摘 要：本文基于DCAP-3000設計并實現了一套機場供配電[1]自動化系統(tǒng)。首先研究了機場原供配電系統(tǒng)工作中存在的弊端，然后介紹了DCAP-3000系統(tǒng)分散式微機保護與控制單元的原理及技術特點，最后設計并實現了一種全新的變電站自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在成都雙流國際機場成功實施。系統(tǒng)充分發(fā)揮了微機在無人值班變電站中的作用，提高了供電質量和管理水平，有效地實現了變電站綜合自動化。
關鍵詞：DCAP-3000、供配電系統(tǒng)、自動化
1 引言
隨著計算機和網絡通信技術在電力系統(tǒng)中應用的迅速發(fā)展，實現變電站綜合自動化、無人值班是提高電力系統(tǒng)安全運行、控制水平和勞動生產率的重要措施并已逐步成為必要措施[2]。國外許多發(fā)達國家已在各種電壓等級的變電站實現了無人值班，提高了運行的可靠性和供電質量，取得了顯著的社會效益和經濟效益。我國的運行經驗也表明，人的行為受個人素質、情緒、精神狀態(tài)等各種因素的影響，具有很大的偶然性和不確定性，由于人為因素引起的誤操作時有發(fā)生，提高變電站的自動化水平，實現無人值班，是提高運行可靠性[3]的有效措施。
當前，計算機技術和網絡通信技術日趨成熟，電力系統(tǒng)的測量、控制、保護等功能的智能化、分散化、網絡化已是該行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，電力系統(tǒng)運行中的各種問題可以通過微機全面解決。國外有代表性的電力設備制造商，如ABB、SIMENS等公司生產的最先進的裝置都是把中低壓電力元件如饋線、變壓器、電容器、電動機等設備的保護、測量、控制單元，直接安裝在開關柜上或一次設備的旁邊，然后采用基于光纖或電纜介質的現場總線把整個變電站或配電站中一次設備的控制、測量和保護系統(tǒng)聯系起來，構成網絡，組成一個綜合自動化系統(tǒng)，或作為一個遠方終端單元（RTU）。這就是當今風靡全球的分散式綜合自動化系統(tǒng)，但由于國外一次設備性能較穩(wěn)定且配置冗余度較大，運行方式簡單，所以國外的保護控制系統(tǒng)功能很簡單，有的就是對電磁保護的簡單取代，但能夠滿足國外變電站運行的需要。國內在這方面起步雖然較晚，但隨著我國對城鄉(xiāng)電網建設改造力度的逐步加大和基礎建設的迅猛發(fā)展，形成了一個巨大的市場，目前已經投入運行的估計超過上百種，但大多數功能不全，或依靠各種其它設備的補充才能完成變電站必要的保護與控制功能。
2. 現有供配電系統(tǒng)的弊端
成都雙流機場作為國內西部樞紐機場，占地近8000畝，其供電系統(tǒng)為一個中心變電站，下面輻射三十多個10KV變電站。在沒有應用變電站綜合自動化以前，機場動力部門擔負著保障機場供電安全運行的職能。由于機場范圍龐大、變電站數目極多、對安全可靠供電的要求極高，機場動力部門每天要花費大量的人力、物力來完成任務。這種耗時長、耗力多、效率低及可靠性低的機場供配電運行機制已成了快速、準確、及時地了解各個變電站的運行狀況的絆腳石。因此為改善這種不良局面、減輕機場動力部門的壓力、提高機場供配電系統(tǒng)的安全可靠性、適應民航事業(yè)快速發(fā)展對機場供電系統(tǒng)的安全可靠性要求越來越高的現實，機場極需一種有效的變電站綜合自動化系統(tǒng)。
3. DCAP-3000[4]系列分散式微機保護與控制單元的原理及技術特點
本文用到的DCAP-3000產品主要包括通用保護測控裝置DCAP-3000、電動機保護測控裝置DCAP-3010、電容器保護測控裝置DCAP-3020等。通用保護測控裝置以帶方向或不帶方向、帶電壓閉鎖或不帶電壓閉鎖的三段式電流保護，接地保護為主要保護功能，帶有同期檢查、低周減載、自動重合閘等功能。電動機保護測控裝置以帶電壓閉鎖或不帶電壓閉鎖的三段式電流保護、低電壓保護、定子接地保護等為主要保護功能，帶有磁平衡差動保護、高阻抗差動保護、縱差保護等各種差動保護功能。主要適用于各種規(guī)格高壓電動機、小型發(fā)電機等電氣設備，作為間隔層綜合自動化單元。電容器保護測控裝置以三段式電流保護、過（低）電壓保護、不平衡電流（電壓）保護、接地保護等為主要保護功能，帶頻率保護功能。
DCAP-3000系列分散式微機保護與控制單元的技術特點主要有幾下幾個方面：
A. 面向對象的單元式結構，全系列電磁兼容設計，適于全分散安裝。DCAP-3000系列單元按控制對象劃分，每個開關對應一個小機箱，可以完成所有測量、控制、保護功能。
B. 雙CPU分工協(xié)作或基于高性能DSP器件采用實時多任務系統(tǒng)。基于單片微機，單元裝置將保護、控制、測量、通訊等功能合理地分散到二個CPU芯片并行處理，由于保護具有至高無上的重要性，所以2個CPU分工時執(zhí)行的原則是：最大限度地減輕保護CPU的負擔，監(jiān)控CPU在及時處理大量的信息和數據、完成各種精確嚴格的算法的同時，實時監(jiān)視保護CPU的狀態(tài)，在裝置長期連續(xù)運行中，如遇到保護CPU故障,則可以啟動后備保護功能，從而最大限度地保證系統(tǒng)的安全運行。雙CPU結構極大地提高了系統(tǒng)的處理能力，并留有較多的冗余量，利于未來的升級和擴展。
C. 直接交流輸入，保護監(jiān)測功能相對獨立
D.完全人性化設計，調試簡單，操作方便
4. 基于DCAP-3000的供配電自動化[5]系統(tǒng)
4.1 原理框圖
圖1 采用DCAP-3000以RS485總線構成的變電站綜合自動化系統(tǒng)
DCAP-3000綜合自動化系統(tǒng)是以分散安裝于站內各間隔中的DCAP-3000單元為硬件基礎組成的，它可以取代各種保護設備、常規(guī)儀表、高壓控制屏、中央信號屏、故障錄波儀、諧波分析儀、接地選線裝置、電量變送器、RTU遠動裝置、模擬盤等等在內的幾乎全部常規(guī)二次設備，提供變電站綜合自動化系統(tǒng)全面解決方案。
保護裝置具有多個獨立通信口，可以同時采用不同的通信介質和通信規(guī)約，如雙絞線（或光纖）介質，RS-485工業(yè)現場總線、以太網，開放式、標準化站內通訊規(guī)約以及基于實時操作系統(tǒng)的組態(tài)式圖形用戶接口系統(tǒng)軟件，使系統(tǒng)成為面向用戶的全開放式軟硬件系統(tǒng)。簡化了變電站設計、安裝、調試，提高了運行、維護、管理水平，實現了變電站運行所需要的各種功能，以及常規(guī)變電站所不可能實現的許多高級功能。
4.2 系統(tǒng)主要功能
A.保護功能。速斷、定時限過流、反時限過流、電壓速斷電流閉鎖、功率方向、重合閘、低周減載（適用于饋線）;速斷、過流、過壓、低壓、零序電流、零序電壓、差電壓（適用于電容器）;速斷、過流、備用電源自投（適用于分段開關或橋開關）;速斷、反時限過流、過負荷、負序過流、低電壓、零序過流（適用于高壓電動機）;差動速斷、差動（適用于雙圈/三圈變壓器保護，也可用于大型電動機和發(fā)電機）;零序過流、零序過壓、過負荷、復合電壓啟動的過流、方向過流保護（適用于變壓器后備保護和測控）;光纖差動、距離（適用于110kV輸電線路）。
B.測量與計算分析功能。裝置可以完成三相電壓、三相電流、零序電壓、零序電流、同期電壓的測量以及有功功率、無功功率、功率因數、頻率、諧波、電度等電氣量的計算。當配以脈沖電度表時，還可進行有功電度和無功電度的測量。
C.遙控功能。在接收監(jiān)控主機的控制命令并確認正確無誤后，控制其執(zhí)行機構對斷路器進行跳合閘操作。
D.事故報警和記錄功能。系統(tǒng)發(fā)生故障時，能自動記錄故障時間、故障類型、故障電流大小。具有故障錄波功能。當發(fā)生故障或事故時，主機可發(fā)出語音和音響報警。
E.遠方保護定值管理。合理正確的保護定值設置是保證繼電保護裝置正確工作的必要條件，DCAP3000保護控制單元將保護定值作為實時數據傳送給當地監(jiān)控主機或遠方調度中心，保證值班人員在當地監(jiān)控主機或遠方調度中心隨時查看保護定值的真實情況。同時可以在安全系統(tǒng)的監(jiān)控下，下發(fā)修改命令，調整保護定值設置和保護配置。
4.3 系統(tǒng)通信方案
本系統(tǒng)通信主要分兩層，間隔層和中心控制層。間隔層通信指的是各保護控制單元與當地監(jiān)控主機之間的通信，這一層通信選用基于光纖或電纜介質的經典現場總線RS-485,為保證通信的可靠性和速率，將所有保護控制單元分成若干組，分別和裝在監(jiān)控主機中的智能通信接口裝置組成若干個子網，這樣可以在較低的物理速率下實現快速有效的數據傳輸，這也是將并行處理溶入串行通信的思想，是DCAP3000綜合自動化系統(tǒng)分散式設計思想的又一體現。同時系統(tǒng)與上級調度或其它智能一次設備的通信也是采取了同樣的設計思想，各自獨立完成，互不依賴，互不影響，不受對方設備的任何限制，徹底解決系統(tǒng)中可能的各種通信問題。
控制層通信網絡采用光纖以太網，和其他系統(tǒng)通過復用的方式共用光纜，這樣相對于鋪設獨立的專用光纜可節(jié)約成本。另外為保證通道的獨立性，在需要與其他系統(tǒng)進行數據交換時，在采取了必要的數據隔離與網絡安全措施的前提下，通過網關來進行數據交換。
本系統(tǒng)的網絡結構根據各站的地理分布及可以鋪設光纖的路徑進行規(guī)劃后采用了環(huán)形和星形混合的網絡拓撲結構。并在系統(tǒng)中對網絡進行了分層設置，各可獨立控制的區(qū)域連接成一個個子網，再將這些子網連接成一個系統(tǒng)。
4.4 系統(tǒng)主要特點
A.不增加任何裝置，可實現簡易母線保護功能。機場原來絕大多數變電站的6/10/35kV母線因成本限制沒有裝設母線保護，雖然母線短路的可能性很小，但是一旦發(fā)生，則有可能損壞主變壓器或發(fā)生越級跳閘事故。DCAP3000的設計則巧妙地解決了這個問題，通過各饋出線的保護裝置和變壓器后備保護裝置的簡單結合，在不增加任何成本的前提下通過快速邏輯判斷實現了母線保護，當母線發(fā)生短路時由變壓器后備保護以最快的速度將故障母線切除。
B.分散式低頻減載，不受輪次限制。在電力系統(tǒng)中，為保證供電質量，合理快速的低頻減載非常重要，分散式低頻減載通過在各保護控制單元設置不同的延時來區(qū)分減載輪次，靈活方便，可以隨意改變減載輪次，這對于其它集中式的低頻減載裝置幾乎是不可想象的。
C.不增加任何裝置，可實現母線過負荷減載。機場變電站都采用雙主變，兩段母線接線方式，正常情況下每臺主變負擔一段母線上的負荷，但由于負荷增長很快，往往一臺主變不能承擔全站的所有負荷。
5 結論
基于DCAP-3000的機場供配電自動化系統(tǒng)的實施，大大地提升了機場動力部門的安全可靠供電的保障職能，使得值班人員在中心變電站可隨時監(jiān)測機場各個變電站的運行狀況，從而有效地實現了實時在線監(jiān)測功能，也有效地解決了耗時長、耗力多和效率低的問題。
作者創(chuàng)新點：在研究和充分了解了機場原供配電系統(tǒng)工作中存在的弊端后，基于DCAP-3000設計并實現了一套機場供配電自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在成都雙流國際機場成功實施。系統(tǒng)充分發(fā)揮了微機在無人值班變電站中的作用，提高了供電質量和管理水平，有效地實現了變電站綜合自動化。
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