（电气工程专业论文）数字式保护软件平台的研究.pdf

r e s e a r c ho nso f t w a r ep l a t f o r mo f d i g i t a l p r o t e c t i o n at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y j i nq i c h a o s u p e r v i s e db y p r o f l uy u p i n g a n d s e n i o re n g i n e e rz h o ur e n h u a s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n ji n g ，p r c h i n a a p r i l 2 0 1 0 6m 8 胛7阳 脚1脚y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期：竺! ：! 兰：罗 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：匡斗导师签名天丝日期：垒些，7 摘要 摘要 为更好地解决数字式保护的软件能够适用不同架构的硬件平台、降低产品的 维护工作量、满足数字化变电站对保护设备的要求、实现快速研发新型号的产品、 降低研发成本等问题，数字式保护需要基于专用的保护软件平台进行研究。 论文提出了一种基于实时多任务系统的保护软件平台，其包含了保护功能任 务、人机交互任务、数据管理任务、通信功能任务等。为了实现各功能模块，规 划设计了常用的保护算法库、保护元件库、图形操作库、控件库和窗口管理库。 保护算法库易于实现不同保护对象、不同逻辑的保护功能，并满足通过图形编程 工具设计保护逻辑的要求。人机交互功能采用分层设计的方法，易于实现保护装 置所需的各种人机交互界面，并具有很好的扩展性。 软件平台中异步事件响应的实时性关系到系统的性能，本文提出了在保护中 通过软、硬件相结合的方法，采用高速事件捕获功能，结合时钟同步修正算法的 处理，既满足了平台中异步事件响应性能的要求，又保证了系统架构的清晰性。 统一规划了软件平台中各种时钟与系统时钟源的使用方式，根据对象特点，采用 了不同的优化处理方式管理时钟，满足了各时钟的精确度和可靠性的要求。 根据软件平台的设计思想，将硬件接口标准化，系统运行不依赖于具体的硬 件资源。提出了基于软件平台的虚拟保护装置的设计方法，并将虚拟装置应用于 测试、培训、联调、研发等场合，很好地解决了目前普遍存在的现实问题。 论文提出的数字式保护软件平台体系完整，适于多种架构的硬件平台，易于 构建实际的数字式保护装置和虚拟保护装置，是产品研发和维护中使用的高效率 的平台。 关键词：数字式保护；软件平台；操作系统；保护功能；人机交互；虚拟装置； 逻辑可编程；数字化变电站 摘要 a b s t r a c t t o m a k ed i g i t a lp r o t e c t i o ns o f t w a r em o r ea d a p t a b l et oh a r d w a r ep l a t f o r m s o fd i f f e r e n ta r c h i t e c t u r e ，r e d u c i n gp r o d u c tm a i n t e n a n c e ，a n dm e e tt h ed i g it a l s u b s t a t i o n p r o t e c t i o ne q u i p m e n tr e q u i r e m e n t s ，d i g i t a lp r o t e c t i o n n e e d s s p e c i a lp r o t e c t i o nb a s e ds o f t w a r ep l a t f o r mf o rd e v e l o p m e n ta n dd e s i g nt o d e v e l o pn e wt y p e so fp r o d u c t sr a p i d l ya n dr e d u c ed e v e l o p m e n tc o s t t h i sp a p e rp r o p o s e sap r o t e c t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do nr e a l t i m e a n dm u l t i t a s ks y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sp r o t e c t i o nt a s k s ，i n t e r a c t i v et a s k s ， d a t am a n a g e m e n tt a s k s ，c o m m u n i c a t i o nt a s k se t c i no r d e rt oa c h i e v et h e f u n c t i o nm o d u l e s ，i td e s i g n sp r o t e c t i o na l g o r i t h ml i b r a r y ，p r o t e c t i o n c o m p o n e n t1 i b r a r y ，g r a p h i c so p e r a t i o n sl i b r a r y ，c o n t r o l s1 i b r a r ya n dw i n d o w m a n a g e m e n tl i b r a r y a l g o r i t h m1 i b r a r yi se a s yt oi m p l e m e n t d i f f e r e n t p r o t e c t i o no b j e c t sa n dp r o t e c t i o nf u n c t i o n sb yd i f f e r e n tl o g i c i tm e e t st h e r e q u i r e m e n t so fd e s i g n i n gp r o t e c t i o nl o g i ct h r o u g ht h eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n g t 0 0 1 h u m a n c o m d u t e ri n t e r a c t i v ef u n c t i o nu s e sh i e r a r c h i c a ld e s i g n ，w h i c h i se a s yt oi m p l e m e n tv a r i o u sm a n m a c h i n ei n t e r f a c et h a tp r o t e c t i o nd e v i c e r e q u i r e sa n dh a sg o o ds c a l a b i1i t y t h es p e e do fr e s p o n s et oa s y n c h r o n o u se v e n t si ns o f t w a r ep l a t f o r mi s r e l a t e dt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t sm e t h o do f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m b i n a t i o ni np r o t e c t i o n ，u s i n gh i g h s p e e de v e n t c a p t u r ef u n c t i o nc o m b i n e dw i t ht h ep r o c e s s i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n c o r r e c t i o n a l g o r it h m ，w h i c h n o to n l ym e e t st h er e s p o n s ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so fp l a t f o r ma s y n c h r o n o u si n c i d e n t ，b u ta l s oe n s u r et h ec l a r i t y o ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r e i tu n i f i e dp l a n st h eu s i n gm e t h o do fv a r i o u sc l o c k a n ds y s t e mc l o c ks o u r c eo nt h es o f t w a r ep l a t f o r m ，a n du s e sd i f f e r e n to p t i m i z e d m o d e st om a n a g et h ec l o c kt om e e tt h er e q u e s to fa c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y ， a c c o r d i n gt oo b j e c tf e a t u r e s b a s e dt h ed e s i g no fs o f t w a r ep l a t f o r m ，h a r d w a r ei n t e r f a c e i s s t a n d a r d i z e dt h a ts y s t e mo p e r a t i o nd o e sn o td e p e n do nt h es p e c i f i ch a r d w a r e r e s o u r c e s s o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do nv i r t u a lp r o t e c t i o nd e v i c ed e s i g ni s p r o p o s e d ，a n dv i r t u a ld e v i c e su s e di nt e s t i n g ，t r a i n i n g ，c o m b i n e dt e s t ，r da n do t h e ro c c a s i o n s ，p r o v i d i n gag o o ds o l u t i o nt ot h ec u r r e n tp r e v a i l i n g r e a l i t y t h ed i g i t a lp r o t e c t i o ns y s t e mp r o p o s e db yt h et h e s i si sac o m p l e t e s o f t w a r ep l a t f o r m ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rv a r i o u sa r c h i t e c t u r eh a r d w a r e p l a t f o r m sa n de a s yt oc o n s t r u c tt h ea c t u a ld i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e sa n d v i r t u a lp r o t e c t i o nd e v i c e i ti sh i g he f f i c i e n tp l a t f o r mu s e di np r o d u c t d e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c e k e yw o r d s ：d i g i t a lp r o t e c t i o n ：s o f t w a r ep l a t f o r m ；o p e r a t i n gs y s t e m ； p r o t e c t i v ef u n c t i o n ：h u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ：v i r t u a ld e v i c e ：l o g i c p r o g r a m m a b l e ：d i g i t a ls u b s t a t i o n 目录 目录 第一章绪言。1 1 1 数字式保护装置的发展与现状1 1 2 数字式保护软件平台的研究现状2 1 3i e c 6 1 8 5 0 对数字式保护的影响4 1 4 课题的意义和研究内容。6 第二章基于r t o s 数字式保护软件平台实现的研究9 2 1 概述9 2 2 基于r t o s 数字式保护软件平台架构的设计9 2 3 软件平台中人机交互功能实现的研究1 s 2 4 软件平台中数据管理功能实现的研究2 0 2 3 5 本章小结2 3 第三章数字式保护功能在软件平台中实现的研究2 5 3 1 概述2 5 3 2 保护任务流程设计2 5 3 3 算法库的规划设计2 8 3 4 算法在d s p 上实现的优化3 1 3 5 保护元件库的规划设计3 4 3 6 保护逻辑的可编程实现与i e c6 1 1 3 1 3 4 0 3 7 本章小结4 2 第四章软件平台中实时事件异步处理与时钟管理的研究4 4 4 1 概述4 4 4 1 软件平台中实时异步事件处理4 4 4 2 软件平台中时钟管理4 9 4 2 6 本章小结。5 2 第五章基于软件平台的虚拟装置的开发与应用5 3 5 1 概j 苤一5 3 5 2 基于软件平台的虚拟装置的开发5 3 5 3 基于软件平台的虚拟装置的应用。5 6 5 4 本章小结5 8 第六章结论及展望5 9 致谢6 0 参考文献一6 1 作者在学期间发表的论文和成果6 4 作者非在学期间发表的论文和成果6 4 第一章绪言 第一章绪言 1 1 数字式保护装置的发展与现状 继电保护装置是保证电网安全稳定运行的重要设备，随着电网容量的增加， 对其安全性、可靠性的要求越来越高。继电保护装置的发展经历了电磁型、整流 型、晶体管型、集成电路型和数字式( 也称微机型) 。特别是数字式保护的应用， 使继电保护从保护原理上、设备可靠性上和信息化上都得到了迅速地发展和提高， 目前的数字式保护装置的功能已集保护、控制、测量、录波、通信等功能于一体。 文献【1 1 2 】对数字式保护的发展和系统对保护提出的要求进行了研究。 对数字式保护的研究从二十世纪七十年代开始，已经有三十多年了。特别是 自八十年代末开始，单片机技术得到了飞速地发展，又因为通过软件实现保护功 能比传统的纯硬件实现保护功能要容易很多，继电保护装置的研制门槛降低了， 更多的制造企业和技术人员进入这一领域，使得数字式保护得到了高速地发展。 数字式保护装置的c p u 从早期的8 位机，发展到1 6 位机，又很快地发展到了3 2 位机。电子技术的飞速发展使得数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，以下称 为d s p ) 技术得到了充分地发展，d s p 在数字式保护中的应用给数字式保护的发 展又注入了新的活力，其强大的计算能力，使早期在单片机上受速度限制无法运 行的保护原理、算法在d s p 上得到了实现，许多研究成果被应用到保护装置中， 数字式保护装置的研制出现百花齐放，百家争鸣的良好局面。 在我国，数字式保护装置得到了空前地发展，在国际上处于领先地位。从硬 件上来讲，数字式保护装置经历了以下几个阶段： ( 1 ) 8 位机型。用于数字式保护装置的典型8 位处理器是8 0 5 1 ，代表产品 有w x b 1 1 型高压线路保护装置，w b z 0 1 型变压器保护装置等； ( 2 ) 1 6 位机型。用于数字式保护装置的典型1 6 位处理器有8 0 9 8 、8 0 1 9 6 、 8 0 8 6 等，代表产品有l f p 系列保护装置，w f b z 一0 1 型发变组保护装置、w b z 一2 1 型变压器保护装置等； ( 3 ) 3 2 位机型。用于数字式保护装置的典型3 2 位处理器有m c 6 8 3 3 2 、 8 0 3 8 6 e x 、a r m 7 、a r m 9 、c o l d f i r e 系列、p o w e r p c 系列等，代表产品有p s 系列保 护装置。 ( 4 ) d s p 型。用于数字式保护的典型d s p 为t i 公司和a d 公司的芯片。目前， t i 公司生产的1 6 位定点d s p 中的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 、3 2 位定点d s p 中的 t m s 3 2 0 c 2 8 f 1 2 、3 2 位浮点处理器中的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 为数字式保护装置采用的主 流处理器。 ( 5 ) 多c p u 型。在实现保护功能上多c p u 型在架构上有两种类型：1 ) 各 c p u 分别承担相同的或互补的保护功能，并行运行，实现三取二闭锁功能( 如图 1 - 1 ( a ) ) 或相互闭锁功能( 如图1 1 ( b ) ) 。典型的装置型号有w x b 1 1 、p s 系列、 东南大学工程硕士学位论文 r c s 系列；2 ) 多个c p u 采用流水作业( 如图1 - 1 ( c ) ) ，共同完成保护功能，每个 c p u 承担全部功能中的一部分，在系统中各c p u 缺一不可。典型的装置有a b b 公 司的r e l 5 1 2 。总体上来说，国内保护装置多采用前一种类型，国外的保护装置多 采用后一种类型。 c p u l 卜 c p u 2 卜 3 取2 逻辑 c p u 3 卜 c p u l 卜 与门 逻辑 c p u 2 卜 ( a ) 三c p u 模式3 取2 逻辑( b ) 两c p u 模式与门逻辑 ( c ) 多c p u 流水工作模式 图1 - 1c p u 的运行方式 在数字式保护的性能不断提高的同时，对辅助功能，如人机交互界面、以太 网通信、数据存储管理等方面的要求也在不断提高，特别是基于t c p i p 以太网通 信技术和视窗技术的应用，对c p u 的性能要求提高了，为了减少辅助功能对保护 功能的影响，在高性能的数字式保护中采用了多处理器架构。“保护c p u + 人机交 互c p u 是常用的架构，由保护c p u 完成数据采集、数据计算、保护逻辑、出口 控制等强实时的功能，由人机交互c p u 完成数据存储管理、人机交互、网络通信 等功能。保护c p u 多采用d s p ，人机交互c p u 多采用通用架构的c p u ，单模件采 用“d s p + m c u 模式在中低压保护装置中应用得比较多。 1 2 数字式保护软件平台的研究现状 自从对数字式保护研究以来，研究领域集中在基于微处理器的保护原理、保 护算法和装置的硬件实现等方面，在检索到的研究成果中对数字式保护软件平台 方面的研究相对比较少。文献 1 3 2 2 对数字式保护的软件平台进行了研究。 数字式保护软件在架构上，大致有以下两种方式： ( 1 ) 前后台程序。如图1 2 所示，数字式保护程序分为主循环程序、中断服 务程序和故障处理程序。装置上电后，首先完成硬件初始化，在硬件自检判定为 正确后初始化保护功能，启动定时采样的计时器，然后进入正常运行程序。在正 常运行程序中完成通信功能、人机交互交互界面功能、自检功能。在中断服务程 序中完成模拟量和开关量数据采集和采用简易算法故障判别，当判别为发生故障 时，修改中断返回地址为故障处理程序地址，使程序中断返回到故障处理器程序 2 第一章绪言 处理故障。在故障处理程序中，完成数据计算、保护逻辑、出口控制、事件记录、 故障录波等功能，待故障处理完，即故障消失，整组复归，程序返回到正常运行 程序。 前后台程序系统中，主程序是一个无限的循环，在循环中调用相应的功能模 块，由中断服务程序处理异步事件。在主程序中，各模块是顺序执行的，没有优 先级顺序，采用这种运行模式的数字式保护为了达到一定的响应速度，需对程序 优化设计。为了使每个模块都能够及时地运行，通常将一个功能模块设计成多个 子模块来完成，以使得一个模块在运行中能够及时地出让c p u 资源给其他模块运 行。即使这样，还需要限制每个模块的运行时间，及时从运行的模块中退出。若 模块没有运行结束，还需记忆程序运行的当前位置，以至下次进入时继续运行。 为了设计好软件，一般要采用复杂的有限状态机来切换运行模块的状态。这种方 式设计的程序比较复杂，软件扩展和维护也比较困难，而且有时对一些系统，仍 不能满足高实时性的要求。 主程序 中断服务程序 故障处理程序 图1 _ 2 基于前后台程序的保护运行流程图 ( 2 ) 基于多任务操作系统( r t o s r e a l - t i m eo p e r a t o rs y s t e m ) 的程序。从 2 0 0 0 年开始，一些保护在设计时开始引入r t o s 。在这个系统中，程序分为各功能 任务和中断服务程序。r t o s 的引入，使程序的架构更加明晰，程序更易于开发 与维护。与前后台程序架构不同，r t o s 的引入的同时也带来了时延对实时性的影 东南大学工程硕士学位论文 响、任务的划分等一系列的问题。由于基于r t o s 设计保护软件的研究不深入，给 保护的稳定运行带来了诸多问题。 在数字式保护的使用中，对数字式元件保护、备用电源自投等装置提出了新 的要求，因为它们的逻辑可能会根据不同的运行网络或不同的运行管理习惯发生 变化。如果保护的逻辑变更都通过修改程序，通过编译形成新的目标代码来实现， 会由于测试工作量大而不能测试完整，难以满足系统对设备可靠性的要求。有些 数字式保护中增加了逻辑可编程功能，有的采用逻辑变量组合逻辑表达式，如s e l 、 施耐德的产品；有的采用图形编辑逻辑图的方式。但不足的是，各厂家保护产品 的逻辑可编程开放程度不同，编程语言也各不相同，用户对设备逻辑编程的维护 管理比较困难，给系统的安全稳定运行带来了风险。 1 3i e c 6 1 8 5 0 对数字式保护的影响 信息技术、微电子技术、通信技术的飞速发展使得数字化变电站建设成为可 能，文献 2 3 2 7 对数字化变电站系统进行了研究。目前，i e c6 1 8 5 0 变电站通信 网络与系统是唯一的数字化变电站网络通信标准，它构建了全新的变电站自动 化系统。 i e c6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统标准包括的内容如表一所示。 表1 1i e c6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统标准 i e c6 1 8 5 0 1变电站通信网络和系统一第1 部分：介绍和概述 i e c6 1 8 5 0 2 变电站通信网络和系统一第2 部分：术语 i e c6 1 8 5 0 - 3 变电站通信网络和系统一第3 部分：总体要求 i e c6 1 8 5 0 4变电站通信网络和系统一第4 部分：系统和项目管理 i e c6 1 8 5 0 5 变电站通信网络和系统一第5 部分：功能和设备模型的通信要求 i e c6 1 8 5 0 6 变电站通信网络和系统一第6 部分：变电站自动化系统结构语言 变电站通信网络和系统一第7 1 部分：变电站和馈线设备的基本 i e c6 1 8 5 0 7 1 通信结构一原理和模型 变电站通信网络和系统一第7 2 部分：变电站和馈线设备的基本 正c6 18 5 0 7 2 通信结构一抽象通信服务接口( a s c i ) 变电站通信网络和系统一第7 3 部分：变电站和馈线设备的基本 正c6 18 5 0 。7 3 通信结构一公用数据类 变电站通信网络和系统一第7 4 部分：变电站和馈线设备的基本 m c6 18 5 0 7 4 通信结构一兼容逻辑节点类和数据类 变电站通信网络和系统一第8 部分：特定通信服务映射( s c s m ) m c6 1 8 5 0 8 一映射到制造报文规范( m m s ) 变电站通信网络和系统一第9 1 部分：特定通信服务映射( s c s m ) 正c6 18 5 0 9 1 一通过单向多路点对点串行通信链路的采样值 变电站通信网络和系统一第9 2 部分：特定通信服务映射( s c s m ) i e c6 18 5 0 9 2 一通过i s o i e c 8 8 0 2 3 的采样值传输 i e c6 1 8 5 0 1 0变电站通信网络和系统一第l o 部分：一致性测试 4 第一章绪言 i e c6 1 8 5 0 标准采用了将专门领域的应用( 对象、服务) 从通信协议栈中分离 出来。如图1 3 ，对于有严格时间要求的通信的通信，如g o o s e 、采样值，消息 直接映射到以太网链路层；对于客户服务器通信映射到m m s t c p i p 。 s e t t i n 口一i 。p 3 r si ap i c 列p z a c s e t t z n g _ i r r b ，s e t t z n g z 。p s r s i b p i c k u p z b c s e t t z n g z r c r i - c ，s e t t t n g _ i 。p s r s i c _ p i c k u p i c s e t t i n g _ i o p 卜_ 一 i a b c 舅潞一p i c k u p i b s e t t i n g _ i o p i c s e t t i n g _ _ i o p 卜一 i a s e t t i n g _ i o p 卜一 i a b c o r p i c k u p i b s e t t i n gi o pl l i c s e t t i n g _ l o p 卜 图3 - 4 三相过流元件g l 3 的逻辑图 3 5 3 保护元件库的构成 保护元件库应包含基本的保护元件、通用保护继电器库、电动机保护专用继 电器库、变压器保护专用继电器库、发电机保护专用继电器库、1 1 0 k v 高压线路 保护专用继电器库、备用电源自投专用继电器库、稳定控制专用继电器库。 图3 - 5 保护库的构成 3 6 第三章数字式保护功能在软件平台中实现的研究 如图3 5 所示，最底层为输入层，包含了电流、电压的瞬时值、矢量值、有 效值，频率，功率、序分量等模拟量输入和开关量输入值； 基本元件库的元件根据输入层的数据完成保护基本元件的运行。保护继电器 库是利用基本保护元件库构建专用的保护逻辑。 组合逻辑是利用基本保护元件库元件和保护继电器库元件形成保护对象所需 要的逻辑组合。 3 5 4 保护元件库的设计 基本保护元件库应包含最基本的元件，主要有：过流元件、低流元件、电流 反时限元件、过压元件、低压元件、复合电压元件、低频元件、过频元件、时间元 件、功率方向元件、阻抗元件、电抗元件、电流平衡元件、电压平衡元件、频率平 衡元件、相位平衡元件、同期检测元件等。 由于保护应用的系统有中性点有效接地系统和中性点非有效系统，库中前者 配置三相电流元件，后者配置两相电流元件。电压元件包含了单相元件和三相元件。 基本保护元件库如表3 2 所示，通用保护继电器库如表3 3 所示，电动机保护 专用继电器库如表3 4 所示，变压器保护专用继电器库如表3 5 所示，发电机保护 专用继电器库如表3 6 所示，1 1 0 k v 线路保护专用继电器库如表3 7 所示，备用电 源自投专用继电器库如表3 8 所示，稳定控制专用继电器库如表3 9 所示，辅助逻 辑元件库如表3 1 0 所示。 表3 - 2 基本保护元件库 序号保护元件型号保护元件名称 说明 1g l l单相过流元件单相过流元件 2g l 2 两相过流元件两相过流元件 3g l 3三相过流元件三相过流元件 4d l l单相低流元件单相低流元件 5d l 2 两相低流元件两相低流元件 6d l 3三相低流元件三相低流元件 7f s l l 电流反时限元件1极度反时限 8 f s l 2 电流反时限元件2甚反时限 9 f s l 3 电流反时限元件3 一般反时限 l o g y l 单相过压元件单相过压元件 1 1g y 3三相过压元件三相过压元件 1 2d y l 单相低压元件单相低压元件 1 3d y 3三相低压元件三相低压元件 1 4f h y 复合电压元件复合电压元件 1 5g p高频元件 高频元件 1 6d p 低频元件低频元件 1 7s x l 时间元件1延时动作，瞬时返回 1 8s x 2时间元件2 瞬时动作，延时返回 东南大学工程硕士学位论文 序号保护元件型号 保护元件名称说明 1 9s x 3时间元件3延时动作，延时返回 2 0 s x 4 时间元件4延时动作返回，充放电等时 2 1s x 5时间元件5带出口元件校正延时 2 2s x 6时间元件6延时动作，延时返回，带复位 2 3 x g f l 功率方向元件1正向功率方向 2 4x g f 2功率方向元件2反向功率方向 2 5z k l 阻抗元件l姆欧特性 2 6 z k 2 阻抗元件2四边形特性 2 7d k 电抗元件电抗元件 2 8l p 电流平衡元件比较两个电流的差 2 9 y p 电压平衡元件比较两个电压的差 3 0 p p 频率平衡元件比较两个频率的差 3 1x p相位平衡元件比较两个相位的差 3 2 t q 同期检查元件比较两个电压的矢量差 3 2l t b 电流突变量元件 ai i 3 3 l c d 电流差动元件差速、比率差动 3 4x b 2 z d二次谐波制动元件二次谐波比率制动 3 5 p t b p t 断线闭锁元件p t 断线与告警 3 6c t bc t 断线闭锁元件c t 断线与告警 3 7l b h 电流变化量元件 d i d t 3 8y b h电压变化量元件 d v d t 3 9p b h 频率变化量元件 d f d t 4 0 g g l 过功率元件 4 1d g l 低功率元件 4 2 n g l 逆功率元件 4 3g l过量元件通用型，带a x + b 修正 4 4 q l 欠量元件通用型，带a x + b 修正 表3 - 3 通用保护继电器库 序号保护继电器型号 保护继电器名称说明 1f y g l j l 复合电压闭锁过流保护继电器11 时限 2f y g l j 2复合电压闭锁过流保护继电器22 时限 3 f y g l j 3 复合电压闭锁过流保护继电器33 时限 4f y g l j 4复合电压闭锁过流保护继电器44 时限 5 g l j l过流保护继电器11 时限 6 g l j 2 过流保护继电器22 时限 7g l j 3过流保护继电器33 时限 8 g l j 4 过流保护继电器44 时限 9d u低流保护继电器 1 0g y j 过压保护继电器 1 1 d y j 低压保护继电器 1 2f d l j 非电量保护继电器 3 8 第三章数字式保护功能在软件平台中实现的研究 序号保护继电器型号保护继电器名称说明 1 3t b l j 突变量继电器 1 4z c h j 三相重合闸继电器 1 5 s h t q j 手合同期继电器 1 6c d j 充电保护继电器 1 7 d l q s l j 断路器失灵保护继电器 表3 - 4 电动机保护专用继电器库 序号保护继电器型号保护继电器名称说明 1d l c d j 电动机差动保护继电器 2 d q d j 电动机启动判别继电器 3d g i u 电动机过热继电器 4d d z j 电动机堵转保护继电器 表3 - 5 变压器保护专用继电器库 序号保护继电器型号保护继电器名称说明 lb l c d j l变压器差动保护继电器1二次谐波制动原理 2b l c d j 2 变压器差动保护继电器2间断角原理 3b l c d j 3 变压器差动保护继电器3波形对称原理 4b g j c j 过激磁保护继电器过激磁保护继电器 表3 - 6 发电机保护专用继电器库 序号保护继电器型号保护继电器名称说明 lf l c d j 发电机电流差动保护继电器 2f h c j 单元件零序横差保护继电器 3f z l y j 纵向基波零序电压保护继电器 4f f y g l j 复合电压过流保护继电器带电流记忆功能 5f d j j 1 0 0 定子接地保护继电器 6 z 3 3 转子接地保护继电器 7f n g j 发电机逆功率保护继电器逆功率，程序逆功率 8f d l s c j低励失磁继电器 9f p l y c j 频率异常保护继电器 1 0f w s d j 误上电保护继电器 1 l f q t j 启停机保护继电器 表3 7110 k v 线路保护专用继电器库 序号保护继电器型号保护继电器名称说明 lx c d j 光纤电流差动保护继电器 2x x 几j 相间距离继电器 3x j j l j 接地距离继电器 4x l f u 零序方向过流继电器 5s h x j s j 双回线加速继电器双回线相继速动 东南大学工程硕士学位论文 i 序号保护继电器型号保护继电器名称说明 6b d c j s j不对称故障加速继电器不对称故障相继速动 表3 - 8 备用电源自投专用继电器库 序号保护继电器型号保护继电器名称说明 1b z t j l 备自投继电器1 进线备自投 2b z t j 2 备自投继电器2母联各自投 3b z t j 3各自投继电器3带优先级n 一2 备用电源 表3 - 9 稳定控制专用继电器库 序号保护继电器型号保护继电器名称说明 1d p j l j 低频解列继电器 2 g p j l j高频解列继电器 3d y j l j 低压解列继电器 4g y 几j高压解列继电器 5z d j l j 振荡解列继电器 表3 - 1 0 辅助逻辑元件库 序号辅助元件型号辅助元件名称说明 1 s r 置位优先触发器 2r s 复位优先触发器 3rt r i g 上升沿检测元件 4 ft r i g下降沿检测元件 3 6 保护逻辑的可编程实现与i e c6 1 1 3 1 3 3 6 1 可编程功能的需求 在数字式保护中，保护逻辑是根据保护对象来设计，通过调用保护元件库和 继电器库来组合逻辑实现。但在应用过程中，不同的客户可能提出了以下不同的 要求： ( 1 ) 不需要的保护元件要进行删减，增加保护设备的易用性和可靠性。而 厂家却希望将保护元件配置的很全，以适合不同工程的要求。目前，有的1 0 k v 保护装置配置的保护元件竟达几十种之多，给用户的管理和维护带来了不便，使 用不当，易造成事故。 ( 2 ) 保护出口动作的对象有所不同。根据工程的主接线不同，运行方式不 同，同一保护功能，在不同工程中出口动作的对象差异很大，软件平台要易于选 择出口对象，目前通常的方法是采用出口编程。 ( 3 ) 对一些保护功能实现的逻辑有所简化。厂家在设计保护逻辑时，会考 虑各种应用的场合，把该保护元件的逻辑做得很强大，应对各种工程的需求，而 实际上，大多数场合用的是整个逻辑的一部分，使用人员希望厂家提供符合他们 4 0 第三章数字式保护功能在软件平台中实现的研究 要求的最简化的保护设备。这需要保护平台具有可精简保护逻辑的功能。 ( 4 ) 工程现场需要增加简单的逻辑。比如某断路器的遮断容量不够，保护 出口动作于该断路器时需要检测故障电流是否大于断路器的遮断容量，如果大于 动作于迸线断路器；如果小于断路器的遮断容量就动作于该断路器。这种工程上 的特殊要求，通过增加简单的逻辑即可满足要求。 ( 5 ) 根据工程要求完成一些特有的逻辑。比如备用电源自投装置，它的逻 辑与现场接线方式、备用电源的接线、备用电源的容量、行业或当地的运行规程 有很大的关系，它的逻辑需要可编程工程来实现。 针对以上问题，有的可采用控制字来解决，有的可采用可编程功能来实现， 表3 1 1 进行了详细地比较。 表3 - 11 各种问题解决方法的比较 问题序号控制字可编程功能比较说明 采用控制字解决是比较方便的，首先根据控制字 配置保护元件，将不选择的保护元件在定值中隐 藏： l 采用可编程功能实现可彻底将不需要的保护功 能取消，最彻底。 两者相比，采用控制字方式是定型程序，而采用 可编程的程序是非定型程序，因工程而改变的。 采用控制字，即出口编程实现控制对象的改变， 往往要设置庞大的控制矩阵，工作量大，易出错； 采用可编程设置出口对象，简单。 2 j 两者相比，出口编程功能针对不同工程用比较灵 活，但对于特定的工程来说设定好，一般不需要 调整，可编程方式更易于用户维护。 采用控制字，能够实现功能，由于需要考虑的情 况比较多，简单的保护设置了大量的控制字，用 3 户在使用时要对整个逻辑比较了解的情况才能 使用，否则，易于出错； 采用可编程方式，实现起来比较简单。 由于工程现场需要增加的逻辑因工程特点不同 4 而不同，只能通过可编程来实现。 只能通过可编程，根据系统情况来设计逻辑，作 5 为工程产品来维护。 3 6 2i e c6 1 1 3 1 3 标准 i e c 6 1 1 3 1 标准是工业自动化的基础性的国家标准。广泛应用于可编程控制器 ( p l c ) 、分布式控制系统( d c s ) 等。标准中的第三部分i e c 6 1 1 3 1 3 规范了可编 程控制器的编程语言的语法和语义。i e c 6 1 1 3 1 3 规定了两大类编程语言：文本化 4 1 东南大学工程硕士学位论文 编程语言和图像化编程语言。前者包含了指令表( i n s t r u c t i o nl i s t ，i l ) 语言和结 构化文本( s t r u c t u r e dt e x t ，s t ) 语言，后者包含了梯形图( l a d d e rd i a g r a m ，l d ) 语言和功能块图( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ，f b d ) 语言。对于顺序功能图( s e q u e n t i a l f u n c t i o nc h a r t ，s f c ) 语言，标准没有把它作为独立的一种编程语言，而是将它在 公共元素中规范。文献 6 0 6 3 对i e c 6 1 1 3 1 3 的应用进行了研究。 不同国家，对某种编程语言有一定的倾向性，在美国的汽车工业，普遍采用 梯形图语言；而欧洲普遍采用功能块图语言。不同人员，由于受教育程度不同， 接受的培训不同，对语言的选择也不同。在我国，工程人员普遍使用梯形图语言， 因为它能够更清晰地表达控制过程；而研发人员更倾向于用结构化文本语言、指 令表语言和功能块图语言，因为这种结构化文本语言更像高级编程语言，指令表 语言更像汇编语言，功能图语言更像逻辑图。 3 6 3 保护逻辑采用i e c6 1 1 3 1 3 标准实现可编程 根据不同的保护对象，配置了不同的保护逻辑。常规的实现方式是通过软件 编程( c 语言或汇编) ，在保护功能逻辑程序