（电气工程专业论文）基于电子式互感器的高压线路微机保护软件研究与设计.pdf

硕士学位论文 摘要 电子式互感器将以其在绝缘要求、测量精度、安全性、数字化和自动化配套 能力等方面优势，将成为传统电力互感器的理想替代品，成为未来数字化变电站 互感器技术发展的必然趋势；同时，如何实现电子式互感器与二次设备的连接已 经成为目前一个研究的热点问题。湖南大学与武汉长江通信公司签定了“与电子式 互感器接口的微机保护研究”课题，本文选题和研究工作是课题重要内容之一，具 有理论意义和实际应用价值。 首先阐述了电子式互感器的工作原理及国内外的研究现状，并对电子式互感 器的特点及其应用对二次设备及变电站自动化的影响进行了讨论；然后研究分析 了i e c 6 0 0 4 4 8 和i e c 6 1 8 5 0 9 标准中所规定的电子式互感器数字输出特性与通信 技术。合并单元的采样速率和保护设备所要求的采样率之间往往为非整数倍关系， 二次设备无法进行简单抽点采样。针对这一情况，采用了线性插值法对合并单元 采样值进行插值抽取，并对其误差估计进行了分析。经m a t l a b 计算仿真，线性插 值法的插值抽取精度高，计算方便，可以无缝地实现原设备的交流采样功能，不 改变原装置算法，减少了研究开发的工作量。 在研究了典型的高压输电线路成套微机继电保护装置功能配置的基础上，详 细论述了所采用的主要保护功能的配置及其工作原理。此外，还对软件中采用的 保护、测量算法和判据进行了深入的研究，对其中的一些算法进行了详细的推导。 保护功能模块的软件设计是整个装置软件的核心，它分为主程序、采样值接 收中断服务程序和故障处理等模块；在保护软件设计中，采用面向继电器、层次 化、模块化的软件设计新方法，完成了基于电子式互感器的线路保护软件的设计。 该方法将保护软件从上至下分成框架层、功能层和驱动层，各层之间分工明确， 接口简洁，构成了保护软件系统的有机整体；而每一层则由不同的软件模块搭建 而成。文中通过对程序框图的详解，讲述了保护软件的设计思路，并介绍了各个 功能模块的具体实现过程。 关键词：电子式互感器；微机保护；软件设计；数字接口 a b s t r a c t h a v i n gt h ea d v a n t a g e s0 fi n s u l a t i o nr e q u i r e m e n t s ，a c c u r a c y ，s e c u r i t y ，d i g i t a la n d a u t o m a t e d m a t c h i n gc a p a b i l i t y ， e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sw i l lb e c o m eai d e a l a l t e r n a t i v ef o r t h et r a d i t i o n a lp o w e rt f a n s f o r m e r a tt h es a m et i m e ，h o wt oa c h i e v et h e i n t e r f a c eb e t w e e ne l e c t r o n i ct r a n s f o f m e r sa n ds e c o n d a r ye q u i p m e n th a sb e c o m eah o t i s s u eo ft h es t u d y h u n a nu n i v e r s i t ya n dw u h a ny a n g t z e c o m m u n i c a t i o n s c o r p o r a t i o ns i g n e dt h e r e s e a r c ho nm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o ni n t e r f a c e d w i t h e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r i s s u e s ，t o p i c sa n dr e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e r i sa ni m p o r t a n t p a r to ft h es u b j e c t ，w i t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e f i r s t ，d e s c r i b e dt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra n dt h es t a t u so fs t u d y a t h o m ea n da b r o a d ，a n dd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sa n dt h e i m p a c to fi t sa p p l i c a t i o n ， t h e nr e s e a r c h e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e so f e l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r sd i g i t a lo u t p u ti nt h ei e c 6 0 0 4 4 8a n d i e c 6 1 8 5 0 9s t a n d a r d s t h es a m p l i n gr a t eo fm ua n dp r o t e c t i o nd e v i c ew a sn o tt h e s a m e ，s e c o n d a r yd e v i c e sc a nn o tp o i n to u tt h es a m p l i n gv a l u es i m p l y a i m e da t t h i s s i t u a t i o n ，u s e dl i n e a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m t os o l v ei t ，a n da n a l y z e di t se r r o r a c c o r d i n gt os i m u l a t i o no fm a t l a b ， l i n e a ri n t e r p o l a t i o nw i t hh i g hp r e c i s i o ne a s i l y f a c 订i t a t e st h er e a l i z a t i o n ，r e d u c i n gt h ew o r k l o a do ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t b a s e do nt h ec o n f i g u r a t i o n so ft y p i c a lh i g h v o l t a g et r a n s m i s s i o n l i n e r e l a y p r o t e c t i o nd e v i c e s ， d i s c u s s e di n d e t a i lt h em a i np r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o na n di t s w o r k i n gp r i n c i p l e s i na d d i t i o n ，r e s e a r c hp r o t e c t i o na l g o r i t h m sa n dm e a s u r e m e n t c r i t e r i au s e di ns o f t w a r e ，s o m eo ft h e s ea l g o r i t h m sw e r ed e r i v e di nd e t a i l p r o t e c t i o nm o d u l ew a st h ec o r e0 ft h ee n t i r es o f t w a r e ，i tw a sd i v i d e di n t ot h e m a i np r o g r a m ，t h ev a l u eo fs a m p l i n gr e c e i v i n gi n t e r r u p ts e r v i c ea n df a u l tp r o c e s s i n g m o d u l e u s e dr e l a v o r i e n t e d ，h i e r a r c h i c a l ，m o d u l a rd e s i g nm e t h o dt oc o m p l e t et h e s o f t w a r ed e s i g no fp f o t e c t i o nt h em e t h o dd i v i d e dp r o t e c t i o ns o f t w a r ei n t of r a m e w o r k l a v e r ，t h ef u n c t i o n a ll a y e ra n dl a y e rd r i v e ，w i t hac l e a rd i v i s i o no fl a b o ra n ds i m p l e i n t e r f a c e t h ep a p e re x p l a i n e dt h ep r o c e s sd i a g r a mi nd e t a i l ，a n di n t r o d u c e dd e s i g n i d e a s ，g a v et h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no ft h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e s k e yw o r d s ： e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r s ；m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ； s o f t w a r ed e s i g n ；d i g i t a li n t e r f a c e m 基于电子式互感器的高压线路微机保护软件研究与设计 插图索引 图1 1r o g o w s k i 线圈原理图3 图1 2 电容分压器原理图4 图1 3 法拉第( f a r a d a v ) 磁旋光效应原理5 图2 1 数字化输出电子式互感器结构及其接口9 图2 2 遵循i e c 6 1 8 5 0 9 1 的合并单元功能模型1 1 图2 3 通用数据集内容1 4 图2 4 通信协议栈框图1 5 图2 5 以太网的链路帧结构一1 5 图2 6a p d u 格式1 6 图2 7i e c 6 1 8 5 0 9 1 的采样值传输帧格式1 6 图2 8 传统模拟量输入接口1 8 图2 9 基于电子式互感器的数字接口1 8 图2 1 0 保护、测控装置3 2 插值采样效果图2 1 图2 1 1 保护、测控装置2 4 厅插值采样效果图2 1 图2 1 2 保护、测控装置3 2 厅插值采样效果图2 3 图2 1 3 保护、测控装置2 4 厅插值采样效果图2 3 图3 1 零序保护动作逻辑框图2 7 图3 2 圆特性阻抗元件的动作特性2 8 图3 3 多边形阻抗元件的动作特性2 9 图3 4 双端电源网络图3 0 图3 5 附加阻抗对送端测量阻抗的影响3 1 图3 6 附加阻抗对受端测量阻抗的影响3 1 图3 7 送电源端下偏特性图3 2 图3 8 受端电源端上偏特性图3 2 图3 9 偏移阻抗元件的动作特性3 2 图3 1 0 振荡闭锁元件逻辑框图一3 5 图3 1 1 不对称故障相继速动保护动作示意图3 5 图3 1 2 不对称故障相继速动保护动作示意图3 6 图3 1 3 双回线相继速动保护动作示意图3 6 图3 1 4 双回线相继速动逻辑框图3 6 图3 1 5 距离保护动作逻辑框图一3 7 v 硕士学位论文 图3 1 6 重合闸逻辑框图3 8 图4 1 短数据窗算法的数据选取4 4 图4 2 长数据窗算法的数据选取4 5 图4 3 正、反向故障时零序电压、电流的相位关系4 8 图4 4 故障选相算法流程图一5 0 图5 1 保护软件的总体结构示意框图5 1 图5 2 插值采样原理5 2 图5 3 插值采样实现过程示意图5 2 图5 4 以太网帧接收中断程序流程图5 3 图5 5 插值采样中断程序流程图5 3 图5 6 保护主程序流程图5 4 图5 7 采样值接收中断程序流程框图5 6 图5 8 故障处理流程框图5 6 图5 9 距离保护专用自检部分5 8 图5 1 0 距离保护流程框图5 9 图5 1 1 距离i 段元件流程图一6 0 图5 1 2 距离i i 段元件流程图一6 1 图5 1 3 距离i i i 段元件流程图6 1 图5 1 4 零序电流保护框图6 2 图5 1 5 零序i 段元件流程框图6 3 图5 1 6 零序i i 段元件流程框图6 3 图5 1 7 零序加速元件流程框图一6 4 图5 1 8 跳闸模块流程框图6 4 图5 1 9 重合闸模块流程框图一6 5 图5 2 0 监控模块主程序流程图6 6 图5 2 1m o d b u s 典型的报文格式6 7 图5 2 2 主方通信任务流程框图7 0 图5 2 3 从方通信任务流程框图7 0 基于电了式互感器的高压线路微机保护软件研究与设计 附表索引 表1 1 电子式互感器传感头主要实现原理3 表2 1 电子式互感器数字输出额定值1 2 表2 2 依据f t 3 的帧格式1 3 表2 3i e c 6 0 0 4 4 8 和i e c 6 1 8 5 0 9 1 通信技术比较1 7 表2 4 保护、测控装置3 2 厅插值采样点的插值误差2 2 表2 5 保护、测控装置2 4 厅插值采样点的插值误差2 2 表2 6 保护、测控装置3 2 厅插值采样点的插值误差2 4 表2 7 保护、测控装置2 4 厂，插值采样点的插值误差2 4 表3 1 偏移矩形区域的尺p 和坼的取值原则3 2 表5 1 通信应用功能的映射6 8 表5 2 请求帧报文6 8 表5 3 应答帧报文6 8 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 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 律后果由本人承担。 作者签名：厶嗣席 日期：? 砧年岁月2 岁日 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，同意学 校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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：三嗣昂 导师繇嗣有受 日期：加。彦年 月2 岁日 日期：z 口d 扩年，月2 芗日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 微机继电保护的发展及趋势 继电保护在电力系统中占有重要地位，我国从七十年代末就开始了微机继电 保护的研究，高等院校和科研院所在这里面起到了先导的作用，相继研制出了不 同原理，不同型式的微机继电保护装置。微机继电保护从二十世纪九十年代开始 在我国电网中逐步得到实际应用。随着微机保护装置的深入研究，在微机保护软 件，算法等方面也取得了很多的理论成果，我国继电保护技术已进入了微机保护 的时代，并且也带动了变电站综合自动化的发展。 当前，微机线路保护装置已广泛应用于我国电力系统中，随着微机保护的发 展，不断有新的改善继电保护性能的原理和方案出现，这些原理和方案同时也对 微机保护装置硬件提出了更高的要求。为适应我国电力事业的快速发展，满足电 力系统及其它领域对继电保护和工业自动化产品的需求，研究、开发和生产新一 代继电保护系统，并不断提高产品的技术水平已迫在眉睫。纵观继电保护技术的 发展史，其发展经历了机电式继电保护、晶体管继电保护、集成电路继电保护、 微机继电保护，每一次继电保护的发展都和电子技术、计算机技术与通信技术的 发展融合在一起，下一代的继电保护也必须和目前最新最先进的技术结合。结合 目前各领域的发展趋势可以知道未来的继电保护技术具有计算机化、网络化、智 能化、功能一体化等特点【卜4 1 。 1 计算机化 微机继电保护硬件经历了4 个发展阶段：从以8 位单片机构成的单c p u 硬件结 构，发展到由多单片机构成的多c p u 硬件结构：从1 6 位或3 2 位高性能的单片机发 展到1 6 位或3 2 位数字信号处理器为c p u 的硬件结构。随即电力系统技术的发展， 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，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，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。 2 网络化 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f 这是首要任 务) ，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 基于电子式互感器的i 岛压线路微机保护软件研究与设计 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。要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。 3 保护智能化 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，其中也包括在继电保护领域中应用的研究。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。 4 功能一体化 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。 1 2 电子式互感器概述 1 2 1 电子式互感器基本概念及特点 电子式互感器泛指电子化测量输出方式的电力系统互感器，涵盖不同的测量 原理、方法以及测量传输方式。根据i e c 标准，这类依赖于电子技术、光学技术、 现代信号处理技术的电压、电流变送器称为电子式电压互感器( e v t ) 和电子式电 流互感器( e c t ) ，两者统称为电子式互感器【5 ，6 1 。 电子式互感器基本工作原理是将一次侧高电压、大电流转变成方便传输的信 号，一般为数字信号或频率变换信号，经传输系统送到二次侧，在二次侧作一定 的处理后，以模拟量的形式或数字量的形式输出，供二次设备使用。 与传统的电磁式互感器相比，电子式互感器主要具有以下特点： ( 1 ) 电子式互感器不包含铁心，从原理上避免了磁饱和、铁磁谐振等问题， 提高了数据采集精度； ( 2 ) 电子式互感器的高压端与低压端之间采用光纤联系，避免了电磁式互感 器二次侧t a 开路和t v 短路等危险，且免除了电磁干扰； ( 3 ) 动态范围大，可进行大范围的电流测量，基于光学原理的电子式电流互 感器还可以进行直流和非周期量的测量； ( 4 ) 频率响应范围宽，可以测出高压电力线上的谐波，还可进行暂态电压电 流、高频电压电流与直流电压电流的测量； ( 5 ) 造价低、体积小、质量轻，运输与安装方便，2 2 0k v 的电子式电流互感 器质量约为1 0 0k g ； ( 6 ) 适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的趋势，电子式互 感器的输出均有数字量及模拟量，满足和适应变电站数字化的要求。 硕上学位论文 1 2 2 电子式互感器的原理及分类 电子式互感器根据高压侧是否需要供电，可以分为有源型和无源型两种：按 照测量对象的不同可以分为电子式电压互感器和电子式电流互感器。不同类型的 电子式互感器测量原理如表1 1 所示【7 1 。 表1 1 电子式互感器传感头主要实现原理 1 2 2 1 有源型电子式互感器 1 有源型电子式电流互感器 有源型电子式电流互感器主要有r o g o w s k i 线圈和低功耗铁芯线圈两种【7 1 。其 中低功耗铁芯线圈与传统电磁式互感器实现原理基本一致，主要用于计量信号的 测量；r o g o w s k i 线圈为缠绕在非铁磁性材料上的空心线圈，不会出现磁饱和及磁 滞等问题。 r o g o w s k i 线圈测量电流的基本原理如图1 1 所示，该线圈均匀绕在一个非磁 性骨架上。 图1 1r o g o w s k i 线圈原理图 根据电磁感应定律： 州一警 磁通( r o g o w s k i 线圈横截面为矩形) 为 驴。俨程i 璧搬= e 豢= 警噜 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 基于电了式互感器的高压线路微机保护软件研究与设计 所以线圈两端的电压p ( f ) 与一次电流f 的关系为 e 。一业l n 堕堕 劢r 讲 ( 1 3 ) 式中f 为导体中流过的瞬时电流，r 为r o g o w s k i 线圈骨架的任意半径，为真空磁 导率，为r o g o w s k i 绕组匝数，i i l 为骨架高度，飓为骨架外径；尺j 为骨架内径。 由式( 1 3 ) 可见，线圈的感应电动势正比于被测电流变化率。因此通过对e ( f ) 积分即可获得被测一次电流大小，实现对电流的测量。 2 有源型电子式电压互感器 有源型电子式电压互感器主要有电阻分压器原理【9 1 、电容分压器原理【1 0 1 1 1 、 串联感应分压器原理【1 2 ，1 3 】等实现形式。 图1 2 为电容分压器原理图。c 1 、c ：分别为电容分压器的高、低压臂，u ，为 被测一次电压，u n 、u f ，为分压电容上的电压。 图1 2 电容分压器原理图 根据电路理论，有： u c z2 艺u = 川( 1 4 ) 式中k c 1 ( c 1 + c ：) ，为分压器的分压比，只要适当选择c 1 和c ：的电容量，即可 得到所需的分压比，这就是电子式电压互感器的变换电压的理论基础。图1 2 所 示的电容分压器是一种理想情况，实际分压器的电容元件和大地或接地屏蔽之间 存在的杂散电容、外界电磁波的干扰、环境温度的变化等都将造成分压器测量上 的误差。 1 2 2 2 无源型电子式互感器 1 无源型电子式电流互感器 目前无源型电子式电流互感器研究较多的主要是基于法拉第( f a r a d a y ) 磁旋光 效应原理，即所谓的磁旋光效应，故也常称光学电流互感器。 当一束线性偏振光通过在磁场作用下的法拉第( f a r a d a y ) 旋光材料时，其偏转 平面因受到平行于传播方向的磁分量的作用而发生旋转，这种现象称为法拉第 硕士学位论文 ( f a r a d a y ) 效应。如图1 3 所示，偏振光的偏转角a 正比于磁场强度h 沿偏振光通 过旋光材料路径的线积分1 14 1 ，关系式为 口2 y 严硼 ( 1 5 ) l 式中j l l 为旋光材料的磁导率；y 为旋光材料的费尔德( v e r d e t ) 常数：h 为磁场强度， 为通过旋光材料偏振光的光程长度。 。 h 图1 3 法拉第( f a r a d a y ) 磁旋光效应原理 利用检偏器将偏振角的变化转换为输出光强的变化，再经光电变换及信号处 理即可得到一次电流的大小，这便是光学电流互感器的基本工作原理。 基于法拉第效应的电子式互感器测量系统具有良好的测量线性度，不仅可以 测量变化电流，而且还可对稳恒电流和非周期分量进行有效测量，不存在测量频 带问题。但传感头部分光学装置复杂，光学材质易受温度影响而影响电流测量精 度，且存在长期工作的稳定性问题，一直阻碍着其工程应用发展。 2 无源型电子式电压互感器 无源型电子式电压互感器的测量原理大致可以分为基于普克尔( p o c k e l s ) 电光 效应和基于逆压电效应【7 ，8 】两种。 普克尔( p o c k e l s ) 效应是指在外加电场作用下透过某些物质( 如电光晶体) 的光 会发生双折射，沿感生主轴方向分解的两束光由于折射率不同导致在晶体内的传 播速度不一样，从而形成了相位差。在目前的技术条件下，要对这个相位差进行 精确的直接测量，需要引入精密的光学仪器，不便集成为实用方便的测量设备， 而光强的测量技术非常成熟，所以一般都是考虑采用干涉的方法将通过晶体的相 位调制光变成振幅调制光，通过光强的检测来间接达到相位检测的目的。 基于逆压电效应的电压互感器的工作原理是当压电晶体受到外加电场作用 时，晶体除了产生极化现象外，同时形状也将产生微小变化，即产生应变，这种 现象称为逆压电效应。若将逆压电效应引起的晶体形变转化为光信号的调制并检 测光信号，则可实现电压的测量。 不论是采用电光晶体还是压电晶体作电压传感头，它们的原理都是根据晶体 在外加电场的作用下产生的电极化效应来实现电压的测量，而环境温度及应力等 外界作用也将引起晶体的附加极化并形成对电场极化的干扰，从而成为影响这类 基于电子式互感器的高压线路微机保护软件研究与设计 电子式电压互感器工作稳定性的不利因素。虽然可以采取一些措施，消除或降低 温度或外界应力对其的影响，但却使传感头光路、电路变得非常复杂，对传感头 的加工与固化工艺也提出更高要求。 1 2 3 电子式互感器的研究现状和影响 由于电子式电流电压互感器具有多方面的优点，美、日、德、英、法、中等 国均在电子式电流电压互感器的研究方面投入了大量的人力和物力。电子式互感 器的研究起始于2 0 世纪6 0 年代初，经过4 0 余年的广泛研究，已得到很大的发展。 国际上大型电气制造商已经从研发阶段到达小规模生产阶段，a b b 、 a r e v a ( a l s t o m ) 、s i e m e n s 、n x t p h a s e 等厂家可生产有源型或无源型用于高压电网 的电子式电流电压互感器的全线产品：高压侧额定电流达4 0 0 0 a ；最高电压等级 达7 6 5 k v ；准确度达到0 2 级( i e c 标准) 。输出为弱电的模拟信号及数字信号；也 可输出为强电信号。 我国哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、华北电力大学、华中科技大学、清 华大学、燕山大学、上海大学等高校进行过光学电流互感器方面的研究，其规模 较小，多处于实验室阶段。西安同维电力技术有限责任公司在磁光式电流互感器 方面研究规模较大，其产品接近实用。由于有源型电子式电流电压互感器本身的 技术较为简单，国内在此方面的研究已经达到较实用的水平；进行研究的高校有 华中科技大学、清华大学、大连理工大学、燕山大学等。南京南瑞继电保护公司、 南京新宁公司、北京浩霆光电技术公司、西安华伟公司等均可小规模地生产符合 国标的有源型电子式电流电压互感器。 电子式互感器最大的特点就是可以输出低压模拟量和数字量信号，直接用于 微机保护和电子式计量设备，适用电力系统数字化、智能化和网络化的需求。电 子式互感器的应用对间隔层保护、测控设备有了新要求：主要体现在二次设备要 具备与电子互感器数字接口及数据处理的能力【4 7 】。电子互感器的应用，改变了保 护、测控装置直接模拟采样并进行数据运算的方式，电子互感器同步采样数字信 息对装置数据运算处理有了新的要求。 由于电子式互感器的数字输出，可使用现场总线技术或网络技术实现点对点 或者过程总线通信方式，将完全取代大量的二次电缆线，彻底解决二次接线复杂 的现象，可以简化测量或保护的系统结构，减少误差源，从而减少建设投资。在 新型结构下的变电站自动化系统中，现场和控制室成堆的控制电缆、信号电缆将 被少量光纤和少量通信电缆所代替。 电子式互感器实现了数据的就地采集，并且采用光缆实现数据信号的传输， 信号采集精度高，可靠性强：数据信号源唯一，重复投资少，实现了分层控制以 及分层数据传输，提高了数据传输和应用的效率。随着通信方式的改变，加上数 硕十学位论文 字断路器控制和电子开关装置等智能电子设备的采用，使得功能不断下放，变电 站自动化系统逐步向过程层、间隔层和变电站层三层结构发展，向变电站数字化 的趋势发展【1 5 - 18 1 。 1 3 本文研究的意义及主要工作 1 3 1 研究的背景及意义 我国在沈阳变压器研究所全国互感器标准化技术委员会的主持下，参照国际 电工委员会制定的标准i e c 6 0 0 4 4 7 和i e c 6 0 0 4 4 - 8 ，并结合我国的实际情况，正 在制定相应的电子式电压互感器标准及电子式电流互感器标准。目前已经完成了 送审稿，其正式文本不久即将颁布。国际电工委员会和我国制定、发布这2 个标 准的时机也说明我国电子式互感器已经从研发阶段进入到了实用阶段。 电子式互感器采用光纤传输数字信号的方式，较完善地避免了原来由控制电 缆传输电流电压模拟量而带来的许多问题。随着电子式互感器的使用，全数字化 变电站的实现也成为可能：电子式互感器全面替代传统互感器是不可避免的趋势， 但是其推广却也存在很多困难。 电压互感器和电流互感器都是为二次设备( 特别是保护和计量装置) 服务的设 备，若是没有保护装置、测量设备，互感器也就没有存在的必要。电子式互感器 也不例外，必须同二次设备结合起来才能得到推广。但是现在国内外厂商，研制 目标都只着眼于电子式互感器的本体，而在其与二次设备的配套、兼容性上考虑 不多。如何能解决先进的电子式互感器与二次设备配套问题，是决定今后几年电 子式互感器推广速度的重要课题。因此基于电子式互感器的变电站智能设备展现 了广阔的市场前景和研究价值，值得深入研究。 1 3 2 课题来源及主要研究内容 为了推进电子式互感器的研究开发和产品化进程，2 0 0 5 年1 月，武汉长江光 网通信有限责任公司与湖南大学成立了电子式互感器应用技术研究所，签定了“与 电子式互感器接口的微机继电保护装置的研制”课题。本文选题和研究工作是该课 题重要内容之一，具有理论意义和实际应用价值。 根据章节安排顺序，本文的主要工作内容如下： ( 1 ) 简要介绍了我国微机保护的发展经历和趋势；重点介绍了电子式互感器 的背景、工作原理、应用状况及其影响。电子式互感器将以其在绝缘要求、测量 精度、安全性、数字化和自动化配套能力等方面的优势，成为未来数字化变电站 互感器技术发展的必然趋势；同时未来的变电站保护、测量等智能设备也要具备 与电子式互感器数字接口及数据处理的能力，与电子式互感器配套，这也是二次 设备将来的发展趋势之一。 基于电子式互感器的高压线路微机保护软件研究与设计 ( 2 ) 电子式互感器与保护设备接口的研究。首相对电子式互感器的数字输出 的标准化进行了研究，即i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准和i e c 6 1 8 5 0 9 标准。电子式互感器 的数字输出的标准化包括额定值标准化和通信技术；实现电子式互感器数字输出 有两种方法：一是用i e c 6 0 0 4 4 8 中描述的通信技术；二是采用i e c 6 1 8 5 0 9 1 中 描述的通信技术，文中对这两种方法进行了详细的分析和比较。最后采用线性插 值法对合并单元发送来的采样值数据进行接收和抽取处理，从而取代了原设备中 的交流采样模块，且不改变已有的成熟算法和软件模块，减少了研究开发的工作 量。 ( 3 ) 线路保护软件的配置及功能原理的分析。介绍了典型的高压线路保护配 置，且详细分析其功能原理，对于一些比较重要的功能模块进行了逻辑功能设计， 给出了相应的动作逻辑框图。 ( 4 ) 线路微机保护算法的选择。阐述了所采用的傅氏算法的信号模型基础和 理论来源，特别强调了傅氏算法的不同数学表达方式及其所产生的问题。在此基 础之上，又介绍了解微分方程算法、序分量和方向元件等算法，对其中一些算法 进行了详细的推导。 ( 5 ) 线路保护软件的设计。对基于电子式互感器的微机线路保护软件进行了 整体分析与设计。针对采样值的接收和处理，给出了前置单元软件的实现原理， 并分析了实现过程；针对保护功能，通过对程序框图的详解，讲述了保护软件的 设计思路，并介绍了各个功能模块的具体实现过程。 ( 6 ) 结论及展望。对论文展开的工作进行总结，并对有待改进的地方予以展 望。 硕上学位论文 第2 章基于电子式互感器的保护数字接口研究 电子式互感器以其不饱和、频带宽、测量范围大、体积小、安全性好等诸多 优点将逐步取代传统电力互感器。电子式互感器要想在电力系统继电保护中得到 广泛的应用，必须解决其与保护设备接口的问题。i e c 已制订了若干国际标准， 如i e c 6 0 0 4 4 7 8 和i e c 6 1 8 5 0 9 ，这些标准对电子式互感器的输出接口做了详细的 规定，并规范了合并单元与二次设备之间的串行通信接口。 2 1 电子式互感器输出功能 电子式互感器输出分数字输出和模拟输出两种，模拟输出是为了利用变电站 已有模拟接口的二次设备的一种过渡性措施，数字输出则是变电站通信对电子式 互感器的最终要求。标准i e c 6 0 0 4 4 7 8 和i e c 6 1 8 5 0 9 对其数字输出进行了详细 的阐述，标准对电子式互感器本身的功能实现不做规定，只是规定了外部可见的 函数功能及其一致性要求。 2 1 1 电子式互感器的数字化输出 对于数字化输出的电子式电流和电压互感器，其通用结构及数字输出接口如 图2 1 所示【6 ，1 9 - 2 1 1 。 一次端子 一次端子 一次端子 图2 1 数字化输出电子式互感器结构及其接口 图中所列的所有部件并非是必不可少的，这由具体的设计而决定。图中主要 组成部分的通用定义如下： ( 1 ) 一次端子 被测电量( 电流或电压) 通过的端子。 ( 2 ) 一次传感器 一种装置，产生与一次端子通过电量相对应的信号，直接或经过一次转换器 基于电子式互感器的高压线路微机保护软件研究l j 设计 传送给二次电路。 ( 3 ) 一次变换器 一种将来自一个或多个一次电流电压传感器的信号转换成适合于传输系统 的信号的装置。 ( 4 ) 传输系统 一次部件和二次部件之间传输信号的短距或长距耦合装置，也可用以传送功 率。 ( 5 ) 二次变换器 一种装置，将来自传输系统的信号转换成j 下比于一次端子电流的量，供给测 量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于模拟输出型电子式互感器，二次变换 器直接供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置，对于数字输出型电子式互感 器，二次变换器通常接至合并单元后再接二次设备。 ( 6 ) 合并单元 用以对来自二次转换器的电流和或电压数据进行时间相干组合的物理单 元。可合并多达1 2 个二次变换器数据通道的信息并按标准要求的格式组帧输出给 保护、测控设备，一个数据通道传输一个e c t 或e v t 采样测量值的单一数据流。 在多相或组合单元时，多个数据通道可以通过一个物理接口从二次变换器传输到 合并单元。 2 1 2 合并单元的功能模型 电子式互感器与二次设备的数字接口实际上就是合并单元的数字接口。 i e c 6 0 0 4 4 8 标准首次给出了合并单元( m e r g i n gu n i t ，m u ) 的定义，明确定义了所 要采集的7 个( 3 个测量，3 个保护，1 个备用) 电流和5 个( 3 个测量、保护，1 个母线， 1 个中性相) 电压信息数据通道；需要注意的是标准并未规定合并单元必须接电流、 电压互感器等共1 2 路，如没有用上的电流、电压通道应提供相应的状态标志位， 这些状态标志位也在合并单元发送给二次设备的数据帧内。i e c 6 1 8 5 0 9 1 中定义 的合并单元很大程度参考了i e c 6 0 0 4 4 8 ，包括合并单元的同步；i e c 6 1 8 5 0 9 1 定 义的数据帧内容不仅包括了i e c 6 0 0 4 4 8 定义的通用数据集，而且还添加了一些反 映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息。 根据对电子式互感器接口的功能分析，合并单元应主要完成3 个功能：同步 功能、多路数据采集和处理功能、数据网络通信功能。 ( 1 ) 同步功能：正确识别与接收外部输入的同步脉冲时钟信号( 一般来自于 g p s 接收机的秒脉冲输出、) ，根据采样率的要求，向与合并单元连接的1 2 路d 转 换电路发送同步采样转换信号。如要求对一次电流电压需每个周期采样2 4 点，即 采样率为1 2 0 0 点s ，故同步转换信号频率为1 2 0 0 h z 。 硕士学位论文 ( 2 ) 多路数据采集和处理功能：合并单元在发出同步采样命令后，将在同一 时间段内最多接收1 2 路的d 转换电路输出的数字信号，并及时将数字信号进行 适当地处理和转换，以方便后面的数据网络通信功能模块的使用。 ( 3 ) 数据网络通信功能：合并单元将各路的有效信号按照标准规定的格式组 成数据帧后发送给保护、测控设备。数据网络通信功能体现了i e c 6 0 0 4 4 8 和 i e c 6 1 8 5 0 9 在实现合并单元功能上的主要区别：前者是基于f t 3 格式进行曼彻斯 特编码发送，由于传输速率较慢( 编码前为2 5 m b p s ) ，限制了二次设备的采样率， 不适用于对采样率要求较高的计量和差动保护等；后者是基于i e e e 8 8 0 2 2 和 i s o i e c 8 8 0 2 3 ，即通过以太网进行发送，速度可达到1 0 0 m b i t s 甚至更高，相对于 i e c 6 0 0 4 4 - 8 其应用更为广泛。遵循i e c 6 1 8 5 0 9 一l 标准的合并单元功能模型如图2 2 所示。 开关量信息 图2 2 遵循i e c 6 1 8 5 0 9 1 的合并单元功能模型 2 2 电子式互感器数字输出的标准化 一次设备的集成化和数字化使间隔层( 保护、测控设备等) 的一些功能直接下 放到过程层中去完成，并用串行光纤代替大量的并行电缆来连接过程层和间隔层。 过程层和间隔层智能电子设备( i e d ) 通