第二章变电站综合自动化系统间隔层装置

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一般模数转换芯片要求输人信号电压为士5V或士lOV. 由此可以决定上述各种中间变换器的变比。
(一)电压形成电路
电流互感器(TA)和电压互感器(TV)二次侧电流或电压 不能适应模数变换器的输入范围(士5V或士lOV)要求, 故需对它们进行变换。
一般采用中间变换器将由一次设备电压互感器二次侧 引来的电压进一步降低,将一次设备电流互感器二次侧引 来的电流变成交流电压。然后再经低通滤波器及双向限幅 电路变成后面环节中A/D转换芯片所允许的电压。
第三节开关量的输入与输出
在数据采集系统中,除模拟信号外,还有大 量的开关量信号,如断路器、隔离开关的状态.某 些数值的限内或越限,以及人机联系的功能键的 状态等。开关量输入电路的基本功能就是将这些 开关量信号引入微机系统。输出电路主要是将CPU 送出的数字信号或数据进行显示、控制或调节。 如断路器跳闸命令和光字牌、报警信号等。
(一)主CPU模件
一般由CPU、存储器、定时器/计数器、 Watchdog、外围支持电路、输入/输出控制电 路组成。主要完成数据采集及计算、数据处 理、控制命令的接收与执行、逻辑闭锁、GPS 对时等。
(二)模拟量输入/输出模件
来自变电站测控对象的电压、电流信号等是 模拟量信号,即随时间连续变化的物理量。微机 系统是一种数字电路设备,只能接受数字脉冲信 号,所以就需要将这一类模拟信号转换为数字信 号。同时。为了实现对变电站的监控,有时还需 要输出模拟信号,去驱动模拟调节执行机构工作 。这就需要模拟量输出回路。
通信回路的功能主要是完成自动化装置间通信 及信息远传调度(或控制)中心。 (六)电源模件
提供整套保护与测控装置中各功能模块所需要 的直流稳压电源,一般利用交流电源经整流后产 生不同电压等级的直流,以保证各个装置的可靠 供电。
第二节模拟量的采集与处理
一、模拟量输入电路原理简述
根据模数变换原理的不同,自动化装置中模拟 量输入电路有两种方式.一是基于逐次逼近型A/D 转换方式(ADC),是直接将模拟量转变为数字量的 变换方式;二是利用电压/频率变换(VFC)原理进行 模数变换方式,它是将模拟量电压先转换为频率 脉冲量,通过脉冲计数变换为数字量的一种变换 形式。
二、基于逐次逼近式A/D变换的模拟量输入电路 主要包括电压形成电路、低通滤波电路、采
样保持、多路转换开关及A/D变换芯片五部分。
(一)电压形成电路
电流互感器(TA)和电压互感器(TV)二次侧电流或电压 不能适应模数变换器的输入范围要求,故需对它们进行变 换。其变换原理图如图2-7所示。
一般采用中间变换器将由一次设备电压互感器二次侧 引来的电压进一步降低,将一次设备电流互感器二次侧引 来的电流变成交流电压。然后再经低通滤波器及双向限幅 电路变成后面环节中A/D转换芯片所允许的电压。
3.线性化处理
有的变送器的输出信号与被测参数之间可能是 非线性关系,为了提高测量精度,可采取线性拟 合措施,以消除传感器或转换过程引起的非线性 误差。
4.数字滤波
输入的信号中常混杂有各种频率的干扰信号 。而数字滤波器可以对极低频率的干扰信号进行 滤波,弥补了RC滤波器不足。数字滤波就是在计 算机中用一定的计算方法对输入信号的量化数据 进行数学处理,减少干扰在有用信号中的比重, 提高信号的真实性。这是一种软件方法,对滤波 算法的选择、滤波系数的调整都有极大的灵活性 ,因此在模拟量的处理上广泛采用。
(4)公共间隔层装置。在变电站中有一些公共 信号及其测量值,如直流系统故障信号、直流屏 交流失压、所用电切换信号、通信电源故障、火 灾报瞥动作信号、保安报警信号等。需要一个或 几个装置来进行相关信号的采集和处理。
(5)自动装置。如备用电源自动投人装置、电 压无功控制装置等。
(6)操作切换装置以及其他的智能设备和附属 设备。
(2)低通滤波器的设置。
对电压或电流中所有的高次谐波成分均不失真地采样, 很难实现,故可以在采样之前将最高信号频率分量限制在 一定频带内。即在采样前用一个模拟低通滤波器(ALF),将 fs/2以上的频率分量滤去即可.模拟低通滤波器可以做成无 源或者有源的。例如,当采样频率是1000Hz时,则要求模 拟低通滤波器必须滤除输人信号大于500Hz的高频分量;而 采样频率是600Hz时,则要求必须滤除输人信号大于300HZ 的高频分虽。
(五)模/数变换(A/D) A/D变换器主要有以下几种类型:逐次逼近型、积分型、
计数型、并行比较型等。在微机监控和微机保护中最常用 的是逐次逼近型原理实现的
三、基于V/F转换的模拟量输入回 路
(一)VFC型A/D变换简述
电压一频率变换技术(VFC)的原理是将输入的 电压模拟量线性地变换为数字脉冲式的频率f使产 生的脉冲频率正比于输入电压的大小,然后在固 定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数,使CPU 读入。
(2)测控装置。测控装置,主要完成该电气间 隔的电气量的测量、设备控制(包括断路器、隔离 开关、接地开关、有载调压变压器分接头调节等) 等任务。
(3)保护测控综合装置。一般用于中低压 (110kV以下)系统中,例如输电线路保护测控装置 、变压器后备保护测控装置、电容器保护测控装 置等。它们主要用于完成相应的电气间隔中设备 的保护、测量及断路器、隔离开关等的控制等, 降低了装置成本并减少了二次电缆使用数量。对 于高压和超高压间隔,为保证保护功能的可靠性 ,目前仍采用保护和测控功能各自独立配置的模 式。
第二章 变电站综合自动化系统 间隔层装置

第一节 间隔层装置简述
一、间隔层装置配置 间隔层装置是面向电气间隔的配置,即对应于一次系统
的每一个电气间隔,分别布置有一个或多个智能电子装置来 实现对该间隔的测量、控制、保护及其他任务,这就是间隔 层装置。
通常把断路器或电气元件(如主变压器、母线等)作为电 气间隔划分的依据。一个典型高压变电站内主要包括线路间 隔、母联间隔、主变压器问隔、电容(电抗)间隔、站用变压 器间隔、母线间隔等。
(1)连续时间信号的采样。微机处理的 都是数字信号,必须将随时间连续变化的 模拟信号变成数字信号。为此,首先要对 模拟量进行采样。采样是将一个连续的时 间信号X(t)变成离散的时间信号x‘(t).采 样过程可用图2-9所示.
(二)低通滤波器与采样定理
相邻两个采样时刻的时间间隔称为采样周期,通常用 TS表示。采样周期的倒数就是采样频率fs。
机箱背面设有接线端子排。用于机箱与外部的 连接.例如:交流输入端子、直流电源输人端子、网 络接口、状态量输入、控制信号输出等端子。
装置的内部是由一个个印制电路板组成的。 在装置不带电的情况下,每个印制电路板一般可以 插拔,因此把每个印制电路板也称为一个插件。装 置内部各插件做成模块化,相互之间通过内部总线 连接,实际应用中可以根据其体应用场合的需要增 、减模块。同时软件功能也可灵活配置。
间隔层装置通常安装在各继电器小室。
二、间隔层装置分类
间隔层装置(或称为间隔层单元)即智能电子装置IED, 大致可分成以下几类:
(1)保护装置。主要完成对该电气间隔设备的保护任 务,如输电线路保护装置、变压器保护装置、母线保护装 置、断路器保护装置等。有的保护装置除了完成保护功能 外,还具有其他功能,如重合闸功能、故障录波及用于切 除本线路的低频减载等功能。
由于被采样的信号x(t)主要是工频50Hz信号,通常以 工频每个周期的采样点数来间接说明采样周期TS或采样频 率fs。例如若工频每个周期采样点数为12次.则采样周期 是TS=20/12=5/3(ms),采样频率fs=50X12=600Hz.
(1)采样定理。
若要不丢掉信息地对输入信号进行采样,就必 须满足fS> 2fo这一条件。若输入信号x(t)含有 各种频率成分,其最高频率为fMAX,若要对最高频 率fMAX不失真地采样,采样频率必须不小于2fMAX, 也就是说,为了使信号被采样后不失真还原,采 样频率必须不小于2倍的输入信号的最高频率,这 就是乃奎斯特采样定理的基本思想。
间隔层装置优点:装置故障产生的影响被限定 在本间隔范围内,不会波及其他电气间隔;监控 对象由整个变电站缩小为某个电气间隔,减小了 装置体积的同时也使装置安装方式更加灵活。
间隔层装置功能:直接采集和处理现场的原 始数据,通过网络传送给站控级后台计算机,同 时接收站控层发出的控制操作命令;间隔层也可 独立完成对断路器和隔离开关的控制操作。
为保证机械强度,提高电磁屏蔽能力和装置 散热效果,保护、测控装置机箱一般都采用金属 材质。由于铝合金具有质量轻、机械强度高、热 传导效率高、成本低等优点,因此成为制造机箱 的首选材料。
四、间隔层装置典型硬件结构
例如保护、测控装置主要由主CPU模件 、模拟量输入模件、开关量输入模件、开 关量输出模件、人机接口模件(MMI)、电源 模件、母板模件、通信接口模件等组成。
四、模拟量数据的前置处理
计算机采集的模拟量种类繁多,通过A/D转换器变换 成数字量后送计算机后,还要进行一系列简单处理(即前 置处理),然后存入数据库保存。数据前置处理流程如图 2-17所示。
1. 标度交换
进入A/D的信号一般是电平信号,但其意义 却有所不同,例如同样是5V电压,可以代表900变 压器温度,也可以代表500A电流或110kV电压等。 因此,经A/D转换后的同一数字最所代表的物理意 义是很不相同的.所以要由计算机乘上不同的系数 进行标度变换。把它们恢复到原来的量值。
2.数据的有效性检验
其目的是判断采入的数据是否有明显的出错或人为干 扰信号等。可根据物理量的特性来判断,例如:
(1)变化缓慢的参数,可用同一参数前、后周期的变化 从来判断。
(2)利用相关参数间的关系互相校核。 (3)对于一些重要参数,可以用两个测点或在同一测点 上装两台变送器。用它们之问的差值进行校核。 (4)限制判断。各种数据,当超过其可能最大变化范围 时,该数据为不可信的。
(三)开关量输入/输出模件 开关量输入/输出模件由并行口、光电耦合电路及有
接点的中间继电器等组成,主要用于人机接口、跳合闸信 号、动作信号、告警信号以及闭锁信号等。 (四)人机对话接口模件
人机对话接口模件主要包括显示、键盘及信号灯、打 印、音响或语言告警等,其主要功能用于人机对话。
(五)通信模件
(三)采样保持器
是指把输入模拟信号的瞬时值采集并记录下 来,并按所需的要求准确地保持一段时间,供模 数转换器A/D使用。对于采用逐次比较式模数转换 器A/D的数据采集系统,因模数转换器A/D的工作 需要一定的转换时间,因此,需要使用采样保持 器。
(四)摸拟量多路转换开关(MPX)
在实际的数据采集模块中,被测量往往可能 是几路或几十路,为了共用A/D转换器而节省硬件 ,可以利用多路开关轮流切换各被测量与A/D转换 电路的通路,达到分时转换的目的,即每次只选 通一路,接至A/D转换器。
电压形成电路除了起电量变换作用外,另一 个重要作用是将一次设备的电流互感器TA、电压 互感器TV的二次回路与微机A/D转换系统完全电气 隔离,提高杭干扰能力。图2-7电路中的稳压管组 成双向限幅,使后面环节的采样保持器、A/D变换 芯片的输人电压限制在峰一峰值士lOV(或士5V)以 内。
图2-8所示为典型的线路保护装置电压形成回 路三相电流、三相电压、零序电流及输电线路抽 取电压等的输入。UL为重合闸中检无压、检同期 元件用的线路侧抽取电压输入。如重合闸不投或 无同期问题时,该电压可以不接入。
随着CPU运算能力和超大规模集成电路制造水 平的不断提高,保护和侧控功能相互融合是大势 所趋,将来保护测控合一装置也会逐步在高压、 超高压电气间隔得到应用。
三、间隔层装置箱体
保护与测控装置采用机箱式结构,每套装置 由一个或几个箱体组成。
面板上一般设置有液晶显示器、信号灯、键盘、插座 和信号复归按钮等。其中:液晶显示器可以用来显示装置的 菜单、电气接线、运行参数、开关状态等信息;信号灯用于 发出装置动作、重合闸动作、告警等信号;键盘可以进行参 数设定、控制操作、事件查询等操作;信号复归按钮用来复 归程序、信号等;面板上的插座是一串行通信接口.用来外 接计算机。
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