（机械设计及理论专业论文）基于gprs通信的环网柜智能测控保护终端的研制.pdf

摘要 9 3 1 1 1 8 3 随着我国经济的发展和城市化进程的加快，负荷密度越来越高，城市用地越来 越紧张，城市配电网逐步由架空线向电缆过渡等新情况的出现，城市供电格局也发 生了较大的变化。城网中采用电缆化供电已成为配电网发展的必然趋势，从电缆化 供电来考虑，环网供电以其经济性和可靠性成为配电网络电缆化的首选形式，而作 为环网供电的主设备环网柜，则越来越受到供电部门和用户的重视。同时在通信上， 配电自动化需要可靠有效的通信手段，以便在控制中心、子站与大量远方终端之间 传递信息和控制信号。由于配电网点多面广，线路接线复杂且变化频繁，给通信系 统的建设带来很大困难。论文在查阅大量资料的基础上介绍了配电自动化的体系结 构和发展现状，阐明了环网开关柜在配电网中的作用，在此基础上，明确了环网开 关柜测控保护装置的研制方向。 本文在分析了环网柜及其馈线的特点和保护要求的基础上，研制开发了符合中 低压开关柜智能化和综合自动化发展趋势的，集保护、测量、控制、无线通讯为一 体的综合测控保护终端。本终端以i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 k c 为控制核心，通过电压 互感器、电流互感器电量采集，经过前级调理送8 0 c 1 9 6 k c 单片机运算、处理，执 行相应的动作，完成三段式电流保护、零序过流保护、小电流接地选线等多种保护 功能及参数在线数字化显示和设定；在通讯组网上，通过与几种传统通信方式的比 较，提出了利用g p r s 网络实现了环网柜的无线通信。文中叙述了g p r s 系统的特 点、组成结构、主要业务，重点介绍了基于g p r s 的数据传送，在此基础上建立了 通信系统。g p r s 无线通信技术的应用，更是使得终端组网灵活、方便，解决了通 信上的“瓶颈”问题。 终端在测量保护算法上采用多种降低误差的方法，使用基本的傅氏算法，简单 有效，使处理器的任务不致过重，执行效率高，实时性能好；在软件系统设计上采 用模块化的设计思想和实时多任务调度的方法，每一个模块相对独立地完成某一特 定功能，具有非常高的可靠性和可扩充性；在软硬件设计的同时，充分考虑了终端 的电磁兼容性问题，采用多种抗干扰技术，消除来自内部和外部的各种干扰，其性 能达到了预定的指标。 差簪词：环网柜继电保护监测终端g p r s 通讯协议 电磁兼容 论文类型：应用研究 t h ed e v e l o p m e n to ft h es w i t c h g e a rc u b i c l em e a s u r ea n d p r o t e c tt e r m i n a l b a s e do ng p r st e c h n o l o g y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c sa n dt h ea c c e l e r a t i n go ft h eu r b a n i z a t i o n ，c i t y p o w e rs u p p l yh a sag r e a tv a r i a t i o n ，l o a dd e n s i t yb e c o m i n gh i g h ，t h ec i t yl a n d u s i n g b e c o m i n gt i g h t ，d i s t r i b u t i o nb e c o m i n gc h a n g i n gf o r ma i rw i r et oc a b l e i t sat e n dt ou s e c a b l ef o rp o w e rs u p p l y , a n dt h el o o pn e t w o r kp o w e rs u p p l ya st h ef i r s tc h o i c eb e c a u s eo f i t se c o n o m ya n dr e l i a b i l i t y ，t h em a i ne q u i p m e n to ft h el o o pn e t w o r kp o w e r 乳l p p l y _ 一 s w i t c h g e a rc u b i c l ew a st a k e nm o r er e c o g n i t i o nb yp o w e rd e p a r t m e n t sa n du s e r s i nt h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e mn e e d sc o m m u n i c a t i o nw h i c hi s r e l i a b l ea n de f f e c t i v e ，s ot h a ti n f o r m a t i o na n dc o n t r o ls i g n a lc a r lb et r a n s m i t t e da m o n g d i s t r i b u t i o nc o n t r o lc e n t e ra n dp l e n t yo fr e m o t ef e e d e rt e r m i n a lu n i t s b e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o n so fg e o g r a p h i c a lp o s i t i o n ，d e p e n d a b i l i t y , w h i c hc a n tb ev e r ye a s yt or e s p o n d t ot h er e q u e s tt h a ts y s t e m a t i c t h ep a p e ri n t r o d u c et h ea r c h i t e c t u r ea n ds t a t e o f - t h e a r to f t h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，e x p a t i a t e dt h ef i m c t i o no fs w i t c h g e a rc u b i c l ea n dg i v eo u t t h e t r e n d i n d e v e l o p m e n t o f t h e m e a s u r e a n d p r o t e c t t e r m i n a l o f t h e s w i t c h g e a r c u b i c l e i n t e g r a t e dp r o t e c t i o nt e r m i n a li nt h es w i t c h g e a rc u b i c l eh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i s p a p e r ，w h i c hp u tt o g e t h e rs u c hf u n c t i o n sa sp r o t e c t i o n ，m e a s u r e m e n t ，c o n t r o l ，m o n i t o r i n g a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a n dw h i c hs u i t sf o rt h es w i t c h g e a rc u b i c l e sd e v e l o p m e n t t r e n d so fi n t e l l i g e n c ea n di n t e g r a t e da u t o m a t i z a t i o n w i t ht h ec o n t r o lc o r eo fa1 6 - b i t m i c r o p r o c e s s o ri n t e l 8 0 c 1 9 6 k c ，u s i n gp ta n da ti m p l e m e n t e de l e c t r i cp a r a m e t e r s s a m p l i n g ，p u ti n t ot h e8 0 c 1 9 k ca f t e rp r e c o n d i t i o n i n g ，f i n i s h e dt h r e e s e g m e n tc u r r e n t p r o t e c t i o n ，z e r o s e q u e n c e o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n ，l o wc u r r e n tg r o u n d i n gs e l e c t i n g p r o t e c t i o n ，d i g i t a ld i s p l a y i n ga n ds e t t i n go fp a r a m c t e r so n l i n ee t c t h ep a p e rp u tf o r w a r d t h en e wt e c h n o l o g yg p r sc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lc o m m u n i c a t i o nm e t h o d s c o n n e c t i n gi n t oan e t w o r kf o rt h es y s t e mh a sb e c o m em o r ef l e x i b l ea n dc o n v e n i e n t b e c a u s eo ft h eu t i l i z a t i o no fg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , s e t t l et h e b o t t l e n e c ko f t h ec o m m u n i c a t i o n s o m em e t h o d sh a v eb e e na d o p t e dt oe l i m i n a t ee r r o r si nt h ea l g o r i t h mo f m e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o n s i m p l ea n de f f i c i e n tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h mm a k e s m i c r o p r o c e s s o rh a v eh i g he f f i c i e n c ya n db e a e rp e r f o i t n a n c eo fr e a lt i m e ；w i t ht h e m o d u l a r i z a t i o na n dr e a l t i m em u l t i t a s k i n gd i s p a t c h i n ga st h ed e s i g ni d e a ，e v e r ym o d u l e c a np e r f o r mac e r t a i nt a s ki n d e p e n d e n t l yr e l a t i v e l y , w h i c hh a sh i g hr e l i a b i l i t ya n d e x p a n d a b i l i t y ；t h ed e s i g no fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) o fh a r d w a r ea n d s o f t w a r eh a sb e e nc o n s i d e r e d f u l l y , a n ds o m ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sh a sb e e n a d o p t e dt oe l i m i n a t et h ei m e r f e r e n c ef r o mt h ei n t e m a la n dt h ee x t e r n a li nt h et e r m i n a l w r i t t e nb yz h uh a i g a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i us h u g u a n g k e y w o r d s ：s w i t c h g e a rc u b i c l e ；r e l a yp r o t e c t i o nm o n i t o r i n gt e r m i n a l ；g p r s ： c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；e m c t h e s i ss t y l e ：a p p l i c a t i o ns t u d y 第1 章绪论 1 绪论 随着社会经济与科学技术的高速发展和现代化，城市社会对质量好和高可靠性的 电能供应提出了越来越高的要求。城市社会越发达，承受停电扰动的能力越弱，即使 很短时间的停电扰动也往往会给城市社会造成不安定的心理影响，以及很大的经济损 失。长期以来，我国配电网的建设资金短缺，设备技术性能落后，导致事故频繁发生， 严重影响了人民生活和经济建设的发展，特别是随着电力的发展和电力市场的建立， 配电网的薄弱环节显得越来越突出，形成电力需求与电网设施不协调的局面。为了解 决这一矛盾，只有进一步深入地加强城网改造，并逐步实现配电系统自动化，才有可 能迅速地提高我国供电的可靠性水平“。研究配电网终端现场智能测控装置对于保 证供电的可靠性、稳定性，改善供电质量，切实提高企业的经济效益和工作效率具有 重要意义。 1 1 环网柜作用 环网柜是负荷开关柜和组合电器柜应用于环网供电单元的通称，应用现代电子技 术与传感技术，将l o k v 开关柜，断路器，负荷开关，t a 、t v 及计量仪表等装置于一体。 使城网一二次系统的集成化与装配模块化，实现电力设备的监测、保护、控制、计量， 达到优化管理。其作用根据不同的电气接线灵活搭配组合，实现不同功能的环网供电 与电能的分配。由于其具有占地面积小、配置灵活、供电可靠、安装、调试时间短、 造价低等优点而被广泛的使用。 随着电力系统配电自动化的建设和发展，电缆环网供电将成为城市配电网发展的 方向，即采用“手拉手”供电方式并用负荷开关将线路分段，这样可以做到分段检修， 避免因线路检修造成全线停电：而且有利于馈线自动化系统，实现线路故障区段的自 动定位、隔离及健康线路的自动恢复供电，可以缩小故障停电范围，减小对用户的停 电时间，提高供电可靠性。图卜1 为双电源供电的环网供电结构，在图中，一个环网 节点至少要由3 个环网开关柜( 以下简称“环网柜”) 构成，即至少有一个进线柜、一 个出线柜和个分支线路柜“1 。图中虚线框内表示环网单元。环网开关柜最基本 和最重要的功能就是要完成配网的功能，而对于智能型的环网柜，配电网自动化功能 自然是不可或缺。故障判断、故障定位与故障隔离是配电网自动化的核心功能，当配 电网中的某处发生故障后，配电自动化系统应能快速定位出故障区段，以利于尽快恢 复故障区段的供电。上述各个环网柜由于所处的位置不同，所要完成的功能也不尽相 同：在馈线上，环网柜对馈线进行测控和保护以实现对线路运行状态的监控和对故障 第1 章绪论 点的切除。另。重要功能是，当故障切除后对网络进行重构，恢复非故障区域的供电。 设k 7 为联络开关，即线路a ，b 由重合型断路器d 1 侧电源供电，线路c d 由重合型 断路器d 2 侧电源供电。假设在k 2 一k 4 段线路发生短路故障，经线路上断路器和环网 柜配合动作，可将故障线路隔离，恢复线路a ，c ，d 的供电，并通过供电网络的重构， 将线路b 改为由断路器d 2 侧电源供电，从而恢复了对所有供电用户的供电。 图卜l 双电源供电方式示意图 注：d l 、d 2 为变电站出线：k 1 一k 1 0 为环网开关柜 近年来我国将进入城网建设和改造的高峰期，一些大中型城市已充分认识到环网 柜诸多优点以及给社会带来明显的经济效益，在城市公共建设、道路、油田、矿井、 高层建筑、住宅小区、工业园区等各种户内外场所大量使用它。相信随着城乡电网建 设的推进，环网柜将被更广泛的应用，具有很大的市场潜力。 图卜2 环网柜外观图 1 2 电力系统继电保护的现状和发展钉 电力系统的飞速发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力 和效益。但是，国内外的经验表明，电力系统一旦发生故障( 自然的或人为的) ，如 果不能及时有效地控制，将失去稳定运行、导致电网瓦解，造成大面积停电，给社会 第1 章绪论 带来灾难性的后果。因此，自从出现电力系统以来，如何保证其安全稳定运行，就成 为个永恒的主题。继电保护( 包括安全自动装置) 就是保障电力设备安全，防止及 限制电力系统长时间大而积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。许多实例说 明，一旦继电保护装置不能正确动作，往往会扩大事放，酿成严重的后果。 随着电力系统和配电自动化的不断发展，电力系统继电保护技术经历了1 0 0 年的 发展历程，在近4 0 年经历4 个历史阶段：5 0 年代中期的机电式继电保护阶段、6 0 年代的晶体管继电保护阶段、7 0 年代的集成电路继电保护阶段、8 0 年代至今的微机 继电保护阶段。机电式继电保护装置是基于电磁和电磁感应原理的由接点继电器组成 的，因而其本身存在动作速度慢、灵敏度低、抗震性差以及可动部分有磨损等固有缺 点。而晶体管继电保护装置虽然具有体积小、重量轻、消耗功耗小、灵敏度高、动作 迅速、不怕震动、无磨损等一系列优点，但是晶体管继电保护装置也有抗干扰能力差、 判断不准确、装置本身的质量不是很稳定等明显的缺点。基于集成运算放大器的集成 电路继电保护的研究开始于7 0 年代中期，由于其处理速度慢，装置的抗干扰能力差， 很快便进入了第四代继电保护的研究一微机继电保护。 微机继电保护装置一般以微处理器为基础，采用数字处理的方法用不同的模块化 软件来实现各种功能。这种保护装置将现场的各种信号通过h i ) 采样数字化，利用微 处理器计算出电压、电流、功率等电力系统的实时运行参数，然后利用这些测量和处 理得来的各种实时数据与保存在装置内的定值进行比较，根据相关保护原理实现各种 保护功能。另外，这种装置还具有数码管、发光二极管、按键等显示和控制元件。但 是在微机继电保护产品初期，因为处理器本身和其它相关器件功能和价格的限制，一 般只应用在重要的高压线路和设备上，而且一般只能完成继电保护的基本功能，实现 对某单一保护对象的保护。 随着电子技术的发展，各种物美价廉、功能强大的微处理器及其它相关大规模集 成电路器件得到了广泛应用。计算机技术、数字电子技术、控制理论、传感器技术、 通信技术和继电保护技术相结合，使得微机继电保护装置得到了长足的发展，其应用 范围越来越广，涉及到高、中、低压等所有电压等级，功能也越来越强大。有的装置 增加了通讯接1 ：3 ，通过该通讯接口可以将很多装置和计算机通过网络连接起来形成一 个分布式控制系统，这样各种智能装置可利用该通讯接e 1 将各种测量和处理结果通过 网络上传给上位计算机，然后利用计算机强大的功能将数据进行记录保存并进行更进 一步的处理分析。同样，装置也能通过通讯接口接收上位机的各种命令从而实现远方 管理和控制功能，从而使综合自动化成为现实。目前国内外生产继电保护的厂家很多， 如南自、南瑞、四方、西门子、施耐德等，这些厂家的综保在技术和功能上都十分成 熟，但通讯方式大多为有线方式( 如r 5 4 8 5 、c a n 总线、以太网等) ，主要用在有人值 守的变电站、变电所、配电室等综自工程中，对于那些远程的无人值守的配电终端如 第1 章绪论 环网柜，有线的通信方式不合时宜，只能采用无线通信。总而言之，继电保护技术未 来趋势是向网络化，智能化，保护、摔制、测量和数据通信一体化发展。“1 1 3 配电自动化的发展 长期以来，我国的电力部门重发电、轻用电的现象比较严重，将主要精力放在大 电网、大机组上，对配电网用电质量及可靠性重视不够，忽视了配电网的重要性和特 殊性，使配电网的技术发展受到严重的影响，造成了配电网供电的可靠性差、设备落 后、不安全因素较多的状况。要提高供电质量，首先应对配网的拓扑结构进行改造， 使之适合于自动化的要求，如馈线分段化、配电环网化等”1 。另外，大量的统计资料 表明，配电网的事故占电网总事故的9 5 7 0 以上，而配电事故中瞬时故障又占9 0 ，永 久性故障仅占事故的1 0 左右。因此，提高配电网可靠性仅从调度自动化这一方面考 虑是远远不够的，应立足于消除事故的发源点，增设配电线路的配置和自动化设备的 应用是重要的n n ”。 当前的主要矛盾出现在配电环节上，由于过去对配电系统投入较少，导致配电网 络结构不合理。主要表现为三点：绝大多数城市基本上都是辐射型单端供电，一旦线 路故障只能整回路切除，导致大片区域停电；配电线路送电能力小，很多地方还使用 8 0 年代初的线路，经常过负荷运行，不但线损高达2 0 以上，还经常在用电高峰期断 电；设备技术性能落后，现在未改造的配电网几乎没有任何自动化可言，一旦出现事 故只能依靠跳闸保护或配电变压器的熔断器断电或是人工拉闸，然后再靠人工查明故 障点，往往是一点小故障导致一片区域长时间停电。这些严重影响了人民生活和经济 建设的发展。随着我国经济的快速发展，配电网的薄弱环节显得尤为突出。十几年( 甚 至几十年) 前规划建设的配电网早己不符合现在日新月异的发展形式，满足不了人们 对电能质量的需要。这就迫切需要对电网进行重新规划、投资建设和改造，逐步实施 配电自动化。 在电力系统中，中低压断路器是供、配电系统的重要设备，它担负着断开故障、 控制、调节的任务。随着供电系统规模和等级在不断发展扩大，系统的网络结构和运 行方式日趋复杂，对保护以及自动化管理与控制的要求越来越高。传统的断路器控制 保护监测多采用电子式或电磁式继电保护元件，他们体积大、能耗高、自身故障率高、 计量精度低，其可靠性、灵敏性均难以得到保证。装置本身发生损坏时，无法进行自 监测和自诊断，往往引起故障的扩大或误动，使得供电中断或设备损坏，给用户和系 统造成很大的损失，因而它愈来愈难以满足系统的可靠性、准确性、实时性要求。如 何对线路进行有效的监控，并将故障信息及线路相关参数及时传送监控中心己成为目 前的备受关注的问题。 4 第1 章绪论 1 4 课题的提出及意义 1 9 9 9 年，国家电力公司提出：配电自动化的总目标是在l o 年或更长一点的时间 内，分区域、分步骤使我国城市 o k v 配电网的运行管理基本实现现代化的目标，大、 中城市中心区供电可靠性达到9 9 9 9 以上，安全经济运行和供电服务水平上一个新 台阶“”。城网中采用电缆化供电已成为配电网发展的必然趋势，从电缆化供电来考 虑，环网供电以其经济性和可靠性成为配电网络电缆化的首选形式，而作为环网供电 的主设备一环网柜，则越来越受到供电部门和用户的重视“”“”。 目前应用于现场的环网柜，大多数仅仅由负荷开关和熔断器构成，没有实现测控 保护的功能，甚至没有安装a t 、p t 等测量设备。少数发达地区的环网柜为了适应自动 化的要求，配置了简单的基于f t u 的遥测、遥信、遥控等三遥功能，但是功能目标相 对单一独立，难以适应将来配电自动化发展的需求。研究配电网终端现场智能测控装 最对于保证供电的可靠性、稳定性，改善供电质量，切实提高企业的经济效益和工作 效率具有重要意义。 针对以上分析，设计了一种新型环网柜智能保护终端，它能够对3 5 k v 及以下电压 等级的配电网中的环网柜及馈线有效的保护及测控。特别在通信组网上，采用了先进 的无线通信技术，实现保护装置智能化、不受地区距离的限制和干扰、恶劣环境的限 制。采用独立的测控保护终端，可以实现变压器保护、线路保护、温度保护、零序过 电流保护、p t 断线告警和接地告警等多种功能，还可以实时波形显示、故障录波、远 动、事件追忆，当故障发生后现场的测控装置将现场设备状态机故障信息送入控制中 心，由控制中心进行故障定位，确定故障区段自动或人工发出有关操作命令，隔离故 障区段，恢复对非故障区段的供电。环网柜智能型保护终端的应用，使得供电可靠性 明显的提高；在通讯的支持下，子站、主站协同工作，实现对故障的自动隔离和非故 障段的恢复供电，以及相关电量参数的查询。这就是对“基于g p r s 通信的环网柜智能 保护测控终端”基本要求的出发点。 本课题的研究就是基于目前环网柜的现状，迎合其智能化、配电自动化的发展趋 势，集合保护、测量、控制、通信等功能于一体，尤其是在组网通信上，采用无线通 信技术，实现保护终端智能化、无人值守的要求，使其不受地区距离的限制，实现遥 测、遥信、遥控、遥调的远程控制功能。这将对我国电网改造起到非常重要的作用， 同时符合了我国馈线自动化故障隔离与恢复供电的目标，改善了城网供电及其它采用 环网供电场合供电的可靠性，从而使电力行业更好的为国民经济建设服务。 第1 章绪论 1 5 采用g p r s 通信的方案论证 15 1 目前常用的远程数传方式 ( 1 ) 无线数传电台( 无线m o d e m ) ：对数字信号调制后，利用国家无线电管理部门 规定的工业频段传送。传送距离一般为几十公里，通讯网络由用户自己搭建和维护。 ( 2 ) 工业调制解调器( 有线m o d e m ) ：对数字信号调制后，利用公用市话网络采用 拨号方式实现点对点的数据传输。这种方式传送距离不受限制，但连接速度慢，后期 使用成本高，不适合实时监控。 ( 3 ) 电力载波传输方式：采用电力载波的处理方法，将数字信号加载到电力网上， 利用现有低压电网进行底层数据传输来实现数据传送。但是电力线上的高削减、高噪 声、高变形，使电力线成一个不理想的通信媒介。 ( 4 ) 光纤：现在使用较多的光纤通讯，其安全可靠而且稳定高效，传送速度快， 可以保证永远在线。但是其成本高，工程浩大，施工不方便，维护困难，传送距离有 限且移动性差。 ( 5 ) g s m 短信方式通讯“”：移动通讯网络发展到了2 代( g e n e r a t i o n ，g ) 以后短 消出现了，人们发现可以利用短消息传送少量的数据，来达到监控的目的，又可以克 服上面一对一监控的缺点。但是，也带来了两个新的问题：短消息传送时间不确定， 可以从十几秒到几十、几百秒不等，尤其是在一些节日，延时现象更为突出，甚至有 可能发生短消息丢失现象，实时性不好；短消息最大只能传送1 6 0 个字符，对监控信 息的长度有严格的要求，不适合大数据量的监控需求。 ( 6 ) g p r s 数传方式i t 4 ：通用分组无线系统( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m g p r s ) 是在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。g p r s 与g s m 系统最 根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。因此，g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量 传输。 g p r s ，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换” 等优点。由于采用的是分组交换技术，数据传输速率最高理论值能达1 7 1 2 k b s ，而 电路交换数据( c i r c u i ts w i t c hd a t a ，c s d ) 业务，其速率只有每秒9 6 k 比特。g p r s 方式还可以利用现成的t c p i p 协议“”。 所以，g p r s 方式特别适合一点对多点、多点对多点、突发性大流量数据的监控， 正在成为监控领域的新宠。 第1 章绪论 表1 - 1 常用的通信方式性能比较 方式安全可靠稳定高效费用低廉维护简单速度快捷施工方便移动性好永远在线 注：表中符号意义：为优秀；为中等；为一般；为差 1 5 2 采用g p r $ 网络通讯方寨可行性论证 对比上述目前所采用的通讯方式，由于环网柜保护终端工作环境恶劣，而且相当 分散，采用何种通讯方式将众多的信息传送到区域子站或中心调度室进行一体化管理 已经成为环网柜保护终端及同类产品的瓶颈。目前配电自动化系统中各种配电监控终 端的通讯方式主要有双绞线、光纤、以及电力载波等，特别是现在使用较多的光纤通 讯，需要大量的资金投入，工程量浩大，维护困难，而寻呼、短波无线电以及基于 g s m 业务的短消息等，都有一定的适应性和局限性，其性能比较如上( 表1 - 1 ) 。虽然 理论上可以实现数据传输，但在实际工程中不符合距离远、分布广且环境恶劣的环网 柜集散式系统的设计要求。经过不断探索，利用当今功能完善的g s m 全球无线通信网 及功能强大的g p r s 通信模块，借助短消息和g p r s 基于i n t e r n e t 这个载体可以实现 微机保护装置的数据远程传输。由于g p r s 已经相当成熟、稳定，与之相配套的g p r s 模块也具有很强大的数据通信功能，使得用其传输数据具有现实可能性。通过外置或 嵌入g p r s 模块，用于数据的无线接收和发送。由于g p r s 是基于i n t e r n e t 的，所以 传送数据速度快，传送的信息量大，也方便信息管理和信息加密。g p r s 是g s m 的升 级产品，也兼容g s m 的所有业务( 包括短信业务) ，所以通过g p r s 不仅可以利用短信 传送信息，而且可以通过网络进行无线通信。目前中国的移动通讯同时提供了6 p r s 业务，而且实现了i n t e r n e t 与g p r s 网络的连接。 综上所述，g p r s 理所当然成为无线通信的最佳选择。通过g p r s 来实现环网柜智 能保护终端无线通讯的方案可行。 1 6 本课题主要完成的工作 本文在分析国内市场需求的基础上，针对环网柜在配电中的应用，设计开发了基 第1 章绪论 于g p r s 通信的环网柜智能测控保护终端，我们关心怎样对于环网柜及馈出线进行保 护和监控、怎样通过g p r s 技术把监控终端所采集的数据传送到中心监控室，实现实 际系统稳定高效的运行。为了达到这个目标，本文的主要工作有： ( 1 ) 完成了产品功能需求分析以及器件的选型； ( 2 ) 与企业合作完成了样机的所有原理图设计，印制电路板( p c b ) 设计： ( 3 ) 深入研究了g p r s 通信原理、网络结构、通信业务、指令系统等； ( 4 ) 完成了样机的通信功能与通信协议的设计及实现； ( 5 ) 合作完成了样机的所有软件编制、调试； 2 7 m s 时，误差已经处于2 以下。与前面相比，由非周期分量引起的最大误差已 大幅度减少，因此这两种算法在中低压电力系统保护中被广泛的应用。 2 0 1 0 f ( m s ) 图3 2 具有非周期分量时差分滤波+ 傅氏算法的最大误差 3 ，1 3 关于小电流接地选线算法的讨论“”k ”“” 小电流接地系统( n u g s ) 包括中性点不接地系统( n u s ) 、中性点经消弧线圈接 地系统( n e s ) 和中性点经高电阻接地系统( n r s ) 。小电流接地系统发生单相接地故 障的几率最高，这时供电仍能保证线电压的对称性，且故障电流较小，不影响对负荷 连续供电，故不必立即跳闸，规程规定可继续运行l 2h 。但随着馈线的增多，电容 电流也在增大，长时间运行就易使故障扩大成两点或多点接地短路，弧光接地还会引 起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障线路予 以切除。单相接地故障占小电流接地系统故障的8 0 以上，且此时稳态接地电流的幅 值较小，谐振接地系统更是如此，所以给故障选线增加了不小的难度。到目前为止， 提出了多种选线方法。已经提出的选线方法均以零序电压来启动保护或选线装置，因 此可根据是否利用故障电流把它们分成两类：第1 类，如比幅法、比相法、群体比幅 比相法、首半波法、谐波电流方向法、五次谐波分量法、有功分量法、能量法、还有 近年出现的应用小波分析、最大( i s i n a ) 原理、模糊推理或模式识别来实现故障 选线的多种方法：第2 类，如拉线法、注入信号跟踪法。 考虑至u c p u 的运算速度以及软件的复杂性，这里不宜采用的如小波分析、最大 ( i s i n q ，) 原理等新型的算法。由于谐波电流方向原理所使用的高次谐波分量较小， 易受干扰，实际运行中我们采用五次谐波分量法。从过渡电阻的非线性可知故障点本 身就是一个谐波源( 金属性接地是经电阻接地发展而来的) ，且以基波和奇次谐波为 2 7 第3 章算法分析及软件系统的设计 主，根据谐波在整个系统内的分布和保护的要求，使用五次谐波分量为宣。消弧线圈 11 接地系统中的消弧线圈是按照基波整定的，即有c o l * j 和5 c o l ：三，可忽略 ) c l) 消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果，知零序电流五次谐波分量在消弧线圈接地系统 中有着与中性点不接地系统中零序电流基波相同的特点，再利用前述原理( 如群体比 幅，比相法等) 即可解决消弧线圈接地系统的选线问题。 3 2 软件系统的设计 本测控终端综合考虑以上要求，完成了集测量、控制、保护、通信等功能为一体 的综合保护装置的软件设计。在正常状况下，保护终端能检测环网柜的各个电量和非 电量的数值以及运行状态，同时能随时响应上一级的数据召唤；当发生故障时，终端 能及时地对故障信号进行处理，做出相应的控制、保护措施如跳闸、报警等，同时记 录和发送故障信息，还可以在用户的手动控制命令下，及时、准确完成用户所要求的 操作。对于该终端得8 0 c 1 9 6 k c 单片机，我们使用m c s + 9 6 汇编语言“7 1 编写，汇编语 言介于低级语言和高级语言之间，其代码执行效力高，适合于数据实时处理的场合。 要实现对保护终端的电量测量与监视，就必须实时地收集与处理电量、开关量状 态等参数。由于终端对测量的精确性，保护动作的可靠性、迅速行、安全性都有很高 的要求，为了测量达到一定的精确度，就必须在测量点数上保证一定的密度；为了使 保护动作安全可靠，就要求保护的算法必须做到完整可靠，这样又会减慢装置的速度。 因此在单片机实现多功能，软件的设计必须对实现功能占用 c p u 时间的分配上，做到有主有次，即要保证功能的完整性， 又要保证实时行。 本终端采用实时多任务。1 的调度方法，其原理是根 据输入的情况进行任务的切换，其核心是系统调度，这种调 度是基于可抢占的优先级方式。也就是说如果一个更高优先 级的任务发生，任务和中断可以引起立即的任务切换。可以 采用协同调度方式，即一个任务可以根据需要让同等级或低 优先级的任务先运行；也可以采用时间片分时机制，它允许 更高优先级任务抢占当前运行的任务，当更高优先级的任务 完成后，当前任务获得控制权，直到时间片的时间运行完。 3 2 1 保护主程序 本终端采用实时多任务调度方法，完成采样、a d 转换、 显示、保护等功能。对实时性要求很高的任务，采用中断方 开始 ) + 初始化常量 仞始化l c d 、l e d 键盘 + 初始化保护定值 初始化事件记录 + 任务初始化 + 中断初始化 通讯初始化 + 主循环 图3 - 3 主程序流程图 第3 章算法分析及软件系统的设计 式实现，对于一般任务用任务调度实现。 软件的整体结构如下： 初始化：初始化各种变量、常量、中断等以及功能自检。 任务调度：进行任务的调度算法和任务的调度。 通讯中断；进行通讯的发送和接收。 采样中断：进行a o 转换和有效值、基波值的计算。 定时中断：时钟定时累加。 保护任务：晟高级任务，完成电流、电压保护的判断，保护定时的累加。 显示任务：最低机任务，完成l c d 的现实。 测量任务：完成测量计算的任务。 3 2 2 初始化与自检 自检是在系统初始化之后对主要硬件单元和数据通道进行全面的检查，对提高测 控系统的可靠性有重要的作用，也给使用和维护带来很大的方便，流程图如图3 3 所 示。自检单元主要包括：数据存储r a m 、程序存储r o m 、出口继电器、a d 输入通 道、单元主板的温度及测量通道系数正常值等。r o m 自检一一般采用校验和法，即在 程序写入r o m 之前，保留一个单元不写程序而写入校验位，使r o m 的每一列具有 奇数个“1 ”，从而使r o m 的校验和为全“l ”。校验程序从r o m 的第一个单元开始， 按位相加，最后的校验和如果与设置的全“l ”相等，则说明r o m 内容正常，否则 错误 r a m 自检采用异或的方法，即取出被检r a m 单元中的数据，进行取反运算， 然后再与原内容进行异或运算，若单元全为l ，则说明r a m 工作正常，否则就有故 障；继电器自检利用反校电路来完成；a d 自检是依靠相关量之间的关系进行的。 3 2 3 任务调度 为了实现多任务调度，系统还定义了一个全局的任务指针寄存器。调度程序检查 任务队列中的所有任务，选择优先级最高的任务执行。当任务调度某个任务时，首先 将该任务编号赋给全局的任务指针寄存器，然后根据该任务的状态执行相应的操作， 当任务处于就序状态并判断是当前任务时，调度程序从该任务的入1 ：3 处开始执行程 序，并将程序状态改为运行态；当任务处于挂起状态或不是当前任务时，调度任务从 该任务的堆栈区中恢复现场，调度返回，如图3 4 所示。 第3 章算法分析及软件系统的设计 图3 - 4 任务调度流程图 3 2 4 通讯中断及采样中断 在通讯中断，主要进行通讯的接收与发送；采样中断里主要完成数据采样，a d 转换、及相关数据的处理。数据采样主要是通过软件定时器0 中断来实现每周波1 2 点的采样，以t i m e r l 为时间基准，在程序设定的时间里，h s o 定时输出高低电平 的同时向c p u 发出中断申请进行数据采样，高速输出时间寄存器a dt i m e 的值必 须根据每周波1 2 点的采样和a d 转换时间寄存器的值进行设置。通讯中断及采样中 断的流程图如图3 - 5 、图3 - 6 所示。 图3 - 5 通讯中断流程图 图3 - 6 采样中断流程图 第3 章算法分析及软件系统的设计 3 2 5 定时中断 为了保证多任务调度系统中优先级高的任务的实时性要求，系统中采用了定时中 断，每当定时中断发生后，系统调用调度程序，如果有优先级高的任务，调度程序则 调用该任务从而保证优先级高的任务的最大延时不超过定时中断的一个周期，在一定 程度上保证系统中高优先级的实时性。另外，在定时中断里定义了任务向量表，每当 定时中断发生时，程序读取系统任务指针寄存器，然后根据任务指针寄存器的值查找 任务向量表，转到相应的被中断任务的现场保护程序段，将现场保存在该任务的堆栈 区内。 在本测控中断中，a d 采样、通讯中断都是在中断里完成的，而保护任务、显示 任务以及测量任务都是通过任务调度完成的，保护任务优先级最高，测量任务次之， 显示任务最低。 3 2 6 保护功能“”。”逻辑实现及软件流程图 前面提到各种主保护的逻辑图的问题，而且对这个问题的分析理解也是十分重 要，所以在本小节将对各种保护及其在c p u 中软件实现的逻辑方式作一个概括的介 绍。 3 2 6 1 三段式电流保护 线路相间短路的电流保护有三种：无时限电流速断保护、带时限电流速断保护和 定时限过电流保护。这三种相间短路电流保护分别称为相闯短路电流保护第1 段、第 1 i 段和第1 i i 段，统称为线路相间短路的三段式电流保护。无时限电流速断保护( 相间 短路电流保护第1 段) 的作用是保证在任何短路情况下，快速无时间延迟的切除本线 路上的故障线路。无时限电流速断保护只能保护线路的一部分，而该线路剩下部分的 短路故障必须依靠另外一种电流保护，即带时限电流速断保护( 电流保护第1 i 段) 来 可靠切除，但它有约0 ，5 s 的时间延迟。这样，线路上的电流保护第1 段和第1 i 段共 同构成整个被保护线路的主保护，它能以尽可能快的速度，可靠并有选择性地切除本 线路上任一处，包括被保护线路末端的相间短路故障。而定时限过电流保护的作用是 作本线路主保护的近后备保护，并做相邻下一线路( 或元件) 的远后备保护。因此它 的保护范围要求超过相邻线路( 或元件) 的末端。反映三段式电流保护的逻辑图如图 3 7 所示。 第3 章算法分析及软件系统的设计 显示 录碹 事件 斟恫 告警 图3 7 三段式电流保护逻辑图 在保护压板投入时，当任一相电流i 大于整定值时，保护动作。l i z d l ，保护无 时限动作，跳开断路器：i i z d 2 ，保护经过时间t 2 后动作，跳开断路器：i i z d 3 ， 保护经过时间t 3 后动作，跳开断路器。如过流保护压板未投则过流保护动作于报警。 速断、限时速断为线路的主保护，定时过流保护为本线路的近后备保护和下一条线路 的远后备保护。 3 26 2 零序过流保护 电力系统的中性点一般有三种接法：直接接地、经消弧线圈接地、不直接接地。 一般11 0 k v 及以上电压等级的电网都采用中性点直接接地方式，3 3 5 k v 电网采用 中性点不直接接地或经消弧线圈接地方式。对于直接接地的电网发生短路故障时，将 会出现很大的零序电流，