一種新型的變電站報(bào)警和電話信號(hào)裝置的設(shè)計(jì)與研究

陳吉祥，KOUASSI Abel，葉 磊，張彥倫

（1.中國(guó)長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010；2.科特迪瓦國(guó)家能源局，科特迪瓦 阿比讓 999063）

0 引言

科特迪瓦電網(wǎng)發(fā)展與改造項(xiàng)目是中國(guó)長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)的大型海外輸變電工程，根據(jù)科特迪瓦國(guó)家經(jīng)濟(jì)和電力的需要，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行的全面升級(jí)與改造。本項(xiàng)目變電站工程涉及26個(gè)變電站，包括11個(gè)新建站和15 個(gè)擴(kuò)建站。由于科特迪瓦電網(wǎng)獨(dú)特的技術(shù)要求，二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作難度較大，特別是變電站報(bào)警和電話信號(hào)裝置的設(shè)計(jì)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，科特迪瓦電網(wǎng)由法國(guó)CIE 公司運(yùn)行和維護(hù)，現(xiàn)有運(yùn)行變電站均配置有一套報(bào)警和電話信號(hào)裝置（DRST），由布置在主控室的可編程控制器PLC主機(jī)或繼電器組合裝置、信號(hào)終端、喇叭、警鈴、按鈕、電話機(jī)等，以及布置在3個(gè)宿舍樓或多個(gè)繼電小室的信號(hào)終端、警鈴、按鈕、電話機(jī)等組成，當(dāng)站內(nèi)發(fā)生電力設(shè)備運(yùn)行故障時(shí)，可以在主控室、宿舍樓、繼電小室等部位同時(shí)響起警報(bào)和電話呼叫以提示運(yùn)行人員及時(shí)處理。有些變電站的報(bào)警信號(hào)裝置已經(jīng)損壞，要求本次改造予以更新。

1 國(guó)內(nèi)變電站信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)國(guó)家能源局頒標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 5136-2012 火力發(fā)電廠、變電站二次接線設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，變電站的電氣信號(hào)系統(tǒng)宜由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［1］。采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控方式的信號(hào)系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集、畫面顯示及聲光報(bào)警等部分組成。計(jì)算機(jī)監(jiān)控的信號(hào)分為狀態(tài)信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。信號(hào)數(shù)據(jù)可通過(guò)硬接線方式或通過(guò)與裝置通信方式采集，通信方式應(yīng)保證信號(hào)的實(shí)時(shí)性和通信的可靠性，重要的信號(hào)應(yīng)通過(guò)硬接線方式實(shí)現(xiàn)。報(bào)警信號(hào)由事故信號(hào)和預(yù)告信號(hào)組成。發(fā)電廠和變電站的信號(hào)在發(fā)生事故和預(yù)警時(shí)在監(jiān)控顯示器上彈出并發(fā)出音響，事故信號(hào)和預(yù)告信號(hào)的畫面顯示和報(bào)警音響應(yīng)有所區(qū)分。

《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》電氣二次部分，對(duì)于發(fā)電廠、變電站的中央信號(hào)系統(tǒng)的要求是［2］：1）中央信號(hào)應(yīng)能保證斷路器的位置指示正確。對(duì)單燈控制音響監(jiān)視接線應(yīng)能實(shí)現(xiàn)亮屏（即斷路器位置指示燈亮）及暗屏（運(yùn)行時(shí)斷路器指示燈暗）運(yùn)行，根據(jù)需要可以任意選擇一種，謂之位置信號(hào)裝置；2）斷路器事故跳閘時(shí)，能及時(shí)發(fā)出音響信號(hào)（蜂鳴器），并使相應(yīng)的位置指示燈閃光，謂之事故信號(hào)裝置；3）發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)發(fā)出區(qū)別于事故音響的另一種音響（警鈴），并在光字牌上顯示故障的性質(zhì)，謂之預(yù)告信號(hào)裝置；4）大型電廠及變電站發(fā)生事故時(shí)，應(yīng)能通過(guò)事故分析信號(hào)迅速確定事故的性質(zhì)。

變電站中常用的中央信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)包括事故信號(hào)和預(yù)告信號(hào)兩種。預(yù)告信號(hào)是當(dāng)電氣設(shè)備出現(xiàn)不正常運(yùn)行情況時(shí)并不立即使斷路器分閘，比如設(shè)備過(guò)負(fù)荷、變壓器溫度升高、直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地、中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地、控制回路斷線時(shí)等等，會(huì)及時(shí)發(fā)出燈光和音響信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。燈光信號(hào)一般是由顯示不正常運(yùn)行性質(zhì)及地點(diǎn)的光字牌組成；音響信號(hào)一般由警鈴發(fā)出，用以喚起運(yùn)行人員注意，提示已發(fā)生了不正常運(yùn)行情況，以便采取適當(dāng)措施加以處理，防止故障擴(kuò)大化。事故信號(hào)是當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生事故時(shí)，繼電保護(hù)裝置應(yīng)使故障回路的斷路器立即自動(dòng)分閘，并發(fā)出燈光和音響信號(hào)。燈光信號(hào)由光字牌顯示發(fā)生事故設(shè)備的名稱；音響信號(hào)一般由蜂鳴器發(fā)出，便于和預(yù)告信號(hào)警鈴區(qū)分，提醒電氣運(yùn)行人員設(shè)備發(fā)生了事故［3］。

對(duì)于有人值班變電站的信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)一般采用光字牌信號(hào)顯示故障名稱，由于光字牌故障較多，宜改造為微機(jī)閃光報(bào)警裝置［4-5］；或智能語(yǔ)音報(bào)警裝置［6］。國(guó)內(nèi)新建變電站多為微機(jī)監(jiān)控綜自站或智能變電站，變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)提供了詳細(xì)而豐富的各類設(shè)備狀態(tài)信息，從電網(wǎng)保護(hù)事件到裝置自檢報(bào)告，從通訊狀態(tài)到智能設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，后臺(tái)機(jī)可全面監(jiān)視變電站設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。綜自變電站的事故或故障報(bào)警信號(hào)一般不設(shè)置光字牌信號(hào)，報(bào)警信號(hào)通過(guò)變電站監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)顯示器顯示各類事件記錄，同時(shí)驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警裝置提醒運(yùn)行人員進(jìn)行處理［7-9］。也可以考慮設(shè)置信號(hào)光字牌顯示重要保護(hù)動(dòng)作（告警）信號(hào)以便于值班員快速處理故障［10］。

對(duì)于無(wú)人值班變電站，需要考慮的是如何實(shí)現(xiàn)變電站的信號(hào)系統(tǒng)與集控站以及調(diào)度自動(dòng)化主站之間的信息傳遞問(wèn)題，及集控站與調(diào)度主站實(shí)現(xiàn)分層分控管理模式［11-14］；國(guó)內(nèi)電力部門對(duì)于變電站信號(hào)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化管理也進(jìn)行了許多探討［15-17］。

對(duì)于智能變電站的信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)，由于變電站自動(dòng)化程度高，信息量大，各種信號(hào)動(dòng)作頻繁，值班人員任務(wù)繁重，容易遺漏重要告警信號(hào)或影響事故的正確處理，因此有必要研究智能專家告警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)告警信號(hào)分類顯示處理、提取故障報(bào)警信息、輔助故障判斷及處理等功能［18-22］。

在變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警技術(shù)。實(shí)現(xiàn)方法是采用計(jì)算機(jī)+電信集成（CTI）技術(shù)，通過(guò)電話語(yǔ)音卡自動(dòng)連接計(jì)算機(jī)和電話機(jī)，當(dāng)監(jiān)控對(duì)象例如變壓器、開關(guān)設(shè)備等有報(bào)警信號(hào)上傳時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息通知相關(guān)人員［23-25］。

由于可編程控制器具有抗干擾性好、靈敏度高、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，采用可編程控制器對(duì)現(xiàn)有中央信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行改造或用于新建變電站的信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)進(jìn)行了許多相關(guān)研究［26-27］，采用不同廠家的可編程控制器實(shí)現(xiàn)，如德國(guó)西門子S7-200PLC［28］，日本歐姆龍Omron PLC［29］，日本三菱FX系列PLC［30］。

除了中央信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)外，國(guó)內(nèi)還有些研究專門的故障報(bào)警系統(tǒng)，如電度表故障報(bào)警系統(tǒng)［31］、防走錯(cuò)間隔信號(hào)提示系統(tǒng)［32］等。

2 新型報(bào)警和電話信號(hào)裝置（DRST）的功能設(shè)計(jì)

為滿足科特迪瓦電網(wǎng)運(yùn)行要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)變電站信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗(yàn)及研究成果，結(jié)合當(dāng)?shù)貥I(yè)主的功能需求，本文設(shè)計(jì)了一種適合科特迪瓦的一套新的報(bào)警和電話信號(hào)裝置（DRST），該裝置具體組成包括：一個(gè)具有數(shù)字輸入和輸出的可編程的控制器；中控室、住宅和繼電小室中的信號(hào)終端；中控室、住宅和繼電小室中的鈴聲、喇叭或話筒；交換機(jī)和相關(guān)的電話機(jī)。

2.1 報(bào)警和電話信號(hào)裝置的配置要求

1）可編程的控制器：它是一個(gè)數(shù)字設(shè)備或中繼器，包括輸入和輸出接口。輸入接口的信號(hào)來(lái)自變電站的操作系統(tǒng)的信號(hào)和來(lái)自控制臺(tái)或48 V 直流機(jī)柜的信號(hào)，該控制器供電直流48 V，輸出接口是48 V 直流或24 V 直流，輸出到中控室的控制臺(tái)和住房的機(jī)柜，并且輸出到話筒。

2）操作臺(tái)或信號(hào)終端：在中控室，在中控室的辦公桌上，或者在內(nèi)部操作人員可到達(dá)的墻裝式機(jī)柜上安裝操作臺(tái)或信號(hào)終端，其中四個(gè)鍵設(shè)置向住房進(jìn)行振鈴和取消響鈴、報(bào)警和打電話，在每一個(gè)住宅各安裝一臺(tái)信號(hào)終端，可以隨時(shí)看見(jiàn)故障，以便發(fā)送遠(yuǎn)程報(bào)警指令。

3）鈴聲和喇叭或話筒：在中控室，及住宅每間住房中，都安裝故障提示的振鈴。

4）自動(dòng)交換機(jī)和相關(guān)設(shè)備：由變電站通信系統(tǒng)給DRST裝置提供一個(gè)電話分機(jī)號(hào)碼，能夠根據(jù)需要向住房或中控室發(fā)送電話信號(hào)。

2.2 報(bào)警和電話信號(hào)裝置功能原理圖

DRST裝置功能原理圖如圖1。

圖1 變電站報(bào)警和電話信號(hào)裝置功能原理圖Fig.1 Function schematic diagram of substation alarm and telephone signal device

根據(jù)報(bào)警和電話信號(hào)裝置的功能設(shè)計(jì)，變電站內(nèi)中控室操作臺(tái)可以與各住宅的信號(hào)終端、各繼電小室信號(hào)終端通過(guò)可編程控制器PLC 實(shí)現(xiàn)電話呼叫，監(jiān)控系統(tǒng)故障報(bào)警信號(hào)（包括高/中壓側(cè)緊急故障、非緊急故障、過(guò)負(fù)荷）可以通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)各部位的喇叭和警鈴，還可以實(shí)現(xiàn)變電站的戶外照明及開啟大門等功能，該裝置應(yīng)具有以太網(wǎng)接口與變電站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3 科特迪瓦變電站信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)解決方案

科特迪瓦項(xiàng)目11 個(gè)新建變電站需要提供全新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及報(bào)警和電話信號(hào)裝置（DRST），而15個(gè)擴(kuò)建變電站的擴(kuò)建內(nèi)容和要求則各不相同，有的站沒(méi)有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，DRST裝置為老式繼電器組合裝置，需要提供新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及DRST裝置，并且需要將原有老間隔控制保護(hù)接入新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及DRST裝置；有的站已有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及DRST裝置，需將擴(kuò)建間隔控制保護(hù)接入已有的監(jiān)控系統(tǒng)及DRST裝置。針對(duì)不同的變電站類型，根據(jù)科特迪瓦電網(wǎng)的要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)變電站的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范及研究成果提出相應(yīng)的DRST裝置設(shè)計(jì)方案。

3.1 新建變電站報(bào)警和電話信號(hào)裝置設(shè)計(jì)方案

新建225 kV 變電站DRST 裝置，包括1 臺(tái)可編程控制器PLC 主機(jī)、若干臺(tái)信號(hào)終端箱、喇叭、警鈴、按鈕、電話等。PLC主機(jī)安裝于中控室公用測(cè)控柜內(nèi)；中控室信號(hào)終端布置在控制臺(tái)上，宿舍樓信號(hào)終端箱分別布置于3 個(gè)新建宿舍室內(nèi)，繼電小室信號(hào)終端箱分別布置于各個(gè)225 kV戶外開關(guān)場(chǎng)繼電小室內(nèi)；功率放大器布置在控制臺(tái)內(nèi)，127 V 和48 V 喇叭布置在控制樓外墻上，警鈴安裝在公用測(cè)控柜頂上，按鈕安裝在中控樓靠近變電站入口的大門外側(cè)墻，電話機(jī)安裝在主控室和各宿舍室內(nèi)。DRST 報(bào)警系統(tǒng)輸入輸出原理圖見(jiàn)圖2，DRST報(bào)警系統(tǒng)電話回路原理圖見(jiàn)圖3。

圖2 225 kV變電站DRST報(bào)警系統(tǒng)輸入輸出原理圖Fig.2 Schematic diagram of input and output of DRST alarm system in 225 kV substation

圖3 225 kV變電站DRST報(bào)警系統(tǒng)電話回路原理圖Fig.3 Schematic diagram of telephone circuit of DRST alarm system in 225 kV substation

新建90 kV 變電站DRST 裝置，包括1 臺(tái)可編程控制器PLC 主機(jī)、若干臺(tái)信號(hào)終端箱、喇叭、警鈴、按鈕、電話等。除了沒(méi)有繼電小室信號(hào)終端外，其它跟新建225 kV變電站相同。

3.2 擴(kuò)建變電站DRST設(shè)計(jì)方案1

對(duì)于有些沒(méi)有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，且DRST 裝置為老式繼電器組合裝置的老變電站，需要提供新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及DRST裝置。

此類擴(kuò)建225 kV 變電站DRST 裝置，包括1 臺(tái)可編程控制器PLC主機(jī)、若干臺(tái)信號(hào)終端箱、喇叭、警鈴、按鈕、電話等。PLC主機(jī)安裝于中控室公用測(cè)控柜內(nèi)；主控室信號(hào)終端布置在控制臺(tái)上，宿舍樓信號(hào)終端箱分別布置于3 個(gè)原有的宿舍室內(nèi)，繼電小室信號(hào)終端箱分別布置于各個(gè)繼電小室內(nèi)；127 V 和48 V 喇叭布置在控制樓外墻上，警鈴安裝在公用測(cè)控柜頂上，按鈕安裝在中控樓靠近變電站入口的大門外側(cè)墻，電話機(jī)安裝在主控室和各宿舍室內(nèi)。此類擴(kuò)建90 kV變電站DRST報(bào)警信號(hào)系統(tǒng)除了沒(méi)有繼電小室信號(hào)終端箱，其余同225 kV擴(kuò)建變電站。

此類變電站DRST 設(shè)備基本上同新建變電站，但增加了已有的主控室、宿舍樓和繼電小室（如有）等部位的改造工作，包括相關(guān)的設(shè)備更新和電纜敷設(shè)及接線等。

3.3 擴(kuò)建變電站DRST設(shè)計(jì)方案2

對(duì)于有些已經(jīng)有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，且DRST 裝置為可編程控制器PLC 裝置的老變電站，不需要提供新的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及整套DRST裝置。

對(duì)于DRST 報(bào)警系統(tǒng)的改造方案是每個(gè)擴(kuò)建間隔各增加1臺(tái)通信轉(zhuǎn)換器和1個(gè)DRST信號(hào)終端，通信轉(zhuǎn)換器接收老站原有的DRST 裝置報(bào)警輸出信號(hào)，采用RS485 接口與信號(hào)終端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)建繼電小室的故障報(bào)警和電話振鈴。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了國(guó)內(nèi)變電站信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合科特迪瓦電網(wǎng)當(dāng)?shù)剡\(yùn)行習(xí)慣，設(shè)計(jì)了一套新的變電站報(bào)警和電話信號(hào)裝置（DRST）。新的變電站報(bào)警和電話信號(hào)裝置通過(guò)變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)主控室、宿舍樓及繼電小室等部位事故或故障報(bào)警信息聯(lián)動(dòng)，將故障報(bào)警系統(tǒng)和電話通信有機(jī)結(jié)合，及時(shí)提醒運(yùn)行人員處理，有效提高運(yùn)行管理水平，對(duì)國(guó)內(nèi)變電站實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班，少人值守”具有一定參考價(jià)值。同時(shí)，本文依托科特迪瓦電網(wǎng)發(fā)展與改造項(xiàng)目，針對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)各種不同類型的變電站，在滿足技術(shù)要求的條件下，分別提出了相應(yīng)的DRST 報(bào)警系統(tǒng)解決方案，對(duì)中國(guó)企業(yè)在當(dāng)?shù)鼗蚍ㄕZ(yǔ)區(qū)類似輸變電工程設(shè)計(jì)具有較大的參考意義。