必时增设辅助保护
系统中点点装两套保护时中套动作较快套动作较慢动作较快称保护动作较慢称备保护：满足系统稳定设备求快速度选择切保护设备线路障保护称保护保护断路器拒动时切障保护称备保护
备保护应理解次保护样重备保护仅起保护应该动作未动作时备起保护已动作终未达切障部分作外外意义快速动作保护实现选择性造成保护保护线路全长保护线路部分说出现保护死区死区必须利备保护弥补
②备远备：
保护断路器拒动时相设备线路保护实现备称远备保护级电气设备线路套保护实现备保护备保护
③辅助保护：
补充保护备保护性保护备保护退出运行增设简单保护称辅助保护
72瓦斯保护
作：反映变压器部障油面降低反应油箱部障产生气体油箱漏油动作中重瓦斯保护动作跳开变压器电源侧断路器轻瓦斯保护动作信号
轻瓦斯保护动作信号轻瓦斯部分通常产生气体容积整定：容量10MVA变压器整定容积250~300cm2
瓦斯保护动作跳闸重瓦斯部分通常气体继电器油流速度整定（油流速度变压器容量接气体继电器导直径变压器冷方式气体继电器形式关）
轻瓦斯保护动作值气体容积250~300cm2整定设计采280 cm2
重瓦斯保护动作值导油油流速度06~15cm2整定设计采09 cm2
瓦斯继电器选FJ380型
瓦斯保护接线原理图：
图71瓦斯保护接线原理图
73差动保护：（保护）
作：反映变压器绕组引出线相间短路中性点直接接系统中系统侧绕组引出线单相接短路绕组匝间短路容量10000kVA变压器应装设差动保护
变压器差动保护动作电流应满足三条件
1) 应躲变压器差动保护区外出现短路衡电流
2) 应躲变压器励磁涌流
3) 电流互感器二次回路端线变压器处负荷时差动保护应动作
结合设计求实际条件做差动保护整定选继电器型号BCH—2型差动继电器
计算变压器侧次二次电流值（额定容量）选择电流互感器变表计算
35 kV侧二次电流35kV侧基侧
731 计算Ie电流互感器变
S 4000kVA U1e 35kV U2e10 kV
表71 变压器差动保护互感器变选择
名 称
侧数
高压（H）
低压（L）
额定电压
Y（35kV）
Δ（10kV）
变压器侧额定电流
变压器接线方式
Y
Δ
CT接线方式
Δ
Y
选择CT次电流
计算值
23094A
CT计算变
实选CT变nl
25
50
CT二次回路额定电流
衡电流Ibp
衡系数
1
确定基侧
基侧
非基侧
表出35kV侧电流互感器二次回路额定电流10kVA侧35kV基侧
732 确定基侧动作电流：
1) 躲外部障时衡电流
（71）
利实计算式：
（72）
式中：Kk—系数采13
Kfzq—非期分量引起误差采1
Ktx— 型系数CT型号相处情况时取05型号时取1设计取1
ΔU—变压器调压时产生相误差采调压百分数半设计取005
Δfza—继电器整定匝书数计算匝数等产生相误差暂法求出先采中间值005
f I —电流互感器相误差取01
代入数：
（73）
2) 躲变压器空载投入外部障电压恢复时励磁涌流
（74）
式中：Kk—系数采13
Ie—变压器额定电流：
代入数：
（75）
3) 躲电流互改器二次回路短线时负荷电流
（76）
式中： Kk—系数采13
Idz1—正常运行时变压器负荷电流采变压器额定电流
代入数：
（77）
较述动作电流取值计算值
：
733确定基侧差动线圈匝数继电器动作电流
两侧电流互感器分接继电器两组衡线圈接入差动线圈继电器实匝数动作电流更接计算值二次回路额定电流侧作基侧基侧继电器动作电流线圈匝数计算：
基侧（35kV）继电器动作值
（78）
代入数：
（79）
基侧继电器差动线圈匝数
（710）
式中：Awo继电器动作安匝应采实际值设计中采额定值取60安匝
代入数
（711）
选差动线圈组衡线圈匝数较WcdjsI相数值作差动线圈整定匝数WcdZ
：实际整定匝数（匝） （712）
中差动线圈实匝数Wcsυ 4匝 衡线圈I实匝数WIph sυ 1匝
继电器实际动作电流
（713）
734确定非基侧衡线圈工作线圈匝数
衡线圈计算匝数
（715）
取衡线圈实际匝数 （716）
工作线圈计算匝数
（717）
735计算整定匝数计算匝数等产生相误差Δfza
（718）
原定值005取法合适需重新计算
736初步确定短路线圈抽头
根前面差动继电器分析考虑系统变压器容量较励磁涌流较选较匝数CC抽头实际应中应考虑继电器接电流互感器型号性等抽头否合适应变压器空载投入试验确定
737保护装置灵敏度校验
差动保护灵敏度求值
系统运行方式10kV侧出口发生两相短路时保护装置灵敏度低
装置灵敏度
（719）
满足求
74电流保护：（备保护）
741电流继电器整定继电器选择：
1） 保护动作电流躲变压器额定电流整定
（720）
式中：Kk—系数采12
Kh—返回系数采085
代入数
（721） 继电器动作电流
（722电流继电器选择：DL21C10电流整定值7A
2） 灵敏度保护范围末端短路进行校验灵敏系数12
灵敏系数：
（723）
灵敏度满足求
第8章 线路保护整定计算
81 概述
根电力装置继电保护动装置设计规范GB5006292知：
3～63kV 中性点非直接接电力网中线路保护
3～63kV 线路列障异常运行应装设相应保护装置：
1) 相间短路
2) 单相接
3) 负荷
3～10kV 线路装设相间短路保护装置应符合列求：
1) 电流继电器构成保护装置应接两相电流互感器网络线路均应装相两相
2) 备保护应采远备方式
3) 线路短路发电厂厂母线重户母线电压低额定电压60时线 路导线截面允许带时限切短路时应快速切障
4) 电流保护时限 05～07s 时没第三款列情况没配合 求时装设瞬动电流速断保护
3～10kV 线路装设相间短路保护装置应符合列规定：
1) 单侧电源线路装设两段电流保护：第段带时限电流速断保护带时限电流保护采定时限反时限特性继电器单侧电源带电抗器线路 断路器切断电抗器前短路时应装设电流速断保护时应母线保护 保护切电抗器前障保护装置仅线路电源侧装设
2) 双侧电源线路装设带方带方电流速断电流保护1～2km 双侧电源短线路采述保护满足选择性灵敏性速动性求时采带辅 助导线差保护作保护装设带方带方电流保护作备保护列运行行线路宜装设横联差动保护作保护应接两回线电流电流保护作两回线时运行备保护回线断开保护备保护
35～63kV 线路列求装设相间短路保护装置：
1) 单侧电源线路采段两段电流速断电流闭锁电压速断作保护应带时限电流保护作备保护线路发生短路发电厂厂母线电压重户母线电压 低额定电压 60时应快速切障
2) 双侧电源线路装设带方带方电流电压保护采电流电压保护 满足选择性灵敏性速动性求时采距离保护装置双侧电源环形网络中超 3～4km 短线路采电流电压保护满足求时采带辅助导线差保护作保护应带方带方电流电压保护作备保护
3) 列运行行线路装设横联差动保护作保护应接两回线电流阶段式保护距离保护作两回线时运行备保护回线断开保护备保护
82 线路保护原理：
1) 10kV线路电流速断保护：根短路时通保护装置电流选择动作电流动作电流控制保护装置保护范围时限电流速断延时电流速断采二相二电流继电器完全星形接线方式设计选时限电流速断保护
2) 10kV线路电流保护利短路时电流正常运行时特征鉴线路发生短路障动作选择性电流保护装置动作具适延时保证定时限电流保护反时限电流保护设计电流速断保护装置两组电流互感器采二相二继电器完全星形接线方式选定时限电流保护作电流速断保护备保护切电流速断保护范围外障保护范围线路全部段线路部分
3) 35kV线路相间短路电流保护35kV线路继电保护体电流保护采三段式电流速断保护限时电流速断保护电流保护组成电流速断保护（称Ⅰ段）动作时间短速动性动作电流较某情况保护线路全长限时电流速断保护（称Ⅱ段）较短动作时限保护线路全长作相邻线路备保护定时限电流保护（称Ⅲ段）动作电流较前两段保护范围保护线路全长作相邻线路备保护
4) 6～10kV线路电流保护电流速断（Ⅰ段）电流保护（Ⅲ段）构成35kV线路电流保护增加限时电流速断保护称三段式电流保护
83 35kV线路三段式电流保护整定计算
831 第段 时限电流速断保护
1) 应躲d3点短路电流整定
（81）
中： Iact保护装置动作电流做次动作电流
Krel——系数般取125～1 5
2) 继电器动作电流：
（82）
中：Kco——接线系数设计中取1
Ki——电流互感器TA变流
考虑系统发展时适应选DL1150型电流继电器动作电流整定范围125～50A动作电流整定值16A
3) 第段灵敏性通常保护范围衡量根设计数线路首端（d1点）短路时短路电流校验灵敏系数
（83）
中：Ksen——灵敏系数
满足求必须进步延伸电流速短保护范围条线路限时电流速断相配合样动作时限应该选择条线路限时速断时限高动作时限整定：
+210 s （84）
应装设带时限电流速断保护
4) 动作时间0s防止线路型避雷器放电时误动电流速断保护动作时间带006~008秒延时
832 第二段 带时限电流速断保护
1) 保护动作电流：
（85）
2) 计算10kV电缆第二段动作电流
（86）
3) 线路首端（d2点）短路时第二段灵敏系数：
（87）
灵敏系数满足求
4) 继电器动作电流：
（88）
考虑系统发展时适应选DL1120型电流继电器动作电流整定范围5～20A动作电流整定值6A
5) 保护动作时限应配合：
+210 s （89）
833 第三段 电流保护
1) 电流保护动作电流：
（810）
中： Ilmax——负荷电流
——系数取12
——返回系数取085
——考虑电动机起动电流增起动系数取15
（811）
(线路负荷电流取电流互感器额定次侧电流)
（812）
2) 继电器动作电流：
（813）
3) 电流保护应分线路末端（d2点）线路末端（d3点）短路时短路电流校验灵敏系数
作线路备保护时灵敏系数：
（814）
灵敏系数满足求
4) 保护动作时限应配合：
（815）
选DS112型时间继电器时间调整范围025～35s
84 10kV线路保护整定计算
841 电流速断保护整定
1) 躲配变低压侧母线三相短路电流具体做法选择容量配变容量配变选择距出线断路器者动作电流整定：
≥13× （816）
（817）
（818）
式中： ——配变低压侧母线障时线路三相短路电流
Xsmin——10kV母线等值系统运行方式阻抗标值
XL1——织布厂胶木厂印染厂线路正序阻抗标值
中：13系数5498100MVA基准容量计算10kV侧基准电流阻抗标值100MVA基准容量获
继电器动作电流：
（819）
考虑系统发展时适应选DL1150型电流继电器动作电流整定范围125～50A动作电流整定值30A
2)保证系统运行方式开关出口三相短路时灵敏度1
（820）
（821）
（822）
满足灵敏度求
式中 ——系统运行方式开关出口三相短路时电流
Xsmin——10kV母线等值系统运行方式阻抗标值
中：1灵敏度549810kV侧基准电流
3) 动作时间0s防止线路型避雷器放电时误动电流速断保护动作时间带006~008秒延时
842 电流保护整定
1) 电流保护称电流保护III段整定原躲负荷电流动作电流：
（830）
（831）
（832）
式中 Ilmax——负荷电流
中：125系数085返回系数
2) 保护动作时限t2应t1配合电流保护动作时间通常设05s：
（833）
考虑变电10kV出线保护长动作时间15s选DS111型时间继电器时间调整范围01～15 s
第9章 变电站综合动化简介
91 发展变电综合动化系统意义
变电电力生产程重环节作变换电压交换功率汇集分配电变电中电气部分通常分次设备二次设备属次设备电压等级电力设备包括电力变压器母线断路器隔离开关电压互感器电流互感器避雷器等变电站中满足功衡系统稳定限制电压等求装步调相机联电抗器静止补偿装置串联补偿装置等
保证变电电气设备安全济运行装系列辅助电气设备监视测量仪表控制信号器具继电保护装置动装置等述设备称二次设备
常规变电二次系统继电保护监控远动装置录波装置等组成实际应中继电保护远动监控测量录波等功组织相应保护屏控制屏录波屏中央信号屏等次设备屏关设备电流互感器二次侧需分引屏样断路器跳合闸操作回路需连保护控制屏远动屏动装置屏外次设备相应二次设备（屏）间保护远动设备间许连线设备安装点变电电缆错综复杂
常规变电述情况决定常规变电存着少缺点：
1传统二次设备继电保护动远动装置等采取电磁型规模集成电路缺乏检诊断力结构复杂性低
2二次设备赖量电缆通触点模拟信号交换信息信息量灵活性差性低
述两原传统变电占面积电缆电压互感器电流互感器负担重二次设备冗余配置远动功够完善提供调度控制中心信息量少精度差变电动控制调节手段全缺乏协调配合力量难满足电网实时监测控制求
变电作整电网中节点担负着电传输分配监测控制理务电网统指挥协调电网节点（ 变电发电厂）具体实施保障电网安全稳定运行变电综合动化电网动系统重组成部分作变电动系统应该确保实现求：
(1)检测电网障快隔离障部分
(2)采集变电运行实时信息变电运行进行监视计量控制
(3)采集次设备状态数供维护次设备参考
(4)实现备控制紧急控制
(5)确保通信求
求变电综合动化系统运行高效实时变电站设备进行统监测理协调控制时必须电网系统进行实时效信息交换享优化电网操作提高电网安全稳定运行水提高济效益电网动化进步发展留
空间
92变电综合动化系统发展程
变电综合动化系统80年代开始应新课题常规变电二次部分继电保护障录波监控远动装置组成
微处理器应前装置仅功实现原理技术80年代微处理器普遍应长期形成专业相应技术理部门装置开始采微机技术成微机型继电保护装置微机监控微机远动装置微机型装置功硬件配置体相微机系统身外非种模拟量数采集输入输出接口电路装置采集量控制象许显设备重复互连复杂然提出综合动化优化设计全微机化变电二次部分控制测量信号遥信角度考虑求微机控制理集中性越高越数事件信息集中度实时性越高越保护动作特性快速维护角度考虑求微机理独立性物理空间单性越明确越微机出现障时影响面越越
变电综合动化系统特点远动保护监控安全动装置济动装置融体控制集中布置分散控制方案灵活户行设计硬件标准化简化变电站运行操作综合动化系统功分散程实行集中监视控制分散控制适应分散程象集中监视操作理达掌握全局目着动控制装置控设备性提高变电控制操作渡远方操作动操作
变电综合动化方式特征站监控功SCANDA信号采集远动功数字保护信息结合统整体全微机化新型二次设备取代传统机电式二次设备模块化软件实现机电式设备种功计算机局部网络通信代量信号连接通机设备实现变电综合动化理监视测量控制印记录等功取消传统集中控制屏
目前变电综合动化技术发展迅速已进入面积推广应阶段项新技术发展综合动化系统实现奠定技术基础目前变电站综合动化系统中广泛新技术述方面
1数字信号处理（DSP）技术应
20世纪80年代末90年代初DSP技术应次设备布置分散式测控单元快发展起提供强力功综合优化手段电压功率电测量直接输电线路变压器等设备直接交流采样通DSP出相电流电压数字波形分析计算仅计算出相电流相电压基波谐波效值相功功电压功电量等测量实时数进步计算出功率数入频率零序负序参数等值关输入输出触点起集成变电站综合动化系统中
2数字通信技术光纤技术应
20世纪80年代数字通信设备发展应提高通信系统通信容量时通信技术中光纤通信技术正迅速取代金属电缆轴电缆远距离通信短距离容量信息传输光纤通信具频带宽信道衰减特点外具抗强电磁干扰优点光纤通信实际受电磁干扰浪涌暂态分量端间位差影响非常适变电站强电磁干扰环境保护监控装置佳通信信道
3计算机网络技术现场总线技术发展
20世纪80年代计算机网络技术现场总线技术发展特局域网（LAN）技术迅速发展应成种潮流满足电力系统特殊求该项技术变电站综合动化中广泛应
着计算机技术控制技术通信技术显示技术断提高机结合变电综合动化系统正着功综合化结构微机化操作监视屏幕化运行智化方发展必综合动化系统进入新起点变电综合动化系统发展方终目标限度提高变电动化水利计算机代手工操作终实现变电值班
第10章 变电综合动化系统概述
101 变电综合动化基原理
变电综合动化变电二次设备（包括测量仪表控制系统信号系统继电保护动装置远动装置）功组合优化设计利先进计算机技术电子技术通信技术信号处理技术实现全变电站电气设备输配电线路动控制动监视测量保护实现运行调度通信相关综合性动化功变电综合动化系统利台微型计算机规模集成电路组成动化系统代常规控制设备远动设备信号设备测量监视仪表微机保护装置代分列元件组成继电保护屏取消常规控制屏远动屏中央信号系统变电站综合动化动化技术计算机技术通信技术等高科技变电综合应变电综合动化系统采
集较齐全数信息利计算机高速计算力逻辑判断功方便监视控制变电站种设备运行操作变电综合动化系统具功综合化系统结构微机化测量显示数字化操作监视屏幕化运行理智化等特点简言变电综合动化集保护测量控制远运等体通数字通信网络技术实现信息享套微机化二次设备系统
1功综合化
变电综合动化系统技术密集种专业技术相互交叉相互配合系统建立计算机硬件软件技术数通信技术基础发展起综合变电次设备交直流电源外全部二次设备微机监控子系统综合原仪表屏操作屏模拟屏变送器柜远动装置中央信号系统等功微机保护子系统代子电磁式晶体式保护装置微机保护子系统监控系统相结合综合障录波障测距功电压调节中性点非直接接系统等子系统功
2结构分布分层化
综合动化系统分布式系统中微机保护数采集控制智设备等子系统分布式结构设计子系统 CPU时列运行实现变电站动化功样庞CPU群构成完整高度协调机综合（集成）系统样综全系统十甚更CPU时列运行实现变电站动化功外变电站物理位置子系统功分工综合动化系统总体结构分层原组织典型分层原变电站动化系统分两层变电层间隔层分三层变电站层通信层间隔层构成分散（分布）式综合动化系统
3操作监视屏幕化
变电实现综合动化值班值班操作员变电控室调度室面彩色显示器变电站设备输电线路进行全方位监视操作常规庞模拟屏显示器屏幕实时接线画面取代常规断路器安装处控制屏进行跳合闸操作显示器屏幕鼠标操作键盘操作取代常规光字牌报警信号显示器屏幕画面闪烁文字提示语言报警取代通计算机显示器屏幕显示监视全变电站实时运行情况开关设备进行操作控制
4通信系统网络化光缆化
计算机局域网络技术现场总线技术光纤通信技术综合动化系统中普遍应系统具较高抗电磁干扰力够实现高速数传送满足实时性求容易扩展性提高简化常规变电站繁杂种电缆连接方便施工
5运行理智化
智化仅表现常规动化功动报警动报表电压
功动调节电流接选 线事判处理方面表现够线诊断断诊断结果送远方控端区常规二系统重特征简言常规二次系统监测次设备身障必须维护员检查发现综合动化系统仅监测次设备时刻检测否障充分体现智性综合动化系统破传统二次系统专业界限设备划分原改变常规保护装置调度中心通信缺陷
6测量显示数字化
长期变电采指针式仪表作测量仪器准确度低读数方便采微机监控系统彻底改变原测量手段常规指针式仪表全显示器数字显示代直观明原工抄表记录完全印报表代仅减轻值班员劳动提高测量精确度理科学性
正变电综合动化系统具述明显特征发展具强劲生命力变电综合动化成新建变电导技术时变电改造首选产品
102变电综合动化系统结构形式
变电综合动化系统发展程结构形式集中式分层分布式分散集中式完全分散分布式安装物理位置划分集中组屏分层组屏分散次设备间隔安装等形式
1021集中式变电综合动化系统
种结构形式变电规模配置相应容量功微机保护装置监控机数采集系统安装变电控室变压器种进出线路电气设备运行状态电缆传关控制室保护装置监控计算机调度中心计算机进行数通信监控计算机完成显示控制制表印等功集中式综合动化系统缺点
1台计算机功较集中果台计算机出障影响面必须采双机联运行结构提高性
2中式结构软件复杂修改工作量调试难度
3态灵活接线规模变电软硬件必须行设计工作量影响批量生产利推广
4集中式保护长期采常规保护相直观符合运行维护员惯调试维护方便程序设计麻烦
集中式综合动化系统适合型变电新建改造
1022 分层分布结构集中组屏变电综合动系统
着微机技术通信技术发展特20世纪80年代期单片机性价格越越高变电站综合动化系统研究开发工作注入新活力研制者条件微机保护单元数采集单元次回路进行设计谓分布式结构结构采CPU协工作方式功模块间采网络技术串行方式实现数通信CPU系统提高处理行发事件力解决集中式结构独立CPU计算处理瓶颈问题方便系统扩展维护局部障影响模块正常运行
IE61850变电通信网络系统协议变电通信体系分三层：变电站层间隔层设备层：谓分层式结构变电综合动系统中通常继电保护动重合闸障录波障测距等功综合起装置称保护单元测量控制功综合起装置称保护单元两者通称间隔单元设备层指变电变压器断路器隔离开关辅助触点电流互感器电压互感器等次设备图2－2变电综合动化系统分层构示意图
间隔层次设备组织般断路器间隔划分包括测量控制继电保护部分测量控制部分负责单元测量监视断路器操作控制连锁事件序记录等保护部分负责该单元线路变压器电容器保护种录波等间隔层身种单元装置组成独立单元装置直接通总线接变电站层
第11章 变电监控系统总体设计原
111变电总体布置监控求
1111变电站监控系统基求设计原
该35KV变电综合动化系统负责整次系统进行保护监控
变电动化系统应充分考虑系统进行变电监控环境采技术应满足安全性性先进性实性原监控系统应值班员握安全控制事处理动性减少避免误操作误判应微机系统完成次设备监视控制数采集事件序记录屏显印功提高电网运行理水减少变配电损失
变电监控系统基求实时性(系统事件时作出响应力系统求时间完成规定务力)连续运行性维护方便快捷信息采集输出技术先进机交流方便通信信息处理控制算法先进等
该35KV变电监控系统站控层设备包括控单元台监控系统控单元采集中组屏方式安装布置变电控室间隔层测控设备电气单元组屏IO测控部件组成具交流采样测量防误闭锁期检测断路器紧急操作单接线图状态测量数字显示
等功全运行设备信息进行采集转换处理传送间隔层设备包括35kV线路母线变压器10KV馈线保护测控设备间隔层设备完全次设备中回路间隔配置间隔层保护测控单元设备35kV变压器保护设备测控设备独立配置采单独组屏方式控单元台系统起安装控室间隔层低压侧10KV设备采保护测控体化单元直接分散安装开关柜通数通信方式直接接入动化系统中
站控层通信系统设备双太网单太网通信介质光纤网络电缆线完成相互间通信次设计CBZ8000系统间隔层设备控单元间采RS485通信接口连接进行信息数交换实现计算机监控继电保护等功通信媒介非屏蔽双绞线(UTP)通信规约IEC 608705103IEC 608705104传输规约控单元通太网接口台监控系统集控中心远方调度控制中心通信进行信息数交换采TCPIP通信协议光纤组网台监控系统布置控室配置两台操作员工作站列运行互热备信息数均存放工作站数库中通权限设置台工作站采集实时数进行分析运算分类处理进行功组态软件设置网络理时变电全部次设备二次设备进行监视测量记录处理种信息变电电气设备实现远方控制
1112系统体系结构
CBZ8000变电站动化系统基Windows2000操作系统采面象分层分布式设计思想分站控层间隔层（整体分三层变电站层通信层间隔层）保护测控单元通信控制单元监控系统组成
该35KV变电CBZ8000变电监控系统采分散方式分层布置集中分散相结合系统结构系统分三层现场间隔层前置控单元层监控理层(计算机台系统)中前置控单元层理层均属站控层系统三层间相互独立
112 变电监控系统组态软件
1121 组态软件概述
组态伴着计算机软件技术控制领域广泛应发展起软件模块化象化便工程员调获目标工程项目监控控制软件系统种开发环境组态软件
然变电站综合动化系统站控层监控组态软件开发属工控组态范畴谓工控组态图形报表元件数库组成够外部设备相连进行通信交换数统系统驱动软件硬件设备两部分构成结合计算机技术驱动软件般包含直观丰富操作界面方面户根需进行定操作施发指令通讯设备收集整理外部控制象信息组态软件进行数处理报表统计图等直观形式传达户样户达解控制象情况目方面户解情况通组态软件控制外部设备运行
组态概念伴着集散型控制系统(Distributed ControlSystem DCS)出现开始广生产程动化技术员熟知套DCS较通控制系统应领域户需编代码情况便生成适合需求应系统DCS厂商DCS中预装系统软件应软件中应软件实际组态软件直没出明确定义种应软件生成日标应系统程称组态
组态概念早英文Configuration含义软件工具计算机软件种资进行配置达算机软件预选设置动执行特定务满足者求组态软件面监控数采集 (supervisory control and data acquisition SCADA)软件台工具具丰富设置项目灵活功强组态软件早出现时HMI (HumanMachine Interface)MMI (Man Machine Interface)涵具解决机图形界面问题着快速发展实时数库实时控制SCADA通信联网开放数接口设备广泛支持已成容
组态软件组成包括图形界系统实时数库系统第三方程序
接口组件控制功组件组态软件特点
(1)时务组态软件突出特点实时务例数
采集输出数处理算法实现图形显示机话实时数存储检索理实时通信等务台计算机时运行
(2)高性高性工业动化软件项重性指标组态
软件利冗余技术构成双机机备系统获高性技术指标
(3)延续性扩充性通组态软件开发应程序现场(包
括硬件设备系统结构)户需求发生改变时需作修改方便完成软件更新升级
(4)封装性(易学易)通组态软件完成功种方便
户方法包装起户需掌握太编程语言技术(甚需
编程技术)完成复杂工程求功
(5)通性户根工程实际情况利通组态软件提供底层设备(PLC智仪表智模块板卡变频器等)I0驱动开放式数库画面制作工具完成具动画效果实时数处理历史数曲线存具媒体功网络功工程某领域受限制
早先组态软件(Onspec Paragon 500早期FIX)运行DOS环境图形界面功强着90年代中期微软windows视窗系统推广具丰富机界组态软件迅速发展领导着工控软件流应较广组态软牛Wonderware公司Intouch IntellutioniFix西门子WinCC等国组态软件起步算晚年较发展具代表性产品亚控组态王庆三维科技股份限公司ForceControl太力信息产业限公司FpSynall等
着计算机硬件迅速发展组态软件发展量新技术应中组态软件技术门趋成熟功日趋完善前硬件技术软件技术完全组态应电力综合动化领域解决电力系统软件特殊需求
1122监控组态软件选择
设计中选美国Wonderware公司开发InTouch组态监控软件该软件机界面生成程序该软件特点开发者写长程序仅需作图建立动态连接然运行包括许应程序中两关键序WindowMakerWindowViewer前者开发户应系统者运行户系统
1 InTouch美国Wonderware公司开发世界第集成基组件MM I系统－FactorvSuite 2000中核心组件控软件相特点
( 1)先进性易性InTouch软件率先引入Micmsolv} inflow操作系统种绘图具强动画功丰富图形元件库快速建立部署实时生产程图形显示方案组态灵话方便减少开发时间费提高作效率
( 2)匹敌连接力InTouch支持新设备(A BB西门子Mod icon 0pto22等)通信协议包括WondderwareSuiteLink协议OPC ( OLE Ior Process Contml)标准动态数交换(Dvn)un is Data Exchange DDE) FastDDENetDDE允许安装第三方ActiveX控件井通配置应程序中组网方便简单
( 3)稳定性性InTouch软件技术员次测试性超群Wonderware公司已世界范围安装20万InTouchHMI足证明点
2 功介绍：
(1)作图功齐全
WindowMaker提供作图工具箱20余种作图工具10余种编辑工具Wizard图形库
(2)动态图画功
利WindowMaker画面制作画面中实物进行动态连接谓动态连接画面实物(Object )实际设备数建立联系设备状态发生改变时画面实物作相应变化示意性变化整画面生动逼真
(3)报警功
InTouch种报警优先级种报警手段配合种报警算法工程实际提供极便利
(4)部控制逻辑
InTouch允许户编制简短部控制逻辑程序InTouch 5 06种控制逻辑系统逻辑窗口逻辑键逻辑条件逻辑数改变逻辑软键逻辑逻辑InTouch功更加强编程员运
(5)历史数记录
InTouch标记名词典里允许户标记名设置成记录数利种功户方便关数记录备进行统计分析存档
(6)动态数交换功(DDE )
动态数交换InTouch运作基础InTouchDDE建立WindowsDDE基础单独开发快速DDE软件该软件WindowsDDE快3^4倍
(7) 网络功
InTouch支持目前常局域网络包括太网lOBASET令牌环等结构适WinSockNetBIOS DECnet FTP TCPIP NetManage TCPIP等网络接口
第12章 变电综合动化系统设计实现
站控层监控系统设计保护性基础采Wonderware公司Intouch组态软件实现变电综合动化系统站控层监控监视功通信层采星型太网分层分布式系统结构直接通太网间隔层测量保护设备进行通信
121 监控界面功
站控层中监控界面做位机系统位机送数信息进行实时处理变电运行进行安全监视控制功
1机联系功
(1)屏幕显示
变电综合动化系统进行机联系重手段通屏幕值班员时全面解供电系统变电运行情况容包括系统接线系统实时运行参数包括开关运行状态电压电流等种报表负荷曲线电压负荷曲线等显示求断刷新报警画面提示信息事件序记录事记录保护定值控制系统配置显示退出运行设备装置显示值班记录系统发生障时显示障关信息障处理关规程程序操作指令等帮助值班员妥善迅速处理事
(2)通键盘输入数
运行操作员代码密码运行操作员密码更改保护类型选择定值更改报警界线保护装置投入退出手动动设置设备运行检修设置信号复等
2记录查印功
运行日志定时印根系统运行需确定时间进行印间隔30分钟印次系统运行参数天定时印负荷报表负荷曲线等召唤印根值班员需指令时印指定容事障越限操作均机印召唤印种报表查印
3遥控功防误闭锁功
(1)断路器遥控操作
(2)电动隔离开关遥控操作
(3)控制闭锁设定保护投入退出设备运行检修设置信号复等高压断路器隔离开关通综合动化系统CRT屏幕进行操作电容器投切变压器分接头进行调节控制防止计算机系统障时法操作控设备设计预留工跳闸手段系统操作项常务操作规程求严格手续复杂劳动强度电力系统运行理程中断总结实际运行验采取许行效措施(操作票制度操作预演机械程序闭锁装置电磁闭锁装置等)电气误操作事始终未根消定程度危电力系统安全运行操作员生命安全着计算机发展微型计算机成电力系统防止电气误操作新手段变电站综合动化系统动识条件实现闭锁连续序等协调操作减少误操作综合动化系统操作闭锁容
(1)操作出口具跳合闭锁功
(2)操作出口具发性操作闭锁功
(3)根实时信息实现断路器隔离开关操作闭锁功
(4)适应次设备现场维修操作电脑五防操作闭锁系统防止带负荷拉合隔离开关防止误入带电间隔防止误分合断路器防止带电挂接线防止带线合隔离开关
(5)CRT屏幕操作闭锁功输入正确操作口令监护口令权进行操作控制
4报警功
报警种类
(1)事报警
(2)障报警
(3)越限报警运行中发生异常情况负荷电压低电压等时发出声光报普显示印越限参数时间
(4)系统部障报警
报警方式
(1)语音报警
(2)屏幕显示报警
(3)印报警
5报表理功
日报月报年报查印功
6通信功
位机位机实时通信实现数采集功模拟量状态量脉量
模拟量进线电压电流功率值段母线电压电流馈电回路电流功率值状态量高压断路器隔离开关位置状态变电次设备运行报警信号功补偿电容器投切状态等脉量脉信号表示电度量预留远方调度中心通信接口
122监控系统功实现
1监控系统界面
机界面监控程序模块组成8子程序组成程序模块功
(1) 页子界面首次登录监控系统显示监控系统界面链接钮实现超链接
(2) 次接线图子界面监控系统监控界面屏幕显示变电接线断路器分合闸信号线路设备电流功率等段母线电压等实时参数
(3)实时报警系统子界面动记录屏幕列表显示线路设备报警情况
(4)通讯状态监视子界面监视301母联1#变通讯状态显示电流电压功功显示历史曲线
(5)事件记录查寻子界面动记录屏幕列表显示台设备切断障电流次数便安排检修检修清零
(6)中央信号屏子界面显示继电保护关种保护报警复
(7)实时曲线子界面屏幕列表显示种设备关电流电压功功等参数曲线图
(8)通讯网络图子界面显示变电整体网络体系结构实时通讯状态
(9)实时模拟屏子界面：数字模拟屏形式显示设备电流电压功功少
2项数报表窗口
实时报警系统子界面事件记录查寻子界面 根采样TV TA实时数时实采集电气单元功功电流电压功率数电量动记录屏幕列表显示台设备切断障电流次数便安排检修历史查寻检修清零
参考文献
[1]朱松林变电站计算机监控系统：中国电力出版社2010
[2]丁书文变电站综合动化原理应第三版：中国电力出版社2011
[3]许珉杨宛辉孙丰奇发电厂电气系统[M]北京：机械工业出版社2011
[4]源部西北电力设计院电力工程电气设计手册[M]电气次部分北京：水利电力出版社2010
[5]周文俊电气设备实手册(册)[M]北京中国水利水电出版社2011
[6]陈珩电力系统稳态分析[M]第三版北京中国电力出版社2011
[7]李光琦电力系统暂态分析[M]第三版北京：中国电力出版社2011
专业相关文献翻译
翻译部分
英文原文
IED Modelling for IEC61850 Based Substation Automation System PerformanceSimulation
TS Sidhu Fellow IEEE and Yujie Yin Student Member IEEE
Abstract –This paper introduces the modeling of Intelligent Electronic Device (IED) on OPNET modeler a communication network modeling and simulation tool developed by OPNET TECHNOLOGIES These configurable IED models allow to easily build Substation Automation System (SAS) network model with different topologies for all kinds of substations so that the dynamic performance issues could be studied during the planning stage and network performance problem could be caught ahead of the deployment stage An example of using those models to construct SAS network on OPNET Modeller as well as the network performance simulation results is also included in this
paper
Index TermsGeneric models IEC 61850 OPNET Moeller Intelligent Electronic Device (IED) Substation Automation System (SAS)
I INTRODUCTION
SUBSTATION Automation System (SAS) established using multifunctional Intelligent Electronic Devices (IEDs) and advanced network communication technologies could provide us with the effective substation monitoring local & remote control protection primary equipment condition monitoring and many other functions that couldn’t be realized with conventional protection and control devices
The key objectives for designing substation automation architecture are interoperability between IEDs satisfaction of communication performance and extensibility of the architecture IEC 61850 the global communication standard for Substation Automation System defines the communication between IEDs and not only solves the interoperation problem but also specifies other system requirements like message performance information security in SAS network
According to the IEC 618505 the message transmission time requirements for SAS network must be ensured under any operating conditions and contingencies inside the substation Dynamic performance of the SAS network must bestudied during the planning stage in order to catch network performance problem ahead of the deployment stage In IEC 618505 clause 13 specifies the message performance requirements for all type of substation automation systems and clause 15 states two approaches that could be used to study the SAS network performance—PICOM model and simulation of LAN performance
The calculation method and sample calculation for PICOM model is introduced in IEC 618505 I1 Since this method doesn’t consider the overhead message structure and the background dataflow it is only used for determining the total data rates of the network For the dynamic performance of a physical SAS network LAN simulation tools must be used In IEC 618505 I2 a SAS network’ s dynamic performance is studied using COMNET III simulation program without stating how the IEDs are modeled Because it is based on the number of messages that flows at the specific scenario the user needs to determine the number of messages flowing on the network for a given testing point Therefore the simulation result is compromised by the accuracy of the message estimation Skeie et al [5] have proved that Ethernet has the sufficient performance characteristics to meet the real time demand of SA system Kern et al [6] have done the feasibility investigations and shown that IEC61850 communication approach satisfies the real time requirements for substation control and protection The research presented here however differs from the above researches in the following aspects
The purpose of this research is to create IEC 61850 based IED models and setup a platform for substation communication network performance study which could be used by engineers to answer the questions such as if a 220kV substation SAS network with 16 bays expanded to 20 bays five years later can still satisfy the performance requirements or not
In [5] UDPIP is used for time critical messages which is not the case for the IEC 61850 standard However the proposed OPNET models in this paper are constructed based on the IEC 61850 standard
which means the data (GOOSE message raw data and clientserver message) will pass the communication stack specified in IEC 61850
The proposed OPNET models aim to simulate the various SAS network under different scenarios allowing the user to set the raw sample rate fault time number of faults background traffic and other
configuration parameters
Substation Automation System consists of multiple components Each component serves multiple functionalities In order to simulate the dynamic performance of SAS network OPNET IED models are constructed to represent the specific characteristics of SAS network The study of SAS network on OPNET is separated into two levels—process level and station level The message types that flows on the network are based on IEC 61850 standard Background traffic such as file transfer can also be created by adding extra work stations
II IED MODELS IN SAS NETWORK
Figure 1 shows a typical power system transformer bay unit for protection and control in SAS The secondary devices consist of Breaker IEDs Merging Unit (MU) IEDs and combined Protection & Control IEDs The MU IED first processes and combines the signals from field CT and PT Then it transmits the digital voltage and current output to the process bus (a high speed field Ethernet bus) The Breaker IED which not only controls the breaker’s openclose but also monitors the state and condition of circuit breaker receives the tripclose command from the protection IEDs or HMI and sends state change event to HMI and corresponding protection IEDs through the process bus The combined protection & control IED a universal device integrates all substation protection & control functionalities OPNET models for those IEDs are simplified for the performance simulation pu
rposes Priority tagging is not supported however in future work the IED modeling will be improved to support priority tagging The procedures to construct the
Fig 1 69kV substation single line diagram
A OPNET Model of Merging Unit IED
The Merging Unit IED is to merge three phase current and voltage and then transmit the raw data sampled values to the LAN network as described in the IEC 618505 For SAS network performance simulation purpose it in fact serves as a traffic generator The raw data sample rate could be configured according to IEC 61850 based on the substation performance type (Table 1)
TABLE 1
RAW DATA FOR PROTECTION AND CONTROL
The current and voltage raw data will be put into an Ethernet packet and then sent to the corresponding protection devices through multicast messages The user can configure the sample rate start time stop time packet size address multicast group address and transmission type (P2P multicast broadcast)
OPNET modeler constructs the models using objectoriented modeling approach Network devices like IEDs switches and workstations are called node models in OPNET modeler Node model consists of Modules connected by packet streams or static wires Each module is assigned to a process module to achieve the required behaviors Figure 2 shows the node model diagram for MU IED The model in Figure 2(a) is for bus topology and the one in Figure 2(b) is for star topology The small squares in the model represent the process models OPNET modeler has the node model editor and process model editor that facilitate the model design
Fig 2 MU IED OPNET models
The raw data source module allows the user to define the packet format packet size and packet rate the user wants to generate
The sink module will first calculate the packet transferring time collect other statistical data for all the packets that come from the network and then destroy them so that memory space could be freed
The eth_mac_intf defer and mac modules implement the Ethernet protocols and algorithms This is the place where OPNET processes the incoming and outgoing packets
The hub_rv0 and hub_tx0 are OPNET symbol for point to point receiver and transmitter And the bus_rv0 and bus_tx0 are bus receiver and bus transmitter They are used for nodes to be connected to the switch or bus
OPNET’s process model uses finite state machine (FSM) approach to support the implementation of protocols resources applications algorithms and queuing policies States and transitions graphically define the progression of a process in response to events Each state of a process model contains embedded CC++ code supported by an extensive library of functions designed for network programming Figure 3 shows the process model for the raw data source in MU IED model
Fig 3 Raw data generation process model
B OPNET Model of Circuit Breaker IED and Protection IED
The functionalities of Circuit Breaker IED are to receive the trip message calculate the end to end delay [ETE delay] and send a multicast GOOSEGSSE event to other protection IEDs Similarly as the MU IED user can configure the event packet size address and transmission type (P2P multicast broadcast)
The Protection IED could be configured as Normal or Fault mode If it is in Normal mode it generates constant rate packet and send it to the station PC If it is in Fault mode it will send trip message at a specified time The trip message will be multicast to the corresponding breaker IEDs For it to work properly the user also needs to configure its address multicast group address destination address and other
parameters according to the simulation requirements
The Node Models (Figure 4(a)) for breaker IED and protection IED (Figure 4(b)) in NormalFault mode are similar with MU IED Besides sending out fast and medium speed message such as trip process state rms value they also receives the message from the network Therefore the behaviors of those IEDs are different with MU IED the process modules with embedded CC++ code which are used to define those behaviors are different
Fig 4 Breaker IED and protection IED for star topology
Since the aim is to observe the transferring time delay or ETE delay for the trip message raw data samples and other time critical messages in SAS network OPNET will collect the statistics and draw an ETE delay diagram which could be used to create a simulation report Figure 5 is a raw data sample ETE delay diagram obtained from one of the protection IED From this diagram it can be clearly observed that maximum message delay is around 0048s which happened at around 2 seconds
Fig 5 Sample ETE delay diagram generated by OPNET
C Station PC Switches and Network Link
The SAS network based on OPNET Modeler uses the standard Ethernet workstation model switch and links The details of those models could be obtained either from OPNET modeler or its user manual [3]
III TRAFFIC FLOW ON SAS NETWORK
According to IEC 61850 messages are classified into 7 categories Table 2 summarizes those messages and transfer time requirement range The messages with critical transferring time requirement such as type 1 type 2 type 4 and type 7 are the focus of research reported in this paper
TABLE 2
MESSAGE TYPE AND PERFORMANCE REQUIREMENT IN SAS NETWORK [1]
The amount of traffic on the LAN network and the network throughput could be two factors that affect the network performance Therefore upon completion of the SAS network modeling on OPNET correct analysis of network flow at a given scenario is critical to the performance simulation
The amount of traffic could be decided by investigating the SAS network at a given scenario and asking the following questions what are the sample rates or polling rates What is the packet size How many messages need to be sent out for a fault Are there any other messages that could flow at this testing point Once this is done the IED models could be easily setup to generate those messages and determine their
transfer times
IV SAMPLE SUBSTATION AUTOMATION SYSTEM CONSTRUCTED ON OPNET MODELER
The selected substation is a standard 69kV distribution station There are two 69 kV lines connected through an isolator bridge and six 138 kV lines connected into a sectionalized straight bus There are two 69138 kV transformers The station’s single line diagram is shown in Figure 6 The IED configuration for each bay unit in the substation is given in Table 3 The simulation networks are configured as follows
For 138kV line the raw data GOOSE messages are transmitted among the MU IED protection IED and breaker IED using P2P
For Transformer bay and 69kV line bay MU IED multicasts raw data message to 2 protection IEDs The transformer bay protection IEDs also multicast trip messages to two breaker IEDs
Protection IEDs and breaker IEDs are configured to send polling messages such as metered values
breaker status to station PC
Fig 6 69kV substation single line diagram
For the bus topology (see Figure 7) 15 protection and control IEDs 11 MU IEDs 13 Breaker IEDs are connected with the process bus (divided into two segments) IEDs related with the two 69 kV lines and two transformer bays share one process bus segment The six 138kV feeders and 138kV bussection share another process bus This arrangement can minimize the data to b
e transferred between the segments The station bus will connect 15 protection IEDs and a Station PC CSMACD (Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detection) is implemented in each IED connected to the communication bus With this technique each IED listens to the bus and sends message when it has detected that the bus is idle If a collision occurs with another IED the transmission will be stopped and after a random time period of time the IED will retry Collisions are a normal part of CSMACD networks It will slow down the system
significantly when excessive collisions happen And this could also be observed in the following simulation results
Fig 7 SAS network with process bus and station bus
For the star topology (Figure 8) three switches are used The IEDs connected to Process Bus 1 in bus topology (Figure 7) are now connected to switch 1 Other IEDs are connected to switch 2 Switch 3 connects station switch 1 switch 2 and station PC
Fig 8 SAS network with star topology
Other topologies such as ring topology could also be constructed using the proposed OPNET IED models
V SIMULATION RESULTS
Simulations are performed for the LAN speed of 10MBitssec 100MBitssec for both bus topology and star
topology under the following scenario It is worth noticing that this scenario may not be the worst case scenario for the given substation The worst case scenario however could be decided during the planning or design stage based on the substation operating environment protection and control scheme and other factors that could affect the substation and communication network
There is no bay controller in the SAS network The protection IED actually means the protection & control IED
It is assumed that the fault causes two protection IEDs to send trip messages to corresponding breaker IEDs The message size is 256 bits Each trip message is sent four times to ensure correct delivery of message
Other protection IEDs and Breaker IEDs are sending polling response message to station PC at a rate of 50 ms so that station PC could acquire all the data from those IEDs in 2 seconds These messages are type 2 messages related with process values such as rms voltage & current and breaker status The message size is 256 bits Each polling message is sent once to the network
First the networks shown in Figure 7 and Figure 8 were simulated Then the situation of using one process bus and one switch for all 39 IEDs was simulated This was done to observe the effect on performance with the increasing of IEDs for the bus and star network
The trip message ETE delay and raw data message ETE delay under this scenario for both the Bus and Star topology for the sample SAS network were determined Tables 4 and 5 show the results for bus topology and Tables 6 and 7 show the results for star topology
TABLE 4
MESSAGE DELAYS ON BUS NETWORK (TWO PROCESS BUSES)
*Those network configuration should be avoided as some message ETE delays violate the IEC 61850 standard
**The time is not shown as the messages jammed and the ETE delay went crazy
From the results it can be observed that the bus topology is viable for small and low sample rate SAS network in P1 or P2 class as defined in IEC 618505 [1] Sampling rate will affect the performance when the network LAN speed is low for bus topology With the number of IEDs increasing the network performance will also decrease sharply for 10MB bus Therefore if process bus is to be used especially for
10MB bus to satisfy the performance requirement an analysis of the network and proper segmentation of the process bus is needed
Star topology offers a better performance than bus topology The sampling rate of raw data doesn’t have obvious affect to the ETE delays The network performance is only slightly affected by increasing of IEDs
VI CONCLUSIONS
The use of IED models based on OPNET modeler to build the SAS network and simulate network performance has been shown to be an effective tool for solving critical performance problems in SAS network Through the simulation the protection & communication engineers could observe the message delay inside the network so that network performance specified in IEC 61850 could be achieved by
selecting proper topology and network configurations
1 forouzanBTcplzp Protocpl SuiteNew York
NYMcGrawHill2006
2Gj1977A Reduced state Variant of Maximum Likelhood Sequencde Detection Attaining Optimum Performance for High Signal –toNoise Ratios IEEE Trans
3R1968Maximal Recursive Sequences With 3VALNED Recursive Cross Correlation Functions IEE Trans Inform Theory Vol It14
中文译文
IED造型基IEC61850变电站动化系统性模拟ts sidhu研究员IEEE玉阶尹学生会员ieee
摘文介绍建模关OPNET模拟器智电子装置(IED) 通信网络仿真建模开发工具OPNET技术 IED结构模型够轻易建立变电动化系统(SAS)网络模型拓扑类变电等动力性问题研究规划阶段网络性问题处提前规划阶段 例OPNET模拟器建立SAS网络模型网络性仿真结果文章中介绍
索引目录通模型IEC61850opnet默勒智电子装置(ied)变电站动化系统(SAS)测试
导言
变电动化系统(SAS)系统建立利功智电子装置(研究)先进网络通信技术 提供效变电站监控远程控制保护设备设备状态监测许传统保护控制装置法实现功
设计变电站动化目标IED通信形式适性结构扩展性满意通信性 延展性架构 IEC61850全球通信标准变电站动化系统 定义IEDSAS网络中仅解决互通问题规定系统求信息安全通信
根IEC618505 SAS信息传输时间求必须操作条件突发变电站确定 SAS网络电动机特性必须规划阶段捕捉网络性问题须提前处部署阶段 IEC618505 第13条明确类型变电站动化系统信息性求研究SAS网络性：PICOM模型LAN仿真性两种连接方法15种状态
IEC618505i1中介绍PICOM模型计算方法抽样计算种方法考虑开销信息结构背景数 确定网络总数传输速率 物理性质SAS网络动态特性局域网仿真工具必须 IEC618505中 SAS动态性没说明IED模拟COMNET III仿真程序研究 基数量
特定情况 户需确定某测试点网络信息流量 模拟结果信息估计准确性组成SKEIE al [5]证明太网具足够特性满足SA系统实时需求 Kern etal[6]做行性调查表明IEC61850通信方式满足变电站控制保护实时性求然里述研究方面
•研究目创造IED模型设置变电通信网络特性研究基础IEC61850MMS工程师回答问题例果220kV变电动化系统网络16 槽扩展20槽五年否满足性求？
•[5]UDPIP时间关键评价实际IEC61850标准 文中OPNET模型基IEC61850标准包含数(GOOSE信息原始数户端伺服器信息)通通信栈规定IEC61850
•OPNET模型产生目标模拟情况种SAS网络 允许者设定原始采样率障时间减少失误背景流量配置参数
变电站动化系统部件组件具种功 模拟SAS网络动态性OPNED IED模型表现SAS网络基特性建立 关OPNETSAS网络研究分两层次：程阶段状态阶段网络流信息类型基IEC61850标准 背景流量等档案传输通增加额外工作站产生
二 SAS网络中IED模型
电流电压原始数会放太网包然通广播通道送相应保护仪器 户配置采样率开始时间停止时间封包址 广播组址传送类型(P2P播广播)
OPNET模拟器构造模型采面象建模方法 IED网络设备交换机工作站OPNET中称节点模型 节点模型包括栈址相连模拟器固定口 单元分配程序模块实现需行 图2显示MU IED节点模型示范图2(a)总线拓扑图2(b)星形拓扑 正方形模型程模型 OPNET模拟器方便模型设计：节点模型程编辑模型编辑器
原始数源模块允许户定义包格式包 户想包速率连接模拟器先计算包传递时间 收集网络包统计资料 然摧毁记忆空间释放
该eth_mac_intf延迟MAC单元实行太网协议算法OPNET输入输出包方
该hub_rv0hub_tx0OPNET点点接收发送器 bus_rv0bus_tx0总线接收发送器 节点连接交换机总线
OPNET 处理模型限状态机(FSM) 接支持协议实施 资源应算法 排队政策状态转折图解定义进步程回应事件处理模型状态包含嵌入CC++ 代码 作广泛图书馆支持设计网络编程图3 显示处理
模型MU IED 模型原始数源
B OPNET 模拟器IED电路断路器 IED保护
IED断路器功接受访问信息计算端端延迟[ ETE 延迟] 发送广播 GOOSEGSSE 事件IEDs保护样作MU IED户配置事件包址传输类型(点点播广播)
IED保护配置正常障模式 果正常模式产生恒定速率包传送PC站 果障模式访问电文特定时间发送 访问讯息广播相应IED断路器正常工作户需根仿真求配置址广播组址 收件址参数
节点模式(见图4(a))IED断路器IED保护(见图4(b))正常障模式类似MU IED 快速发送中速信息例行程进程状态rms价值收网络信息 IDE行MU IED程模块嵌入式CC++代码 定义行样
(a) (b)
图4 星形拓扑结构IED断路器IED保护
然目观察SAS网络中传递时间延迟访问信息延迟 原始数样关键访问信息OPNET收集统计出 ETE延迟表 产生仿真报告 图5IED保护中原始数样ETE延迟图 里清楚观察信息延迟约0048s
2钞
图5 样品ETE 延迟图OPNET 引起
C 驻计算机开关网络链接
SAS 网络根OPNET 模拟器标准太网工作站模型开关链接模型细节OPNET模拟器者户手册[ 3 ]中
三 SAS 网络传输流量
根IEC 61850 信息分七类 表2总结信息移交时间需范围关键传输时间需信息1型 2型 4型7型篇文章中心
表2 SAS 网络[ 1 ]消息类型性求
局域网传输量网络通量两素影响网络特性 关OPNET完成SAS网络建模中 特定情况正确分析网络流量关键性仿真
传输量检测特定情况SAS 网络提出问题什抽样率票率 什封包 许信息样发送出障 没信息流测试点 旦样做 IED模式轻易产生信息决定传输时间
四 关OPNET 模拟器样品分站动化系统修建
选择分站标准69kV变电站二条69千伏线连接通绝缘物桥六条138 千伏线连接部分直总线二69138 千伏变压器单线路变电站线路图显示图6 分站中单元IED 配置表3中出模仿网络配置
1138kV 线路 原始数 GOOSE信息传送MU IEDIED 保护点点
IED断路器
2变压器槽69kV 线路槽 MU IED广播原始数消息2路IEDs保护中变压器槽IEDS保护广播访问信息两IED断路器
IEDs保护器IED断路器配置发送收线信息测量价值 断路器位置计算机站
图6 69kV 分站唯线路图
表3 IED配置69KV 分站
总线网络结构(参见图7) 15 IEDs保护控制器 11 MU IEDs 13 IED断路器连接程总线(分成两部分) ieds两条69千伏线路2台变压器槽享进程总线段 六路138kv馈线138kv部分总线享进程总站样安排数减转移间段总线站连接15 IEDs保护器台计算机CSMACD (载波检测路访问突检测) IED 连接通信总线技术 IED 监听站发送信息发现总线空闲时果
IED发生碰撞 传输停止 段机时间 IED会重新碰撞CSMACD 网络般部分发生碰撞时会拖慢系统程显示模仿结果中
图7 带程总站站SAS 网络
面星形拓扑(见图8 ) 三交换机总线拓扑中IED连接程总站(图7 )现连接交换机1IED连接交换机2 交换机3连接站交换机1 交换机2计算机站
图8 星拓扑结构SAS 网络
拓扑环形拓扑建成OPNET IED模型
五．模拟结果
模拟器10MBitssec太网速度总线网络结构星形拓扑100MBitssec方式形成值注意情节坏情况指定分站坏情况决定规划设计阶段期间根分站操作环境保护控制策划 素影响分站通信网络
SAS 网络中没槽控制器 IED保护器实IED保护控制器假设 错误导致两IEDs保护器发送访问消息相应IEDs断路器信息256 位访问信息发送四次保证消息正确交付
IEDs保护IEDs 断路器秒50速率发送应答信息计算机站计算机站2秒IED数消息2型信息处理价值关譬rms 电压& 潮流断路器状态消息256 位应答信息发送次网络
MU IEDs 送原始数信(型4) 指定采样率消息256 位原始数消息寄发次网络消息消息转播意选择 未工作 出版实施指南IEC 6185092 决定原始数消息评估
首先 图7 图8显示网络仿真然 程站模拟交换器39IEDs 模仿样做观察总线星形网络IEDs递增性反应
总线型星拓扑结构样品SAS 网络情况访问信息ETE 延迟原始数消息ETE延迟确定表4 5 显示结果总线网络结构 表6 7 展示结果星拓扑结构
* 网络布局应该避免作消息ETE 延迟违反IEC 61850 标准
** 时间显示作消息阻塞 ETE 延迟疯狂
结果 观察总线网络结构实行低样品率SAS 网络P1 P2 级中定义IEC 618505 [ 1 ] 局域网速度总线网络结构降低时候采样率反应特性着IEDs 数量增加 网络特性锐减10MB总站果进程站特10MB总站 满足性求 网络分析适分割进程总站需
星拓扑结构公汽车拓扑结构提供更特性原始数采样率没明显影响ETE 延迟网络性轻微影响IEDs增加
六 结
IED 模型途根OPNET 模拟器建立SAS 网络模仿网络特性显示SAS 网络解决关键性问题效工具通模仿 保护& 通信工程师观察网络中信息延迟网络特性IEC 61850中指定通选择适拓扑结构网络布局实现
致谢
毕业文导师XX老师悉心指导完成完成文期间XX老师精心指导热情帮助提供良学环境锻炼机会特XX老师渊博学识实事求工作作风问题精益求精学术态度受益非浅逐渐培养起严谨细心学作风XX老师细心全面审阅全文提出许宝贵意见提高文水研究方握起重作文完成际特导师表示诚挚谢意感谢文完成程中帮助老师学时评阅文参加答辩位专家表示衷心感谢
附录组态调试图
结束语
两月时间利完成次毕业设计总体说成果较满意基达老师求段时间翻阅许书籍变电站生疏解深入研究第
次完成件实际应设计历阅历实际操作力限难免存意方请位老师指点
通次设计仅丰富专业知识深深体会认识事物程题目查阅资料题目进行设计证修改设计完成体现理联系实际重性更重次设计学会独立完成件事情参加工作做基础设计利完成付出许劳动老师细心指教分开程中体现出老师渊博专业知识更体现出老师宽厚品质设计程中学会勤奋求实工作精神更懂品质切工作生涯中起着重作机会帮助老师表示衷心谢意
程中特感谢予帮助学朋友鼓励支持会天成绩
文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
《香当网》用户分享的内容，不代表《香当网》观点或立场，请自行判断内容的真实性和可靠性！
该内容是文档的文本内容，更好的格式请下载文档
摘
变电计算机监控系统采面象设计思想托计算机技术网络通信技术现代控制技术图形显示技术等变电集控制测量现代综合理等功集体综合动化系统
常规监控系统相运行员通控室机接口装置便实现整变电运行数监控记录关信息通远动设备级调度中心传送运行性提高综合效益显著
文针现场实际存问题前变电站监控系统发展趋势变电监控特殊工艺提出分层监控计算机解决方案组态软件组态王文介绍组态软件基特点求
讲述设计监控界面详细步骤制作中注意事项控制系统硬件配置进行选择设计
关键词：组态王 监控系统 变电综合动化
ABSTRACT
Substation's computer supervision system is ecological design of object oriented and relies on computer technique network communication technique modern control technique graphic display technique which gathers control measure and modern comprehensive manage into one comprehensive automation
Compares with the conventional supervisory system operator can make monitoring and noting of the whole substation by humancomputer interface device of main monitoring house and transmit relative information to all levels attempering center running dependability improves greatly and comprehensive benefit is marked
The present paper needle scene actual existence question and the current transformer substation supervisory system development tendency and the transformer substation monitoring special craft proposed the lamination monitoring computer solution in the configuration software design monitoring contact surface manufacture detailed step and the manufacture matters needing attention have also carried on the choice and the design to the control system hardware disposition
Key words Configuration software Supervisory system Transformer substation synthesis automation
目 录
第1章 设计说明 1
11 设计技术背景设计 1
12 设计务 1
13 变电站综合动化系统发展历史 1
第2章 电气接线设计 3
21 电气接线概述 3
22 35KV侧接线设计 3
23 10KV侧接线设计 3
24 接线方案较选择 4
25 接线中设备配置 5
第3章 变压器选择 7
31负荷分析 7
32 变压器台数确定 8
33 变压器相数确定 8
34 变压器容量确定 8
第4章 短路电流计算 10
41 短路电流计算目规定 10
42 短路电流计算结果 10
第5章 电气设备选择 15
51 电气设备选择概述 15
52 高压断路器隔离开关选择 16
53 母线选择 18
54 绝缘子穿墙套选择 22
第6章 继电保护知识简介 24
61 变电站继电保护发展 24
62 继电保护装置基求 24
63 继电保护整定 24
64系统障分析 25
65线路继电保护装置 25
66变继电保护装置 25
67设计继电保护原理概述 26
第 7章 变压器继电保护整定计算 27
71 概述 27
72 瓦斯保护 27
73 差动保护 28
74 电流保护 28
第8章 线路继电保护整定计算 34
81 概述 34
82 线路继电保护原理 35
83 35kv线路保护整定计算 35
84 10kv线路保护整定计算 38
第9章 变电站综合动化简介 40
91 发展变电站综合动化意义 40
92 变电站综合动化发展程 41
第10章 变电站综合动化概述 43
101 变电站综合动化基原理 43
102 变电站综合动化系统结构形式 44
第11章 变电站监控系统总体设计原 46
111 变电站总体布局监控求 46
112 变电站监控系统额定组态软件 47
第12章 变电站综合动化系统设计实现 50
121 监控界面功 50
122 监控功实现 52
参考文献 53
外文翻译译文 54
致谢 75
附录 77
结束语 79
第1章 设计说明
11 设计技术背景设计
变电站35kv方变电站35kv架空进线两回（约20km）属两独立电源10kv馈出现8回安装变两台（2×4000KVA）载调压变电10kv母线8回出线期中800KVA500KVA630KVA二回20000KVA1600KVA回预留800KVA630KVA回10kv系统采单母分段接线方式系统穷考虑
12 设计务
设计求终设计结果实时显示变电站综合动化系统运行参数（包括电压电流功率频率COSφ等参数）运行趋势图障报警显示建立实时历史数库实现SCADA功实现值守变电站综合动化 时求功率数低095性济性满足变电站综合动化求
13 变电站综合动化系统发展历史
变电综合动化系统80年代开始应新课题常规变电二次部分继电保护障录波监控远动装置组成
微处理器应前装置仅功实现原理技术80年代微处理器普遍应长期形成专业相应技术理部门装置开始采微机技术成微机型继电保护装置微机监控微机远动装置微机型装置功硬件配置体相微机系统身外非种模拟量数采集输入输出接口电路装置采集量控制象许显设备重复互连复杂然提出综合动化优化设计全微机化变电二次部分控制测量信号遥信角度考虑求微机控制理集中性越高越数事件信息集中度实时性越高越保护动作特性快速维护角度考虑求微机理独立性物理空间单性越明确越微机出现障时影响面越越
变电综合动化系统特点远动保护监控安全动装置济动装置融体控制集中布置分散控制方案灵活户行设计硬件标准化简化变电站运行操作综合动化系统功分散程实行集中监视控制分散控制适应分散程象集中监视操作理达掌握全局目着动控
制装置控设备性提高变电控制操作渡远方操作动操作
变电综合动化方式特征站监控功SCANDA信号采集远动功数字保护信息结合统整体全微机化新型二次设备取代传统机电式二次设备模块化软件实现机电式设备种功计算机局部网络通信代量信号连接通机设备实现变电综合动化理监视测量控制印记录等功取消传统集中控制屏
目前变电综合动化技术发展迅速已进入面积推广应阶段项新技术发展综合动化系统实现奠定技术基础目前变电站综合动化系统中广泛新技术述方面
1数字信号处理（DSP）技术应
20世纪80年代末90年代初DSP技术应次设备布置分散式测控单元快发展起提供强力功综合优化手段电压功率电测量直接输电线路变压器等设备直接交流采样通DSP出相电流电压数字波形分析计算仅计算出相电流相电压基波谐波效值相功功电压功电量等测量实时数进步计算出功率数入频率零序负序参数等值关输入输出触点起集成变电站综合动化系统中
2数字通信技术光纤技术应
20世纪80年代数字通信设备发展应提高通信系统通信容量时通信技术中光纤通信技术正迅速取代金属电缆轴电缆远距离通信短距离容量信息传输光纤通信具频带宽信道衰减特点外具抗强电磁干扰优点光纤通信实际受电磁干扰浪涌暂态分量端间位差影响非常适变电站强电磁干扰环境保护监控装置佳通信信道
3计算机网络技术现场总线技术发展
20世纪80年代计算机网络技术现场总线技术发展特局域网（LAN）技术迅速发展应成种潮流满足电力系统特殊求该项技术变电站综合动化中广泛应
着计算机技术控制技术通信技术显示技术断提高机结合变电综合动化系统正着功综合化结构微机化操作监视屏幕化运行智化方发展必综合动化系统进入新起点变电综合动化系统发展方终目标限度提高变电动化水利计算机代手工操作终实现变电值班
第2章 电气接线设计
21 电气接线概述
发电厂变电中次设备定求序连接成电路称电气接线成电路电源送电汇集起分户表明种次设备数量作设备间连接方式电力系统连接情况电气接线发电厂变电电气部分体发电厂变电电力系统安全济运行起着重作电气设备选择配电装置配置继电保护控制方式拟定较影响
211 选择电气接线时设计
（1）发电厂变电电力系统中位作
（2）发电厂变电分期终建设规模
（3）负荷重性
（4）系统备容量
（5）系统专业电气接线提供具体资料
212 接线设计基求
（1）性
（2）灵活性
（3）济性
22 35KV侧接线设计
35KV侧双回路系统相连
电力工程电气次设计手册第二章第二节中规定知：35—110KV线路两回时宜采桥形线路变压器组线路分支接线
35KV侧采桥形连接方式
23 10KV侧接线设计
10KV侧出线回路数8回
电力工程电气设计手册第二章第二节中规定知：6—10KV配电装置出线回路数6回时采单母分段连接
10KV采单母分段连接
24 接线方案较选择
知变电站接线两种方案
方案：35KV侧采外桥接线连接方式10KV侧采单母分段连接图21示
图21 35KV电气接线方案
方案二：35KV侧采桥形连接方式10KV侧采单母分段连接图22示
图22 35kv电气接线方案二
两种方案较
方案 35KV侧采单母分段连接方式便变压器正常投切障切10KV采单母分段连线重户段引出两回路段母线发生障分段断路器动障切保证正常母线供电间断方案时兼顾性灵活性济性求
方案二供电更调度更灵活方案相较设备增配电装置布置复杂投资占面增母线障检修时隔离开关作操作电器容易误操作
知设计中采第种接线35KV侧采桥形连接方式10KV侧采单母分段连线
25 接线中设备配置
251接刀闸接器配置
保证电器母线检修安全35KV段母线根长度宜装设1—2组接刀闸接器两接刀闸间距离应量保持适中母线接刀闸宜装设母线电压互感器隔离开关母联隔离开关装回路母线隔离开关基座必时设置独立式母线接器
252电压互感器配置
（1） 电压互感器数量配置接线方式关应满足测量保护期动装置求电压互感器配置应保证运行方式改变时保护 装置失压期点两侧提取电压
（2） 旁路母线否需装设电压互感器应视回出线外侧装设电压互感器情况需确定
（3） 需监视检测线路侧电压时出线侧相应装设电压互感器
（4） 需330KV变压器回路中提取电压时量利变压器电容式套电压抽取装置
（5） 发电机出口般装设两组电压互感器供测量保护动电压调整装置需发电机配双套动电压调整装置采零序电压式匝间保护时增设组电压互感器
253电流互感器配置
（1） 装断路器回路均应装设电流互感器数量应满足测量仪表保护动装置求
（2） 未设断路器列点应装设电流互感器：发电机变压器中性点发电机变压器出口桥形接线跨条等
（3） 直接接系统般三相配置非直接接系统具体求两相三相配置
（4） 台半断路器接线中线路—线路串装设四组电流互感器满足保护测量求条件装设三组电流互感器线路—变压器串变压器套电流互感器利时装设三组电流互感器
254避雷器装置
（1） 配电装置组母线应装设避雷器进出线装设避雷器时外
（2） 旁路母线否需装设避雷器应视旁路母线投入运行时避雷器保护设备电气距离否满足求定
（3） 220KV变压器避雷器电气距离超允许值时应变压器附增设组避雷器
（4） 三绕组变压器低压侧相宜设置台避雷器
（5） 列情况变压器中性点应装设避雷器
① 直接接系统中变压器中性点分级绝缘装隔离开关时
② 直接接系统中变压器中性点全绝缘变电单进线单台变压器运行时
③ 接消弧线圈接系统中雷区单进线变压器中性点
④ 发电厂变电35KV电缆进线段电缆架空线连接处应装设避雷器
⑤ SF6全封闭电器架空线路侧必须装设避雷器
⑥ 110—220KV线路侧般装设避雷器
第3章 变压器选择
31 负荷分析
311 负荷分类定义
（1） 级负荷：中断供电造成身伤亡重设计损坏难挽回带极政治济损失者属级负荷级负荷求两独立电源供电
（2） 二级负荷：中断供电造成设计局部破坏生产流程紊乱较长时间修复量产品报废重产品量减产属二级负荷二级负荷应两回线供电两回线路困难时（边远区）允许回专架空线路供电
（3） 三级负荷：属级二级般电力负荷三级负荷供电特殊求允许较长时间停电单回线路供电
312 负荷计算容目
1) 计算负荷称需负荷负荷计算负荷假想持续性负荷热效应时间实际变动负荷产生热效应相等配电设计中通常采30分钟均负荷作发热条件选择电器导体
2) 尖峰电流指单台台电设备持续1秒左右负荷电流般取启动电流午周期分量作计算电压损失电压波动电压降选择电器保护元件等校验瞬动元件时应考虑启动电流非周期分量
3) 均负荷段时间电设备消耗电该段时间常选负荷班（代表性昼夜电消耗量班）均负荷时计算年均负荷均负荷计算负荷电消耗量
313 负荷计算方法
负荷计算方法需系数法利系数法二项式法等种
需系数法公式简单计算方便适类变配电供配电干线长期运行负载稳点设备生产车间（锅炉引风机水源泵站集中空压站）负荷计算适合电设备台数少台间容量悬殊工作制度时电力负荷计算
二项式法负荷分基部分附加部分者系考虑定数量容量设备影响适机修类电设备计算类车间车间变电设计常采二项式法计算结果般偏
利系数法概率基础根设备利率考虑设备台数台间功率差异影响确定计算负荷均负荷间偏差量（反映系数中1部分）求负荷种计算方法更具客观性普遍性适种类型负荷计算求结果更接实际国利
系数缺乏切实工作数积累计算方法身较述两种方法复杂尚未广泛采
次设计中采需系数法确定
综合计算负荷计算公式：
（31）
求
式中 —时系数出线回数较少时取09～095出线回数较时取085～09
—线损取5
085×{×2+}×（1+5）
737734KVA (32)
32 变压器台数确定
企业电次变电低压侧已构成环网情况变电装设两台变压器宜设计中变电站符合情况选择两台变压器满足负荷求
33 变压器相数确定
（1） 变压器采三相单相考虑变压器制造条件性求运输条件等素
（2） 受运输条件限制时330KV发电厂变电均应采三相变压器社会日新月异天科技已十分进步变压器制造运输等等已成问题规程知变电变应采三相变压器
34 变压器容量确定
装两台变压器变电中中台变压器停运时余变压器容量般应满足60全部综合计算负荷
（n1） （34）
知变电站单台变压器容量：
×60737734×6044264 KVA （35）
应选容量4000KVA变压器综合分析计算选择变压器型号S9400035型参数表31示
外形尺寸：
2890×2305×298
油重器身总重：
205046878850
空载损耗
4600
电源相数：
三相
负载损耗：
28500
阻抗电流：
70
冷形式：
液油浸式
负载电流：
070
容量：
4000KVA
联接组：
Yd11
额定功率：
4000（KVA）
冷方式：
油浸冷式
型号：
S9400035
绕组形式：
双绕组
表31 变压器S9400035参数表
第4章 短路电流计算
41 短路电流计算目规定
411 短路电流计算目
变电电气设计中短路电流计算中重环节选择电气设备时保证正常运行障情况安全工作需进行全面短路电流计算例：计算某时刻短路电流效值校验开关设备开断力确定电抗器电抗值计算短路较长时间短路电流效值校验设备热稳定值计算短路电流击值校验设备动稳定
412 短路电流计算般规定
（1） 电力系统中电源均额定负荷运行
（2） 短路种类：般三相短路计算
（3） 接线方式应发生短路电流正常方式（运行方式）仅切换程中列运行接线方式
（4） 短路电流计算点：正常接线方式时通电气设备短路电流点
42 短路电流计算
取基准容量基准电压公式：计算出基准值表41示：
表41 基准值
37
105
156
550
1369
110
421 计算变压器线路等值电抗
次设计选取变压器S9系列双绕组变压器变压器电抗值计算：
(41)
线路等值电抗计算（35KV进线侧电线长约20km取线路标准电抗参数04）
(42)
422 系统等值网络图
系统等值网络图图41示：
图41 系统等值网络图
423 短路计算点选择短路电流计算
选择等值电抗图中d1d2d3点短路点图(41)示
（1） 点短路时（图42示）
图42 d1点短路等值电抗图
次暂态短路电流标幺值计算：
(43)
次暂态（0s）4s时短路电流相等三相短路电流名值：
(44)
两相短路电流：0866×534462KA (45)
击电流
(46)
短路容量：
(47)
(48)
(2) 点短路时（图43示）：
图43 点短路时系统网络等值简化
次暂态短路电流标幺值计算：
(49)
次暂态（0s）4s时短路电流相等三相短路电流名值：
(410)
两相短路电流0866×269233KA (411)
击电流：
(412)
短路容量：
(413)
(414)
（3）点短路时（图44示）：
图44 点短路时系统网络等值简化
次暂态短路电流标幺值计算：
(415 )
次暂态（0s）4s时短路电流相等三相短路电流名值：
(416)
两相短路电流：0866×471408KA (417)
击电流：
(418)
短路容量：
(419)
第5章 电气设备选择
51 电气设备选择概述
511 选择原
（1） 应满足正常运行检修短路电压情况求考虑远景发展
（2） 应环境条件校核
（3） 应力求技术先进济合理
（4） 整工程建设标准应协调致
（5） 类设备应量减少种类
（6） 选新产品均应具实验数
（7） 设备选择校验
512 电气设备载流导体选择般条件
（1） 正常工作条件选择
① 额定电压：选电气设备电缆高允许工作电压低装设回路高运行电压UN≥UNs
② 额定电流：选电气设备额定电流IN载流导体长期允许电流Iy低装设回路持续工作电流I max 计算回路持续工作电流I max 时应考虑回路种运行方式持续工作电流选者
（2） 短路状态校验
① 热稳定效验：
短路电流通选择电气设备载流导体时热效应应超允许值It2t> Qktktin+ta校验电气设备电缆（3～6KV厂馈线电缆外）热稳定时短路持续时间般采备保护动作时间加断路器全分闸时间
② 动稳定校验：
ies＞ish熔断器保护电气设备载流导体校验热稳定电缆校验动稳定
（3） 短路校验时短路电流计算条件：
短路电流容量应具体工程设计规划容量计算应考虑电力系统远景发展规划计算电路应发生短路电流正常接线方式应仅切换程中列接线方式短路种类般三相短路校验发电机出口两相短路中性点直接接系统耦变压器等回路中单相两相接短路较三相短路更严重时应严重情况校验
52 高压断路器隔离开关选择
521 35KV电压等级断路器隔离开关选择
（1） 出线侧断路器母联断路器选择
流断路器持续工作电流：
额定电压选择：
额定电流选择：
开断电流选择 (点短路电流)
选SW335型断路器技术参数表23示：
表23 型断路器技术参数
断路器型号
额定电压KV
额定电流A
高工作电压KV
额定断流容量KA
极限通电流KA
热稳定电流KA
固分闸时间S
峰值
4S
35
2000
405
66
17
66
006
热稳定效验：
电弧持续时间取004s热稳定时间：
需计入短路电流非周期分量查表非周期分量等效时间T005S
满足热稳定效验
动稳定效验：
满足动稳定效验
选断路器合适
（2） 变压器侧短路器选择
额定电压选择：
额定电流选择：
开断电流选择： (点短路电流)
表知样满足变压器侧断路器选择
动稳定热稳定计算母联相
满足动稳定热稳定求选隔离开关合适
522 10KV电压等级断路器隔离开关选择
（1） 出线侧断路器母联断路器选择
流断路器持续工作电流：
额定电压选择：
额定电流选择：
开断电流选择： (点短路电流)
选型断路器技术参数表25示：
表25 型断路器技术参数
断路器型号
额定电压KV
额定电流A
高工作电压KV
额定断流容量KA
极限通电流KA
热稳定电流KA
固分闸时间S
峰值
1S
10
12500
500
289
71
432
006
热稳定效验：
电弧持续时间取004s热稳定时间：
需计入短路电流非周期分量查表非周期分量等效时间T005S
满足热稳定效验
动稳定效验：
满足动稳定效验
选断路器合适
（2） 变压器侧断路器选择
额定电压选择：
额定电流选择
开断电流选择： (d3点短路电流)
表知样满足变压器侧断路器选择
动稳定热稳定计算母联相
53 母线选择
531 35KV母线选择
（1） 济电流密度选择导体截面
选LGJ70铝绞线
满足长期发热条件求
（2）热稳定效验
插值法：
查表知：
选截面满足热稳定求
（3）振效验
取356L12m
固频率30～160HZ外时β≈1p<1情况考虑振影响取β1
（4） 动稳定效验
相间电动力数值：
相间应力数值：
根
查形状系数
条间电动力：
允许衬垫跨距：
铝双条导体取1003衬垫界跨距：
均12m需装设衬垫
满足动稳定求
选母线符合求
532 10KV母线选择
（1） 济电流密度选择导体截面
查槽形铝导体长期允许载流量表选
槽形铝导体放
（2） 热稳定效验
插值法：
查表知：
选截面满足热稳定求
（3） 振效验
导体阶固频率
固频率30～160HZ外时β≈1p<1情况考虑振影响取β1
（4） 动稳定效验
相间电动力数值：
相间应力数值：
双槽型导体计算相间条间电动力时均取
条间电动力：
允许衬垫跨距：
铝双条导体取1003衬垫界跨距：
均12m需装设衬垫
条间计算应力：
满足动稳定求
选母线符合求
54 绝缘子穿墙套选择
541 35KV母线绝缘子选择
初选 型支柱式绝缘子机械负载跨距12m时
受机械荷载：
满足动稳定性求
选母线符合求
542 10KV母线绝缘子选择
初选 型支柱式绝缘子机械负载跨距12m时
受机械荷载：
满足动稳定性求
选母线符合求
543 10KV母线穿墙套选择
初选型穿墙套机械负载5S时热稳定电流75KA
热稳定效验：
满足热稳定求
跨距12m时
受机械荷载：
满足动稳定性求
选母线符合求
第6章 继电保护设计基础
61 变电站继电保护发展
变电站电力系统重组成部分直接影响整电力系统安全济运行联系发电厂户中间环节起着变换分配电作电气接线发电厂变电环节电气接线拟定直接关系着全厂（）电气设备选择配电装置布置继电保护动装置确定变电站电气部分投资决定性素
继电保护发展现状电力系统飞速发展继电保护断提出新求电子技术计算机技术通信技术飞速发展继电保护技术发展断注入新活力继电保护技术天独厚40余年时间里完成发展4历史阶段着电力系统高速发展计算机技术通信技术进步继电保护技术面着进步发展趋势国外继电保护技术发展趋势：计算机化网络化保护控制测量数通信体化工智化
继电保护未发展继电保护技术未趋势计算机化网络化智化保护控制测量数通信体化发展微机保护技术发展趋势：
① 高速数处理芯片应
② 微机保护网络化
③ 保护控制测量信号数通信体化
④ 继电保护智化
62 继电保护装置基求
继电保护动装置属二次部分电力系统安全稳定运行起着关重作
继电保护装置基求四点：选择性灵敏性速动性性
63 继电保护整定
继电保护整定基务种继电保护出整定值电力系统中全部继电保护说需编出整定方案整定方案通常电力系统电压等级者设备编制继电保护功划分方案分进行例：35kV变电站继电保护分：相间短路电压电流保护单相接零序电流保护短线路联差动保护等
整定计算般包括动作值整定灵敏度校验动作时限整定三部分分：
① 时限电流速断保护整定
② 动作时限整定
③ 带时限电流速断保护整定
64系统障分析
设计3510kV系统双电源35kV桥接线10kV侧单母线分段接线接负荷属二类负荷居
1) 设计中电力系统具非直接接架空线路中性点接电力变压器等设备线路讲障单相接两相接三相接
2) 电力变压器障分外部障部障两类
① 变压器外部障常见高低压套引线障引起变压器出线端相间短路引出线碰接外壳
② 变压器部障相间短路绕组匝间短路绝缘损坏
3) 变压器正常运行负荷外部短路引起电流油温升油位低
65 线路继电保护装置
根线路障类型设置相应继电保护装置：
1) 10kV负荷侧单回出线保护采两段式电流保护电流速断保护电流保护中电流速断保护保护带时限0s跳闸
2) 35kV 线路保护采三段式电流保护电流速断保护带时限电流保护电流保护中电流速断保护保护带时限0s跳闸
66变压器继电保护装置
变压器变电核心设备根障正常运行情况反应种障快速灵敏提高系统安全性出发设置相应保护异常运行保护必辅助保护：
1) 保护：瓦斯保护（防御变压器部障油面降低）联差动保护（防御变压器绕组套引出线相间短路）
2) 备保护：电流保护（反应变压器外部相间障）负荷保护（反应负荷引起电流）
3) 异常运行保护必辅助保护：温度保护（检测变压器油温防止变压器油劣化加速）冷风机启动（变压器相电流70启动冷风机防止变压器油温高）
67设计继电保护原理概述
1) 10kV线路电流速断保护：根短路时通保护装置电流选择动作电流动作电流控制保护装置保护范围时限电流速断延时电流速断采二相二电流继电器完全星形接线方式设计选时限电流速断保护
2) 10kV线路电流保护利短路时电流正常运行时特征鉴线路发生短路障动作选择性电流保护装置动作具适延时保证定时限电流保护反时限电流保护设计电流速断保护装置两组电流互感器采二相二继电器完全星形接线方式选定时限电流保护作电流速断保护备保护切电流速断保护范围外障保护范围线路全部段线路部分
3) 变压器瓦斯保护：利安装变压器油箱油枕间瓦斯继电器判变压器部障变压器部发生障时电弧油绝缘物分解产生气体障轻微时油箱气体缓慢产生气体升聚集继电器里油面降继电器动作接点闭合时作信号称轻瓦斯保护障严重时油箱产生量气体该气体作形成强烈油流击继电器继电器动作接点闭合时作跳闸发信称重瓦斯保护
4) 变压器联差动保护：循环电流原理构成变压器两侧装设电流互感器二次绕组环流原串联差动继电器接回路壁中正常运行外部短路时二次电流臂中环流差动保护正常运行外部短路时动作电流互感器流入继电器电流应相等相位相反流继电器电流零变压器部发生相间短路时电流互感器流入继电器电流等相位相继电器电流流实际变压器励磁涌流接线方式电流互感器误差等素影响继电器中存衡电流变压器差动保护需解决问题方法：
①整定值躲衡电流
②采例制动差动保护
③采二次谐波制动
④采间歇角原理
⑤采速饱变流器
设计采较济BCH2型带速饱变流器继电器提高保护装置励磁涌流力
第7章 变继电保护整定计算继电器选择
71概述
GB50062—92电力装置继电保护动装置设计规范规定：电力变压器列障异常运行方式应装设相应保护装置：
①绕组引出线相间短路中性点直接接侧单相接短路
②绕组匝间短路
③外部相间短路引电流
④中性点直接接电力网中外部接短路引起电流中性点电压
⑤负荷
⑥油面降低
⑦变压器温度升高油箱压力升高冷系统障
高压侧35kV总降压变电变压器说应装设电流保护电流速断保护瓦斯保护负荷时需装设负荷保护设计中根求需装设电流保护电流速断保护负荷保护瓦斯保护
①保护备保护：
35kV供电系统中电气设备线路应装设短路障保护短路障保护应保护备保护必时增设辅助保护
系统中点点装两套保护时中套动作较快套动作较慢动作较快称保护动作较慢称备保护：满足系统稳定设备求快速度选择切保护设备线路障保护称保护保护断路器拒动时切障保护称备保护
备保护应理解次保护样重备保护仅起保护应该动作未动作时备起保护已动作终未达切障部分作外外意义快速动作保护实现选择性造成保护保护线路全长保护线路部分说出现保护死区死区必须利备保护弥补
②备远备：
保护断路器拒动时相设备线路保护实现备称远备保护级电气设备线路套保护实现备保护备保护
③辅助保护：
补充保护备保护性保护备保护退出运行增设简单保护称辅助保护
72瓦斯保护
作：反映变压器部障油面降低反应油箱部障产生气体油箱漏油动作中重瓦斯保护动作跳开变压器电源侧断路器轻瓦斯保护动作信号
轻瓦斯保护动作信号轻瓦斯部分通常产生气体容积整定：容量10MVA变压器整定容积250~300cm2
瓦斯保护动作跳闸重瓦斯部分通常气体继电器油流速度整定（油流速度变压器容量接气体继电器导直径变压器冷方式气体继电器形式关）
轻瓦斯保护动作值气体容积250~300cm2整定设计采280 cm2
重瓦斯保护动作值导油油流速度06~15cm2整定设计采09 cm2
瓦斯继电器选FJ380型
瓦斯保护接线原理图：
图71瓦斯保护接线原理图
73差动保护：（保护）
作：反映变压器绕组引出线相间短路中性点直接接系统中系统侧绕组引出线单相接短路绕组匝间短路容量10000kVA变压器应装设差动保护
变压器差动保护动作电流应满足三条件
1) 应躲变压器差动保护区外出现短路衡电流
2) 应躲变压器励磁涌流
3) 电流互感器二次回路端线变压器处负荷时差动保护应动作
结合设计求实际条件做差动保护整定选继电器型号BCH—2型差动继电器
计算变压器侧次二次电流值（额定容量）选择电流互感器变表计算
35 kV侧二次电流35kV侧基侧
731 计算Ie电流互感器变
S 4000kVA U1e 35kV U2e10 kV
表71 变压器差动保护互感器变选择
名 称
侧数
高压（H）
低压（L）
额定电压
Y（35kV）
Δ（10kV）
变压器侧额定电流
变压器接线方式
Y
Δ
CT接线方式
Δ
Y
选择CT次电流
计算值
23094A
CT计算变
实选CT变nl
25
50
CT二次回路额定电流
衡电流Ibp
衡系数
1
确定基侧
基侧
非基侧
表出35kV侧电流互感器二次回路额定电流10kVA侧35kV基侧
732 确定基侧动作电流：
1) 躲外部障时衡电流
（71）
利实计算式：
（72）
式中：Kk—系数采13
Kfzq—非期分量引起误差采1
Ktx— 型系数CT型号相处情况时取05型号时取1设计取1
ΔU—变压器调压时产生相误差采调压百分数半设计取005
Δfza—继电器整定匝书数计算匝数等产生相误差暂法求出先采中间值005
f I —电流互感器相误差取01
代入数：
（73）
2) 躲变压器空载投入外部障电压恢复时励磁涌流
（74）
式中：Kk—系数采13
Ie—变压器额定电流：
代入数：
（75）
3) 躲电流互改器二次回路短线时负荷电流
（76）
式中： Kk—系数采13
Idz1—正常运行时变压器负荷电流采变压器额定电流
代入数：
（77）
较述动作电流取值计算值
：
733确定基侧差动线圈匝数继电器动作电流
两侧电流互感器分接继电器两组衡线圈接入差动线圈继电器实匝数动作电流更接计算值二次回路额定电流侧作基侧基侧继电器动作电流线圈匝数计算：
基侧（35kV）继电器动作值
（78）
代入数：
（79）
基侧继电器差动线圈匝数
（710）
式中：Awo继电器动作安匝应采实际值设计中采额定值取60安匝
代入数
（711）
选差动线圈组衡线圈匝数较WcdjsI相数值作差动线圈整定匝数WcdZ
：实际整定匝数（匝） （712）
中差动线圈实匝数Wcsυ 4匝 衡线圈I实匝数WIph sυ 1匝
继电器实际动作电流
（713）
734确定非基侧衡线圈工作线圈匝数
衡线圈计算匝数
（715）
取衡线圈实际匝数 （716）
工作线圈计算匝数
（717）
735计算整定匝数计算匝数等产生相误差Δfza
（718）
原定值005取法合适需重新计算
736初步确定短路线圈抽头
根前面差动继电器分析考虑系统变压器容量较励磁涌流较选较匝数CC抽头实际应中应考虑继电器接电流互感器型号性等抽头否合适应变压器空载投入试验确定
737保护装置灵敏度校验
差动保护灵敏度求值
系统运行方式10kV侧出口发生两相短路时保护装置灵敏度低
装置灵敏度
（719）
满足求
74电流保护：（备保护）
741电流继电器整定继电器选择：
1） 保护动作电流躲变压器额定电流整定
（720）
式中：Kk—系数采12
Kh—返回系数采085
代入数
（721） 继电器动作电流
（722电流继电器选择：DL21C10电流整定值7A
2） 灵敏度保护范围末端短路进行校验灵敏系数12
灵敏系数：
（723）
灵敏度满足求
第8章 线路保护整定计算
81 概述
根电力装置继电保护动装置设计规范GB5006292知：
3～63kV 中性点非直接接电力网中线路保护
3～63kV 线路列障异常运行应装设相应保护装置：
1) 相间短路
2) 单相接
3) 负荷
3～10kV 线路装设相间短路保护装置应符合列求：
1) 电流继电器构成保护装置应接两相电流互感器网络线路均应装相两相
2) 备保护应采远备方式
3) 线路短路发电厂厂母线重户母线电压低额定电压60时线 路导线截面允许带时限切短路时应快速切障
4) 电流保护时限 05～07s 时没第三款列情况没配合 求时装设瞬动电流速断保护
3～10kV 线路装设相间短路保护装置应符合列规定：
1) 单侧电源线路装设两段电流保护：第段带时限电流速断保护带时限电流保护采定时限反时限特性继电器单侧电源带电抗器线路 断路器切断电抗器前短路时应装设电流速断保护时应母线保护 保护切电抗器前障保护装置仅线路电源侧装设
2) 双侧电源线路装设带方带方电流速断电流保护1～2km 双侧电源短线路采述保护满足选择性灵敏性速动性求时采带辅 助导线差保护作保护装设带方带方电流保护作备保护列运行行线路宜装设横联差动保护作保护应接两回线电流电流保护作两回线时运行备保护回线断开保护备保护
35～63kV 线路列求装设相间短路保护装置：
1) 单侧电源线路采段两段电流速断电流闭锁电压速断作保护应带时限电流保护作备保护线路发生短路发电厂厂母线电压重户母线电压 低额定电压 60时应快速切障
2) 双侧电源线路装设带方带方电流电压保护采电流电压保护 满足选择性灵敏性速动性求时采距离保护装置双侧电源环形网络中超 3～4km 短线路采电流电压保护满足求时采带辅助导线差保护作保护应带方带方电流电压保护作备保护
3) 列运行行线路装设横联差动保护作保护应接两回线电流阶段式保护距离保护作两回线时运行备保护回线断开保护备保护
82 线路保护原理：
1) 10kV线路电流速断保护：根短路时通保护装置电流选择动作电流动作电流控制保护装置保护范围时限电流速断延时电流速断采二相二电流继电器完全星形接线方式设计选时限电流速断保护
2) 10kV线路电流保护利短路时电流正常运行时特征鉴线路发生短路障动作选择性电流保护装置动作具适延时保证定时限电流保护反时限电流保护设计电流速断保护装置两组电流互感器采二相二继电器完全星形接线方式选定时限电流保护作电流速断保护备保护切电流速断保护范围外障保护范围线路全部段线路部分
3) 35kV线路相间短路电流保护35kV线路继电保护体电流保护采三段式电流速断保护限时电流速断保护电流保护组成电流速断保护（称Ⅰ段）动作时间短速动性动作电流较某情况保护线路全长限时电流速断保护（称Ⅱ段）较短动作时限保护线路全长作相邻线路备保护定时限电流保护（称Ⅲ段）动作电流较前两段保护范围保护线路全长作相邻线路备保护
4) 6～10kV线路电流保护电流速断（Ⅰ段）电流保护（Ⅲ段）构成35kV线路电流保护增加限时电流速断保护称三段式电流保护
83 35kV线路三段式电流保护整定计算
831 第段 时限电流速断保护
1) 应躲d3点短路电流整定
（81）
中： Iact保护装置动作电流做次动作电流
Krel——系数般取125～1 5
2) 继电器动作电流：
（82）
中：Kco——接线系数设计中取1
Ki——电流互感器TA变流
考虑系统发展时适应选DL1150型电流继电器动作电流整定范围125～50A动作电流整定值16A
3) 第段灵敏性通常保护范围衡量根设计数线路首端（d1点）短路时短路电流校验灵敏系数
（83）
中：Ksen——灵敏系数
满足求必须进步延伸电流速短保护范围条线路限时电流速断相配合样动作时限应该选择条线路限时速断时限高动作时限整定：
+210 s （84）
应装设带时限电流速断保护
4) 动作时间0s防止线路型避雷器放电时误动电流速断保护动作时间带006~008秒延时
832 第二段 带时限电流速断保护
1) 保护动作电流：
（85）
2) 计算10kV电缆第二段动作电流
（86）
3) 线路首端（d2点）短路时第二段灵敏系数：
（87）
灵敏系数满足求
4) 继电器动作电流：
（88）
考虑系统发展时适应选DL1120型电流继电器动作电流整定范围5～20A动作电流整定值6A
5) 保护动作时限应配合：
+210 s （89）
833 第三段 电流保护
1) 电流保护动作电流：
（810）
中： Ilmax——负荷电流
——系数取12
——返回系数取085
——考虑电动机起动电流增起动系数取15
（811）
(线路负荷电流取电流互感器额定次侧电流)
（812）
2) 继电器动作电流：
（813）
3) 电流保护应分线路末端（d2点）线路末端（d3点）短路时短路电流校验灵敏系数
作线路备保护时灵敏系数：
（814）
灵敏系数满足求
4) 保护动作时限应配合：
（815）
选DS112型时间继电器时间调整范围025～35s
84 10kV线路保护整定计算
841 电流速断保护整定
1) 躲配变低压侧母线三相短路电流具体做法选择容量配变容量配变选择距出线断路器者动作电流整定：
≥13× （816）
（817）
（818）
式中： ——配变低压侧母线障时线路三相短路电流
Xsmin——10kV母线等值系统运行方式阻抗标值
XL1——织布厂胶木厂印染厂线路正序阻抗标值
中：13系数5498100MVA基准容量计算10kV侧基准电流阻抗标值100MVA基准容量获
继电器动作电流：
（819）
考虑系统发展时适应选DL1150型电流继电器动作电流整定范围125～50A动作电流整定值30A
2)保证系统运行方式开关出口三相短路时灵敏度1
（820）
（821）
（822）
满足灵敏度求
式中 ——系统运行方式开关出口三相短路时电流
Xsmin——10kV母线等值系统运行方式阻抗标值
中：1灵敏度549810kV侧基准电流
3) 动作时间0s防止线路型避雷器放电时误动电流速断保护动作时间带006~008秒延时
842 电流保护整定
1) 电流保护称电流保护III段整定原躲负荷电流动作电流：
（830）
（831）
（832）
式中 Ilmax——负荷电流
中：125系数085返回系数
2) 保护动作时限t2应t1配合电流保护动作时间通常设05s：
（833）
考虑变电10kV出线保护长动作时间15s选DS111型时间继电器时间调整范围01～15 s
第9章 变电站综合动化简介
91 发展变电综合动化系统意义
变电电力生产程重环节作变换电压交换功率汇集分配电变电中电气部分通常分次设备二次设备属次设备电压等级电力设备包括电力变压器母线断路器隔离开关电压互感器电流互感器避雷器等变电站中满足功衡系统稳定限制电压等求装步调相机联电抗器静止补偿装置串联补偿装置等
保证变电电气设备安全济运行装系列辅助电气设备监视测量仪表控制信号器具继电保护装置动装置等述设备称二次设备
常规变电二次系统继电保护监控远动装置录波装置等组成实际应中继电保护远动监控测量录波等功组织相应保护屏控制屏录波屏中央信号屏等次设备屏关设备电流互感器二次侧需分引屏样断路器跳合闸操作回路需连保护控制屏远动屏动装置屏外次设备相应二次设备（屏）间保护远动设备间许连线设备安装点变电电缆错综复杂
常规变电述情况决定常规变电存着少缺点：
1传统二次设备继电保护动远动装置等采取电磁型规模集成电路缺乏检诊断力结构复杂性低
2二次设备赖量电缆通触点模拟信号交换信息信息量灵活性差性低
述两原传统变电占面积电缆电压互感器电流互感器负担重二次设备冗余配置远动功够完善提供调度控制中心信息量少精度差变电动控制调节手段全缺乏协调配合力量难满足电网实时监测控制求
变电作整电网中节点担负着电传输分配监测控制理务电网统指挥协调电网节点（ 变电发电厂）具体实施保障电网安全稳定运行变电综合动化电网动系统重组成部分作变电动系统应该确保实现求：
(1)检测电网障快隔离障部分
(2)采集变电运行实时信息变电运行进行监视计量控制
(3)采集次设备状态数供维护次设备参考
(4)实现备控制紧急控制
(5)确保通信求
求变电综合动化系统运行高效实时变电站设备进行统监测理协调控制时必须电网系统进行实时效信息交换享优化电网操作提高电网安全稳定运行水提高济效益电网动化进步发展留
空间
92变电综合动化系统发展程
变电综合动化系统80年代开始应新课题常规变电二次部分继电保护障录波监控远动装置组成
微处理器应前装置仅功实现原理技术80年代微处理器普遍应长期形成专业相应技术理部门装置开始采微机技术成微机型继电保护装置微机监控微机远动装置微机型装置功硬件配置体相微机系统身外非种模拟量数采集输入输出接口电路装置采集量控制象许显设备重复互连复杂然提出综合动化优化设计全微机化变电二次部分控制测量信号遥信角度考虑求微机控制理集中性越高越数事件信息集中度实时性越高越保护动作特性快速维护角度考虑求微机理独立性物理空间单性越明确越微机出现障时影响面越越
变电综合动化系统特点远动保护监控安全动装置济动装置融体控制集中布置分散控制方案灵活户行设计硬件标准化简化变电站运行操作综合动化系统功分散程实行集中监视控制分散控制适应分散程象集中监视操作理达掌握全局目着动控制装置控设备性提高变电控制操作渡远方操作动操作
变电综合动化方式特征站监控功SCANDA信号采集远动功数字保护信息结合统整体全微机化新型二次设备取代传统机电式二次设备模块化软件实现机电式设备种功计算机局部网络通信代量信号连接通机设备实现变电综合动化理监视测量控制印记录等功取消传统集中控制屏
目前变电综合动化技术发展迅速已进入面积推广应阶段项新技术发展综合动化系统实现奠定技术基础目前变电站综合动化系统中广泛新技术述方面
1数字信号处理（DSP）技术应
20世纪80年代末90年代初DSP技术应次设备布置分散式测控单元快发展起提供强力功综合优化手段电压功率电测量直接输电线路变压器等设备直接交流采样通DSP出相电流电压数字波形分析计算仅计算出相电流相电压基波谐波效值相功功电压功电量等测量实时数进步计算出功率数入频率零序负序参数等值关输入输出触点起集成变电站综合动化系统中
2数字通信技术光纤技术应
20世纪80年代数字通信设备发展应提高通信系统通信容量时通信技术中光纤通信技术正迅速取代金属电缆轴电缆远距离通信短距离容量信息传输光纤通信具频带宽信道衰减特点外具抗强电磁干扰优点光纤通信实际受电磁干扰浪涌暂态分量端间位差影响非常适变电站强电磁干扰环境保护监控装置佳通信信道
3计算机网络技术现场总线技术发展
20世纪80年代计算机网络技术现场总线技术发展特局域网（LAN）技术迅速发展应成种潮流满足电力系统特殊求该项技术变电站综合动化中广泛应
着计算机技术控制技术通信技术显示技术断提高机结合变电综合动化系统正着功综合化结构微机化操作监视屏幕化运行智化方发展必综合动化系统进入新起点变电综合动化系统发展方终目标限度提高变电动化水利计算机代手工操作终实现变电值班
第10章 变电综合动化系统概述
101 变电综合动化基原理
变电综合动化变电二次设备（包括测量仪表控制系统信号系统继电保护动装置远动装置）功组合优化设计利先进计算机技术电子技术通信技术信号处理技术实现全变电站电气设备输配电线路动控制动监视测量保护实现运行调度通信相关综合性动化功变电综合动化系统利台微型计算机规模集成电路组成动化系统代常规控制设备远动设备信号设备测量监视仪表微机保护装置代分列元件组成继电保护屏取消常规控制屏远动屏中央信号系统变电站综合动化动化技术计算机技术通信技术等高科技变电综合应变电综合动化系统采
集较齐全数信息利计算机高速计算力逻辑判断功方便监视控制变电站种设备运行操作变电综合动化系统具功综合化系统结构微机化测量显示数字化操作监视屏幕化运行理智化等特点简言变电综合动化集保护测量控制远运等体通数字通信网络技术实现信息享套微机化二次设备系统
1功综合化
变电综合动化系统技术密集种专业技术相互交叉相互配合系统建立计算机硬件软件技术数通信技术基础发展起综合变电次设备交直流电源外全部二次设备微机监控子系统综合原仪表屏操作屏模拟屏变送器柜远动装置中央信号系统等功微机保护子系统代子电磁式晶体式保护装置微机保护子系统监控系统相结合综合障录波障测距功电压调节中性点非直接接系统等子系统功
2结构分布分层化
综合动化系统分布式系统中微机保护数采集控制智设备等子系统分布式结构设计子系统 CPU时列运行实现变电站动化功样庞CPU群构成完整高度协调机综合（集成）系统样综全系统十甚更CPU时列运行实现变电站动化功外变电站物理位置子系统功分工综合动化系统总体结构分层原组织典型分层原变电站动化系统分两层变电层间隔层分三层变电站层通信层间隔层构成分散（分布）式综合动化系统
3操作监视屏幕化
变电实现综合动化值班值班操作员变电控室调度室面彩色显示器变电站设备输电线路进行全方位监视操作常规庞模拟屏显示器屏幕实时接线画面取代常规断路器安装处控制屏进行跳合闸操作显示器屏幕鼠标操作键盘操作取代常规光字牌报警信号显示器屏幕画面闪烁文字提示语言报警取代通计算机显示器屏幕显示监视全变电站实时运行情况开关设备进行操作控制
4通信系统网络化光缆化
计算机局域网络技术现场总线技术光纤通信技术综合动化系统中普遍应系统具较高抗电磁干扰力够实现高速数传送满足实时性求容易扩展性提高简化常规变电站繁杂种电缆连接方便施工
5运行理智化
智化仅表现常规动化功动报警动报表电压
功动调节电流接选 线事判处理方面表现够线诊断断诊断结果送远方控端区常规二系统重特征简言常规二次系统监测次设备身障必须维护员检查发现综合动化系统仅监测次设备时刻检测否障充分体现智性综合动化系统破传统二次系统专业界限设备划分原改变常规保护装置调度中心通信缺陷
6测量显示数字化
长期变电采指针式仪表作测量仪器准确度低读数方便采微机监控系统彻底改变原测量手段常规指针式仪表全显示器数字显示代直观明原工抄表记录完全印报表代仅减轻值班员劳动提高测量精确度理科学性
正变电综合动化系统具述明显特征发展具强劲生命力变电综合动化成新建变电导技术时变电改造首选产品
102变电综合动化系统结构形式
变电综合动化系统发展程结构形式集中式分层分布式分散集中式完全分散分布式安装物理位置划分集中组屏分层组屏分散次设备间隔安装等形式
1021集中式变电综合动化系统
种结构形式变电规模配置相应容量功微机保护装置监控机数采集系统安装变电控室变压器种进出线路电气设备运行状态电缆传关控制室保护装置监控计算机调度中心计算机进行数通信监控计算机完成显示控制制表印等功集中式综合动化系统缺点
1台计算机功较集中果台计算机出障影响面必须采双机联运行结构提高性
2中式结构软件复杂修改工作量调试难度
3态灵活接线规模变电软硬件必须行设计工作量影响批量生产利推广
4集中式保护长期采常规保护相直观符合运行维护员惯调试维护方便程序设计麻烦
集中式综合动化系统适合型变电新建改造
1022 分层分布结构集中组屏变电综合动系统
着微机技术通信技术发展特20世纪80年代期单片机性价格越越高变电站综合动化系统研究开发工作注入新活力研制者条件微机保护单元数采集单元次回路进行设计谓分布式结构结构采CPU协工作方式功模块间采网络技术串行方式实现数通信CPU系统提高处理行发事件力解决集中式结构独立CPU计算处理瓶颈问题方便系统扩展维护局部障影响模块正常运行
IE61850变电通信网络系统协议变电通信体系分三层：变电站层间隔层设备层：谓分层式结构变电综合动系统中通常继电保护动重合闸障录波障测距等功综合起装置称保护单元测量控制功综合起装置称保护单元两者通称间隔单元设备层指变电变压器断路器隔离开关辅助触点电流互感器电压互感器等次设备图2－2变电综合动化系统分层构示意图
间隔层次设备组织般断路器间隔划分包括测量控制继电保护部分测量控制部分负责单元测量监视断路器操作控制连锁事件序记录等保护部分负责该单元线路变压器电容器保护种录波等间隔层身种单元装置组成独立单元装置直接通总线接变电站层
第11章 变电监控系统总体设计原
111变电总体布置监控求
1111变电站监控系统基求设计原
该35KV变电综合动化系统负责整次系统进行保护监控
变电动化系统应充分考虑系统进行变电监控环境采技术应满足安全性性先进性实性原监控系统应值班员握安全控制事处理动性减少避免误操作误判应微机系统完成次设备监视控制数采集事件序记录屏显印功提高电网运行理水减少变配电损失
变电监控系统基求实时性(系统事件时作出响应力系统求时间完成规定务力)连续运行性维护方便快捷信息采集输出技术先进机交流方便通信信息处理控制算法先进等
该35KV变电监控系统站控层设备包括控单元台监控系统控单元采集中组屏方式安装布置变电控室间隔层测控设备电气单元组屏IO测控部件组成具交流采样测量防误闭锁期检测断路器紧急操作单接线图状态测量数字显示
等功全运行设备信息进行采集转换处理传送间隔层设备包括35kV线路母线变压器10KV馈线保护测控设备间隔层设备完全次设备中回路间隔配置间隔层保护测控单元设备35kV变压器保护设备测控设备独立配置采单独组屏方式控单元台系统起安装控室间隔层低压侧10KV设备采保护测控体化单元直接分散安装开关柜通数通信方式直接接入动化系统中
站控层通信系统设备双太网单太网通信介质光纤网络电缆线完成相互间通信次设计CBZ8000系统间隔层设备控单元间采RS485通信接口连接进行信息数交换实现计算机监控继电保护等功通信媒介非屏蔽双绞线(UTP)通信规约IEC 608705103IEC 608705104传输规约控单元通太网接口台监控系统集控中心远方调度控制中心通信进行信息数交换采TCPIP通信协议光纤组网台监控系统布置控室配置两台操作员工作站列运行互热备信息数均存放工作站数库中通权限设置台工作站采集实时数进行分析运算分类处理进行功组态软件设置网络理时变电全部次设备二次设备进行监视测量记录处理种信息变电电气设备实现远方控制
1112系统体系结构
CBZ8000变电站动化系统基Windows2000操作系统采面象分层分布式设计思想分站控层间隔层（整体分三层变电站层通信层间隔层）保护测控单元通信控制单元监控系统组成
该35KV变电CBZ8000变电监控系统采分散方式分层布置集中分散相结合系统结构系统分三层现场间隔层前置控单元层监控理层(计算机台系统)中前置控单元层理层均属站控层系统三层间相互独立
112 变电监控系统组态软件
1121 组态软件概述
组态伴着计算机软件技术控制领域广泛应发展起软件模块化象化便工程员调获目标工程项目监控控制软件系统种开发环境组态软件
然变电站综合动化系统站控层监控组态软件开发属工控组态范畴谓工控组态图形报表元件数库组成够外部设备相连进行通信交换数统系统驱动软件硬件设备两部分构成结合计算机技术驱动软件般包含直观丰富操作界面方面户根需进行定操作施发指令通讯设备收集整理外部控制象信息组态软件进行数处理报表统计图等直观形式传达户样户达解控制象情况目方面户解情况通组态软件控制外部设备运行
组态概念伴着集散型控制系统(Distributed ControlSystem DCS)出现开始广生产程动化技术员熟知套DCS较通控制系统应领域户需编代码情况便生成适合需求应系统DCS厂商DCS中预装系统软件应软件中应软件实际组态软件直没出明确定义种应软件生成日标应系统程称组态
组态概念早英文Configuration含义软件工具计算机软件种资进行配置达算机软件预选设置动执行特定务满足者求组态软件面监控数采集 (supervisory control and data acquisition SCADA)软件台工具具丰富设置项目灵活功强组态软件早出现时HMI (HumanMachine Interface)MMI (Man Machine Interface)涵具解决机图形界面问题着快速发展实时数库实时控制SCADA通信联网开放数接口设备广泛支持已成容
组态软件组成包括图形界系统实时数库系统第三方程序
接口组件控制功组件组态软件特点
(1)时务组态软件突出特点实时务例数
采集输出数处理算法实现图形显示机话实时数存储检索理实时通信等务台计算机时运行
(2)高性高性工业动化软件项重性指标组态
软件利冗余技术构成双机机备系统获高性技术指标
(3)延续性扩充性通组态软件开发应程序现场(包
括硬件设备系统结构)户需求发生改变时需作修改方便完成软件更新升级
(4)封装性(易学易)通组态软件完成功种方便
户方法包装起户需掌握太编程语言技术(甚需
编程技术)完成复杂工程求功
(5)通性户根工程实际情况利通组态软件提供底层设备(PLC智仪表智模块板卡变频器等)I0驱动开放式数库画面制作工具完成具动画效果实时数处理历史数曲线存具媒体功网络功工程某领域受限制
早先组态软件(Onspec Paragon 500早期FIX)运行DOS环境图形界面功强着90年代中期微软windows视窗系统推广具丰富机界组态软件迅速发展领导着工控软件流应较广组态软牛Wonderware公司Intouch IntellutioniFix西门子WinCC等国组态软件起步算晚年较发展具代表性产品亚控组态王庆三维科技股份限公司ForceControl太力信息产业限公司FpSynall等
着计算机硬件迅速发展组态软件发展量新技术应中组态软件技术门趋成熟功日趋完善前硬件技术软件技术完全组态应电力综合动化领域解决电力系统软件特殊需求
1122监控组态软件选择
设计中选美国Wonderware公司开发InTouch组态监控软件该软件机界面生成程序该软件特点开发者写长程序仅需作图建立动态连接然运行包括许应程序中两关键序WindowMakerWindowViewer前者开发户应系统者运行户系统
1 InTouch美国Wonderware公司开发世界第集成基组件MM I系统－FactorvSuite 2000中核心组件控软件相特点
( 1)先进性易性InTouch软件率先引入Micmsolv} inflow操作系统种绘图具强动画功丰富图形元件库快速建立部署实时生产程图形显示方案组态灵话方便减少开发时间费提高作效率
( 2)匹敌连接力InTouch支持新设备(A BB西门子Mod icon 0pto22等)通信协议包括WondderwareSuiteLink协议OPC ( OLE Ior Process Contml)标准动态数交换(Dvn)un is Data Exchange DDE) FastDDENetDDE允许安装第三方ActiveX控件井通配置应程序中组网方便简单
( 3)稳定性性InTouch软件技术员次测试性超群Wonderware公司已世界范围安装20万InTouchHMI足证明点
2 功介绍：
(1)作图功齐全
WindowMaker提供作图工具箱20余种作图工具10余种编辑工具Wizard图形库
(2)动态图画功
利WindowMaker画面制作画面中实物进行动态连接谓动态连接画面实物(Object )实际设备数建立联系设备状态发生改变时画面实物作相应变化示意性变化整画面生动逼真
(3)报警功
InTouch种报警优先级种报警手段配合种报警算法工程实际提供极便利
(4)部控制逻辑
InTouch允许户编制简短部控制逻辑程序InTouch 5 06种控制逻辑系统逻辑窗口逻辑键逻辑条件逻辑数改变逻辑软键逻辑逻辑InTouch功更加强编程员运
(5)历史数记录
InTouch标记名词典里允许户标记名设置成记录数利种功户方便关数记录备进行统计分析存档
(6)动态数交换功(DDE )
动态数交换InTouch运作基础InTouchDDE建立WindowsDDE基础单独开发快速DDE软件该软件WindowsDDE快3^4倍
(7) 网络功
InTouch支持目前常局域网络包括太网lOBASET令牌环等结构适WinSockNetBIOS DECnet FTP TCPIP NetManage TCPIP等网络接口
第12章 变电综合动化系统设计实现
站控层监控系统设计保护性基础采Wonderware公司Intouch组态软件实现变电综合动化系统站控层监控监视功通信层采星型太网分层分布式系统结构直接通太网间隔层测量保护设备进行通信
121 监控界面功
站控层中监控界面做位机系统位机送数信息进行实时处理变电运行进行安全监视控制功
1机联系功
(1)屏幕显示
变电综合动化系统进行机联系重手段通屏幕值班员时全面解供电系统变电运行情况容包括系统接线系统实时运行参数包括开关运行状态电压电流等种报表负荷曲线电压负荷曲线等显示求断刷新报警画面提示信息事件序记录事记录保护定值控制系统配置显示退出运行设备装置显示值班记录系统发生障时显示障关信息障处理关规程程序操作指令等帮助值班员妥善迅速处理事
(2)通键盘输入数
运行操作员代码密码运行操作员密码更改保护类型选择定值更改报警界线保护装置投入退出手动动设置设备运行检修设置信号复等
2记录查印功
运行日志定时印根系统运行需确定时间进行印间隔30分钟印次系统运行参数天定时印负荷报表负荷曲线等召唤印根值班员需指令时印指定容事障越限操作均机印召唤印种报表查印
3遥控功防误闭锁功
(1)断路器遥控操作
(2)电动隔离开关遥控操作
(3)控制闭锁设定保护投入退出设备运行检修设置信号复等高压断路器隔离开关通综合动化系统CRT屏幕进行操作电容器投切变压器分接头进行调节控制防止计算机系统障时法操作控设备设计预留工跳闸手段系统操作项常务操作规程求严格手续复杂劳动强度电力系统运行理程中断总结实际运行验采取许行效措施(操作票制度操作预演机械程序闭锁装置电磁闭锁装置等)电气误操作事始终未根消定程度危电力系统安全运行操作员生命安全着计算机发展微型计算机成电力系统防止电气误操作新手段变电站综合动化系统动识条件实现闭锁连续序等协调操作减少误操作综合动化系统操作闭锁容
(1)操作出口具跳合闭锁功
(2)操作出口具发性操作闭锁功
(3)根实时信息实现断路器隔离开关操作闭锁功
(4)适应次设备现场维修操作电脑五防操作闭锁系统防止带负荷拉合隔离开关防止误入带电间隔防止误分合断路器防止带电挂接线防止带线合隔离开关
(5)CRT屏幕操作闭锁功输入正确操作口令监护口令权进行操作控制
4报警功
报警种类
(1)事报警
(2)障报警
(3)越限报警运行中发生异常情况负荷电压低电压等时发出声光报普显示印越限参数时间
(4)系统部障报警
报警方式
(1)语音报警
(2)屏幕显示报警
(3)印报警
5报表理功
日报月报年报查印功
6通信功
位机位机实时通信实现数采集功模拟量状态量脉量
模拟量进线电压电流功率值段母线电压电流馈电回路电流功率值状态量高压断路器隔离开关位置状态变电次设备运行报警信号功补偿电容器投切状态等脉量脉信号表示电度量预留远方调度中心通信接口
122监控系统功实现
1监控系统界面
机界面监控程序模块组成8子程序组成程序模块功
(1) 页子界面首次登录监控系统显示监控系统界面链接钮实现超链接
(2) 次接线图子界面监控系统监控界面屏幕显示变电接线断路器分合闸信号线路设备电流功率等段母线电压等实时参数
(3)实时报警系统子界面动记录屏幕列表显示线路设备报警情况
(4)通讯状态监视子界面监视301母联1#变通讯状态显示电流电压功功显示历史曲线
(5)事件记录查寻子界面动记录屏幕列表显示台设备切断障电流次数便安排检修检修清零
(6)中央信号屏子界面显示继电保护关种保护报警复
(7)实时曲线子界面屏幕列表显示种设备关电流电压功功等参数曲线图
(8)通讯网络图子界面显示变电整体网络体系结构实时通讯状态
(9)实时模拟屏子界面：数字模拟屏形式显示设备电流电压功功少
2项数报表窗口
实时报警系统子界面事件记录查寻子界面 根采样TV TA实时数时实采集电气单元功功电流电压功率数电量动记录屏幕列表显示台设备切断障电流次数便安排检修历史查寻检修清零
参考文献
[1]朱松林变电站计算机监控系统：中国电力出版社2010
[2]丁书文变电站综合动化原理应第三版：中国电力出版社2011
[3]许珉杨宛辉孙丰奇发电厂电气系统[M]北京：机械工业出版社2011
[4]源部西北电力设计院电力工程电气设计手册[M]电气次部分北京：水利电力出版社2010
[5]周文俊电气设备实手册(册)[M]北京中国水利水电出版社2011
[6]陈珩电力系统稳态分析[M]第三版北京中国电力出版社2011
[7]李光琦电力系统暂态分析[M]第三版北京：中国电力出版社2011
专业相关文献翻译
翻译部分
英文原文
IED Modelling for IEC61850 Based Substation Automation System PerformanceSimulation
TS Sidhu Fellow IEEE and Yujie Yin Student Member IEEE
Abstract –This paper introduces the modeling of Intelligent Electronic Device (IED) on OPNET modeler a communication network modeling and simulation tool developed by OPNET TECHNOLOGIES These configurable IED models allow to easily build Substation Automation System (SAS) network model with different topologies for all kinds of substations so that the dynamic performance issues could be studied during the planning stage and network performance problem could be caught ahead of the deployment stage An example of using those models to construct SAS network on OPNET Modeller as well as the network performance simulation results is also included in this
paper
Index TermsGeneric models IEC 61850 OPNET Moeller Intelligent Electronic Device (IED) Substation Automation System (SAS)
I INTRODUCTION
SUBSTATION Automation System (SAS) established using multifunctional Intelligent Electronic Devices (IEDs) and advanced network communication technologies could provide us with the effective substation monitoring local & remote control protection primary equipment condition monitoring and many other functions that couldn’t be realized with conventional protection and control devices
The key objectives for designing substation automation architecture are interoperability between IEDs satisfaction of communication performance and extensibility of the architecture IEC 61850 the global communication standard for Substation Automation System defines the communication between IEDs and not only solves the interoperation problem but also specifies other system requirements like message performance information security in SAS network
According to the IEC 618505 the message transmission time requirements for SAS network must be ensured under any operating conditions and contingencies inside the substation Dynamic performance of the SAS network must bestudied during the planning stage in order to catch network performance problem ahead of the deployment stage In IEC 618505 clause 13 specifies the message performance requirements for all type of substation automation systems and clause 15 states two approaches that could be used to study the SAS network performance—PICOM model and simulation of LAN performance
The calculation method and sample calculation for PICOM model is introduced in IEC 618505 I1 Since this method doesn’t consider the overhead message structure and the background dataflow it is only used for determining the total data rates of the network For the dynamic performance of a physical SAS network LAN simulation tools must be used In IEC 618505 I2 a SAS network’ s dynamic performance is studied using COMNET III simulation program without stating how the IEDs are modeled Because it is based on the number of messages that flows at the specific scenario the user needs to determine the number of messages flowing on the network for a given testing point Therefore the simulation result is compromised by the accuracy of the message estimation Skeie et al [5] have proved that Ethernet has the sufficient performance characteristics to meet the real time demand of SA system Kern et al [6] have done the feasibility investigations and shown that IEC61850 communication approach satisfies the real time requirements for substation control and protection The research presented here however differs from the above researches in the following aspects
The purpose of this research is to create IEC 61850 based IED models and setup a platform for substation communication network performance study which could be used by engineers to answer the questions such as if a 220kV substation SAS network with 16 bays expanded to 20 bays five years later can still satisfy the performance requirements or not
In [5] UDPIP is used for time critical messages which is not the case for the IEC 61850 standard However the proposed OPNET models in this paper are constructed based on the IEC 61850 standard
which means the data (GOOSE message raw data and clientserver message) will pass the communication stack specified in IEC 61850
The proposed OPNET models aim to simulate the various SAS network under different scenarios allowing the user to set the raw sample rate fault time number of faults background traffic and other
configuration parameters
Substation Automation System consists of multiple components Each component serves multiple functionalities In order to simulate the dynamic performance of SAS network OPNET IED models are constructed to represent the specific characteristics of SAS network The study of SAS network on OPNET is separated into two levels—process level and station level The message types that flows on the network are based on IEC 61850 standard Background traffic such as file transfer can also be created by adding extra work stations
II IED MODELS IN SAS NETWORK
Figure 1 shows a typical power system transformer bay unit for protection and control in SAS The secondary devices consist of Breaker IEDs Merging Unit (MU) IEDs and combined Protection & Control IEDs The MU IED first processes and combines the signals from field CT and PT Then it transmits the digital voltage and current output to the process bus (a high speed field Ethernet bus) The Breaker IED which not only controls the breaker’s openclose but also monitors the state and condition of circuit breaker receives the tripclose command from the protection IEDs or HMI and sends state change event to HMI and corresponding protection IEDs through the process bus The combined protection & control IED a universal device integrates all substation protection & control functionalities OPNET models for those IEDs are simplified for the performance simulation pu
rposes Priority tagging is not supported however in future work the IED modeling will be improved to support priority tagging The procedures to construct the
Fig 1 69kV substation single line diagram
A OPNET Model of Merging Unit IED
The Merging Unit IED is to merge three phase current and voltage and then transmit the raw data sampled values to the LAN network as described in the IEC 618505 For SAS network performance simulation purpose it in fact serves as a traffic generator The raw data sample rate could be configured according to IEC 61850 based on the substation performance type (Table 1)
TABLE 1
RAW DATA FOR PROTECTION AND CONTROL
The current and voltage raw data will be put into an Ethernet packet and then sent to the corresponding protection devices through multicast messages The user can configure the sample rate start time stop time packet size address multicast group address and transmission type (P2P multicast broadcast)
OPNET modeler constructs the models using objectoriented modeling approach Network devices like IEDs switches and workstations are called node models in OPNET modeler Node model consists of Modules connected by packet streams or static wires Each module is assigned to a process module to achieve the required behaviors Figure 2 shows the node model diagram for MU IED The model in Figure 2(a) is for bus topology and the one in Figure 2(b) is for star topology The small squares in the model represent the process models OPNET modeler has the node model editor and process model editor that facilitate the model design
Fig 2 MU IED OPNET models
The raw data source module allows the user to define the packet format packet size and packet rate the user wants to generate
The sink module will first calculate the packet transferring time collect other statistical data for all the packets that come from the network and then destroy them so that memory space could be freed
The eth_mac_intf defer and mac modules implement the Ethernet protocols and algorithms This is the place where OPNET processes the incoming and outgoing packets
The hub_rv0 and hub_tx0 are OPNET symbol for point to point receiver and transmitter And the bus_rv0 and bus_tx0 are bus receiver and bus transmitter They are used for nodes to be connected to the switch or bus
OPNET’s process model uses finite state machine (FSM) approach to support the implementation of protocols resources applications algorithms and queuing policies States and transitions graphically define the progression of a process in response to events Each state of a process model contains embedded CC++ code supported by an extensive library of functions designed for network programming Figure 3 shows the process model for the raw data source in MU IED model
Fig 3 Raw data generation process model
B OPNET Model of Circuit Breaker IED and Protection IED
The functionalities of Circuit Breaker IED are to receive the trip message calculate the end to end delay [ETE delay] and send a multicast GOOSEGSSE event to other protection IEDs Similarly as the MU IED user can configure the event packet size address and transmission type (P2P multicast broadcast)
The Protection IED could be configured as Normal or Fault mode If it is in Normal mode it generates constant rate packet and send it to the station PC If it is in Fault mode it will send trip message at a specified time The trip message will be multicast to the corresponding breaker IEDs For it to work properly the user also needs to configure its address multicast group address destination address and other
parameters according to the simulation requirements
The Node Models (Figure 4(a)) for breaker IED and protection IED (Figure 4(b)) in NormalFault mode are similar with MU IED Besides sending out fast and medium speed message such as trip process state rms value they also receives the message from the network Therefore the behaviors of those IEDs are different with MU IED the process modules with embedded CC++ code which are used to define those behaviors are different
Fig 4 Breaker IED and protection IED for star topology
Since the aim is to observe the transferring time delay or ETE delay for the trip message raw data samples and other time critical messages in SAS network OPNET will collect the statistics and draw an ETE delay diagram which could be used to create a simulation report Figure 5 is a raw data sample ETE delay diagram obtained from one of the protection IED From this diagram it can be clearly observed that maximum message delay is around 0048s which happened at around 2 seconds
Fig 5 Sample ETE delay diagram generated by OPNET
C Station PC Switches and Network Link
The SAS network based on OPNET Modeler uses the standard Ethernet workstation model switch and links The details of those models could be obtained either from OPNET modeler or its user manual [3]
III TRAFFIC FLOW ON SAS NETWORK
According to IEC 61850 messages are classified into 7 categories Table 2 summarizes those messages and transfer time requirement range The messages with critical transferring time requirement such as type 1 type 2 type 4 and type 7 are the focus of research reported in this paper
TABLE 2
MESSAGE TYPE AND PERFORMANCE REQUIREMENT IN SAS NETWORK [1]
The amount of traffic on the LAN network and the network throughput could be two factors that affect the network performance Therefore upon completion of the SAS network modeling on OPNET correct analysis of network flow at a given scenario is critical to the performance simulation
The amount of traffic could be decided by investigating the SAS network at a given scenario and asking the following questions what are the sample rates or polling rates What is the packet size How many messages need to be sent out for a fault Are there any other messages that could flow at this testing point Once this is done the IED models could be easily setup to generate those messages and determine their
transfer times
IV SAMPLE SUBSTATION AUTOMATION SYSTEM CONSTRUCTED ON OPNET MODELER
The selected substation is a standard 69kV distribution station There are two 69 kV lines connected through an isolator bridge and six 138 kV lines connected into a sectionalized straight bus There are two 69138 kV transformers The station’s single line diagram is shown in Figure 6 The IED configuration for each bay unit in the substation is given in Table 3 The simulation networks are configured as follows
For 138kV line the raw data GOOSE messages are transmitted among the MU IED protection IED and breaker IED using P2P
For Transformer bay and 69kV line bay MU IED multicasts raw data message to 2 protection IEDs The transformer bay protection IEDs also multicast trip messages to two breaker IEDs
Protection IEDs and breaker IEDs are configured to send polling messages such as metered values
breaker status to station PC
Fig 6 69kV substation single line diagram
For the bus topology (see Figure 7) 15 protection and control IEDs 11 MU IEDs 13 Breaker IEDs are connected with the process bus (divided into two segments) IEDs related with the two 69 kV lines and two transformer bays share one process bus segment The six 138kV feeders and 138kV bussection share another process bus This arrangement can minimize the data to b
e transferred between the segments The station bus will connect 15 protection IEDs and a Station PC CSMACD (Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detection) is implemented in each IED connected to the communication bus With this technique each IED listens to the bus and sends message when it has detected that the bus is idle If a collision occurs with another IED the transmission will be stopped and after a random time period of time the IED will retry Collisions are a normal part of CSMACD networks It will slow down the system
significantly when excessive collisions happen And this could also be observed in the following simulation results
Fig 7 SAS network with process bus and station bus
For the star topology (Figure 8) three switches are used The IEDs connected to Process Bus 1 in bus topology (Figure 7) are now connected to switch 1 Other IEDs are connected to switch 2 Switch 3 connects station switch 1 switch 2 and station PC
Fig 8 SAS network with star topology
Other topologies such as ring topology could also be constructed using the proposed OPNET IED models
V SIMULATION RESULTS
Simulations are performed for the LAN speed of 10MBitssec 100MBitssec for both bus topology and star
topology under the following scenario It is worth noticing that this scenario may not be the worst case scenario for the given substation The worst case scenario however could be decided during the planning or design stage based on the substation operating environment protection and control scheme and other factors that could affect the substation and communication network
There is no bay controller in the SAS network The protection IED actually means the protection & control IED
It is assumed that the fault causes two protection IEDs to send trip messages to corresponding breaker IEDs The message size is 256 bits Each trip message is sent four times to ensure correct delivery of message
Other protection IEDs and Breaker IEDs are sending polling response message to station PC at a rate of 50 ms so that station PC could acquire all the data from those IEDs in 2 seconds These messages are type 2 messages related with process values such as rms voltage & current and breaker status The message size is 256 bits Each polling message is sent once to the network
First the networks shown in Figure 7 and Figure 8 were simulated Then the situation of using one process bus and one switch for all 39 IEDs was simulated This was done to observe the effect on performance with the increasing of IEDs for the bus and star network
The trip message ETE delay and raw data message ETE delay under this scenario for both the Bus and Star topology for the sample SAS network were determined Tables 4 and 5 show the results for bus topology and Tables 6 and 7 show the results for star topology
TABLE 4
MESSAGE DELAYS ON BUS NETWORK (TWO PROCESS BUSES)
*Those network configuration should be avoided as some message ETE delays violate the IEC 61850 standard
**The time is not shown as the messages jammed and the ETE delay went crazy
From the results it can be observed that the bus topology is viable for small and low sample rate SAS network in P1 or P2 class as defined in IEC 618505 [1] Sampling rate will affect the performance when the network LAN speed is low for bus topology With the number of IEDs increasing the network performance will also decrease sharply for 10MB bus Therefore if process bus is to be used especially for
10MB bus to satisfy the performance requirement an analysis of the network and proper segmentation of the process bus is needed
Star topology offers a better performance than bus topology The sampling rate of raw data doesn’t have obvious affect to the ETE delays The network performance is only slightly affected by increasing of IEDs
VI CONCLUSIONS
The use of IED models based on OPNET modeler to build the SAS network and simulate network performance has been shown to be an effective tool for solving critical performance problems in SAS network Through the simulation the protection & communication engineers could observe the message delay inside the network so that network performance specified in IEC 61850 could be achieved by
selecting proper topology and network configurations
1 forouzanBTcplzp Protocpl SuiteNew York
NYMcGrawHill2006
2Gj1977A Reduced state Variant of Maximum Likelhood Sequencde Detection Attaining Optimum Performance for High Signal –toNoise Ratios IEEE Trans
3R1968Maximal Recursive Sequences With 3VALNED Recursive Cross Correlation Functions IEE Trans Inform Theory Vol It14
中文译文
IED造型基IEC61850变电站动化系统性模拟ts sidhu研究员IEEE玉阶尹学生会员ieee
摘文介绍建模关OPNET模拟器智电子装置(IED) 通信网络仿真建模开发工具OPNET技术 IED结构模型够轻易建立变电动化系统(SAS)网络模型拓扑类变电等动力性问题研究规划阶段网络性问题处提前规划阶段 例OPNET模拟器建立SAS网络模型网络性仿真结果文章中介绍
索引目录通模型IEC61850opnet默勒智电子装置(ied)变电站动化系统(SAS)测试
导言
变电动化系统(SAS)系统建立利功智电子装置(研究)先进网络通信技术 提供效变电站监控远程控制保护设备设备状态监测许传统保护控制装置法实现功
设计变电站动化目标IED通信形式适性结构扩展性满意通信性 延展性架构 IEC61850全球通信标准变电站动化系统 定义IEDSAS网络中仅解决互通问题规定系统求信息安全通信
根IEC618505 SAS信息传输时间求必须操作条件突发变电站确定 SAS网络电动机特性必须规划阶段捕捉网络性问题须提前处部署阶段 IEC618505 第13条明确类型变电站动化系统信息性求研究SAS网络性：PICOM模型LAN仿真性两种连接方法15种状态
IEC618505i1中介绍PICOM模型计算方法抽样计算种方法考虑开销信息结构背景数 确定网络总数传输速率 物理性质SAS网络动态特性局域网仿真工具必须 IEC618505中 SAS动态性没说明IED模拟COMNET III仿真程序研究 基数量
特定情况 户需确定某测试点网络信息流量 模拟结果信息估计准确性组成SKEIE al [5]证明太网具足够特性满足SA系统实时需求 Kern etal[6]做行性调查表明IEC61850通信方式满足变电站控制保护实时性求然里述研究方面
•研究目创造IED模型设置变电通信网络特性研究基础IEC61850MMS工程师回答问题例果220kV变电动化系统网络16 槽扩展20槽五年否满足性求？
•[5]UDPIP时间关键评价实际IEC61850标准 文中OPNET模型基IEC61850标准包含数(GOOSE信息原始数户端伺服器信息)通通信栈规定IEC61850
•OPNET模型产生目标模拟情况种SAS网络 允许者设定原始采样率障时间减少失误背景流量配置参数
变电站动化系统部件组件具种功 模拟SAS网络动态性OPNED IED模型表现SAS网络基特性建立 关OPNETSAS网络研究分两层次：程阶段状态阶段网络流信息类型基IEC61850标准 背景流量等档案传输通增加额外工作站产生
二 SAS网络中IED模型
电流电压原始数会放太网包然通广播通道送相应保护仪器 户配置采样率开始时间停止时间封包址 广播组址传送类型(P2P播广播)
OPNET模拟器构造模型采面象建模方法 IED网络设备交换机工作站OPNET中称节点模型 节点模型包括栈址相连模拟器固定口 单元分配程序模块实现需行 图2显示MU IED节点模型示范图2(a)总线拓扑图2(b)星形拓扑 正方形模型程模型 OPNET模拟器方便模型设计：节点模型程编辑模型编辑器
原始数源模块允许户定义包格式包 户想包速率连接模拟器先计算包传递时间 收集网络包统计资料 然摧毁记忆空间释放
该eth_mac_intf延迟MAC单元实行太网协议算法OPNET输入输出包方
该hub_rv0hub_tx0OPNET点点接收发送器 bus_rv0bus_tx0总线接收发送器 节点连接交换机总线
OPNET 处理模型限状态机(FSM) 接支持协议实施 资源应算法 排队政策状态转折图解定义进步程回应事件处理模型状态包含嵌入CC++ 代码 作广泛图书馆支持设计网络编程图3 显示处理
模型MU IED 模型原始数源
B OPNET 模拟器IED电路断路器 IED保护
IED断路器功接受访问信息计算端端延迟[ ETE 延迟] 发送广播 GOOSEGSSE 事件IEDs保护样作MU IED户配置事件包址传输类型(点点播广播)
IED保护配置正常障模式 果正常模式产生恒定速率包传送PC站 果障模式访问电文特定时间发送 访问讯息广播相应IED断路器正常工作户需根仿真求配置址广播组址 收件址参数
节点模式(见图4(a))IED断路器IED保护(见图4(b))正常障模式类似MU IED 快速发送中速信息例行程进程状态rms价值收网络信息 IDE行MU IED程模块嵌入式CC++代码 定义行样
(a) (b)
图4 星形拓扑结构IED断路器IED保护
然目观察SAS网络中传递时间延迟访问信息延迟 原始数样关键访问信息OPNET收集统计出 ETE延迟表 产生仿真报告 图5IED保护中原始数样ETE延迟图 里清楚观察信息延迟约0048s
2钞
图5 样品ETE 延迟图OPNET 引起
C 驻计算机开关网络链接
SAS 网络根OPNET 模拟器标准太网工作站模型开关链接模型细节OPNET模拟器者户手册[ 3 ]中
三 SAS 网络传输流量
根IEC 61850 信息分七类 表2总结信息移交时间需范围关键传输时间需信息1型 2型 4型7型篇文章中心
表2 SAS 网络[ 1 ]消息类型性求
局域网传输量网络通量两素影响网络特性 关OPNET完成SAS网络建模中 特定情况正确分析网络流量关键性仿真
传输量检测特定情况SAS 网络提出问题什抽样率票率 什封包 许信息样发送出障 没信息流测试点 旦样做 IED模式轻易产生信息决定传输时间
四 关OPNET 模拟器样品分站动化系统修建
选择分站标准69kV变电站二条69千伏线连接通绝缘物桥六条138 千伏线连接部分直总线二69138 千伏变压器单线路变电站线路图显示图6 分站中单元IED 配置表3中出模仿网络配置
1138kV 线路 原始数 GOOSE信息传送MU IEDIED 保护点点
IED断路器
2变压器槽69kV 线路槽 MU IED广播原始数消息2路IEDs保护中变压器槽IEDS保护广播访问信息两IED断路器
IEDs保护器IED断路器配置发送收线信息测量价值 断路器位置计算机站
图6 69kV 分站唯线路图
表3 IED配置69KV 分站
总线网络结构(参见图7) 15 IEDs保护控制器 11 MU IEDs 13 IED断路器连接程总线(分成两部分) ieds两条69千伏线路2台变压器槽享进程总线段 六路138kv馈线138kv部分总线享进程总站样安排数减转移间段总线站连接15 IEDs保护器台计算机CSMACD (载波检测路访问突检测) IED 连接通信总线技术 IED 监听站发送信息发现总线空闲时果
IED发生碰撞 传输停止 段机时间 IED会重新碰撞CSMACD 网络般部分发生碰撞时会拖慢系统程显示模仿结果中
图7 带程总站站SAS 网络
面星形拓扑(见图8 ) 三交换机总线拓扑中IED连接程总站(图7 )现连接交换机1IED连接交换机2 交换机3连接站交换机1 交换机2计算机站
图8 星拓扑结构SAS 网络
拓扑环形拓扑建成OPNET IED模型
五．模拟结果
模拟器10MBitssec太网速度总线网络结构星形拓扑100MBitssec方式形成值注意情节坏情况指定分站坏情况决定规划设计阶段期间根分站操作环境保护控制策划 素影响分站通信网络
SAS 网络中没槽控制器 IED保护器实IED保护控制器假设 错误导致两IEDs保护器发送访问消息相应IEDs断路器信息256 位访问信息发送四次保证消息正确交付
IEDs保护IEDs 断路器秒50速率发送应答信息计算机站计算机站2秒IED数消息2型信息处理价值关譬rms 电压& 潮流断路器状态消息256 位应答信息发送次网络
MU IEDs 送原始数信(型4) 指定采样率消息256 位原始数消息寄发次网络消息消息转播意选择 未工作 出版实施指南IEC 6185092 决定原始数消息评估
首先 图7 图8显示网络仿真然 程站模拟交换器39IEDs 模仿样做观察总线星形网络IEDs递增性反应
总线型星拓扑结构样品SAS 网络情况访问信息ETE 延迟原始数消息ETE延迟确定表4 5 显示结果总线网络结构 表6 7 展示结果星拓扑结构
* 网络布局应该避免作消息ETE 延迟违反IEC 61850 标准
** 时间显示作消息阻塞 ETE 延迟疯狂
结果 观察总线网络结构实行低样品率SAS 网络P1 P2 级中定义IEC 618505 [ 1 ] 局域网速度总线网络结构降低时候采样率反应特性着IEDs 数量增加 网络特性锐减10MB总站果进程站特10MB总站 满足性求 网络分析适分割进程总站需
星拓扑结构公汽车拓扑结构提供更特性原始数采样率没明显影响ETE 延迟网络性轻微影响IEDs增加
六 结
IED 模型途根OPNET 模拟器建立SAS 网络模仿网络特性显示SAS 网络解决关键性问题效工具通模仿 保护& 通信工程师观察网络中信息延迟网络特性IEC 61850中指定通选择适拓扑结构网络布局实现
致谢
毕业文导师XX老师悉心指导完成完成文期间XX老师精心指导热情帮助提供良学环境锻炼机会特XX老师渊博学识实事求工作作风问题精益求精学术态度受益非浅逐渐培养起严谨细心学作风XX老师细心全面审阅全文提出许宝贵意见提高文水研究方握起重作文完成际特导师表示诚挚谢意感谢文完成程中帮助老师学时评阅文参加答辩位专家表示衷心感谢
附录组态调试图
结束语
两月时间利完成次毕业设计总体说成果较满意基达老师求段时间翻阅许书籍变电站生疏解深入研究第
次完成件实际应设计历阅历实际操作力限难免存意方请位老师指点
通次设计仅丰富专业知识深深体会认识事物程题目查阅资料题目进行设计证修改设计完成体现理联系实际重性更重次设计学会独立完成件事情参加工作做基础设计利完成付出许劳动老师细心指教分开程中体现出老师渊博专业知识更体现出老师宽厚品质设计程中学会勤奋求实工作精神更懂品质切工作生涯中起着重作机会帮助老师表示衷心谢意
程中特感谢予帮助学朋友鼓励支持会天成绩
文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
《香当网》用户分享的内容，不代表《香当网》观点或立场，请自行判断内容的真实性和可靠性！
该内容是文档的文本内容，更好的格式请下载文档