（电气工程专业论文）基于lpc2468的厂用电中压保护测控装置的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i c a la u x i l i a r ys y s t e mi sa ni m p o r t a n tp o w e rl o a di np o w e rp l a n t w h e t h e rt h ee l e c t r i c a la u x i l i a r ys y s t e m i ss t a b l ea n dr e l i a b l eo rn o ta f f e c t st h ee c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft h ep o w e rp l a n td i r e c t l y t h ep r o t e c t i o na n d m o n i t o r i n gd e v i c ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea u x i l i a r yp o w e rs y s t e m n l ee l e c t r i c a ls y s t e mo fp o w e rp l a n t m a i n l yr e f e r st ot h ep r o t e c t i o n ，m o n i t o r i n ga n da u t o m a t i cd e v i c eo ft h es e c o n d a r ye l e c t e r i c a ls y s t e m w h e t h e rt h e e l e c t r i c a ls y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，g e t st h es t a t eo ft h ee q u i p m e n ta n dt h er u n n i n gi n f o r m a t i o ni nt i m eu n d e r t h ec o m m a n do ft h ep o w e rp l a n to rn o t w i l lh a v ed i r e c ti m p a c to nt h es t a b i l i t ya n dt h ee c o n o m i cb e n e f i to ft h e p o w e rp l a n t t h ee c m sc o m e si n t ob e i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i o no ft h ep o w e rp l a n t t h e p r o t e c t i o na n dm o n i t o r i n gd e v i c ew h i c ha r ea p p r o p r i a t ef o rt h elo k va n d6 k vv o t a g eg r a d ep l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h ed e e pd e v e l o p m e n to ft h ee c m s 功ea r t i c l ef i r s te l a b o r a t e st h ep r e s e n ts t a t u s 。t h et e n d e n c y , t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h e p r o t e c t i o na n dm o n i t o r i n gd e v i c e t h e nt h ec o n s t i t u t i o no ft h ep o w e rp l a n t ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee c m si s i n t r o d u c e d b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef u n c t i o no ft h ep r o t e c t i o na n dm o n i t o r i n g d e v i c e ，t h en e e do ft h en e e do ft h eh a r d w a r e ，t h e nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea r ed e s c r i b e d c o n s i d e r i n gt h en e e do fh a r d w a r e ，al o wc o s td e s i g ns c h e m ei sp r e s e n t t h e nt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e s t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r e ，i n c l u d i n gt h ec p um o d u l e ，t h ea dm o d u l e ，i om o d u l e ，i n t e r f a c em o d u l e ， c o m u n i c a t l o nm o d u l e f i n a l l yt h ee m ci sd e s c r i b e d 1 1 1 es o f t w a r eo ft h ea p p a r a t u si sm a d eu po ft w om o d u l e s ，t h a ti s ，t h eb o t t o md r i v e ra n dt h ea p p l i c a t i o n p r o g r a m t h eb o t t o md r i v e ri n c l u d e s ：t h ed r i v e ro fi o ，t h ed r i v e ro fa d ，t h ed r i v e ro ff m 3l6 4 ，t h ed r i v e ro f c o m u n i c a t i o n t h ed r i v e ro fi n t e r f a c ea n ds oo n t h e nt h es o f ta n t i - i n t e r f e r e n c ei si n t r o d u c e d f i n a l l yt h e f r a m eo ft h es o f t w a r ei si n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l yt h ei n t e r r u p t k e y w o r d s ：e l e c t r i c a la u x i l i a r ys y s t e m s ；t h ep r o t e c t i o na n dm o n i t o r i n gd e v i c e ；l p c 2 4 6 8 ：h a r d w a r e i i 学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 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 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 签名黔敝燧名：钰伟啸”川5 第1 章绪论 1 1 课题的意义 第1 章绪论 发电厂厂用机械用电及照明用电称为发电厂的厂用电。厂用电绝大部分是使用交流电，少量的使用直 流电。厂用电的电压等级分为高压和低压。厂用高压多为1 0 k v 和6 k v ，其中6 k v 最为常见；低压为 3 8 0 2 2 0 v 。发电厂厂用电的全部电力网络、厂用电配电装置和厂用电的交直流电源等所构成的总体，称为 发电厂的厂用电系统。厂用电的任何故障都会影响电能的止常生产，严重的还会导致电厂出力的降低，甚 至会迫使全厂停电，中断对电力系统的供电，这对不允许停止供电的重要用户来说，是个严重的威胁，处 理不当将给国民经济造成小可估量的损失。 厂用电供电的可靠性和经济性虽与电厂的运行操作、维护检修和产品的质量有着密切的关系，但在很 大程度上取决于：厂用电接线设计正确与否；正确选择厂用电动机的类型和容量：供电电源、电压和接线 方式；此外，还有赖于新型的微机保护和自动化措施等。 随着电力企业自动化、信息化技术的发展及电力市场的推进，采用更加先进的自动化控制技术及其产 品，提高电厂自动化运行和管理水平，节能降耗，增强企、i k 竞争力，成为发电企j i k 的热门课题。目i j 大多 数火力发电厂的自动化通常划分为热工自动化和电气自动化两大部分。分布式控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 系统是针对热工自动化中机、炉动力机械工艺系统的特点、要求设计的；e c m s 电气监控管 理系统是为了提高发电厂的电气控制水平，提高电，运行的经济效益而产生的。微机保护测控装置的发展 为厂用电电气自动化及其监控系统的发展提供了条件。与此同时，微型计算机技术、通讯技术和超大规模 集成电路技术日新月异的发展以及各种性能优越的元器件的不断出现，为实现原理和性能更为优越的微机 保护装置提供了有力的技术支持。在发电厂内采用微机保护测控装置有助于实现上述目标，运行实践表明， 厂用电保护测控装置具有常规保护无可比拟的优点。 厂用电系统的保护测控装置是二次设备中的重要组成部分，丰要针对厂用电中的l o k v 和6 k v 的，因 此厂用电保护测控装置主要为中压保护测控装置，文章所述的是中压保护测控装置。由于厂用电保护测控 装置工作于高电压、大电场的环境，工作环境恶劣、电磁干扰大，其性能的好坏将直接影响厂用电系统运 行的可靠性和经济性，所以必须对保护进行硬件和软件上的抗十扰设计。厂用电的微机保护还是一个比较 薄弱的环节，出现了一些问题，具体表现在：随着用户运行能力的提高，对系统认识的提高，保护装置配 置的不够完善；产品综合性能指标不够先进，性价比不高；管理成本增加等。以上问题的存在，给厂用电 的安全运行带来了严重的威胁，也是电力生产中急需解决的莺大问题。妥善的保护测控装置的配置会使厂 用电系统更加稳定的运行、会带来很大的经济效益和社会效益。因此，研制和开发一套能适用于厂| 用电巾 压系统的高性价比的保护测控装置具有十分重要的意义。 1 2 厂用电保护测控装置发展状况和特点 1 2 1 厂用电保护测控装置的研究现状 厂用电保护测控装置作为电力系统继电保护的一部分，它的发展和继电保护的发展有密切的关系。 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又 为继电保护技术的发展不断注入了新的活力，因此，继电保护技术得天独厚，在四十年余年的时问里完成 了发展的四个历史阶段。五十年代末，晶体管继电保护开始研究；六十年代中期到八十年代中期是晶体管 东南大学硕士学位论文 继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代；七十年代中期，基于集成运算放大器的集成电路保护开始研究，到 八十年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护：到九十年代初集成电路保护的研制、生 产、应用仍处于主体地位，这是集成电路保护时代。 我国从七十年代末就已开始了微机保护的研究。1 9 8 4 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置 首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了 道路。从九十年代开始，各大高校与科研院所在微机保护方面投入了大量的人力和物力进行研究，国内几 大继电保护生产厂家也纷纷转向微机保护的研发和生产。不同原理、不同机型的微机线路和丰设备保护各 具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的微机保护装置。随着微机保护装 置的研究，在微机保护软件、算法等方面取得了很多理论成果。从九十年代开始我国的继电保护技术已经 进入了微机保护时代。 从九十年代初开始，我国的厂用电系统保护开始逐步受到重视，在一些工程中使用了进口的厂用电综 合保护装置。目前市场上有很多国内自主研发的厂用电保护测控装置，已经普遍取代了过去传统的继电器 和模拟式装置。在功能方面，这些保护测控装置集保护、测量、控制、监视与通信于一体；在保护原理方 面，自适应等保护原理已经初步应用。 以太网、光纤通信的发展使保护可以获得更多的系统运行和故障信息，实现了保护的网络化，使自适 应保护原理的使用变成了现实，同时也实现了系统保护。因为每个保护单元都能通过以太网、光纤通信共 享全系统的运行和故障信息的数据，对故障性质，故障位置和故障距离进行准确的检测和判断，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。 1 2 2 厂用电保护测控装置的发展趋势 随着微机保护的发展，不断有新的改善性能的原理和方案出现，这些原理和方案也带动了厂用电保护 测控装置的发展1 1j 【2 儿3 j 。 ( 1 ) 近年来人工智能技术如神经网络、遗传算法、数据融合技术、小波变换、免疫理论、进化规划、 模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在微机保护领域应用的研究已经开始。然而到目前为止， 人工智能的应用还不能取代传统保护原理。计算机在电力系统保护和控制中的应用及相关技术的发展为自 适应保护和暂态保护提供了良机。暂态保护是指通过检测故障暂态产生的高频信号来实现传输线及电力设 备的保护。故障暂态产生的信号中含有大量的信息，其中包括故障的类型、方向、位置、持续时间等。这 些信息贯穿于信号的整个频域，从直流、工频到高频分量。在基于工频的保护原理中，故障产生的高频量 被当作干扰滤掉，很多研究工作用于设计滤掉高频信号的滤波器上。随着理论的发展，将来也会在厂用电 保护测控装置中得到应用。 ( 2 ) 为了实现不同厂家i e d ( 智能终端) 设备的信息共享和互操作性，使厂站电气综合自动化系统 成为开放系统，国际电上委员会制定了i e c 6 1 8 5 0 国际标准 8 】，该标准具有信息分层、面向对象的数据对 象统一建模、数据白描述、抽象通信服务接口等主要特点。该标准为数字化厂站系统的发展奠定了基础。 i e c 6 1 8 5 0 在逻辑结构上将电气综合自动化系统分为三个层次：过程层、间隔层和站控层。过程层足一次与 二次设备的结合面，主要完成开关量的输入和输出，模拟量采集和控制命令发送等与一次设备相关的功能； 间隔层设备主要实现控制和保护功能，并实现间隔层设备间的相瓦对话机制：站控层完成对站内间隔层设 备、一次设备的控制及与远方控制中心、d c s 系统通信的功制4 j 【5 j 【6 j 。 目前在国内已对基于i e c 6 1 8 5 0 标准的电气综合自动化系统产品投入了大量研发，基于该标准的数字 化变电站示范上程在国内也有投运，这为厂用电电气自动化系统的数字化、标准化发展提供了成功借鉴。 ( 3 ) 现在光电流互感器( o c t ) 和光电压瓦感器( o p t ) 已在研究实验阶段，由于光瓦感器优良的传变特 2 第l 章绪论 性，使得微机保护有可能从暂态故障信号中提取更为丰富可靠的故障信息，从而构成新的保护原理，如参 数识别原理构成的保护i ，j 。 ( 4 ) 电压矢量跳跃原理构成的保护随着技术的发展也将出现。其原理是系统故障瞬间将导致电压相 角的突变。 ( 5 ) 目前工程中普遍存在着通信接口不规范、通信可靠性和实时性差、通信设备町扩展性不强等问 题。随着计算机、控制、通信技术的发展，现场总线技术出现了。现场总线是应用于牛产现场、微机化测 量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网 络。结构上，现场总线统打破了传统控制系统的一对一连接模式，能够把原来d c s 系统中处于控制室的 控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，实现彻底的分散控制：在技术上，现场总线系统具有开放性、 互操作性、互用性、现场设备智能化及功能自治性等特点。利用现场总线，可节省硬件，减少投资，提高 系统确性与可靠性。比较有影响的有f r o f i b u s 、c a n 、l o n w o r k s 等。 1 2 3 厂用电保护测控装置的构成和特点 厂用电中压保护测控装置和其它微机保护装置一样，也是以微控制器为基础，将传统的保护、测量、 计量、控制、通讯等功能结合在一起，用一个微控制器为中心的硬件系统、模块化软件和通信构成的完整 系统来代替。一般而言，厂用电中压保护测控装置的硬件系统按功能可分为如下七个部分： ( 1 ) 电源模块。供给微处理器、数字电路、模数转换芯片等所需的电源。 ( 2 ) c p u 模块。包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器、定时器等。微处理器执行存放在程序 存储器中的保护程序，对数据采集系统的数据进行分析处理，完成各种保护功能； ( 3 ) 数据采集模块。包括电压形成和模数转换等模块，完成将模拟输入量准确地转化为数字量的功能： ( 4 ) 开关量输入输出模块。由若干并行接口、光电隔离器、及中间继电器等组成，以完成各种保护出 口的跳闸、信号报警、外部接点输入等功能； ( 5 ) 人机接口模块。丰要包括键盘和液晶两部分； ( 6 ) 通信模块。包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网； ( 7 ) 其它。包括g p s 脉冲、电能脉冲、d c s 模拟量输出等： 厂用电保护测控装置的特点是：( 1 ) 采用软件实现保护算法，只要修改软件就町以改变保护的特性和功 能，便于修改，适应性强；( 2 ) 具备保护、测量、通信功能，数据上传，信息共享，易于获得如故障录波、 事故分析等附加功能；( 3 ) 可靠性高，实现常规保护难以做到的自动纠错、自诊断、自动识别和排除干扰； ( 4 ) 可直接安装在开关柜上，耐震动，占用空间小，取消了从开关柜到控制屏的二次电缆，节省了电缆投资 和施工费用；( 5 ) 可存储多套保护定值和保护定值修改，方便快捷；( 6 ) 保护类型齐全，几种保护可以合成在 同一套保护设备里；( 7 ) 增强了管理功能，能方便的记录历史数据，如断路器动作的次数及时间等，为设备 检修维护提供了参考数据。 厂用电微机保护装置除了具有上述的特点，与变电站微机保护测控装置相比还具有以下特点： ( 1 ) 厂用电微机保护除了具有变压器、线路保护，还具有电动机保护、发电机保护等。 ( 2 ) 在厂用电中，由于线路距离相对于变电站的线路距离短，很少有距离保护。变电站中多有后加速 保护，。用电中则很少。 ( 3 ) 在厂用电中多采用足干式变压器，变电站很少。厂用电的变压器的电压等级相对变电站来讲比较 低，因此保护的配置要求不太一样，如变压器高中侧的保护配置。 ( 4 ) 相对而言发电厂对防跳闸的要求比变电站的严格，发电厂对控制回路的断线的要求也比较高。 ( 5 ) 变电站多用以太网通信，厂用电中除了以太网，还有c a n 等现场总线。 3 东南大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 如前所述，本论文的上作就是要研究和开发一套高性价比的适合厂用电系统的中压微机保护装置。具 体可以归纳为以下几点： ( 1 ) 对厂用电系统进行分析，根据研究的现状，对厂用电保护测控装置进行了硬件分析，总结并提 出一套适合厂用电系统的保护方案，画出详细的逻辑框图； ( 2 ) 设计基于a r m 的保护测控装置，包括信号输入模块、信号输出模块、人机接口模块以及通信模 块； ( 3 ) 绘制原理图和p c b 图； ( 4 ) 对保护测控装置硬件进行调试； ( 5 ) 编写底层驱动程序； ( 6 ) 对软件框架进行设计，并具体做了介绍，编写应用程序。 4 第2 章厂用电保护测控装置的硬件需求分析 第2 章厂用电保护测控装置硬件需求分析 2 1 厂用电系统及发电厂电气监控管理系统 2 1 1 厂用电系统 发电厂，用电系统即厂用电负荷的供电系统。人们习惯将厂用电负荷分类，以便于统一管理并分类供 电，由于使用的角度不同，分类的方法也不同【8 1 1 9 1 。 按电源的种类分：根据厂用电负荷所用电源的种类，可分为交流厂用负荷及直流厂用负荷，由此对其 供电的电源也按其种类分为交流电源和直流电源。 按电源的电压等级分类：厂用负荷按其供电电压可以分为高压厂用负荷和低压厂用负荷。在我国的火 力发电厂中，一般高压厂用电压有1 0 k v 、6 k v 及3 k v 三种，其中6 k v 最常见。发电，的低压厂用电包括 交流厂用电和直流厂用电，习惯上人们将低压交流厂用电系统称为“低压厂用电系统”，而将直流厂用电 系统单独划为“直流系统”。电厂的低压厂用电电压等级一般为3 8 0 2 2 0 v ，如果电厂采用的是中性点不接 地系统，那么其低压厂用电电压为3 8 0 v ；如果电厂采用的是中性点直接接地系统，那么其电压为3 8 0 2 2 0 v 。 这里的高压和低压主要是相对于厂用电系统来讲的。 在厂用电系统中，当厂用电负荷大于2 0 0 k w 时，接于6 k v 系统，小于2 0 0 k w 时，则接于3 8 0 2 2 0 v 系统。当厂用电压为3 k v 时，与低压厂用电系统的负荷容量分界线定在1 0 0 k w 较为合适。 直流厂用电的电压一般为2 2 0 v 及l1 0 v ，在中小型发电机组中，直流动力及控制为一个供电系统，所 以常用2 2 0 v 一级直流电压。在大型机组中，要求将直流的动力和控制系统分开供电，所以往往采用2 2 0 v 和1 1 0 v 两种电压，前者为动力系统电源，后者为控制系统电源。 按负荷重要性：各厂用电负荷在电厂正常生产中的性质不相同，所以对它的供电方式也不尽相同，按 其在生产过程中的不同重要性，可将厂用负荷分为如下几类： i 类负荷：这类负荷对于电厂的生产及其重要，即便是在瞬时断电而由手动恢复供电前的短时停电中， 也可能危及人身与设备的安全，使牛产停顿或发电量大幅度下降，如送、引风机及给水泵等负荷。 i i 类负荷：这类负荷允许短时停电，但如停电时间过长，有可能损坏设备或正常牛产，如钢球磨煤机、 碎煤机等负荷。 类负荷：这类负荷一般与生产工艺过程无直接关系，即便较长时间停电，也不会直接影响到止常运 行，如油处理设施及中央修配厂设备等负荷。 随着机组容最加大及自动化水平的不断提高，有些负荷对电源可靠性的要求也越来越高，如机组的计 算机控制系统就要求电源的停电时间小得超过5 m s ，否则将造成数据遗失或失控。这类负荷现在巾国家有 关部门规定，统一定为“0i 类负荷”，由于由不停电电源供电，而相应地将直流负荷称为“0 i i 类负荷”。 还有一类负荷，在机组启停中起极为重要的作用，而在正常运行工况时，只相当于上述i 类负荷乃至 l i 类负荷。如发电机的盘车电动机及交流润滑油泵等，如在停机时失去电源，将造成发电机大轴弯曲和轴 瓦烧损的事故，这类负荷正常时由低压厂用电系统供电，一旦全厂停电时，由一不受本厂厂用电系统及本 区域电力系统影响的独立电源供电，以保障发电机组顺利停机，不造成设备损坏，并能很快地再启动。此 电源称为“保安电源”，这部分负荷常被称为“事故保安负荷”，在设计中将其定为“0 i i i 类负荷”。 发电厂厂用电电气系统，丰要指电气二次部分的保护、测量监控及自动装置等，具体有发电机保护、 变压器保护、高，一变高备变保护；自动装置类，如：励磁调节装置a v r 、厂用电快切装置a t s 、故障录 波装置、自动同期装置a s s 、厂用电源开关同期合闸装置；6 k v ( 1 0 k v ) 厂用电保护测控系统，如：厂用电 5 东南大学硕士学位论文 源分支保护装置、高压电动机综合保护装置、厂用变压器综合保护装置、分段开关馈线综合保护装置等； 4 0 0 v 低压系统，如低压备用电源自投装置、低压智能马达保护器、智能断路器等；直流部分等。即厂用 电气系统扩展了厂用电系统，涵盖了除网控之外的其它电气二次系统，包括发电机变压器组保护及励磁调 节等。 厂用电系统作为整个发电厂中的一个组成部分，而厂用电电气系统是否稳定可靠，能否在全厂统一指 挥和协调下，实时采集厂用电系统的运行信息、设备状态，实现监视、控制、计量和设备管理等功能，将 直接影响厂用电系统的稳定性和电厂运行的综合经济效益。发电厂电气监控管理系统是为了提高厂用电电 气系统的自动化水平，接入d c s 系统的需求而产牛的。微机保护测控装置的发展为厂用电电气监控管理 系统内部的联网和接入d c s 系统提供了条件1 0 】【l l j 【1 2 j f l 3 j 1 4 l 1 5 j 【1 6 】。 2 1 2 发电厂电气监控管理系统 2 1 2 1 发电厂电气监控系统概述 目前大多数火力发电厂的自动化通常划分为热工自动化和电气自动化两大部分。d c s 系统足针对热工 自动化中机、炉动力机械工艺系统的特点、要求设计的【1 。7 j u 8 1 1 1 9 i ，发电厂电气监控管理系统( e c m s ) ，是为 提高发电厂电气系统的自动化及运行管理水平，为了协调电厂热控与自动化水平的同步发展，满足电气接 入d c s 系统的需要，用计算机、测量保护控制及通信技术，实现发电厂电气系统的电气运行、保护、测 量、控制、故障信息管理及故障诊断、电气性能优化等功能的综合自动化在线监控管理系统。这样不仅大 大提高厂用电系统运行的安全性、可靠性、经济性和自动化水平，也为故障定位、故障分析提供了充分的 资源。 发电厂电气监控管理系统经过8 0 年代前的硬接线和9 0 年代的电气接入d c s 系统的两个阶段，现在 已经进入全数字化的监控系统，并为d c s 系统提供所需信息的接口和控制接口。而厂用电保护测控装置 微机化水平的提高和现场总线技术的成熟为电气系统监控数字化提供了有力的技术支持和保障。 电气监控管理系统监控的范围目前有三种：只有1 0 ( 6 ) k v 高压电气系统：1 0 ( 6 ) k v 高压电气系统及4 0 0 v 低压电气系统；1 0 ( 6 ) k v 高压电气系统及4 0 0 v 低压电气系统，机组电气控制系统所有独立手d c s 之外的 智能设备。目前工程中大多电气监控管理系统监控的范围包括1 0 ( 6 ) k v 高压电气系统及4 0 0 v 低压电气系 统，而机组电气控制系统所有独立于d c s 之外的智能设备通过串口直接与d c s 通信口o j 【2 l 】【2 2 】【2 3 j 。 2 1 2 2 发电厂监控管理系统的构成 发电j + 电气监控管理系统采用先进的分层分布式结构2 4 l | 2 5 j 【2 6 儿2 7 1 ，一般分为三层，即站控层、通信管 理层、间隔层。站控层一般包括数据服务器、w e b 服务器、应用服务器、维护员站、运行监视工作站、网 关等，每类功能的设备均支持冗余配置( 主备关系) ，用户根据需要自由组合。站控层是系统管理的核心， 完成对整个数据的采集、显示、处理、监视等功能，并实现对电气设备的控制功能。使用高性能的计算机 系统，操作系统采用专、i k 电力自动化软件，可以实现在安全、稳定、可靠、先进的基础上胜任发电厂电气 监控管理系统的各种任务。站控层多采用以太网双网配置，网络通信速度满足系统实时性要求，不小于 1 0 0 m b i t s 。站控层所有设备之间，能通过以太网传输信息，站控层与通信层之间的通信介质采用光缆或者 屏蔽双绞线等。 通信管理层是监控系统的核心，完成站控层和间隔层数据信息的上传和下发，并町通过相应接口接入 d c s ，实现与d c s 的信息交换，实现厂用电电气部分的逻辑控制功能。通信管理层由多个通信管理单元组 成，通信管理单元可以同时支持多种类型的通信口，包括工业以太网接口、串行通信接口及可扩充的其它 6 第2 章厂用电保护测控装置的硬件需求分析 现场总线接口等。通信管理单元的设计必须满足以下两个方面：硬件上采用单片机或嵌入式p c 、电子硬 盘，支持多种硬件接口，如以太网口、l o n w o r k s 或p r o f i b u s 等现场总线接口，保证高可靠性和通用性； 软件上采用嵌入式实时操作系统，模块化设计，可支持多种通信网络协议，保障实时性、标准性和可扩展 性。 间隔层负责各间隔就地监控与保护等功能，由众多的保护测控装置和自动装置构成，这些装置具有保 护、测量、控制、计量、通信等基本功能，并完成各自的特殊功能。间隔层设备主要由1 0 k v 、6 k v 综合 保护测控装置、4 0 0 v 综合保护测控装置等。间隔层保护测控装置和自动装置一般安装于开关柜上，通过 现场总线网络与通信管理机通信。6 k v ( 1 0 k v ) 的电气系统的综合保护测控装置，包括馈线保护、变压器保 护、备自投、电压瓦感器测控、分段保护等【2 8 j 【2 引。这些装置通常通过以太网方式、现场总线方式接入通信 管理层的冗余双重化通信管理机。4 0 0 v 馈线及电动机负荷，包括主厂房、辅助厂房内甚至码头输煤系统 的智能开关保护单元，系统配置独立的通信管理机接入这些开关保护单元。 厂用电电气监控管理系统将间隔层众多的保护测控装置有机的结合起来，提高了厂用电电气自动化的 水甲和运行管理水平。厂用电电气监控管理系统能否向深层次发展，从某种程度上依赖于保护测控装置的 发展和通信的规范【3 0 1 。根据厂用电电气自动化的控制特点，j 用电保护测控装置需要有保护、测量、控制、 通信功能，且保护功能要保持相对的独立。 2 2 厂用电保护测控装置的功能与硬件需求分析 2 2 1 厂用电保护测控装置的功能 随着计算机技术的不断发展，控制现场对控制装置的自动化水平要求越来越高。现场d c s 的广泛应 用，要求将保护、测量、控制及通讯功能集于一体。为满足厂用电电气自动化的发展要求，配合厂用电监 控系统的发展，厂用电保护测控装置应具备以下功能和特点【3 i j ： ( 1 ) 鉴于就地安装的特点，要求其能够适应恶劣的现场环境。既包括温度、湿度和有害气体的影响， 也包括振动和电磁环境的影响。 ( 2 ) 保护功能保持独立。其动作不依赖外部条件，即使在网络瘫痪的情况下，保护功能依然存在。 ( 3 ) 具备网络接口。厂用电微机保护做为监控系统的重要组成部分，需要有与监控系统通信的功能。 与监控系统的通信具体包括：接受监控系统杏询，若返回正确应答信号，则表明保护装置通信接口完好； 若超时无应答或应答错误，则表明通信接口或保护装置本身出现故障：传送事件报告，包括跳闸时间( 分 辨率2 m s ) 、跳闸元件、相别、故障波形等，且掉电后信息能保留；传送自榆报告，包括装置内部自检和 对输入信号的榆查；修改时钟及对时，目前至少要有通信广播对时及分秒中断对时；修改保护定值， 定值要经过上传、下装、反校、确认等环节后，保护装置才予以修改；接受投退保护命令，保护信号应 具有掉电自保持，能够远方或就地复归；接受查询定值并送出定值；接受对测鼍量的查询，包括模拟量、 开关量、脉冲量等；实行显示保护土要状态( 功能投入情况输入量值等) ，与监控系统通讯，主动上传故 障信息、动作信息、动作值及自诊断信息，接受监控系统命令上传整定值及历史事件，与监控系统通讯应 采用标准规约。 ( 4 ) 时钟功能。能够为系统提供精确的时间，并能通过g p s 与外部对时。 ( 5 ) 测量和计量功能。装置应能对接入的电压电流进行采样，并可计算出功率、相角、功率因数及 电度等派生最。并实现远程自动抄表系统的所有功能。所有的监测量均可以经过网络在运行人员工作站上 显示，也能就地显示出来。 ( 6 ) 监测功能。针对框架断路器的控制装置，监测功能主要有：跳、合闸回路断线监视，断路器异 常监视，p t 断线检测等异常情况检测，当装置有上述异常时，装置自枪报告可记录并在液晶主域面显示 7 东南大学硕士学位论文 异常信息和发生时间。 1 ) 跳、合闸回路断线监视跳、合闸回路断线监视逻辑：p c 装置具有跳、合闸回路断线监视功能，可 分别输出报警信号。装置通过检测断路器合闸回路电压信号，判断跳、合闸回路是否断线，然后根据断线 情况输出报警信号。注意工程设计时合闸回路须串接断路器常闭辅助接点，跳闸回路须串接断路器常开辅 助接点。 2 ) 断路器异常监视：装置检测到断路器操作机构未储能，或者连接到装置上的断路器常开和常闭触 点状态小对时，经延时后装置发出报警信号并显示断路器异常。 3 ) p t 断线检测：装置设有p t 断线检测功能，p t 断线判据采用正序电压或负序电压作为判据，当装 置检测到断线后，输出告警信号。 4 ) c t 异常检测：装置设有c t 异常检测功能，c t 异常判据采用零序电流作为判据，当装置检测到 t a 异常后，输出告警信号。 ( 7 ) 事件报告记录。装置应具有事件报告记录功能，可以将发生的重要事件生成报告保存，装置失 电后报告不丢失。事件包括动作事件、告警事件、遥信变位事件和操作命令事件。装置事件的1 竽放采用循 环方式，即有最新事件报告保存时，最老的事件自动被删除。 动作事件报告的内容为装置发牛保护动作的保护类型、保护动作的发生时间以及保护动作时刻的故障 量数据。 告警事件报告的内容为装置发生保护告警的保护类型、保护告警的发生时间以及装置自检发现故障时 的故障名称和时间。 遥信变位事件报告的内容为装置的开入量遥信发生变位的时间和变位后状态。 操作命令事件报告的内容为修改定值、遥控分合闸操作、装置键盘分合闸操作的发牛时问和操作名称。 各种事件报告中，操作命令事件报告是不可删除的，其他事件报告可以人工手动删除。 ( 8 ) 故障录波。装置应具有故障录波功能，可以将系统发生故障时的故障量进行录波保存，对最近 几个周波的实时采样数据进行录波。录波数据可以由通讯接口传送到上位机监控系统，在监控系统软件中 可以显示录波数据和波形。装置可以保存最近几次保护装置发生动作的故障录波报告，装置电源关闭后录 波数据不丢失。 ( 9 ) 开入量监视及遥信。对开入量实时监视，并上送后台，实现遥信。 ( 1 0 ) 远方和就地跳、合闸控制功能。支持对断路器开关的远方、就地分合闸控制功能。装置需具有 远方跳、合闸控制端子输入，也可以通过现场通讯总线实现远方跳、合闸操作。面板上还应设有跳、合闸 按钮，方便进行就地控制。装置也应有远方就地切换开入，可方便的切换远方、就地操作。 ( 1 1 ) 能够与d c s 系统进行接口。 厂用电电气自动化的发展对保护测控装置的功能要求不断提高，使保护测控装置具有多功能的特点。 保护测控装置的开发需要在分析这些功能的前提下，深入实际，结合现场，只有这样才能使保护测控装置 具有较高的性价比。 2 2 2 厂用电保护测控装置的硬件需求分析 2 2 2 1 厂用电线路综合保护对硬件的需求分析 厂用电线路综合保护主要用于馈线、分支或母线分段叫路的。根据现场，用电线路保护需要采集的 相关量如下： 模拟量开入：眈、虬，保护用三相l 、厶、l ，测量用l 、i a 、，零序电流厶 模拟量开出：4 2 0 m a 输出 8 第2 章厂用电保护测控装置的硬件需求分析 开关量输入：手工车试验位置、手工车工作位置、常开辅助触点、常闭辅助触点、弹簧未储能、接地 开关合位 开关量输出：手车工作位置的跳监视、远合、合圈，联跳l 、2 路，就地操作的远跳、跳圈，动作信 号，装置故障信号，保护告警信号2 路，控制断线，远方当地位置信号，通讯遥跳、通讯遥合 g p s 同步信号：l 路 通信：网络l 、2 电能脉冲：2 路输入，2 路输出 由上述分析可知，线路保护对保护测控装置硬件需求分析如下： 模拟量开入：l o 路 模拟最输出：l 路 开关量输入：6 路 开关量输出：1 5 路 g p s 同步信号：l 路 电能脉冲：2 路电能( 有功、无功) 开入，l 路电能开出 通信：网络1 、2 2 2 2 2 厂用电电动机综合保护对保护测控装置的硬件需求分析 电动机综合保护主要用于大型及中型三相异步电动机。根据现场，厂用电电动机保护需要采集的相关 量如下： 模拟量开入：u a 、以，保护用三相l 、厶、l ，测量用l 、i b 、七，零序电流厶 模拟量开出：4 2 0 m a 输出 开关量输入：熔断器断相跳闸、手车试验位置、手车工作位置、接触器合闸、接触器跳闸、接地刀合 闸 开关量输出：工作位置的跳监视、远合、合圈，联跳l 、2 路，就地操作的远跳、跳圈；动作信号， 装置故障信号，保护告警信号2 路，控制回路断线，远方位置，远方当地位置信号，通讯遥跳、通讯遥合 g p s 同步信号：l 路 通信：网络1 、2 电能脉冲：2 路电能( 有功、无功) 输入，2 路输出 根据以上的分析可知，电动机保护对保护测控装置的硬件需求分析如下： 模拟量输入：1 0 路 模拟量输出：1 路 开光量输入：6 路 开光量输出：1 5 路 g p s 同步信号：l 路 电能脉冲：2 路电能( 有功、无功) 开入，l 路电能开出 通信：网络l 、2 2 2 2 3 厂用电变压器保护对保护测控装置的硬件需求分析 变压器综合保护土要是针对低压变压器( 10 k v 3 8 0 v 或6 k v 3 8 0 v ) 。根据现场，厂用电电动机保护需要 采集的相关量如下： 9 东南大学硕士学位论文 模拟量输入：虬、q ，保护用三相l 、厶、乞，测量用l 、厶、七，高压侧零序电流厶 、 低压侧零序电流厶， 模拟量输出：4 2 0 m a 输出 开关量输入：变压器高温报警、f c 断相跳闸、手车试验位置、手车工作位置、接触器合闸、接触器 跳闸、接地刀合闸，变压器高温跳闸 开关量输出：工作位置的跳监视、远合、合圈，联跳l 、2 路，就地操作的远跳、跳圈，动作信号， 装置故障信号，保护告警信号2 ，控制断线，远方当地位置信号，通讯遥跳、通讯遥合 g p s 同步信号：l 路； 通信：网络l 、2 ； 电能脉冲：2 路输入，2 路输出； 根据以上的分析可知，变压器保护对保护测控装置的硬件需求分析如下： 模拟量输入：l l 路 模拟量输出：1 路 开关量输入：8 路 开关量输出：1 5 路 g p si 一步信号：l 路 电能脉冲：2 路电能( 有功、无功) 开入，1 路电能开出 通信：网络l 、2 2 3 厂用电保护测控装置的硬件总体需求 现场的需求为保护测控装置的硬件系统的设计提供了依据。而保护测控装置的硬件系统是实现各种保 护、测控功能的技术基础，对于保护测控装置至关重要。一个相对安全、可靠、稳定、成熟的硬件系统， 才能最大限度地发挥保护软件的功能，从而保证整套装置的稳定、可靠和高效。针对保护测控硬件系统的 特点，在新的硬件系统的设计上，应该遵循下面几个原则和要求3 2 】【3 3 】【3 4 j 【3 5 j f 3 6 i t 3 7 j ： ( 1 ) 应吸取以往保护测控装置硬件系统的成功经验，利用先进、可靠的技术手段，采用高性价比的 集成电路芯片，以符合当今嵌入式系统的丰流。 ( 2 ) 保护测控装置的硬件系统应该具有通用性。保护测控装置最大的特点就不同原理的保护可以由 完全相同的硬件系统实现，改变保护的功能和特性只需改变保护的软件即可。这是它与常规模拟式保护最 大的不同之处，也是其优势所在。因此，硬件系统的通用性在微机保护的设计中就显得尤为重要。硬件系 统的通用性不仅应保证微机保护装置的灵活性，而且还应为软件的升级换代保留一定的余地，在不改变硬 件系统的条件下能够实现新的、更复杂的保护原理。 ( 3 ) 可靠性足微机保护测控装置研制巾必须要解决的晕要课题。由于微机保护测控装置是极其重要 的设备，所以其可靠性要求很高。发电厂本身足一个多电磁干扰并存的复杂电磁环境，而快速反应的、灵 敏的电子电路构成的保护易受干扰影响。因此，微机保护测控装置在这种环境下所面临的电磁兼容性问题 自然也十分严重。 ( 4 ) 微机保护测控装置的硬件系统应该具有多种通信接口，可以方便地接入厂用电电气自动化系统。 随着微机保护在电力系统的广泛应用，微机保护已从过去仅仅承担传统的保护任务扩展到提供事故追忆、 故障记录数据库的维护以及保护装置的远方整定维护等功能。而这些功能的实现更多的是依赖通信，通信 接口已成为微机保护装置的基本组成部分。 根据厂用电电气自动化的特点及保护测控装置的功能，结合现场的需求，依据微机保护开发遵循的原 l o 第2 章厂用电保护测控装置的硬件需求分析 则和前面所述的微机保护的总体结构，对本保护测控装置的硬件需求分析如下： 整体结构采用a r m 和单片机的结构框架。为了能够在降低成本的前提下，能够使硬件系统具有通用 性，c p u 模块采用a r m ，通信接口a r m 通过s p i 口和主c p u 进行通信，电能测量模块采用单片机来控 制，、通过串口与主c p u 进行数据的交换，可以满足不同的需求。 数据采集模块。由于要求保护电流是2 0 倍额定电流，测量的范围是1 2 倍额定电流。精度要求为保护 2 5 ，测量0 2 ，因此采用1 2 路模拟量输入、1 4 位的a d 可以满足大多数保护的需要。 开关量输入模块。根据上面的分析以及以后的扩展，设计1 0 路开入量。 开关量输出模块。装置的开出一般有，告警信号为保护告警时置信号，动作信号为保护动作时置信号， 异常信号为装置故障时置信号，遥跳遥合开出用于遥控开合断路器。根据上面分析，设计1 6 路开出。由 于保护对遥信量的分辨率是小于2 m s ，凶此采用毫秒中断的方式来对相关遥信量进行处理。 l 路g p s 同步信号。 2 路脉冲量输入实现外部