（电力系统及其自动化专业论文）新型高压线路保护上层监测管理与分析系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i ci n d u s t r y , t h es c a l eo fp o w e rs y s t e mi nc h i n ae x p a n d s r a p i d l ya n d i t ss t r u c t u r eb e c o - n e sm o r ec o m p l i c a t e d i - i vt r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o f iw i t h h i g h e rp e r f o r m a n c ei su r g e n t l yd e m a n d e d a tf i r s t ，t h i sp a p e rg e n e r a l i z e st h eh i s t o r ya n d t r e n do f r e l a yp r o t e c t i o n a n d t h e nd i s c u s s e st h e d e s i g np r i n c i p l e s o fn e w t y p e m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e l a yp r o t e c t i o no f h vt 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 e o f p 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 g ed e s c r i b e di nd e t a i l t h es u p e r v i s i o n a n da n a l y s i ss o f t w a r es y s t e mf o rh vt r a n s m i s s i o nl i n er e l a yp r o t e c t i o ni sr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d t om e e td e m a n d so fm o d e m r e l a yp r o t e c t i o no p e r a t i o n t h et r e n do fr e l a yp r o t e c t i o ne n h a n c e st h ei m p o r t a n c eo fc o m m u n i c a t i o n t h ep a p e r a n a l y z e st h eg l o b a lc o m m u n i c a t i o nd e s i g no f t h en e w p r o t e c t i o ns y s t e m i e c 6 0 8 7 0 5 - 1 0 3 i sr e s e a r c h e da n da p p l i e d s u c c e s s f u l l y i nc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e e q u i p m e n ta n d s o f t w a r es y s t e m t h e p r o t o c o li si d e n t i f i e dw i t h f u l li n f o r m a t i o na n d w i d e l y e x t e n d e d t h es o f t w a r es y s t e mi s d e v e l o p e dt or e a l i z et h ep e r f e c t l ys u p e r v i s i n g ，m a n a g e m e n t ， r e c o r d i n g , d a t aa n a l y z i n ga n df r i e n d l yh m i c o n s t r u c to ft h es y s t e mi sm o d u l a r i z e d , a n d f u l l ym e e t i n g d e m a n d so f s y s t e ma p p f i c a f i o n a l s o ，p r o t e c t i o no p e r a t i o np r o c e s sa n a l y s i si sr e a l i z e d i nt h es y s t e m a n dt h ed e s i g no f t h ef u n c t i o nr e a l i z a t i o ni s e l a b o r a t e d ，i n c l u d i n gg r a p h - m o d u l ei n t e g r a t i v ed e s i g n a t i o n ， l o g i c a le l e m e n td a t a b a s e ，t o p o l o g i c a lg r a p hd r a w i n g d y n a m i c a n dv i s u a lg u ii so f f e r e dt o m e e tu s e rn e e d s a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a i nr e s u l t so ft h er e s e a r c ha r es u m m a r i z e s t h e f u r t h e rw o r ki sp o i n t e do u ta sw e l l k e y w o r d s ：h v t r a n s m i s s i o nl i n e sr e l a yp r o t e c t i o n s o f t w a r e s y s t e m s u p e r v i s i o n a n dm a n a g e m e n tf a u l td a t aa n a l y s i s i e c6 0 8 7 0 - - 5 - 1 0 3 r e l a yp r o t e c t i o no p e r a t i o na n a l y s i s 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，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：煎、 加毕年f 月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属予 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：燕豪 指导教师签名： 中莎耕艮 协v 年f 月l o 日一f 年 r 月，。日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章主要介绍微机继电保护的发展历史及趋势，综述了国内外高压线路微机保护厦其上层系 统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 继电保护技术是一个由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置 设计、继电保护运行与维护等构成的完整技术体系。得益于新兴计算处理和通信技术 的不断进步和革新，继电保护技术也得到了迅猛发展。从熔断器到模拟保护，再到微 机保护，每一次技术革新都必然导致继电保护领域的进步。 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， 这也对输电线路保护的研究设计者提出了更高的要求： 1 ) 要求采用更为科学合理的保护原理，实现更好的保护“四性”要求，即选择 性、速动性、灵敏性和可靠性。 2 ) 基于性能更优越的硬件平台设计保护装置，实现更精确的数据采集，更快速 的数据处理能力，更大的存储空间等。 3 ) 在保护的上层管理与分析软件方面，由于保护功能曰益强大，其运行监控管 理及数据分析等也趋于复杂。同时保护现场运行及设备调试等多种工况下的 需求，也对保护的上层管理分析软件提出了更为苛刻的要求。 1 2 微机继电保护发展历史及趋势 1 2 1 微机继电保护的发展历史 作为一门综合性的科学，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 华中科技大学硕士学位论文 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l l 卜p j 。 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、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 5 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， 澳大利弧新南威尔士大学的i f 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己趋成熟，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， 逐步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 行人员的广泛欢迎一j 【“。 1 - 2 1 2 微机继电保护的发展方向 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 华中科技大学硕士学位论文 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，向保护、控制、测量和数据通信一体化，标准化，智能化 发展【6 1 。 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( o t a ) 和光电压互感器( o t v ) 已在研究试验阶段，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【6 】【_ ”。 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 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1 8 j 。 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 华中科技大学硕士学位论文 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 控中心中迸行有效的数据通信。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【9 l 。 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 3 线路保护上层系统研究现状及发展 高压输电线路作为电力系统的重要组成部分，其可靠运行是关系整个系统稳定的 关键，对其进行有效管理监控，及相关故障数据分析就显得尤为重要。随着高压线路 保护的发展，其保护原理日趋复杂，系统管理功能更为烦琐，故障数据分析任务繁重， 运行人员希望保护装置能提供良好的人机接口界面，利用先进的微机技术，以各种图 形和文字的方式了解微机保护装置的实时运行情况，并能轻松地进行各种保护监控操 作和调试工作。因此对与之相配套的保护上层监测管理与分析系统( 简称上层系统) 就成为高压线路保护系统不可或缺的重要组成部分。 1 3 1 线路保护上层系统的发展趋势 早期的保护上层软件主要完成一些基本操作，如保护参数设定或是保护数据管理 等简单功能【l o l f l ”。随着微处理技术和数据采集技术的进步，现有的保护测量设备能采 集和处理更多的数据信息，为更为完善的上层管理和详尽的数据分析提供了先决条 件。同时用户对设备现场运行及调试等要求的不断增多，诸如更完善的故障数据分析 功能，可视化的保护动作逻辑分析，更友善的人机界面等。因此原先功能单一的上层 系统已经不能满足要求，功能全面，人机界面友善的上层系统应运而生【1 2 - - 侣】。 为适应这一需求，国内外知名厂商都积极开发出功能更为强大完善的线路保护上 层管理分析系统。德国s l m e n s 的线路保护上层系统d l g s lv 3 采用功能模块化设计， 除实现一般的保护定值管理外，还有录波数据分析、远程通信控制等功能。在国内， 保护上层系统软件设计也得到了长足发展。以国电南自的数字式保护管理软件 ( p s v i e w ) 为例，该软件主要应用于国电南自的p s l 6 2 0 系列和p s l 6 0 0 系列保护 4 华中科技大学硕士学位论文 设备的调试分析和现场管理。该上层软件系统不仅兼容了保护的一般管理功能，包括 定值设置管理、故障事件查询等基本功能，尤其添加了故障数据分析功能。随着保护 硬件平台的增强，保护自身录波功能也日益强大，故障数据分析功能实现了对保护故 障报告的数据分析，包括有：波形分析和矢量分析等。为适应新型保护调试及现场管 理的需要，国内外知名厂家，包括南自，南瑞，四方，a b b ，s i m e n s 等，都推出了 功能强大的新一代保护上层管理分析系统。 总的说来，为满足保护现场运行及调试分析等需求，新一代的高压线路保护上层 系统必须具备以下几个方面的要求： 1 ) 功能更为完善。要求能完成线路监测、保护管理、故障录波、数据分析等功 能，应用在现场运行和设备调试等环境。 2 ) 满足标准化和网络化的需求。主要是传输协议的标准化和保护信息的网络化 传输等。 3 ) 可视化。可视化包含有数据波形分析的可视化，保护动作流程的可视化等， 主要是指能提供图形化的界面以方便现场运行人员进行运行监视和数据分 析。 1 3 2 线路保护上层系统设计原则 线路保护上层系统作为一个开放的软件体系，其开发设计必须遵循相应的软件开 发设计原则【1 6 】一【1 8 】： 1 _ 可靠性和安全性 软件的可靠性毫无疑问是最为重要的，尤其是电力生产管理类软件关系着电力生 产的不间断正常运行。要实现软件的可靠性设计，就需要良好的软件系统规划，模块 化的结构，细致的软件代码编写，以及科学全面的软件测试。总之软件的可靠性要求 是一个贯穿整个软件系统设计全过程的最重要的原则和要求。与可靠性相关的是容错 性。对于大型的软件系统而言，要实现完全没有任何甚至很微小的b u g 是很难的。因 此引入容错性正是为了防止潜在的不正确与不精确因素引发灾难，系统为此设计相应 的安全措施。此外，随着电力通信传输的网络化，对电力系统的软件系统的安全性也 提出了更高的要求。 2 可重用性和易扩展性 将具有一定集成度并可以重复使用的软件组成单元称为软构件( s o f t w a r e c o m p o n e n t ) 。软件复用可以表述为：构造新的软件系统可以不必每次从零做起，直接 使用已有的软构件，即可组装( 或加以合理修改) 成新的系统。复用方法合理化并简 化了软件开发过程，减少了总的开发工作量与维护代价，既降低了软件的成本又提高 华中科技大学硕士学位论文 了生产率。另一方面，由于软构件是经过反复使用验证的，自身具有较高的质量。因 此由软构件组成的新系统也具有较高的质量。复用的一种方式是原封不动地使用现成 的软构件，另一种方式是对现成的软构件进行必要的扩充后再使用。可复用性好的程 序一般也具有良好的可扩充性。 实现软件系统的扩展性和可重用性的前提是模块化的软件结构设计。在设计中， 惯性地从功能上划分模块，保持“功能独立”是模块化设计的基本原则。因为，“功 能独立”的模块可以降低开发、测试、维护等阶段的代价。但是“功能独立”并不意 味着模块之间保持绝对的孤立。一个系统要完成某项任务，需要各个模块相互配合才 能实现，此时模块之间就要进行信息交流。模块设计包含的三个特征因素：“信息隐 藏”、“内聚与耦合”和“封闭一开放性”。信息隐藏原则表明应该让模块仅仅公开必 须要让外界知道的内容，而隐藏其它一切内容。模块的信息隐藏可以通过接1 2 1 设计来 实现。一个模块仅提供有限个接口( i n t e r f a c e ) ，执行模块的功能或与模块交流信息必 须且只须通过调用公有接口来实现。实现信息隐藏的方式可以是c + + 对象的公有函 数，或者是c o m 对象接口等。如果一个模块可以作为一个独立体被其它程序引用， 则称模块具有封闭性。如果一个模块可以被扩充，则称模块具有开放性。模块的“封 闭一开放性”对应软件质量因素中的可复用性和可扩充性。采用面向过程的方法进行 程序设计，很难开发出既具有封闭性又具有开放性的模块。采用面向对象设计方法可 以较好地解决这个问题。 3 易用性与直观友善的人机界面 易用性是指用户感觉使用软件的难易程度。鼠标和命令菜单的双重用户指令支持， 全中文化的菜单显式，以及友善的系统提示和适用指南等都极大的提高了系统的易用 性。美观友善的用户界面能消除用户由感觉引起的乏味、紧张和疲劳，大大提高用户 的工作效率，从而可以进一步发挥用户技能和有益于用户完成任务。此外，界面设计 还要充分考虑界面的合适性和一致性风格等。保护上层软件系统属于工程应用类软 件，因此其界面必须与其功能应用相融洽，简洁美观大方是其设计的基本准则。 1 4 论文的主要工作及章节安排 本文首先对微机保护的发展历史及趋势进行了综述性的介绍，对新型微机线路保 护系统的总体设计方案进行了分析与研究，对系统的硬件构成和软件的功能配置进行 了详细的阐述。为满足现场运行需要，结合同类保护上层系统的开发经验，对线路保 护的上层系统的功能扩展进行了研究，采用面向对象和组态化等技术对上层系统的软 件实现进行了深入探讨和研究。 论文第一章简要概述了电力系统微机继电保护及其上层系统的发展历史和趋势， 华中科技大学硕士学位论文 最后介绍了本论文所作的工作以及论文章节的安排。 论文第二章从整体结构出发介绍了新型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。 论文第三章主要对国际标准规约i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 在该保护上层软件系统中的应 用实现进行阐述，该规约是针对不同继电保护设备和控制系统之间实现信息互换而制 定的，具有完备的信息传输定义和很好的通用兼容性。 论文第四章详细阐述高压线路保护上层监测管理与分析系统的模块化结构设计 思路，以及系统实时监测、系统管理、故障录波、数据分析等功能实现。 论文第五章主要介绍保护动作流程分析作为重要新增功能在该保护上层系统中 的实现。详细叙述了保护动作流程分析功能实现原理，图模一体化思路和面向对象的 逻辑元件库，以及逻辑拓扑图形的绘制与显示，实现动态化、可视化的保护动作流程 分析功能。 论文最后一章对本课题的研究成果以及高压线路保护及其上层系统的发展做了 总结和展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 新型高压线路保护系统总体方案 新型微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 引言 。 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 保护基本配置、原理与算法 电力系统输电线路因各种原因可能发生相间或接地短路故障，必须有相应的保护 判据来识别这些故障。电力系统继电保护和安全自动装置技术规程中规定，对于 3 k v 及以上的电力设备和线路的短路故障，应有主保护和后备保护；对于电压等级在 2 2 0 k v 以上的线路，应考虑或者必须装设双重化的主保护，对于整个线路的故障，应 无延时控制其断路器跳闸。纵联保护、电流电压保护、距离保护和零序电流保护是电 力系统高压输电线路的主要保护方式。对于高压电网，由于输电线路通常要经过山区 地带，接地短路时过渡电阻很大，相应原理的保护必须具备足够的反应过渡电阻短路 的能力。 2 _ 2 1 保护配置 不同电压等级对线路保护的功能配置有不同的要求。考虑现场运行的实际需求， 本保护按如下方式配置： 1 主保护：由正序电压突变量正、反方向元件和零序正、反方向元件组成的方 向纵联保护；快速i 段保护：瞬时反时限过流保护； 2 后备保护：独立快速跳闸段( 突变量距离继电器) ；三段式相间距离保护；三 段式接地距离保护；零序电流速切保护及反时限零序电流保护； 华中科技大学硕士学位论文 3 单相三相综合重合闸及其他辅助功能。 2 2 2 保护算法 微机型保护装置为了计算各次诣波的相量，采用全周或半周傅氏算法。傅式算法 对于周期函数信号有很好的滤波性能，但是当输入信号含有衰减直流分量时，其计算 结果误差较大。为减小衰减直流分量的影响，在实际应用中应先对输入信号施行一次 差分滤波，即通过差分与傅氏变换的结合来提高算法的计算精度。 微机型保护为改善其动作性能常采用反时限动作特性，即需采用变数据窗的估计 算法。变窗傅氏算法( 即长、短窗结合的傅氏算法) 的最小数据窗长度为半个基频周 期，因此，基于傅氏算法的保护的动作时间不可能快于l o m s 。此外，变窗傅氏算法的 窗口长度不畿随采样值的增多而连续扩展，在故障后l o 2 0 m s 时段内，算法本身的 滤波性能没有得到改善( 与半周傅氏算法相同) 。而递推最小二乘算法的一个突出特 点是其数据窗将随着采样值的增多而自动延长，算法的估计精度也随之逐步得到改 善。因此，非常有利于构成保护的反时限动作特性。 本保护系统在一个基频周期以内采用最小二乘算法以改善保护动作性能，当超过 一个周期时采用差分与傅式变换结合的算法以提高计算精度。 此外，本保护为了保证各种故障都能够灵敏的启动，采用了基于三相同时刻采样值 和基于零序电流相结合的启动方案，并设置了静稳启动元件判别系统静稳破坏。 2 3 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，实现前述保护原理。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 3 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 1 9 o 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，在支持采用复杂的新原理和高性能数字滤波器及算法等方面应留 9 华中科技大学硕士学位论文 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 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 3 2 分层式系统架构 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；上层管理机对微机保护装置的监控则通过外部通讯通道实现。此外，管理 板上还保留了与综合自动化系统的通信接口。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。 一一 图2 1 分层式微机保护系统示意图 2 3 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 0 华中科技大学硕士学位论文 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及功能进行投退婵j 。在实际使用中由用户根 据需要选择不同的保护原理和功能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。 2 3 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：通过可视化的 保护动作流程分析，提供更为便利的故障分析或故障回放的手段，增进运行经验的积 累。 2 3 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，且复用性和通用性较差。 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，将每一种基本的继电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 3 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，即对其不作或作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 华中科技大学硕士学位论文 护数据信息的通讯要求等等。 2 4 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，后果菲常严重。因而高压线路的继电傈护对于可靠性、选择性、 快速性和灵敏性的要求高于中低压保护，般常采用冗余配置以提高保护装置的可靠 性【2 0 l 。 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。两个数字信号处理器的功能完全一致，与外围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、 选相、逻辑出口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 4 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、入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 为铆，介绍各个硬件单元的结构与功能。 跳信管dd 交 闸 号理ss 流 电 板板 电 援p p 输 压 插插 源 插板板 入 切 插 换 件件件12箱 件 图2 2 枧箱结构框图 2 4 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 华中科技大学硕士学位论文 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 p 数字信号处理板，由它实现继电保护的主 要功能。板内包括t m s 3 2 0 v c 3 3 d s p 处理器，3 4 k 3 2 位的片内r a m 存储器，2 5 6 k 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。 该板还集成了以下功能电路：d 采集，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a ，d 转换及数据处理。板内带有d c d c 模块，输出5 v 给a ，d 和运放部分供电，采保芯片电源1 5 v 需外加，因此除系统 需提供+ 5 v 外，用户还需从用户i o 接m # t , m 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。 该板采用的是美国l i n 已气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，再由软件快速对 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一 进行编址，其地址分配情况如表2 1 所示。d s p 板用户i o 地址的具体分配情况见表 华中科技大学硕士学位论文 2 2 。 表2 1k t d s p 5 0 8 1 硬件地址分配 功麓物理地址说明 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 h存放程序 + 片内s r a m 28 0 9 8 0 0 h 8 0 9 f c o h存放数据或程序 片# f s r a mc 0 0 0 0 0 h c ? f f f f h存放数据或程序 i o 端口1 0 0 0 0 0 h 1 0 0 0 0 f hd 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 f h读写 实时时钟 7 0 0 0 0 0 h 7 0 0 0 3 f h读写 n v r a ma 0 0 0 0 0 h b f f f f f h读写 表2 ，2d s p 片# 1 - i o 寄存器地址分配 i o 寄存器地址读写 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 d 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 l d 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 h a 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 l 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 i ；a d 转换结束中断i n t 2 ：测频中断1 - , , 2 3 r 2 ”。由于d s p 在b o o t l 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。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 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 图乏3 管理板的功能 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 信，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( 如与保护上层系统的通 信) ，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 r l d 公司和r a b b i t 半导体公司合作的产品r c m 2 2 0 0 。r c m 2 2 0 0 模块采用了 r a b b i t2 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f o 口。 此外模块内嵌的1 0 b a s e - t 以太网口使r c m 2 2 0 0 能够通过以太网络与其他