高壓配電自動化改造與設計
發布時間：
2023-11-28 08:34
發射機房高壓電力設備是基層臺站輸配電系統中最重要的環節， 是發射臺站電力系統的主要節點， 其作用是雙重的， 其一它是發射臺站電力系統的主要監控點； 其二它是介乎獨立于變電站的電力系統。 變電站是發射臺站輸配電系統的核心， 更是發射臺站的命脈。 隨著計算機技術在電力系統的應用和發展， 越來越多的新建變電站采用綜合自動化設計。 但在許多的發射臺站電力系統中， 變電站設備完成自動化改造， 但存在大量不能及時更新自動化， 并且使用多年的機房高壓電力設備。 這些發射機房的高壓電力設備一般都是隨發射機房的使用而先行使用。 容量大（容量預留）、 出線多、 投運久， 其一次設備老化、 損壞及腐蝕嚴重， 維護更新的工作量及費用逐年增加， 且效果不明顯。 高壓柜內二次設備從電磁型繼電器保護、晶體管保護、 集成電路保護、 弱電選控設備等等都在同時運行。 這些設備的老化對發射臺站的安全播音中心任務構成很大威脅， 同時對臺電力系統的安全、 穩定、 可靠運行埋下隱患； 更對人身和機器設備構成巨大威脅。 對于每年電力系統導致的人為停播、 技術停播和技術安全事故的發生， 電力設備自動化是解決這一問題的根本方法。 先進的繼電保護、 計算機監控以及“五防” 設備有利提高輸配電可靠性。 鑒于對這類高壓電力設備投入巨大的維護、 檢修力量而不能取到直接效果， 因此， 對未能完成自動化改造的高壓電力設備， 采用合理的、 經濟的、 先進的、 可行性的改造， 使其滿足發射臺電力自動化系統的要求， 更使其滿足以安全播音為中心任務的發射臺站徹底解除電力安全隱患， 已成為發射臺站電力系統工程技術人員面臨的主要問題。
(一) 改造目的
a. 實現對發射機房所有高壓電氣設備的實時監控， 提發射機房運行的安全可靠性。
b. 達到遠程監控的要求， 改善高壓運行條件， 實現 CRT 實時監控及運行記錄自動化， 提高發射臺電力系統的自動化水平和運行效率。
c. 滿足電力系統自動化的功能要求和對遠動數據的實時性、 可靠性、 正確性和準確性的要求。 更加及時、 全面地掌握發射臺電力系統及發射機房高壓設備的運行情況， 實現“四遙” 功能， 增強遠程中心（變電站） 監視和控制的能力。
d. 減少維護成本， 提高維護的有效性和實時性。
(二) 改造原則
a. 利用原有設備， 降低改造成本； 合理設計回路， 減小改造難度。
b. 增強“四遙” 功能， 利用間隔層智能 I/O 測控單元組建全臺電力設備自動化系統以及相應的分布式通信網絡， 實現全臺電力系統自動化。 保證遠動信息直采直送， 遠動命令直收直控。 到監控中心（變電站） 的遠動信息傳輸采用數據網串行接口通信以及遠程計算機網絡接口通信混合方式。
c. 繼電保護裝置、 故障錄波器和系統安全自動裝置獨立設置， 保護信號采用雙重采集， 即微機保護裝置的主保護信號以硬接點方式分別接入中央信號和監控系統， 數字輸出通過串行口或管理計算機接入以太網與監控系統相連。
d. 電能量信息由智能電能表以串行接口方式接入測控裝置， 計量關口點的電能量信息采用無源脈沖接點方式接入測控裝置。
e. 間隔層智能 I/O 測控單元的電氣模擬量采用交流采樣， 測控部分按現狀規模配置。
(三) 自動化系統模式的選擇
電力自動化改造的關鍵是自動化模式的選擇， 這必須根據各發射臺站的實際情況全面、 系統、 合理考慮。 根據***臺的電力系統綜合自動化來看， 發射臺站實現自動化改造主要基于以下兩種模式。
3. 1 常規遠動方式
常規遠動方式是指采用調度自動化系統的遠動間隔層智能 I/O 測控單元實現自動化改造。 該方式在原有間隔層智能 I/O 測控單元基礎上， 采用局域以太網或 RS485 星形結構， 由功能分布式網絡化的間隔層智能 I/O 測控單元構成監控系統， 增加相應的測控功能及信號。 高壓柜保留原二次系統， 僅對原有二次回路進行改動， 保留原有的中央信號系統易于運行和維護。 充分利用原有設備， 易于操作、 改造施工簡便、 工作量小， 但改造后的二次回路系統較為繁雜， 保護系統不能適應擁有微機保護的電力系統自動化要求。
3. 2 綜合自動化方式
綜合自動化方式是指采用保護、 測量、 控制一體化的監控系統實現自動化。該方式集高壓設備二次功能為一體， 信息高度共享， 結構簡單、 功能較多。 需進行全面的二次系統改造， 取消中央信號系統， 遠動系統和計算機監控系統統一考慮， 采用分層分布式結構的開放式系統， 將信號和控制回路接入計算機監控系統。該方案需更換大量原有保護及二次設備， 不易適應發射臺站操作要求、 改造難度大、 施工復雜、 工作量大。
(四) 具體方法
4. 1 遙測部分
計算機監控系統的測量參數根據有關規定和發射機房電力設備的實際需要來確定。 主要問題是如何保證系統在更換過程中， 舊的二次回路安全穩定， 不受影響和改變。
發射機房測量具體分為以下幾種接線方法：
間隔層智能 I/O 測控單元測量輸入部分由電流和電壓互感器組成， 采用三相三線或三相四線或三角形接線方法。 下面以***臺發射機房改造某一塊交流遙測板的第一條線路的接線為例說明三種接線方法。
a. 三相三線接線(兩表法) 如圖 1 所示， 兩表法可測量并計算出如下交流量： Uab、 Ubc、 Ia、 Ic、 P、 Q、 f、 cosΦ；
b. 三相四線接線(三表法) 如圖 2 所示， 三表法可測量并計算出如下交流量： Ua、 Ub、 Uc、 Ia、 Ib、 Ic、 Uab、 Ubc、 Uca、 P、 Q、 f、 cosΦ；
c. 三角形接線如圖 3 所示， 該接線方法是為滿足有的用戶須直接測量三相線電壓而考慮的。 此接法不計算功率， 可測量并計算出如下交流量： Uab、 Ubc、Uca、 Ia、 Ib、 Ic、 f。
通過接入線路的 PT、 CT， 經過交流采樣板的采樣， 主板的運算， 可以在面板上顯示相應的 Ua、 Ub、 Uc、 Ia、 Ib、 Ic， 并計算出相應的 Uab、 Ubc、 Uca、 P、Q、 COSφ 、 f。 另外， NSC681 通過遙信板可以監測線路的相應開關節點的開關狀態， 通過直流遙測板可以采集常規變送器輸出的 0～5V、 0～20mA、 4～20mA 的直流信號。
4. 2 遙信部分
4. 2. 1 事故總信號
a. 事故總信號的采集比較繁瑣， 方案也很多， 一般方法是改造二次回路，從中央信號回路中采集。 放棄當地音響功能， 或通過加裝壓板或繼電器人為地在“當地” 和 “遠方” 之間切換， 該法存在信號誤發問題； 也可在本地改造的 I/O測控單元加裝告警裝置。 但不滿足“雙軌制” 的運行條件， 不利于長期運行。
b. 采用多接點靜態型信號繼電器實現事故總信號的多重采集。 該繼電器能提供三對及多對接點， 一對為有源接點， 用以點亮光字牌， 保證當地功能； 另兩對為無源接點， 其中一對供給間隔層智能 I/O 測控單元的保護動作信號， 另一對與其它各套保護中的信號繼電器接點并接后送給間隔層智能 I/O 測控單元，產生事故總信號， 當發射機房內任一套保護啟動并跳閘時， 事故總信號與該套保護動作信號同時送出。 該方法使事故總信號在本地告警裝置與遠方告警信息間相互獨立運行， 解決了上述問題。
c. 由間隔層智能 I/O 測控單元軟件處理生成， 或由監視中心監控后臺軟件處理生成。 將所有啟動跳閘的保護信號軟件啟動， 生成事故總信號。 這種方法現場信號回路和接線基本不變， 安全可靠、 簡便易行、 施工工作量小。
4. 2. 2 控制回路斷線信號
控制回路斷線是監視斷路器分合閘回路完好與否的信號， 如果原控制回路中裝設了位置繼電器， 則將分、 合閘位置繼電器備用的常閉接點接送至間隔層智能I/O 測控單元即可實現。 實際上絕大多數老式發射機房高壓設備設計中均未考慮裝設位置繼電器， 如果重新加裝位置繼電器， 則增加不安全因素， 施工難度較大，而且會高壓設備的整體二次回路。
a. 一般采用從光字牌利用光電隔離的方法， 將信號轉接入間隔層智能 I/O測控單元。
b. 采用帶從動接點的紅、 綠指示燈， 該燈有一常開與一常閉接點， 將同一控制回路中的紅、 綠指示燈的常閉接點串接送給間隔層智能 I/O 測控單元， 即可獲得控制回路斷線信號。 施工時只需更換指示燈， 接上 2 根信號線。 采用這種方法， 同控制回路可共用電纜， 降低了接線繁瑣， 容易出錯概率， 使施工難度大幅降低。
4. 2. 3 斷路器和隔離刀閘位置信號
斷路器和隔離刀閘的位置信號是反映其運行狀態的信號， 一般從斷路器和隔離刀閘的備用輔助接點處采集， 但電纜施放工作量大， 要重新鋪設新的電纜。以上述經驗為基礎， 用控制回路中紅、 綠指示燈的從動繼電器常開接點來輸出開關位置信號， 與控制回路斷線信號共用電纜， （也可單獨引出位置信號采集電纜至二次回路空接點， 再接出至遙信端子） 可以減少出錯概率和施工工作量。
4. 2. 4 其它遙信量
其它遙信量包括： 壓力閉鎖、 彈簧未貯能、 機構異常、 直流接地、 事故信號熔絲熔斷、預報信號熔絲熔斷等。上述諸多信號一次設備只能提供一對有源接點，動作后用來點亮光字牌。
a. 如取消光字牌， 則將其改為無源接點或直接提供給間隔層智能 I/O 測控單元。（***臺丙機房采用此類接法， 如下圖）圖中開關或刀閘輔助節點通過信號線進入遙信板經光電隔離后變成+5V 邏輯電平供 CPU 采集, 圖中只畫了一路遙信的輸入回路。
b. 如保留光字牌， 可利用保護動作或設備異常時觸發發射機房內光字牌的直流電源， 加裝一級中間繼電器或采用有從動繼電器的光字牌， 當裝置動作時，點亮現場光字牌； 同時啟動繼電器， 利用繼電器的常開接點發遠動信號。
c. 采用光端子， 利用光電隔離的方法， 從光字牌并接入間隔層智能 I/O 測控單元。 當保護動作或設備異常時， 在啟動現場光字牌的同時； 驅動光電隔離，利用開關管的開關特性與遠動間隔層智能 I/O 測控單元的直流 24V/48V 電源構成回路， 發出遠動信號。 如圖：
d. 保留光字牌和遠動信號同時并存的主要問題是， 當做光字牌傳動試驗時，將誤發遠動信號。 解決方法是在控制屏上光字牌至間隔層智能 I/O 測控單元 的220V 直流電源回路中加入 1 個控制開關， 如果做光字牌傳動試驗時， 打開控制開關， 切斷至間隔層智能 I/O 測控單元的信號回路。
4. 2. 5 傳統處理方法與光電隔離方法的比較
傳統改造方法因大量使用中間繼電器， 產生繼電器接點接觸不良、 接點抖動而引起的拒發和誤發遠動信號的現象， 大量的繼電器必須加裝在高壓柜內， 會給高壓柜內的各元器件造成不穩定， 甚至無法安裝。 而采用光電隔離的信號轉換因全部采用集成電路和電子元件， 克服了上述問題， 可隨意安裝在保護或 I/O 測控單元上， 提高了可靠性、 合理性， 降低了費用， 施工簡易、 靈活。
4. 3 遙控部分
a. 將間隔層智能 I/O 測控單元屏上每路遙控輸出端“+” 、 遙分、 遙合、閉鎖重合閘分別接至原控制回路中正電源、 就地操作開關 KK 的分閘接點 7 和合閘接點 8 以及重合閘放電接點 2、 4 即可實現。 施工時注意： 相鄰回路共用電纜，減少施工工作量和間隔層智能 I/O 測控單元屏端的電纜數量； “+” 電源應分別使用各自回路的控制電源， 嚴禁多回路共用， 并通過間隔層智能 I/O 測控單元側壓板閉鎖
b. 將間隔層智能 I/O 測控單元屏上每路遙控輸出端“+” 、 遙分、 遙合分別與手控開關并聯接至原控制回路中的正電源、 操作箱， 并增加就地/遠方控制選擇開關。
c. 具備 檢同期功能/防誤閉鎖功能， 特別是檢同期合閘和五防邏輯閉鎖控制輸出， 這些都是高壓和超高壓變電站計算機監控系統所必不可缺少的功能， 保證了特別是開關等一次設備的可靠控制。遙控板出口回路示意圖見下圖所示， 圖中 YK1 和 YK2 合閘、 分閘的正電端子共用， 且出口同時各有一路信號觸點。 YK3～YK8 合閘、 分閘正電端子分開。
4. 4 遙調部分
4. 4. 1 直流裝置的更換
發射機房的高壓設備一般采用硅整流裝置， 用電容貯能， 其故障的發現和正常的檢查工作必須由人工操作完成， 應將之更換為免維護裝置， 采用雙充電機和一組免維護蓄電池， 該裝置至少應有如下功能（***臺發射機房采用 BROSC 高質量電源）：
a. 2 臺充電機可并列或獨立運行， 相互切換， 自動調節充電方式。
b. 各直流分路有自動絕緣檢查功能。
c. 有提供給間隔層智能 I/O 測控單元的絕緣破壞、 整流器故障、 過電壓、斷路器 MCCB 跳閘、 負荷斷路器 MCCB 跳閘、 低電壓異常、 高電壓異常、 過電壓、過負荷、 控制熔斷器熔斷、 直流接地、 風扇停止、 停電等信號的無源接點。
d. 實現對蓄電池電壓、 電流、 溫度、 放電容量、 放電時間、 可放電時間；負荷電壓、 電流等監測。
以***臺發射機房為例：
BROSC 裝置充電機是一種三相全控橋式自動充電機， 精度高、 可靠性高。 該充電機具有軟起動、 軟停止功能； 具有自動穩壓； 均充、 浮充自動轉換功能。 充電機采用兩段限流方式， 充電機輸出限流、 蓄電池充電限流， 對蓄電池充電能夠實現溫度補償。
主要計量項目： 整流器電壓、 電流； 蓄電池電壓、 電流、 溫度、 放電容量、放電時間、 可放電時間； 負荷電壓、 電流等。
主要狀態指示項目： 交流輸入、 整流器輸出、 控制負荷、 合閘負荷、 浮充充電、 均衡充電、 輕故障、 重故障、 操作按鍵、 蓄電池容量 5 級。
主要報警項目： 蓄電池溫度升高、 溫度異常、 液面降低、 異常放電、 應檢查、放電終止預告、 放電終止等。 整流器故障、 過電壓、 斷路器 MCCB 跳閘。 負荷斷路器 MCCB 跳閘、 低電壓異常、 高電壓異常、 過電壓、 過負荷、 控制熔斷器熔斷、直流接地、 風扇停止、 停電等。
主要記錄項目： 30 種故障記錄、 10 種狀態記錄等。
4. 4. 2 增設斷路器分合閘線圈防燒毀裝置
當斷路器由 KK 或遠方操作時， 如斷路器分合閘回路的輔助接點調整不當，或輔助接點因長期使用轉動部件間隙過大， 在切換過程中易造成拉弧或不能斷開， 使分合閘線圈長時間帶電而燒毀， 可能造成火災和損壞直流裝置。 為防止此類事故的發生， 為了提高自動化要求和更安全、 更有力保障安全播音任務改造的同時， 應考慮加裝防斷路器分、 合閘線圈燒毀裝置。
4. 4. 3 更換繼電器
正常運行時 KK 的位置一般置于合后， 當遠方分閘操作后， 因開關的常閉接點閉合， KK 不會自動對應至分閘位置， 這樣重合閘啟動回路接通， 其延時時間繼電器將一直處于動作狀態， 特別是處于熱備用的設備(如旁路開關) ， 線圈將會因長時間帶電而燒壞， 因此， 必須將其更換為靜態型重合閘繼電器。
5 結論
采用分布式間隔層智能 I/O 測控單元實現“四遙” 功能的發射臺站電力設備改造模式， 其特點是基本保留了原二次系統設計， 保護回路不動， 二次回路改動少， 充分利用了原有設備， 投資少、 改造難度小、 施工簡易、 方便。 改造后的自動化系統經濟、 實用、 可靠， 具有推廣價值。發射機房高壓設備改造的設計、 施工， 應對現場情況進行全面和深入的論證，設計要與現場實際情況相符合， 提倡切合實際的優化設計， 保證發射機房電力設備自動化改造的順利實施， 更安全的為機房播音提供可靠能源。
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