（电力电子与电力传动专业论文）基于hdlc的微机分相纵联差动保护通讯系统.pdf

a bs t r a c t w i t ht h es w i f ta n dv i o l e n td e v e l o p m e n to ft h er e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o no ft h e p o w e rs y s t e m ，r e l i a b l e r e a l t i m ei n f o r m a t i o ni sab a s i cf o u n d a t i o no fs y s t e m o p e r a t i o n c o m m u n i c a t i o ni sa r o u t et oo b t a i nr e a l t i m ei n f o r m a t i o n a na c c u r a t e a n dp r o m p tc o m m u n i c a t i o ni se s s e n t i a lt oc o r r e c tm o v e m e n to ft h es y s t e m p o w e r s y s t e mr e l a yp r o t e c t i o n sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks y s t e ms t r u c t u r e ，c h o o s i n ga n d r e a l i z i n go fa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lp l a y sa d e c i s i v er o l et ot h ea d v a n c eo ft h e w h o l es y s t e m t h i s1 r e r a r ya d o p tah i g h l e v e ld a t al i n kc o n t r o lp r o t o c o l ( h d l c ) w h i c hf a c e sb i t ，c h o o s et h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ri nc o n f o r m i t yw i t hi t ， m a k eh d l cr e a l i z e d c o n v e n i e n t l yt h r o u g hi n i t i a l i z i n gt h eh a r d w a r e b yt h el o o k o ft h ed e p e n d a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fd a t at r a n s m i s s i o n ，i th a v ei m p r o v e dal o t m o r et h a nt h e p a s ta s y n c h r o n o u sw a y a n d b y t e o r i e n t e ds y n c h r o n o u s c o m m u n i c a t i o nw a y a tp r e s e n t ，m i c r o p r o c e s s 6 r b a s e dp r o t e c t i o nh a sa l r e a d yb e e nu s e do nt h e t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，p o w e rp l a n ta n dt r a n s m i s s i o nl i n eo ft h ep o w e rs y s t e mi n al a r g ea m o u n t u s ean e wp r o t e c t i o np r i n c i p l ei sa ni m p o r t a n ta p r o a c ht oe n s u r e q u i c ka n dc o r r e c ts w i t c h i n go f ff a u l t sa n dm a i n t a i np o w e rs y s t e ms t a b i l i t y o n a c c o u n to fi n f l u e n c eo fc u r r e n tt r a n s f o r m e rs a t u r a t i o na n dd i s t r i b u t e dc a p a c i t i v e c u r r e n t so ft h ep r o t e c t e dl i n e ，g r e a tu n b a l a n c ec u r r e n tw i l lb ep r o d u c e dd u r i n g e x t e r n a lf a u l t sa n dm a k ep r o t e c t i o nt om a l o p e r a t i o n ，s os o m er e s t r a i n i n gm e a s u r e s m u s tb ea d o p t e d t h i st e x ta p p l i e sa na d a p t i v ep r i n c i p l ep u tf o r w a r dr e c e n t l yt ot h e m i c r o p r o c e s s o r b a s e d s e g r r e g a t e d d i f f e r e n t i a l p i l o tp r o t e c t i v e d e v i c e c h a r a c t e r i s t i co ft h eb r a k eo ft h i sp r i n c i p l ed e m o n s t r a t ea n o n l i n e a r l ys t r e n g t h e n w i t hi n c r e a s eo fo p p o s i t et e r m i n a l se l e c t r i cc u r r e n t ，w h i c hf u l l yg u a r a n t e e i n gt h e s e c u r i t ya tt h et i m eo fe x t e r n a lt r o u b l ea n ds e n s i t i v i t ya tt h et i m eo ft h ei n t e r n a l t r o u b l e t h i ss y s t e mu s e sal a t e s t o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e rd e v e l o p e db yn o r t h c h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y f o rt h ed e p e n d a b i l i t ya n dr e a l - t i m ec h a r a c t e ro f t h es y s t e mo p e r a t i o n ，s o m em e a s u r e sh a v eb e e nt a k e ni nt h ed a t ac o d i n gw a ya n d c h a n n e lm o d e s u c ha su s i n gt h ep r i v a t ec h a n n e l 、e l i o rc o r r e c t i n gc o d i n g 、o p t i c a l f i b e rc h a n n e l ，e t c w h i c hm a k ei t w i t hp o w e rc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t ya n d a n t i 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 ea b i l i t y , a n di m p r o v et h ep r o t e c tc a p a b i l i t yg r e a t l y t h e s y s t e ms i m p l i f i e d t h e d e s i g n o f i n t e r f a c e ，i m p r o v e de f f i c i e n c y a n d d e p e n d a b i l i t yo ft r a n s m i t t i n g ，r e d u c e dt h ec o s to ft h ec a b l ea n di n t e r c o n n e c t i o n h a r d w a r e ，w h i l er e a l i z i n gd i f f e r e n t i a lp i l o tp r o t e c t i o nf o rt r a n s m i s s i o nl i n e h d l ci sak i n do fd a t u mc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw i t hi n d e p e n d e n t l yc o d e ， g o o da d a p t i v i t y ，h i g h e f f i c i e n c y a n d h i g hd e p e n d a b i l i t y u t i l i z et h e c o m m u n i c a t i o nm o d e ，as e to fp r o t e c ta n dc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r es y s t e mh a s d e s i g n e d f o rt h e 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 c o m m u n i c a t i o n s y s t e m d e v e l o p e db yt h i st e x t ，t h es y n c h r o n o u s b i th a v ed i s p e l l e dw h e nc o n v e y i n gt h e d a t ab l o c k ，t h ee f f e c t i v ed a t ab i th a sr a i s e d ，t h ed i 壤c u l tp r o b l e m so f c l o c k so ft w o s t n t i o n so u to fs t e ph a v es o l v e db yd p l l k e y w 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 e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，h d l c ， d i f f e r e n t i a lp i l o tp r o t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，i t 文中1 1 1 1 1 1 1 1 1 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，也不包含为获得墨鲞盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：7 卵多年月心曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤叠盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 絮试 导师签名： 签字日期：。年7 - 月磁日签字日期：伽年月稻日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 输电线微机保护发展概述 电力系统的发展使得远距离、重负荷、超高压输电线将大量出现。由于系统 联系臼益密切，一处故障势必影响广大地区的供电，所以故障必须快速切除。进 入2 1 世纪，微机保护作为第三代静态继电保护装置，已成为继电保护的主要形 式，使得继电保护装置更加快速和准确。分相电流保护原理简单，不受系统振荡、 线路串补电容、平行互感、系统非全相运行、单侧电源运行方式的影响，差动保 护本身具有选相能力，保护动作速度快，最适合作为主保护。此外，因为纵联保 护主要依靠先进的通信手段来保证其高性能，故随着电力系统通信技术的进步， 长距离输电线的保护也正在逐步从高频保护过渡到微波、光纤保护。 电流差动保护的性能主要决定于它所使用的制动方式和动作判据1 1 ”，本文使 用了种新的具有优良制动特性的电流差动保护判据。同时，伴随着计算机技术 的不断提高，微机保护已经在电力系统的变电站，发电厂和线路上大量使用，自 适应原理也已经成熟，因此本文将最新提出的自适应原理应用到微机分相差动保 护装置上，并结合光通信技术，这就比以往系统更加先进，使保护的性能得到很 大提高。可靠的实时信息是系统运行的根本基础，其直接影响到系统的性能。通 信是获得实时信息的途径，通信的准确、及时对控制系统正确动作至关重要。电 力系统通信网的体系结构、应用层规约的选取和实现对整个系统的先进性起决定 性作用。电力系统实时运行和调度产生大量的实时数据，迫切要求数据交换。国 际标准化组织( i s 0 ) 把面向比特通信协议作为优选的链路控制方法，是否能普遍 应用面向比特通信规约，将体现系统先进性。本文参照i s o 提出的“开放式系统 互连模型”，将h d l c ( h i g h - l e v e ld a t al i n kc o n t r 0 1 ) 通信规程应用到微机分相电 流差动保护通讯装置上，从数据传输可靠性上和传输效率上，较以往的异步方式 及面向字节的同步通信方式有了较大提高。将h d l c 方式引入电力系统，对电 力系统的保护装置通信是积极的改进。同时，结合光通信技术，比以往系统更加 先进，使保护的性能得到很大提高 第一章绪论 1 2h d l c 通讯原理 1 2 1h d l c 通讯规程的选择及其实现 高级数据链路控制h d l c 规程，是面向位的链路控制规程。“数据链路层” 的主要任务是建立、维持和释放数据链路联接，传送数据快，并通过硬件和软件 的办法，消除数据在传输中的误码【”】。即使是受到噪声干扰或破坏的数据流，通 过通信规程，可以由接收端去识别，让对方重新发送。与基本型规程不周，其链 路的监控功能是通过一定的位组合所表示的命令和响应来实现的，这些命令和响 应可以与信息报文一起传送。h d l c 规程具有透明传输、可靠性高、传输效率高 并具有极大的灵活性等特点在终端至终端、终端至c p l i 、c p u 至c p u 、卫星 通信数据包交换及其它高速效据链路通信中也被广泛应用。传统模式中，本系统 是需要使用昂贵的电缆和互连硬件的。但由于采用该种规程来简化接口设计，从 而大幅度降低了互连硬件的成本，同时也消除了串行线路上由于几个从站同时发 送引起冲突的可能性。其帧结构如图1 1 所示： l 标志字 地址域控制域信息域校验域标志字 7 e ha c i c r c7 e h 图1 - 1h d l c 格式的帧结构 其中，标志字段用于帧定界，控制域c 规定了三种不同的控制编码格式， 分别为信息帧i ，监控帧s 以及无编号帧t i t l 4 1 。本系统使用了信息帧，预留了地 址域，将控制域并入信息域。接收端可从接收到的原始数据流中按规定格式确定 一帧传送的信息。本软件的信息域包含1 2 个字节，分别是i a i c6 个字节，对端 信息b z 9 、b z l 0 两个字节，1 个字节用于起始控制信息。另外在采样时刻修正 计算中需要的采样点序号和时间有3 个字节。 在选择通信方式时，从通信速度和可靠性上考虑，异步通信方式虽然简单， 但是每个字符都要加“起”，“止”位，在传送速的数据流中无效位占很大比例， 使传输效率变低。因此要采用同步传输，只要在传输一帧数据之前之后加上预先 规定的其实和中止序列作为标志，接收方就可从收到的数据比特流中正确区别出 有效信号。但在同步方式中，面向字符的数据链路控制规程存在着许多缺点，比 如，设备必须区分控制字符和数据字符，加重了软硬件负担，控制字符与数据混 合在一起，未对之作差错保护，可靠性降低，并缺少扩充的灵活性。 选择面向比特的数据链路控制规程h d l c ，消除了传送数据块所带的同步位 【l6 】，使有效数据位提高了，同步数据传输允许用户传递不是8 位，字符的数据， 还可以与使用同步协议的其他计算机网络通信。 2 第一章绪论 1 3 电流纵差保护原理 电流差动保护原理以克希霍夫电流定律为基础，具有绝对的选择性【l “。如果 不考虑输电线分布电容、分布电导和并联电抗器则电流差动保护原理对任何故障 都是适用的f s j 。导引线纵差保护充分利用了这一优势。在不考虑电流互感器传变 误差和饱和的影响时，可以不要任何制动，就能保证保护在任何故障情况下都能 正确工作。但是限于导引线的通信能力和通信距离，只能用于短线路。应用载波 和微波通道，本来可以仿照引导线保护传送被比较电流的时间函数( 波形) 进行 直接比较，但由于载波和微波信号在传送过程中的巨大衰耗，同时因幅度调制， 如同幅式广播一样受干扰影响大，抗绕度低，不能正确传送电流幅值，因而发展 了相位差动原理。相位差动原理有很多优点，但只利用了被比较电流的相位特征， 没有充分利用电流的全部信息。在某些特殊故障情况下判别故障能力不足。因此 在6 0 年代曾出现过对高频电流幅、相差动保护原理的研究。经过实验室实验和 现场试运行证明，这种保护原理是可行的。但由于相差高频保护和方向高频保护 已能够满足当时电力系统的需要，该保护原理未能推广应用f 6 】。 在数字通信普遍采用后，利用微波或光纤通道同时传送三个电流瞬时采样值 数字量的数字微波和数字光纤电流差动纵联保护原理已得到广泛应用，成为超高 压长距离输电线理想的保护原理。 用于低压配电网重短距离输电线的导引线纵差保护，由于线路短，分布电容 电流小，如果两端电流互感器正确选择和匹配在外部短路时，不会产生很大的不 平衡电流，因此一般不需要制动。 对用于长距离高压输电线的分相电流差动保护，则因线路分布电容电流打， 并联电抗器电流以及短路电流中非周期分量使电流互感器饱和等原因，在外部短 路可能引起的不平衡电流大，必须采用某种制动方式，才能保证保护不误动。根 据采用制动量不同，有不同的动作特性。 电流差动保护原理是一种简单、可靠和广泛使用的继电保护原理；由于它能 根据被保护元件各端的电流矢量关系正确的判别区内和区外故障，广泛地应用于 发电机、变压器、母线、大型电动机以及较短输电线路上。长期的运行考验证明 了它的优越性。 电流差动保护原理已有约9 0 年的历史，至今仍在不断的研究和发展，研究 的主要目标是解决外部故障时大电流条件下c t 饱和使保护误动和内部故障电流 小时的灵敏度问题。为了解决这个相互矛盾的问题，提出了各种带制动的动作判 据，本文运用了带制动特性的微机自适应方向分相纵差保护原理，获得了良好的 动作特性。 第一章绪论 1 4 本文所作的工作 1 4 1 开发出一套微机保护通讯系统 光电流互感器( o c t ) 是系统数据采集的理想关键设备，世界上很多国家都 在致力于开发应用。电力系统是强电系统，对电子装置的干扰甚大。光电学以及 光纤技术的出现解决了这个问题。系统使用的这套光电流互感器是由华北电力大 学最新研制成功的，根据法拉第磁光学原理制成，具有相对较高的稳定性和精度。 提高了电力系统的安全可靠性。 硬件环境中保护部分和通讯部分分别由两个c p u 来实现。保护部分c p u 具 有数据计算、故障判别等功能。通信c p u 完成1 6 位a d 采样、主从定位、数 据收发、同步校准、通道检测等功能。保护c p u 和通信c p u 之间通过双口r a m 完成并行数据交换。 通讯部分采用z i l o g 公司开发出的z 8 5 2 3 0 串行通信控制器完成，具有异常 中止序列的产生和检测，零自动插入删除，地址识别，c r c 产生校验和d p l l 时钟恢复等功能，解决了一般微控制器通讯中编程复杂，同步通讯口速率不能太 高等难题。 接收数据时，光收发模块传来h d l c 帧，由通讯器件完成对数据的检错、 同步计算后，把它变为并行数据送至通信c p u ，将正确的带有同步信息的数据 通过双口r a m 送给保护c p u 插件进行数据处理。发送数据时，通信c p u 把模 数转换器件m a x l 2 5 采样到的本端三路电流数据变为2 5 0 k b p s 同步串行数据送 至光收发模块，由光收发模块将串行数据转化为光信号，再传送到对端。 传统模式中，本系统需要使用昂贵的电缆和互连硬件。本系统由于采用了 2 m 专用光纤通道，简化了接口设计，大幅度降低了互连硬件的成本。 4 第一章绪论 1 4 2 为该系统开发出一套通讯及故障处理软件 对应于本文所开发的微机保护通讯系统，开发出一套通讯软件。 其中数据采集部分是一个多路循环检测系统，通过对h s o 进行编程，在预 定的时刻触发几个事件，使得7 路电流电压数据能够长期循环采集而不需c p u 干预，提高了所采集数据的可靠性和精度。避免了以往的程序设计中对于多次重 复采样选用的反复调用a d 采样子程序或中断，而使得c p u 的开销很大的方 法。 通信部分选择h d l c 规程来传送数据，消除了传送数据块所带的同步位， 使有效数据位提高了，同时设备不必区分控制字符和数据字符，减轻了软硬件负 担，控制字符与数据混合在一起时仍可作差错保护，可靠性提高，并拥有扩充的 灵活性。 一般的同步串行口的数据传输，需要同时提供数据和发送脉冲和接收脉冲， 如在印制电路板上直接利用同步串行口实现板际数据传输，那么这种四线连接方 式不但浪费导线，而且往往受环境的影响很难实现信号问的同步。本系统利用数 字锁相环从串行位数据流中恢复时钟信息。这样，在印制电路板上只需两根数据 线就可以收发来自板外的同步串行数据，简化了对外接口关系。同时，通过采样 时刻调整法解决了两站时钟不同步的难题。 应用带制动特性的自适应纵差保护动作判据，使得制动系数的选择没有任何 限制。故一般影响差动保护的因素引起的误差和线路分布电容等都可很容易的用 增大制动量的方法加以解决。从而获得优良的制动特性。 第二章电流纵联差动保护原理 2 1 引言 第二章电流纵联差动保护原理 目前在我国，不同原理、不同机型的微机线路保护和主设备保护异彩纷呈， 各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继 电保护装置。随着微机保护的广泛应用，保护原理显得至为重要。 伴随着计算机技术不断进步，对计算机保护研究向更高层次发展。自从 1 9 8 5 年自适应概念用于继电保护的初次尝试，针对各种保护原理以提高保护 的性能和改善其动作特性为目的自适应技术的研究掀起高潮。 经过3 0 多年的发展变化，目前微机保护已经在电力系统的变电站、发电 厂和线路上大量使用，自适应原理也已经成熟，因此本文将新近提出的自适应 原理应用到微机分相差动保护装置上，使保护性能得到很大提高【1 2 1 。 2 1 1 微机保护装置的特点 【l 】维护调试方便 与过去大量使用的整流型继电保护装置比较，微机保护装置几乎可以不用 调试，微机保护对硬件和软件都有白检功能，装置上电时，有故障就会立即报 警，可以大大地减轻运行维护的工作量。 【2 1 可靠性高 各种保护方法中，考虑到了电力系统中的各种情况，具有很强的综合分析 和判断能力。微机系统运行时，可以不断进行自检，因此，可以立即检查出微 机保护内部的大多数随机故障，而采取适当的纠错措施。 【3 】易于获得各种附加功能 ， 由于计算机的通用性，因而在继电保护硬件的基础上，可以很方便的通过 增加软件的方法获得保护之外的功能。例如，保护的动作顺序记录，故障谐波 分析，故障测距，低频减载等。 4 】保护性能易于改善 对于相同的硬件，可以通过算法的不同，实现不同的保护。这样，也就可 6 第二章电流纵联差动保护原理 以通过改善算法来不断完善保护性能，而不需要改动硬件。通过软件算法的已殳 善，可以较好地解决原有模拟继电保护装置无法解决的一些问题。 f 5 】便于远方监控 目前的微机保护装置均设有通信接1 ：3 ，这样可以方便地将各地保护装置纳 入变电站综合自动化系统，可以实现远方修改定值与投切保护装置a 【6 】经济性好 微处理器和集成电路芯片的性能不断提高而价格一直在下降，而电磁型继 电器的价格在同一时期内却不断上升。而且，微机保护装置是一个可编程序的 装置，它可基于通用硬件实现多种保护功能，使硬件种类大大减少。这样，在 经济方面也优于传统保护 2 】2 微机保护装置硬件系统构成 1 人机对话回路1 d 数粥翳元 ( 监控板) f 1 r l 开关量输入输 # 刊数据采集单元 i出回路 i( 开关量板) = 刊通信接口 图2 - 1 微机保护装置硬件系统框图 如图2 - 1 所示，微机保护装置硬件系统包括： ( 1 ) 数据采集单元：包括电压形成和模数转换等模块，完成将模拟输入 量准确地转换为数字量的功能。本系统将其与通信接口一起设计在通信板上。 ( 2 ) 数据处理单元；包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器r a m 、 定时器以及并行口等。微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对由数 据采集系统输入至r a m 中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能。 ( 3 ) 开关量输入输出接口：由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器 组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部节点的开关量输入和人机 对话等功能。 ( 4 ) 通信接口：包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网 ( 5 ) 电源：供给m c u 、数字电路、模数转换芯片及继电器所需的电源。 为了保证高压输电系统运行的稳定性，在大多数情况下，要求保护能无延 7 在。 计上设板 起信 一通 、，、fj 第二章电流纵联差动保护原理 时的切除被保护线路任何一点的故障。但由于电流电压保护，方向电流保护， 和距离保护原理应用于输电线路时，由于各种局限性，要保证故障切除后电力 系统的稳定运行只能采用纵联保护原理保护输电线路。在数字通信普遍采用 后，光通信技术更是得天独厚。利用微波或光纤通道同时传送3 个电流瞬时采 样值数字量的数字光纤电流差动纵联保护原理已成为超高压长距离输电线理 想的保护原理。 数字电流差动保护系统的构成如图2 2 所示，在一条线路的两端，分别接 有电流互感器，经过极端得出差动电流来进行保护的判别。这就要求，在每一 端的继电保护装置都需要知道对侧的相关信息，般来说，判断差动电流仅需 要知道对侧当前采样值就可以了，但为了准确的判断，系统传递的信号中还含 有采样值、状态信息及命令字。 图中，m 和n 侧保护装置上都有同步通讯的功能插件和光电转换器件， 在装置上就实现了通讯和光电转换功能。其中差动保护装置安装在在保护室 中，而光端机位于通信室，两室相距几十米，虽然用电通信也可以，但为了系 统的可靠运行也使用光纤连接。 2 1 3 光纤纵差保护 图2 - 2 数字电流差动保护系统 随着我国电力事业的发展，光纤通信在电力系统中有着广阔的发展前景。 从2 0 世纪9 0 年代起，光纤通信逐步成为当今占绝对统治地位的传输技术。进 入1 9 9 3 年以后，大量新技术，特别是网络技术、高速介质接入网、光时分复 用接入和波分复用接入、光纤放大器、s d h 产品等开始实用化并开展了大量 深入的研究工作。光纤通信以其大容量、长距离、低成本等优势独领风骚，而 8 第二章电流纵联差动保护原理 且该优势仍在不断加强。 电流差动保护的关键是两侧保护的电流数据的交换。正常运行中装置采集 本侧电流，并将电流通过光纤传送到对侧。同时接收对侧电流，两侧电流经过 计算后判断保护装置是否动作。本系统的数据传送采用高速数据波特率，保护 装置和通讯接口的连线方式是光纤连接。 光纤纵差保护是一种新型的线路主保护，与传统的高频保护相比，它有以 下的特点： ( 1 ) 采用光纤作为信号量传输通道，不再利用传统的载波离频通道传送闭 锁信号。省略了线路两侧的高频收发信机、阻波器、耦合电容器、结合滤波器 和高频电缆。减少了通道的薄弱环节和主保护的故障几率。 ( 2 ) 系统光纤保护的主保护定值整定非常简单，运行维护方便。由于不用 传统的载波高频通道，运行人员无须每天定时进行通道检查，自动检测光纤通 道，减少了运行工作量和人为检查不到的异常。 ( 3 ) 光纤价格昂贵，但省掉了全部的高频加工设备，包括高额收发信机、 阻彼器、合电容器、结合滤波器、和高频电缆，对短线路来说，光纤电缆的长 度短，总的造不会增加。因此，相对来说，光纤通讯系统有较好的性价比。 因此，光纤保护作为一种新型保护，应用在电力系统通讯领域中，不失为 一种好的选择。 2 2 分相电流纵差保护原理 超高压和特高压输电线在国家电力系统中占有举足轻重的地位。使用新的 保护原理，使线路故障能够快速、准确地切除。是保证电网安全稳定运行的关 键。由于电流互感器饱和以及线路分布电容电流等因素的影响，使得在外部短 路时产生很大的不平衡电流，可能造成电流差动保护装置误动作，因此必须采 取制动措施。目前多种制动原理都不能既保证在外部短路时有很强的制动作 用，而内部短路时又能保证很高的灵敏度。为此，有些保护采用了复杂的折线 式制动特性，这将使保护复杂化且整定困难。 分相电流纵差保护是最理想和最有发展前景的输电线快速机电保护原理， 本系统参照一个与自适应原理相结合的带制动的电流差动保护原理，并将该原 理应用到保护中。此原理的制动特性随对端电流的增大呈非线性增强，内部故 9 第二章电流纵联差动保护原理 障时制动量转化为动作量，充分保证了外部故障时的安全性和内部故障时的灵 敏性，可解决上述难题。 2 2 1 保护的动作特性 2 2 1 1 保护动作方程和判据 图2 3 所示为一典型系统接线。 m 图2 - 3 被保护输电线路 本文参照的自适应方向纵差保护的动作方程和动作判据如下。 对予m 端的保护，动作方程为：f = i 。i n , s i n ( o )( 2 1 ) 动作判据为：f f d ： ( 2 2 ) 式中，i f u _ jk i 。+ j k ”j 。；f 为动作量；f d ：为动作定值；0 为i f u 和i 。之间的相 角差，以i f u 超前i 。为正；i 。为m 端( 本端) 二次电流：i 。为n 端( 对端) - - 次电 流；k ”、k7 为比例系数，是可以整定的正整数( k ” k ) 。 2 2 1 2 保护的动作特性 与所有的差动保护一样，在线路外部短路时，保护的动作情况与系统运行 状态基本无关，但在线路内部短路时，两侧电势可能有很大的相位差，且短路 点至两侧的阻抗的幅值和相角可能相差很大，还有电容电流的影响等，可能使 两侧系统供给的短路电流的幅值不等，而且可能有很大的相角由。由上述动作 方程( 式( 2 - 1 ) ) 可推导出保护动作量与两侧系统供给的短路电流幅值和相角的 关系如下。 对于1 1 1 端的保护( n 端动作特性的推导与此相似) 按照式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) ，以矢 量i 。为参考矢量，即令i 。= i 。 o 。，当i 。超前于l 。的相角母为正时( 当相角巾为 负时分析结论相同) ，则i 。= i 。e l + ，式( 2 2 ) 可写成：l f = j ( k i 。+ j k i 。c l + ) ； 从图2 - 4 可知： 靠= ( k l ) 2 + ( k “) 2 + 2 k k ”1 , 1 , c o s e “9 0 ” f 2 3 1 1 0 卜 第二章电流纵联差动保护原理 从图2 4 可知，4 , = 9 0 。+ o ，代入动作方程( 式( 2 1 ) ) 并化简，得： f = 1 i s i n ( 9 0 0 + = l 。i c , o s a = i m ( k j i 。+ k l 。c o s 妒) 动作判据为：l ( k + k ”! n c o s ) 吒 j k ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 图2 4 内部故障两侧电流相位角差为r 时的矢量图( 一超前于一) 式( 2 6 ) l i p 为本方向纵差保护的动作判据，可见该动作判据与两侧电流间 的相角中的大小有关。在单端电源线路内部短路时，无电源端故障相无电流， i 。= 0 ，f = k i 。2 f d ：。选择适当定值f d ：保护能可靠动作跳开本端保护，同时发 远方跳闸令，去跳开另一端，或专设弱电源的保护去跳开无电源的一端。 在图1 中d l 点外部短路时，t m 和i 。两电流大小基本相等( 见图2 5 ( a ) ) ，相位 差1 8 0 。( 暂时忽略电流互感器的误差和分布电容电流) ，因k k 故i f u 落后i 。 为9 0 。，0 为负，从式( 2 1 ) 皋i f 0 ，因而保护处于被制动状态。k ”比k 大得越 多，制动量越大，越能保”证外部故障时不误动。在上面分析中，如将下标符 号m 和n 对调，即可得到n 端保护动作情况。可知n 端保护也处于被可靠制动状 态。 j k j l - 1 o 7 1 i , ，r j x l l n ( a ) d l 点外部故障的矢量图( b ) d 2 点内部故障的矢量图 图2 5 线路短路时的矢量图 第二章电流纵联差动保护原理 在图1 中d 2 点内部短路时，对端( n 端) 电流改变方向( 见图2 5 ( b ) ) 。此时i m ， j k i m 相位不变，但i n ，j k i m 转过1 8 0 。1 h 是由j 。和j k i 。相加产生的，因所 得矢量幅值很大，且其相位超前j 为9 0 。，o 为正，故产生很大的动作量f ， 使保护动作很灵敏p 越大，则保护动作的灵敏度越高。将下标符号m 和n 对 调，即可知n 端保护也同样可灵敏地动作跳闸。 k ”k 为制动系数，增大k ”k 可以加强外部故障时保护的制动量和内 部故障时保护的动作量。 根据上述动作判据式( 式( 2 6 ) ) ，可以得出保护的特性曲线，如图2 6 所示。 1 8 心“。 心 i 。a 。 尘掣 q 2 1 8 u 厦。 巾= 1 5 0 度i i - = 1 2 0 凰 。心 i “ 由母 飞专； 、 一i 阱部短路 o p j 部短路i _一i 矽 部短路0 内部短路i h 图2 6m 侧保护装置在故障情况下的动作特性 ( a ) 两侧电流同相和反相时的动作特性 ( b ) 两侧电流在各种相角下的动作特性 2 2 1 3 电流差动保护两种制动特性的分析比较1 9 j 利用相位特性分析法和幅值特性分析法对复合式动作判据和自适应方向 纵差保护动作判据在两侧电流不同取值及内部故障和外部故障等不同情况下 分别进行详细的分析、比较后，可知自适应方向纵差保护动作判据优于复合式 动作判据自适应方向纵差保护动作判据外部故障时的制动性和内部故障时的 灵敏性都优于复合式动作判据 第二章电流纵联差动保护原理 2 2 2 自适应的实现【l o 】 在内部短路时，一般情况下由 9 0 口，但由于两侧电势相角差以及线路阻抗 角和系统阻抗角和c t 误差等原因，考虑到最严重的情况下有由1 2 0 ，而外 部故障时时只是c t 误差引起的相位差和分布电容电流的影响，相位差一般不 会超过6 0 。( 即闭锁角取为6 0 ) ，故当9 0 。 巾1 2 0 。时不可能是外部故障。本 保护装置引入自适应原理，当巾角在这一范围是采用上述动作方程，以保证保 护能够灵敏正确的动作。自适应原理的应用使保护的特性得到大大加强，制动 系数的选取不受任何限制，可以选得很大。用微机实现这种自适应非常容易。 首先计算出由角，然后根据由角的范围，选取不同的动作方程，即， 当0 。咖9 0 。时，和1 2 0 。 由1 8 0 。时，采用方程： f = i m ( k i m + k ”i n c o s 由)( 2 7 ) 当9 0 。 由1 2 0 。时，采用方程f = i m ( k i 。_ k “i 。c o s 币)( 2 8 ) 应用微机技术实现自适应，使本保护装置可根据两侧电流间角度的变化范 围，选择不同的动作方程，解决了内部短路而两侧电流间相差角过大时使保护 受制动的难题。提高制动量，不影响内部故障时保护的灵敏度，相反的可增加 保护的灵敏度。 2 3 小结 本文参照的自适应分相方向纵差保护具有优良的制动特性。应用微机技术 实现自适应，使本保护装置可根据两侧电流闯角度的变化范围，选择不同的动 作方程，解决了内部短路而两侧电流间相角差过大时使保护受制动的难题。与 其他原理相比的最大优点是：制动系数( 大于1 ) 可以选择得很大，没有任何限 制。同时，提高制动量，并不影响内部故障时保护的灵敏度，相反，可增加保 护的灵敏性。由于制动系数的选取没有限制，故一般影响差动保护的因素如电 流互感器饱和引起的误差和线路分布电容等很容易用增大制动量的方法加以 解决。 此保护属于分相差动原理，具有选相功能，将“自适应方向纵差保护”原 理应用于本文开发的输电线微机纵差保护上极大地提高了保护的可靠性，保证 了电网的安全稳定运行，并显示出良好的应用前景和很大的经济效益 1 3 第三章微机保护通讯系统 3 1 引言 第三章微机保护通讯系统 微机保护装置是以中央处理器c p u 为核心，根据数据采集系统采集到 的电力系统的实时状态数据，按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以 及故障性质、范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种安全装 置【7 1 。针对微机保护硬件的功能和可靠性及光纤通信理论的研究和继电保护 自适应和智能化的最薪发展，研制出一套以光纤为通信媒介的微机保护系 统。该系统使用了一种新的具有优良制动特性的电流差动保护判据，并首次 使用华北电力大学最新开发研制出的光电流互感器，实现了输电线路的纵联 差动保护。由于整个微机装置对通道的及时、准确和实时性要求都很高，而 通信的质量就是整个系统可靠动作的重要保证。通讯系统选择了与h d l c 规 程之相适应的串行通信控制器，使h d l c 可通过硬件的初始化编程方便地实 现，从数据传输可靠性上和传输效率上，较以往的异步方式及面向字节的同 步通信方式有了较大提高。 微机保护的生命力在于它的可靠性。本系统微机保护的硬件可以保证微 机保护在外部出现各种电磁辐射、雷电冲击、静电干扰等不良环境下仍能正 确工作，具有极强的抗干扰能力。 3 2 系统构成 3 2 1 通信系统综述 在使用h d l c 规程的数字电流差动保护高速数字通信系统中，我们建立 了如图3 一l 所示的硬件环境。又如图2 - 2 ，在一条线路的两端分别接有电流 互感器，两端都要算出差动电流来进行保护的判别。这就要求每一端的继电 保护装置都需要知道对侧的电流和相关信息。般来说，判断差动电流仅需 要知道对侧当前采样值就可以了，但为了准确而可靠的判断，传递的信号中 1 4 第三章微机保护通讯系统 除含有采样值或向量外还应有状态信息以及控制命令等。其中保护部分和通 讯部分分别由两个c p u 来实现。保护部分c p u 采用8 0 c 1 9 6 k b 单片机完成， 具有数据计算、故障判别等功能通信c p u 使用8 7 c 1 9 6 k c 单片机，完成 1 6 位a d 采样、主从定位、数据收发、同步校准、通道检测等功能保护 c p u 和通信c p u 之间通过双口r a m 实现并行数据共享，如图3 1 ，通信 c p u 通过写双口r a m 的信箱# 7 f f e 触发保护c p u 的中断 圈3 - i 保护c p u 和通信c p u 之间的连接 如图3 2 ，通讯部分接收数据时，光收发模块传来h d l c 帧，由通讯器 件完成对数据的检错、同步计算后，把它变为并行数据送至通信c p u ，将正 确的带有同步信息的数据通过双口r a m 送给保护c p u 插件迸行数据处理 发送数据时，通信c p u 把模数转换器件采样到的本端三路电流数据变为 2 5 0 k b p s 同步串行数据送至光收发模块，由光收发模块将串行数据转化为光 信号，通过2 m 专用光纤通道传送到对端。 嬲旧；巍 i i 砷3 d e m r a m 6 2 2 5 6 圈3 - 2 微机俣栌捅讯由潞 篙翟一 嚣 蝴坜二燃协篱 叮埘 时双 h嚣誊璺 3 3c p u 部分 3 3 1 综述 当前，使用单片机的微机保护是我国微机保护的主流产品单片机通过 大规模集成电路将微处理器( m c u ) 、存储器、定时器、计数器和各种输入 输出接e l 封装在一块芯片中。单片机是微机保护系统的c p u ，承担着自动工 作指挥中枢的任务，它通过计算程序来实现微机保护的原理，而程序的运行 又依赖于c p u 来实现。因此，c p u 的性能好坏在很大程度上决定了计算机 系统性能的优劣。本微机保护系统是以8 7 c 1 9 6 k c 单片机为核心的微机保护 装置，装置直接针对电力系统纵差