DCAP-3000在供配电系统自动化中的应用

摘 要：本文基于DCAP-3000设计并实现了一套机场供配电[1]自动化系统。首先研究了机场原供配电系统工作中存在的弊端，然后介绍了DCAP-3000系统分散式微机保护与控制单元的原理及技术特点，最后设计并实现了一种全新的变电站自动化系统。该系统已在成都双流国际机场成功实施。系统充分发挥了微机在无人值班变电站中的作用，提高了供电质量和管理水平，有效地实现了变电站综合自动化。
关键词：DCAP-3000、 供配电系统、自动化
1 引言
　　随着计算机和网络通信技术在电力系统中应用的迅速发展，实现变电站综合自动化、无人值班是提高电力系统安全运行、控制水平和劳动生产率的重要措施并已逐步成为必要措施[2]。国外许多发达国家已在各种电压等级的变电站实现了无人值班，提高了运行的可靠性和供电质量，取得了显著的社会效益和经济效益。我国的运行经验也表明，人的行为受个人素质、情绪、精神状态等各种因素的影响，具有很大的偶然性和不确定性，由于人为因素引起的误操作时有发生，提高变电站的自动化水平，实现无人值班，是提高运行可靠性[3]的有效措施。
　　当前，计算机技术和网络通信技术日趋成熟，电力系统的测量、控制、保护等功能的智能化、分散化、网络化已是该行业发展的必然趋势，电力系统运行中的各种问题可以通过微机全面解决。国外有代表性的电力设备制造商，如ABB、SIMENS等公司生产的最先进的装置都是把中低压电力元件如馈线、变压器、电容器、电动机等设备的保护、 测量、控制单元，直接安装在开关柜上或一次设备的旁边，然后采用基于光纤或电缆介质的现场总线把整个变电站或配电站中一次设备的控制、测量和保护系统联系起来，构成网络，组成一个综合自动化系统，或作为一个远方终端单元（RTU）。这就是当今风靡全球的分散式综合自动化系统，但由于国外一次设备性能较稳定且配置冗余度较大，运行方式简单，所以国外的保护控制系统功能很简单，有的就是对电磁保护的简单取代，但能够满足国外变电站运行的需要。国内在这方面起步虽然较晚，但随着我国对城乡电网建设改造力度的逐步加大和基础建设的迅猛发展，形成了一个巨大的市场，目前已经投入运行的估计超过上百种，但大多数功能不全，或依靠各种其它设备的补充才能完成变电站必要的保护与控制功能。
2. 现有供配电系统的弊端
　　成都双流机场作为国内西部枢纽机场，占地近8000亩，其供电系统为一个中心变电站，下面辐射三十多个10KV变电站。在没有应用变电站综合自动化以前，机场动力部门担负着保障机场供电安全运行的职能。由于机场范围庞大、变电站数目极多、对安全可靠供电的要求极高，机场动力部门每天要花费大量的人力、物力来完成任务。这种耗时长、耗力多、效率低及可靠性低的机场供配电运行机制已成了快速、准确、及时地了解各个变电站的运行状况的绊脚石。因此为改善这种不良局面、减轻机场动力部门的压力、提高机场供配电系统的安全可靠性、适应民航事业快速发展对机场供电系统的安全可靠性要求越来越高的现实，机场极需一种有效的变电站综合自动化系统。
3. DCAP-3000[4]系列分散式微机保护与控制单元的原理及技术特点
　　本文用到的DCAP-3000产品主要包括通用保护测控装置DCAP-3000、 电动机保护测控装置DCAP-3010、电容器保护测控装置DCAP-3020等。通用保护测控装置以带方向或不带方向、带电压闭锁或不带电压闭锁的三段式电流保护，接地保护为主要保护功能，带有同期检查、低周减载、自动重合闸等功能。电动机保护测控装置以带电压闭锁或不带电压闭锁的三段式电流保护、低电压保护、定子接地保护等为主要保护功能，带有磁平衡差动保护、高阻抗差动保护、纵差保护等各种差动保护功能。主要适用于各种规格高压电动机、小型发电机等电气设备，作为间隔层综合自动化单元。电容器保护测控装置以三段式电流保护、过（低）电压保护、不平衡电流（电压）保护、接地保护等为主要保护功能，带频率保护功能。
　　DCAP-3000系列分散式微机保护与控制单元的技术特点主要有几下几个方面：
　　A. 面向对象的单元式结构，全系列电磁兼容设计，适于全分散安装。DCAP-3000系列单元按控制对象划分，每个开关对应一个小机箱，可以完成所有测量、控制、保护功能。
　　B. 双CPU分工协作或基于高性能DSP器件采用实时多任务系统。基于单片微机，单元装置将保护、控制、测量、通讯等功能合理地分散到二个CPU芯片并行处理，由于保护具有至高无上的重要性，所以2个CPU分工时执行的原则是：最大限度地减轻保护CPU的负担，监控CPU在及时处理大量的信息和数据、完成各种精确严格的算法的同时，实时监视保护CPU的状态，在装置长期连续运行中，如遇到保护CPU故障,则可以启动后备保护功能，从而最大限度地保证系统的安全运行。双CPU结构极大地提高了系统的处理能力，并留有较多的冗余量，利于未来的升级和扩展。
　　C. 直接交流输入，保护监测功能相对独立
　　D.完全人性化设计，调试简单，操作方便
4. 基于DCAP-3000的供配电自动化[5]系统
　　4.1 原理框图

　　DCAP-3000综合自动化系统是以分散安装于站内各间隔中的DCAP-3000单元为硬件基础组成的，它可以取代各种保护设备、常规仪表、高压控制屏、中央信号屏、故障录波仪、谐波分析仪、接地选线装置、电量变送器、RTU远动装置、模拟盘等等在内的几乎全部常规二次设备，提供变电站综合自动化系统全面解决方案。
　　保护装置具有多个独立通信口，可以同时采用不同的通信介质和通信规约，如双绞线（或光纤）介质，RS-485工业现场总线、以太网，开放式、标准化站内通讯规约以及基于实时操作系统的组态式图形用户接口系统软件，使系统成为面向用户的全开放式软硬件系统。简化了变电站设计、安装、调试，提高了运行、维护、管理水平，实现了变电站运行所需要的各种功能，以及常规变电站所不可能实现的许多高级功能。
　　4.2 系统主要功能
　　A.保护功能。速断、定时限过流、反时限过流、电压速断电流闭锁、功率方向、重合闸、低周减载（适用于馈线）;速断、过流、过压、低压、零序电流、零序电压、差电压（适用于电容器）;速断、过流、备用电源自投（适用于分段开关或桥开关）;速断、反时限过流、过负荷、负序过流、低电压、零序过流（适用于高压电动机）;差动速断、差动（适用于双圈/三圈变压器保护，也可用于大型电动机和发电机）;零序过流、零序过压、过负荷、复合电压启动的过流、方向过流保护（适用于变压器后备保护和测控）;光纤差动、距离（适用于110kV输电线路）。
　　B.测量与计算分析功能。装置可以完成三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、同期电压的测量以及有功功率、无功功率、功率因数、频率、谐波、电度等电气量的计算。当配以脉冲电度表时，还可进行有功电度和无功电度的测量。
　　C.遥控功能。在接收监控主机的控制命令并确认正确无误后，控制其执行机构对断路器进行跳合闸操作。
　　D.事故报警和记录功能。系统发生故障时，能自动记录故障时间、故障类型、故障电流大小。具有故障录波功能。当发生故障或事故时，主机可发出语音和音响报警。
　　E.远方保护定值管理。合理正确的保护定值设置是保证继电保护装置正确工作的必要条件，DCAP3000保护控制单元将保护定值作为实时数据传送给当地监控主机或远方调度中心，保证值班人员在当地监控主机或远方调度中心随时查看保护定值的真实情况。同时可以在安全系统的监控下，下发修改命令，调整保护定值设置和保护配置。
　　4.3 系统通信方案
　　本系统通信主要分两层，间隔层和中心控制层。间隔层通信指的是各保护控制单元与当地监控主机之间的通信，这一层通信选用基于光纤或电缆介质的经典现场总线RS-485,为保证通信的可靠性和速率，将所有保护控制单元分成若干组，分别和装在监控主机中的智能通信接口装置组成若干个子网，这样可以在较低的物理速率下实现快速有效的数据传输，这也是将并行处理溶入串行通信的思想，是DCAP3000综合自动化系统分散式设计思想的又一体现。同时系统与上级调度或其它智能一次设备的通信也是采取了同样的设计思想，各自独立完成，互不依赖，互不影响，不受对方设备的任何限制，彻底解决系统中可能的各种通信问题。
　　控制层通信网络采用光纤以太网，和其他系统通过复用的方式共用光缆，这样相对于铺设独立的专用光缆可节约成本。另外为保证通道的独立性，在需要与其他系统进行数据交换时，在采取了必要的数据隔离与网络安全措施的前提下，通过网关来进行数据交换。
　　本系统的网络结构根据各站的地理分布及可以铺设光纤的路径进行规划后采用了环形和星形混合的网络拓扑结构。并在系统中对网络进行了分层设置，各可独立控制的区域连接成一个个子网，再将这些子网连接成一个系统。
　　4.4 系统主要特点
　　A.不增加任何装置，可实现简易母线保护功能。机场原来绝大多数变电站的6/10/35kV母线因成本限制没有装设母线保护，虽然母线短路的可能性很小，但是一旦发生，则有可能损坏主变压器或发生越级跳闸事故。DCAP3000的设计则巧妙地解决了这个问题，通过各馈出线的保护装置和变压器后备保护装置的简单结合，在不增加任何成本的前提下通过快速逻辑判断实现了母线保护，当母线发生短路时由变压器后备保护以最快的速度将故障母线切除。
　　B.分散式低频减载，不受轮次限制。在电力系统中，为保证供电质量，合理快速的低频减载非常重要，分散式低频减载通过在各保护控制单元设置不同的延时来区分减载轮次，灵活方便，可以随意改变减载轮次，这对于其它集中式的低频减载装置几乎是不可想象的。
　　C.不增加任何装置，可实现母线过负荷减载。机场变电站都采用双主变，两段母线接线方式，正常情况下每台主变负担一段母线上的负荷，但由于负荷增长很快，往往一台主变不能承担全站的所有负荷。
5 结论
　　基于DCAP-3000的机场供配电自动化系统的实施，大大地提升了机场动力部门的安全可靠供电的保障职能，使得值班人员在中心变电站可随时监测机场各个变电站的运行状况，从而有效地实现了实时在线监测功能，也有效地解决了耗时长、耗力多和效率低的问题。
　　作者创新点：在研究和充分了解了机场原供配电系统工作中存在的弊端后，基于DCAP-3000设计并实现了一套机场供配电自动化系统。该系统已在成都双流国际机场成功实施。系统充分发挥了微机在无人值班变电站中的作用，提高了供电质量和管理水平，有效地实现了变电站综合自动化。
参考文献
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　　[2] 尹航 石文生 刑世平.清华紫光DCAP系统在临邑输油站变电所的应用.管道技术与设备.2002年第5期
　　[3] 林洪钟.供配电系统可靠性探讨.建筑电气.2006年25卷1期
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　　[5] 王彦芳 王小平 韩兵欣 崔亮.配电网馈线自动化有限通信方式的研究.微计算机信息.2006年4-2期