Automation Renovation and Design of Secondary System of Conventional Substations
摘 要：结合已建成和改造完的无人值班站经验，以河北省南部电网典型的常规变电站为例，探讨常规变电站的自动化改造与设计。
关键词：变电站；远动；自动化改造
Abstract：Referring to the experiences of already constructed or renovated unmanned substations, this paper, taking the substations in South Hebei Electric Power Network as examples, discussed the automation renovation and design of conventional substations.
Keywords：substation;remote control;automation renovation
变电站是输配电系统中的重要环节，是电网的主要监控点。随着计算机技术在电力系统的应用和发展，越来越多的新建变电站采用综合自动化设计，该设计在河北省南部电网所有新建变电站中已成为成熟的定型设计。但在电力系统中，仍存在大量服役多年的常规变电站，这些老变电站一般都是电网的枢纽变电站，容量大、出线多、投运久，其一次设备老化、损坏及腐蚀严重，维护更新的工作量及费用逐年增加，且效果不明显。站内二次设备从电磁型继电器保护、晶体管保护、集成电路保护、弱电选控设备到“四合一”的集控台都在同时运行。这些设备的老化对变电站的安全、优质、高效运行构成很大威胁，对电网系统的安全、稳定、最优运行也是一大隐患。鉴于每年对这类变电站投入大量人力、物力、财力进行维护整治而效果不理想，因此，对这些旧站合理的、经济的、先进可行的改造，使其满足无人值班或少人值班的要求，已成为电力系统工程技术人员面临的迫切问题。
1改造目的
a. 实现对变电站所有电气设备的实时监控，提高变电站运行的安全可靠性。
b. 达到无人值班/少人值班的要求，改善工作条件，实现CRT实时监控及运行记录自动化，提高变电站的自动化水平和运行效率。
c. 满足电网调度自动化的功能要求和对远动数据的实时性、可靠性、正确性和准确性的要求。更加及时、全面地掌握电网及变电站的运行情况，实现“四遥”和电压/无功功率调整自动控制（VQC）功能，增强调度中心监视和控制的能力。
d. 降低电网成本，提高经济效益。
2改造原则
a. 充分利用原有设备，尽量降低改造成本；合理设计回路，减小改造难度。
b. 增强“四遥”功能，利用RTU组建站内自动化系统以及相应的分布式通信网络，实现全站自动化。保证远动信息直采直送，远动命令直收直控。至中调、地调的远动信息传输采用数据网串行接口通信和远程计算机网络接口通信2种方式。
c. 继电保护装置、故障录波器和系统安全自动装置独立设置，保护信号采用双重采集，即微机保护装置的主保护信号以硬接点方式分别接入中央信号和监控系统，数字输出通过串行口或由保护管理机接入以太网与监控系统相连。
d. 电能量信息由智能电能表以串行接口方式接入测控装置，计量关口点的电能量信息采用无源脉冲接点方式接入测控装置。
e. RTU的电气模拟量采用交流采样，系统框架和容量按变电站最终规模考虑，测控部分按现状规模配置。
f. 监控系统通过多媒体服务器与变电站工业电视设备进行通信。
3自动化系统模式的选择
常规变电站自动化改造的关键是自动化模式的选择，必须根据各变电站的实际情况全面、系统考虑。目前国内变电站实现自动化改造主要有以下2种模式。
3.1常规远动方式
常规远动方式是指采用调度自动化系统的远动RTU实现自动化改造。该方式在原有RTU基础上，采用局域以太网或RS485星形结构，由功能分布式网络化的RTU构成监控系统，增加相应的测控功能及信号。控制室的继电保护屏和中央信号系统保持原设计不变，保留原二次系统，仅对原有二次回路进行改动，易于运行和维护。充分利用原有设备，投资小、改造施工简便、工作量小，但改造后的二次回路设计较复杂。
原则上运行一、二十年的变电站宜采用该方案。
3.2综合自动化方式
综合自动化方式是指采用保护、测量、控制一体化的监控系统实现自动化。该方式集变电站二次功能为一体，信息高度共享，结构简单、功能较多。需进行全面的二次系统改造，取消中央信号系统（信号屏、控制屏），保护屏更换为保护测控屏，远动系统和计算机监控系统统一考虑，采用分层分布式结构的开放式系统，将信号和控制回路接入计算机监控系统。该方案需更换大量原有保护及二次设备，投资高、改造难度大、施工复杂、工作量大。
采用该方式对旧站进行改造比较困难，但改造后的二次回路设计大为简化。通常适用于新建站，运行超过30年的变电站可考虑。
4具体方法
4.1遥测部分
需要进入计算机监控系统的测量参数根据有关规定和用户的实际需要来确定。主要问题是如何保证系统在更换过程中，旧RTU不停运。
原老变电站测量和计量共用1个TA卷，RTU作为全站测量回路的终端，串接在电能表屏后面。
根据DL/T 51372001《电测量及电能计量装置设计技术规程》，应结合扩建和技改工程更换TA，设置专用计量TA。遥测信号串接在仪表之后，电缆由控制屏至RTU 采集屏；电能表接专用TA，原控制屏至电能表屏、电能表屏至RTU采集屏的回路及电缆接线不变，投运后直接拆除旧RTU即可。
无法更换TA的，遥测信号串接在仪表之后，用1根四芯电缆由控制屏至RTU 采集屏（IA,IC,IA′,IC′），原控制屏至电能表屏、电能表屏至RTU采集屏的回路及电缆接线不变，投运后直接拆除旧RTU即可。
4.2遥信部分
4.2.1事故总信号
a. 事故总信号的采集比较繁琐，方案也很多，一般方法是改造二次回路，从中央信号回路中采集。放弃当地音响功能，或通过加装压板或继电器人为地在“当地”和“远方”之间切换，该法存在信号误发问题，且不满足“双轨制”的运行条件，不利于长期运行；同时，每当站内进行事故音响检查时，调度端均会收到事故信号，造成遥信误动。
b. 采用多接点静态型信号继电器实现事故总信号的多重采集。该继电器能提供三对及多对接点，一对为有源接点，用以点亮光字牌，保证当地功能；另两对为无源接点，其中一对供给RTU的保护动作信号，另一对与其它各套保护中的信号继电器接点并接后送给RTU，产生事故总信号，当站内任一套保护启动并跳闸时，事故总信号与该套保护动作信号同时送出。该方法使事故总信号在当地与远方间相互独立运行，解决了上述问题。
c. 由RTU软件处理生成，或由调度端主站软件处理生成。将所有启动跳闸的保护信号软件启动，生成事故总信号。这种方法现场信号回路和接线基本不变，安全可靠、简便易行、施工工作量小。
4.2.2控制回路断线信号
控制回路断线是监视断路器分合闸回路完好与否的信号，如果原控制回路中装设了位置继电器，则将分、合闸位置继电器备用的常闭接点接送至RTU即可实现。实际上绝大多数老式变电站设计中均未考虑装设位置继电器，如果重新加装位置继电器，则增大了投资，不仅施工难度大，而且会破坏屏的整体感。
a. 一般采用从光字牌利用光电隔离的方法，将信号转接入RTU。
b. 采用带从动接点的红、绿指示灯，该灯有一常开与一常闭接点，将同一控制回路中的红、绿指示灯的常闭接点串接送给RTU，即可获得控制回路断线信号。施工时只需更换指示灯，接上2根信号线。采用这种方法，同屏控制回路可共用电缆，降低了资金投入和施工难度。
4.2.3断路器和隔离刀闸位置信号
断路器和隔离刀闸的位置信号是反映其运行状态的信号，一般从断路器和隔离刀闸的备用辅助接点处采集，但电缆施放工作量大。
以上述经验为基础，用控制回路中红、绿指示灯的从动继电器常开接点来输出开关位置信号，与控制回路断线信号共用电缆，进一步减少了成本投入和施工工作量。
4.2.4其它遥信量
其它遥信量包括：主变压器的温度越限、轻瓦斯、油位异常、SF6断路器的压力异常、压力闭锁、弹簧未贮能、机构异常、直流接地、事故信号熔丝熔断、预报信号熔丝熔断等。上述诸多信号一次设备只能提供一对有源接点，动作后用以点亮光字牌。
a. 如取消光字牌，则将其改为无源接点或直接提供给RTU。
b. 如保留光字牌，可利用保护动作或设备异常时触发站内光字牌的直流电源，加装一级中间继电器或采用有从动继电器的光字牌，当装置动作时，点亮现场光字牌；同时启动继电器，利用继电器的常开接点发远动信号。
c. 采用光端子，利用光电隔离的方法，从光字牌并接入RTU。当保护动作或设备异常时，在启动现场光字牌的同时；驱动光电隔离，利用开关管的开关特性与远动RTU的直流24 V/48 V电源构成回路，发出远动信号。
d. 保留光字牌和远动信号同时并存的主要问题是，当做光字牌传动试验时，将误发远动信号。解决方法是在控制屏上光字牌至RTU 的220 V直流电源回路中加入1个控制开关，当做光字牌传动试验时，打开控制开关，切断至RTU的信号回路。
4.2.5传统处理方法与光电隔离方法的比较
传统改造方法因大量使用中间继电器，产生继电器接点接触不良、接点抖动而引起的拒发和误发远动信号的现象，大量的继电器必须集中组屏安装，增加了投资费用。而采用光电隔离的信号转换因全部采用集成电路和电子元件，克服了上述问题，可随意安装在保护或控制屏上，提高了可靠性，降低了费用，施工简易、灵活。
4.3遥控部分
a. 将RTU屏上每路遥控输出端“+”、遥分、遥合、闭锁重合闸分别接至原控制回路中正电源、就地操作开关KK的分闸接点7和合闸接点8以及重合闸放电接点2、4即可实现。施工时注意：相邻回路共用电缆，减少施工工作量和RTU屏端的电缆数量； “+”电源应分别使用各自回路的控制电源，严禁多回路共用，并通过RTU侧压板闭锁。
b. 将RTU屏上每路遥控输出端“+”、遥分、遥合分别与手控开关并联接至原控制回路中的正电源、操作箱，并增加就地/远方控制选择开关。
4.4遥调部分
老站部分变压器分接头调整虽能通过主控室控制箱由人工按照母线电压高低来完成，但不具备自动或由远方操作的功能，必须更换其控制装置。改造后，应能实现如下功能：
a. 分接头位置可视母线电压高低自动或手动调节，也可由遥控操作调节。
b. 有与RTU连接的通讯口。
c. 有提供给RTU的分接头位置信号的无源接点和数字接点。
d. 实现主变过载闭锁调压功能，调压电源消失、装置异常等信号就地发信和远方传递。
4.5电容器的自动投切装置
a. 对原电磁型保护、控制回路不做改动，充分运用现有设备，不做大的投入，减少施工工作量和投资。
b. 保护动作与自动投切信号分开。
c. 改造后实现当地与远方双重功能。
4.6其它需改造或更换的设备
4.6.1直流装置的更型
老站一般采用硅整流装置，用电容贮能，其故障的发现和正常的检查工作必须由人工操作完成，应将之更换为免维护装置，采用双充电机和一组免维护蓄电池，该装置至少应有如下功能：
a. 2台充电机可并列或独立运行，相互切换，自动调节充电方式。
b. 各直流分路有自动绝缘检查功能。
c. 有提供给RTU的绝缘破坏、直流电压过高、直流电压过低、电机停充、电池放电等信号的无源接点。
d. 实现对每节电池的电压、温度等自动检测和发信。
4.6.2增设断路器分合闸线圈防烧毁装置
当断路器由KK或远方操作时，如断路器分合闸回路的辅助接点调整不当，或辅助接点因长期使用转动部件间隙过大，在切换过程中易造成拉弧或不能断开，使分合闸线圈长时间带电而烧毁，可能造成火灾和损坏直流装置。为防止此类事故的发生，在无人值班改造的同时，应考虑加装防断路器分、合闸线圈烧毁装置。
4.6.3更换继电器
正常运行时KK的位置一般置于合后，当远方分闸操作后，因开关的常闭接点闭合，KK不会自动对应至分闸位置，这样重合闸启动回路接通，其延时时间继电器将一直处于动作状态，特别是处于热备用的设备(如旁路开关)，线圈将会因长时间带电而烧坏，因此，必须将其更换为静态型重合闸继电器。
5结论
采用分布式RTU实现“四遥”功能的老站改造模式，其特点是基本保留了原二次系统设计，保护回路不动，二次回路改动少，充分利用了原有设备，投资少、改造难度小、施工简易、方便。改造后的自动化系统经济、实用、可靠，具有推广价值。
老站改造的设计、施工，应对现场情况进行全面和深入的调研收资，设计要与现场实际情况相符合，提倡切合实际的优化设计，保证变电站自动化改造的顺利实施。
参考文献
［1］ DL/T 51372001，电测量及电能计量装置设计技术规程［S］.
