配电自动化2-终端设备与开关设备.ppt

20112011年年2 2月月配电自动化系统配电自动化系统输配电系统研究所输配电系统研究所刘春明刘春明 博士博士第第2讲：终端设备与开关设备讲：终端设备与开关设备2.1 终端设备终端设备（1）配电变电站的微机远动终端装置（）配电变电站的微机远动终端装置（RTU）（2）馈线远方终端（）馈线远方终端（FTU）（3）配电变压器远方终端（）配电变压器远方终端（TTU）2.2 开关设备开关设备（1）重合器）重合器（2）熔断器）熔断器（3）分段器）分段器2配电自动化的远动终端装置配电自动化的远动终端装置配电变电站和配电变电站和10kV开闭所是配电网的重要组成部开闭所是配电网的重要组成部分，因此配电变电站和开闭所的自动化程度的高分，因此配电变电站和开闭所的自动化程度的高低，直接反映了配电自动化的水平。低，直接反映了配电自动化的水平。配电变电站和配电变电站和10kV开闭所内的自动化和输电网中开闭所内的自动化和输电网中变电站自动化采用的设备类似，即：要在站内安变电站自动化采用的设备类似，即：要在站内安装微机远动装置装微机远动装置(RTU)。3远动装置（远动装置（RTU）的发展）的发展触点式远动装置触点式远动装置是第一代远动装置，它的精是第一代远动装置，它的精度低，速度度低，速度慢，可靠性差。慢，可靠性差。数字式远动装置数字式远动装置的精度和速度较触点式远动装置有了很的精度和速度较触点式远动装置有了很大的提高，但它的可靠性及灵活性差，而且功能有限，难大的提高，但它的可靠性及灵活性差，而且功能有限，难以满足现代化高度集中的实时监控的需要。以满足现代化高度集中的实时监控的需要。微处理机具有速度快、功能强、应用灵活微处理机具有速度快、功能强、应用灵活等特点，自七等特点，自七十年代起基于微处理机的远动装置有了迅速发展，十年代起基于微处理机的远动装置有了迅速发展，Z80，i8086，80286，8098，MCS-51等高性能微处理机广泛地等高性能微处理机广泛地应用于应用于RTU中。中。仅有一个含仅有一个含CPU的智能模块微机远动装置；的智能模块微机远动装置；多多CPU结构的分布式微机远动装置。结构的分布式微机远动装置。4微机远动装置的基本功能微机远动装置的基本功能1.四遥功能：四遥功能：遥信遥信：要求采用无源接点方式，即某一路遥信量的输入应：要求采用无源接点方式，即某一路遥信量的输入应是一对继电器的触点，或者是闭合，或者是断开。是一对继电器的触点，或者是闭合，或者是断开。遥测遥测：遥测往往又分为重要遥测、次要遥测、一般遥测和：遥测往往又分为重要遥测、次要遥测、一般遥测和总加遥测等。总加遥测等。遥控遥控：采用无源接点方式采用无源接点方式，要求其正确动作率不少于，要求其正确动作率不少于99.99%。遥调遥调：采用无源接点方式采用无源接点方式，要求其正确率大于，要求其正确率大于99.99%。5微机远动装置的基本功能微机远动装置的基本功能2.事件顺序记录（事件顺序记录（SOE）事件顺序记录的一项重要指标是时间分辩率。分辩率可分事件顺序记录的一项重要指标是时间分辩率。分辩率可分为为RTU内内(即站内即站内)与与RTU之间（即站间）两种。之间（即站间）两种。1)SOE的站内分辩率的站内分辩率，是指在同一，是指在同一RTU内，顺序发生一串内，顺序发生一串事件后，两事件间能够辩认的最小时间，在调度自动化中，事件后，两事件间能够辩认的最小时间，在调度自动化中，SOE的站内分辩率一般要求小于的站内分辩率一般要求小于5ms。2)SOE的站间分辩率的站间分辩率，是指各，是指各RTU之间顺序发生一串事件之间顺序发生一串事件后，两事件间能够辩认的最小时间后，两事件间能够辩认的最小时间,SOE的站间分辩率一般的站间分辩率一般要求小于要求小于10ms。63.系统对时系统对时：RTU站间站间SOE分辩率是一项系统指分辩率是一项系统指标，它要求各标，它要求各RTU的时钟与调度中心的时钟严格的时钟与调度中心的时钟严格同步。目前，采用措施有：同步。目前，采用措施有：1)利用全球定位系统利用全球定位系统GPS提供的时间频率同步对提供的时间频率同步对时，有效地确保时，有效地确保SOE站间分辨率指标。站间分辨率指标。2)采用软件对时，采用软件对时，SC1801、CDT、DNP和和Modbus等规约均提供了软件对时手段。等规约均提供了软件对时手段。4.电能采集电能采集：采集变电站各条进线和出线以及主变：采集变电站各条进线和出线以及主变两侧的电度值。两侧的电度值。75.自恢复和自检测功能自恢复和自检测功能：由于由于RTU处于一个具有强大电磁干扰的工作环境中，使用处于一个具有强大电磁干扰的工作环境中，使用中难免发生程序受干扰中难免发生程序受干扰“跑飞跑飞”、或通信瞬时中断等异常、或通信瞬时中断等异常情况，甚至有时电源也会瞬时掉电。情况，甚至有时电源也会瞬时掉电。在上述情形下，若不加特殊处理，均有可能造成在上述情形下，若不加特殊处理，均有可能造成RTU死机，死机，SCADA系统将因此无法收到变电站信息。系统将因此无法收到变电站信息。要求要求RTU在遇到上述情形时，要能在较短的时间内自动恢在遇到上述情形时，要能在较短的时间内自动恢复，重新从头开始执行程序。复，重新从头开始执行程序。86.和和SCADA系统通信系统通信RTU的六项基本性能：的六项基本性能：应至少支持的一种通信规约；应至少支持的一种通信规约；具有通讯速率的选择功具有通讯速率的选择功能；能；支持光端机；支持光端机；支持微波；支持微波；支持载波；支持载波；支持无支持无线电台。线电台。除此之外，还希望除此之外，还希望RTU具有下列功能：具有下列功能：1)当地显示与参数整定输入，即在当地显示与参数整定输入，即在RTU上安装一个当地键上安装一个当地键盘和盘和LED或液晶显示器，使得或液晶显示器，使得RTU的采集量在当地就可以的采集量在当地就可以显示到显示器上。显示到显示器上。2)CRT显示，打印制表。显示，打印制表。9变电站内的变电站内的RTU分类分类10集中式集中式RTU的主要特征为：单的主要特征为：单RTU、并行总线和、并行总线和集中组屏。集中组屏。分布式分布式RTU的主要特征为：多的主要特征为：多CPU、串行总线、串行总线、智能模板，既可以柜中组屏，又可以分散布置。智能模板，既可以柜中组屏，又可以分散布置。根据结构上的不同，分布式微机远动装置又可分根据结构上的不同，分布式微机远动装置又可分为为功能分布式功能分布式和和结构分布式结构分布式两大类。两大类。11功能分布式微机远动装置功能分布式微机远动装置功能分布式微机远动装置是按功能划分各模块功能分布式微机远动装置是按功能划分各模块,RTU可由可由智能遥信模块智能遥信模块(IYX)、智能遥测模块（、智能遥测模块（IYC）、智能电度模）、智能电度模块（块（IPA）、智能遥控模块（）、智能遥控模块（ISOC）、智能遥调模块）、智能遥调模块（ISOR）和）和CPU模块构成，如下图所示。模块构成，如下图所示。122)结构分布式微机远动装置结构分布式微机远动装置此体系结构的优点：此体系结构的优点：a)RTU单元模块分散地布置在开关柜等当中，而不必单独单元模块分散地布置在开关柜等当中，而不必单独组屏，从而不仅节省了空间，也使二次连线大大减少。组屏，从而不仅节省了空间，也使二次连线大大减少。b)很容易将微机保护和监控功能合二为一，成为集成化的很容易将微机保护和监控功能合二为一，成为集成化的产品，甚至连防误闭锁功能也可以包含进去。这样非常有产品，甚至连防误闭锁功能也可以包含进去。这样非常有利于实现变电站综合自动化。利于实现变电站综合自动化。13结构分布式微机远动装置在一个结构分布式微机远动装置在一个35kV配电变电站配电变电站中的典型应用如下图所示。中的典型应用如下图所示。143)采用智能电能表简化微机远动装置的结构智能采用智能电能表简化微机远动装置的结构智能化多功能电能表化多功能电能表是一类功能性很强的智能电子设备是一类功能性很强的智能电子设备(IED)，它不但能采集分，它不但能采集分时段有功电能和无功电能，还可以获得电压、电流、有功时段有功电能和无功电能，还可以获得电压、电流、有功功率、无功功率以及功率因数等参数，并通过功率、无功功率以及功率因数等参数，并通过RS-485接口接口和其它设备相连。采用此结构如下图所示。和其它设备相连。采用此结构如下图所示。15微机远动装置的选择微机远动装置的选择1617直流直流采样和交流采用采样和交流采用直流采样直流采样：将采用变送器进行的采样称为直流采样将采用变送器进行的采样称为直流采样。变变送器送器的的作用作用是将是将强信号转化为适合计算机和仪表适用强信号转化为适合计算机和仪表适用的弱信号；将交流信号转换为直流信号；从瞬时信号的弱信号；将交流信号转换为直流信号；从瞬时信号获得有效值；确保输出直流量和输入测量量之间满足获得有效值；确保输出直流量和输入测量量之间满足线性关系；实现输入与输出隔离。线性关系；实现输入与输出隔离。缺点：缺点：数据的准确性受变送器稳定性的影响数据的实时性数据的准确性受变送器稳定性的影响数据的实时性受变送器响应速度的影响变送器的维护工作量较大受变送器响应速度的影响变送器的维护工作量较大需要大量的变送器，加大投资和占地面积。需要大量的变送器，加大投资和占地面积。18交流采样：交流采样：不经过变送器，按一定规律直接采集交流量并不经过变送器，按一定规律直接采集交流量并加以处理，计算出电压、电流有效值以及有功、无功功加以处理，计算出电压、电流有效值以及有功、无功功率的方法就是交流采样。率的方法就是交流采样。实际上就是用微机取代了传统的变送器，克服了变送器实际上就是用微机取代了传统的变送器，克服了变送器带来的不良影响，精度高，灵活可靠，使用方便带来的不良影响，精度高，灵活可靠，使用方便。配电网自动化远方终端配电网自动化远方终端一般分为两类：一般分为两类：馈线远方终端馈线远方终端 (Feeder Terminal Unit-FTU)；配电线路上的自动测量与控制装置配电线路上的自动测量与控制装置配电变压器远方终端配电变压器远方终端 (Transformer Terminal Unit-TTU)。19配电网自动化远方终端配电网自动化远方终端用于现场的用于现场的FTU有三种类型：有三种类型：1)只具有运行参数采集功能（监测）只具有运行参数采集功能（监测）采采集集馈馈线线的的电电流流、电电压压、有有功功、无无功功、电电量量、停停电电时时间间等等，通过通信网络传送到相关变电站。通过通信网络传送到相关变电站。2)在采集单元的功能上加上控制在采集单元的功能上加上控制（监控）（监控）3)将馈线的微机保护集成到监控单元中将馈线的微机保护集成到监控单元中 （综合的保护、监控）（综合的保护、监控）20FTU的功能的功能1)遥信遥信：有多路开关量输入，测控开关的位置。：有多路开关量输入，测控开关的位置。2)遥遥测测：按按一一条条线线路路需需要要测测量量的的电电流流、电电压压进进行行交交流流采采样样，经经数数字字滤滤波波及及运运算算后后，得得到到要要求求的的各各运运行行参参数数，数数据据保保存存在在有有备备用用电电源源的的存存储储器器内内，掉掉电不会丢失，也可能有数条线路遥测。电不会丢失，也可能有数条线路遥测。3)遥遥控控：装装置置收收到到遥遥控控命命令令后后进进入入命命令令校校验验，当当命命令令检检验验为为正正确确时时，通通过过出出口口继继电电器器执执行行命命令令(跳跳闸闸或合闸或合闸)。4)保护保护：采用交流采样并能判断故障电流。采用交流采样并能判断故障电流。还还具具有有故故障障录录波波功功能能，将将故故障障前前后后若若干干周周波波波波形形数数据据与与对对应时刻存储到专用存储区。应时刻存储到专用存储区。可根据运行方式设置多套保护定值。可根据运行方式设置多套保护定值。215)统统计计功功能能：对对测测控控的的开开关关的的动动作作次次数数、动动作作时时间间及切断电流进行监视。及切断电流进行监视。6)事事件件顺顺序序记记录录：记记录录状状态态量量发发生生变变化化的的时时刻刻及及顺顺序。序。7)事事故故记记录录：记记录录事事故故发发生生时时的的最最大大故故障障电电流流和和事事故故前前一一段段时时间间(一一般般为为1 min)的的负负荷荷，以以便便分分析析事事故故，并并作作为为确确定定故故障障区区段段及及恢恢复复供供电电时时重重新新分分配配负荷的依据。负荷的依据。8)定值远方修改功能定值远方修改功能。9)自检及自恢复功能自检及自恢复功能。2210)远方控制闭锁与手动操作功能。远方控制闭锁与手动操作功能。11)对时功能。对时功能。12)装置经串口可与多种通信设备接口。装置经串口可与多种通信设备接口。13)装置均有工作与备用电源。装置均有工作与备用电源。23FTU的供电电源问题的供电电源问题FTU采采用用工工作作电电源源及及蓄蓄电电池池作作备备用用是是一一种种常常用用方方式。式。当线路掉电时，保证当线路掉电时，保证10小时内装置仍正常工作。小时内装置仍正常工作。24FTU的典型系统框图的典型系统框图25柱上开关控制器柱上开关控制器FTU采用如下图所示的二机壳的采用如下图所示的二机壳的结构形式。结构形式。26FTU的结构形式的结构形式27FTU的实物图片的实物图片28FTU与开关配合的组成框图与开关配合的组成框图配电变压器远方终端配电变压器远方终端(TTU)TTU是是连连接接于于配配电电线线路路上上的的柱柱上上配配电电变变压压器器或或箱箱式变压器的远方终端装置。式变压器的远方终端装置。由于配电变压器面向用户，应具有由于配电变压器面向用户，应具有谐波检测谐波检测功能。功能。当配电变压器有可调分接头，有可投切电容器组时，其遥当配电变压器有可调分接头，有可投切电容器组时，其遥控功能应能满足控功能应能满足电压无功调控电压无功调控的要求。的要求。2930TTU的典型系统框图的典型系统框图31TTU的实物图片的实物图片配电网中的自动化开关器件配电网中的自动化开关器件配电网要实现自动控制，作为执行部件的各配电网要实现自动控制，作为执行部件的各种自动开关是关键的设备之一。种自动开关是关键的设备之一。重合器（重合器（Recloser）熔断器（熔断器（Fuse）分段器（分段器（Sectionlizer）32重合器的功能与分类重合器的功能与分类1 1 1 1）定义与功能。）定义与功能。）定义与功能。）定义与功能。重合器是一种自身具有控制与保护功能的断路器。重合器是一种自身具有控制与保护功能的断路器。重合器是一种自身具有控制与保护功能的断路器。重合器是一种自身具有控制与保护功能的断路器。它具有它具有它具有它具有故障电流检测故障电流检测故障电流检测故障电流检测和和和和操作顺序控制操作顺序控制操作顺序控制操作顺序控制以及以及以及以及执行执行执行执行功能，即它功能，即它功能，即它功能，即它能按预定的开断和重合顺序自动进行开断与重合操作。能按预定的开断和重合顺序自动进行开断与重合操作。能按预定的开断和重合顺序自动进行开断与重合操作。能按预定的开断和重合顺序自动进行开断与重合操作。永久性故障永久性故障永久性故障永久性故障：在达到预先整定的重合次数后，则进行闭锁，在达到预先整定的重合次数后，则进行闭锁，在达到预先整定的重合次数后，则进行闭锁，在达到预先整定的重合次数后，则进行闭锁，不再重合。不再重合。不再重合。不再重合。瞬时性故障瞬时性故障瞬时性故障瞬时性故障：如果故障在重合器未达到规定重合次数前已如果故障在重合器未达到规定重合次数前已如果故障在重合器未达到规定重合次数前已如果故障在重合器未达到规定重合次数前已消除，即重合器在规定重合次数内跳闸并重合后在规定时消除，即重合器在规定重合次数内跳闸并重合后在规定时消除，即重合器在规定重合次数内跳闸并重合后在规定时消除，即重合器在规定重合次数内跳闸并重合后在规定时间内不再跳闸，经过一段时间，重合器自动复位。间内不再跳闸，经过一段时间，重合器自动复位。间内不再跳闸，经过一段时间，重合器自动复位。间内不再跳闸，经过一段时间，重合器自动复位。2 2 2 2）分类分类分类分类 a.a.a.a.单相和三相重合器单相和三相重合器单相和三相重合器单相和三相重合器 b.b.b.b.油重合器、六氟化流和真空重合器油重合器、六氟化流和真空重合器油重合器、六氟化流和真空重合器油重合器、六氟化流和真空重合器 c.c.c.c.液压控制式、电子控制式液压控制式、电子控制式液压控制式、电子控制式液压控制式、电子控制式重合器开关的特性参数（重合器开关的特性参数（1）重合器开关的特性参数（重合器开关的特性参数（2）3 3 熔断器的结构合原理熔断器的结构合原理1)1)概念概念当流过熔断件的电流超过一定数值时，它自身当流过熔断件的电流超过一定数值时，它自身产生的热量就能自动将熔断件熔断从而达到开产生的热量就能自动将熔断件熔断从而达到开断电路的目的。断电路的目的。2)2)原理原理熔断器开断电路的过程可大致分为三个阶段来熔断器开断电路的过程可大致分为三个阶段来描述描述1 1）弧前阶段：过电流开始到熔断件溶化）弧前阶段：过电流开始到熔断件溶化2 2）燃弧初期阶段：熔断件溶化到产生电弧）燃弧初期阶段：熔断件溶化到产生电弧3 3）燃弧阶段：持续燃弧到电弧熄灭）燃弧阶段：持续燃弧到电弧熄灭3)3)技术术语技术术语a.a.时间电流（时间电流（t-I)t-I)特性特性b.b.额定电流、最小熔化电流和熔断系数额定电流、最小熔化电流和熔断系数c.c.额定开断电流和开断电流下限值额定开断电流和开断电流下限值d.d.熔断器的熔断器的“K K”系数系数 t(s)I(A)50 100 300 1000 500010 10.1最大熔化曲线最小熔化曲线 熔断器的时间熔断器的时间-电流特性曲线电流特性曲线 高压熔断器的选择高压熔断器的选择（1）按额定电压选择）按额定电压选择：对于一般的高压熔断器，其额定电压必须大于或等于：对于一般的高压熔断器，其额定电压必须大于或等于电网的额定电压。而对于充填石英砂有限流作用的熔断器，则只能用在等于其额电网的额定电压。而对于充填石英砂有限流作用的熔断器，则只能用在等于其额定电压的电网中，用在低于其额定电压的电网中，熔体熔断时将产生危险的过电定电压的电网中，用在低于其额定电压的电网中，熔体熔断时将产生危险的过电压，以致损害电气设备。压，以致损害电气设备。（2）按额定电流选择）按额定电流选择：熔管额定电流。熔管额定电流熔管额定电流。熔管额定电流INR应大于或等于熔体的额定电流应大于或等于熔体的额定电流INRt。熔体额定电流。保护变压器时按下式选择熔体额定电流。保护变压器时按下式选择INRt=KIgmax式中式中 K可靠系数（不计电动机自启动时可靠系数（不计电动机自启动时K=1.11.3；考虑电动机自启动；考虑电动机自启动时时K=1.52.0）；）；Igmax电力变压器回路的最大工作电流。电力变压器回路的最大工作电流。保护电力电容器时按下式选择保护电力电容器时按下式选择INRt=KINC式中式中 K可靠系数（对限流式高压熔断器，当一台电力电容器时可靠系数（对限流式高压熔断器，当一台电力电容器时K=1.52.0；当一组电容器时；当一组电容器时K=1.31.8）（3）熔断器开断电流校验）熔断器开断电流校验：熔断器的开断电流应大于保护回路短路冲击电流：熔断器的开断电流应大于保护回路短路冲击电流的有效值。的有效值。（4）熔断器选择性的校验）熔断器选择性的校验：分段器分段器定义、功能及分类定义、功能及分类全程为自动线路分段器。用于配电线路上，用来隔离线路全程为自动线路分段器。用于配电线路上，用来隔离线路区段的自动开关装置。不能用于开断故障电流，只能开断区段的自动开关装置。不能用于开断故障电流，只能开断负荷电流。在使用时，以整定记录故障电流开断次数来实负荷电流。在使用时，以整定记录故障电流开断次数来实现与电源侧的前级开关配合。现与电源侧的前级开关配合。分段器具有计数功能，记录当分段器负荷侧发生故障后，分段器具有计数功能，记录当分段器负荷侧发生故障后，电源侧保护装置断开故障电流动作次数，记录次数可以为电源侧保护装置断开故障电流动作次数，记录次数可以为一次或多次。若记录次数未达到整定次数，电源侧开关设一次或多次。若记录次数未达到整定次数，电源侧开关设备重合成功，分段器经过一段时间后，将计数清零，并恢备重合成功，分段器经过一段时间后，将计数清零，并恢复到预先整定的初始位置。若在记录次数到底后，电源侧复到预先整定的初始位置。若在记录次数到底后，电源侧开关设备重合仍未成功而再次跳闸切除故障电流（永久故开关设备重合仍未成功而再次跳闸切除故障电流（永久故障），分段器随之瞬间跳闸并闭锁，使故障线路与系统电障），分段器随之瞬间跳闸并闭锁，使故障线路与系统电气分离。气分离。40分段器分段器定义、功能及分类定义、功能及分类按动作相数分为：单相式、三相式；按动作相数分为：单相式、三相式；按控制方式分为：液压式、电子式。按控制方式分为：液压式、电子式。41分段器分段器使用基本原则使用基本原则分段器总是与电源侧的断路器或重合器配合使用分段器总是与电源侧的断路器或重合器配合使用1)分段器必须串联使用于重合器分段器必须串联使用于重合器(或断路器或断路器)的负荷侧。的负荷侧。2)分分段段器器断断开开前前计计数数次次数数的的整整定定应应该该比比重重合合器器保保护护装装置置在在闭闭锁锁前前的的总总操操作作次次数数少少一一次次。当当几几个个分分段段器器串串联联时时，分分段段器器的的计计数数次次数数沿沿电电源源侧侧依依次次递递减减，如如图图所所示示，n为为重重合合器器的总操作次数。的总操作次数。42分段器与重合器的配合分段器与重合器的配合三、成套组合开关设备三、成套组合开关设备 1 1、环网开关柜、环网开关柜 2 2、箱式变电站、箱式变电站 SF6户外环网柜紧凑型户内高压开关柜单环网应用紧凑型户内高压开关柜单环网应用SF6户外环网柜紧凑型户内高压开关柜双环网应用紧凑型户内高压开关柜双环网应用箱式变电站内部功能构成箱式变电站内部功能构成箱式变电站内部功能构成箱式变电站内部功能构成 紧凑型开关柜运行在变电站中箱式变电站（终端接线方式）环网开关柜（双回接线方式）环网开关柜（环网型接线）配电网中环网开关柜和箱式变电站接线图变电站110/10KV