（电力系统及其自动化专业论文）数字式继电保护平台设计.pdf

摘要 a b s t r a c t d i g i t a lr e l a y p r o t e c t i o nd e v i c e sh a v eb e e ni ng r e a td e m a n di nt h ep o p u l a rt r e n do f d i g i t i z a t i o n o f r e l a y p r o t e c t i o nd e v i c e si ne l e c t r i c s u b s t a t i o n so fc h i n ad u r i n gt h el a s tt w e n t yy e a r sg e n e r a lp l a t f o r m sa r e p a r t i c u l a r l yu s e f u lt oi m p r o v et h ed e v e l o p m e n to fr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e sr e g a r d i n gt h e s ea s p e c t s ：s p e e d ， c o s t ，q u a l i t y ， u s ea n dm a i n t e n a n c e b a s e do nt h er e q u e s t so fm a t u r er e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e s ，w ed i s c u s sr e q u i r e m e n t s ，a r c h i t e c t u r e s ， h a r d w a r e sa n ds o f i w a r e so f d i g i t a lr e l a yp r o t e c t i o np l a t f o r m s f i r s t ，w ea b s t r a c tg e n e r a lr e q u i r e m e n t so fd e v e l o p m e n tp l a t f o r m sa n dt h e i ri n f l u e n c e so nd e s i g n s s e c o n d ，w ei n t r o d u c ead e s i g no ff l e x i b l ea r c h i t e c t u r ec o n s i s t i n go fa n a l o gi n p u t s ，i oe x p a n d i n g i n t e r f a c ea n di 0c o n t r o lb u s ，w i t ha d j u s t a b l en u m b e ro fa n a l o gi n p u tc h a n n e l sa n di n p u t o u t p u tc h a n n e l st o m e e tw i t hal a r g er a n g eo f n e e d s w et h e ne n u m e r a t eh a r d w a r ed e s i g n so f u n i v e r s a lm o d u l e sa n dm e a n st oc o m p o s et h e s ed e v i c e s i nt h ee n d ，w ei n t r o d u c eg e n e r a ld e s i g n ，c o m p o n e n t sd e c o m p o s i t i o na n dt h e i ri n t e r f a c e so fc o n t r o l s 0 1 w a r e s s e v e r a lr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e do nt h i sp l a t f o r m w ee x p e c t m o r ee m p i r i c a lr e s u l t sa n df u t u r ed e v e l o p i n g k e y w o r d s le l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，d i g i t a l ，r e l a yp r o t e c t i o n ，d i r e c tp a r e m ，p l a t f o r m ，f oc o n t r o lb u s 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。 关于学位论文使用授权的说明 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( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：z 童竺导师签名：日期：狸! ：垦! 厶 绪论 继电保护从实现方式上来看，可分为电磁型、晶体管、集成电路和数字式。数字式继电保护是指 先将各种输入量转换成数字量，然后利i 1 ；| c p u 对数字量进行数学和逻辑运算以完成故障判断的继电 保护装置。而其他几种形式的保护均是直接处理模拟鼙，我们统称为传统继电保护。 数字式继l h 保护发展初期，一般称为计算机继电保护或微机继电保护。现在为了区别于仅嵌入 了电脑芯片，保护功能仍依赖于直接处理模拟信号的继电保护装置，使川数字式继电保护这个更为 准确的称谓。在参考文献中的计算机继电保护、微机继屯保护和微型机继电保护都是指数字式继电 保护。 经过二十余年的发展，数字式继电保护在继电保护的四个主要特性( 可靠性、快速性、灵敏性、 选择性) 上均超越了传统保护。而且数字式器件调试简单所带来的易维护性、c p u 提供的强大的信 息处理能力和友善的人机界面等更是传统保护不可比拟的。因此，数字式继电保护在我国迅速取代 了传统保护，成为主流设备。现在，我国的电力系统中，无论是线路保护还是元件保护，基本所有 的新建变电站都选用数字式继电保护，并且已建变电站也在大范围的换装数字式继电保护。 我国的数字式继电保护是在二十世纪八十年代i 彳期开始实用化，九十年代得到迅速发展，各制 造商不断推出新产品。现在各种保护在实现技术上已比较成熟，但是，由于以前可用于继电保护装 置的计算机技术的限制，软硬件资源都很有限，必须最大效率地使用软硬件才能满足保护地要求。 当非常强调软硬件的效率时，不可避免地造成功能专一化，难以实现软硬件资源的共享以及保护原 理的继承。而且保护装置的开发人员直接编制底层软件，这就需要同时具备电力系统和计算机领域 的专门知识，对人力资源的要求很高；开发每个新产品大都需要开发专用的硬件和系统软件，开发 周期长、成本高；由于软硬件的专一化，不同保护装置的硬件生产和运行维护方法差异很大，不利 于生产调试的规模化和产业化，也不利于减少现场的运行维护的复杂度。 九十年代后期，许多制造商在开发新产品时已注意到系列化的理念，在多种产品中尽量使用相 同的硬件和系统软件。但是，始终没有摆脱平台开发和产品开发不分的局面，大多是在某一种产品 开发成功后，把该产品的部分可通用的技术应用到其他产品上。由丁没有从组织机构上把平台开发 从产品开发中独立出来，设计很难摆脱某一产品的局限，使可通用的技术较少，而且在应用到其他 产品时经常需要有所改动。但这已经向平台和产品分离的开发模式跨进了很大一步。 也是在这一时期，变电站的二次部分开始要求以整个变电站1 3 动化系统的方式供货。由于变电站 自动化系统包括了变电站中所有的继电保护设备，能同时提供变电站中所有继电保护的制造商具有 市场竞争中的优势。而且，因为变电站中各种继屯保护装置由同一部门维护和使用，如果所有继电 保护装置的模件可以互换，维护和操作方法基本一致，则更能得到用户的青睐。如果仍沿用传统的 各种继电保护独立开发的方式，即使能开发所有保护装置，但不同保护装置间的著异将带来维护使 _ l | _ | 上的不便和较人的备品备件需求。由此可见，市场也要求新的开发模式。 近代科技知识的1 i 线性增k ，特别是计算机技术的发展，加速了科技创新述度， 形成了科技知 识的极剧膨胀。随着科学技术的发展，原有成熟的技术不断被打包，实现_ r 知识的集成。住电子技 东南大学硕士论文一数字式继屯 | 5 护j f 台设计 术领域中，最典型的知识集成就是电路技术知识的i c 集成。从6 0 年代开始的电路集成、功能集成、 技术集成走上了以a s i c 为代表，集软、硬件技术的综合知识集成。知识集成后形成了独立的知识 包。知识包的设计者们在设计知识包时，遵循傻瓜化原则，即保证使削者使1 日j 这个知识包时，不需 要了解知识包的知识原理。在许多计算机辅助殴计的知识包软件中，我们还可以十分明显地感觉到 知识包是如何替代人们的智力劳动的。例如，用于结构强度计算的有限元计算软什包，只要普通技 术人员输入机械结构的些边界参数，计算机就会给出过去需要强度计算专家计算的强度计算结果。 闳此，现代科技知识的知识集成，形成了形形色色的知识包，不断为知识应用提供了一个傻瓜化界 面，而且，在计算机技术辅助下，实现了人类智力劳动的替代。 转化成晟终生产力是知识创新的目的。从知识创新到知识应用有两种模式， 即直接模式与平台 模式。直接模式基于知用一体化，对n 个应用中的每个特定应用都要从了解知识原理出发，到具体 对象环境的应用处理。平台模式基于知用分离，具有知识包的傻瓜应用界面以及智力劳动的替代功 能等特点，在每个特定应用中，都不必了解知识原理，只要学会知识包的操作方法即可。 数字式继电保护的硬件和支撑软件技术经过多年的发展，现在己比较成熟，完全可以封装在一个 知识包中。如果设计一个包含数字式继电保护通用模件硬件、系统支持软件和二次开发工具软件包 的平台，继电保护专家可不需了解其中的细节便可以开发继电保护装置。这就是继电保护开发的平 台模式。 知用分离是近代科技文明的重大标志【”，而现代工业社会的特征之一也是分工越来越细。纵观量 行各业，尽管产品越来越个性化，但也越来越强调技术的通用化。对于继电保护装置开发这个特例， 平台开发是计算机技术应用于继电保护领域的知识创新过程，而继电保护装置的开发则是平台应用 的创新过程。数字式继电保护开发实现知用分离的平台模式，可带来以下优越性： a )平台开发人员不需了解继电保护知识的细节，装置开发人员不需了解计算机技术的细节，使 他们更能专注于自己的专业领域。 b )在平台开发完毕后可迅速开发变电站中所有种类的继电保护装置。在同时开发多种继电保护 产品时可缩短开发周期、提高开发质量，减少开发成本。 c )在平台升级时，产品的原理、配置、算法等应用知识由于独立于平台可以得到继承。 d )继电保护装置生产的特征是小批量、多品种。用同一平台开发多种继电保护装置，都有种类 有限的通用模件组成，才能实现规模化的模件生产和小批量、多品种装置生产的统一口j 。 e )由于同一平台上开发的各种继电保护装置调试、维护、操作方式基本相同，当变电站使剧同 一平台上开发的继电保护袈置时，运行和维护的复杂度将大为简化。同时，因各种继电保护 装置使用相同的模件，也减少了备品备件的总需求。 由此可见，数字式继屯保护的开发应走平台模式的方向。采用平台模式的第一步是开发数字式继 电保护平台。本文根据变电站中各种继电保护装置的要求，提出了一个数字式继电保护平台方案。 一个良好的平台廊有最人的通州性、最人的内涵密度、最傻瓜化的应川界面。但是这儿点往往 与经济性是相矛盾的。经济性包括平台开发和生产的经济性两个方面。强调平台的通_ l l j 性、内涵密 度平应 j 界面，一方面减少产品开发的成本，但，j 一方面将增加平台开发成本。而且，增加通州性 虽然可以通过增人生产规模米降低成本，但同时可能冈需实现的功能过多而导致成本上升。所以我 认为应充分考虑技术经济性，根据实际需求来确定平台的通用性、内涵密度币i 易用性。 由于1 1 0 k v 及以上电压等级的继电保护装置和1 1 0 k v 以下的技术要求相差太大，在达到高压保 护技术要求的同时很难满足低压保护经济性的要求。本文的平台方案仅用于1 1 0 k v 及以上电压等级 的继电保护装置，包括线路保护、变压器保护、母线保护和电抗器保护，也可删与测控、故障录波 器等自动装置。 为达到最火的内涵密度，本文的平台方案包含继电保护装置中除了装置输入输出通道配置、保护 算法和保护逻辑以外的所有软硬件，井提供配置装置的输入输出通道和编制保护算法和保护逻辑框 图的软件工具。 由于本方案所设计的平台仅供国电南京自动化股份有限公司内部的继电保护装置开发使用，使用 者数量有限且都是专业人员，所以不在易用性上作过高要求以降低平台的开发成本。 本文将首先从需求入手，在第一章讨论平台的设计要求。作为数字式继电保护装置的开发平台， 必须满足数字式继电保护装置的相关规程和标准 8 1 2 】。同时，平台必须保证足够的先进性，作为基 于平台开发的继屯保护装置的先进性的基础。我国已加入w t o ，我们将直接面对进口产品的竞争。 因此瞄准国际领先水平确定平台的技术要求，再加上我公司的继电保护原理研究已达到国际先进水 平，相信最终开发出的继电保护装置能从容应对国内外产品的竞争。按照这些需求，第一章分别从 c p u 资源、数据采集系统、开关量输入输出、可靠性、电磁兼容性能、二次开发软件包和模件测试 等方面提出了具体的技术要求。 第二章介绍平台的总体构架。作为平台，既要考虑通用性又要考虑经济性，必须采用可灵活配置 的构架。平台方案使用了用光纤以太网扩展一层机箱和主控制模件通过串行通信总线与输入输出模 件交换信息两项技术实现了硬件配置的灵活性。平台在用_ 】二母线保护时有足够的输入输出通道，而 用于线路保护和电抗器保护时又不失经济性。为适应1 1 0 k v 以上保护高性能高可靠性的要求，并便 于维护，设主控制模件执行保护功能，另设监控及通信模件执行人机交互、后台通信等功能。由于 主控制模件采用了高性能的c p u 系统，只设一块主控制模什完成全部保护功能。在强调高可靠性的 场合，可增设一块冗余的主控制模件，仅作为提高可靠性用，不完成新的功能。 第三章根据第一章提山的要求，依照第二章介绍的系统构架，分别提出了各模块硬件的详细设计 方案。尤其详细地介绍了平台的核心主控制模件的设计方案。主控制模件采用了3 2 位c p u 加 3 2 位d s p 结构，c p u 定点处理能力达2 8 0 m i p s ，浮点处理能力达i o o m f l o p s ，d s p 浮点处理能力 达1 5 0m f l o p s ，3 2 m 2 5 6 m 字节的随机存储器，1 6 m 5 1 2 m 字节的掉电保持存储器。主控制模什 的处理速度和存储容量比现有水平提高了一到两个数量级。主控模件集成了4 0 通道的1 6 位数据采 集系统，可通过光纤以太网扩展到8 0 通道。主控模件通过输入输出控制总线和光纤以太网扩展，最 高可拥有2 0 0 个开关量输入输出通道。监控及通信模件以双以太网通信接口、人屏幕彩色显示年触 摸屏输入，强调信息化、人- 陛化。而额定电压可达2 2 0 v 的开关量输入也解决了国产数字式继电保护 装置多年未解挑的难题。 第四章提出了主控制模什的软仆详细改计方系。主控制模f 1 1 的软什采川了具有多任务并发机制的 东南大学硕士论文一数字式继电保护平台设计 v x w o r k s 实时操作系统i ”，同时处理数据采集、保护计算和逻辑判断、i o 模件通信、监控及通信模 件通信等任务。主控制模件的软件提供保护算法和逻辑的执行引擎，具体算法和逻辑图在装置开发 阶段利用平台提供的工具软件编制。由于本文篇幅有限，将不介绍监控及通信模件和输入输出模件 的软件方案。 第五章介绍平台方案的具体实施过程。本文所提山的设计方案在国电南京自动化股份有限公司从 2 0 0 2 年开始实施。平台的硬件现己基本完成，试验用样机已通过多项试验，技术指标令人满意。软 件开发也完成大部分。现在，已有多种继电保护装置的开发工作在平台上展开。本文根据平台开发 工作中的问题和评审时提出的建议已作了多次修改，相信在今后的开发和使用中还将不断修正。 本文提山的设计方案，许多设计尚未得到实践的检验，且本人水平有限，难免有许多疏漏之处， 恳求各位读者批评指止。 4 第一章数宁，继电保护。f 台的投术要求 第一章数字式继电保护平台的技术要求 数字式继电保护平台( 以下简称平台) 应能满足应用范围内所有保护装置的开发要求，并充分考 虑技术经济性。由于1 1 0 k v 及以上的继电保护装置币j1 1 0 k v 以下继电保护装置的技术要求相差较_ 人， 本平台仅考虑以f 应用范围： 1 1 0 k v 及以上线路保护装置 1 1 0 k v 及以上变压器保护装置 11 0 k v 及以上母线保护装置 1 1 0 k v 及以上电抗器保护装置 基于平台开发的继电保护装置必须满足文献【8 1 2 的要求，并且具有足够的先进性才能在激 烈的市场竞争中取胜。为此，平台应达到1 ，1 1 1 2 所述的要求。 1 1 充裕的c p u 资源 高电压等级的继电保护装置由于考虑的因素很多，逻辑非常复杂；涉及到系统稳定问题，动作速 度必须很快。除主保护外，还需要众多的后备保护。故障过程谐波分量较大、非周期分量持续时间 长，对滤波算法的要求较高。母线差动保护需处理的模拟量和开关量输入的通道数非常多。这些都 要求c p u 具有1 0 0 m i p s 以上的计算速度和3 2 位以上的字宽。 为便于故障分析，要求保护装置本身的录波时间更长、采样速率更高，能记录下保护装置启动到 复归整个时间范围内所有的输入输出、定值和中间计算结果，这要求保护装置具有数十兆字节的随 机存储器和非易失存储器。 1 2 高分辨率、高采样速率的模数转换系统 继电保护装置通过计算分析电力设备的状态来判断是否有故障、故障的性质和故障的位置。电力 设备的状态包括数字量( 开关量) 和模拟量( 电流、电压等) 。数字式继电保护先将模拟量转换为数 字量供c p u 处理，囡此高性能模数转换系统是数字式继电保护装置的基础。 尽管一般继电保护系统要求误差小于5 ，但电力设备在故障时电流电压的变化范围很大，如 果要保证较大的动态范围和必要的精度，模数转换系统的分辨率必须很高。随着电力系统短路容量 的不断提高，故障电流越来越大，这也提高了对模数转换分辨率的要求。 高乐继电保护一般要求测量范围达到2 0 倍额定电流，考虑非周期分量，钡4 量范围需达到4 0 倍额 定电流。如果要求o 0 5 倍额定电流时误差仍能小于5 ，模数转换的信噪比需大于8 4 d b ，这是1 4 b i t 模式转换器的理想精度。由丁许多算法需直接使用采样数据而不是傅氏积分后的数据，又冈电流电 压都是双极性信号，转换结果中有一位是符号位，这要求1 5 b i t 以上的分辨率。同时，由于转换误差 的存在，模数转换器永远不可能达到理想信噪比，所以选用分辨率1 6 b i t 、信噪比9 0 d b 以上的模数 转换器是必要的。 为了减少故障对电力i 殳备的损坏和提供电力系统的稳定性，继电保护的动作速度是至关重要的。 只有足够高的采样率才能在故障历很短的时间内( 数毫秒) 得到足够的故障信息供计算剥分析。许 东南火学硕：l j 论文一数。# 式继屯保护平台设计 多新的保护原理需要用到高次谐波，也要求较高的采样率。现有数字式继电保护的采样率通常在每 周波1 2 2 4 点，本平台考虑最大采样率达到每周波9 6 点，可满足绝大多数需求，并留有应用于故 障录波器的可能性。 各采样通道间的同步性也是一个重要指标。相间距离保护和著动保护对同步性的要求很高。例如 相间距离保护，在出1 3 相间不接地故障时，线电压降到很低，相电压的幅值仍有额定电压的5 0 ， 如果利川相电压计算线电压，当两相电压采样同步性较差时，计算出米的线电压相对误差会较大， 甚至会导致极性错误。差动保护在通过电流较大时，如果各电流通道采样同步性较差，计算出的差 电流也会引起误起动。如果要做到完全同步采样，一种方法是在多路开关前使用采样保持器，另一 种方法是每通道使用一个模数转换器，但两种方法成本和功耗都很高，在通道较多时不实用。还有 就是使用同步采样的多通道模数转换器，但现在这类芯片的信噪比最多达到8 0 d b ，不能满足精度要 求。在技术和经济上折中的方案是多路转换开关+ 高速模数转换器，虽然采样仍有一定的不同步， 但已能满足继电保护的要求。 1 3 足够的模拟量输入通道 作为通用平台，模拟量输入通道必须满足各种继电保护装置对模拟量输入通道的要求。 母线保护的模拟量输入通道数最多，2 4 单元( 包括母联) 的母线保护需7 8 个通道。6 侧差动的 变压器需3 7 个通道，线路保护则不超过1 4 个通道。 作为通用平台，必须满足最大需求，即达到7 8 个通道以上。但同时又要兼顾需求较小的装置的 成本因素，模拟量采集通道的数目应该有一定弹性。 1 4 硬件冗余 高压继电保护为了满足可靠性和检修的要求，越来越多地采样双重化配置。在2 2 0 k v 及以上电压 等级，线路保护已全面采用双重化配置，今后变压器保护、发变组保护和母线保护也会双重化。在 双重化配置时，任一套保护山口都会导致断路器跳闸，这对继电保护装置的可靠性要求更高。因此 保护装置内部设计两套硬件，两套硬件都出口时才出口跳闸对提高可靠性有很大的好处。下面比较 一下双重化配置时没有硬件冗余和有硬件冗余的保护装置不正确动作的概率： 设单套硬件拒动的概率为世。，误动的概率为e ， 双重化配置没有硬件冗余时拒动概率为k 。 双重化配置没有硬件冗余时误动概率为 1 一( 1 一足。) 2 = k 。( 3 一k 。) ( 式2 1 ) 单装置配置有硬件冗余时拒动概率为 1 - ( 1 一k ) 2 = ( 3 一k 。) 单城置配置有硬什冗余时误动概率为k 、2 般重化弭己置有硬什冗余时拒动概率为 6 第一章数字式继电保护，f 台的技术要求 双重化配置有硬件冗余时误动概率为 k ：b k 3 k w 2 ( 3 一k ) 2 现有技术可保证置，和k 。都远小t1 ，所以双重配置时有硬件冗余比无硬件冗余的拒动概率增大 约4 倍，误动概率则大幅度f 降。重要的是，有冗余硬什后，单一元件故障时不会导致误动。 硬件冗余尽管会使拒动的概率有所上升，但继电保护需要动作的机会很少，如果装置的某套硬4 1 二 故障后能切换到另一套硬件单套硬件运行模式，则拒动的概率仍然很小。 可见，在成本允许的情况下，继电保护装置支持硬件冗余，并可手动和自动切换到单套运行模式 对提高正确动作率有重要意义。 1 5 优良的电磁兼容性能 继电保护设备工作的电磁环境非常恶劣，许多不止确动作都是由电磁干扰所致。因此提高继电保 护设备的抗干扰能力一直是继电保护硬件开发的工作重点之一。电压等级越高的变电站，电磁干扰 的强度也越大，对继电保护设备抗干扰能力的要求也越高。实践证明满足g b t l 7 6 2 6 - - 1 9 9 8 系列 标准的最高等级的继电保护设备，没有发生过由电磁干扰引起的不正确动作行为。因此平台应按 g b t l 7 6 2 6 - - 1 9 9 8 系列标准来进行抗干扰设计。 变电站有众多的电子设备同时工作，继电保护设备作为其中的一部分，还应该不干扰其它设备。 因此平台还应满足g b 9 2 5 4 - 1 9 9 8 的最高标准( a 类试验) 规定的辐射发射限制。 1 6 开关量输入额定电压为1 1 0 v 或2 2 0 v 文献8 要求来自继电保护屏外的开关量必须使用1 1 0 v 和2 2 0 v 电平，以提高抗干扰能力。但由 于以往国产数字式继电保护装置不能解决1 1 0 v 和2 2 0 v 开关量输入回路功耗和发热较大的问题，一 般都采用2 4 v 的开关量输入回路。这就需要在屏上加装2 2 0 v ( 1 l o v ) 开关量转2 4 v 开关量的转换 设备，并需要独立的2 4 v 电源，使得屏内设备繁杂，可靠性降低。 反观国外的数字式保护，大都可以直接输入2 2 0 v 或l l o v 开入量，说明技术上是可行的。因此， 应该实现该技术。 为了保证开关量输入的可靠性，开关量输入回路必需有准确的动作门槛。考虑到变电站要求直流 电源下降到额定值的8 0 时仍要求装置止常t 作，因此开芙量输入回路应做到输入量火于额定值的 7 0 时可靠动作，小于额定值的5 0 时可靠返回。 1 7 可灵活配置开关量输入和开关量输出通道 作为数字式继电保护平台，需要适用多种保护装置。同模拟量输入一样，不同保护装置的开关量 输入输山数量是大不相同的。如2 2 0 k v 的线路保护，开入量和开出量共约5 0 个，而2 2 单元的母线 保护则有近2 0 0 个，相著很火。 作为数字式继电保护平台，需要适川多种保护装置。如果象以往的继电保护装苴一样，按最人需 求来决定输入输山通道数日，这就使需求较小的保护装置不必要地增加成本雨体积。 7 东南大学硕士论文一数字式继电保护平台设汁 因此开关量输入输山的通道数目必须是可灵活配置的。 1 8 大屏幕液晶显示和方便的输入设备 随着劳动力成本的逐渐上升，减少装置的维护难度和工作量越来越重要。而友善的人机界面是其 中重要环。 大屏幕、高分辨率显示器可以让使用者同时看到更多的信息，甚至可以把接线图、录波图等显示 出来，便于使媚者迅速掌握装置的状态，作出判断。同时可以提供丰富的帮助信息，大大减少使川 者的学习工作量。 由于装置安装条件豹限制，一般使用小键盘，使得输入定值等信息时速度较慢，而且不方便。触 摸屏是一种较为理想的输入设备，配合屏幕上的软键盘，无论是操作装置还是输入数据，都简单迅 速。 1 9 高速、可靠、灵活的通信接口 电力系统发展到今天，要求各种保护和自动装置完全信息化。具体的讲，就是要求装置通过通信 系统，上传所有的装置信息，同样使用者也可通过通信系统完全控制装置。也就是说，使用者通过 操作后台监控计算机或者调度计算机，就可以得到所有的装置信息，同时也可以操控所有的装置。 为达到以上目的，一方面要有足够的通信带宽。保护和自动装置需要上传的数据很多。尤其是在 系统故障时，多台装置会间时上传大量突发信息，而且要求后台有足够的相应速度，实践表明，此 时1 0 0 k b p s 左右的通信速率是远不够的。近年来电力系统对录波信息上传的要求越来越普遍，而录波 信息的数据量非常巨大，依靠传统的低速通信系统所带来的等待时间是让人难以忍受的。经过这几 年的实践，1 0 m b p s 的通信速率对于高电压等级的变电站是绝对需要的。 另一方面，通信系统必需具备高度的可靠性。由于变电站逐渐会过渡到少人值班，甚至无人值班， 对电力设备的监控大大依赖于通信系统。如果失去对电力设备的监控能力，可能会导致灾难性的后 果。装置的通信接口是装置接入电力通信系统的必经途径，所以它也必须具备足够的可靠性。 为了能与市场上种类繁多的远动设备和后台监控系统通信，保护装置应能支持多种物理接口和通 信规约。所以平台在提供高速网络接口时还应有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等物理接口，在支持现在主流的 l e c 8 7 0 5 1 0 3 规约的同时，还应有如南自9 4 规约等已广泛使用的规约，并提供开放的通信规约编程 界面。 1 - 1 0 功能强大的系统支撑软件 软件开发是各种电力系统数字式保护和自动装置开发的主要部分。在相同硬件平台上开发的不同 装置的软件，除保护算法、配置和逻辑外，其他部分如硬件驱动程序、硬件自检程序、算法执行引 擎、逻辑执行引擎、定值管理程序、事件管理程序、录波管理程序、通信管理程序和人机界面程序 等是基本相同的。各种装置软件通用的部分，我们称之为系统支撑软件。 系统支撑软件应尽可能多地提供不同保护的通用功能，并提供简明的编程接口，以减少在平台上 开发装置软什的难度和i 作量。 第一章数字式继电保护半台的技术要求 1 - 1 1 完善的二次开发工具软件包 平台应开发二次开发软件包，供装置开发人员在乎台基础上开发继电保护装置时使用。二次开发 软件包应包括算法库管理、逻辑图绘制和编译、装置配置等部分。使州该软件包，装置开发人员可 以把精力集中在设计保护算法、逻辑和配置上，不需要在编程和了解平台细节上耗费不必要的工作 量。同时，只有通过采用 具软件包进行开发，才能使算法、逻辑和配置等知识的开发独立于平台， 便于移植和继承。 算法库管理软件应能提供统一的算法程序接口，管理和组织算法库，并根据算法库生成程序，并 提供逻辑图绘制软件的接口。 逻辑图绘制和编译软件应能让使用者方便的绘制装置的逻辑图，并对逻辑图进行有效性分析，最 终生成装置能解释执行的文件。 装置配置软件应能配置装置的开关量输入、开关量输出、模拟量输入、告警和动作事件、录波、 定值等设置，使逻辑图与硬件联系起来。 1 - 1 2 单模件自动测试系统 现在的硬件集成度和复杂度比以往都大为提高，如果沿用以往的人工调试的方式，调试工作量将 非常大，而且产品质量也难以保证。 由于平台的模件种类不多，当应用于多种装置时，每种模件的生产批量相对比较大，这使得为每 种模件开发专用的自动测试系统在成本上可以接受。因而应给平台的每种模件开发测试系统，以提 高产品质量，降低综合成本。 根据上述要求，充分考虑当前的技术工艺水平以及产品成本限制，我们提出了一个较为完整的电 力系统保护及自动装置软硬件平台方案，在以下几章详加阐述。 9 东南大学硕士论文一数字式继电保护平台设计 第二章数字式继电保护平台架构 本章主要介绍数字式继电保护平台的模块划分、模块问配合关系及构成装置时的组织方式。 首先我们分析一f 数字式继电保护装置的基本工作原理。继电保护装置的主要功能是实时分析判 断所保护的电力设备的运行状态，在电力设备发生故障时发出跳闸命令将电力设备从系统中切除。 其中线路保护一般还包括在切除瞬时性故障后发出重合命令让输电线路重新投入运行的自动重合闸 功能。要实现上述功能，装置应包括数据采集部分、计算和逻辑处理部分和出口执行部分。另外还 要包括监控和通信部分以管理、设置和监视装置。 本平台构成装置的总框图如图2 1 ： a t 模件的功能是把各种模拟量输入信号转换成5 v + 5 v 的电压信号。由于各种保护装置的模拟 量输入需求差别较大，所以a t 模件应根据需要为不同保护装置专门设计。但外形尺寸和输出端子必 须遵循统一的设计规范。 主控制模件是整个保护装置的核心，它完成模数变换、计算、逻辑判断等功能。主控模件把从 a t 模件传来的模拟信号转换成1 6 b i t 的数字量，并从f o 控制总线接收i o 模件采集的开关量输入， 汇总成装置的输入量。主控模件对输入量计算和分析，并根据定值判断装置应该作出的动作行为， 通过i o 控制总线把命令发送到i o 模件执行。为了提高可靠性，主控模件输出一路启动开关量去控 制o 模件以避免重要开关量输出误动作。在最重要得场合，还可增加一个冗余主控模件，用它来控 制启动开关量输出，进一步提高可靠性。另外主控模件还要存储定值、事件信息和录波信息等输入 输出信息。 监控及通信模件负责处理装置信息的输入输出，并提供监视、调试和设置界面。监控及通信模件 用主控模件通信总线与主控模件交换信息。一方面把主控模件的工作状态、输入、输出、定值、事 件记录、录波等信息搜集转换后传输给后台监控系统和远方调度系统，并同时提供装置人机界面供 就地监视。另一方面，监控及通信模件将后台和人机界面的控制、设置和调试信息传送给主控模件。 监控及通信模件还提供实时时钟和g p s 对时输入接口，作为整个装置的时钟源。 人机界面模块作为监控及通信模件与人交互信息的接口，包括显示设备( 液晶屏和指示灯) 和指 点输入设备( 触摸屏) 。人机界面模块还提供一个u s b 转换器，把监控及通信模件的p c 机通信接口 转换为u s b 接口，p c 机可通过该接口与监控及通信模块通信，提供更高级的调试和分析功能。 i o 模件是通用输入输出模件的总称；模件执行特定的输入输出功能，通过i o 控制总线送山输 入量和接收输出命令。理论上装置所有的输出输出都可以由i o 模件实现，但受i o 控制总线的带宽 限制，保护功能用的模拟量采集只能由主控制模件自身完成。由于部分开关量输入和开关量输出的 实时性要求很高，有的延时甚至不能大丁- l m s ，因此i o 控制总线必需是确定性网络，且传输延时小 于l m s 。根据这个要求，i o 控制总线设计为时分多路复用的s p i ( 串行处理器界面) 网络，主控模 什作为主机，若干i o 模件作为从机。主机每o5 m s 与所有u o 模件通信一次，交换5 个字节信息。 这样主控模件和每个i o 模件均建立一个带宽为1 0 k b y t e ，传输延时小于1 m s 的虚拟信道。 第二章数字式继电保护平台架构 图2 1 总框图 另外平台还包括电源模件和母板模件。电源模件将输入电源转换成其他模件需要的各种电压，提 供给各模件，并提供多种电源保护功能，如过压保护、欠压保护和过流保护等。所有模件都插在母 板模件上，模件间的电联系均通过母板模件。 机箱结构采用6 u 1 9 5 英寸背插式机箱，机箱深的约2 5 0 r a m 。 由于机箱容量和主控制板模拟量输入通道数的限制，一个机箱最多能容纳4 0 个保护用的模拟量 输入通道和8 0 个开关量输入输出通道。但母差保护需要8 0 个模拟量输入通道平l | 近2 0 0 个开关量输 入输出通道。为满足母差保护的需求，主控制模件上设计了一个数据采集和i 0 扩展接口，和一个仅 负责数据采集和开关量输入输出的机箱连接，便可把模拟量通道数扩展到8 0 个，开关量输入输出数 扩展到1 9 6 个。扩展的机箱和保护装置硬什上基本一致，只是将监控及通信模件取消，更换为i 0 模 东南大学硕十论文一数字式继电保护平台设计 件，软件则很简单，仅完成数据采集和i o 功能，完全受保护装置控制。 本平台构架的特点是具有可灵活配置的硬件。母差保护要求模拟量输入通道最多约8 0 个，开关 量输入输出通道约2 0 0 个；而线路保护仅需要十几个模拟量输入和数十个开关量输入输出；变压器 保护则介于两者之间。作为平台，必须能适用于多种继电保护装置，即能达到母差保护的要求，又 能在用于线路保护时比较经济。为此，用数据采集和i 0 扩展接口扩展机箱，用i o 控制总线连接主 控制模件和若干i o 模件的系统构架是非常合适的。 第三章硬件设计 第三章硬件设计 本章介绍装置硬件的详细设计。对于非通用模件，则只提出设计规范。 为达到第一章所述的要求，平台的硬件设计有以下主要特点： a )c p u 系统的计算速度和存储容量比现有数字式继电保护装置大幅度提高，尽管平台模式开发 的程序执行效率低于直接模式开发的程序，但基于平台的保护装置仍能实现更复杂的保护算 法和逻辑，记录更多的故障信息。 b )电力系统短路容量不断增大，导致短路电流不断增大，这就要求继电保护装置电流输入的测 量范围增大。在量程增人的同时要保证小信号的测量精度，必须用精度更高的数据采集系统。 平台为此设计信噪比高达9 0 d b s 的数据采集系统以满足要求。 c )用i o 控制总线与开关量输入输出模件交换信息，实现开关量输入输出模件的灵活配置，以 适应不同的保护装置。 d 1使用专门设计的低功耗高精度开关量输入回路，开关量输入的额定电压最高可达2 2 0 v 。现 有国产继电保护设备的开关量输入额定电压最多只能为2 4 v ，当用到2 2 0 v 开关量输入时需 增加转换器。 3 1 结构设计 本平台采用统一的6 u 1 9 英寸背插式机箱。 背插式机箱的模件从机箱后面插入，自带出线端子。相对于前插式机箱，背插式机箱的模件的出 线端子都设在模件后部，装置内部连线端子设在模件前部，装置内部回路和外部接线空间上容易分 开，可大幅度提高电磁兼容性能。同时，模件间仅连线设在装置前部的印制板上，不在使用传统的 绕接工艺，避免了绕接工艺的许多问题。前插式机箱的出线端子设在机箱上，当需要改变出线端子 时必需修改机箱。而后插式机箱的出线端子设在模件上，改变出线端子只需修改或更换功能模件， 不需对机箱作任何修改，便于模块化设计。 背插式机箱组屏后由于端子接有出线，必须将出线和模件分离后模件才能拔出。如果必须把一个 模件上数十根出线一根根拆下后才能拔插模件，显然是不能接受的。为此我们采用了接线部分和焊 接到印制板部分可插拔的出线端子。装置组屏接线后，若需更换模件，只要将端子的接线部分拔_ f ， 更换模件后再将端子接线部分插上即可。 除人机界面模件安装在装置正面外，装置的其他模件均从装置后部插入机箱，插到提供模件间连 线的母板上。 除人机界面模件外，其它模件均用h a r d i n g 公司的4 8 针端子与母板连接。人机界面模件通过扁平 电缆与母板连接。液晶显示器的控制线也连接到母板上。 机箱、人机界面模件的面板和其他模件的小面板应构成一个完整的金属八面体外壳，保证各部分 间良好导电，并近可能减少裟置外壳电磁缝隙，以到达提高抗空间电磁干扰和减少对外电磁辐射的 目的。 3 东南大学硕十论文一数字式继电保护平台设计 3 2 母板模件设计 母板模件提供a t 模件到主控制模件的模拟量信号连接、主控制模件和监控及通信模件的主控模 件通信总线、主控模件和i o 模件通信的i o 控制总线、监控及通信模件到人机界面模件的通信线、 监控及通信模件对显示器的控制线、各电源线等。 由于母板面积较大，又要承受众多模件插入的应力，故采用2 毫米厚的印制板以增强硬度，保证 接插件连接的可靠性。 为了实现各种模件软硬件的通用性，我们采用插件地址的方法来识别装置内部的若干同类型模 件。对于主控制模件，母板分配给两个插槽，地址为0 和1 。主控制模件插在地址0 的插槽上则作为 主控制模件，插在地址1 的插槽上则作为冗余主控制模件。母板分配5 个插槽给i o 模件，地址从o 4 。i o 模件用插槽的地址作为通信地址，让主控制模件可以区分各i o 模件。 3 3a t 模件设计 继电保护装置的模拟量输入包括交流电压、直流电压和直流电流等，电压的幅值可达上百伏，电 流的值可达数百安培，而一般的数据采集系统只能转换小电压信号，不能直接处理。考虑到电磁兼 容性能，输入线路与装置内部线路之间电气上必须隔离。 为此，设a t 模件将继电保护装置需要的各种信号线性地转换为数据采集系统可接受地小电压信 号，并提供电气上地隔离。 本平台的数据采集系统采集电压信号，设计有效输入范围为一5 v + 5 v ，最大输入范围为一 3 0 v + 3 0 v ，信号源阻抗小于1 0 0 0 。有效输入范围指数据采集系统可正确采集内的信号范围，最 大输入范围指不损坏采集系统器件的信号范围。a t 模件的输出信号必需符合以上要求。为了满足电 磁兼容性能的要求，输入与输出之间应能通过4 0 0 0 v l m i n 的交流耐压试验。 一 由于正弦交流量的幅值为有效值的2 倍，所以交流通道的输出电压的有效值应小于；= v ，即 4 2 3 5 4 v 。 交流电流输入量变换回路一般采用电流变换器和精密电阻实现。交流电流变换回路如图3 1 所 不a 交流电输出电压信号 图3 1 交流电流变换同路 高压继电保护电流输入有效值虽人可达4 0 倍额定电流，设额定电流为5 a ，c t 原边和副边的匝 4 第三章硬件设计 数比为k ，电阻值为r ，则输出电压为5 4 0 x k r 。如果假设c t 为理想变压器，输出信号的内 阻即为r 。为获得较小的输出电阻，r 的取值不应太大，一般取1 0 q 。这时k 的取值为 i 丽3 5 4 = 0 0 0 1 7 7 0 0 0 1 7 7 。若额定电流为1 a ，k 的取值为五兰惫= 0 0 0 8 8 5 4 0r 。 。若额定电流为的取值为二二l = 。 5 4 0 r1 因为输出电压为i k r ，若电阻的相对误差为e ，假设c t 为理想变压器，则输出电压的相对 误差也为e 。为保证输出精度，必须使用高精度电阻。当输入最大电流时，输出电压为；= ，电阻 4 2 上的功耗为( 击 2 + 心省叭电力系统要求继电保护设备在输入电流为：倍额定电流时可长 期工作，输入电流为4 0 倍额定电流可短时工作。由此，我们选择在温度2 5 c 7 0 。c 范围内误差小于 士o 1 ，陈期负载为1 w 的紧密线绕电阻。 交流电压输入变换回路直接使用小p t 即可。设p t 原边和副边的匝数比为k ，高压继电保护的 输入电压可达1 5 0 v , 则k 的取值为嚣z 4 2 3 7 。 由于p t 和c t 只能用于交流输入，对直流模拟量输入就无能为力了。大多数继电保护装置不需 要直流模拟量输入，但发电机的励磁电流和电压是直流量，使得发电机保护必需能采集直流模拟量。 我们采用霍尔元件来实现直流输入的转换。霍尔元件分电流型和电压型，分别用于直流电流输入和 直流电压输入。 霍尔元件也可用于交流输入的转换，但其价格较高，所以仅用于直流输入。霍尔元件与c t 、p t 相比，可忠实地变换直流分量和各次谐波分量，而c t 、p t 无法传输直流分量。当霍尔元件地价格降 低到可接受地水平并积累足够地运行经验后，可取代c t 、p t 作为交流输入的变换元件。 3 4 主控制模件设计 主控制模件是整个保护装置的核心，它完成模数变换、计算、逻辑判断等功能。主控模件把从 a t 模