基于供配电系统多级保护的组态仿真构建

殷培峰, 马莉

(兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060)

基于供配电系统多级保护的组态仿真构建

殷培峰, 马莉

(兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060)

企业供配电系统是由总降压变电所、高压供电线路、车间变电所、低压配电线路以及用电设备组成。由于投入大、成本高，要想建立供配电系统实训基地十分困难。但采用组态技术仿真企业供配电系统的多级保护，并通过计算机技术和通信技术，实现对供电系统模拟量、数字量、状态量和电能量的实时采集，不仅有效降低教学投入的成本，而且具有操作监视屏幕化、系统构成模块化、设备动作直观化等优点，提升了教学手段和教学效果。

供配电系统;组态仿真;变电所;高压电气设备;运行监视;报警系统

0 引 言

企业供配电系统一般由总降压变电所、高压供电线路、车间变电所、低压配电线路以及用电设备组成。由于供配电系统所需的设备多，且价格昂贵。对学校来讲要建立一个供配电系统实训基地是十分困难。但采用组态王仿真企业供配电系统，建立110 kV供配电系统的主接线、自动化保护系统、主变压器、高压断路器、输电线路和电网的接地保护与监控的网络控制平台。引入计算机技术和通信技术，实现对供电系统模拟量、数字量、状态量和电能量的实时采集，不仅有效降低教学投入成本，而且具有操作监视屏幕化、系统构成模块化、设备动作直观化等优点，提升了教学手段和教学效果。

1 供配电系统多级保护仿真控制平台构建

1.1 供配电系统多级保护控制平台的基本配置

供配电系统多级保护控制平台分成三层，分别为变电站层、网络层和间隔层。间隔层由110 kV高压线路监控装置、主变主保护装置、主变高压侧装置、主变中压侧装置、主变低压侧装置、35 kV线路监控装置、10 kV线路监控装置、10 kV电容器装置。在间隔层中配置的保护由变压器保护、断路器保护、线路保护、母线保护、电容器保护等。网络层由网络通信装置和前置机系统装置构成。变电站层由后台计算机控制系统、防误闭锁装置、工程师站和操作员工作站等组成[1]。如图1所示，为110 kV供配电系统多级保护控制平台的基本配置。

图1 110 kV供配电系统多级保护控制平台的基本配置

1.2 供配电系统多级保护监控平台的基本结构

图2 供配电自动化监控系统平台的基本结构

在供配电监控系统中，自动化监控系统由监控机、网络管理单元、测控单元、远动接口、打印机等部分组成，由实时数据库采集、计算数据库、历史数据库、事件库、事故追忆库、录波数据库、画面库、远方通信和时钟同步等环节组成，实现变电站的实时监控功能。通过状态量变位监视，可监视供电系统各种断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头的位置和动作情况、继电保护和自动装置的动作情况以及它们的动作顺序，完成分析、处理、显示、报警、记录、控制等功能，以及远方数据通信以及各种自动、手动智能控制等任务。图2为供配电自动化监控系统平台的基本结构。1.3 供配电系统的主接线结构设置

如图3所示，为供配电系统的一次接线图仿真。设置两个电压等级，分别是110 kV和10 kV。其中110 kV采用内桥接线，通过主变压器降为10 kV后，供变电站周围负荷用电。在系统配置上采用分层分布式结构，设置一次设备配置，满足不同电压等级间隔层的测量、监视、控制、通信功能。

图3 供配电系统的主接线结构

2 供配电系统多级保护的组屏仿真

以某企业110 kV降压变电站为例，描述110 kV供配电自动化系统多级保护的组屏仿真。

2.1 110 kV间隔层的仿真

该层为供配电系统的总降压变电站，在继电保护功能方面，由于110 kV采用的是内桥接线方式，进线不需配置保护，由上一级线路保护完成或主变压器后备保护承担。配置一台三相操作箱分别对应于两条进线和桥断路器，用于对进线和桥断路器的控制，并且要具有防跳、压力闭锁等功能。测控功能方面，针对2回110 kV进线和桥开关分别设置数字式断路器测控装置，可用于本间隔的断路器、隔离开关的参数和信息的测量和控制等。自动控制功能方面，可配置数字式备用电源自投装置，实现桥备投或进线备投功能、变压器备自投功能或用户需求的多种备自投方案[2]。图4为 110 kV间隔层的监控系统仿真。

图4 110 kV间隔层的监控系统仿真

2.2 主变压器间隔层的仿真

由于变压器测控的重要性，可以采用集中组屏，设置两面屏，分别对应于2台主变压器间隔层。主变压器保护功能方面，可配置数字式变压器主保护装置和后备保护装置[3]。完成主变压器高压侧和低压侧的电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数的检测，变压器和变压器室的温度遥测量、遥信量、遥控量。采用RCS-9671C实现变压器差动保护，RCS-9661C实现变压器非电量保护，并配有以太网通信接口，提供10路非电量保护，其中六路可直接跳闸。采用RCS-9603测控系统检测主变压器分接头的调节、变压器温度和事件记录。采用RCS-9681实现变压器后备保护，完成电压闭锁过流保护、接地零序保护、不接地零序保护和过负荷保护。图5为主变压器运行状态监控仿真。

图5 主变压器运行状态监控仿真

2.3 10 kV间隔层的仿真

采用分散安装方式，配置测量、监视、保护一体化装置，分别安装在10 kV开关柜上。完成对断路器合闸、跳闸的保护；母线单相接地测控功能、零序电流保护、绝缘监察自动控制功能、监视断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头的位置和动作情况。10 kV母线分段间隔可配置数字式母分保护及备投装置。可采用CSL-160C型数字式线路保护系统，配置交流插件(AC)、模数变换插件(VFC)、故障录波插件、继电保护CPU插件、继电器插件和电源插件来实现断路器合闸、跳闸、报警和复位监控[4]。图6为10 kV间隔层的仿真。

图6 10 kV间隔层的仿真

2.4 公用间隔层的仿真

针对110 kV、10 kV两段母线TV分别配置数字式电压测控装置，实现110 kV、10 kV两段母线自动并列功能或手动、远方并列功能的仿真。针对全站公用信息配置数字式综合测控装置[5]，主要采集变电站如直流系统故障信号、直流屏交流失压、所用电切换信号、所用电Ⅰ段失压、所用电Ⅱ段失压、控制电源故障、合闸电源故障、控制母线故障、合闸母线故障、通信故障信号、通信电源故障、火灾报警动作信号、保安报警信号等。通过其通信接口RS—232与通信服务器进行通信，进行网络层对时广播命令，以保证全系统时钟统一。运动功能，可配置通信服务器，将网络上的数据进行筛选排序，并按调度方规约进行转发，完成调度通信。电源源方面，配置一台逆变电源，将直流电源逆变成交流220 V，以供给后台监控主机用电。

2.5 后台监控系统

在供配电系统中，监控系统是由监控机、网络管理单元、测控单元、远动接口、打印机等部分组成[6]。负责完成收集站内各间隔层装置采集的信息，完成分析、处理、显示、报警、记录、控制等功能，完成远方数据通信以及各种自动、手动智能控制等任务。其主要由数据采集与数据处理、人机联系、远方通信和时钟同步等环节组成，实现变电站的实时监控功能。图7为监控系统对高压断路器运行状态实时监控仿真。

监控系统在硬件方面，需要监控主机[7]，设置两台计算机互为备用(也可仅设置一台)，监控主机需要有源音箱实现音响报警，需要打印机进行变电站技术数据管理，软件方面需要后台监

控软件和网络附件等，在微机保护、自动装置与监控系统相互通信时，采用串行通信。串行通信在数据传输规约“开放系统互联(OSI)参考模型”物理层，广泛应用RS—485串行接口，在多站互联中非常方便。通信协议选用POLLING规约，以满足广义数据网络上两点之间进行对等通信的需要。

图7 监控系统对高压断路器运行状态实时监控仿真

3 结束语

针对企业供配电技术的理论与实践教学，通过组态技术仿真企业供配电系统的多级保护，建立110 kV供配电系统的主接线、不同电压等级的间隔层仿真，应用计算机技术和通信技术，实现对供配电系统的模拟量、数字量、状态量等实时采集和数据处理。熟悉变电站自动化系统流行的分层分布式结构，,加深对供电系统自动化监控的理解，不仅有效降低教学投入成本，而且具有操作监视屏幕化、系统构成模块化、设备动作直观化等优点，有助于激发学员的学习兴趣，提升了教学手段和教学效果。

[1] 高翔.数字化变电站应用技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2] 覃贵礼.组态软件控制技术[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[3] 丁书文.变电站综合自动化现场技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[4] DING HUI，HAN MINXIAO.User-defined HYDC reactive power control modeling for system stability studies in PSASP[C]. Proceedings of IEE APSC0M2006 .Hongkong，2006.

[5] DING HUI，HAN MINXIAO.Detailed modeling of China-Russia Heihe back-to-back HVDC project using PSCAD/EMTDC[C]. The Proceedings of 3rd International Conference on DRPT NanJlng,2008.

[6] 袁秀英.计算机监控系统的设计与调试[M].北京：电子工业出版社，2010.

[7] 高翔,张沛超.数字化变电站的主要特征和关键技术[J]. 电网技术,2006, 30(23)：47-51.

Establishing Configuration Simulation Based on the Multilevel Protection of the Power Supply and Distribution System

YIN Pei-feng, MA Li

(Lanzhou Petrochemical Vocational and Technical Institute，Lanzhou Gansu 730060, China)

The power supply and distribution system of the enterprise is composed of the general step-down transformer substation, high-voltage power supply line, workshop substation, low-voltage distribution line and electric equipment. To set up a training base for the power supply and distribution system is quite difficult because of its high investment and cost. However, if configuration technology is used to simulate the multilevel protection of the power supply and distribution system of the enterprise, and real-time collection of the analog quantity, digital quantity, quantity of state and electric energy of the power supply system is realized by means of computer technology and communication technology, that will not only effectively reduce the input cost for the teaching, but also realize operational monitoring on the screen, modular system composition and visualization of equipment operation, thus upgrading teaching means and improving teaching effect.

power supply and distribution system;configuration simulation; power substation;high-voltage electrical equipment;operation monitoring;alarm system

兰州石化职业技术学院教育教学研究基金项目(JY2014-21)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.025

TM72

A

1000-3886(2015)02-0076-03

殷培峰 (1967- )，男，甘肃临洮人，副教授，专业：电气自动化。 马莉(1982- )，女，甘肃张掖人，研究生，专业：过程自动化。

定稿日期: 2014-07-14