（机械工程专业论文）面保护在配网自动化中的应用.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 针对配电网的技术特点，在馈线保护中利用面保护原理开发了新一代的馈线 保护终端。面保护的主要特点除了是利用保护装置自身采集的信息外，还利用系 统中其它的信息，做出故障判断和动作出口，以保护自身设备或局部系统。本终 端设备采用的是功能强大的c a n b u s ，它采用非破坏性总线仲裁技术，支持多主模 式，易于组网和扩展，能够适应电磁干扰性较大的电网运行环境。 本文通过分析短路故障的特点，提出了一种简单实用的故障判据。另外，对 测量和采样校正等其它算法和原理也进行了必要的研究，为得到较准确的检测信 息提供了保证，并且在以上研究基础上做了相应的硬件设计。 关键词：馈线自动化，面保护，故障处理，c a n 总线 a b s t r a c t t h i sp a p e rf i n dan e wg e n e r a t i o no ff e e d e rp r o t e c t i o nt e r m i n a lu n i t sa p p l y i n g p a n e lp r o t e c t i o nt h e o r y t h em a i nc h a r a c t e ro fp a n e lp r o t e c t i o ni st h a tt h ef a c i l i t y s h o u l du s en o to n l yt h ep r o t e c t i v er e l a y s o w ni n f o r m a t i o n ，b u ta l s oo t h e ri n f o r m a t i o n i nt h i ss y s t e m ，t h e nl o c a t ef a u l ts e c t i o na n dt r i p ，s ot h a tp r o t e c ti t so w n f a c i l i t yo rl o c a l s y s t e m t h ec a n b u s ，w h i c hh a sp o w e r f u lf u n c t i o n sa n di se a s yt oc o n s t r u c tn e t w o r k a n de x t e n d ，i su s e di nt h i sp a p e r , i ta p p l i e sn o n d e v a s t a t i n gb u sa r b i t r a t i n gt e c h n o l o g y , s u p p l i e sm u l t i - m a s t e rw o r k a n di ta d a p t st ot h eo p e r a t i o ne n v i r o n m e n tw i t hs t r o n g e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 。 t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro ft h es h o r t c i r c l e ，as i m p l ea n dp r a c t i c a lc r i t e r i o n i ss p e c i f i e di nt h ep a p e r o t h e r w i s e ，o t h e ra l g o r i t h ma n dt h e o r ys u c ha sm e a s u r i n ga n d s a m p l er e v i s i n ga r ed i s c u s s e di no r d e rt og e tm o r ea c c u r a t ed e t e c t i n gi n f o r m a t i o n t h e c o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ei sd e v i s e do nt h eb a s eo ft h ef o r m e rr e s e a r c h d a iw e i ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gw e nj i a n k e yw o r d s ：f e e d e ra u t o m a t i o n ，p a n e lp r o t e c t i o n ，f a u l th a n d l i n g ，c a n b u s 渗声明漉户明 窿 黪本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文面保护在配网自动化中的应用， 黉本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 i 。豹研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名：望区! 垒日期：垄妄：! ! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名：兰避 日期：! ! ：! ：! 三 一 l 摊一 孙 期 签储 日 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 配网自动化的相关概念 第一章引言 由中国电机工程学会城市供电专业委员会在配电系统自动化规划设计导则 中提出的关于配电系统自动化的定义为：“配电系统自动化是利用现代电子技术、 通信技术、计算机及网络技术，将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户 数据、电网结构和地理图形进行信息集成，构成完整的自动化系统，实现配电系统 正常运行及事故情况下的监测、保护、控制、用电和配电管理的现代化。”而国家 电力公司在l o k v 配网自动化发展规划要点中关于配电系统自动化的定义为：“利 用现代通信和计算机技术，对电网在线运行的设备进行远方监视和控制的网络系 统。”它包括l o k v 馈线自动化、开闭所和小区配电所自动化、配电变压器和电容器 组等的检测自动化等。其目的是提高配电网的供电可靠性，改进电能质量，向用户 提供优质服务，降低运行费用，减轻运行人员的劳动强度。配电系统自动化包含的 功能很多，但主要集中在以下六个方面，即监视控制与数据采集( s c a d a ) 、自动绘 图、设备管理、地理信息系统( a m f m g i s ) 、故障处理( 馈线自动化f a ) 、负荷管理( l m ) 和高级应用软件。在配电网自动化的所有功能中，馈线自动化的功能是在故障发生 时，迅速判断、隔离故障区段并恢复非故障线路供电，它是配网自动化的核心控制 功能。 1 2 配网自动化的发展现状1 我国配电网架的结构，在城市电网中一般采用在城郊区建立超高压( 5 0 0 k v ) 或 高压( 2 2 0 k v ) 变电站，接受来自发电厂或电网的大量电力，经过降压后向建于市区负 荷集中点的变电站供电。国内配电自动化起步于2 0 世纪9 0 年代，较国外发达国家 约滞后2 0 年。主要开展了两方面的工作：1 ) 建立配电系统的实时监控系统，即在 配电网调度中心建立主站系统，在各变电站、开闭所设置r t u 、f t u ( f e e d e rt e r m i n a l u n i t ) 馈线远方终端，通过通信通道联系，从而达到实时监控的功能。2 ) 实施了各 种类型馈线自动化( f a ，f e e d e ra u t o m a t i o n ) ，以缩短线路故障后的停电时间，加 快恢复供电，提高供电可靠率。由于馈线自动化存在的控制模式较多，而选择不同 的控制模式关系到企业的资金投入、供电可靠性和收益回报等重要问题，因此馈线 自动化成为目前国内配电网自动化中争论最多的焦点。 山东省威海市的配电自动化系统从2 0 0 0 年7 月开始实施一期工程，2 0 0 1 年7 月主站系统开始现场安装调试，2 0 0 1 年7 月整个系统开始试运行。一期工程实施范 华= i 匕电力大学工程硕士学位论文 围包括威海市中区、市南区i o k v 地下网的9 个开闭所和市区的5 条i o k v 架空线路， 共安装配电子站9 台和柱上配电监控终端( f t u ) 1 2 台。今年伴随城网改造，又在 6 条i o k v 线路实施配电自动化功能，共安装配电子站1 台，环网柜监控终端7 台， 柱上监控终端4 台。 馈线自动化( f a ，f e e d e ra u t o m a t i o n ) ，又称线路自动化，是指变电站出口到用 户用电设备之间的馈线线路自动化。馈电自动化就是监视馈线的运行方式和负荷。 当故障发生后，及时准确地确定故障区段，迅速隔离故障区段并恢复健全区段供电 的馈线自动化是配电网自动化最重要的内容之一。馈线自动化是在配电网自动化中 实现故障处理的功能，它对于提高供电可靠性，减少停电面积和缩短停电时间具有 重要的意义。 按照i e e e 的定义，馈线自动化系统( f a s ，f e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e m ) 是对配 电线路上的设备进行实时监视、协调及控制的一个集成系统。它的内容可归结为两 方面：一是正常情况下的状态检测、数据测量和进行优化及调压；二是事故状态下 的故障检测、故障隔离、负荷转移和供电恢复。 目前主要存在着两类馈线自动化系统：一种是采用重合器或断路器与分段器、 熔断器配合使用的馈线自动化系统。这种模式是在馈线自动化开始时就具有的。它 是在变电站出线处安装自动重合器，在馈线分段开关和联络开关处安装自动分段 器，发生故障时通过重合器和分段器的动作配合，达到隔离故障区段和恢复健全区 段供电的目的。这种方式具有结构简单、建设费用低廉的优点，不需要建设通讯网 络，并且所有设备是自具的，因此不存在电源问题。存在的不足是无法记录和上报 故障信息，因而在事故后不能以最优恢复方案进行网络重构。并且在正常情况下， 也不能实时监视线路负荷，无法掌握用户用电规律，难于优化和改变运行方式。 另一种基于馈线终端设备( f t u ，f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 的馈线自动化系统 是随着现代通信技术、计算机网络技术以及适应各种环境的硬件的迅速发展而产生 的。它是在线路的各分段处安装馈线终端装置f t u ，用于采集柱上开关的运行信息， 并将上述信息经通讯网络发送到远方的配电自动化控制系统。各f t u 还可以接收主 站或自身的命令进行相应的倒闸操作，并在故障发生时，记录故障前后的重要信息， 用以确定故障区段和最佳供电恢复方案，即建设有效而且可靠的通信网络将其和配 电网控制中心的s c a d a 计算机系统连接起来，从而构成一种高性能的配电网自动化 系统。这种基于f t u 的馈线控制模式是我国目前配网改造中采取的主要方式，也是 馈线自动化发展的必然趋势。威海的配电系统主要采取此种馈线自动化方式。 后一种馈线自动化系统主要是由一次设备、控制箱、馈线终端装置f t u 、通信 系统和控制主站五部分构成n 1 。其中，馈线终端装置f t u ，又称馈线自动化监控器， 是系统的关键部分。现代馈线控制模式的发展要求馈线终端设备不仅具有常规的遥 华北电力大学工程硕士学位论文 测、遥信和遥控功能，而且还要集成自动重合闸、馈线故障检测和电能质量的一些 参数的检测功能，甚至集成断路器的监视功能，且有进一步与断路器、开关相结合， 从机电一体化，发展成为智能化开关的趋势。这将显著降低建设、运行和维护的综 合成本，为进一步提高供电可靠性创造有利的条件。馈线终端装置所体现的设计理 念和所具有的性能是有效实现馈线自动化的关键所在，也是本文探讨和研究的主要 对象。 1 3 基于f t u 的馈线自动化系统 馈电自动化系统的主要功能有： 1 ) 实时监视馈线分段开关和联络开关的状态； 2 ) 实时监视馈线电流、电压、有功、无功等量； 3 ) 馈线负荷重新优化构置； 4 ) 馈线开关的远方合闸、分闸操作； 5 ) 提供馈线开关的动作次数、事故记录、负荷记录等报告； 6 ) 自动判别故障及进行故障定位，实现故障段的隔离，并恢复对非故障区域 的供电。 概括地讲：馈线自动化就是在实时方式下，在当地或在远方对配电网的运行状 态通过数据采集、开关控制、无功调节等方式进行监控，以降低系统的运行费用， 提高供电可靠性。其中，f t u 是基于f t u 的馈线自动化的核心设备，f t u 需具有四 遥功能( 遥信、遥测、遥控、遥调) 、统计功能、对时功能、时间顺序记录、事故 记录、定值远方修改和召唤定值、自检合自恢复功能、远方控制闭锁和手动操作功 能及各种通信功能。 1 4 现有馈线控制模式分析阳1 n 故障处理是馈线自动化的主要内容。故障发生后，如何尽快地清除故障、隔离 故障区段和恢复失电区域的供电，以及实现网络重构，是一个非常复杂的问题。不 同配网方案的控制模式可能导致系统性能的差别极大，但总的目标应都是执行过程 时间最短、恢复的负荷最多。要满足的约束条件是各元件的负载在限定值以内和节 点的电压符合要求。根据故障隔离、网络重构策略的着重点不同，目前基于f t u 的 馈线控制模式主要有以下几种： ( 1 ) 就地智能控制模式 该模式的馈线分段开关采用具有电动操作机构的负荷开关或环网柜，同时配置 具有通信功能的馈线控制终端f t u 。在线路故障、变电站出线断路器跳闸时，通过 华北电力大学工程硕士学位论文 点对点通信，f t u 把故障后开关状态及记录信息传送到邻近开关的f t u ，识别出故 障段并进行隔离，自动完成恢复供电。 该控制模式的最大优点是故障处理时间较短，可以在很短的时间内恢复供电。 缺点是需要增加相应的f t u 和通信的投资，并且依赖于通信网的可靠性。对于就地 控制方式还存在个共同的问题就是由于没有监控系统，系统较孤立，主站无法对 电网的运行状态作实时监控，因而在网络重构中不可能从全局出发提供最优的执行 方案。 ( 2 ) 远方集中监控模式 这种控制模式由变电站出线断路器、各柱上负荷开关、f t u 、通信、配调中心 站组成。每个开关或环网柜的f t u 要与配调中心站通信，故障隔离操作由馈线自动 化系统主站以遥控方式进行集中控制。在发生故障时，配调中心站计算机收集故障 线路上各个f t u 的状态信息，并对故障信息进行分析，识别故障区段，然后对各f t u 下发一系列统遥控命令，由f t u 跳开故障段两侧开关、闭合出线开关和联络开关， 并进行最合理的网络拓扑调整，完成故障隔离，把故障对配电网络的影响限制在最 低的范围，最终恢复对非故障区段的供电。 该控制模式由于采用先进的计算机技术和通信技术，可避免馈线出线开关多次 重合，能够准确快速地进行故障定位和故障隔离，且隔离故障的时间不受线路距离、 线路分段段数的影响。而且，由于是基于广域信息实施集中控制，因此有可能按照 最优经济方案实现恢复供电。此外，正常情况可以实现s c a d a 功能，实时监视馈线 运行工况，具备四遥功能( 遥信、遥测、遥控、遥调) ，满足正常操作的需要。存 在的主要问题是：一则对通信网依赖性大，故障信息上传和动作命令的下发都必须 经过通信网；二则依赖于上级站机，要求通信网和上级站要绝对可靠，一旦出错就 可能导致故障的扩大；三则故障处理时间较上述的就地智能控制模式长，需要十几 秒甚至几十秒。 ( 3 ) 综合智能控制方式 这是馈线自动化系统所采用的一种改进型的综合控制模式，也是国家电力公司 目前介绍的控制方式。该模式以远方集中监控为主，本地监控为辅，集中发挥两种 控制的优势，实现综合控制。系统设备的组成与远方集中监控方式一样，变电站出 线开关采用重合器，线路上采用负荷开关作为分段器，各f t u 具有远方通信能力。 为了达到综合控制的目的，采取的主要措施是在f t u 中采用一种具有自适应特色的 智能算法，可以做到在通道完好的一般情况下进行远方监控，实现快速一次定位、 隔离故障。一旦通信系统故障，沿馈线安装的智能开关设备亦能检测到故障并将其 隔离。 综合智能控制方式既能充分发挥远方集中监控的优势，又不完全依赖于主站与 4 华北电力大学工程硕士学位论文 终端之间的通信网络，通过软件实现相互协调和备用功能，提高了供电可靠性。当 然，此种方式也存在着一定的问题：除软、硬件功能重复，造成资源浪费外，也存 在着的就地、远方之间的配合问题，如：远方一次定位、隔离与当地隔离的配合， 闭锁与解闭锁的远方与当地功能配合，远方控制与当地控制何者优先等问题，这需 要在软、硬件上进行必要恰当的处理。 1 5 本文的主要工作 本文在全面阐述面保护原理的基础上，论证了实现面保护原理的基本条件，并 提出了基于面保护原理的馈线自动化系统控制模式。在此基础上，本文主要对馈线 终端装置f t u 进行了研究，所研制的新型f t u 能够在通讯系统和操作系统的配合下， 全面实现面保护原理的功能。 ( 1 ) 首先对继电保护的新理论面保护原理进行了全面阐述和应用性的研究， 论证了实现面保护原理所应具备的条件，并提出和探讨了基于该理论的馈线控制模 式的工作原理和特点。 ( 2 ) 基于面保护原理对新型终端装置所要实现的功能进行了叙述和分析，主要围 绕通讯方式和故障处理两个方面提出了可靠的实现方案。 ( 3 ) 通过仿真等手段对测量和保护算法进行了详细的研究。 ( 4 ) 利用1 9 6 m c u 完成了终端装置硬件设计和c a n 通讯、采样计算和保护部分程 序的编写及调试。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 面保护原理 第二章面保护原理及其实现 八十年代末，现代通信技术和计算机网络技术发展迅速，反映到继电保护上， 出现了面保护原理引。其定义如下： 面保护：除了利用保护装置自身采集的信息外，还要利用系统中其它信息，做 出故障判断和动作出口，以保护自身设备或局部系统。 相应地，有点保护的定义： 点保护：只利用自身信息就做出故障判断和动作出口的继电保护。 根据面保护的定义，可知面保护的实现必须具备以下条件： 条件一通信网络。 因为没有通信则不可能获得系统中的其它信息，或者其它信息的获得必须依赖 于通信。 条件二保护装置都应有c p u 。 因为没有c p u 就不能综合利用设备自身的信息和其它设备的信息，并根据信息 进行分析和判断。 条件三并行处理。 系统中有众多的保护装置，每个保护都有c p u ，一旦发生故障，系统中这些c p u 将同时启动综合信息、判断是否出口，即要进行并行处理。如果按照串行工作，则 不可能满足系统对继电保护快速性的要求。 1 2 1n3 1 由以上的定义和条件可知，目前被我们所熟知的保护大都属于点保护，比如过 流保护、方向保护、距离保护等。微机式的过流保护、方向保护、距离保护也属于 点保护，它们虽然有c p u ，但是它们只利用了自身信息而并没有利用系统中的其它 信息。母线保护也属于点保护，因它也是只利用了母线( 作为一个元件) 的信息， 没有利用其它单元的信息。 2 2 面保护原理的实现方案 实现面保护技术的关键是：一要改变原有的配电终端只与上级主站通信的模 式，建立起各个终端之间的通信联系系统，即实现多主模式。二要求终端设备不仅 要具有传统的“四遥”、过流、速断、重合闸、通信等功能，更重要的是终端设备 还要具有综合信息、判断出口的能力。本文针对这两个要求对馈线终端设备的通信 6 华北电力大学工程硕士学位论文 方式和故障判据做如下的探讨。 2 2 1 故障定位判据n 4 1 5 1 n 阳 中压配电网一般都是闭环结构、开环运行。图2 1 是典型的l o k v 馈线结构图： id l l f d if d 2l kf d 3f d 4d l 2 i 10 k vh 二 _ t ) i ( i 厶一。一厶l t ) i ( i l 一，一l i i 。) i ( i 。 i 。) ( 2 - 2 ) 若不满足上式，则说明必定不是第m 段线路发生短路。 当v k 【1 ，m l 】，满足 k l i i l ，。 ( 2 3 ) 表明第1 ，m 一1 段没有短路。 当w m + 1 ，z + 1 】，满足 1 0 ，一l j i t ) i ( v k 1 ，聊】，i i k l i k i i 。) i ( v j m + 1 ，以】， t ) ( 2 5 ) 则，f t u 。发跳闸命令： ( ，。 ，。) i ( v j 【m + l ，刀 ，i i ，一i i j i t ) ( 2 - 6 ) 则，f t u 。发跳闸命令。 分析和试验结果表明，这种判据简单明了，计算量小，计算时间短，可靠性高， 便于实现。 2 2 2 通讯方式的选择 通讯方式的好坏直接影响整个系统的可靠性。一种适合于配电网自动化系统的 通讯方式应具有的特点是：当线路异常时，f t u 能及时把有关故障或异常信息， 如开关变位、越限、线路接地、故障记录等信息主动上报，其它需要信息的设备或 主站也可以对某一特定的设备进行查询，并满足配电网通信的特殊要求。目前使用 较普遍的通信规约有国际电工委员会制定的i e c 8 7 0 5 1 0 1 及北美地区较流行的 h a r r i s 公司发表的d n p 3 0 规约，它们均支持f t u 信息主动上送的传输方式，因而 能及时报告故障信息。 但是1 0 1 规约通道利用率较低，数据传送缓慢，不适合作为诸如f t u 间以及f t u 与主站间的通信协议，也不满足面保护并行处理的要求。d n p 3 0 是开放式协议，它 可以对不同的数据类型安排不同的优先级，支持主动上报信息，支持主站与子站对 时，允许多主站和对等操作等。但d n p 3 0 缺乏较好的解决冲突的能力。因为当某 个区段发生故障时，将有多个f t u 同时主动传送一级用数据，并且f t u 之间也必然 会有信息的交流，此时就不可避免地会发生信息传输中的冲突问题。为了实现正确 传输，避免冲突，d n p 规约只能采用检测等待的措施，因而增加了判断故障区段的 延时，如果延时过长，就会使数据丢失。但相关的多个c p u 只有在同时得到完整的 故障信息的情况下，才能可靠地确定哪个区段发生了故障，在某些数据丢失严重的 情况下，就可能造成故障区段的误判。 目前，解决面保护通信的最好方法是采用现场总线。 ( 1 ) 现场总线简介 现场总线是一种工业型数据总线，它是自动化领域中计算机通信体系最底层的 低成本网络。根据国际电工委员会( i e c ) 标准和现场总线基金会( f f ) 的定义：“现 场总线是连接智能现场设备和自动化系统的串行、数字式、双向传输、多分支结构 的通信网络”12 0 1 。基于现场总线的控制系统f c s 将传统的集散控制系统d c s 的采集 控制站的功能下移到了现场仪表或者执行机构上，取消了采集控制站，由智能现场 设备完成测量和控制，以实现测控一体化，从而提高系统固有的可靠性。f c s 和d c s r 华北电力大学工程硕士学位论文 相比具有以下特点：数字化的数据传输：分散的系统结构：方便的互操作性；开放 的互联网络以及多种传输介质和拓扑结构等n 。 目前，工业界内比较流行的现场总线有l o n w o r k s 总线、f f 基金会现场总线 ( f o u n d a t i o nf i e l db u s ) 、c a n 现场总线( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、h a r t 现 场总线( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 等，文献“时叫2 中有详细介绍。 它们均以国际标准化组织( i s o ) 的开放系统互联模型( o s i ) 为基本框架，根据行 业的应用需要施加某些特殊规定后形成的标准。在这些总线中，c a n 总线以其高性 能，高可靠性以及独特的设计得到了用户的广泛认可。并且c a n 的实现方式最为简 单，成本最低且为无主网络，增减结点也非常方便。因此，本设计在实现基于面保 护原理的控制模式中采用了c a n 总线作为主要通讯方式。 ( 2 ) c a n b u s 的特点 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e tw o r k ) 是控制器局域网络的简称。由于其具有较 强的纠错能力，支持差分收发，传输距离较远等卓越的特性和极高的可靠性，越来 越受到工业界的重视而被广泛地应用于各行各业。目前，c a n 已由i s ot c 2 2 技术委 员会批准为i s 0 1 1 8 9 8 标准，是现有的现场总线中唯一被批准成为国际标准的总线。 c a n 总线的主要特性如下 3 4 1 ： a c a n 采用多主工作方式，节点之间不分主从，通信方式灵活，可实现点对点、 一点对多点及广播方式传输数据，无须调度。 b c a n 采用的是非破坏性总线仲裁技术，节点之间有优先级之分，可以大大节 省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好的性能。 c c a n 采用短帧结构传输、1 5 位c r c 校验、位填充技术及完善的差错处理机 制，有力地保证了数据通讯的可靠性；当节点严重错误时，具有自动关闭功能，使 总线上其他节点不受影响。 d c a n 可采用双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质，总线的直接通信距离最 远可达1 0 k m ，通信速率最高达lm b p s ( 此时通信距离为4 0 m ) 。 e c a n 是一种多主竞争总线形式，废除传统的站地址编码方式，代之以对数据 信息进行编码，最多可标识2 0 3 2 ( 2 o a ) 或5 亿( 2 0 b ) 多个数据块，而扩展标准的报 文标志符几乎不受限制； 此外，c a n 协议作为一种串行数据通信协议，它可以非常有效地构成分布式实 时监测控制系统；c a n 总线规范规定了任意两个c a n 节点之间的兼容性，包括电气 特性及数据解释协议：c a n 协议遵循i s o o s l 模型，采用了其中的物理层、数据链 路层与应用层，其中应用层可能包含了除物理层和数据链路层外其余四层中的某些 功能，具有简化的网络结构。c a n 总线所具有的以上特性为有效实现基于面保护原理 9 华北电力大学工程硕士学位论文 的馈线自动化提供了可能。 2 3 基于面保护原理的馈线控制模式 通过比较可以发现，在1 4 中所提到的集中处理模式虽然具有通信和保护功 能，但它不属于面保护。因为其中的f t u 之间并不进行通信，f t u 本身也并不具备 综合信息、判断出口的能力，而只是由f t u 完成信息的采集和记录，由上级站机对 信息进行串行收集和综合，判断故障发生区段，然后向f t u 下发相应的分合闸操 作指令，遥控有关开关动作，恢复供电。所以，这种方式实际上是一种远动方式的 故障处理，它对上级主站有很强的依赖性。 但是基于面保护原理的馈线自动化模式也并不是将传统控制模式的功能完全 屏蔽掉，除增加和强化了面保护的思想外，也吸取收了集中控制模式的一些优点。 它要求控制主站的存在，要求在f t u 之间进行信息处理的同时，将故障信息上报变 电站主站，主站在判断故障段后主动上报配调中心，由配电中心在地理信息系统平 台上标出故障段、声音报警等，也可以通过主站上位机的控制来进行无功补偿和运 行方式优化等高级功能。 变电 站甲 图2 2 线路f 1 处短路故障环网结构 a ：c b 变电站出线断路器b ：f d 分段器开关c ：b j 保护 监控装置d ：h w 环网开关e ：f t u 馈线终端 2 3 11o k v 环网馈线结构及通信网络 变电 站乙 假定l o k v 馈线跨接在同一变电站的两段母线或两相邻变电站之间，线路上设5 个分段点，其中一个分段点为联络开关，正常情况下联络开关打开，实行开环运行， 如图2 - 2 所示。 通信网络上的每个节点都必须具有c a n 总线通信接口的能力，各个c a n 节点 ( f t u 或上位机) 通过总线被连接在一起，而两侧的线路保护监控装置除了完成本 身的s c a d a 功能外，在某些情况下，也可以兼线路上各f t u 的数据转发器。 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 在实际中，为了减少不必要的信息流量，提高通信快速性和可靠性，减少故障 处理时间，在故障发生时，每个分段开关控制器f t u 的通信对象可只限于其相邻开 关的f t u 、环网开关的f t u 、主供侧变电站出线保护和上位机，而不与其它的装置 交流故障信息。在故障处理过程中，相邻f t u 之间交换信息以判断故障区段；故障 段两端的f t u 主动传送状态信息，使主供侧变电站出线保护装置以及环网开关的控 制器可以由此确定故障己被隔离，下发合闸命令，恢复非故障区域的供电。各f t u 与上位机之间的通信用于实现馈线s c a d a 功能及上报所感知的故障信息。 2 3 2 故障处理过程 ( 1 ) 瞬时性故障 线路发生瞬间性故障时，主供侧出线保护动作跳闸( 重合闸前加速瞬动) ，线路 失压，故障点绝缘恢复，然后出线开关重合成功，恢复供电。感受到故障电流的f t u 将故障电流值上发变电站监控中心及相邻f t u ，变电站监控中心可根据各f t u 上报 的故障信息确定瞬时故障区段。 ( 2 ) 永久性故障 处理要点：永久性故障由故障线段两侧的分段开关切除并隔离，健全线路由重 合闸及环网开关恢复供电。 当线路发生永久性故障时，主供侧出线保护动作跳闸( 重合闸前加速瞬动) ，线 路失压，失压线路f t u 记录故障出现的次数和故障信息。经重合闸时间后，出线开 关重合，因再一次重合于故障线路，启动限时过流保护。此时故障电流流经的f t u 第二次感受到故障电流，向有关节点广播故障信号，各节点同时启动各自的故障处 理程序，根据2 2 1 中提到的故障判据，确定是否跳闸。注意：如果使用没有断 弧能力的普通分段开关，开关应当在重合闸再一次断开，故障电流消失时再动作。 环网开关是否重合，亦需要根据两侧f t u 的故障电流信息而定。当两侧的柱上 开关均未感受到故障电流时，则重合；当任何一侧的分段开关感受到故障电流时， 则不重合，以保证环网开关不重合于故障线路。实际上，环网开关开合控制的判断 原则跟其它普通分段开关是一致的，因此可以一并考虑。唯一不同的是，当需要发 合闸命令时，环网开关只有在确保故障段已被隔离后才能执行。 例如：在图2 2 所示的线路中，当f l 处发生短路故障时，其处理过程如下： a 线路f 1 处发生故障，故障电流由甲变电站母线流向故障点，变电站出线保护 c b l 跳闸。 b 感受到故障电流的柱上开关f t u l 记录故障信息。 c 重合闸动作，重合于永久性故障后，再次出现故障电流，c b l 延时跳闸。 华北电力大学工程硕士学位论文 d 第二次感受到故障电流的f t u l 主动向相关节点传送故障出现信息，各节点接 收到故障电流信息后，进行出口动作判断。 e 在线路第二次失压时，f t u l 和f t u 2 跳开，并发送跳闸信息给环网开关控制器 f t u o 和出线保护b j l ，f t u o 和b j l 在确保故障未发生在与自己邻近的线路上，并确 定故障段已被隔离后，发合闸命令。如果分段开关采用的是断路器，则f t u l 和f t u 2 在重合闸重合期间就可以动作，切断故障电流，由此可以减少一次重合闸的动作次 数。 需要说明的是，上述故障处理模式只有在各f t u 间的通信网络完好时才能进行。 在一个较完善的馈线控制方案中，可以采取如下后备措施：当就地通信网络破坏时， 故障信息上发主站，由主站启动保护程序，确定故障点的位置，完成故障隔离、供 电转移与恢复供电：当子站与通信均破坏时，各f t u 发现传送信息几次失败后，自 动转换定值转为就地控制方式，此方式类似于重合闸控制方式，不需要通信的存在， 具体操作过程限于篇幅的限制，在这里就不详细叙述了。但总体上讲，这种以互通 信息的面保护方式优先处理，信道破坏转为子站处理，信道和主站均损坏再自动转 为就地智能处理的馈线自动化方案，既具备面保护方案中故障定位准确，隔离可靠， 恢复供电时间最短的特点，又去除了传统方案中完全依赖子站和信道的劣势，有主 有备，能够满足各种现场的情况。 2 4 面保护的特点 面保护原理克服了传统点保护信息不全的弱点，故障段判据简单明了，并且， 所有开关保护同时并行采集信息、综合判断故障段，因而避免了对整个通信系统和 某台主机的完全依赖，动作准确、可靠，能够有效缩短停电时间，这是其它保护所 无法实现的优点。 馈线终端装置如果具有了面保护原理所提出的功能要求，在高效的现场总线通 讯方式的配合下，就能够实现全线速断切除故障，充分发挥配电自动化的整体自动 化的优势，而不是对过去的局部控制的翻版。显然，这种全新的控制方法对于进一 步提高供电可靠性，减少故障处理对电力设备的冲击以及进一步提高配电自动化的 控制功能具有重要的作用。另外，上位机的部分功能下移到了各个终端装置上，减 轻了上位机的负担，因而可使它更好更多地实现其本身的s c a d a 功能。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章本馈线终端装置的功能与特点 3 1 本终端装置的功能 馈线终端装置f t u 所必须具有的基本功能是： ( 1 ) 能够采集馈线正常运行时的电流、电压等； ( 2 ) 能够正确测量和自动记录线路故障电流的幅值和方向； ( 3 ) 能够对操作电源及开关状态进行实时监视：对操作电源主要监视其电压， 包括备用电源的剩余容量；对开关主要监视其状态、动作次数、动作时间，累加切 断电流能力等； ( 4 ) 可与配电中心、配电子站( 集控站) 进行远动通信，配电主站可通过装置 对负荷开关进行遥控操作； ( 5 ) 具有在线远方诊断和自诊断功能： ( 6 ) 具备一定的保护功能等等。 同时，考虑到配电网自动化需要大量的f t u ，比调度自动化系统所用的r t u 数 量要高一个数量级以上，如果价格过于昂贵，成本高，势必会大幅度提高配电网自 动化系统的投资，不利于配网工作的开展。因此本文在对基于面保护原理的馈线终 端进行功能设计时，综合考虑了各个方面，使其具有较高的性能价格比。 另外，根据面保护原理的实现条件，我们设计的f t u 必须具备另外两点重要的 功能：一是f t u 具有综合信息、判断出口的能力。二是在通信上，要求摒弃原来的 c d t 或p o l l t n g 规约，而采用总线型规约，实现每台装置不仅能与主站通信而且其 间也可以相互通信，即多主方式。具体从以下几个方面阐述： ( 1 ) 交流量的测量及开关量的监控 当系统运行正常时，装置能够实时采集线路电压和电流，再根据这些交流采样 值计算出三相电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、电流电压谐波、频率、 有功电度量、无功电度量、零序电流( 或直流) 、零序电压( 或直流) 等，同一时 刻的上述各量形成一组。同时能够测量和评估系统的电能质量，其内容主要包括供 电电压中的谐波、电压波动、电压闪变等参数。 本装置还能够实时准确测量故障情况下的电压和电流等量，以满足上位机或装 置本身对故障线路迅速定位和隔离故障区段的要求。由于线路故障时电流比正常工 作时电流大得多，因此本装置另外采用了一套保护c t p t ，以使其能够适应大电流的 动态变化范围。 装置实时监测各线路的断路器开合状态、隔离刀闸状态、手合和手跳接点状态 13 华北电力大学工程硕士学位论文 等，并可采用与交流测量值同样的方式传送。另外，还能够提供自诊断信息( 主要 以设备电源信息、开关状态信息为主) 。 ( 2 ) 历史数据和事件记录 为了进行统计分析，装置能够将测试点数据抄入计算机内，并将各次抄录的数 据依顺序衔接，然后通过通信口传送至后台，显示出记录量的值及对应时间，并可 以以坐标的形式绘制出曲线来，还可以根据不同的要求更改记录曲线的时间间隔。 终端电源失电时，记录及上报失电的起始时间和恢复时间( 时间记录精确到 秒) ，以及故障发生时的状态量，即s o e 事件。 ( 3 ) 继电保护 在故障发生时，保护程序进行信息综合，对相应的继电器发出跳、合闸的命令， 进行开、关控制操作。操作命令一般是由c p u 通过输出锁存器控制驱动电路，使相 应的中间快速继电器动作。实际应用中为防止误动作( 一般是上电复位和外部电磁 场干扰等原因) ，常用输出锁存器的几位组成特定的密码启动光电隔离与驱动电路， 从而使出口继电器可靠动作。此外还要在软件中设置强电保护功能，以防止操作机 构卡死而引起开关跳合闸线圈烧毁以及出口继电器触点损坏。 另外，采用智能控制方法实现就地与远方控制的协调配合。在通信正常情况下， 以就地面保护控制优先，这样可以减少故障处理的时间。当f t u 之间的通信不畅通 时，可以通过主站下发跳、合闸命令，清除线路故障。就地与远方功能之间的切换 由程序自动控制。 ( 4 ) 通信 装置的主要通信方式采用c a n 总线，以满足c p u 按面保护原理进行故障处理时 的各种要求。在硬件不改变的情况下，支持部颁1 0 1 ( i e c 8 7 0 5 1 0 1 ) 、d n p 3 0 、 c a n 2 0 、红外、多功能电表等多种通信规约，目的是满足不同电网的要求。与主站 的通信方式缺省设置为部颁1 0 1 通信规约，因它容易和计算机及其它系统接口。 此外，装置还设有维护通信口。通过该口与p c 机相连，把参数下装至不挥发 内存中，以使参数永久保存。并可在出厂前与后台相接，进行通道参数校正，消除 采样通道阻抗对采样精度的影响。 3 2 本终端装置的特点 本文所研制的终端装置集馈线和开关设备的检测、控制、保护、远动和显示等 功能于一体，在软、硬件设计中实现各功能的综合优化和有机配合。其主要特点可 归结如下： a ) 采用统一的数据采集系统，资源共享； 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 b ) 远方遥控分合闸系统与开关设备分合闸执行回路统一起来，形成有机的控 制执行系统； c ) 远方闭锁与解闭锁和开关本体的闭锁与解闭锁有机配合； d ) 当地故障检测、隔离与远方故障定位与隔离、自动恢复供电相互协调； e ) 支持多种通讯规约和通讯方式，当地人机接口采用手持编程器，可以在杆下 方便地完成数据显示、在线参数整定、控制等操作； g ) 采用统一电源系统，直流蓄电池作为共用后备电源。 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章本设计的主要算法和实现方法 4 1 状态量的测量计算 本文采用计算周期为2 4 点周波的电网频率同步交流采样快速算法，能连续实 时地进行电流、电压、有功与无功功率以及分时电度的计算，实现了配电网参数的 高精度实时测量。 4 1 1 算法分析 当系统运行正常时，可以认为线路上的电流、电压近似为正弦特性。目前常用 的多点采样算法有两种：一种是均方根算法，另一种是傅氏算法。 基于均方根多点算法的基本思想是根据周期连续函数的有效值定义，将连续函 数的公式离散化后，得到电压、电流、有功、无功的近似表达式。具体公式可参考 文献 2 2 10 该算法的优点是由于计算结果是均方根，因此它不仅对正弦波有效，当采 样点数较多时，可较准确地测量波形畸变的电量。缺点是若采样点数过多，则运算 时间就会加长，响应速度将会有所下降。另外，该算法没有滤波功能，且受频率的 影响较大。 全周波傅氏算法，又称正交变换法，是根据傅氏级数的理论，将满足狄氏条件 的周期函数在某段区间上展开成傅氏级数，以此得到信号的直流分量和各次谐波分 量的实部和虚部，经过离散化处理后用于实际采样计算。具体公式仍可参考文献 2 2 1 。 全周波傅氏算法的优点是具有很强的滤波功能，可以计算o n 2 间的任何次谐波 值。缺点是由于用离散值累加代替连续积分，计算结果也要受到频率变化的影响。 4 1 2 本文对算法的处理 基于上述分析，本文将采用全周傅氏算法，因为傅氏算法具有很强的滤波功能， 并且可以计算奇次谐波值，便于对电能质量进行分析。 为了优化程序，减少运算时间，本文将公式进行了整理，以基波电压为例，每周 波采样2 4 点，说明如下： 实部： u r = 去【4 ：。叫：) + + 应虹。心，叫。叫，) + 2 3 q 2 + “2 2 一“l o 一“1 4 ) + 2 - f 2 ( u 3 + “2 l 一“9 一“1 5 ) ( 4 1 ) 虚部： ( - 隶l 蠹( 丝。晦z 正l 以腑嘶坶叫；，= 约，“。，) 】 + 2 4 3 ( u 4 + u 8 一u 1 6 一u 2 0 ) + 2 4 2 ( u 3 + u 9 一u 1 5 一“2 1 ) ( 4 2 ) + 2 ( u 2 + “