1、引言
中原油田柳屯工业区是油田的化工产品生产基地。为了充分利用油田丰富的天然气和轻烃资源，按照“发展资源优势，综合利用”的原则，寻找技术先进、经济合理的化工项目，大力发展天然气和轻烃深加工，最大限度地提高其附加值，形成油田新的经济增长版块，是营造油田新的支柱产业和接替产业，实现油田可持续发展的最佳选择。正是在这种情况下，我油田先后建起了三气、四气等气体处理厂以及正在兴建的生产能力3万吨/年的轻烃正丁烷深加工等项目，待该项目建成投产后，柳屯工业区内的用电负荷将高达16500kVA。为满足生产负荷用电的需要，确保变电站安全运行，我们对已老化的柳屯110kV变电站二次常规设备进行了改造。按照变电站综合自动化系统标准对二次部分进行重新设计，选用性价比高的MTC-3型设备，并采用分层分布式结构，不但节省了大量的控制电缆，而且提高了变电站的安全运行水平及供电质量。

2、变电站的基本情况
该变电站设有2台容量为20000kVA的三绕组变压器，型号为SFSLQ-20000/110 ，电压比为110/35/6kV。110kV电源进线2回，其配电装置为常规设备、户外中型布置，110kV开关为六氟化硫断路器，主接线为单母分段带旁母；35kV配出线8回，配电装置为常规设备、户外中型布置，35kV开关为六氟化硫断路器，主接线为双母线接线；6kV配出线9回，配电装置为户内开关柜、开关为真空断路器，主接线为单母分段。

3、变电站微机自动化系统设计原则
3.1、 本站改造按无人值班有人职守、四遥站设计, 采用综合自动化实现控制、保护、测量、 远动等功能。
3.2、 采用微机控制，并通过“远方”、“就地”选择开关实现就地（就地单元控制）、远方（站内控制室微机及调度中心）两种控制方式、用微机实现模拟操作，待确认后再执行控制命令。
3.3 、保护全部采用微机综合自动化系统，主变及35kV、110kV部分集中组屏后置于主控室内 ，6kV部分分散安装于各对应的开关柜上。各保护单元均相对独立，能独立完成其保护功能，并通过通讯接口向监控系统传送保护信息。
3.4、 测量元件和保护元件接各自独立的CT。
3.5、全部四遥量能送至调度中心，站内通讯采用大容量通讯网，通讯规约采用部颁POLLING规约。
3.6 、站内预留有与消防报警和防盗系统的接口。

4、系统结构及功能
本站微机综合自动化系统设计为分层分布式，底层是分布式单元机箱，包括单元保护与监控模拟量、单元开关量采集、操作回路、就地汉字显示以及通讯等功能。各单元保护箱均相对独立，仅通过站内通信网互联，并同上层当地监控通信。在功能分配上，采用能下放的尽量下放的原则, 凡本单元保护箱能完成的功能绝不依赖通信网，各单元箱上均配有操作面板和必要的手动操作开关及信号灯，运行人员通过就地单元箱上的操作面板或人机接口，就可对相应电气设备进行操作，当某一保护单元故障或退出运行时，不影响其它单元及上层监控。上层为当地后台监控系统，采用高档工控微机, 以中文Windows xp为软件平台，开发工具采用Visual C＋＋6.0，所完成的功能为： 对各单元装置实时数据的采集；实时数据的加工和管理；实现系统管理站功能。系统结构示意图见图1

4.1、系统结构
4.1.1 保护测控单元硬件结构
每个单元由主控板、继电器板、电源模块及薄膜按键、液晶显示器、分合闸按钮、机壳等组成。箱体为全金属封闭结构，通过屏蔽隔离板，将微机部分与出口继电器执行部门完全屏蔽隔离，提高微机系统抗干扰能力。
(1) 主机板由单片机（80196KC）、程序存储器、光电隔离输入／输出电路、数据存储器、定值存储器、跳合闸逻辑电路、光电隔离通信接口、显示器键盘接口、多路开关、低通滤波器、高精度运算放大器、精密电位器、限幅保护电路、模块通道接口、精密电流电压互感器、看门狗电路等组成。
(2) 继电器板由分合继电器、闭锁继电器、信号继电器组成；出口继电器采用大容量小型继电器，触点容量为220V长期接通5A，最大导通电流为8A。
(3) 电源模块采用小型开关电源，交直流两用，工作电压范围大效率高。
(4) 液晶模块采用大屏幕液晶显示器，分辨率为128×64。
(5) 信号灯采用固体发光器件，寿命长。
其中保护TA，测量TA，及TV等电量均经过彼此独立的小TA和小TV模块进入微处理器系统，经过滤波后，将所有交流电气信号转换成 0~5伏的微机标准接收信号, 通过多路转换开关，由微机进行交流采样，每个周期采样12点,经过傅立叶算法之后，可得到所需的基波及其它谐波值的分量，因而可以方便地计算出每条线路的U，I，P，Q、cosΦ等值。通过将正弦处理成方波，利用高速输入通道HSI，可以方便地计算出线路的频率f，各类电量值精度不低于0.5级。有功电度和无功电度数既可采集脉冲电度表脉冲数，也可以通过本身PQ值累积得到。其保护功能，通过保护级TA及TV 将信号采集之后可得到相关实际值，并利用这些实际值进行不同的组合运算，将结果与给定值比较，判断是否应该报警或保护动作，完成报警保护功能。键盘液晶显示面板供保护动作定值修改和电量参数就地显示功能能用，键盘板上共 配置9个按键，三个指示灯，可以指示本条线路断路器的位置状态和单元箱工作状态。键盘液显示共有两种工作状态：一般工作状态和编程工作状态。 一般工作状态下可查看各类电量参数。编程工作状态可以方便地修改各类保护定值。保护测控单元箱可通过配置不同的软件功能模块实现多种不同保护功能：变压器差动等主保护，变压器各类后备保护，电容器保护，线路多段电流电压连锁保护，距离保护，变压器主保护等。它可以自动记录8条事故类型，时间及动作值，供上级微机系统调用。通过后台管理机，输入操作密码，经通讯口可将断路器分合命令传送至某一测控保护单元, 执行对应断路器分合操作功能。

4.1.2 后台监控硬件结构
(1) 主机： 品牌机（P4 CPU /内存256M/硬盘40G/软驱1.44MB/48X光驱/键盘/鼠标/音箱１对）
(2) 显示器：21" 彩显，分辨率≥1200
(3) 智能通讯管理模块：包括智能通讯卡及Modem等
(4) 打印机：宽行打印机HP5000LE
(5) UPS：1000VA
4.1.3 软件结构
(1) 系统软件
包括组态软件及功能软件，其中组态软件可连接各单元模块，自动识别其类型配置等相应资源，还可利用工具包各类软件自动生成各种画面、报表等信息管理；功能软件具有CRT画面显示功能、打印功能、画面制作和参数设置功能、操作控制功能、 与调度系统的通讯功能、事件顺序记录(SOE)功能、系统自诊断。
(2) 应用软件 包括数据采集与处理软件、系统管理软件、人机联系软件、应用软件、历史数据软件、通讯软件、自诊软件等。
4.2 系统基本功能
4.2.1数据采集和处理
实时地采集全站运行过程中的 输入信号(包括模拟、开关量、脉冲量），经滤波，检出事故、故障，状态变位信号和模拟量参数变化，实时地更新数据库，为微机保护和监控系统提供运行状态的数据。
4.2.2微机保护
整个微机保护系统包括主变压器保护、线路保护、电容器保护、电压切换装置、母联保护等组成，构成完整的变电站成套保护。
4.2.3越限报警
电气和非电气模拟量设上限、下限、梯度变化值等限值，当测量值越限时发出报警, 并作相应处理。
4.2.4 事件顺序记录
将继电保护、自动装置的动作和断路器的跳、合闸按动作顺序记录下来，事件分辨率为5ms。
4.2.5 电度量的累计
接收脉冲电度表输出的脉冲信号，进行电度量累计，还可进行峰、平、谷时段累计。
4.2.6 控制操纵
各单元相箱上安装有就地远方切换开关及跳合闸操纵按钮，可就地操作，也可经后台机鼠标或键盘执行对站内断路器、电动隔离刀闸、电容器及主变分接头的控制。执行某单元断路器的送/停电，倒闸操作等各种顺序操作，在控制操作中实现安全操作闭锁功能。
4.2.7 自动电压无功调节
按给定的电压无功关系自动投切电容器、调整变压器分接头。
4.2.8主变压器冷却控制
根据主变压器温度和负载情况自动投切冷却器。
4.2.9人机接口
人机接口监视器、鼠标和功能键提供灵活的人机交换联系，能提供正常的运行显示、调用各种数据、报表及运行状态图、参数图等画面。
4.2.10事故报警
在系统发生事件或运行设备工作异常时，能自动投入音响报警，退出事故画面，画面上相应块闪光报警，指出事件的性质和异常参数值。
4.2.11技术统计与制表打印
根据运行要求进行电流、电压、功率、电度量的整点抄表、累计，设备的运行工况、时间统计以及合格率、 负荷率等技术统计，能定时自动或召唤制表打印输出。能定时打印各事故、测量、计量报表,分时报表、班报表、日报表、月报表、年报表等。如每日打印8小时日志；每月最后一天打印当月报表；每年最后一天打印当年报表；还可设置打印诸如：重合闸次数、成功率、断路器动作次数等统计数据。
4.2.12显示功能
能实时刷新全站主接线图，含断路器状态及隔离开关状态；实时刷新的单回路接线图及运行参数；显示各种曲线，如负荷曲线、电压棒图、电流棒图等；测量表格和计量表格及相应的测量值和计量值，并实时刷新；优先显示事故发生时间，所属设备及事故性质；各种调试、编辑等功能画面；显示本站概况、运行规程、操作指导、模拟等内容；显示时钟、日历、周波和安全运行天数。
4.2.13与调度通信、对时
本站计算机能与调度系统计算机进行对时、通信，完成站端事件顺序记录、遥信、遥测、遥控、遥调等功能。采用POLLING通讯规约与调度中心进行远动通信。
(1) 遥信范围
所有断路器及隔离刀闸位置信号，保护动作信号，事故信号，直流接地信号, 直流屏交流电源故障信号等。
(2) 遥测范围
1) 6kV、35kV 、110kV线路:U、I、P、Q、cosΦ、f
2) 6kV、35kV、110kV TV的Ua、Ub、Uc、Uab、Ubc、Uca
3) 主变：Ua、Ub、Uc、Uab、Ubc、Uca、P、Q、cosΦ、f
4) 电容器：Ia、Ib、Ic、Q、Varh
5) 直流电源电压及充电电流
6) 站用变：Ua、Ub、Uc
7) 直流系统：U、I
8) 主变油温等
(3) 遥控范围
1) 所有断路器
2) 主变中性点接地刀闸
4.2.14系统自诊断
分布式单元机箱和计算机监控系统具有在线自诊断功能，并能报警。保护单元自诊断出错时闭锁保护，同时报警。上层单元对下层单元通过通讯进行互检。

5、系统保护配置方案
5.1 主变压器
(1)、主保护：纵差保护；CT断线检测、电压闭锁；轻瓦斯、温度检测信号报警；重瓦斯检测信号跳断路器，所有的保护种类可分别投入及退出。
(2) 后备保护
1）主变110KV侧（高后备）：电压闭锁过电流保护，电压取110KV侧母线电压；过电压保护；过负荷保护;断线报警。
2）主变35KV侧（中后备）：电压闭锁过电流保护。设两段时限，第一段时限跳35KV侧母联（分段）开关， 第二段时限跳本台主变35KV侧开关；过负荷保护。
3）主变6KV侧（低后备）： 过电流保护，设两段时限，第一段时限跳10KV侧母联（分段）开关， 第二段时限跳本台主变10KV侧开关；电流、电压保护；过负荷保护；断线报警。
5.2. 110KV线路保护
设三段式相间距离保护；三段零序速断保护；三相一次重合闸；CT、PT断线报警，所有保护功能可以分别投入及退出。
(1)测量功能
可测量回路Ia、Ib、Ic、U、P、Q、COSΦ、Wh、Varh（积分电度），可直接显示一次测的实际值。
(2)事故记忆功能：可自动记录8条事故类型、时间及动作值。
(3)开关事件、弹簧未储能、压力报警、压力闭锁。
5.3. 35kV线路保护
可完成35kV线路方向时限速断、过流保护、方向电流闭锁电压时限、方向电流时限速断、三相一次重合闸功能等，带操作插件，具备遥信、遥控、遥测、遥脉功能。
5.4. 35kV电容器保护
具有延时电流速断、另序过流过压、低电压保护等，配合主站可完成无功电压自动调整功能，具备一组独立的测量CT，来完成电压、电流、无功功率、Q测量。
5.5. 6kV线路保护
具有瞬时电流速断、过流、一次重合闸等，设有本体动作及本体告警，具有综合自动化变电站所需的四遥功能，并可完成小电流接地选线的底层数据采集上送功能。
5.6、 6kV电容器保护
时限电流速断保护；零序过流保护过压及欠压保护；接地信号。
5.7、 6kV所用变保护
时限过流保护；时限速断保护；零序过流保护；瓦斯；过负荷信号。
5.8、 6kV母联保护：电流速断保护；时限速断保护。

6、 系统运行的特点
该变电站自改造投运以来，微机综合自动化系统能够能够保证继电保护的可靠性和安全性，并具有如下特点：
(1) 能够大屏幕汉字显示实时电流、电压和功率、电度、相位及其它所需的电气量。
(2) 直接使用汉字显示保护动作信息；保护定值可通过薄膜按键就地整定，也可通过后台计算机远方整定。
(3) 密闭抗干扰式保护与监控一体化单元机箱,设计灵活,。
(4) 保护和量测具有各自独立的采样回路，保证了监测精度和保护装置要求的抗饱和性能。
(5) 继电保护采用差分及全波富氏算法，具有良好的滤波效果，抗干扰性能好。
(6) 采用“看门狗”电路及多层光藕隔离抗干扰信号等设计，各单元相互独立、互不影响，功能上不依赖于监控主机，成功地提高了整个系统的抗干扰能力和可靠性。
(7) 后台监控采用“傻瓜型”操作系统, 使用维护简便易行。
(8) 具有多组故障自检功能，硬件检测直到跳闸出口继电器，能方便维护人员并及时查找故障点及故障性质。

7、结论
MTC-3综合自动化系统在柳屯110kV变电站的成功应用，对提高变电站安全、稳定、可靠运行以及降低运行维护成本等都具有十分重要的意义，通过柳屯110kV变电站综合自动化系统在实施中所积累的设计、安装、调试、运行等多方面的经验，可为我油田在今后变电站的常规二次系统改造打下良好的基础。