（电力系统及其自动化专业论文）新型高压线路保护装置的管理与通讯系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n g w i t l lt h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i ci n d u s t r y , t h es c a l eo f e l e c t r i cp o w e r s y s t e mi n c h i n ab e c o m el a r g e ra n dl a r g e ra n dt h es w a c t u r eb e c o m em o r ec o m p l i c a t e d i ti sa nu r g e n t d e m a n dt os t u d yi - i vt r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o nw i t l ih i g h e rp e r f o r m a n c e o nt h eo t h e r h a n d ，t h ei n c r e a s i n gp r o g r e s s e si n t h ef i e l do fm i c r o c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，s i g n a l p r o c e s s i n g a c c e l e r a t et h e p r o c e s s o f a p p l y i n g i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y t o 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 i n o r d e rt o i m p r o v et h es e c u r i t y a n da u t o m a t i o no f e l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，i t i s n e c e s s a r y a n du s e f u lt or e s e a r c ha n d d e v e l o p an e w 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 ns y s t e m f o ri - i vt r a n s m i s s i o n l i n e ，b yu s i n g n e w t e c h n o l o g i e so f r e l a t e df i e l d s a tf i r s t , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h eh i s t o r ya n dt r e n do fr e l a yp r o t e c t i o n a n dt h e n d i s c u s s e st h ed e s i g n p r i n c i p l e s o fn e wt y p e m c r o p m c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n o fh v t r a n s m i s s i o nl i n e f u r t h e r m o r e ，t h es t r u c t u r eo fp r o t e c t i o ns y s t e ma n dc o n f i g u r a t i o no f f u n c t i o n sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l i ti sa l li m p o r t a n tt r e n do fr e l a yp r o t e c t i o nt oe n h a n c et h ef u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o n i n t h i sp a p e r t h ef e a t u r eo fe o m m u n i c a t i o ni nm 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 ni sa n a l y z e d a n dan e wi n t e m a lc o m m u n i c a d o np r o t o c o li sp r e s e n t e d 髓ep r o t o c o ih a ss e v e r a lv i r t u e s s u c ha sr e a s o n a b l ef r a m e w o r k ，h i 曲r e l i a b i l i t ya n de x c e l l e n te x p a n s i b i l i t y p r o t e c f i o ns u b s y s t e mi st h ef u n c t i o nk e m e lo f 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 t w o p a r a l l e ld s ps y s t e m s w i t ht h es a m ec o n f i g u r a t i o no ff u n c t i o n sw o r kt o g e t h e ri no r d e rt o e n h a n c et h e r e l i a b i l i t y o fp r o t e c t i o ns y s t e m n ec o n j u n c t i o no fd i f f e r e n c ef o u r i e r a l g o r i t h ma n d r e c u r s i v ea l g o r i t h mb a s e do nt h el e a s ts q u a r ei sa d o p t e di no r d e rt oi m p r o v e p r o t e c t i o no p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c t h e p a p e r a l s od e s c r i b e s t h er e a l i z a t i o no f c o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do n p r o t o c 0 1 s u p e r v i s i o ns u b s y s t e mi si nc h a r g eo fs u p e r v i s i n gt h ee n t i r ee q u i p m e n t ，c o m m u n i c a t i n g w i t ho u t e rt e r m i n a lo rp r o t e c t i o ns u b s y s t e m r e f e r r i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fh a r d w a r ea n d d e m a n d so fs y s t e m ，t h e p a p e r i n t r o d u c e st h em a i nf u n c t i o n so fs o f t w a r ea n dt h e t e c h n o l o g i e s t oi m p l e m e n tt h e m 1 1 1 es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f n e w t y p e h v t r a n s m i s s i o nl i n 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 nw i l lt a k eo b v i o u se f f e c ti nr a i s i n gt h el e v e io f s e c u r i t ya n d s t a b i l i t yo f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m k e yw o r d ：h i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n 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 p r o t o c o ls u p e r v i s i o ns u b s y s t e m 一 h 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 【摘要】本章简要概述了电力系统继电保护的发展过程，综述了国内外高压线路微机保护的研究现状 和发展方向，最后介绍了论文的主要工作和各章节的安排。 1 1 引言 新兴科学技术的应用往往会给相关领域带来意想不到的深刻变革。步入信息时代 以来，层出不穷的信息处理技术正持续快速而深入地重塑人类社会各个行业的面貌。 继电保护领域作为电力行业的重要分支，伴随着日新月异的科技发展，也在不断她完 善自身。由于计算机技术的出现，继电保护技术跨入了一个重要的历史阶段：微机型 继电保护。计算机继电保护的概念始现于6 0 年代末，但其真正得到实质化的广泛应 用则得益于微型计算机技术的飞速发展 i j 。 输电线路作为电力系统的重要组成部分，一直以来就是继电保护研究的重要对象。 目前我国已基本上进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时 代。而到2 0 2 0 年以前，一个覆盖全国的统一的联合电网将初具规模。在电力系统电 网容量持续增长的同时，其网络拓扑结构也将日趋复杂。在这种形势下，高压输电线 路作为电力系统的骨干网络，其可靠性对系统的安全运行无疑有着重要的意义，这对 输电线路保护装置的研究设计者提出了更高的要求。 1 2 继电保护技术的发展历史 自从1 9 世纪9 0 年代现代继电保护装置的雏形出现以来，继电保护技术已经经历 了一个多世纪的发展历史。作为- - i 1 综合性的科学，继电保护技术是随着电力系统的 发展和科学技术的进步而不断发展起来的。它以电力系统的需要作为发展的源泉，同 时又不断吸取相关学科中出现的新成就作为其发展的手段。 2 0 世纪初，各种新的继电保护原理相继出现，如差动保护( 1 9 0 8 年) 、电流方向 保护( 1 9 1 0 年) 、距离保护( 1 9 2 0 年) 、高频保护( 1 9 2 7 年) ，这些保护原理都是通过 测量故障发生后的稳态工频量来检测故障的。到2 0 世纪2 0 年代末，现在普遍应用的 继电保护原理基本上都已建立。在2 0 世纪5 0 年代，微波中继通信开始应用于电力系 统，从而出现了利用微波传送和比较输电线两端故障电气量的微波保护。早在2 0 世 纪5 0 年代就出现了利用故障点产生的行波来实现快速继电保护的设想，经过2 0 余年 的研究，终于诞生了行波保护装置。目前，随着光纤通信在电力系统中的大量应用， 利用光纤通道的继电保护正得到迅速的发展和广泛的应用1 2 卅。 与此同时，现代科学技术和工业的不断发展，继电保护装置使用的元器件、材料、 华中科技大学硕士学位论文 制造工艺以及结构型式发生了巨大的变化，基于上述原理的保护装置也经历了机电 型、电子型、微机型几代变革，使得继电保护装置的实现技术不断进步，性能不断提 高，功能不断完善。 国外关于计算机继电保护的研究始于2 0 世纪6 0 年代末。1 9 6 5 年初，英国剑桥大 学的p g 。m c l a r e n 等提出利用采样技术来实现输电线路的距离保护。1 9 6 6 年下半年， 澳大利亚新南威尔士大学的1 e m o r r i s o n 预测了输电线路和变电所采用计算机控制的 前景，包括计算机用作继电保护的前景，并进一步进行了计算机式保护的理论研究， 主要研究适用于继电保护的各种算法。1 9 6 9 年前后，美国西屋公司的g 。d r o c k e f e l l e r 等开始进行具体装置的研制，并于1 9 7 2 年发表该装置的试运行样机的原理结构与现 场实验结果。因当时小型计算机在价格、体积、性能方面的种种原因，计算机继电保 护除少量的试验装置外，没有得到实际的推广应用。但因之对继电保护计算机算法的 大量研究，为后来微型计算机型继电保护装置的发展奠定了理论基础。2 0 世纪7 0 年 代后半期，出现了比较完善的微机型保护样机，并投入到电力系统中试运行。2 0 世纪 8 0 年代微机型保护在硬件结构和软件技术方向已趋成熟，在一些国家得到推广应用。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，微机型保护在我国已得到大量应用，成为了继电保护装置 的主要型式。微机型保护具有强大的计算、分析和逻辑判断能力，具有优良的存储记 忆功能，因而可以实现性能完善且复杂的保护原理：微机型保护可连续不断地对本身 的工作情况进行自检，其工作可靠性很高。此外，微机型保护可用同一硬件实现不同 的保护原理，这使保护装置的制造大为简化，也容易实现保护装置的标准化。微机型 保护除了具有保护功能外，还可兼有故障录波、故障测距、事件顺序记录以及网络通 信等辅助功能，这对简化保护的调试管理、事故分析和事故后的处理等都有重大意义。 由于微机型保护装置的巨大优越性和潜力，因而受到了运行人员的广泛欢迎【】。 1 3 微机型保护的发展趋势 微机继电保护是将计算机技术、测控技术、网络技术、通讯技术融为一体的自动 化系统。随着相关学科领域的科技进步，新的控制原理和方法还将被不断的应用到微 机型继电保护中，推进保护的研究向更高的层次发展。继电保护技术的未来趋势是以 高性能计算机平台为基础，向网络化，保护、控制、测量和数据通信一体化，智能化， 标准化发展1 7 】。 1 3 1 高性能计算机平台 随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护的硬件也在不断升级换代。最初的微机型 保护装置是8 位单c p u 结构的。不久发展至1 6 位，而目前3 2 位微处理器的应用已 日趋普及。采用3 2 位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受a d 转换器分辨率的 2 华中科技大学硕士学位论文 限制，超过1 6 位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是3 2 位微机芯 片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，更大的寻址空间，丰富的指令系 统和较多的输入输出口。c p u 的寄存器、数据总线、地址总线都是3 2 位的，具有存 储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存( c a c h e ) 和浮点数 部件都集成在c p u 内【扪。这些硬件优势最终均可转化为保护系统性能的改善。 电力系统由于自身的发展需要对微机保护的要求在不断提高现代微机保护除了 应具备保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的 数据处理功能，强大的通信能力，以及与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系 统数据、信息和网络资源的能力等。这就要求微机保护装置具有相当于一台p c 机的 功能。在计算机保护发展初期，曾设想过用一台小型计算机做成继电保护装置，但由 于当时小型机体积大、成本高、可靠性差，这个设想是不现实的。现在同微机保护装 置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机。因此，用成 套工控机做成继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一。 1 3 2 网络化 计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产和 社会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提 供了强有力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装 置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事 故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段国外早已提出过系统保护的 概念，这在当时主要指安全自动装置。因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限 制事故影响范围，还要保证全系统的安全稳定运行这就要求每个保护单元都能共享 全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据 的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条件 是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的 网络化。这在当前的技术条件下是完全可能的【9 】。 对于一般的非系统保护，实现保护装置的计算机联网也有很大的好处。继电保护 装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检 测愈准确。对自适应保护原理的研究已经过很长的时间，也取得了一定的成果，但要 真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应，必须获得更多的系统运行和故障 信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做到这一点。 由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护 发展的必然趋势。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 3 保护、控制、测量、数据通信一体化 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、 多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电 力系统运行和故障的基础信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数 据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功 能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保 护、控制、测量、数据通信一体化。 目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站，尤其是高压变电站的电力设 备，如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大 量控制电缆不但要大量投资，而且使二次回路非常复杂。如果将上述的保护、控制、 测量、数据通信一体化的计算机装置，就地安装在室外变电站的被保护子系统旁，则 可使二次回路得到大幅简化，并降低成本，提高二次系统运行的可靠性。当前，光电 流互感器和光电压互感器( o t v ) 己在研究试验阶段，将来必然在电力系统中得到应 用。o t a 和o t v 的光信号通过转换装置变成数字信号后，通过网络进行数据共享， 这些将为面向设备的保护与测控一体化的实现提供更有利的技术支持【”【5 ”。 1 3 4 智能化 进入九十年代以来，电力系统保护领域内的一些研究工作转向人工智能的应用， 尽管迄今并不成熟，但却在提高继电保护智能化方面开辟了一个崭新的领域。人工智 能就是由计算机来表示和执行人类的智能活动，如判断、识别、理解、学习、规划和 问题求解等。人工智能的研究在逐步扩大机器智能，使计算机逐步向人的智能靠近。 近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各 个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络是一种非线性 映射的方法，很多难以解析表达或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法 则可迎刃而解。现代电力系统的规模日趋庞大，且故障机理和表现特征复杂，但由于 对其认识的有限性，常常只能使用简化的模型对系统进行分析。如果用神经网络方法， 经过大量故障样本的训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时 都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。 将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。可以预见，人工智能技术在继电保 护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题f l o - 1 2 l 【5 8 1 。 1 3 7 5 标准化 随着计算机芯片的不断升级换代，用户对微机保护的功能需求也在不断的提升， 微机保护硬件也需不断的改进和完善。目前，微机保护在开发和应用中面临的一个突 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = 目= = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= 出问题是，不同生产厂家生产的微机保护硬件平台结构不一样，各个厂家保护装置的 硬件相互之间缺乏通用性和互换性。即使是同一厂家，由于技术性的淘汰对以前生 产的微机保护进行硬件升级难度很大，就连对微机保护备品备件也很困难。这些矛盾 只能通过对微机保护硬件结构的标准化来解决，即研制出的新一代微机保护要有向下 的兼容性，至少在系列产品中要有向下兼容的部分。随着微机保护市场的竞争，最终 将会产生几个大的硬件平台供应商，其产品将具有模块化、规范化、系列化、质量可 靠、功能齐全、应用范围广、通用性好等特征。这样，保护市场可能分化成两类：模 件制造商和系统集成商。目前很多保护生产厂家既产硬件又开发保护软件的制造模 式，将过渡为组合硬件模块配上自己软件的系统集成模式，这样不仅方便了工程设计 和系统维护，也使硬件升级付出的代价减小i l ”。 继电保护的软件部分也存在标准化的迫切要求。现在开发生产的微机保护大多附 带录波功能，但是各厂家定义的数据记录格式标准不统一，因而若分析某一保护数据 记录只能使用原厂家提供的配套上层软件进行分析，这给使用人员带来极大的不便。 因此，有必要制定一种通用数据记录格式，以便于使用者通过一种标准数据分析软件 即可分析所有保护装置的数据记录。此外，目前各厂家的保护装置的对外通信接口和 通信协议也存在类似的不兼容问题。通信规约是通信终端之间进行交流的语言媒介 目前各厂家定义的通信规约均不尽相同，当保护装置在局部范围内使用时，这种差异 无足轻重。但如前所述，网络化已经是继电保护发展的重要趋势。研制中的微机保护 应对通讯规约标准自觉遵守，从而在通信网络中让不同厂家的继电保护装置和远程监 控中心中进行有效的数据通信。继电保护软件的标准化既有利于微机保护信息管理系 统的建设，还将大大促进电厂和变电站综合自动化的进程i i ”。 为了适应现场运行维护的需要，促进微机保护的发展，微机保护在硬件、软件上 逐步向标准化方向发展是势在必行的。 1 4 本论文的主要工作和章节安排 论文工作围绕新型高压输电线路微机保护系统的研制这一课题展开。在对现有保 护装置进行分析和研究的基础上，根据设计要求，对高压输电线路微机保护系统进行 了总体方案设计。本文作者参与了高压输电线路微机保护系统保护装篝的研制，重点 对该系统中的监控模块以及整个系统的通信模块进行了研究、开发。 此外，在攻读硕士学位期间，本文作者还参与了广州送电管理所信息管理系统的 研制工作，主要承担安全监察子系统、工程设计子系统的研究与开发。限于篇幅，没 有收入本论文。 本论文章节安排和主要内容如下： 华中科技大学硕士学位论文 论文第一章简要概述了电力系统继电保护的发展历史，综述了微机型保护的发展 趋势，最后介绍了本论文所作的工作以及论文章节的安排。 论文第二章从接体结构出发介绍了高压输电线路微机保护系统的设计思想，并对 该系统的总体设计方案和主要功能进行了详细的分析，包括系统的硬件结构和软件基 本功能。 论文第三章介绍了微机保护通信的特点，提出了一种适合于微机保护装置内部通 讯和对外通讯的方案，并对装置内部通讯规约进行了详细的阐述。 论文第四章介绍了线路微机保护系统下层保护子系统的基本结构、主要功能及实 现方法。重点对系统的保护算法以及通讯功能模块进行了论述 论文第五章介绍了保护装置监控与通讯子系统的基本功能及特点，重点论述了通 讯模块及其实现技术。 论文第六章对论文工作进行了总结和展望。 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = ；= = = = ； = = = = = = = = = = = = = ；= = = = 2 新型高压输电线路微机保护系统的总体方案 【摘要1 新型徽机线路保护吸取了诸多同类保护装置的开发经验，结合了专业领域及相关学科领域的 研究成果，对保护系统的硬件平台以及软件功能都作了较多的改进本章从保护装置的设计原则 和技术特点出发，介绍了新型保护装置硬件部分的架构设计以及软件部分的功能配置 2 1 课题的背景介绍 经过多年的运行实践，国内的输电线路保护装置积累了很多的实践经验，同时也 暴露了诸多不足。而另一方面，国内的输电系统正向着高电压、大输送容量、远距离 的方向发展，这对高压输电线路的保护系统提出了更高的性能要求。因而迫切需要在 总结经验教训的基础上开发更高性能的高压输电线路保护装置。同时，保护原理的最 新研究成果以及相关学科领域的飞速发展也为新一代线路保护装置的实现准备了理 论和物质基础。华中科技大学微机保护课题组与湖北省电力局等单位以高性能微处理 器为继电保护系统核心。在融合保护新原理以及新型软、硬件技术的基础上，共同开 发一套面向高压输电线路的综合性保护系统，以满足国内电力系统对于高性能高压线 路保护装置的迫切要求。 2 2 系统的设计原则和技术特点 源于信息科技的进步，目前的微处理器无论是在结构还是在性能上都有了极大改 进。借助于强大的处理核心，今天的微机型保护可以考虑集成更多的功能、处理更为 复杂的数据信息。这意味着新型的线路继电保护在方案配置以及系统设计上有更多的 选择自由以达到最佳的保护效果。新型高压线路保护装置的设计借鉴了以往相关保护 装置的研发经验，较全面地考虑了运行现场对于高压输电线路的保护、运行状态监测、 故障记录与分析，以及装置本身的调试维护等所提出的要求在系统设计中，主要遵 循以下基本设计原则： 2 2 1 高性能、通用型的硬件系统 高性能的硬件系统是高品质微机保护实现的基础，从早期的单板机发展到目前3 2 位微处理机系统，已使微机保护的计算速度及处理数据能力得以很大的改善和提高 f 5 9 l 。提高硬件系统性能的决定性因素来自以下几个方面：选用元器件的集成度和质量； 硬件系统的制造工艺水平；电路设计的合理性。保护装置的硬件平台应满足快速、准 确处理数据的要求，在支持采用新原理和高阶数字滤波器方面应留有开发空间。同时， 保护装置的工艺结构、电路设计和软件滤波器设计方面要充分考虑电磁兼容性要求。 微机型保护一般由数据处理部件并辅以一定的外围功能部件构成。不同类别保护 7 华中科技大学硕士学位论文 的差异主要表现在于外围部件上；而保护系统的核心硬件数据处理部件则往往具 有一致的结构，仅在接口通道数量的设置上略有不同如果在数字部件的设计上合理 安置模拟和数字接口通道的数量，则该部件可不作改动应用于不同类别的保护系统， 从而提高硬件系统的通用性。 2 2 2 分屡式系统架构 保护系统的设计采用分层式的系统架构，即将微机保护系统的各功能部件按多级 控制策略分层，如图2 1 所示。保护核心部件通过内部总线与各接口部件协同工作以 实现保护功能；管理监控部件通过内部通讯对保护核心部件执行控制操作及获取底层 数据信息：远程控制终端对微机保护装置的监控则由外部通讯通道实现。在这种架构 下，各功能部件的分工合作更为明晰，且减少了不必要的关联操作，提高了系统的可 靠性；同时这也有助于硬软件的模块化设计及装置部件的更新及升级换代。 图卫1 分层式徽机保护系统示意图 2 2 3 灵活的保护配置 每种原理的保护所能反映的线路故障是有限的。在保护功能设计上，系统应配置 多种不同原理的保护以应对不同的输电线路异常运行工况及故障。借助于高性能的硬 件平台，新一代的微机型保护在优选不同保护原理的基础上实现最大化集成，并可通 过保护投退软压板方便地对各种保护原理进行投退【1 3 1 。在实际使用中由用户根据需要 选择不同的保护原理组合以实现线路保护功能的最优配置。同时，电力系统在运行过 程中，其状态、参数及网络结构会随着运行方式的变化而变化。通过在继电保护软件 设计中运用更多的自适应原理。使保护系统在线路工况变化后仍能有选择、高灵敏度 地判断故障，有效提高继电保护系统的适用范围。 l 华中科技大学硕士学位论文 2 2 4 丰富的系统功能 新型线路继电保护系统除了具有常规的保护功能以外，还将加入调试管理、状态 监测、故障录波、波形重现、数据管理以及对外通信等诸多辅助功能，使得整个系统 功能更加强大，智能化程度更高例如通过合理设计故障数据记录格式和通讯规约以 强化保护系统的录波功能，可为事后分析提供更多的有效故障信息，增进运行经验的 积累。 2 2 5 模块化的硬软件结构 微机型保护系统的硬件部分有着稳定的组成结构，利于按照模块化设计思想加以 实现。这不仅会增强硬件平台的通用性，也有助于保护系统的功能改进与扩展，同时 也便于硬件维护及产品的升级换代。 早期的保护软件由于硬件限制。其功能往往针对性较强，且复用性较差。但时至 今日，硬件性能已经有了极大的提升，因而软件设计中可以考虑实现更多的功能及更 好的算法。类似于硬件模块化的做法，将微机保护装置软件依据功能进行分层设计， 将每一种基本的继屯器功能单元定义为一个模块，可以利用这些模块以搭积木的方式 实现微机型继电保护的整体功能。 2 2 6 软件设计的复用性 不同类别微机型保护中运行的系统软件中。除了与保护原理直接相关的部分模块 外，对于其他诸如算法、通讯、监控等系统功能的要求并无太大差异。若在这类系统 功能的软件设计上事先考虑多种类别保护的细微差别，则可以较小的软件代价提高功 能模块的复用性，即对其不作或较小改动就可应用于不同的微机型保护中例如，对 于微机型保护的监控功能可分系统设置、定值管理、报告上传、状态监控以及装置调 试等类别实现各类保护功能子项的最大化集成：通讯规约的数据帧设计兼顾多类保护 数据信息的通讯要求等等。 2 3 微机型线路保护的硬软件结构 由于高压线路传输的功率极高，倘若继电保护不能正确工作，将会造成巨大的损 失，且影响范围很大，后果非常严重。因而高压线路的继电保护对于可靠性、选择性、 快速性和灵敏性的要求高于中低压保护，一般常采用冗余配置以提高保护装置的可靠 性【1 7 1 。 本保护由两个数字信号处理器( d s p ) 以及一个高性能单片机来构成系统的数字 处理核心a 两个数字信号处理器的功能完全一致，与夕l , l a 辅助设备的连接方式也完全 相同，且从数据采集系统即开始相互独立。每个d s p 完成包括保护启动、故障判别、 9 华中科技大学硕士学位论文 选相、逻辑出1 3 以及重合闸在内的保护核心功能。高性能单片机则用于实现继电保护 装置的监控管理功能以及承担人机交互和内外通讯的任务。 2 3 1 系统的硬件结构 整个装置从功能出发可划分为数字核心部件、模拟量输入接口部件、开关量输入 接口部件、开关量输出接口部件、人机对话接口部件以及外部通信接口部件六个部分 构成。实际应用中。微机型保护装置的结构可分为数据处理插件( d s p 板) 、交流输 入插件、信号板插件、跳闸板插件、管理板插件、电压切换箱及电源板等硬件组成单 元。出于硬件标准化的考虑，所有的功能模块均制成相同尺寸的部件。而整个装置采 用插件组合式结构，各插件之间不再采用传统的扁平线进行连接，而是通过母板上的 a t 9 6 总线实现互连，有效增强 了系统的抗干扰性能，提高了保 护的可靠性。机箱采用6 u 、背 插式结构，整面板设计其结构 与布局如图2 2 所示下面以线 路保护装置为例，介绍各个硬件 单元的结构与功能。 跳 闸 板 插 件 信 号 扳 插 件 电 源 管 理 扳 插 件 d s p 板 l d s p 板 2 交 流 输 入 插 件 电 压 切 换 箱 图2 2 机箱结构框图 2 3 1 1 数据处理插件( d s p 板) d s p 板1 和d s p 板2 是微机型保护系统的功能核心，二者为重复配置，结构及 功能完全相同。微机型保护装置的数据处理插件实质上就是一台特别设计的专业微型 计算机，继电保护程序在数字核心部件内运行，指挥各种外围接口部件运转，完成数 字信号处理，实现保护原理。 在充分考虑电力系统应用领域的特殊要求以及当前工业计算机的发展趋势的前提 下，选用了k t d s p 5 0 8 1 型号的d s p 板作为装置的数字核心部件该系统由北京康 拓公司和华中科技大学等单位联合研制，适用于电力系统恶劣运行环境要求，具有结 构紧凑、资源丰富、扩展性好、抗干扰能力强及运行可靠等优点，在当前国内工业控 制机领域处于领先水平。 k t d s p 5 0 8 1 是一块专用智能型d s pa ，d 采集板，可以实现3 2 路模拟量输入( 其 中两路可用于自检) 的同步采集和高速转换、2 4 路开关量输入以及3 0 路开关量输出。 该板采用d s p 芯片作为处理核心，可以独立完成n d 装换及数据处理。板内带有 d c - d c 模块，输出5 v 给n d 和运放部分供电，采保芯片电源1 5 v 需外加，因此 l o 华中科技大学硕士学位论文 除系统需提供+ s v 外，用户还需从用户i o 接口外加1 5 v 电源。控制板具有看门狗 和电源监测电路以保证系统工作安全可靠。 板内包括t m $ 3 2 0 v c 3 3d s p 处理器，3 4 k 3 2 位的片内r a m 存储器，2 5 6 k x 3 2 位的片外高速r a m 存储器，1 2 8 k x 8 位的只读存储器e p r o m 用于存放保护程 序，1 6 k x 8 位字节的串行e e p r o m 用于存放定值，以及1 m 8 位的带电保持 n v r a m 存储器用于存放故障报告。 该板采用的是美国l i n e a r 公司的1 6 位高速并行输出a ，d 转换器l t c l 6 0 8 ，其 优点是；体积小、功耗低、速度快、精度高，内部带有采样，保持器，内、外部基准源， 5 v 供电3 2 路模拟信号通过控制板的总线连接器端口输入至k t d s p 5 0 8 1 板，这 些信号首先经一阶r c 滤波器及采样保持器再经多路模拟开关和运放比例衰减后， 连接到a ，d 转换器的输入端上为实现3 2 路信号的同步采集，k t d s p 5 0 8 1 采用了 同时采样、分时转换的方式，即用定时触发信号启动多路同时采样，再由软件以最高 速率对设定通道数进行扫描转换。 2 4 路开关量输入信号经过光电隔离，再经数据缓冲器。输入到c p u 上。开关量 输出信号为共电源型，电源的范围为5 v 到2 4 v 。3 0 路开关量输出信号首先锁存到数 据缓冲器上，再经过光电隔离器输出。每路开关量输出均由开出使能寄存器控制，只 有当开出使能o u t e n + 为“1 ”、o u t e n - 为“0 ”时，开关量输出才能被使能，否则 开关量输出为“断”。 板内各类存储器，定时器串口，中断等所有硬件资源按照存储器访问方式统 进行编址，其地址分配情况如表2 1 所示d s p 板用户i ( 3 地址的具体分配情况见表 22 。 表2 1k t d s p 5 0 8 1 硬件地址分配 功能0 0? ，x 矗麓奄黢遣懿峨：墟瓣簸簸菠照连说辇黔j 羲明警。e 镥琢，、 e p r o m4 0 0 0 0 0 h 4 1 f f f f h 存放固化程序 片内s r a m l8 0 0 0 0 0 h 8 0 7 f f f f存放程序 片内s r b 1 28 0 9 8 0 0 h 一8 0 9 f c o h 存放数据或程序 片外s r a mc 0 0 0 0 0 h c 7 f f f f h 存放数据或程序 i o 端n1 0 0 0 0 0 h v 1 0 0 0 0 f h d s p 片外用户i o 地址 异步串行口6 0 0 0 0 0 h 6 0 0 0 0 p d读写 实时时钟7 0 0 0 0 0 h 7 0 0 0 3 f h 读写 n 佩 l la 0 0 0 0 0 h b f f f f f t t 读写 l l 华中科技大学硕士学位论文 表2 2d s p 片# f i o 寄存器地址分配 寄存器地址滂i j 譬、jj、- ：写 i j 、- 1 0 0 0 0 0 h开关量输入( 低1 6 路)开关量输出( 低1 6 路) 1 0 0 0 0 1 h开关量输入( 高8 路) 开关量输出( 高1 4 路) 1 0 0 0 0 2 ha d 采样结果板上信号灯l e d 1 0 0 0 0 3 h开外中断写通道号 1 0 0 0 0 4 h读g p s 、a o 转换状态开出使能 1 0 0 0 0 5 h 查询串口中断标志e e p r o m 写保护 1 0 0 0 0 6 h 清串口中断标志采样保持信号输出 1 0 0 0 0 7 h串行e e p r o m 读 串行e e p r o m 写 1 0 0 0 0 8 ha d 转换启动 串行e e p r o m 片选 d s p 芯片v c 3 3 有4 级外部中断，硬件上已经配置成沿触发。中断相量表指向固定 的地址，所以只要在相应的位置上安排一条跳转语句，即可跳转至相应的中断服务程序 入口。k t d s p 5 0 8 1 的4 级外部中断的使用情况如下：g p s 秒脉冲中断i n t o ；异步串口 中断i n t l ；a d 转换结束中断i n t 2 ；测频中断i n t 3 1 。由于d s p 在b o o tl o a d e r 模式下启动时会占用4 个外中断的中断服务程序入口地址。此时在系统复位后，所有 的外部中断都会被关闭，必须对端口1 0 0 0 0 3 h 进行一次读操作，才能打开外部中断，读 操作的总线速度没有要求。 2 3 1 2 管理板插件 管理板插件是微机型保护装置与外界之间的信息桥梁，它一方面接受现场运行人员或 远程控制终端发出的控制命令，以执行对保护装置的操作、调试以及数据信息获取；另 一方面则通过内部通讯对保护装置的工作情况及装置本身状态进行实时监测并能通过指 示灯和人机界面及时反映故障讯号。 4 8 5 总线管理板插件的功能包括通过 4 8 5 总线与两块d s p 板进行通 讯，接受包括来自键盘的输入， 控制液晶模块的界面显示以及担 负与保护装置外部进行通讯的任 务，如图2 3 所示。管理板插件的 处理核心选用的是美国z - w o d d 图2 3 管理板的功能 公司和r a b b e 半导体公司合作的 冁- - - - - r c m 2 2 0 0 。r c m 2 2 0 0 模块采用了r a b b i 2 0 0 0 微处理器，具有2 5 6 k 的f l a s h 及1 2 8 k 的s r a m ，4 个串口，2 6 个i o1 3 。此外模块内嵌的1 0 b a s e - t 以态网口使 1 2 华中科技大学项士学位论文 _ _ _ _ l l i _ i _ - _ _ _ _ _ - l l _ - l _ _ i _ - _ - _ - l r c m 2 2 0 0 能够通过以太网络与其他智能终端进行通讯。r a b b i t 模块r c m 2 2 0 0 的尺寸 很小，只有5 9 x 4 1 x 2 2m m ，但却提供了包括控制与通信在内的完整功能。它通过两组2 6 脚的双列插件直接安装在管理板上作为控制核心来使用刚。 2 3 1 3 交流输入插件 继电保护判断电力系统是否发生故障或处于不正常运行状态所依据的基本电量 是模拟电量。但是来自电力系统二次侧的模拟电量仍大大超越弱电元件的测量范围。 微机型保护装置的交流输入插件通过各种输入变换器将电压互感器提供的二次电压， 电流互感器提供的二次电流进一步变换，以适应弱电元件的要求；同时，输入变换器 还担负着在二次回路与继电保护装置内部电路之间实现电气隔离和电磁屏蔽的作用， 以保障人身及保护装置内部弱电元件的安全，减少来自高压设备对弱电元件的干扰嘲。 交流电压、电流信号均采用高精度的隔离变压器进行隔离变换。电流变换器可通 过调整隔离变压器副方的负荷电阻以调整电流的测量范围。针对微机型线路保护的需 要，模拟量输入接口部件提供了三相电压、零序电压、线路电压共5 个电压信号变换 通道和三相电流( 保护用) 、零序电流、三相电流( 测量用) 共7 个电流信号变换通 道。其他类型的微机型保护如发变组保护可能需要增加对直流信号的测量功能，此时 需增加相应的隔离放大器模块以实现对输入的直流信号进行隔离测量。 2 3 1 4 信号板插件 继电保护装置一方面需要确知输入开关量的状态才能正确地动作，另一方面通过开 关量输出的状态来控制执行回路、信号回路，以及其他回路的继电器的动作。信号板插 件为输入输出的开关量提供带隔离的传输通道，从而在微机型保护内外部之间实现电气 隔离，以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰。信号板的i ，0 接口采用欧式9 6 芯插座，具有抗振动、抗腐蚀能力强、可靠性高等优点，符合a t 9 6 总线标准，可较 好满足电力系统运行环境要求。 信号板对于输入的开关量，经光耦隔离后，直接送回a t 9 6 总线的对应位，不再 做其他处理。对于d s p 板输出的信号类开出量，则由其驱动相应的信号继电器动作。 信号继电器的节点部分用于控制面板信号灯，另一部分用作信号输出。此外，信号板 上启动继电器的节点还用于开放跳闸板插件的电源输入。 2 3 1 5 其他 跳闸板插件主要为些按照跳闸逻辑而组合构成的继电器组，它接受来自d s p 扳的 开关量输出并驱动相应的继电器动作以完成跳闸操作。电压切换箱用于完成不同母线电 压的切换操作。电源插件用于为微机保护装置提供正常工作所需的各类电压源。此外， 华中科技大学硕士学位论文 保护装置的液晶模块、键盘以及打印机口作为人机接口的组成部分均安装在面板上以方 便操作，由管理板控件通过保护装置母板上的a t 9 6 总线对其进行控制 2 3 2 系统的软件功能 保护系统的软件按照由下到上的分层原则可分为三部分：d s p 板的保护软件；d s p 板与管理板之间的通讯软件；管理板的管理与监控软件 2 3 2 1 保护软件的功能配置 1 数据测量：d s p 系统的数据测量在定时器中断服务程序的开始