（电力系统及其自动化专业论文）测控保护一体化装置的研究.pdf

同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 a b s t r a c t t h e p a p e r d e s c r i b e st h e d e v e l o p m e n t c o n d i t i o no f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d p r o t e c t i o nd e v i c ew i t ht h em e a s u r ea n dc o n t r o lf u n c t i o na n de x p o u n d st h er e s e a r c h b a c k g r o u n do fa r t i c l e a n di t s i m p a c t t h ea r t i c l e a n a l y s e s t h e d e s i g n c h a r a c t e r t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o n r e s e a r c ht o m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nd e v i c e b y c o m b i n i n g t h e p r o j e c t ，t h ep a p e rm a i n l ya n a l y s e s t h e p r o b l e m o f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nd e v i c em a d eb yg ec o m p a n y i na p p l i c a t i o nf i e l d ， a n d g i v e ss o m e a d v i c ef o ri m p r o v i n gt h ed e v i c e i no r d e rt ou s et h em i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nd e v i c ew i t ht h em e a s u r ea n d c o n t r o lf u n c t i o nb e t t e ra n du n d e r s t a n di t b e r e r ，t h e p a p e ra n a l y s e sm a i n l y t h e c h a r a c t e ro fh a r d w a r ed e s i g n b yt h er e s e a r c ht od a t ea c q u i s i t i o nu n i t ，a n a l y z i n gt h e d i f f e r e n to ft w od a t ea c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h ee f f e c tt om e a s u r e m e n t p r e c i s i o n t h i s p a p e ra n a l y s e st h ed e s i g np r o j e c to f c p um a i n s y s t e m a n d e x p l a i n s i t s c h a r a c t e r t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ef u n c t i o no f t h em i c r o p r o c e s s o r - b a s e d p r o t e c t i o n d e v i c e w i t ht h em e a s b r ea n dc o n t r o lf u n c t i o ni nt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y n e mf i e l d ， a n a l y s e st h em a i nd i f f e r e n t i nf u n c t i o na n de x p o u n d ss o m ew a y st o i m p r o v et h e r e l i a b i l i t yb e t w e e nt h em a i nc o m p u t e ra n dm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nd e v i c e w i m 协em e a s u r ea n dc o n t r o if i m c t i o n a tl a s t ，t h i s p a p e r d e s c r i b e sak i n do fa d a p t i v ec u r r e n ti n s t a n t a n e o u st r i p p r o t e c t i o np r i n c i p l e ，a n dc o m p a r e st h ec a p a b i l i t y d i f f e r e n tb e t w e e nt h ea d a p t i v e p r o t e c t i o np r i n c i p l ea n d t h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o n p r i n c i p l e k e yw o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l 耐p e o fa r t i c l e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 2 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果，撰写成博士硕士学位论文“泌控握塑二佳丝装量的受窒”。 除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：斌树林 2 c 讲年2 月芗日 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 第一章：绪论 卜1 微机测控保护的发展概况e 1 ，3 ，5 上世纪7 0 年代初，数字计算机在电力系统离线计算方面得到了应用。并开 始对微机保护方面的理论进行探索，在保护算法、数字滤波等方面的研究取得了 很大的发展。 在7 0 年代中期，大规模集成电路和数字技术的飞速发展，特别是价格便宜 的微处理器的出现，给微机在电力系统继电保护上的发展应用提供了有利条件， 从而使微机保护的研究出现了热潮。 1 9 7 9 年美国电气和电子工程师学会的教育委员会组织了世界性的计算机继 电保护研究班。在此之后，世界各大继电器制造商都先后推出了各种定型的商业 性微型计算机保护装置产品。 8 0 年代初，我国开始了在微机保护方面的研究，并于1 9 8 4 年，由华北电力 学院杨奇逊教授研制的第一套微机型线路保护样机试运行后通过鉴定。从此之 后，许多科研单位和高校对此作了许多探索。微机保护技术已渐趋于成熟，各种 类型的微机保护装置已在全国各大电力网络中投入运行。随着技术的发展，微机 保护装置集成了测量和控制功能，成为微机测控保护一体化装置。 卜2 微机测控保护一体化装置的特点 1 ，3 ，5 ，7 ，9 微机测控保护一体化装置是指集继电保护、测量、控制及通讯功能于一身的 现代智能型二次设备。与微机保护装置相比多了测量和控制功能。 微机测控保护一体化装置具有微机保护装置的一切优点，与传统的继电保护 相比，具体优点如下： ( 1 ) 维护调试方便。由于微机保护装置的硬件结构原理大致相同，各种保护功 能是通过软件来实现，并且在调试时，有配套的调试软件，调试方便，从而大大 降低了调试的工作量。微机保护装置大都具有自诊断功能，一旦发现异常会自动 报警，所以只要无报警，就可认为装置是完好的，从而大大减轻运行维护的工作 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 量。 ( 2 ) 可靠性高。微机保护装置采用了工业级元器件，使用了总线不出芯片等技 术，保证了微机保护装置具有很高的可靠性。微机保护装置具有自诊断能力，在 微机保护装置发生拒动和误动之前能够提前报警，提醒值班人员迅速采取相应的 措施，从而避免由于微机保护拒动或误动引起电力系统故障。另外，微机保护是 通过软件来达到保护的目的，有极强的综合分析和判断能力，能够自动识别和排 除干扰，防止由于干扰而造成误动。从目前的使用情况来看，微机保护的平均无 故障时间达到十万小时以上，其保护动作的正确率已经超过了传统的继电保护装 置，充分说明了微机保护是十分可靠的。 ( 3 ) 保护性能优。由于微机的应用，新的保护原理和灵活的保护算法在微机保 护中得到应用，使得传统继电保护无法解决的技术难题，在使用微机保护装置后 找到了新的解决办法。 ( 4 ) 灵活性强。对微机保护装置来讲，其硬件和外围设备设计可通用，各种复 杂的保护功能通过软件来实现的，硬件和软件采取模块化的设计思想，各种不同 类型的保护，只需对程序稍作修改，即可完成新的功能。另外，对微机保护装置 来讲，当需要改变保护动作性能时，不再像传统继电保护那样需要更改硬件，只 需要更改相应的参数设置，即满足新的保护功能要求。通过微机保护的逻辑编程 功能，可以实现各种复杂的保护功能。 ( 5 ) 易于获得附加功能。从目前的微机保护装置的设计来看，微机保护装置具 有保护功能，而且将测量和控制功能，远动功能集于一身，另外微机保护装置还 具有管理和分析故障的能力。 ( 6 ) 性价比高。随着大规模集成电路技术的发展和微机的广泛应用，微机硬件 的价格不断下降，微机测控保护装置的价格也在逐渐降低，加上使用了微机测控 保护一体化装置以后，可以大大缩小变电站的建筑面积，减少了二次电缆用量。 另外，由于微机测控保护装置的强大功能，加上几台计算机就可以代替常规变电 站中的保护屏、控制屏、录波屏、中央信号屏等，实现变电站综合自动化系统， 因此使降低了变电站的一次性投资。随着大规模集成电路技术的发展和微机的广 泛应用，微机硬件的价格不断下降，从长远投资来看，微机保护的性能价格比更 具有优势。 2 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 1 - 3 论文研究背景及其意义 微机测控保护装置的出现是电力系统发生了巨大的变化，满足了变电站综 合自动化的需求。目前，在国内新投建的变电站或老站改造工程中，均使用了微 机测控保护装置，传统的继电保护装置和测控装置随着微机测控保护装置的发 展，己逐步退出历史的舞台。世界上著名的微机测控保护装置的生产厂家纷纷登 陆中国电力市场，如美国通用电气有限公司、德国西门子公司、美国s e l 公司、 瑞士a b b 公司等：另外，国内的一些继电保护生产厂家也纷纷推出各种基于微 机系统的测控保护装置，如南京自动化设备总厂、南京南瑞继保有限公司、北京 四方继保有限公司、许继电气有限公司等。 在所参与的多个变电站综合自动化项目中，应用到各式各样的微机测控保 护一体化装置，其中在“上海正大广场变电站综合自动化”项目中应用了美国 通用电气有限公司多种规格型号的测控保护一体化装置。如：大型变压器测控保 护一体化装置s r 7 4 5 、马达测控保护测控装置2 3 9 、馈线测控保护装置d f p l 0 0 、 以及在其它项目中所用到的馈线测控保护装置s r 7 5 0 等。在安装、调试和实际 的运行中，微机测控保护一体化装置的种种优越性能得到证实。同时，在现场使 用过程中也发现了微机测控保护装置存在某些不足，这些不足有测控保护装置硬 件自身设计不合理的原因，也有人们在使用过程中的应用不当的原因。另外，通 过对其它变电站综合自动化系统的调研，也发现微机测控保护装置在使用上也存 在一些问题。概括起来讲有如下几方面： ( 1 ) 保护功能的实现过程难于理解。在传统继电保护中，往往靠各种电压、电 流继电器、中间继电器、时间继电器等通过一定的硬件逻辑关系来实现各种继电 保护功能。而对微机保护装置来讲，其保护功能是在通用硬件平台的基础上，通 过各种软件编程来实现，而软件的实现过程对从事继电保护工作的人员来讲，与 传统的保护相背离。因此，对于目前从事继电保护一般工作的人员来讲，不易理 解保护动作原理。 ( 2 ) 对维护人员要求高。尽管微机测控保护一体化装置与传统继电保护测量装 置相比，可靠性高的多，维护工作量小。但一旦微机测控保护装置出了问题，用 户很难进行维护，往往需厂家专业人员到场才能解决问题。 ( 3 ) 互换性差。在变电站综合自动化系统中，各厂家所采用的通讯协议不同， 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 所以导致变电站自动化系统组网复杂。另外，从目前微机测控保护装置在变电站 综合自动化系统中的应用情况来看，实现同种功能的各种微机测控保护装置，如 馈线测控保护装置，由于生产厂家的不同，使产品的外型结构不统一。当微机测 控保护装置出现故障或要进行改造时，由于产品安装尺寸的不同，不能用其它厂 家的产品相替换。 ( 4 ) 功能繁多，价格比较贵。微机测控保护一体化装置的设计还是从面向功能 的角度来设计，功能太多，反而导致使用起来不方便，并且价格比较贵。从目前 的微机测控保护装置在我国的使用情况来看，尽管微机测控保护装置功能多，但 在实际的使用过程中，往往只利用了其中的几项功能。 ( 5 ) 测量精度低。对于国外微机测控保护一体化装置，其测量和保护合用同一 c t ，导致其测量精度较低，不能满足测量精度要求。 ( 6 ) 保护装置的智能性有待提高。由于目前微机保护装置的保护功能的实现还 是模仿传统继电保护的一些原理，未能发挥出微机的强大优势。 ( 7 ) 微机测控保护装置的数学模型尚未规范化。 另外，由于微机测控保护一体化装置涉及的知识面比较广，包括计算机方面 的知识、通讯方面的知识、继电保护方面的知识等，在使用微机测控保护装置的 过程中，很难掌握好如何使用微机测控保护装置，因此在使用微机测控保护一体 化装置中还存在这样那样的问题，随着变电站综合自动化的发展，微机测控保护 一体化装置的广泛应用，因此有必要对该类装置的一些共性问题进行分析研究。 而目前国内这方面的论文与介绍文章又比较少，通过对本课题的研究，可以更好 的认识和使用微机测控保护一体化装置，促进变电站综合自动化系统的发展，提 高系统的性能，降低工程的投资。并通过对微机测控保护一体化装置应用研究， 提出其不足，并给出改进性意见，从而使微机测控保护装置的性能得到进一步完 善，使其功能更加实用化，智能化。因此本课题的研究不仅具有工程设计的指导 意义，而且具有很好的实际应用价值。 l - 4 本论文的主要工作 本论文研究的主要工作为： ( 1 ) 对国内外3 5 k v 以下电压等级的微机测控保护装置硬件平台作了全面综述， 4 同济大学硕士论文测控保护体化装置的研究 分析其存在的不足，提出了硬件平台的改进性措施。 ( 2 ) 研究美国通用公司全系列产品，重点研究馈线保护装置7 5 0 的功能、硬件 实现原理及特点，并以郑州电信项目中微机测控保护装置的安装及调试工作为 例，阐明一种利用微机测控保护装置的逻辑编程功能来使保护定值随运行方式改 变的措施。 ( 3 ) 以微机测控保护装置在变电站综合自动化项目中的应用为例，阐述几种基 于微机测控保护装置的变电站综合自动化设计方案及其特点，结合变电站综合自 动化系统对微机测控保护装置的各种功能进行研究。 ( 4 ) 对微机测控保护装置所用到的通讯协议性能特点进行研究，分析当前存在 的问题，阐明通信协议统一的必要性。 ( 5 ) 提高微机测控保护装置与其上位机通信可靠性措施的研究。 ( 6 ) 定值自动修正的电流速断保护原理及其性能特性的研究。 5 周济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 第二章：微机测控保护装置硬件结构 2 1 微机测控保护装置构成 1 ，3 ，5 ，7 ，9 ，3 5 微机测控保护装置实际上就是一个具有继电保护功能、测量功能和控制功能 的微机系统，因此，它除了具有一般微机系统的基本结构外，为了实现继电保护 功能另有自己的独特之处。 其典型结构图见下图2 1 ： 图2 1 ：微机测控保护装置硬件结构图 从功能上来划分，微机测控保护装置硬件系统可以分为6 个部分：( 1 ) 数据 采集系统；( 2 ) c p u 主系统：( 3 ) 开关量输入偷出回路；( 4 ) 人机接口回路； ( 5 ) 通讯接口回路：( 6 ) 电源回路；各功能模块在硬件设计上采用模块化设计 方法。 ( 一) 数据采集系统 数据采集系统的主要功能是采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模 6 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 拟信号以及一些直流信号，并将此信号经过适当的预处理，然后转换为所需的数 字量。 ( 二) c p u 主系统 c p u 主系统包括微机处理器c p u ，只读存储器( e p r o m ) 、随机存取存储 器( r a m ) 及定时器( t i m e r ) 等。c p u 主系统主要完成保护的运算、判断和 数据的分析处理，以完成各种继电保护功能、测量功能和控制功能，是微机测控 保护装置的大脑。 ( 三) 开关量输入输出回路 开关量输入回路的功能是实现外部开关量信号的采集，对微机测控保护装 置来讲，开关量输入信号分为两类： ( 1 ) 装置面板上的按钮接点。如一些功能键、数字键。 ( 2 ) 经过端子排引入装置的外部接点。如断路器的辅助触点、接地刀闸的辅 助触点、重瓦斯和轻瓦斯继电器接点输、温度报警信号输入等 开关量输出回路的功能是实现保护的跳闸出口、控制输出出口、以及一些 报警信号等。 ( 四) 人机接口回路 微机保护的人机接口回路主要的功能是通过键盘和显示器完成人机对话功 能、时钟校对功能、事件打印功能等。人机接口回路，是人与机器对话的桥梁。 ( 五) 通讯接口回路 通讯接口回路的功能主要是为了实现与变电站综合自动化系统或远方调度 系统的互联，实现信息的共享。 ( 六) 电源回路 电源回路的功能主要是为了向整个微机测控保护装置提供直流工作电源。 如c p u 系统的工作电源、开入开出回路的工作电源等。 通过对目前国内外微机测控保护装置硬件结构研究，发现其差异主要表现 在两个方面：数据采集系统设计方案和c p u 主系统设计方案。在下面两节中， 对这两个方面作深入的讨论。 7 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 2 - 2 数据采集系统的研究 1 ，3 ，5 ，9 ，1 8 ，2 9 ，3 5 2 - 2 - 1 概述 数据采集系统即通过模数转换技术将外部输入的电压、电流等模拟量信号， 经过量化和编码过程，转换为计算机所需的数字信号。根据转换速度来分，可以 分为慢速、中速和高速。根据模数( a d ) 转换的原理和特点的不同，可将a d 转换分为直接式a d 转换和间接式a d 转换两大类。直接式a d 转换是将模拟 信号直接转换为数字量。常见的有逐次逼近式a d 、记数式a d 、并行转换式 a d 等。间接式a d 转换是将模拟信号先变成中间变量，如脉冲频率、脉冲周 期、脉冲宽度等，再将这些中间变量变成数字量。其中常见的有单积分式a d 、 双积分式a d 、v f 转换式a d 等。在选用a d 转换器时，主要应根据使用的 场合的具体要求，按照转换速度、精度、价格、功能以及接口条件等因素来决定。 目前微机测控保护装置中数据采集系统常有两种方式，一是基于逐次逼近型 a d 转换方式，二是利用电压频率变换( v f c ) 原理进行a d 转换的方式。见 图2 2 。 ( a ) 逐次逼近型a d 转换方式 ( b ) v f c 原理的a d 转换方式 图2 2 ：模拟量输入回路框图 2 2 2 两种模数转换方式的比较 c p u 逐次逼近型a d 转换器是一种中速、有反馈、直接比较型的模数转换器。 其工作原理如下图2 3 所示： 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 数据总线二、一! _ 畸一 图2 3 ：逐次逼近式a i d 的工作原理 逐次逼近式a d 转换器首先向控制逻辑输入启动转换脉冲，将逐次逼近寄存 器和输出缓冲寄存器的数据清零。当第一个时钟脉冲到来时，将逐次逼近寄存器 的最高位置1 ，经过d a 转换器产生比较电压v f ，然后将v f 与输入信号比 较，如果v f i 女：k k f k g h ，1 巾。，2 肋一为工作于方式二时，流过保 n ， 护s r 7 5 0 的最大负荷电流。因此导致保护误动作。当按照工作在单回路1 供电 的运行方式对进线作过电流整定，则保护动作电流计算公式为： i 。：挚匕一( 3 - 9 ) o o ， 式中1 2 。一为工作于方式二时，流过保护s r 7 5 0 的最大负荷电流。 当系统工作于双回路供电方式下时，当进线1 过负荷时，本该保护动作于跳 闸，但由于保护整定值过大，有可能使保护拒动。 在传统保护整定中，当运行方式改变时，由人工来改变保护定值组。而微机 保护装置的出现，由于其具有逻辑编程功能，通过逻辑编程来选择保护定值组。 因此，在作保护整定时，需按照不同的运行方式，整定出两组保护定值。将母联 断路器信号送入进线1 s r 7 5 0 开关量输入端，当检测到母联开关状态量信号为分 位时，则按照式( 3 8 ) 对过负荷跳闸电流进行整定。当检测到母联开关状态量 信号为合位时，则按照式( 3 - 9 ) 对过负荷跳闸电流进行整定。从而可以提高微 机保护过电流后备保护的灵敏性和可靠性。 m i f 保护功能：过流、速断、接地、变压器过温 馈线二次系统图如下图3 5 ： h 卜1 i f 薜 嚣a a 6 5 c 4 s l h l c 5 ：6 a 8 m c 7a 9 c 8 a 1 0 图3 5 ：m 1 f 保护接线图 同济大学硕士论文 测控保护一体化装置的研究 图中：1 l h 、2 l h 变比为1 0 0 5 ；3 l h 变比为3 0 0 5 s r 7 5 0 保护功能：过流保护、速断保护、接地保护、失压保护 二次系统图如下图3 - 6 ： 7 5 0 鼾 6 7 于龟 h 7 6 8 最，亡 h 园 6 9 c i 1 1 9 c 2 一 r - 3 茹差 6 5 c 4 ：、一 h 5 c 5 j up 1 l 一 g h 6 6 c 6二、一 d 1 2 进城l 断路器分 母联断路器分位 - 鬲高开关位置 母联断踏器台置 手，自动信号 进蟪l 断路器台 位 电流回路 过流 速断 电压回路 低压 图3 6 ：s r 7 5 0 保护接线图 图中：i l h 、2 l h 的变比为：3 0 0 5 ；电压互感器变比为：1 0 0 i k v 微机保护装置选型及整定结果： m i f 选型为：m i f p a 5 5 e 2 0 0 h 0 0 c 功能说明： 保护功能：接地瞬时过流保护、相间瞬时过流保护、反时限过流保护、冷负 荷启动功能、超温跳闸 监视和测量：3 2 个事件记录、数字录波、断路器维修用的k 2 记数器、三相 电流、零序电流。 通讯功能：通过m o d b u sr t u 协议实现与变电站综合自动化系统互连。 整定结果： m i f 共有两组整定值，在此选择a d v a n c e ds e t t i n g s 作为保护运行的定 值表。 超温跳闸保护，通过输入点1 进行逻辑编程来实现。 s r 7 5 0 选型为：7 5 0 p 5 g 5 s 1 h i a 2 0 r 功能说明 保护功能：带时限过流保护、反时限过电流保护、低电压保护、冷负荷启动 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 功能 监视和测量：三相电压、电流、有功功率、无功功率、频率等、跳闸记录、 录波、事件记录等 通讯功能：通过m o d b u sr t u 协议与变电站综合自动化系统通讯，实现对 整个系统的管理和控制。 在上述主接线图中，发现母联开关无专用的电压互感器，但通过对其运行方式 的识别，驱动其某一输出回口，来控制某选择开关的分合；当工作在运行方式二 条件下，则接通1 号进线母线上的电压互感器二次回路。当工作在运行方式三条 件下，则接通2 号进线母线上的电压互感器二次回路。当工作在运行方式一条件 下，则保持原有接通回路。 3 5 小结 通过对g e 公司测控保护装置的分析和试验，在本论文的工作中做到了充分 利用装置的性能，提高了系统运行的可靠性、保护跳闸的选择性和保护的灵敏性a 通过对s r 7 5 0 每项功能的试验，充分证明了s r 7 5 0 测控保护装置的优越性能， 使用它可提高了电力系统的电能管理能力，降低工程成本，使变电站综合自动化 系统智能化程度更高。但在实际工程应用中，发现g e 测控保护一体化装置也存 在许多不足之处，主要有以下几点：( 1 ) 由于7 5 0 无专用的测量回路通道，其软 件算法主要是针对保护，则其电度量精度不够，在使用时只能作为参考，不能作 为计量用。所以在设计时，另加上一块有功和无功电度表，使系统设计复杂，增 加了接线工作量，并且电度量信息无法接入监控系统。解决电度计量的办法有两 种：一、设计专门用于计量的p t 、c t 数据采集通道，则可满足计量精度要求。 二、增加一脉冲计算通道，可记录脉冲电度表所发送的脉冲数，从而实现电度量 测量。( 2 ) g e 公司的测控装置显示单元多采用4 0 位字符显示，显示的屏幕过小， 每屏显示的信息量较少，如在无p c 调试软件条件下，进行参数设定和查阅时， 使用起来不够方便。随着显示技术的进步，和硬件价格的下降，可采用大屏幕液 晶显示器。( 3 ) g e 公司的操作界面和说明书为全英文资料，并且逻辑图说明和 国内的一些规范不同，给使用带来很大的不便。针对我国国情，应对操作界面汉 化，从而方便用户使用。 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 第四章：微机测控保护装置在综合自动化系统中的应用 变电站综合自动化系统主要采用微机测控保护一体化装置代替传统的继电 保护装置和测量装置。用计算机代替传统保护屏、控制屏、录波屏、中央信号屏 所实现的功能。其结构紧凑，占地面积小，投资较少，可靠性更高，不仅具有传 统变电站的所有功能，而且还具有能量管理功能，操作使用方便，故障率低等优 点。因此微机测控保护装置是变电站综合自动化系统的核心，要想对微机测控保 护装置进行应用，必须集合变电站综合自动化这个大的系统。本章主要对目前在 我国变电站中几种常用的变电站综合自动化系统进行研究，阐述微机测控保护装 置应具备的功能，以及在目前国内外微机测控保护装置功能上存在的差异，并对 在微机测控保护装置常用的几种通讯协议进行性能对比，最后提出几种提高微机 测控保护装置与上位机通讯可靠性的措施。 4 - 1 变电站综合自动化系统的结构形式 9 ，2 0 ，3 9 ，4 0 根据综合自动化系统设计思想和安装的物理位置的不同，其硬件结构可以分 为以下几种形式： ( 一) 集中式综合自动化系统 在变电站综合自动化早期，为防止变电站中各种电磁场对微机保护装置干扰 导致保护误动作，常在变电站设计时，将微机的保护功能、测量功能、控制功能 集中到专门保护屏中。 集中式结构的综合自动化系统，指采用不同档次的计算机，扩展其外围接口 电路，集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理， 分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能，集中机构也并非指由一台 计算机完成保护、监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控和与 调度等通信的功能也是由不同的微型计算机完成的，只是每台微计算机承担的任 务多一些。集中式变电站综合自动化系统的典型结构框图如下图4 1 所示： 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 调度 丽陌鬲i 翮医丽警 监控主机 雏驰 雏 输出 接口 图4 1 ：集中式变电站综合自动化系统结构图 这种结构形式是按变电站的规模配置相应容量、功能的微机保护装置和监控 主机及数据采集系统，它们安装在变电站主控室内。主变压器、各种进出线路及 站内所有电气设备的运行状态通过电流互感器、电压互感器经电缆传送到主控制 室的保护装置或监控计算机上，并与调度控制端的主计算机进行数据通信。当地 监控计算机完成当地显示、控制和制表打印等功能。 集中式综合自动化系统的优点是： ( 1 ) 能实时采集变电站中各种电气设备的模拟量、脉冲量、开关状态量，并建 立实时数据库，通过处理能产生各种所需要信息，如平均日负荷，日、月最大负 荷及最低负荷，母线的最高电压与最低电压，进、出总电量等。 ( 2 ) 体积小，可减少占地面积，抗干扰能力强。 ( 3 ) 结构紧凑。 ( 4 ) 保护信息作为管理用信息存在当地控制机中随时作为显示、打印之用。 ( 5 ) 造价低，适合小型变电站的新建或改造。 集中式综合自动化系统的缺点是： ( 1 ) 每台计算机的功能较集中，当一台计算机出现问题时，影响的面比较大， 因此必须采用冗余的方式来提高系统的可靠性。 ( 2 ) 集中式结构，软件复杂，修改工作量大，调试麻烦。 ( 3 ) 组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须另行设 计，工作量大，因此影响了批量生产，不利于推广。 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 ( 4 ) 电缆用量大，成本高。 ( 5 ) 集中式保护与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直观，不符合运行 和维护人员的习惯，调试和维护不方便，程序设计麻烦，只适合保护算法比较简 单的情况。 ( - - ) 分层分布分散式结构综合自动化系统 随着微机技术和通信技术的发展，及微机保护装置抗干扰性能的提高，电力 系统微机保护设备的设计从面向功能设计转向面向对象设计，各种各样面向对象 设计的微机测控保护装置的出现。使分层分布式综合自动化系统得到了迸一步发 展。所谓分层分布式结构，是将测控保护装置下放到现场开关柜上进行安装，通 过总线网络实现与站控层通讯管理机相连。变电站综合自动化系统分层分布分散 式典型结构示意图如下图4 2 所示： 图4 2 ：分层分布分散式变电站综合自动化系统结构图 从图中可以看出，分层式结构，是将变电站信息的采集和控制分为管理层、 站控层和间隔层三个级分层布置。分布分散式是将间隔层各种测控保护装置分散 安装到各个开关柜上。 间隔层按一次设备组织，一般由各种测控保护装置组成，如变压器微机测控 保护装置、电动机测控保护装置、馈线测控保护装置以及电压、无功综合控制装 置等。这些测控保护装置担负着数据采集、继电保护、事件记录等任务。这些测 控保护装置直接通过总线接到站控层。 站控层的主要功能就是作为数据集中处理和保护管理，担负着上传下达的重 要任务。对下它可以管理各种间隔单元装置，包括微机监控、保护、自动装置等， 3 7 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 收集各种数据并发出控制命令，起到数据集中作用，还可以通过现场总线完成对 保护单元的自适应调整；对上则通过设立开放式结构的站级网络接口，与管理层 建立联系。将数据传送给管理后台机或调度端，起到数据处理作用。 管理层由一台或多台管理计算机组成，实现数据处理、画面显示、打印、谐 波分析计算等功能。 分层分布分散式综合自动化系统由于其采用分布式结构，具有如下特点： ( 1 ) 高可靠性，任一部分设备有故障时，只影响局部； ( 2 ) 全分散式结构可扩展性强，组态灵活，检修方便。 ( 3 ) 简化了变电站二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆。 ( 4 ) 分布式系统为多c p u 工作方式，各装置都有一定数据处理能力，从而大大 减轻了主控计算机的负担。 ( 5 ) 继电保护功能相对独立。继电保护装置是电力系统中对可靠性要求非常严 格的设备，在综合自动化系统中，继电保护单元宜相对独立，其功能不依赖通信 网络或其他设备，各保护单元要有独立的电源，保护的输入应仍由电流互感器和 电压互感器通过电缆连接，输出跳闸命令也要通过常规的控制电缆送至断路器的 跳闸线圈，保护的启动、测量和逻辑功能独立实现，不依赖通信网络交换信息。 ( 6 ) 实时检测数据和保护信息分别放在数据库中，调度中心直接从站控机中获 取，为无人化建立了可靠的自动化监控系统。 ( 7 ) 具有与系统控制中心通信功能。 目前在我国3 5 k v 中、小型规模的变电站综合自动化系统多采用上述结构。 ( 三) 分散分布式与集中相结合的综合自动化系统结构 目前国内有许多变电站的设计采取将配电线路的保护和测控单元分散安装 在开关柜内，而高压线路保护和主变压器保护装置等采用集中组屏的系统结构称 为分散和集中相结合的结构。这种设计不仅适合应用在各种电压等级的变电站 中，而且若在高压变电站中应用更趋于合理，经济效益更好。分散分布式与集中 相结合的综合自动化系统典型结构框图如下图4 - 3 所示： 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 上位机 t 一 l 保护管理机l 一一一一一一一l 一一一一一一一一 j 图4 3 ：分散和集中相结合综合自动化系统的结构图 采用分散和集中相结合综合自动化系统有如下特点： ( 1 ) 1 0 3 5 k v 馈线保护采用分散式结构，接地安装，可节约控制电缆，通过现 场总线与保护管理机交换信息。 ( 2 ) 高压线路保护和变压器保护采用集中组屏结构，保护屏安装在控制室或保 护室中，同样通过现场总线与保护管理机通信，使这些重要的保护装置处于比较 好的工作环境，电磁干扰少，提高装置运行的可靠性。 ( 3 ) 其他自动装置中，备用电源自投装置和电压、无功综合控制装置即可采用 集中组屏结构，安装于控制室或保护室中，也可安装到现场开关柜上。 ( 4 ) 集分散控制和集中控制优点于一身，扬长避短。 4 2 微机测控保护功能的研究 1 ，3 ，5 ，9 ，3 9 ，4 0 ，4 2 ，4 3 ，4 4 由于目前国内关于测控保护装置功能研究的资料比较少，人们在选择装置 时，仅仅注重一些简单功能的选择，因此造成微机测控保护设备功能的严重让费。 本节重点对微机测控保护装置的功能进行分析研究，并阐明其在变电站综合自动 化系统中的作用。 ( 一) 继电保护的功能 对微机测控保护装置来讲，其最重要的一点还是其具有继电保护功能。微机 保护理论尽管继承了许多传统的继电保护理论，同时根据微机自身的特点也产生 了许多新的理论。微机保护的功能主要靠软件来实现，按照一定的保护算法，实 现对一次设备进行保护。 3 9 同济大学硕士论文测控保护一体化装置的研究 微机测控保护装置按保护的对象来划分主要包括馈线保护、电力变压器保 护、电容器保护、电动机保护等： 微机测控保护装置按保护的种类来划分主要包括三断电流保护、电压保护、 三相一次重合闸等。 微机测控保护装置按保护的功能来划分主要包括主保护、近后备保护、远后 备保护。 主保护即当保护的设备发生故障时，则立即启动保护跳闸，从而保证设备在 最短的时间内跳闸，使故障对设备的危害降低到最小。 近后备保护即是当被保护的设备发生故障时，主保护未动作，则由同一设备 完成保护功能，使保护跳闸。 远后备保护即是当被保护的设备发生故障时，本改跳闸，但由于装置原因或 断路器原因，导致上一级的保护未能跳闸，因此在下一级保护中，设保护作为上 一级保护的后备保护。 ( 二) 测量和控制功能 对国外的测控保护装置，测量和保护共用电流、电压互感器，只是在软件中 采取相应的措施，来实现电压电流量的测量。对国内的微机测控保护装置，其测 量和保护回路单独，从而保证测量的精度。 测控保护装置采用双c t ，其主要原因是对保护和测量的要求不同。当在系 统发生短路故障时，要求保护能够识别是额定电流的几十倍的短路电流，因此其 保护测量动态范围比较大，一般为0 2 0 i n ；而对测量功能来讲，要求系统处于 正常运行状态下，能够准确的测量电气参数，因此对测量系统其动态范围比较小， 一般为0 8 1 2 i n l 而在保护发生时，测量功能无效。 对于一般的变电站综合自动化系统所需的电气参数主要包括三相电压、三相 电流、三相有功、三相无功、总有功、总无功、功率因数、频率。 在传统的变电站自动化系统中，系统的控制功能主要通过可编程逻辑控制器来 实现。控制方式为由可编程逻辑控制器输出口输出于接点信号，按入断路器控制 的二次回路。随着微机测控保护装置功能的扩展，开关的分合可以由装置的开关 量输出回路来控制。通过上位机给微机测控装置发分合命令，当微机测控保护 装置收到命令后，并经过一定的逻辑判断，来决定是否来控制开关分合。 同济大学硕士论文测控保护体化装置的研究 另外，对于一些微机铡控保护装置还带有r t d ( 温度测量) 测量功能，如可以 要测量变压器的温度，可以将温度传感器信号直接接入微机测控保护装置温度输 入端，即可实现对温度的测量。 ( 三) 监视功能 监视开关量的状态。开关量信号有两种，一种为有源信号或称为湿节点信号； 一种为无源信号或称为干节点信号；在接线过程中，要严格注意这两种信号的区 别，防止混淆，避免对微机测控保护装置产生危害。在实际的工程应用中，往往 发现开关量信号显示不正确。经检查主要原因是反映开关量状态的限位开关的问 题，由于限位开关不能正确反映现场开关的状态。因此对一个变电站综合自动化 系统，反映现场实际情况的一些传感器至关重要，如电压互感器、电流互感器、 温度传感器、限位开关等；这些传感器性能的好坏直接影响整个变电站综合自动 化系统的性能。 ( 四) 对时功能 对微机测控保护装置来讲，一般对时方案有两种：网络对时和g p s 对时。 网络对时：在变电站综合自动化系统中，通讯管理机或管理主机向就地层设 备定时发送时间报文，以广播的方式对微机测控保护装置对时。这种方案由于网 络延时和各就地层接受报文不同步，所以对时精度不够高。 g p s 对时即由全球定位系统同微机测控保护装置直接对时，全站公用同一个 g p s 定时定位接收机，输出的数据流可以供各带有对时接口的单元共享，提高了 对时精度。 当继电保护动作时，微机测控保护装置能够准确的记录保护发生的时间和保 护动作的原因；往往有时从一个装置动作的时间记录很难分析出某些故障，需对 故障进行综合分析系统，如无对时功能，就很难判别故障发生时的实际情况，增 加了分析故障的难度。 ( 五) 事故顺序记录与事故追忆功能 事故顺序记录( 即s o e 功能) 就是对变电站内的继电保护、自动装置、断 路器等在事故时动作的先后顺序自动记录。事件记录可以通过监控系统显示和打 印输出。顺序记录的报告对分析事故、评价继电保护和自动装置以及断路器的动 作情况是非常有用的。 4 1 同济大学硕士论文 测控保护一体化装置的研究 事故追忆是指对变电站内的一些主要模拟量，如主变压器各侧的电流、有功 功率、主要母线电压等，在事故前后一段时间内作连续测量记录。通过这一记录 可了解系统或某一回路在事故前后所处的工作状态，对于分析和处理事故起辅助 作用。 ( 六) 故障录波和跳闸记录 当故障发生时，记录故障发生前和故障发生后的波形，供分析故障时参考。 跳闸记录功能是指当开关发生跳闸时，包括正常跳闸和保护跳闸，记录一些 重要的电气参数数据，如跳闸时的电流、跳闸时的电压等： ( 七) 逻辑编程功能 这是微机测控保护装置最近才被广为应用的一项功能，通过其可以对微机测 控保护装置进行一些简单的逻辑编程，进而实现一些复杂的保护控制逻辑。 ( 八) 通讯功能 微机测控保护装置一般情况下至少有两个通讯口，一个为r s 2 3 2 通讯方式， 一个为4 8 5 通讯方式。 与微机测控保护装置进行人机对话的方法有三种：通过装置上显示器和键 盘、通过面板前的r s 2 3 2 接口、通过背面的4 8 5 接口。 当通过装置上的显示器和键盘实现人机对话功能，优点是不需要任何的辅助 工具。缺点是操作麻烦，显示信息不直观。 当通过面板前的r s 2 3 2 接口实现人机对话功能，将个人电脑串口与测控装置 2 3 2 接口相连，加上专门的调试软件，很方便的实现与装置的人机对话功能。优 点是操作简单，查看的信息量大，并且显示直观。缺点是通讯距离短，不支持远 程查看功能。 通过背面的4 8 5 通讯接口，优点是可以实现远距离通讯，支持远程通讯功 能。 ( 九) 其它辅助功能 由于微机强大的记忆功能和运算能力，另外随着微处理器技术的发展，微机 测控保护装置除了有充足的事件和存储容量来完成保护测控功能外，还扩展了一 些管理功能。如开关跳闸次数统计、断路器维修用的计数器、开关连续投入运行 时间等功能。这些功能的扩展为实现更加智能化的、更加安全稳定的变电站综合 同济大学硕：t 论文测控保护一体化装置的研究 自动化系统提供依据。 4 - 3 国内外微机测控保护装置功能上存在的差异 1 ，3 ，4 2 ，4 3 ，“ 通过对国内外微机测控保护装置进行研究，阐述国内和国外产品在功能设计 上存在的差异，并集合变电站综合自动化系统对这些差异进行探讨。通过研究发 现国外微机测控保护装置相对于国内微机测控保护装置主要存在以下不同： ( 一) 保护测量共用一个c t 。 我国电力系统继电保护用的c t 与测量用的c t 一般要求分开，主要是因为 对于保护和录波用c t 二次线圈，要求在大电流下能够准确反映电流的实际情况： 而对于测量用c t 二次线圈，则主要考虑在一次额定电流下运行时的最大误差。 即准确级数。对国内的微机测控保护装置多采用双c t 设计，而对国外的微机测 控保护装置来讲，保护和测量合用一个c t 。 从电力系统二次回路设计来看，国内高压电流互感器多为双c t 结构，由于 电流互感器的饱和特性，不能使电流互感器的线性度既能满足保护要求，又能满 足测量要求。一般电流变换器二次侧额定值取5 a ，保护用电流要求在2 0 倍的额 定电流范围附近有很好的线性度，而对测量用电流要求在1 _ 2 倍额定电流范围内 有很好的线性度。如保护测量共用一个c t ，对c t