（电力系统及其自动化专业论文）联合扩大单元变压器组微机保护管理与通信系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 i l m l l a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h el a r g eg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e r ( g - t ) u n i t s ，w h o s ec a p a c i t i e se q u a lt o o rm o r et h a n3 0 0mw - h a v eb e e nb e c o m i n gt h em a i nu n i t si np o w e rs y s t e mo f o u rc o u n t r y i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ep r o t e c t i o no fl a r g et r a n s f o r m e r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o p r o c e s s o r , t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yh a ss p r e a dt h r o u g h a l lf i e l d sa b o u tt h e p r o t e c t i o n o ft r a n s f o r m e r s b u tt h e i n t e l l i g e n t i z i n g a n di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t l e v e lo ft h e p r o t e c t i o nd e v i c e sc a i l n o tm e e t t h ee x p e c t a t i o n s oi ti sn e c e s s a r ya n du s e f u lt od e v e l o pa n 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 mf o rt r a n s f o r m e r s ，b 3 ，u s i n gn e wt e c h n o l o g i e s o f m i e r o p r o c e s s o r a n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 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 dr e s e a r c hs t a t u so f p r o t e c t i o ns y s t e mf o r l a r g e t r a n s f o r m e r s ，a n d d i s c u s s e st h em a i n p r o b l e m s a n d d e v e l o p i n g o r i e n t a t i o n f u r t h e r m o r e ，ad e s i g no fm 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 mf o ru n i t e da n de x p a n d e d t r a n s f o r m e ru n i t si sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi so n eo f t h em o s t p i v o t a lt e c h n o l o g i e si nt h i ss y s t e m i n t h i s p a p e r , t h e f e a t u r e so fc o m m u n i c a t i o ni s a n a l y z e d a n dan e wc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li sp r e s e n t e d a tt h ep r o t e c t i o ne q u i p m e n t ，i no r d e rt od e a lw i mm o r ei n f o r m a t i o ni nl e s st i m e s e v e r a lk i n d so fc p ua r eu s e dt ow o r k p a r a l l e l l y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em a i nf u n c t i o n s o f s o f t w a r ea n dt h et e c h n o l o g i e st oi m p l e m e n tt h e m d u r i n gt h es o f t w a r ed e s i g nf o rt h em a n a g e m e n te q u i p m e n t ，t h et h i n k i n go fo r i e n t o b j e c td e s i g ni sa p p l i e d t h es o f t w a r e s t r u c t u r ei n c l u d e st h r e em a i np a r t s ：o p e r a t i o n m a n a g e m e n t ， c o m m u n i c a t i o na n dd a t a a n a l y s i s t h e m a i nf u n c t i o n sa n d p i v o t a l t e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ed y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sf o rt h et r a n s f o r m e ru n i t s p r o t e c t i o ns y s t e mp r o t o t y p ei si n t r o d u c e d t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c e o f t h e p r o t o t y p e d e v i c eh a sa c h i e v e dt h es y s t e md e s i g ng o a l s k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r , 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 ，m a n a g e m e n ts y s t e m ， d a t aa n a l y s i s ，c o m m u n i c a t i o n ，r s 一4 8 5 n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 摘要 本章简要概述了电力系统继电保护的发展过程，综述了国内外变压器微 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 随着科学技术的发展，特别是电子技术、计算机技术和通信技术的发展，电力 系统继电保护先后经历了不同的发展时期。二十世纪5 0 年代、6 0 年代是机电式继 电保护，7 0 年代采用的是晶体管继电保护，而到了8 0 年代，集成电路保护取代了 晶体管保护，发展到9 0 年代，继电保护技术已经进入微机保护时代，它不仅具有传 统的保护功能，还增加了实时参数显示、故障录波与分析等附加功能。进入二十 一世纪以来，计算机技术和网络通信技术的飞速发展极大地促进了微机继电保护系 统的发展，其保护功能日趋完善，速度和可靠性越来越高。多年的实际运行经验表 明，微机继电保护系统与传统的继电保护系统相比具有保护完善、功能齐全、可靠 性高、维护少，便于统一管理和调度，易实现变电站的无人值守等优点。它将逐步 取代传统的继电保护系统，是继电保护系统未来发展的主要方向”1 。 随着发电机单机容量的迅速增大，对发电机一变压器组本身乃至电力系统的安 全可靠运行的要求越来越高。大型发电机、变压器结构复杂、造价昂贵，一旦发生 严重故障而损坏，会给维修工作带来很大困难，造成经济上的重大损失b 。正在运 行的变压器保护设备中，传统的保护装置仍然占有相当的比例。这些保护装置大多 运行多年，原理落后，硬件老化，维护困难，难以满足机组以及电力系统的安全运 行需要。丽微机保护装置由于其高可靠性、高灵敏度、配置灵活、人机界面友好等 优点，正逐步成为大型和超大型变压器的主要保护设备。经过数年的理论研究与运 行实践，变压器微机保护装置在原理和软硬件上都取得了长足的进步，具有传统的 保护装置所无法比拟的优越性。因此，开发高性能的变压器微机保护装置代替传统 的保护装置是当前继电保护科研工作者的一项紧迫的任务。葛洲坝大江电厂主变压 器组采用联合扩大单元接线方式，其原来的保护系统采用的是阿城继电器厂生产的 集成电路型保护装置，该装置从投运至今已多年，元件老化，给运行和维护带来很 大困难，严重威胁着机组的安全和系统的供电可靠性，为此，华中科技大学与能达 通用电气股份合作公司联合研制出新型微机变压器组保护装置，以更好地满足机组 1 华中科技大学硕士学位论文 以及系统安全稳定运行的需要。 1 2 变压器微机保护的研究现状和发展趋势 变压器是电力系统中的重要设备，特别是在单机容量为3 0 0 m w 及以上的发变组 单元中，更是具有非常重要的地位。大型变压器的安全稳定运行，直接关系到电网 的安全稳定运行，所以大型变压器继电保护的研究直是继电保护科研工作的一个 重要方向，大型变压器继电保护动作的可靠性、灵敏性、选择性和快速性一直是从 事变压器保护的科研人员孜孜以求的目标。 ， 变压器内部的电磁关系比较复杂，其故障机理的描述也比较复杂，因此如何构 成高性能的变压器保护历来就是继电保护研究的难点之一。由于大型变压器微机保 护装置技术含量高，最初只有国外个别著名的电气设备公司能开发生产相关产品， 例如g e 公司、a b b 公司等。这些国外的保护装置结构紧凑，工艺水平较高人机接 口良好，与国内的变压器保护产品相比，它们问世较早，具有更丰富的现场运行经 验。 随着我国电力工业的迅速发展，我国电力系统主设备的微机型继电保护有了长 足的进步。从1 9 8 9 年至今，先后有多套适用于发电机一变压器组的微机保护系统通 过鉴定，并相继投入运行。从动模试验和现场运行情况看，我国的微机型变压器保 护的主要算法和实现方案已基本成熟，已有多种型号的微机变压器保护能够满足我 国现行标准的要求盯3 。 和国外变压器微机保护产品相比，国内的产品在结构和制造工艺方面仍存在一 定差距。但是国内研制的装置在保护新原理的应用以及动作性能上具有一定的优势， 保护配置也更符合国内要求，并且在装置试验调试的时候，国产保护使用更加方便 一 吒 就目前国内外生产的微机保护装置来看，尽管已经取得了巨大的成就，但是还 没有达到尽善尽美的程度，在硬件结构，人机界面，保护的信息记录，信息的输出 方式，保护的通信功能等方面仍有待于改进。这些不足之处影响了微机保护综合效 能的充分发挥陋 。为了充分发挥微机保护的综合效能，国内外的科研工作者在进行 着不断的探讨。微机保护系统未来的发展趋势是向傻瓜化，人工智能化，网络化， 保护、控制、测量、数据通信一体化，标准化方向发展m 。 一、傻瓜化 一 2 华中科技大学硕士学位论文 对现有的保护设备进行整定、调试维护是一项专业性很强的工作。运行人员要 面对各种各样的定值，加上保护设备的人机交互界面往往过于简陋，不仅增添了运 行人员工作的难度，增加了出错的可能，而且还增加了对运行人员的培训时间和费 用。为了方便运行人员的操作，减少他们的工作量，可以充分利用微机的数据处理 能力简化用户的操作，例如减少定值的个数，同时为用户提供所见即所得的人机 界面，例如以表格或图形的方式显示保护信息，提供软压板来方便地控制保护的投 退等。 二、人工智能化 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 系统多个领域都得到了应用，在继电保护领域的应用研究也逐渐成为一个研究的热 点，并取得了一些初步的成果。神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出 方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则可很快求解。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。在保护计算中将这些 人工智能方法适当结合可使求解速度更快。随着人工智能技术的同渐成熟，人工智 能技术在继电保护领域也会逐步得到应用“o f 川”2 1 。 三、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。国外早巳提出过系 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( 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。 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有很长的时间，也驳得了一定的成果， 一一 3 华中科技大学硕士学位论文 但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应，必须获得更多旷系统运行 和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做到这点阳 。 由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护的性能和可靠性，是微机保 护发展的种趋势。 四、保护、控制、捆量、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任何信息和数据，也可将它所获得的被侣任何 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、种妒滑信功能， 亦即实现保护、控制、测量、数据通信体化“。 目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，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 需要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、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设备祷被保护 设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主控室，则 可免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质，还可免除电磁干扰。现 在光电流互感器( 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。在采用o t a 和o t v 的情况下，保护装置应放在距o t a 和o t v 最近的 地方，亦即应放在被保护设备附近。o t a 和o t v 的光信号输入到此一体化装置中并 转换成电信号后，一方面用作保护的计算判断；另一方面作为测量量，通过网络送 到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装置， 由此一体化装置执行对断路器的操作旧 。 五、标准化 近年来，大量的微机保护装置投入运行，各种保护装置的硬件、软件不规范的 问题日益突出。不同厂家提供的硬件平台、软件界面和通信接口差异很大，通用性 差，严重影响了电厂和变电站综合自动化的进程。 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， 微机保护也需要不断的升级换代。由于不同保护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 4 华中科技大学硕士学位论文 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，即新一代的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作坊模式，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m 。 在软件上，现在开发生产的微机保护大多带有录波功能，各个厂家生产的保护 装置记录的信息不一样，数据的存储格式不一样，并且使用自带的分析软件，因而 运行维护人员要分析某一保护记录的数据，必须用对应厂家的分析软件，并且要学 习该软件的用法，给他们的工作带来极大不便。因此，有必要制定一种通用的数据 记录格式，只需要使用通用的数据分析软件就可以对所有保护记录的数据进行分析。 另外，各个厂家的保护装置提供的对外通信接口和通信协议不尽相同，不利于微机 保护信息管理系统的建设。因此，在新的微机保护系统中，对外通信协议应该采用 标准的通信规约。 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 本论文的主要工作和章节安排 论文工作围绕葛洲坝大江电厂联合扩大单元变压器组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，根据现场要求和机组特点， 对联合扩大单元变压器组微机保护系统进行了总体方案设计。本文作者参与了葛洲 坝大江电厂联合扩大单元变压器组微机保护装置的研制，重点对该系统中的上层管 理与分析以及整个系统的通信进行了研究、开发，并参与了对整个系统进行的全面 的静态和动态模拟测试。 此外，在攻读硕士学位期间，本文作者还参与了大型发电机一变压器组监录与分 析系统的研制，主要承担监录系统记录数据综合分析软件的研究与开发。限于篇幅， 没有收入本论文。 5 华中科技大学硕士学位论文 本论文章节安排和主要内容如下： 论文第一章简要概述了电力系统继电保护的发展历史，综述了微机型变压器保 护的国内外研究现状以及发展趋势，最后介绍了本论文所作的工作以及论文章节的 安排。 论文第二章介绍了从整体结构出发的联合扩大单元变压器组微机保护系统的设 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，包括系统的保 护配置、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 通信和对外通信的方案，并对装置内部通信协议进行了详细的阐述。 论文第四章介绍了变压器组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。重点对系统的保护原理与算法、多c p u 的并行工作以及通信技术进 行了论述。 论文第五章介绍了变压器组微机保护上层管理与分析子系统的基本功能及特 点，重点论述了通信模块及其实现技术，以及数据综合分析模块的数据记录格式和 主要功能。 为了检测联合扩大单元变压器组微机保护系统的可靠性和功能实现，对所研发 的装置进行了全面的静态和动态模拟测试。论文第六章介绍了动模试验方案、主要 实验项目和结果，并对试验结果进行了分析和总结。 论文第七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 联合扩大单元变压器组微机保护系统的总体方案 摘要 联合扩大单元变压器组微机保护系统在传统变压器保护装置的基础上， 进行了功能扩展。本章系统介绍了变压器组微机保护系统的主要设计原则和要达到 的设计目标，从系统的保护配置、硬件基本结构以及软件的基本功能等方面，分析 了如何从整体上来完善其保护功能。 2 1 引言 大型变压器造价昂贵、结构复杂，一旦发生故障而遭到破坏时，其检修难度大， 检修刚间长，会造成经济上的重大损失。此外，大型变压器的事故切除会给电力系 统造成较大的扰动，影响电网的安全运行。因此，在考虑大型变压器组继电保护方 案时，应从整体角度出发最大限度地保证变压器组安全；一旦发生事故，又要尽可 能地缩小故障破坏范围。这不仅要求单个保护继电器具有良好的可靠性、灵敏性、 选择性和快速性，在保护配置上还应做到完善、合理，同时要力求避免繁琐、复杂。 由于变压器内部短路后果严重，因此对于反应变压器内部短路故障的主保护应采用 双重化甚至多重化配置，并采用不同的保护原理实现。传统的模拟式保护装置已不 能完全满足大型变压器继电保护的需要。而微机保护装置由于其高可靠性、高灵敏 度和配置灵活等显著优点目前正逐步成为大型和超大型变压器的主要保护设备。 经过数年的运行实践，国内的变压器微机保护装置积累了许多宝贵的经验，同 时也暴露出一些不足，需要在总结这些经验教训的基础上进一步提高装置的性能。 另一方面，国内三峡工程、二滩水电站等项目的上马，使得开发性能更高，保护配 置更完备的继保装置的任务更加紧迫。近年来，在科研工作者的不断努力下，一些 高性能的保护新原理被开发并得到了实际应用；计算机和相关科学的进步，也为大 型变压器组微机保护技术的创新提供了物质基础h “。 2 2 系统的设计原则和特点 由于微机拥有强大的信息存储、交换和处理能力，使得新型的变压器组微机保 护系统不仅在单项保护原理和性能上，更重要的是在大型变压器组继电保护整体结 构、配置方案以及设计思想上发生重大变化，以达到最佳的保护效果。新型变压器 组微机保护系统的设计借鉴了以往变压器微机保护及发变组录波装置的研发经验， 7 华中科技大学硕士学位论文 较全面地考虑了运行现场对变压器组的保护、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要求。在系统设计中，主要遵循以下基本设计原则。 一、一体化设计 系统集保护、管理、监测、录波、分析、通信于一体，除了完成常规的保护功 能外，还提供了通道波形检测、故障录波、数据分析、对外通信等辅助功能，使得 整个系统功能更加强大，智能化程度更高 1 ”。 二、分层分布式设计 目前国内外的变压器组保护系统构成主要有三种：集中式、分散式和主从式。 在实际应用中，它们都各有优缺点。其中，主从式结构由一个管理系统与多个子系 统构成，各子系统共同承担保护功能，管理系统主要完成对各子系统的调试、维护 及运行管理等功能，各系统之间依靠数字通信网进行信息交换，这种依靠通信网的 联系既不破坏各子系统的相互独立性，又达到了统一管理的目的，对于大型变压器 组保护而言，是一种比较适宜的结构方式。因此，本文采用以工业控制机为主的基 于总线网络的主从式硬件结构方案。每套装簧由一台上层管理机和两台下层保护子 系统通过网络构成，由上层机完成系统管理和人机对话，下层子系统完成保护及数 据采集等功能“。 三、面向对象的软件设计 上层管理机采用w i n d o w s 界面，用v i s u a lc + + 作为丌发工具。由于每台上层机 要管理几台下层机，如果仍采用传统的面向过程的设计方法，就会使系统的软件开 发效率低下，修改和扩展困难，因此，在软件的设计中贯彻了面向对象的设计思想。 每台下层机的功能基本相同，上层管理机对每台下层机的操作基本相同，因此将可 以每台下层机看作一个对象，利用类的封装与继承，方便地实现对各台下层机的管 理。 四、商性能的硬件平台 系统采用由北京康拓公司和华中科技大学等单位联合研制的a p c i s 0 0 0 系列工控 机作为硬件平台。a p c i 5 0 0 0 型专用工业控制机具有结构紧凑、资源丰富、扩展性好、 抗干扰能力强及运行可靠等优点，将其作为保护系统的硬件平台可以大大提高保护 的性能。另外，在上层机采用带触摸屏的真彩液品显示器，极大地方便了对保护系 统的操作“。 五、灵活的保护配置 华中科技大学硕士学位论文 不同的运行环境对变压器保护的要求不同，因此，在保护功能设计上，系统提 供多种不同原理的保护供用户选择。用户可以制定出适合于特定变压器的保护配置 方案，并通过保护投退软压板方便地对各种保护原理进行投退幢旺”。 六、强化录波分析功能，提高装置透明度 系统强化了录波功能，能够记录故障前后共8 个周波故障数据和流程数据，并 且提供了丰富的数据分析功能，除了可以分析谐波、相量、序量等基本的电气量外， 还可以分析保护动作时的数值以及动作流程，为分析保护的动作行为提供可以信赖 的依据。 七、优化 机界面，简化现场操作 上层管理系统采用w i n d o w s 界面，全中文菜单及对话框，布局简洁合理，人机 交互方便，有利于现场的管理与维护。 2 3 保护的配置方案 葛洲坝大江电厂主变压器组的接线采用联合扩大单元接线方式，其主接线如图 2 1 所示，两台3 0 0 m v a 的变压器，高压侧经约l 公里的架空线至大江5 0 0 k v 开关站， 图2 】葛洲坝人江电厂主接线l 芏| # 母线 9 华中科技大学硕士学位论文 开关站侧为3 2 断路器接线，每台变压器的低压侧接有两台发电机和台厂用变压 器( 或制动电阻分支) 。保护要求在主变压器进线到变电所断路器范围内的故障能迅 速地切除。遵循5 0 0 k v 保护双重化的原则，配备了主变压器组短架空输电线差 动保护( 简称大差) 、主变压器差动保护( 简称变差) 、短架空输电线路保护( 简称 短差) 和主变压器后备保护( 简称后备) 。保护配置三个屏，其中变差和后备保护组 成一个屏( 两台主变压器各配一屏) ，短差保护和大差保护构成一个屏。保护的配 置种类及多重化完全遵循大型水轮发电机组保护的技术规范，实现了主保护双重化， 并且放在不同的屏柜内，避免因任何一处故障使主保护功能丧失招“。 2 4 系统的基本硬件结构 装置采用如图2 2 所示的分层式结 构：主要包括上层机和下层机两大部 分。 一、装置的总体介绍 装置的硬件平台，采用的是北京康 拓公司与华中科技大学、葛洲坝能达 电气公司联合开发的a p c i 5 0 0 0 系列工 业控制机。a p c i 5 0 0 0 系列工控机采用 图2 2 系统总体结构框图 欧洲直插式工业结构，同时支持和i s a 总线兼容的a t 9 6 总线及与p c i 总线兼容的 c o m p a c t p c i 总线，总线传输速度达1 3 2 m b p s 。a p c i 5 0 0 0 系列工控机取消了康拓s t d 工控机模板的金手指插接和扁平电缆连接进行信号交互方式母板采用标准9 6 芯 针孔连接器，用户i o 接口为欧式9 6 芯插座，通过无源母板上的9 6 芯压接插头引 线，从而使系统具有更高的可靠性。a t 9 6 机箱高度为6 u ，具有强的抗电磁辐射干 扰能力。 二、上层机硬件介绍 上层机为一个单独的机箱，包括4 8 6 板( a p c i 5 0 9 4 ) ，信号板和电源板，见图2 3 所示。 a p c i 5 0 9 4 是一块高度集成的4 8 6 单板计算机，c p u 主频为1 3 3 m h z ，有3 2 m b 内 存。该板集成了工控机几乎所有的系统功能，除了软驱、硬盘外，还包括显示、电 子盘功能。模板上有2 个总线插座，同时支持1 6 位的a t 9 6 总线和3 2 位的c o m p a c t p c i 】0 华中科技大学硕士学位论文 总线，总线通过针孔连接器和母板连接。 a p c i 5 0 9 4 在显示方面除了普通v g a 接口外，还带有l c d 接口，并且在通信方面 也具有强大的功能，带有两个串口和一个以太网接口。两个串口中一个为r s 一2 3 2 ， 一个为r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5 可选。 在上层管理系统中，显示器作为人机接口的主要设备，其性能好坏影响到整个 装置的性能。普通彩色显示器使用c r t ，不仅占用体积大，影响屏柜的布局，而且 会产生很强的电磁干扰，如果不能有效屏蔽，可能影响到整个保护装置的正常运行 o 。因此，上层机在显示器配置上采用高性能的液晶显示器，其分辨率高，颜色逼 真不仅占用体积小，可以直接安装在机箱面板上，而且没有电磁干扰，使保护装 置的整体性能更加优越。传统的输入设备采用小键盘，不仅影响到面板的美观，而 且用户需要记很多功能键，使用起来很不方便。本装置在输入设备上采用触摸屏， 用户直接在屏幕上操作，所见即所得，使用起来简单方便真正实现了傻瓜式操作。 上层机与下层机之间的通信采用r s - 4 8 5 串口；上层机与远方调度端的通信采 用r s 一2 3 2 串口，经m o d e m 变换后通过公用电话网连接：上层机与厂站内部局域网 的通信可通过以太网( e t h e r n e t ) 来实现高速传输。 厶 信电 。、 号源 板 板板 陲 交交 开信 流流 o k 。，。 ( 4 - 1 ) 式中k 。，为可靠系数，k ，= 1 2 1 3 ，i ，。为最大励磁涌流幅值，为第i 支 路电流相量，n 为支路数。 二、比例制动相量差动保护动作判据 f 蓦，j = i “j ；，f 一。蓦i 1 , jz ， ca z ， 式中k 为制动系数，。为差动保护动作定值，为第i 支路电流相量，n 为支 华中科技大学硕士学位论文 路数。 三、采样值差动保护动作判据 采样值差动保护，由折线式制动特性组成，其动作曲线如图4 1 所示，动作判据 为： - ，| ，。医，卜足，芝l i i ( 4 3 ) l t = l 1 l = ii ，= 1 式中k ，为制动系数，匕为差动保护动作定 值，i ，为第i 支路电流采样值，n 为支路数。f j 用相量构成差动保护的差动量和制动量，在l 消除非周期分量和谐波的影响后，相量的幅值 i 或有效值基本是恒定的，一个周波内的每一点， 其制动特性都是一样的，而采样值随时间周期 。o r 了 性变化，对每一个采样值而言，其制动关系都”_ _ 不一样，因此为保证动作判据的正确性，采用 图41 采样值差动动作特性 重复多次的判别方法，即连续r 次采样中有s 次 以上符合动作判据，则输出动作信号。 励磁涌流波形在一个周期内由于间断角的存在，会有几点不满足采样值动作条 件，此时如取一合适的数据窗r 进行判断，涌流波形不会出口，而内部故障时仅在过 零点附近使采样值差动条件不满足，故能够出口。因此采样值差动不需加二次谐波 闭锁励磁涌流。 采样值差动保护，由于其所用数据窗比全周相量差动短，又具有自动识别励磁 涌流的能力，因此保护出口速度快。 四、二次谐波制动判据 计算差流中的二次谐波与谐波幅值比k ，：，是否大于整定值，不小于则制动 差动，疋一般不大于2 0 ，通常取1 5 。 五、虚拟三次谐波制动判据”“ 由于变压器的磁饱和特性，励磁流波形在前半周内呈现尖顶波的特性，依据这 一特征，以此半周采样数据为基础将波形平移半周后翻转，则波形为奇对称波形， 波形中三次谐波含量较大，而变压器发生内部故障时，基本为正弦波，无论以半周 还是全周数据窗进行分析，三次谐波含量均较小，由此可区分出变压器内部故障和 励磁涌流。 华中科技大学硕士学位论文 虚拟三次谐波制动数据窗短于二次谐波制动，因此其速动性强于二次谐波，但 虚拟三次谐只能利用涌流的前半周信息，超过这个数据窗后，虚拟出来的波形中三 次谐波含量迅速减少，为防止系统谐波的影响造成保护拒动，需要有另一原理的保 护作为补充。在本装置中，虚拟三次谐波可以与采样值差动保护或者与相量差动以 及二次谐波配合一起使用。 六、五次谐波制动判据 大型变压器工作磁密接近饱和，在电压升高或频率降低时会出现过激磁，可能 引起差动保护的误出1 3 ，可采用差流中的五次谐波闭锁保护出1 3 。其判据为，计算 差流中五次谐波与基波的幅值之比k ，：，；，是否大于整定值，如大于则闭锁差动保 护。 七、c t 断线闭锁判据 ( ，d ，f r ) u ( ，鼬+ ， + ，hl ，( ，r ) rd d 、 n ( 限f ，。r 7 。) 】 其中：l = 陵，l ，j 。，毛，j 。分别为变压器低压侧a 相、t 3 相和c 相电流相量和， 【p ll ，”，。，。分别为变压器低压侧a 相、b 相和c 相电流，为变压器中性点电流， ，n 。，。 ，“r 为整定值 八、p t 断线保护判据 ( 3 u o u 。) ( 4 一j ) 式中3 u 。为p t 开口三角测得的幅值；3 u 。= iu 口+ u 6 + u cl 为三相电压相量和 的幅值，u 。和l 。为定值。 九、频率跟踪技术 当被保护的电力系统频率发生变化时，保护设备用固定的采样频率采样将产生 采样误差，降低保护灵敏度，严重时会影响保护正常运行。本装置利用系统中稳定 的电压量在过零时采样值大小的变化，实时调整采样频率，使之与系统频率同步， 保证每一周波内采集规定的采样点数。 4 2 3 保护算法 为了计算各次谐波的相量，根据所需数据窗的不同，采用全周或半周傅氏算法。 为了有效减小衰减直流分量的影响，采用差分与傅氏变换相结合的算法。 一、傅氏算法【”1 华中科技大学硕士学位论文 设电流量通道的离散采样系列为i ( k ) ，每周波采样点数为n 。用全周傅氏变换 可得其r 1 次倍频分量的实部为 k 专喜佃s n k 吾 c 。吲 n 次倍频分量的虚部为 l 一专喜i ks i n n k - 等 c 。吲 用半周傅氏变换可得其r 1 次倍频分量的实部为 小专。s 础号 c 。吲 r 1 次倍频分量的虚部为 小一专箸i ks i n n k 等( 4 - - 9 ) 由r 1 次谐波的实虚部可算出其幅值和相角 ，。= 吃+ l i ( 4 1 0 ) 舻甜c 唾( 4 - - 1 i ) 二、差分与傅氏变换相结合的算法 变压器内部故障时，电压、电流信号中除基频分量外，通常还包含有衰减直流 分量以及各种谐波分量 ”。在谐波分析中，可以采用下述离散化的简化信号模型， 假设电流信号由衰减非周期分量、稳态基频分量、有限个稳恒整次谐波分量( 忽略 分次谐波分量影响) 构成，即 姒) ：l a o e - “+ 芝lc 。s ( n o ) o 灯。+ ( 4 - - 1 2 ) 式中k 为采样序号，j 。为衰减非周期分量最大值，f 为衰减非周期分量的时间常数， r l 为谐波次数，m 为最大整次谐波数，i 。为第n 次谐波幅值，为第1 q 次谐波初相 位，为基频角速度，t 。为采样时间间隔。 对采样系列i ( k ) 进行一点差分变换得 i 。( ) = f ( 女) 一i ( k 1 ) ：，。( p 一一p 一似形) + m ( j 。c 。s ( + ) 一，nc o s ( h 9 0 0 ( 一1 ) ，。+ 删( 4 - - 1 3 ) 。一 3 0 华中科技大学硕士学位论文 在每基频周波采样2 0 点的情况下，t 。：1 m s ，可以近似认为p 一嘭。p m ”钐，消去衰 减直流分量部分，。( 一嘭一一似”蟛) ，对式( 4 13)1 ee3 进行变换可得 减直流分量部分。( 一石一一 ) ，对式( 4 一 进行变换可得 f ( 七) = ( 2 ，。s i n ( n o “2 ) e o s ( n 。灯。+ 一”。f 。2 + 疗2 ) ) = ( ，一c o s ( n 脚。幻o + 妒一) ) ( 4 1 4 ) h l l 式中，一= 2 1 。s i n ( n o f o 2 ) ( 4 1 5 ) 妒一= 妒。门o t o 2 + 石2 ( 4 1 6 ) 对离散系列f 。( ) 进行全周或半周傅氏变换可求得n 次谐波幅值，。和相位妒从 而由式( 4 - - 1 5 ) 和式( 4 - - 1 6 ) 可求得采样系列f ( 女) 的幅值和相位为 ，。= ，一( 2 s i n ( n o ，o 2 ) ) = ，k ， ( 4 1 7 ) 妒。= 妒n + 甩国o f o 2 一万2 = 妒。+ k 。 ( 4 1 8 ) 式中k ，和k 。为幅值和相角的补偿系数 k ，= 2 s i n ( n o o “2 ) ( 4 1 9 ) k 。= ，l o t o 2 一，r 2 ( 4 - - 2 0 ) 可以通过仿真计算来检测算法的正确性和精度，所用仿真输入信号如式( 4 - - 2 1 ) 所 示。 i ( t ) = 1 0 0 e 7 7 + 1 0 0 c o s ( o r + 3 0 。) + 1 0c o s ( 2 o ，) + 3 0c o s ( 3 彩or + 1 0 。) + 1 0 c o s ( 4 w o ，) + 2 0c o s ( 5 o t ) + 5c o s ( 6 w o ，+ 3 0 。) + 3c o s ( 7 o ，+ 6 0 。) + 2 c o s ( s w o ，) + c o s ( 9 国o ，+ 1 0 。) ( 4 - 2 1 ) 其中取f = 6 0 m s ，= 2 矾，兀= 5 0 h z 。对信号i ( t ) 以每基频周波2 0 点采样离散 化后，从第二点开始，分别用不经过差分的傅氏算法和经过差分后的傅氏算法进行 仿真计算( 一点差分计算需要用到第一点的数据) ，仿真计算结果见表4 1 。从仿真 结果可以看出，通过对采样值先差分再进行谐波计算，可以有效地减小衰减直流分 量对各次谐波计算的影响州3 。 华中科技大学硕士学位论文 表4 1 谐波计算仿真结果 不差分差分 谐波次数给定幅值 计算幅值误差( )计算幅值误差( ) l1 0 09 5 0 0 5 4- 4 + 9 9 4 61 0 0 4 3 0 00 4 2 9 7 21 09 7 3 6 52 6 3 4 9l o 1 2 3 61 2 3 6 l f 33 02 8 2 8 8 65 ，7 0 4 63 0 0 5 6 60 1 8 8 6 41 08 8 3 4 81 1 6 5 1 81 0 0 3 4 2o 3 4 1 8 52 01 86 6 0 2- 6 ，6 9 9 12 0 0 2 3 60 1 1 8 1 603 2 7 9 0- 3 4 4 2 0 65 0 1 5 70 3 1 3 7 731 8 7 8 53 7 3 8 3 63 0 0 7 50 2 5 0 6 820 7 5 2 96 2 3 5 2 62 0 1 3 10 6 5 2 6 910 4 2 3 55 7 6 5 0 81 0 1 1 91 1 9 2 5 4 3 下层机的通信技术及其实现 4 3 1d s p 板与v 4 0 板之间的通信 d s p 和v 4 0 之间的通信关系到保护出口和告警以及将启动和故障信息及时上传， 实时性很强，通信任务多，数据量大，因此d s p 和v 4 0 之间通信的好坏影响到整个 系统能否正常运行，在整个系统中具有十分重大的意义。d s p 板与v 4 0 板之间通过 型号为i d t 7 1 3 4 2 的双口r a m ( d r l m ) 进行数据交换，双方同时对d r a m 的同一地址 单元数据进行读操作，就像对两片s r a m 操作样，非常方便。但是d s p 和4 0 同时 对d r a m 的同一地址单元的数据进行访问，且其中至少有一方是写操作时，就会发生 内存操作冲突，影响数据读写的正确性。因此，必须采取措施来避免这问题，使 双c p u 之间协调有序地工作。解决这种冲突有两种办法： 办法之一是利用i d t 7 1 3 4 2 提供的s e m a p h o r e 握手信号灯功能，它指的是一组8 个锁存器，d r a m 两端可分别通过8 个i o 口地址操作对这些锁存器进行读写，从而 查询d r a m 是否被占用、申请占用、或释放d r a m 。 具体操作是：每个锁存器同时对应d r a m 两端的d o - - d 7 。当两端都没有对信号灯 操作时，左右两端读到的信号灯状态为“l ”。当左端需要占用d r a m 时，可以将信号 3 2 华中科技大学硕士学位论文 灯锁存器的d o 位置0 ，即申请占用d r a m 。如果此时读回该信号灯锁存器状态d o d 7 为全“0 ”，则表示左端可以占用d r a m ：如果读回的状态d o - - d 7 为全“1 ”，则表 示d r a m 正被右端占用，左端必须在右端释放d r a m 后，即回读的锁存器状态变为全 “0 ”时，才能对d r a m 进行访问。当左端不再占用d r a m 时，必须将信号灯的d o 位 置“1 ”，即释放d r a m ，此时左端读到的信号灯状态为全“】”。同样的情况也适用于 右端。 8 个信号灯相当于8 组握手信号，可以用于将d r a m 分为8 段，一端占用某段存 储区时，另一端可以先对其它段进行访问，以提