高压配电自动化改造与设计

发射机房高压电力设备是基层台站输配电系统中最重要的环节， 是发射台站电力系统的主要节点， 其作用是双重的， 其一它是发射台站电力系统的主要监控点； 其二它是介乎独立于变电站的电力系统。 变电站是发射台站输配电系统的核心， 更是发射台站的命脉。 随着计算机技术在电力系统的应用和发展， 越来越多的新建变电站采用综合自动化设计。 但在许多的发射台站电力系统中， 变电站设备完成自动化改造， 但存在大量不能及时更新自动化， 并且使用多年的机房高压电力设备。 这些发射机房的高压电力设备一般都是随发射机房的使用而先行使用。 容量大（容量预留）、 出线多、 投运久， 其一次设备老化、 损坏及腐蚀严重， 维护更新的工作量及费用逐年增加， 且效果不明显。 高压柜内二次设备从电磁型继电器保护、晶体管保护、 集成电路保护、 弱电选控设备等等都在同时运行。 这些设备的老化对发射台站的安全播音中心任务构成很大威胁， 同时对台电力系统的安全、 稳定、 可靠运行埋下隐患； 更对人身和机器设备构成巨大威胁。 对于每年电力系统导致的人为停播、 技术停播和技术安全事故的发生， 电力设备自动化是解决这一问题的根本方法。 先进的继电保护、 计算机监控以及“五防” 设备有利提高输配电可靠性。 鉴于对这类高压电力设备投入巨大的维护、 检修力量而不能取到直接效果， 因此， 对未能完成自动化改造的高压电力设备， 采用合理的、 经济的、 先进的、 可行性的改造， 使其满足发射台电力自动化系统的要求， 更使其满足以安全播音为中心任务的发射台站彻底解除电力安全隐患， 已成为发射台站电力系统工程技术人员面临的主要问题。

(一) 改造目的

a. 实现对发射机房所有高压电气设备的实时监控， 提发射机房运行的安全可靠性。

b. 达到远程监控的要求， 改善高压运行条件， 实现 CRT 实时监控及运行记录自动化， 提高发射台电力系统的自动化水平和运行效率。

c. 满足电力系统自动化的功能要求和对远动数据的实时性、 可靠性、 正确性和准确性的要求。 更加及时、 全面地掌握发射台电力系统及发射机房高压设备的运行情况， 实现“四遥” 功能， 增强远程中心（变电站） 监视和控制的能力。

d. 减少维护成本， 提高维护的有效性和实时性。

(二) 改造原则

a. 利用原有设备， 降低改造成本； 合理设计回路， 减小改造难度。

b. 增强“四遥” 功能， 利用间隔层智能 I/O 测控单元组建全台电力设备自动化系统以及相应的分布式通信网络， 实现全台电力系统自动化。 保证远动信息直采直送， 远动命令直收直控。 到监控中心（变电站） 的远动信息传输采用数据网串行接口通信以及远程计算机网络接口通信混合方式。

c. 继电保护装置、 故障录波器和系统安全自动装置独立设置， 保护信号采用双重采集， 即微机保护装置的主保护信号以硬接点方式分别接入中央信号和监控系统， 数字输出通过串行口或管理计算机接入以太网与监控系统相连。

d. 电能量信息由智能电能表以串行接口方式接入测控装置， 计量关口点的电能量信息采用无源脉冲接点方式接入测控装置。

e. 间隔层智能 I/O 测控单元的电气模拟量采用交流采样， 测控部分按现状规模配置。

(三) 自动化系统模式的选择

电力自动化改造的关键是自动化模式的选择， 这必须根据各发射台站的实际情况全面、 系统、 合理考虑。 根据***台的电力系统综合自动化来看， 发射台站实现自动化改造主要基于以下两种模式。

3. 1 常规远动方式

常规远动方式是指采用调度自动化系统的远动间隔层智能 I/O 测控单元实现自动化改造。 该方式在原有间隔层智能 I/O 测控单元基础上， 采用局域以太网或 RS485 星形结构， 由功能分布式网络化的间隔层智能 I/O 测控单元构成监控系统， 增加相应的测控功能及信号。 高压柜保留原二次系统， 仅对原有二次回路进行改动， 保留原有的中央信号系统易于运行和维护。 充分利用原有设备， 易于操作、 改造施工简便、 工作量小， 但改造后的二次回路系统较为繁杂， 保护系统不能适应拥有微机保护的电力系统自动化要求。

3. 2 综合自动化方式

综合自动化方式是指采用保护、 测量、 控制一体化的监控系统实现自动化。该方式集高压设备二次功能为一体， 信息高度共享， 结构简单、 功能较多。 需进行全面的二次系统改造， 取消中央信号系统， 远动系统和计算机监控系统统一考虑， 采用分层分布式结构的开放式系统， 将信号和控制回路接入计算机监控系统。该方案需更换大量原有保护及二次设备， 不易适应发射台站操作要求、 改造难度大、 施工复杂、 工作量大。

(四) 具体方法

4. 1 遥测部分

计算机监控系统的测量参数根据有关规定和发射机房电力设备的实际需要来确定。 主要问题是如何保证系统在更换过程中， 旧的二次回路安全稳定， 不受影响和改变。

发射机房测量具体分为以下几种接线方法：

间隔层智能 I/O 测控单元测量输入部分由电流和电压互感器组成， 采用三相三线或三相四线或三角形接线方法。 下面以***台发射机房改造某一块交流遥测板的第一条线路的接线为例说明三种接线方法。

a. 三相三线接线(两表法) 如图 1 所示， 两表法可测量并计算出如下交流量： Uab、 Ubc、 Ia、 Ic、 P、 Q、 f、 cosΦ；

b. 三相四线接线(三表法) 如图 2 所示， 三表法可测量并计算出如下交流量： Ua、 Ub、 Uc、 Ia、 Ib、 Ic、 Uab、 Ubc、 Uca、 P、 Q、 f、 cosΦ；

c. 三角形接线如图 3 所示， 该接线方法是为满足有的用户须直接测量三相线电压而考虑的。 此接法不计算功率， 可测量并计算出如下交流量： Uab、 Ubc、Uca、 Ia、 Ib、 Ic、 f。

通过接入线路的 PT、 CT， 经过交流采样板的采样， 主板的运算， 可以在面板上显示相应的 Ua、 Ub、 Uc、 Ia、 Ib、 Ic， 并计算出相应的 Uab、 Ubc、 Uca、 P、Q、 COSφ 、 f。 另外， NSC681 通过遥信板可以监测线路的相应开关节点的开关状态， 通过直流遥测板可以采集常规变送器输出的 0～5V、 0～20mA、 4～20mA 的直流信号。

4. 2 遥信部分

4. 2. 1 事故总信号

a. 事故总信号的采集比较繁琐， 方案也很多， 一般方法是改造二次回路，从中央信号回路中采集。 放弃当地音响功能， 或通过加装压板或继电器人为地在“当地” 和 “远方” 之间切换， 该法存在信号误发问题； 也可在本地改造的 I/O测控单元加装告警装置。 但不满足“双轨制” 的运行条件， 不利于长期运行。

b. 采用多接点静态型信号继电器实现事故总信号的多重采集。 该继电器能提供三对及多对接点， 一对为有源接点， 用以点亮光字牌， 保证当地功能； 另两对为无源接点， 其中一对供给间隔层智能 I/O 测控单元的保护动作信号， 另一对与其它各套保护中的信号继电器接点并接后送给间隔层智能 I/O 测控单元，产生事故总信号， 当发射机房内任一套保护启动并跳闸时， 事故总信号与该套保护动作信号同时送出。 该方法使事故总信号在本地告警装置与远方告警信息间相互独立运行， 解决了上述问题。

c. 由间隔层智能 I/O 测控单元软件处理生成， 或由监视中心监控后台软件处理生成。 将所有启动跳闸的保护信号软件启动， 生成事故总信号。 这种方法现场信号回路和接线基本不变， 安全可靠、 简便易行、 施工工作量小。

4. 2. 2 控制回路断线信号

控制回路断线是监视断路器分合闸回路完好与否的信号， 如果原控制回路中装设了位置继电器， 则将分、 合闸位置继电器备用的常闭接点接送至间隔层智能I/O 测控单元即可实现。 实际上绝大多数老式发射机房高压设备设计中均未考虑装设位置继电器， 如果重新加装位置继电器， 则增加不安全因素， 施工难度较大，而且会高压设备的整体二次回路。

a. 一般采用从光字牌利用光电隔离的方法， 将信号转接入间隔层智能 I/O测控单元。

b. 采用带从动接点的红、 绿指示灯， 该灯有一常开与一常闭接点， 将同一控制回路中的红、 绿指示灯的常闭接点串接送给间隔层智能 I/O 测控单元， 即可获得控制回路断线信号。 施工时只需更换指示灯， 接上 2 根信号线。 采用这种方法， 同控制回路可共用电缆， 降低了接线繁琐， 容易出错概率， 使施工难度大幅降低。

4. 2. 3 断路器和隔离刀闸位置信号

断路器和隔离刀闸的位置信号是反映其运行状态的信号， 一般从断路器和隔离刀闸的备用辅助接点处采集， 但电缆施放工作量大， 要重新铺设新的电缆。以上述经验为基础， 用控制回路中红、 绿指示灯的从动继电器常开接点来输出开关位置信号， 与控制回路断线信号共用电缆， （也可单独引出位置信号采集电缆至二次回路空接点， 再接出至遥信端子） 可以减少出错概率和施工工作量。

4. 2. 4 其它遥信量

其它遥信量包括： 压力闭锁、 弹簧未贮能、 机构异常、 直流接地、 事故信号熔丝熔断、预报信号熔丝熔断等。上述诸多信号一次设备只能提供一对有源接点，动作后用来点亮光字牌。

a. 如取消光字牌， 则将其改为无源接点或直接提供给间隔层智能 I/O 测控单元。（***台丙机房采用此类接法， 如下图）图中开关或刀闸辅助节点通过信号线进入遥信板经光电隔离后变成+5V 逻辑电平供 CPU 采集, 图中只画了一路遥信的输入回路。

b. 如保留光字牌， 可利用保护动作或设备异常时触发发射机房内光字牌的直流电源， 加装一级中间继电器或采用有从动继电器的光字牌， 当装置动作时，点亮现场光字牌； 同时启动继电器， 利用继电器的常开接点发远动信号。

c. 采用光端子， 利用光电隔离的方法， 从光字牌并接入间隔层智能 I/O 测控单元。 当保护动作或设备异常时， 在启动现场光字牌的同时； 驱动光电隔离，利用开关管的开关特性与远动间隔层智能 I/O 测控单元的直流 24V/48V 电源构成回路， 发出远动信号。 如图：

d. 保留光字牌和远动信号同时并存的主要问题是， 当做光字牌传动试验时，将误发远动信号。 解决方法是在控制屏上光字牌至间隔层智能 I/O 测控单元 的220V 直流电源回路中加入 1 个控制开关， 如果做光字牌传动试验时， 打开控制开关， 切断至间隔层智能 I/O 测控单元的信号回路。

4. 2. 5 传统处理方法与光电隔离方法的比较

传统改造方法因大量使用中间继电器， 产生继电器接点接触不良、 接点抖动而引起的拒发和误发远动信号的现象， 大量的继电器必须加装在高压柜内， 会给高压柜内的各元器件造成不稳定， 甚至无法安装。 而采用光电隔离的信号转换因全部采用集成电路和电子元件， 克服了上述问题， 可随意安装在保护或 I/O 测控单元上， 提高了可靠性、 合理性， 降低了费用， 施工简易、 灵活。

4. 3 遥控部分

a. 将间隔层智能 I/O 测控单元屏上每路遥控输出端“+” 、 遥分、 遥合、闭锁重合闸分别接至原控制回路中正电源、 就地操作开关 KK 的分闸接点 7 和合闸接点 8 以及重合闸放电接点 2、 4 即可实现。 施工时注意： 相邻回路共用电缆，减少施工工作量和间隔层智能 I/O 测控单元屏端的电缆数量； “+” 电源应分别使用各自回路的控制电源， 严禁多回路共用， 并通过间隔层智能 I/O 测控单元侧压板闭锁

b. 将间隔层智能 I/O 测控单元屏上每路遥控输出端“+” 、 遥分、 遥合分别与手控开关并联接至原控制回路中的正电源、 操作箱， 并增加就地/远方控制选择开关。

c. 具备 检同期功能/防误闭锁功能， 特别是检同期合闸和五防逻辑闭锁控制输出， 这些都是高压和超高压变电站计算机监控系统所必不可缺少的功能， 保证了特别是开关等一次设备的可靠控制。遥控板出口回路示意图见下图所示， 图中 YK1 和 YK2 合闸、 分闸的正电端子共用， 且出口同时各有一路信号触点。 YK3～YK8 合闸、 分闸正电端子分开。

4. 4 遥调部分

4. 4. 1 直流装置的更换

发射机房的高压设备一般采用硅整流装置， 用电容贮能， 其故障的发现和正常的检查工作必须由人工操作完成， 应将之更换为免维护装置， 采用双充电机和一组免维护蓄电池， 该装置至少应有如下功能（***台发射机房采用 BROSC 高质量电源）：

a. 2 台充电机可并列或独立运行， 相互切换， 自动调节充电方式。

b. 各直流分路有自动绝缘检查功能。

c. 有提供给间隔层智能 I/O 测控单元的绝缘破坏、 整流器故障、 过电压、断路器 MCCB 跳闸、 负荷断路器 MCCB 跳闸、 低电压异常、 高电压异常、 过电压、过负荷、 控制熔断器熔断、 直流接地、 风扇停止、 停电等信号的无源接点。

d. 实现对蓄电池电压、 电流、 温度、 放电容量、 放电时间、 可放电时间；负荷电压、 电流等监测。

以***台发射机房为例：

BROSC 装置充电机是一种三相全控桥式自动充电机， 精度高、 可靠性高。 该充电机具有软起动、 软停止功能； 具有自动稳压； 均充、 浮充自动转换功能。 充电机采用两段限流方式， 充电机输出限流、 蓄电池充电限流， 对蓄电池充电能够实现温度补偿。

主要计量项目： 整流器电压、 电流； 蓄电池电压、 电流、 温度、 放电容量、放电时间、 可放电时间； 负荷电压、 电流等。

主要状态指示项目： 交流输入、 整流器输出、 控制负荷、 合闸负荷、 浮充充电、 均衡充电、 轻故障、 重故障、 操作按键、 蓄电池容量 5 级。

主要报警项目： 蓄电池温度升高、 温度异常、 液面降低、 异常放电、 应检查、放电终止预告、 放电终止等。 整流器故障、 过电压、 断路器 MCCB 跳闸。 负荷断路器 MCCB 跳闸、 低电压异常、 高电压异常、 过电压、 过负荷、 控制熔断器熔断、直流接地、 风扇停止、 停电等。

主要记录项目： 30 种故障记录、 10 种状态记录等。

4. 4. 2 增设断路器分合闸线圈防烧毁装置

当断路器由 KK 或远方操作时， 如断路器分合闸回路的辅助接点调整不当，或辅助接点因长期使用转动部件间隙过大， 在切换过程中易造成拉弧或不能断开， 使分合闸线圈长时间带电而烧毁， 可能造成火灾和损坏直流装置。 为防止此类事故的发生， 为了提高自动化要求和更安全、 更有力保障安全播音任务改造的同时， 应考虑加装防断路器分、 合闸线圈烧毁装置。

4. 4. 3 更换继电器

正常运行时 KK 的位置一般置于合后， 当远方分闸操作后， 因开关的常闭接点闭合， KK 不会自动对应至分闸位置， 这样重合闸启动回路接通， 其延时时间继电器将一直处于动作状态， 特别是处于热备用的设备(如旁路开关) ， 线圈将会因长时间带电而烧坏， 因此， 必须将其更换为静态型重合闸继电器。

5 结论

采用分布式间隔层智能 I/O 测控单元实现“四遥” 功能的发射台站电力设备改造模式， 其特点是基本保留了原二次系统设计， 保护回路不动， 二次回路改动少， 充分利用了原有设备， 投资少、 改造难度小、 施工简易、 方便。 改造后的自动化系统经济、 实用、 可靠， 具有推广价值。发射机房高压设备改造的设计、 施工， 应对现场情况进行全面和深入的论证，设计要与现场实际情况相符合， 提倡切合实际的优化设计， 保证发射机房电力设备自动化改造的顺利实施， 更安全的为机房播音提供可靠能源。