（电力系统及其自动化专业论文）牵引变电所集中式保护方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s 仃a c t as u b s t a t i o np r o t e c t i o ns y s t e mb a s e do nac e n t r a l i z e dc o m p u t e rs y s t e mw a s f i s t l yr a i s e di nt h e1 9 7 0 s t h o u g ht h ec o n c e p tf i t s w e l lw i t ht h ec o n c e p to fa l l o v e r a l li n t e g r a t e dp r o t e c t i o n , t h ei d e ah a sn o tb e e np u ti n t op r a c t i c et h u sf a rs i n c e t h ec o m p u t e rh a r d w a r e s o r w a r ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw e r en o t a v a i l a b l et os u p p o r ts u c ha ni d e a n o w ，s u b s t a t i o nm i c r o c o m p u t e r - b a s e dp r o t e c t i o n s y s t e m su s et h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o np r o t e c t i o nw h i c h i so n et oo n e t h i ss y s t e m h a st h ep r o b l e mo f m o r eh a r d w a r e 、c o s ti r r a t i o n a la n dl e s sr e l i a b i l i t ya n ds oo n t h i sp a p e rp r e s e n t san e wc e n t r a l i z e dp r o t e c t i o ns y s t e mf o ras u b s t a t i o n , a n d d e t a i l e dd i s c u s s i o na n dd e s i g n0 1 1t h es t r e e to ft h es y s t e m ，s e a r c h i n gf o ran e ww a y i ns u b s t a t i o np r o t e c t i o ns y s t e m a tt h eb e g i n n i n g , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ep t o t e c t i o np r i n c i p l eo ft h e s u b s t a t i o n , m a k i n gs u r et h ea i mo ft h es y s t e m , p r e s e n t i n gt h ep r o p o s e ds c h e mf o r t h ei n t e g r a t e dp r o t e c t i o n t h e nat o t a lc e n t r a l i z e dp r o t e c t i o ns c h e m eb a s e do n m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y a n ds t a n d a r dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sf u r t h e r d e s c r i b e d , i n c l u d i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h ec e n t r a l i z e dp r o t e c t i o nr e l a y ( w i t hr a p i d d a t ao p e r a t i n gs p e e d ，b u l k ys t o r a g ea n ds t r o n gr e l i a b i l i t y ) ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a n dt h ei n t e r f a c eu n i t n e x t , g i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ec h a r a c t e ro fe m b e d d e d r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m s ，i n t r o d u c e dar t o si _ t c o s - i i ，a n dp o r t e di tt o a d s p 210 6 0b o a r db yw r i t i n gs o m eh a r d w a r e a s s o c i a t e dc o d e b a s e do nt h e g e n e r a lp r o c e s s ，t h ep r o j e c to ft h ec e n t r a l i z e dp r o t e c t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mt a s k p a r t i t i o n ，s c h e d u l i n g , a n dc o m m u n i c a t i o ni sp r e s e n t e d t h ed e s i g nt h o u g h t , d e s i g n b l o c kd i a g r a ma n dd e s i g nr e a l i z a t i o no fr e g u l a rt a s kb a s e do ne m b e d d eb u i l d i n g b l o k e sa r ea l s od i s c u s s e d l a s t l y , c o n t r a s tt h er d i a b i l i t ya n dc o s to fc e n t r a l i z e d p r o t e c t i o na n dd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o np r o t e c t i o n s t u d i e ss h o w st h a tt h en e ws c h e m eo fc e n t r a l i z e dp r o t e c t i o ns y s t e mf o r t r a c t i o n s u b s t a t i o n , w h i c hs u p p o r t e db ym i c r o p r o c e s s o r , t r a n s d u c e r a n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，n o to n l yu s e rf r i e n d l yb u ta l s oc o s te f f e c t i v e k e yw o r d s ：m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ；c e n t r a l i z e d ；e t h e r n e t ；r t o s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库，可以采用影印、缩印或扫 描等复印手段保存和征编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后使用本授权书； 2 不保密睇适用本授权书。 ( 请在以上方框内打吖”) 学位论文作者签名：马勿参 日期：力1 7 三年5 月3 e l 指导教师签名：己物 日期：z o - o 溶年孓月z 多目 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 本论文的牵引变电所集中式保护方案，是在高可靠性计算机技术和先进的 网络技术的支持下提出的，主要对此系统的可靠性，包括系统结构、网络的性 能要求、以及基于实时操作系统的软件模块化设计等方面的进行分析研究，为 变电所微机保护的技术发展寻求新的途径。到目前为止，还没有相关文章对基 于网络技术的变电所新一代集中式保护进行系统研究，因此本论文具有一定的 创新性。 2 由于集中式保护系统采用一台集中式保护装置完成牵引变电所内所有的 保护计算，数据运算量大，且要求实时性强，因此本文选择采用共享总线与链 路口结合的方式，设计出4 片a d s p 2 1 0 6 0 组成的多d s p 保护处理器，构成一个 可以在系统内，系统与外部同时实现高速通信的系统，并有很好冗余度。 学位做作者签名：马彭参， 日期：呕年占月姐e l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论弟l 覃箔记 1 1 研究背景 1 1 1 研究意义 电气化铁路由于具有高速、重载、对环境无污染等特点，使得铁道电气化 已成为我国铁路发展的必然趋势【l 】。2 0 0 6 年，我国电气化铁路总里程已突破 2 4 0 0 0 公里，成为继俄罗斯之后世界第二大电气化铁路国家。目前，我国铁路 电气化率已经达到2 7 ，承担着全路4 3 的货运量。根据中长期铁路网规划， 到2 0 2 0 年，我国电气化铁路总里程要达到5 万公里，将会占到全国铁路营业 里程的一半，承担的铁路运量比重将超过8 0 ，运输能力满足国民经济和社会 发展的需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平【2 】。 高速电气化铁路的建设和发展迫切需要高新技术的支持，近年来，微型计 算机技术有了飞速发展，由于它具有存贮记忆和运算速度快，数据处理能力强， 性能价格比高，功能灵活可扩展等优势【3 】，微机在电气化铁道供电系统中的应 用越来越广泛。 变电所作为整个电网的一个节点，担负着电能的传输、分配任务，变电所 微机保护和监控自动化系统是保证上述任务完成的基础【1 3 】。目前，国内牵引变 电所保护普遍采用所谓“一对一的分布式，即一个设备或一条线路分别采用 一台计算机实现其保护控制功能，所有保护装置通过网络连接，实现与远动的 通信。这样的保护系统存在硬件装置较多、性价比不合理、可靠性较差等问题。 目前，随着微处理机技术的飞跃发展，在网络技术的支持下，新一代的集中式 微机保护开始成为研究课题。 实现变电所微机集中式保护具有以下的意义： l 、可快速采集各种现场数据，并将这些数据信息通过网络传送给集中式 保护装置和电力调度部门，便于及时掌握电网和变电所的运行情况； 2 、通过采用远程控制、操作，提高其可靠性； 3 、可减少人为误操作，提高安全经济运行水平； 4 、通过微机集中保护可降低系统造价及运行成本。 因此，随着牵引供电系统运行、调度和管理工作的日益复杂，研制可靠性 高、数据处理功能强的新型变电所微机集中式保护系统势在必行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 电气化铁道供电系统 电气化铁道牵引供电系由牵引变电所( 包括分区亭、开闭所、a t 所) 、牵 引网( 馈电线、接触网、钢轨和回流线) 、电力机车等组成【3 】。图1 1 中所示 三相牵引变电所将电力系统1 1 0 千伏的三相电变成两相2 7 5 千伏分别共给变 电所两边的供电臂以供电力机车提供电能。相邻牵引变电所之间的供电臂为同 相电，通过分区亭可以实现跨区供电或上下行并行供电。 牵引 11 0 k v 电力系统11 0 k v1 1 0 k v 电力系统1 1 0 k v 图1 一l 电气化铁路牵引供电系统示意图 牵引供电系统的供电方式有以下三种： 直供电式一以轨道与大地为回流线路。 b t 方式一电流通过吸流变压器与回流线再返回变电所，限制对通信线 路的干扰。 a t 方式利用自耦变压器对接触网供电，减少对通信线路的干扰。 目前，我国的牵引供电制式全部为单相工频2 5 千伏交流制；牵引供电方 式为直接供电和和自耦变压器( a t ) 供电方式并用；牵引变压器接线方式采 用单相和平衡型；接触导线采用采用铜和铜合金电车线，个别区段采用钢铝电 车线；- 牵引供电系统远动装置，按铁路线别、运量大小选型。牵引变电所的进 线电源为来自1 1 0 千伏系统的两条独立线路，通过牵引两台变压器降压至适合 电力机车运行的2 7 5 千伏电压，供给电力机车运行。一台变压器运行，另一 台备用。三相牵引变电所双t 接线情况如图1 _ 2 所示。 由图1 1 可知，变压器出线一相接地，另外两相分别接牵引馈线网。在 2 7 5 千伏侧，经一台2 7 5 千c 定1 0 千伏动力变压器向变电所附近动力用户供电。 牵引变电所一次设备有以下几部分：牵引变压器、断路器、隔离开关、电压互 感器、电流互感器、母线、避雷器、电抗器、电容器、接地装置等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 牵引变电所对接触网供电有两种方式，单边供电和双边供电方式。 单边供电接触网通常在相邻两牵引变电所的中央断开，将两牵引变电 所间两个供电臂的接触网分为两个供电区，每一供电分区的接触网只能从一端 的牵引变电所获得电能。 双边供电一如果在中央断开处设置开关设备时可将两供电分区连通，此 处称为分亭区。将分停区的断路器闭合，则相邻牵引变电所间的两个接触网供 电分区均可同时从两个变电所获得电能。 电源进线l 电源进线2 口 p 接触嘲蝴申丫1i w 申l t j | 。 图卜2 牵引变电所接线原理图 牵引变电所1 牵引变电所2 少。 7 j - 堕- - 宁 l i i | i 枞车 | i 电力机车广 图i 一3 牵引变电所对接触网供电原理示意图 牵引供电系统相对于大型电网来说是一个规模比较小的供电系统，但由于 高速铁路本身的特殊性及重要性，就使牵引供电系统相对于常规铁路具有了新 的特点，主要表现在以下几个方面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 高速电气化铁路机车牵引电流大，牵引供电系统供电能力要求高。由于 列车速度高，列车通过供电臂时间短，符合持续时间短，每次通断电都会造成 一定的励磁涌流冲击，所以供电臂负荷电流波动大，牵引变电所倒闸操作频繁。 电力机车为大功率非线性负荷，运行时会产生大量谐波。具不完全统计， 自电铁投运以来，在电网结构薄弱的地区，电铁谐波与负序电流已引发过 2 0 0 m w 发电机跳闸，山西、河南、贵州等电网大面积停电或系统解列，电网 产生局部谐振、发电子转子损坏、继电保护非正常频繁启动、用户电动机和电 容器大量烧坏，小火电厂不能就近并网等一系列危害，使社会、电力部门和用 户蒙受了巨大经济损失。 牵引变压器的结构与常规三相变压器不同，它是把高压侧的三相交流电 转换成为低压侧的两相交流电，然后由低压侧的两相交流电给电力机车供电。 因此，牵引变压器在正常工作时就有负序分量等不对称分量。而且牵引变压器 的短路阻抗比一般电力变压器要大，当牵引变压器发生内部匝间短路故障时， 电流可能比较小。这就要求牵引变电所综合自动化装置适应其特点，做到对牵 引变压器故障准确、快速、可靠的动作。 由于接触网是沿铁路沿线悬挂的，正常工作时要受到电力机车受电弓的 扰动，工作条件比电力系统的架空线差很多，馈线故障概率较高，而相应牵引 变压器受到的短路电流冲击也比一般电力变压器频繁的多。 牵引变电所和分区亭的分布地域广大，尚未建立变电所和分区亭之间的 远程通信，因此解决远距离通讯是对牵引变电所综合自动化装置的又一个要 求。 尽管电气化铁路已有四十多年的成功运行经验【4 】，牵引变电所综合自动化 系统有近四年的成功运行经验【5 】，但是牵引供电系统保护依然存在安全性与可 靠性问题，因此，总结经验、检讨教训，继续展开牵引供电系统保护方面的研 究是十分必要的。 1 2 国内外研究现状 国外从2 0 世纪7 0 年代就掀起了微机保护的研究热潮，但限于计算机硬件的 制造水平以及价格过高，当时还不具备商业性的生产这类保护装置的条件【l 6 1 。 早期的研究工作小组以小型机为基础，出于经济上的考虑，试图用一台小型计 算机来实现多个电气设备或整个变电站的保护功能。这种想法使可靠性难以保 证，按照当时计算机的接口条件和内部资源来说，也无法实现这种设想。从7 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 年代末，8 0 年代初国外就开始进行保护和控制综合自动化、新技术的开发和试 验研究工作【1 4 】。如由美国西屋电气公司和美国电力科学研究院联合研制的 s p c s 变电所保护和控制综合自动化系统。由日本关西电力公司和三菱电气公 司共同研制的s d s 。i 、保护和控制综合自动化系统从1 9 7 7 - - 1 9 7 9 年进行了 现场试验及试运行，8 0 年代初交付商业运行【1 5 】。 目前，德国西门子公司、a e g 公司、日本日立、三菱公司、美国的通用电 气公司、西屋电气公司等许多国际著名大型电气公司都开发和生产了变电所综 合自动化系统，并取得了较为成熟的运行经验【1 8 】。总括起来说：模件、串行传 输总线、分层分布控制、以微处理机为核心等已成为国外变电所自动化设备的 特点。 我国变电所集中控制技术的起步比国外晚，1 9 7 2 年才建成第一条电气化铁 道。加之电气化铁道牵引变电所情况比电力系统变电所特殊、复杂，需要的电 压等级高( 额定电压2 7 5 k v ) ，环境复杂，所以铁道变电所的集中控制比电力 系统的集中控制又晚了许多年。但是，电力系统综合自动化技术的发展又为电 气化铁道牵引变电所的微机集中控制提供了技术保障。随着微机在电力系统应 用的日趋成熟，9 0 年代初期，我国亦开始研究变电所的微机集中保护控制技术。 目前，国内广泛应用的变电所自动化系统的结构形式主要有三种类型【6 】。 第一种类型为基于r t u 、变送器、继电保护与自动装置等设备的变电所自动化 系统，如宝成线等先期线路，该系统是在常规继电保护及二次界限的基础上增 设r t u 装置以实现“四遥，【1 3 】。第二种类型是系统由数据采集单元、主机单元、 遥控执行单元、保护单元组成，各功能单元通过通讯网络等手段有机结合构成 系统，具有较强的在线功能，且人机界面较好【3 9 】( 如陇海线等) 。第三种类型 采用分层分布系统结构【6 】，此类系统实现了信息资源的共享以及保护、监控功 能的综合化，完全消除了设备之间错综复杂的二次线缆，大大提高了整个系统 的可靠性和可扩展性，该系统称为分层分布系统，成为今后发展的趋势。目前 的许昌继电器集团公司、南京自动化研究所、西南交通大学等单位致力于第三 类型的研究，并取得了一定的进展。 1 3 本论文所做的工作 本论文主要目的在于提出一种牵引变电所集中式微机保护的方案，然后对 此系统的可靠性，包括系统结构、网络的性能要求、以及基于实时操作系统的 软件模块化设计等方面的进行分析研究，为变电所微机保护的技术发展寻求新 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的途径。 本文内容安排如下： 第一章介绍课题研究背景、意义以及面临的主要问题； 第二章介绍牵引变电所的基本保护原理； 第三章提出了变电所集中式保护的总体设计方案； 第四章详述了集中式保护系统的构建； 第五章详述了基于嵌入式实时操作系统的软件设计； 第六章分析了集中式保护系统的可靠性。 最后对全文进行总结，指出论文存在的不足以及需要改进的地方。 目前，国外已经研制试用基于i e c 6 1 8 5 0 的真正的三层结构，而我国变电 所自动化基本上是把过程层合并到间隔层形成的两层结构( “一对一 分布式) ， 对基于网络和高性能计算机的集中式保护系统的研究还探索和初步实验阶段， 相关的研究和报道也较少。到目前为止，还没有相关文章对基于网络技术的变 电所新一代集中式保护进行系统的研究和介绍，所以本论文具有一定的创新 性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章牵引变电所基本保护原理 2 1 牵引变压器保护原理 牵引变压器是铁道电气化系统中重要的电气设备它的安全运行与否，直 接关系到铁道电气化系统能否连续稳定的工作。变压器的保护有主保护和后备 保护【4 】。 2 1 1 变压器的主保护 变压器的主保护设有差流速断保护、比率差动保护和重瓦斯保护，保护配 置如图2 - 1 所示。 图4 - 4 变压器主保护配置 ( 1 ) 差动电流速断保护 差动电流速断保护的任务主要是为了在变压器发生严重区内故障时( 如变 压器电源侧引线或绕组发生移植匝间故障) ，能够快速切除变压器，防止事故 扩大。速断的定值选取必须能够躲开差动回路中的不平衡电流( 如空投变压器 或外部故障切除后电压恢复时产生的最大励磁涌流) 。 当三相差动电流中任一相大于差动电流速断定值时，瞬时动作出口，快速 切除变压器区内发生的严重故障。保护判据如下所示： i d 2 i ( 2 - 1 ) k 一差动电流速断定值 ( 2 ) 三段式比率制动差动保护 平衡变压器原边按星型接线，并且抽出中性点；副边接成三角形并在b 相向外延伸两个臂 4 1 。其原理接线如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 2 平衡变压器绕组接线图 图2 2 中，变压器原边各相绕组匝数均为n 1 ，副边三角形相绕组匝数为 n 2 ，两个外延支臂绕组匝数均为b n 2 ，使原方输入与副方输出之间成为三相 与两相量的变换；三角形绕组三相基波及谐波电流所遇的阻抗比为k h ：i h ： s h ，阻抗匹配，使原边中性点接地时无中线电流。 对图应用叠加原理和磁势平衡原理得如下电流方程组： i o = i 吐一ib y i b = i b y - - i 盘 。 i c = i 口一i 。 i 匹l h + i b ys h + i k 户0 1i c = 2i 盘 ( 2 2 ) li b = 2i b y + ( i b i 口) 6 2 n l i a = n 2 l a x l + l b + l c = q 阻抗匹配平衡变压器的高压侧( 1 1 0 k v ) 是三相对称系统( 三相电压大小 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 相等，相位相差) ，低压侧( 2 7 5 k v ) 输出，为使2 7 5 k v 侧电流与l l o k v 侧电 流的作用相当于幅值相等、相位一致，故需将2 7 s k y 侧电流在软件中进行两 相一三相变换，得到三相电流。由公式( 2 2 ) 可得变压器两侧电流平衡关系： i ib i c 压+ 1 。压一1 1 丽一3 1 l 丽 l 玎瓦i 2 2 一茁l 2 , 5j 一2 5 k 2 4 3 行互l 。 万一1 万+ 1 一1 。 = 一。o = r 一 2 4 32 3 其中：甩五变压器高压侧c t 变比 玎疋变压器低压侧c t 变比 七= 蔑一变压器高低压儇! i 绕组匝数比 由( 2 3 ) 得： ia ib ib i c i c - i a ( 2 - 3 ) 嘲 警1 3 3 6 - 0 3 3 6 3 6 ；= 4 ， 根据公式( 2 4 ) 的电流平衡关系，可得 a b 相差动电流：艺爿l 一_ a _ 1 3 6 6 彻n t 上2 。+ o 3 6 6 鼍等 a b 相制动电流：l = 互1l 一厶+ 1 3 6 6 鼍羞一。3 6 6 盎 b c 相、c a 相差电流和制动电流的计算方法类似。 三段式比率差动保护的制动特性曲线如图2 - 3 所示【4 】。 三段式比率制动特性的动作方程如式( 2 7 ) 所示。 匕乙或匕乙，当匕乞。 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 乙毛l 匕一乞1i + 岛l当厶1 匕s 乙2 ( 2 7 ) 匕墨l 匕一乙i + 乞乙+ 岛。当匕乞2 i 证 乙2 岛l i 翻2 i = d 图2 - 3 三段式比率制动特性h 1 可见，要想增大允许流出电流，就必须降低相应的制动系数k l ，但是，为 了保证外部短路时保护不误动，k l 又不能太小，原则上，k 1 的整定必须满足下 式： 毛如( k 励髟石+ 甜) ( 2 - 8 ) 式中，如一可靠系数 足励一非周期分量系数 e 一两侧互感器同型系数 石一电流互感器幅值误差 甜变压器调压分接头引起的误差 因为存在着这个限制，所以k 1 不会太小。但是由短路电流对c t 影响分析 中知道，当外部短路电流较小时，互感器的幅值误差较小，当外部短路电流增 大时，k 1 应取较大值，以保证不误动。尽管k 1 增大使允许流出电流幅值降低， 但此时，相应的内部短路电流已经很大，流出电流的影响已经很小。因此，取 三段式比率差动保护可保证当轻微匝间短路时，有足够的灵敏度，当外部严重 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 短路故障时，有保证不误动的可靠性。 设a b 相的差动电流、制动电流如式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 所示，逻辑涌流 l2 t r u e ，f a l s e ，( 2 9 ) 式中i ，= t r u e 表示涌流，i ，= f a l s e 表示非涌流。 将三段式比率差动保护的动作判据归纳如下： 条件一( 第一段) ：乙乙l匕乙li j = f a l s e 条件二( 第二段) ：匕j j i li 匕一乙li + l l乞l 乞l 2 i j = f a l s e 条件三( 第三段) ：乞毛l 匕一乙li + 乞匕+ 岛l匕乙2 i j = f a l s e 满足如上任一条件保护就动作。b c 相、c a 相与上述分析类似。 由于涌流中含有大量二次谐波分量，而短路电流只有基波和非周期分量， 考虑非线性元件时也只有奇次谐波分量，所以可以用二次谐波制动来防止差动 保护误动。二次谐波识别涌流主要就是计算初差动电流中二次谐波分量占基波 含量的比例多少来判断是否涌流。 2 1 1 变压器的后备保护 除了主保护外，变压器还应装设后备保护。后备保护的作用是为了防止由 外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为变压器内部故障时主保护的后备以 及相邻原件( 母线或馈线) 保护的后备。变压器的相间后备保护通常采用过电 流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过流保护以及负序过电流 保护等，也有采用阻抗保护作为后备保护的情况。 变压器的后备保护配置了高压侧失压保护、零序过流保护、低压启动三相 过流保护、低压侧q 相、b 相过流保护以及高压侧过负荷、变压器过热、轻瓦 斯报警等。由于后备保护原理比较简单，在此不予介绍。其保护配置如图2 _ 4 所示。 2 2 馈线保护原理 在牵引变电所自动化系统中，馈线保护模块起着重要的作用。根据国家标 准和铁标要求，国内微机馈线保护除了距离保护作为主保护外，还配有电流增 量保护作为主后备保护，电流速断保护、反时限电流保护、馈线过负荷保护、 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 接触网发热保护、一次自动重合闸等作为辅助后备保护 4 1 。 图2 4 变压器后备保护配置 2 2 1 馈线主保护：距离保护原理 自适应三段距离保护的动作特性如图4 - 1 2 所示，主要有偏移平行四边形 特性和多边形特性两种。 五j x 吐 一一 、 dc ( a ) 偏移平行四边形特性 五jl a b 0r ，么。 o弋ic一1 ，i ( b ) 多边形特性 图2 5 自适应阻抗继电器动作特性 测量阻抗按式( 2 1 0 ) 计算，即 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 r = 毪s j 铲 + i 三 小等挚 i 毛+ i 暑 式中 、一基波电压正弦、余弦分量； ( 2 - 1 0 ) b 、七基波电流正弦、余弦分量； r 、卜测量电阻和电抗。 考虑到正常负荷中含有丰富的谐波分量，谐波抑制可按下式实现： x 6 h 篡捌d w i ， = ( 1 卅细。 ， 式中连 - - - - ( & + 厶+ 4 ) 4 ； 五、厶、厶、厶一电流的基波、2 次、3 次、5 次谐波分量； 一谐波抑制加权系数； 。、五一考虑谐波抑制后的电阻和电抗。 为了避免电力机车通过电分相或a t 供电方式下空载投入接触网时产生的 激磁涌流引起保护装置误动作，常利用2 次谐波进行闭锁，判据为 1 2 , ( 2 1 2 ) 式中 翰- 2 次谐波闭锁整定值。 图2 - 5 ( b ) 所示的动作特性的方程为 0 z d 且 一t a n 矿2 瓦s0 或0sx h _ ，2 d 且x hc o s 仍 x hc o s 妒l + ( 2 1 3 ) 该动作特性最显著的特点是，阻抗继电器的动作边界随电流中谐波含量的 增大而自动缩小，具有自适应性。 为了避免电压互感器断线引起阻抗继电器误动作，加入断线闭锁，其判据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 为： ri + ix i 乞； s u 4 疋； ( 2 1 6 ) i z d = k k i f m 其中 k 一二、三、五次谐波之和；乞一电流速断整定值； 瓦一可靠系数( 取1 1 1 2 ) i 一一最大负荷电流。 ( 3 ) 反时限过流保护 反时限过流保护是动作时间与保护线路中电流的大小有关的一种保护，当 电流大时，保护的动作时限短，电流小时，动作时限长。反时限过流保护可通 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 过整定选择，实际运行中，可以通过控制字选择投入以下三种不同的反时限特 性： 一帆忙前宰斋； 非常反帆扣兰斋； 极度反时限：f ：。兰宰一毒至 。1 0 其中卜动作时间；t p 一时间整定值；i p _ 电流整定值；卜故障电流。 近处故障时动作时间短，远处故障时侗族时间自动加长，可同时满足速动 性和选择性的要求。反时限保护的启动门槛电流为1 1i p ，如果电流小于1 1i p 持续一个周波以上，保护返回。当保护电流为定值2 0 倍或者2 0 倍以上时，保 护按照定时限动作，计算用的保护电流取电流定值的2 0 倍。 ( 4 ) 一次自动重合闸 当馈线发生瞬时性故障时，经过重合闸整定时间，装置发出重合闸命令， 保证了牵引系统的供电质量；当发生永久性故障时，重合闸后，保护后加速跳 闸，保证快速切除故障线路。 2 3 电容器保护原理 由于电气化铁道牵引供电系统的特殊性，在牵引变电所中需安装电容器并 联补偿装置来改善系统的供电质量。电容器组的保护主要配有定时限过流保 护、过电压保护和欠电压保护。 ( 1 ) 过流保护 电容器组的过电流保护用于保护电容器组内部短路及电容器组与断路器 之间引起的相间短路。采用两段式，每段设一个时限的保护方式。过流保护i 段按躲过电容器充电电流整定，考虑电容器投入过度过程的影响，保护动作时 间一般整定为0 1 r _ o 2 s ；过流保护i i 段按躲过电容器额定电流整定，按规定 电容器应能在1 3 倍额定电流下长期运行，对于电容量具有最大偏差( 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 的电容器，过电流允许达到1 4 3 倍额定电流。允许的运行电流i 可表示为： i 1 3 丘 ( 2 - 1 8 ) l e 式中 厶额定频率、额定正弦电压时产生的电流； c 一电容器出厂时的标称电容值； c 运行中测得的实际电容值。 当所装电容器母线侧在最小方式下故障时，灵敏度应大于1 5 ，保护动作 时间一般整定为0 5 s 。 ( 2 ) 过压保护和低电压保护 电容器组只能允许在1 1 倍额定电压下长期运行，当供电母线稳态电压升 高时，过电压保护应动作，带时限发信号或跳闸。为防止单相接地时过电压保 护误动，电容器的过压保护应取三个相间相电压，当任一相间线电压达到或超 过整定值时，则延时切除整组电容器。电容器的保护动作电压u m 为： 吧= 1 1 u n ( 2 1 9 ) n o , 式中一电容器组接入母线的额定电压； ，h 一电压互感器变比。采用0 2 秒的定时限保护。 电容器因故失压后如果仍接在系统中，当再次上电时，电容器的残余电荷 可能使其承受过电压的冲击，而且会向母线反充电，引起人身、设备故障，所 以电容器组需装设低电压保护。低电压保护需经过流闭锁，以防止t v 断线造 成低电压保护误动。 2 4 小结 本章主要介绍了牵引变电所内变压器、馈线和电容器的保护原理及基本配 置，为集中式保护系统的功能需求分析打下基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章集中式保护系统方案设计 随着网络技术地发展和计算机技术可靠性的提高，微机保护开始研究应用 采取一套微机承担变电所多种保护功能的“集中式 。从牵引变电所集中保护 系统上讲，就是一个计算机应用系统，因此，必须根据牵引变电所的特点和实 际运行状况以及保护系统所要实现的功能，合理地选择网络的传输方式和系统 的硬件配置，力争达到以较小的成本代价，高质量地完成各种保护功能的目的。 3 1 方案提出背景 3 1 1 网络的选择方式 在变电站自动化系统十多年的发展历程中，其通信技术的发展大致可分为 三个阶段：即简单的串行通信技术、现场总线技术以及以太网通信技术。 ( 1 ) 串行通信方式 早期的变电站自动化系统中，广泛采用简单串行通信技术来构建通信网 络。使用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 总线将保护设备联在一起，用主从方式通信，这种 方式简单，实际上是串行点对点通信，随着变电站电压等级和变电站规模的变 大，在实践中暴露出以下问题： 通信速率低，一般不超过9 6 k b s ，无法满足实时传输大量数据的要 求。 数据通信方式为命令响应式，系统构架灵活性和通信实时性差，在超 高压变电站中情况更为严重。 网络上只能有1 个主接点，无法构成多主冗余系统，系统可靠性低。 各从站之间无法直接通信，只能通过主站中继才能相互通信。 节点数目比较少，有瓶颈问题。r s 4 2 2 的工作方式为点对点，上位机 一个通信口最多只能接1 0 个节点，r s 4 8 5 串口构成一主多从，只能 接3 2 个节点。 随着用户对变电站自动化系统的功能和性能不断提出新的要求，上述问题 显得日益突出。各厂商便把目光转向在工业控制中使用的现场总线技术。 ( 2 ) 现场总线技术1 现场总线( f i e l d b u s ) 技术是8 0 年代末发展起来的新技术，由于基于网 络技术的现场总线无论在通信速率和实时性，还是在可靠性和组网的灵活性 上，均远高于简单的串行通信技术。在很短时间内便成为变电站自动化系统主 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 流通信技术，同时也使变电站自动化系统的整体结构发生了本质的变化。 中型枢纽1 l o k v 变电站节点数一般为4 0 个左右，多主冗余要求和节点 数量增加使r s 4 2 2 和r s 4 8 5 难以胜任。现场总线却能得心应手，总线网将网 上所有节点连接在一起，可以方便的增减节点；具有点对点、一点对多点和全 网广播传送数据的功能；常用的有l o n w o r k s 网、c a n 网。 l o n w o r k s 网在监测网络节点异常时可使该节点自动脱网，媒介访问方式 c a n 网为问答式，l o n w o r k s 网为载波监听多路访问冲撞检测( c s m a c d ) 方 式，内部通信遵循l o n t a l k 协议。据近年变电站应用的经验，l o n w o r k s 网可 作为目前一般中型l l o k v 枢纽变电站自动化通信网络。 但是，随着变电站自动化系统功能和性能要求的迅速提高，现场总线技术 的诸多局限性在超高压变电站中逐渐暴露出来，通信技术又一次成为变电站自 动化系统发展的关键问题。 现场总线是专为小数据量工业控制领域的通信设计的廉价网络，当作为变 电站自动化的主干网时，总体性能随节点数的增长迅速下降。由于强调专用性 而牺牲了通用性，长期缺乏统一的国际标准。在通信节点多、通信数据量大的 变电站中，以下不足较为突出： 当变电站通信节点超过一定数量后，响应速率迅速下降，不能适应大 型变电站对通信的要求。 由于标准不统一，许多网络设备和软件需专门设计，因而变电站自动 化的通信网络标准很难开放，目前的状况是各厂家都有自己定义的通 信协议。 通信网络的抗干扰能力受到严峻挑战，其电磁兼容性能值得关注。 有限的带宽，使大量数据的传输延迟大到不能令人满意。 现场总线的成功和不足，让我们认识到变电站自动化通信系统需要网络技 术，更需要宽带、通用和符合国际标准的网络技术。在带宽、可扩展性、可靠 性、经济性、通用性等方面的综合评估中，以太网凭借其压倒性的优势成为变 电站自动化系统通信技术发展的趋势。 ( 3 ) 以太网技术方案 随着变电站自动化系统的不断发展，现场总线的一些局限性也逐渐表现 出来，不能满大型变电站自动化系统的要求。随着计算机软、硬件的发展，工 业控制领域出现了嵌入式技术。利用嵌入式软、硬件，设计者可以在单片机系 统上实现以太网技术即嵌入式以太网。嵌入式以太网的出现为变电站自动化系 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 统的设计者提供了实现站内通信网络的新途径。 通常我们所说的以太网主要是指以下三种不同的局域网技术： 以太网i e e e8 0 2 3 采用同轴电缆作为网络媒体，传输速率达到 i o m b p s ； l o o f o p s 以太网又称快速以太网，采用双绞线作为网络媒体，传输 速率达到l o o m b i p s ； 1 0 0 0 m b p s 以太网又称为千兆以太网，采用光缆或双绞线作为网络媒 体，传输速率达到1 0 0 0 m b p s 。 以太网以其高度灵活、相对简单、易于实现的特点，称为当今最重要的 一种局域网建网技术。 3 1 2 数字信号处理器技术 目前，计算机的性能越来越高，速度越来越快，主要表现在计算机的主频 越来越高。随着计算机和信息技术的飞速发展，d s p 数字信号处理技术( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 应运而生并得到迅速的发展。 ( 1 ) d s p 技术的发展 d s p ( d i g i t a ls i n g n a lp r o c e s s o r ) 是一种独特的微处理器，是以数字信 号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0 或l 的数字 信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据 解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度 可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世 界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称 道的两大特色。 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运 算的微处理器器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据 数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i 0 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 为了快速实现数字信号处理，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。芯 片的基本结构包括： 哈佛结构； 流水线操作； ， 专用的硬件乘法器； 特殊d s p 指令。 这些特点使d s p 芯片可以实现快速的运算，并使大部分d s p 操作指令在一 个奏起内完成。 ( 2 ) 多d s p 并行处理技术 目前，在数据处理量较大，对处理速度的极高要要求的场合，单处理机系 统的计算机能力已经不能满足实时性的要求。因此，满足对运算速度的巨大需 求只能通过并行处理技术来实现。 现代处理单元采用了大量的片内并行功能部件，流水和并发是其片内并行 化的两个手段。在主频很高的情况下，用一个部件在一个时钟周期内完成一条 指令的取址、译码、取数、执行、存数等多个步骤是不可能的。流水线的设计 使得这几个步骤由片内不同的功能部件完成，由于这些功能部件能同时完成多 条指令的各个步骤，从而提高了指令的执行速度。超长指令字同时实现了流水 和并发，一条4 8 - 6 8 位的“超长一指令包含了多条流水线上众多功能部件的同 时操作命令，对多条流水线的控制管理甚至引入片内调度的功能。另一种并发 可采用多芯片组装( m c m ) 技术将多个处理器和存储器封装在一个器件上。有 一种m c m 集成了4 片高性能的a d s p 2 1 0 6 x 和3 m b 的存储器，可达到每秒5 亿次 浮点运算速度，并且备总量为5 m b 的存储容量m 】。 通过多处理器并行技术，处理器处理速度大大提高，并远远超出了处理单 元读取外部数据的速度。但与此同时，受以下两个因素的影响，一方面现有存 储器和外部设备的速度远落后于处理单元