（电气工程专业论文）变压器微机差动保护技术的研究.pdf

r e s e a r c ho nm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g yf o rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o no ft r a n s f o r m e r a b s t r a c t t h ep a p e rd e s c r i b e sr e s e a r c ho nm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g yf o rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o no ft r a n s f o r m e r f i r s t l y , i n t r o d u c es o m ee l e m e n t a r yc o n c e p t i o n sa n dt h e h i s t o r yd e v e l o p m e n t & c u r r e n ts t a t eo fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m , a n dt h e n a n a l y z i n g t h eh a r d w a r e c o m p o s i t i o n , s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds o f t w a r e i m p l e m e n tw h i c hb e l o n g st ot h ee q u i p m e n t m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o na l g o r i t h m s a r ea l s oi n t r o d u c e dt h i sp a p e r t h ep a p e rf o c u s e so nt h et r a n s f o r m e rm a i n p r o t e c t i o n b e c a u s eo fl a r g ei n r u s hc u r r e n t 劬mc l o s eb r e a k e ro fap o w e rt r a n s f o r m e rw i t h n ol o a da n dp o w e rs u p p l ya g a i na f t e rd i s m i s se x t e r n a lf a u l t , m i s t a k ew i l lb ei m t d ei n t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n s o ，t h ek e yp r o b l e mo ft r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni s h o wt od i s t i n g u i s hb e t w e e nr u s hc u r r e n ta n di n t e r n a lf a u l tc u r r e n tt h ep r i n c i p l eo f s e c o n d a r yh a r m o r f i c ss u p p r e s s o ri st h ek i n do fc r i t e r i o n t h i sa r t i c l e b r i e f l yi n t r o d u c e st h e o ft h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o n , s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa n ds o f t w a r ei m p l e m e n tw h i c hb e l o n g st ot h ec o m p u t e r i z e dp r o t e c t i o n e q u i p m e n t t h ec o m p u t e r i z e dp r o t e c t i o ne q u i p m e n tb a s e d0 1 1a ne m b e d d e ds y s t e m ， w h i c hu s e dm o d u l a ra n do p e nd e s i g ni d e a s t h ee q u i p m e n tb r i n g sc o l l e c t i o n , a d j u s t m e n t s ，c o m m u n i c a t i o n sa n d r e c o r d si n t oo n em a i nb o d ya n dh a sh i g l lr e l i a b i l i t y ， h i g ha c c u r a c y ，s p e e d , d a t ae x c h a n g ec a p a b i l i t ya n dc o n v e n i e n c eo fd e b u g g i n g a d v a n t a g e s k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r sp r o t e c t i o n ；m i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g y ；e m b e d d e ds y s t e m 插图清单 图1 1 变电站综合自动化系统的基本配置2 图1 2电力系统典型的通信结构1 2 图1 3 微机保护典型的嵌入式结构。1 3 图1 - 4 嵌入式的暂态稳定控制( t s c ) 装置构成1 3 图1 5 嵌入式与工业p c 系统的成本性能曲线1 5 图2 1 两绕组变压器差动保护的原理接线图1 9 图2 2 微机保护典型硬件结构图2 8 图2 3 开关量输入电路_ 。2 9 图2 _ 4 装置开关量输出回路接线图2 9 图3 1 半周积分算法原理图3 0 图3 2 导数算法原理图3 2 图3 3 主监控程序流程图3 8 图3 - 4 采样中断程序框图3 9 图3 5 主保护功能模块程序流程图4 0 图3 - 6 后备保护判断模块程序流程图4 l 图4 1 系统总体结构框图4 2 图4 2 保护测量单元硬件结构图4 3 表格清单 表1正弦函数滤波系数( 卜净1 2 ) 。3 6 表2 余弦函数滤波系数( 套净1 2 ) 3 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究一i ：作及取得的研究成果。 据我所知，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 金月巴王些鑫堂 或其他教育机构的学位或证书而使 川过的材料。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 并表示谢意。 学位论文作者签名： 又竿 签字日期：刃年f 月扣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起工些盔堂有关保留、使朋学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 墅王些厶鲎可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业擘去向：形，i f 7 却肛 i 作单位：j 瑾| 季 跌 通讯地址：宴黜泡步f 辛7 绷彭从 新虢沁p 斥 新虢p ? 何耳 签字日期：一年r 月；7 日 酶：o s c 6 一；| 7 邮编：2 年了。口。 侈呷垆 凡 ；酶下 名 年 签 ， 荆 谚 作 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 致谢 在从事课题研究和撰写论文过程中，得到我的导师温阳东教授的悉心指导， 使我受益非浅。研究生期间，导师在学习和生活上给我很多的关怀、帮助和鼓 励，在此学生表示衷心的感谢和深深的敬意。同时在从事论文撰写过程中得到 了电气学院孟祥发、李生虎等老师和同学的精心指导和帮助，在此向他表示衷 心的感谢。他们渊博的知识、严谨的治学态度永远是我今后学习、工作、生活 的楷模。 本次论文得以顺利完成还要感谢章春、辛宏伟、李岩、左锦锋等同学给予 我的鼓励和帮助。 最后，衷心感谢我的妻子、女儿和家人多年来在生活和精神上给予我的支 持和帮助，你们的关心和帮助给我信心和力量，感激之情，无以言表，你们的 健康、快乐、幸福是我最大的心愿! 作者：耿天华 2 0 0 8 年5 月 第一章绪论 由输电设施、配电设施和各种类型的发电厂以及用电设备组成的电能生产 与消费系统称为电力系统。电力系统由发电、输电、变电、配电和用户等5 个 部分组成。综合自动化系统是综合应用现代电子技术、通信技术、计算机技术、 网络技术和图形技术等与系统设备相结合，将电力系统在正常和事故情况下的 监测、保护、控制和供电企业的工作管理有机融合在一起的综合性先进技术。 变电站综合自动化的主要内容有： ( 1 ) 电气量和非电气量的采集，电气设备的状态监视、控制和调节。 ( 2 ) 实现电站正常运行的监视和操作，保证电站正常运行和安全。 ( 3 ) 发生事故时。由继电保护和故障录波装置等完成瞬态电气量的采集、 监视和控制，并迅速切除故障设备和完成事故后的恢复正常操作。 ( 4 ) 电气设备控制及安全操作闭锁。 ( 5 ) 历史数据的保存和查询，事故追忆，各种报表的统计、查询和打印， 实时曲线和历史曲线的查询和打印。 ( 6 ) 数据的打包和远方通讯。 1 1 变电站综合自动化的基本概念 变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技 术和信息处理技术等实现对变电站二次设备( 包括继电保护、控制、铡量、信号、 故障录波、自动装置及远动装置等) 的功能进行重新组合、优化设计，对变电站 全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。 通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站 运行监视和控制任务。变电站综合自动化替代了变电站常规二次设备，简化了 变电站二次接线。变电站综合自动化是提高变电站安全稳定运行水平、降低运 行维护成本、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技术措施。变 电站综合自动化系统的基本配置如图卜l 所示。 袭 端 工 通信 i - - - - - 通道 堡堂塑薹曼卜1 中央处理机r l 幽 模拟量开关量采集装置 继电保护装置卜一o _ 自动装置 保护单元lli 保护单元2ii 保护单元3i i 保护单元n 综合测量控制装置 遥控谣调装置 作站 网络 图i - 1 变电站综合自动化系统的基本配置 1 1 1 变电站实现综合自动化的优越性 变电站实现综合自动化在下面几个方面体现出独特的优越性。 ( 1 ) 在线运行的可靠性高。变电站综合自动化系统利用软件实现在线自检， 具有故障诊断功能。微机系统在软件故障时，考虑到电力系统各种复杂的故障， 可在线实时地对有关硬件电路中各个环节进行自检，具有很强的综合分析和判 断能力；利用有关的硬件和软件相结合技术，防止干扰进入微机系统后造成严 重后果；加之该系统中的各子系统如微机保护装置和微机自动装置具有故障自 诊断能力，使得变电站的一次、二次设备运行的可靠性方面已经远远超过了常 规站。 ( 2 ) 供电质量高。变电站综合自动化系统中的电压、无功自动控制功能，对 具有有载调压变压器和无功补偿电容器的变电站，可大大提高电压合格率，保 证电力系统主要设备和各种电器的安全，使无功潮流合理，降低网损，节约电 能损耗。 ( 3 ) 专业综合，易于发现隐患，处理事故恢复供电快。变电站实现综合自动 化后，各专业综合考虑，装有先进的计算机，可收集众多需要的数据和信号， 利用计算机高速计算和正确判断的能力，将数据和信号经计算处理后，以综合 的结果反映给值班人员，还可提供事件分析的结果以及如何处理的参考意见。 很快发现问题，很快处理事故，很快恢复供电，提高供电的可靠性。 “) 变电站运行管理的自动化水平高。常规站中，二次系统是肉眼监视、人 工抄表、手动操作，很难采用计算机技术进行自动化管理。例如，人工抄表， 记录的数据误差大、离散性高、可信度低；所记录的报表无法再利用，长年累 2 月大量堆积，从中得不到有用的数据。综合自动化以后，这些数据记录在历史 库中，必要时从中调出重要数据，为电力调度、系统的规划等提供重要依据； 监视、测量、记录、抄表等工作都由计算机自动进行，提高了测量的精度，避 免了人为的主观干预。运行人员通过观看c r t 屏幕，变电站主要设备和各输、 配电线路的运行工况和运行参数便一目了然。综合自动化具有与上级调度通信 功能，将监测到的数据及时送往调度中心，调度员及时掌握各变电站的运行情 况，对它进行必要的调节和控制，各种操作都有事件记录可供查阅，大大提高 运行管理水平。 ( 5 ) 减少控制电缆，缩小占地面积。变电站实现综合自动化后，需要获得电 力系统测量数据和运行信息的各个部分可统一考虑，统一规划，获得所有数据 和信号，节省大量的控制电缆。变电站综合自动化系统采用计算机和通信技术， 实现资源共享和信息共享，硬件电路多采用大规模集成电路，结构紧凑、体积 小、功能强，大大缩小变电站的占地面积。随着处理器和大规模集成电路的不 断降价，微计算机性能价格比逐步上升，发展的趋势使综合自动化系统的造价 逐渐降低，性能逐步提高，减少变电站的总投资。 ( 6 ) 维护调试方便。综合自动化系统中，各子系统有故障自诊断能力，系统 内部有故障时能自检出故障部位，缩短了维修事件。微机保护和自动装置的定 值可在线读出检查，节约定期核对定值的时间。 ( 7 ) 为变电站无人值班提供了可靠的技术条件。有人值班和无人值班是变电 站运行管理模式，变电站综合自动化是自动化技术在变电站应用的集中体现。 1 1 2 变电站实现综合自动化的必要性 变电站综合自动化系统可收集都非常齐全的数据信息。有强大的计算机计 算能力和逻辑判断功能，可方便地监视和控制变电站的各种设备。如：监控系 统的抄表、记录的自动化，现场值班员不必定期抄表、记录，可实现少人值班； 配置了与上级调度的通信功能，可实现遥测、遥信、遥控、遥调。目前新建的 变电站一般采用综合自动化系统，提高无人值班变电站的技术水平，为变电站 安全稳定运行提供可靠保证。变电站作为整个电网中的一个节点，担负着电能 传输、分配的监测、控制和管理的任务。变电站继电保护、监控自动化系统是 保证上述任务完成的基础。在电网统一指挥和协调下，电网各节点( 如变电站、 发电厂) 具体实施和保障电网的安全、稳定、可靠运行。因此，变电站自动化是 电网自动系统的一个重要组成部分。作为变电站自动化系统，它应确保实现以 下要求： ( 1 ) 检测电网故障，尽快隔离故障部分。 ( 2 ) 采集变电站运行实时信息，对变电站运行进行监视、计量和控制 ( 3 ) 采集一次设备状态数据，供维护一次设备参考 ( 4 ) 实现当地后备控制和紧急控制。 ( 5 ) 确保通信要求。 因此，要求变电站综合自动化系统运行高效、实时、可靠，对变电站内设 备进行统监测、管理、协调和控制。同时，又必须与电网系统进行实时、有 效的信息交换、共享，优化电网操作，提高电网安全稳定运行水平，提高经济 效益，并为电网自动化的进一步发展留下空间。 传统变电站中，其自动化系统存在诸多缺点，难以满足上述要求。例如： ( 1 ) 传统二次设备、继电保护、自动和远动装置等大多采取电磁型或小规模 集成电路，缺乏自检和自诊断能力，其结构复杂、可靠性低。 ( 2 ) 二次设备主要依赖大量电缆，通过触点、模拟信号来交换信息，信息量 小、灵活性差、可靠性低。 ( 3 ) 由于上述两个原因，传统变电站占地面积大、使用电缆多，电压互感器、 电流互感器负担重，二次设备冗余配置多。 ( 4 ) 远动功能不够完善，提供给调度控制中心的信息量少、精度差，且变电 站内自动控制和调节手段不全，缺乏协调和配合力量，难以满足电网实时监测 和控制的要求。 ( 5 ) e g 磁型或小规模集成电路调试和维护工作量大，自动化程度低，不能远 方修改保护及自动装置的定值和检查其工作状态。有些设备易受环境的影响， 如晶体管型二次设备，其工作点会受到环境温度的影响。 传统的二次系统中，各设备按设备功能配置，彼此之间相关性甚少，相互 之问协调困难，需要值班人员比较多的干预，难于适应现代化电网的控制要求。 另外需要对设备进行定期的试验和维修，既便如此，仍然存在设备故障( 异常运 行) 不能及时发现的现象，甚至这种定期检修也可能引起新的问题，发生和出现 由试验人员过失引起的故障。 发展变电站综合自动化的必要性还体现以下几个方面：一是随着电网规模 不断扩大，新增大量的发电厂和变电站，使得电网结构日趋复杂，这样要求各 级电网调度值班人员掌握、管理、控制的信息也大量增长，电网故障处理和恢 复却要求更为迅速和准确；二是现代工业技术的发展，特别是电子工业技术的 发展，计算机技术的普遍应用，对电网可靠供电提出了更高的要求；三是市场 经济的发展，使得整个社会对环保要求更高，这样也对电网的建设、运行和管 理提出许多的要求，如，要求电力企业参与市场竞争，降低成本，提高经济效 益；要求发电厂、变电站减少占地面积。要解决上述问题，显然仅依靠各级电 网调度运行值班人员是难以解决的。现代控制技术的发展，计算机技术、通信 技术和电力电技术的进步与发展，电网自动化系统的应用，为上述问题提供了 解决的方案。这些技术的综合应用造就了变电站综合自动化系统的产生与发展。 1 - 1 3 对变电站综合自动化系统的要求 ( 1 ) 变电站综合自动化系统全面代替常规的二次设备。综合自动化系统集变 4 电站的基点保护、测量、监视、运行控制和通信于一个分级分布式的系统中， 系统由多个微机保护子系统、测量子系统、各种功能的控制子系统组成，代替 常规的继电保护、仪表、中央信号、模拟屏、控制屏和运行控制装置，提高变 电站的技术水平和可靠性。 ( 2 ) 变电站微机保护的软、硬件设置与监控系统相对独立，相互协调。微机 保护是综合自动化系统中很重要的环节，软、硬件配置需相对独立，在系统运 行中，继电保护的动作行为与保护装置有关，不依赖于监控系统的其他环节， 保证在综合自动化系统中，任何其他环节故障只影响局部功能的实现，不影响 保护子系统的正常工作。协调性表现在与监控系统需保持紧密通信联系。 ( 3 ) 微机保护装置具有串行接口或现场总线接口，向计算机监控系统或r t u 提供保护动作信息或保护定值等信息。 ( 4 ) 变电站综合自动化系统的功能和配置，满足无人值班的总体要求。随着 我国电力工业进入大电网、大机组时代，无人值班变电站的实施已成为电网调 度自动化深入发展的必然趋势，是电网调度管理的发展方向。传统的四遥装置， 无论从可靠性、测量精度、传输速率和技术水平等方面，都不能满足现代电网 调度、管理的要求。变电站综合自动化系统的功能设计，需从电力系统的安全、 稳定运行、提高经济效益等综合指标和提高电网基础自动化水平的综合要求出 发，其软、硬件的配置需考虑具备与上级调度通信的能力，具备r t u 的全部功 能，以满足和促进变电站无人值班的实施。 ( 5 ) 有可靠、先进的通信网络和合理的通信协议。 ( 6 ) 保证综合自动化系统有较高的可靠性和较强的抗干扰能力。变电站安全 运行时变电站设计的基本要求，在考虑系统的总体结构时，注意主、次分清， 对关键环节，有一定的冗余。综合自动化系统的各个子系统相对独立，系统中 某部分出现故障，尽量缩小故障影响的范围并能尽快恢复故障。各子系统有独 立的故障自诊断和自恢复功能，任一部分发生故障时，通知监控主机发出警告 指示，迅速将自诊断信息送往控制中心。 ( 7 ) 系统有良好的可扩展性和适应性。随着我国经济建设的发展，每年有不 少新建变电站有设计、建设和投产，它们需有技术先进、功能齐全、性能价格 比高的自动化系统提供选用。此外，每年有大量各式各样的老站需改造，这些 老站由于投资水平不同，在系统中的地位和原来采用的设备以及基础各不相同， 要求自动化设备根据变电站的不同要求，组成不同规模和不同技术等级的系统。 ( 8 ) 系统的标准化程度和开放性能好。研究新产品时，应符合国家或部伴颁 标准，使系统开放性能好，也便于升级。 ( 9 ) 充分利用数字通信的优势，实现数据共享。数据共享是综合自动化系统 发展的趋势，实现数据共享，简化自动化系统的结构，减少设备的重复，降低 造价。 ( 1 0 ) 变电站综合自动化系统的研究和开发工作，统一规划，统一指挥。变电 站综合自动化系统是一项技术密集、涉及面广、综合性很强的基础自动化工程， 在研究、开发和应用过程中，各专业互相配合，避免各自为战，整个系统协调 工作，对系统的信息集中管理和共享，避免不必要的重复和相互干扰。 1 1 4 变电站综合自动化的发展过程 现有的变电站有三种形式：第一种是传统的变电站；第二种是部分实现微 机管理、具有一定自动化水平的变电站；第三种是全面微机化的综合自动化变 电站。变电站自动化的发展可以分为以下三个阶段。 1 由分立元件构成的自动装置阶段 2 0 世纪7 0 年代以前，由研究单位和制造厂家生产出的各种功能的自 动装置，( 比如现在采用的自动重合闸装置、低频自动减负荷装置、备用电源自 动投入、直流电源和各种继电保护装置等) ，主要采用模拟电路，由晶体管等分 立元件组成，对提高变电站和发电厂的自动化水平，保证系统安全运行，发挥 了一定的作用。但这些自动装置，相互之间独立运行，互不相干，而且缺乏智 能，没有故障自诊断能力，在运行中若自身出现故障，不能提供告警信息，有 的甚至会影响电网安全。同时，分立元件的装置可靠性不高，维护工作量大， 装置本身体积大，不经济。 2 以微处理器为核心的智能化自动装置阶段 随着我国改革开放的发展，微处理器技术开始引入我国，并逐步应用于各 行各业。在变电站自动化方面，用大规模集成电路或微处理机代替了原来的继 电器晶体管等分立元件组成的自动装置，利用微处理器的智能和计算能力，可 以发展和应用新的算法，提高了测量的准确度和可靠性：能够扩充新的功能， 尤其是装置本身的故障自诊断功能，对提高自动装置自身的可靠性和缩短维修 时间是很有意义的；此外，由于采用了数字式，统一数字信号电平，缩小了体 积等，其优越性是明显的。由于这些微机型的自动装置，只是硬件结构由微处 理器及其接口电路代替，并扩展了一些简单的功能，虽然提高了变电站自动控 制的能力和可靠性，但基本上还是维持着原有的功能和逻辑关系，在工作方式 上多数仍然是各自独立运行，不能互相通信，不能共享资源，变电站和发电厂 设计和运行中存在的问题没有得到根本的解决。 3 变电站综合自动化系统的发展阶段 我国是从2 0 世纪6 0 年代开始研制变电站自动化技术。到7 0 年代初，便先 后研制出电气集中控制装置和集保护、控制、信号为一体的装置。在8 0 年代中 期，由清华大学研制的3 5 k v 变电站微机保护、监测自动化系统在威海望岛变电 站投入运行。与此同时南京京自动化研究院也开发出了2 2 0 k v 梅河口变电站综 6 合自动化系统。此外，国内许多高等校及科研单位也在这方面做了大量的工作， 推出一些不同类型、功能各异的自动化系统。为国内的变电站自动化技术的发 展起到了卓有成效的推动作用。进入9 0 年代，变电站综合自动化已成为热门话 题，研究单位和产品如雨后春笋般的发展，具有代表性的公司和产品有：北京 四方公司的c s c2 0 0 0 系列综合自动化系统，南京南瑞集团公司的b s j 2 2 0 0 计算 机监控系统，南京南瑞继电保护电气有限公司的r c s 一9 0 0 0 系列综合自动化系 统，上海惠安p o w e rc o m l i l2 0 0 0 变电站自动化监控系统，国电南自p s6 0 0 0 系 列综合自动化系统，许继电气公司的c b z 一8 0 0 0 系列综合自动化系统等( 以后 我们注重讲解我们接触的变电站综合自动化系统如：武汉国测g c s i a 变电站综 合自动化系统、南瑞城乡d s a 变电站综合自动化系统、许继电气公司的c b z 一 8 0 0 0 系列综合自动化系统) 。 1 2 变电站综合自动化系统的基本特征 变电站综合自动化通过监控系统的局域网通信，将微机保护、微机自动装 置、微机远动装置采集的模拟量、开关量、状态量、脉冲量及一些非电量信号， 经过数据处理及功能的重新组合，按照预定的程序和要求，对变电站实现综合 性的监视和调度。因此，综合自动化的核心是自动监控系统，而综合自动化的 纽带是监控系统的局域通信网络，它把微机继电保护、微机自动装置、微机远 动功能综合在一起形成一个具有远方功能的自动监控系统。变电站综合自动化 系统最明显的特征表现在以下几个方面。 1 功能综合化 变电站综合自动化技术是在微机技术、数据通信技术、自动化技术基础上 发展起来的。是个技术密集，多种专业技术相互交叉、相互配合的系统，它综 合了变电站内除一次设备和交、直流电源以外的全部二次设备。在综合自动化 系统中，微机监控系统综合了变电站的仪表屏、操作屏、模拟屏、变送器屏、 中央信号系统等功能、远动的r t u 功能及电压和无功补偿自动调节功能；微机 保护( 和监控系统在一起) 。综合了故障录波、故障测距、小电流接地选线、自 动按频率减负荷、自动重合闸等自动装置功能。上述综合自动化的综合功能通 过局域网各微机系统硬、软件的资源共享形成的，对微机保护和自动装置提出 了更高的自动化要求。 综合自动化的综合功能，中央信号系统、仪表及对设备控制操作通过监控 系统的全面综合实现：微机保护及一些重要的自动装置( 如备用电源自动投入) 在保证其独立的基础上，接口功能综合并通过远方自动监视与控制实现。例如 对微机保护装置仍然要求保证其功能的独立性，对保护状态及动作信息的监视 及对保护整定值查询修改，保护的投退、录波远传、信号复归等通过远方控制 来实验其对外接口功能的综合。这种综合的监控方式，保证了保护和一些重要 自动装置的独立性和可靠性，把保护和自动装置的自动化性能提高到一个 7 更高的水平。 2 结构分布、分层化 综合自动化系统是一个分布式系统，其中微机保护、数据采集和控制以及 其他智能设备等子系统都是按分布式结构设计的，每个子系统可能有多个c p u 分别完成不同功能，这样一个由庞大的c p u 群构成了一个完整的、高度协调的 有机综合( 集成) 系统。这样的综合系统往往有几十个甚至更多的c p u 同时并 列运行，以实现变电站自动化的所有功能。另外，按照变电站物理位置和各子 系统功能分工的不同，综合自动化系统的总体结构又按分层原则来组成。按i e c ( 国际电工委员会) 标准，典型的分层原则是将变电站自动化系统分为两层， 即变电站层和间隔层，由此可构成分散( 层) 分布式综合自动化系统。 3 操作监视屏幕化 变电站实现综合自动化后，操作人员面对彩色屏幕显示器，对变电站的设 备和输电线路进行全方位的监视与操作。常规庞大的模拟屏被c r t 屏幕上的实 时主接线画面取代：常规的在断路器安装处或控制屏进行的跳、合闸操作，被 c r t 屏幕画面闪烁和文字提示或语言报警所取代，即通过计算机上的c r t 显示 器，可以监视全变电站的实时运行情况和对各开关设备进行操作控制。 4 通信网络化、光缆化 计算机局域网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中普遍采用，使得 系统具有较高的抗电磁干扰的能力，可实现高速数据传送，满足实时性要求， 组态更灵活，易于扩展，可靠性大大提高，而且大大简化了常规变电站繁杂量 大的各种电缆，方便施工。 5 运行管理智能化 变电站综合自动化另一特征是运行管理智能化。智能化表现在自动报警、 自动报表、电压无功自动调节、小电流接地选线、事故判别与处理等方面；还 表现在能够在线自诊断，不断将诊断结果送往远方的主控端。常规二次系统只 能监测一次设备，其本身故障靠维护人员去检查、去发现。综合自动化系统监 测一次设备，同时检测系统自身故障。 综合自动化系统按功能或间隔形成集中组屏或分散( 层) 安装的不同的系 统组态，打破了传统二次系统各专业界限和设备划分原则，改变了常规保护装 置不能与调度( 控制) 中心通信的缺陷。 6 测量显示数字化 变电站采用指针式仪表作为测量仪器，其准确度低、读数不方便。采用微 机监控系统后，常规指针式仪表全被c r t 显示器上的数字显示代替，直观、明 了。人工抄表记录完全由打印报表所完成。减轻另外值班员的劳动，提高了测 量精度和管理的科学性。 8 1 3 微机型继电保护 继电器的发展是随着电力系统和自动化的发展而发展的，至此已经历了机 电型、电磁型、整流型、晶体管型、集成电路型几个发展阶段。2 0 世纪9 0 年代 以来，随着计算机技术、网络技术、通信技术的飞速发展，微机保护装置正逐 步取代传统的继电保护装置，成为电力系统的主流保护。 1 3 1 微机型继电保护测试装置现状及发展趋势 近年来，国内外的科研单位、电力系统及其相关产品的生产厂家纷纷投入 大批的科研力量，相继研制出多种新型的继电保护测试装置。目前，微机型继 电保护试验装置已经成为电力系统的生产、调试、运行以及科研等部门不可缺 少的专用设备。微机型继电保护测试装置的现状和发展趋势是： ( 1 ) 测试装置多采用单机箱，测试仪的重量约为1 7 2 5 k g 不等，且向小体 积、轻重量、便携式的方向发展。 ( 2 ) 测试装置采用软件采用了w m d o w s 视窗界面 ( 3 ) 高速c p u 及d s p 技术的发展及高精度高速度的d a 转换使数据处理速 度越来越快，输出信号精度不断提高，响应速度不断提高。 ( 4 ) 测试功能不断完善，可以进行的测试项目不断增加。 ( 5 ) 测试手段由开环测试向闭环测试发展，由手动测试向自动测试发展。 ( 6 ) 结合全球定位系统( g p s ) 技术的应用，多种测试仪都能实现对于双端 保护的暂态试验。并向实现多端保护暂态实验方向发展。 ( 7 ) 由集成型的测试装置向模块化的测试装置发展，可大幅度提高试验装置 的性能，可灵活扩充和连接多台试验设备。 ( 8 ) 向绿色环保方向发展。 1 4 嵌入式技术在电力系统中的应用 1 4 1 嵌入式技术的特点 1 嵌入式系统的含义与特点 广义地说，一个嵌入式系统是一个有特定功能或用途的计算机硬软件的集 合体；分为硬件和软件部分。其技术分为嵌入式硬件技术和软件技术两部分。 狭义的嵌入式仅指装入另一些设备并控制该设备的专用计算机系统，包括目标 机和宿主机两部分，其中目标机是一种功能单一，处于从属地位的计算机。 嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系 统的开发设计都有其特殊的应用场合和特定的功能。这也是嵌入式系统与通用 计算机系统的最主要区别。另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系：嵌入 式系统是为特定的目的而设计的，且常常受到空间、成本、存储、带宽的条件 的限制，需最大限度地在硬件和软件上“量身定做”，以提高效率，这样的结果 9 最终导致了实时性的增强。以上这两方面的特点，一般会带来缩短开发周期， 降低成本等好处。 2 嵌入式硬件技术 单片机曾是构成嵌入式硬件平台的主要器件之一。嵌入式硬件技术的发展 已不限于以往的单片机，单扳机或p l c 的范畴，各种新型器件被广泛的使用。 ( 1 ) 嵌入式处理器 目前嵌入式系统中的处理器分为微处理器、微控制器、d s p 处理器等几大 类，应用最广泛的还是各种档次的8 1 6 3 2 6 4 位控制器，i n t e l x 8 6 、r i s c 芯片、 d s p 芯片等高性能微处理器的应用逐渐开始引人注目。 ( 2 ) 存储器与外围设备 传统的r a m 存储器有s r a m 、d r a m 、r o m 存储器有掩膜r o m 、p r o m 、 e p l 的m ；新兴的混合型存储器( 如e e p r o m 、f l a s h 、n v r a m 等) 显得更 合适嵌入式系统的要求。其中采用代码驻留或就地远行技术( x i p ) 、用大块的 f l a s h 来代替磁盘驱动器构成的“电子盘”或“故态盘”，在工业过程中有着很好 的应用前景。 嵌入式系统的外围设备根据集体的设计要求而定，一般有微型打印机、不 同用途的串行通信口、微型键盘、微型显示器等。现在的嵌入式系统在构成、 调试、运行等诸多方面对灵活性要求很高，例如其嵌入式软件要求可在本地加 载运行，也可利用串行口从网络下载运行，在不过多地增加设计负担的同时， 适当地留有硬件冗余或灵活性是较明智的选择。 ( 3 ) 开发调试 嵌入式系统的开发与调试是与硬件密切联系的，它与商业用的软件开发不 同，实际应用中，人们常常用在线仿真器( h a c i r c u i te m u l a t o r ) j t a g 、示波 器、逻辑分析仪、r o m 仿真器、设备编程模拟器来开发或调试硬件。 3 嵌入式软件技术 ( 1 ) 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 嵌入式的r t o s 是整个嵌入式系统的核心。r t o s 从应用形式上可分为集成 式多任务r t o s ( 如q n x 、a m a x 等) 与嵌入式r t o s ( 如m i c r o t e c r e s e a r c h 公司的v r t x 、i n t e l 的可嵌入到5 1 系列与9 6 系列单片机的d c x 51 与d c x 9 6 分布式控制系统、i r m a e m b 、w m d o w sc es u n 公司的j a v ao s 朗讯公司的 i n f e r n o 和嵌入式l i n u x 中科院的e a s y e m b e d d e do s 等：后者如v r m d r i v e r 公 司的v x w o r k s t o m a d o 、i s i 公司的p s o s 与p r i s m + 、q u a n t u m 公司的q n x 、a t i n 公司的n u c l e u s 等) 。这些嵌入式r t o s 一般都有以下一些特点： 可裁减的微内核结构、高效的多任务优先级管理、微秒级的中断处理 ( w m d o w s 下的中断最快是5 5 s 次) ，更加有利于工业控制效率的提高。 支持多处理器并行处理( 这一优点对于电力系统的并行计算也有可鉴之 i o 处) 共享内存，有利于实时数据库的实现。 灵活的引导方式( 支持从r o m f l a s h 本地盘网络引导) ，引导操作系统事 件更短，甚至可以上电在秒级内就跳转到用户程序处。 支持多种信号( 二进制互斥、记数的、有优先级的) 等。 从以上特点可以看出，在工业控制等领域，以嵌入式r t o s 作为软件平台 将比w m d o w s 、u n i x 、o s 2 等o s 有其特殊优势。 ( 2 ) 嵌入式实时数据库 r d t 的主要目标是通过对运行时间的估计及优化的任务调度策略，减少事 务处理超过时限情况的发生。多用于金融、电信、网管等领域、在工业领域常 用的实时数据库有：p i 、i n f o p l u s 、p c a p 、g p d m s 等基于此目的的分布式实时 数据库通常采用c l i e n t s e r v e r 方式，具有对个多线程的服务器，支持多个客户 端的请求。这里所说的嵌入式实时数据库与前者不完全一样，它具有以下特点， 在嵌入式的电力系统控制装置中有重要的用途。 嵌入式：代码更小，速度更快，可靠性更高且可以与各种嵌入式o s 无缝 连接。 实时性：数据更新速度快、存取数据速度快且安全可靠，数据库的数据最 好位于共享内存中，可实时刷新；为很好地满足实时性往往还要求一定的智能 性，即能根据用户的要求灵活设置检索优先级，采用双缓冲的方式进一步提高 效率。 分布式：具有分层分布式的网架结构，数据可以快速地双向映射交换；具 有较强的网络、通信能力。 ( 3 ) 开发调试软件 包括编译器、调试器、集成开发环境( i d e ) 、模拟模型工具等。较为成熟 的嵌入式一般都支持广泛的开发和运行平台，同时对每种微处理器都提供相应 的编译器，连接器，调试器和加载工具以及性能调试工具等一系列工具链 ( t o o l c h a i n ) ，从而形成从开发、调试到运行的一体化支持。就开发语言而言， 目前大多数嵌入式o s 都要求支持通用的c 语言编程器、连接器等开发调试工 具( 如b o r l a n dc c + + d e b u g g e r t u r b ocb u i l d e r 等) 以方便用户的开发调试， 同时也有人开发专用的规范化的嵌入式控制语言如e c + + 、c o n t r o lc 等，而对 自由软件以及j a v a 语言的支持也是一大热点。 1 4 2 嵌入式技术应用于电力系统的领域 嵌入式技术在电力系统总的应用有着悠久的历史，广泛地用于数据采集、 自动装置、仪表检测、集散控制( d c s ) 等各个领域。其中较为典型的是数据采集 和监控( s c 删、微机保护、暂稳控制( 自动装置) 等方面。随着近几年电网改 造的大力推广，嵌入式系统用于能量计费于是一个典型代表，下面分别介绍。 1 用于s c a d a s c a d a 是保证电力正常运行、实现调度控制的基础，是现代能量管理系 ( e m s ) 的基本组成之一。在调度控制中心，运行人员看到的实时信息是由远 方的r t u 采集传送的。这些r t u 就是典型的嵌入式系统，它们通常只需完成 数据的采样，再经过一定的滤波算法得到所需的形式通过特定的r t u 通信规约 传走即可。( 参见图1 2 ) 。 图l - 2 电力系统典型的通信结构 下以级调 度中心 厂站 2 用于微机保护 从国内的第一套微机保护装置诞生到今日，微机保护已大致经历了几代发 展：从插件式、多单板机发展到多单片机式，可靠性、功能上有了长足的进步， 采用工业计算机领域、微电子领域、网络通信领域的许多新技术，满足了新形 势、新环境下对装置的要求。微机保护的硬件、软件，微机保护本身都可作为 一个标准模块融入到( 发电) 厂( 变电) 站综合自动化中。图1 3 给出了一种 用于超高压输电线路微机保护的典型结构。 值得一提的是最新一代的微机保护有的已采用了当前嵌入式系统设计开发 的典型方案，具体表现在突破了以往只注重于硬件上的嵌入式操作系统与c 语 言开发工具等。 1 2 图1 3 微机保护典型的嵌入式结构 3 用于自动装置 嵌入式系统在电力系统自动装置中的应用很多，例如：微机准同期装置、 微机励磁调节装置、微机( 切机、切负荷等) 。这些自动装置都冠以“微机”的名 称，实际上多是以单片机为核心研制的嵌入式系统。图1 _ 4 所示的是一个电力 系统稳定观测与控制系统的嵌入式构成的例子。其中在上位机中可能用到嵌入 式的实时数据库来存储大量的稳定策略信息，以备电网发生故障时查询；查询 时间往往只有几毫秒到几十毫秒，这对于目前的r t d b 技术来说难度很大。 加7 凑 彩翠片矶。77 汹；l 曼盘二 或 歹v f c ；( 带光隔) ， 重攀量 雄审 弹口迥1f 开口习 一副 讯与网1 ( 打印j 格口t 寓ak ，柚簿、，d 前置机( 下位机) 上位机及外围设备 图1 4 嵌入式的暂态稳定控制( t s c ) 装置构成 开出执行 暂态稳定 控制措施 4 用于电费计量 准确的电费计量( 指电子型，而非传统的表盘型) 是实现电网改造与电力 市场的关键之一，事关用户与电力公司双方的利益。一个完整的电费计量系统 1 3 模拟量开关量 由电能量的自动采集、与处理系统、电能数据计费结算系统两部分构成。用电 用户的分散性使得嵌入式系统成为最佳的实现方式，完成的任务可分为以下几 个步骤：电能数据采样( 脉冲计数) 一电能积分一电能统计一电费结算一电能 报表。借助嵌入式系统在测量仪表中成熟的研发经验，选择合理的算法实现电 费计量使电力公司与用户都能较为满意。 5 电力应用对嵌入式系统的特殊要求 电力系统是一个复杂的非线性、高维、互联大系统，不同的应用场合所需 求各异。基于嵌入式系统特有的优点，其在电力系统中的应用主要多用于底层， 实现数据采集、监视控制与仪表计量等功能；上层应用对数据存储能力、人机 交互( m m i ) 、网络通信等方面要求甚高，一般都是由p c 系统或局域网( l 蝌) 的形式实现。嵌入式系统在电力系统中的应用有以下几个方面的要求： ( 1 ) 实时性更强 以电力系统的稳定观测与控制为例，实时性就是其首先要解决的问题。电 网的安全稳定性通常在事故后几十到几百毫秒内就有可能受到严重威胁，过迟 的稳定控制措施起不到预想的作用，造成经济上的损失，还可能引起其他安全 问题。这里的实时性包括获得数据的实时性，数据处理、分析、决策的实时性。 实时性对嵌入式系统的硬件与软件有较为苛刻的要求。 ( 2 ) 可靠性更高 现代化大生产与居民生活中电能的使用是最普遍的，利用该系统实现对电 力系统控制时，硬件与软件的可靠性成为人们极为关注的问题。人们希望嵌入 式系统按照预先设计好的流程正常工作，有较好的抗干扰能力与智能性，例如， 加入w a t c h d o g 自恢复与自诊断功能，采用容错设计与数据辨识效验等。 ( 3 )