摘 要：本文基于DCAP-3000設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套機(jī)場供配電[1]自動(dòng)化系統(tǒng)。首先研究了機(jī)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(jī)保護(hù)與控制單元的原理及技術(shù)特點(diǎn)，最后設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種全新的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在成都雙流國際機(jī)場成功實(shí)施。系統(tǒng)充分發(fā)揮了微機(jī)在無人值班變電站中的作用，提高了供電質(zhì)量和管理水平，有效地實(shí)現(xiàn)了變電站綜合自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：DCAP-3000、供配電系統(tǒng)、自動(dòng)化

1 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)變電站綜合自動(dòng)化、無人值班是提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行、控制水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要措施并已逐步成為必要措施[2]。國外許多發(fā)達(dá)國家已在各種電壓等級的變電站實(shí)現(xiàn)了無人值班，提高了運(yùn)行的可靠性和供電質(zhì)量，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。我國的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也表明，人的行為受個(gè)人素質(zhì)、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(shí)有發(fā)生，提高變電站的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)無人值班，是提高運(yùn)行可靠性[3]的有效措施。

　　當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)日趨成熟，電力系統(tǒng)的測量、控制、保護(hù)等功能的智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化已是該行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，電力系統(tǒng)運(yùn)行中的各種問題可以通過微機(jī)全面解決。國外有代表性的電力設(shè)備制造商，如ABB、SIMENS等公司生產(chǎn)的最先進(jìn)的裝置都是把中低壓電力元件如饋線、變壓器、電容器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的保護(hù)、測量、控制單元，直接安裝在開關(guān)柜上或一次設(shè)備的旁邊，然后采用基于光纖或電纜介質(zhì)的現(xiàn)場總線把整個(gè)變電站或配電站中一次設(shè)備的控制、測量和保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)系起來，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，組成一個(gè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，或作為一個(gè)遠(yuǎn)方終端單元（RTU）。這就是當(dāng)今風(fēng)靡全球的分散式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，但由于國外一次設(shè)備性能較穩(wěn)定且配置冗余度較大，運(yùn)行方式簡單，所以國外的保護(hù)控制系統(tǒng)功能很簡單，有的就是對電磁保護(hù)的簡單取代，但能夠滿足國外變電站運(yùn)行的需要。國內(nèi)在這方面起步雖然較晚，但隨著我國對城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)改造力度的逐步加大和基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展，形成了一個(gè)巨大的市場，目前已經(jīng)投入運(yùn)行的估計(jì)超過上百種，但大多數(shù)功能不全，或依靠各種其它設(shè)備的補(bǔ)充才能完成變電站必要的保護(hù)與控制功能。

2. 現(xiàn)有供配電系統(tǒng)的弊端

　　成都雙流機(jī)場作為國內(nèi)西部樞紐機(jī)場，占地近8000畝，其供電系統(tǒng)為一個(gè)中心變電站，下面輻射三十多個(gè)10KV變電站。在沒有應(yīng)用變電站綜合自動(dòng)化以前，機(jī)場動(dòng)力部門擔(dān)負(fù)著保障機(jī)場供電安全運(yùn)行的職能。由于機(jī)場范圍龐大、變電站數(shù)目極多、對安全可靠供電的要求極高，機(jī)場動(dòng)力部門每天要花費(fèi)大量的人力、物力來完成任務(wù)。這種耗時(shí)長、耗力多、效率低及可靠性低的機(jī)場供配電運(yùn)行機(jī)制已成了快速、準(zhǔn)確、及時(shí)地了解各個(gè)變電站的運(yùn)行狀況的絆腳石。因此為改善這種不良局面、減輕機(jī)場動(dòng)力部門的壓力、提高機(jī)場供配電系統(tǒng)的安全可靠性、適應(yīng)民航事業(yè)快速發(fā)展對機(jī)場供電系統(tǒng)的安全可靠性要求越來越高的現(xiàn)實(shí)，機(jī)場極需一種有效的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

3. DCAP-3000[4]系列分散式微機(jī)保護(hù)與控制單元的原理及技術(shù)特點(diǎn)

　　本文用到的DCAP-3000產(chǎn)品主要包括通用保護(hù)測控裝置DCAP-3000、電動(dòng)機(jī)保護(hù)測控裝置DCAP-3010、電容器保護(hù)測控裝置DCAP-3020等。通用保護(hù)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(hù)，接地保護(hù)為主要保護(hù)功能，帶有同期檢查、低周減載、自動(dòng)重合閘等功能。電動(dòng)機(jī)保護(hù)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(hù)、低電壓保護(hù)、定子接地保護(hù)等為主要保護(hù)功能，帶有磁平衡差動(dòng)保護(hù)、高阻抗差動(dòng)保護(hù)、縱差保護(hù)等各種差動(dòng)保護(hù)功能。主要適用于各種規(guī)格高壓電動(dòng)機(jī)、小型發(fā)電機(jī)等電氣設(shè)備，作為間隔層綜合自動(dòng)化單元。電容器保護(hù)測控裝置以三段式電流保護(hù)、過（低）電壓保護(hù)、不平衡電流（電壓）保護(hù)、接地保護(hù)等為主要保護(hù)功能，帶頻率保護(hù)功能。

　　DCAP-3000系列分散式微機(jī)保護(hù)與控制單元的技術(shù)特點(diǎn)主要有幾下幾個(gè)方面：

　　A. 面向?qū)ο蟮膯卧浇Y(jié)構(gòu)，全系列電磁兼容設(shè)計(jì)，適于全分散安裝。DCAP-3000系列單元按控制對象劃分，每個(gè)開關(guān)對應(yīng)一個(gè)小機(jī)箱，可以完成所有測量、控制、保護(hù)功能。

　　B. 雙CPU分工協(xié)作或基于高性能DSP器件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)?；趩纹C(jī)，單元裝置將保護(hù)、控制、測量、通訊等功能合理地分散到二個(gè)CPU芯片并行處理，由于保護(hù)具有至高無上的重要性，所以2個(gè)CPU分工時(shí)執(zhí)行的原則是：最大限度地減輕保護(hù)CPU的負(fù)擔(dān)，監(jiān)控CPU在及時(shí)處理大量的信息和數(shù)據(jù)、完成各種精確嚴(yán)格的算法的同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)視保護(hù)CPU的狀態(tài)，在裝置長期連續(xù)運(yùn)行中，如遇到保護(hù)CPU故障,則可以啟動(dòng)后備保護(hù)功能，從而最大限度地保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。雙CPU結(jié)構(gòu)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(kuò)展。

　　C. 直接交流輸入，保護(hù)監(jiān)測功能相對獨(dú)立

　　D.完全人性化設(shè)計(jì)，調(diào)試簡單，操作方便

4. 基于DCAP-3000的供配電自動(dòng)化[5]系統(tǒng)

　　4.1 原理框圖



圖1 采用DCAP-3000以RS485總線構(gòu)成的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

　　DCAP-3000綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是以分散安裝于站內(nèi)各間隔中的DCAP-3000單元為硬件基礎(chǔ)組成的，它可以取代各種保護(hù)設(shè)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(yuǎn)動(dòng)裝置、模擬盤等等在內(nèi)的幾乎全部常規(guī)二次設(shè)備，提供變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)全面解決方案。

　　保護(hù)裝置具有多個(gè)獨(dú)立通信口，可以同時(shí)采用不同的通信介質(zhì)和通信規(guī)約，如雙絞線（或光纖）介質(zhì)，RS-485工業(yè)現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)，開放式、標(biāo)準(zhǔn)化站內(nèi)通訊規(guī)約以及基于實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試，提高了運(yùn)行、維護(hù)、管理水平，實(shí)現(xiàn)了變電站運(yùn)行所需要的各種功能，以及常規(guī)變電站所不可能實(shí)現(xiàn)的許多高級功能。

　　4.2 系統(tǒng)主要功能

　　A.保護(hù)功能。速斷、定時(shí)限過流、反時(shí)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(guān)或橋開關(guān)）;速斷、反時(shí)限過流、過負(fù)荷、負(fù)序過流、低電壓、零序過流（適用于高壓電動(dòng)機(jī)）;差動(dòng)速斷、差動(dòng)（適用于雙圈/三圈變壓器保護(hù)，也可用于大型電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)）;零序過流、零序過壓、過負(fù)荷、復(fù)合電壓啟動(dòng)的過流、方向過流保護(hù)（適用于變壓器后備保護(hù)和測控）;光纖差動(dòng)、距離（適用于110kV輸電線路）。

　　B.測量與計(jì)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(shù)、頻率、諧波、電度等電氣量的計(jì)算。當(dāng)配以脈沖電度表時(shí)，還可進(jìn)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(jī)的控制命令并確認(rèn)正確無誤后，控制其執(zhí)行機(jī)構(gòu)對斷路器進(jìn)行跳合閘操作。

　　D.事故報(bào)警和記錄功能。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能自動(dòng)記錄故障時(shí)間、故障類型、故障電流大小。具有故障錄波功能。當(dāng)發(fā)生故障或事故時(shí)，主機(jī)可發(fā)出語音和音響報(bào)警。

　　E.遠(yuǎn)方保護(hù)定值管理。合理正確的保護(hù)定值設(shè)置是保證繼電保護(hù)裝置正確工作的必要條件，DCAP3000保護(hù)控制單元將保護(hù)定值作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送給當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主機(jī)或遠(yuǎn)方調(diào)度中心，保證值班人員在當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主機(jī)或遠(yuǎn)方調(diào)度中心隨時(shí)查看保護(hù)定值的真實(shí)情況。同時(shí)可以在安全系統(tǒng)的監(jiān)控下，下發(fā)修改命令，調(diào)整保護(hù)定值設(shè)置和保護(hù)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(hù)控制單元與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主機(jī)之間的通信，這一層通信選用基于光纖或電纜介質(zhì)的經(jīng)典現(xiàn)場總線RS-485,為保證通信的可靠性和速率，將所有保護(hù)控制單元分成若干組，分別和裝在監(jiān)控主機(jī)中的智能通信接口裝置組成若干個(gè)子網(wǎng)，這樣可以在較低的物理速率下實(shí)現(xiàn)快速有效的數(shù)據(jù)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(dòng)化系統(tǒng)分散式設(shè)計(jì)思想的又一體現(xiàn)。同時(shí)系統(tǒng)與上級調(diào)度或其它智能一次設(shè)備的通信也是采取了同樣的設(shè)計(jì)思想，各自獨(dú)立完成，互不依賴，互不影響，不受對方設(shè)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(wǎng)絡(luò)采用光纖以太網(wǎng)，和其他系統(tǒng)通過復(fù)用的方式共用光纜，這樣相對于鋪設(shè)獨(dú)立的專用光纜可節(jié)約成本。另外為保證通道的獨(dú)立性，在需要與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，在采取了必要的數(shù)據(jù)隔離與網(wǎng)絡(luò)安全措施的前提下，通過網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)各站的地理分布及可以鋪設(shè)光纖的路徑進(jìn)行規(guī)劃后采用了環(huán)形和星形混合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并在系統(tǒng)中對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分層設(shè)置，各可獨(dú)立控制的區(qū)域連接成一個(gè)個(gè)子網(wǎng)，再將這些子網(wǎng)連接成一個(gè)系統(tǒng)。

　　4.4 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

　　A.不增加任何裝置，可實(shí)現(xiàn)簡易母線保護(hù)功能。機(jī)場原來絕大多數(shù)變電站的6/10/35kV母線因成本限制沒有裝設(shè)母線保護(hù)，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(shè)計(jì)則巧妙地解決了這個(gè)問題，通過各饋出線的保護(hù)裝置和變壓器后備保護(hù)裝置的簡單結(jié)合，在不增加任何成本的前提下通過快速邏輯判斷實(shí)現(xiàn)了母線保護(hù)，當(dāng)母線發(fā)生短路時(shí)由變壓器后備保護(hù)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(zhì)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(hù)控制單元設(shè)置不同的延時(shí)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(shí)現(xiàn)母線過負(fù)荷減載。機(jī)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(fù)擔(dān)一段母線上的負(fù)荷，但由于負(fù)荷增長很快，往往一臺主變不能承擔(dān)全站的所有負(fù)荷。

5 結(jié)論

　　基于DCAP-3000的機(jī)場供配電自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施，大大地提升了機(jī)場動(dòng)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(shí)監(jiān)測機(jī)場各個(gè)變電站的運(yùn)行狀況，從而有效地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測功能，也有效地解決了耗時(shí)長、耗力多和效率低的問題。

　　作者創(chuàng)新點(diǎn)：在研究和充分了解了機(jī)場原供配電系統(tǒng)工作中存在的弊端后，基于DCAP-3000設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套機(jī)場供配電自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在成都雙流國際機(jī)場成功實(shí)施。系統(tǒng)充分發(fā)揮了微機(jī)在無人值班變電站中的作用，提高了供電質(zhì)量和管理水平，有效地實(shí)現(xiàn)了變電站綜合自動(dòng)化。

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