（电力电子与电力传动专业论文）变电所监控及其网络系统的设计.pdf

变电所监控及其网络系统的设计 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dak i n do fd e s i g no ft h es u b s t a t i o ns u p e r v i s o r yc o n t r o l a n di t sn e t w o r ks y s t e m am e t h o dt h a tp ca n di n t e l l i g e n tt e r m i n a l s w a s c o m m u n i c a t e dt h o u g hr s 一4 8 5b u st or e a l i z et h er e a lt i m es u p e r v i s i o na n dc o n t r o lo f s o m ep a r a m e t e ri e ，v o l t a g e ，c u r r e n t ，a c t i v ep o w e ra n dp o w e rf a c t o re t c w e r e a d o p t e dh e r e ， t h es y s t e mh a saf r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c ew h i c hb a s e do nv i s u a lb a s i c 6 0 i tt h o u g hm s c o m mc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ro fv i s u a lb a s i c6 0t or e a l i z e s e r i e sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n di n t e l l i g e n tt e r m i n a l s t h es o f t w a r eo fp cc a n c o l l e c ta n dd i s p o s et h ed a t a ，a n ds h o wt h ed a t ao nt h ei n t e r f a c ea st h es h a p eo ft a b l e o rc h a r t ，a n dc a np r o d u c ef o r m se t c t h es y s t e mc a r ls a v et h ei m p o r t a n td a t ai nt h e d a t a b a s ee v e r y15m i n u t e s w h e nt h es y s t e me m e r g e sab r e a k d o w n ，i n t e l l i g e n t t e r m i n a l sc a nc a p t u r ei ta n dg i v ea na l a r m ，a tt h es a l t l et i m e ，t h es o f t w a r ec a ns a v e t h ed a t ai nd a t a b a s e f u r t h e r m o r e ，t h o u g ha c t i v e xd a t ao b j e c ta n do d b ci n t e r f a c e ， t h ed a t ai nd a t a b a s es e r v e rt h a ti no p e r a t i n gs y s t e mc a ne x c h a n g ew i t ht h ed a t ai n p c t h eu s eo fa d os u p p l i e sh i g h - p o w e r e da c c e s sf o ra n yd a t a b a s e t ot h eo p e n e d d a t a b a s e ，w ec a ne x e c u t es q ls e n t e n c e ，a d dt h ed a t a b a s e ，d e l e t et h ed a t a b a s e ， u p d a t ea n dc h o o s et h ed a t a b a s ee t c t h ec l i e n tu s e sc sm o d e lt og e ti n f o r m a t i o n a n dr e a l i z ec o n t r 0 1 i na d d i t i o n t h ei n t e l l i g e n tt e r m i n a lc a nc a p t u r ef a i l u r ei n f o r m a t i o na n dg i v ea n a l a r m t h eu s eo fi n f r a r e dk e y b o a r de n h a n c e ss e c u r i t yo ft h es y s t e m ，t h eu s eo f a n t i - j a m m i n gs e t u pt oe n s u r et h er e l i a b l eo p e r a t i o no f t h es y s t e m t h e e x p e r i m e n t a lo p e r a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e m ，w i t h a l l c h a r a c t e r i s t i c si n d e x e sb e i n gs a t i s f i e dw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，c a no p e r a t e s t a b l ya n dr e l i a b l y k e yw o r d s i n t e l l i g e n tt e r m i n a l ； s u b s t a t i o ns u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e m ； r s 一4 8 5b u s ；o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i o ni n t e r f a c e ；a c t i v e xd a t ao b j e c t ； s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 2 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工 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 方以外，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 含为获得一。塞邀壅王太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：争仁a 签字日期：斛莎月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解童邀堡三盍堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞数理王 盘堂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) 学位论文作者鲐冷m 签字日期d 。西年石月舌日 导师签名= 岳永楫 签字日期：沙占年占月7 日 变电所监控及其网络系统的设计 1 课题研究的背景及意义 变电站是电力网中线路的连接点，其作用是变换电压、变换功率、分配电能 等e 因此，变电站的安全、经济运行是电力系统安全、经济运行不可分割的重要 组成部分。 常规变电所的二次部分主要由继电保护、就地监控和远动装置组成。8 0 年代 中期，微处理器这些微型机的装置尽管功能不同，其硬件配置却都大体相同。除 了微机系统本身，无非是对各种模拟量的采集，以及输入、输出接口电路，而且 装置所要采集的量和要控制的对象还有许多是相同的，因而设备重复，结构复杂。 于是人们就提出了一种从技术管理和综合自动化的角度来考虑全微机化的变电所 = 次部分的优化设计。这就诞生了变电站综合自动化技术。变电站综合自动化是 8 0 年代才开始在电力系统中受到广泛地重视和应用的。而在西方工业发达国家， 早在6 0 年代初期，变电所的远方集中控制的概念就己提出，7 0 年代已普遍开始 了变电站综合自动化技术的研究，并在8 0 年代初期得到广泛地应用。 本文介绍的变电所监控及其网络系统的设计就是属于变电站综合自动化系 统开发和研究的内容。 1 ，2 变电站综合自动化技术的发展概况“ 1 国外变电站综合自动化系统概况 国外从七、八十年代就开始进行保护和控制综合自动化系统的新技术开发和 试验研究工作。目前，日本日立、德国西门子、瑞士l a n d i s & g y r 等国际著名大型 电气公司均开发、生产了变电站综合自动化系统，并取得了较为成熟的运行经验。 这些系统的主要特点是：采用分层分布式，由站控级和元件间隔级组成，在站控 级和元件间隔级的通信采用星形光纤连接。继电保护装置下放到就地，主控制室 与各级电压配电装置之间仅有光缆联系，而没有强电控制电缆进入主控制室。这 种系统既节约了大量控制电缆，又大大减少了对主控制室内计算机系统及其它电 子元器件的干扰，提高了系统的运行水平和安全可靠性。同时，国外变电站综合 自动化系统发展迅速，制造商很多。为了避免各自为政造成不良后果，同时也为 了便于这门新技术能够得到迅速发展和更广泛地应用。许多国际性组织和权威机 构都制定了系统的技术规范和标准。 2 国内变电站综合自动化系统概况 我国变电站综合自动化的研究工作开始于8 0 年代中期。1 9 8 7 年，清华大学电机工程 系研制成功我国第一个符合国情的变电站综合自动纯系统，在山东威海望岛变电站成功投 变电所监控及其网络系统的设计 入运行。该变电站的综合自动化系统主要由三台铹嘲龃成，分成三个子系统，担负了变电 站安全监控、微机保护、电压无功控制、中央信号等全部任务。1 9 8 8 年通过技术鉴定，填 补了国内一项空白，并达到了国际8 0 年代先进水平。它的运行结果表明：微机技术可以全 面、系统、可靠地应用于变电站的自动化工程中，同时也证明了变电站综合自动化对提高 变电儿的运行、管理水平及技术水平、缩小占地面积、减少值班员抄表、记录以及减少维 修工作量等方面有显著的优越性。它的运行成功，也证明了中国完全可以自行研究、制造 出符合国情的综合自动化系统。因此，8 0 年代后期，变电站综合自动化已成为热门话题， 研究单位和产品雨后春笋般地蓬勃发展起来。规模比饺大的有南瑞公司、四方公司等。 当前，我国在变电站综合自动化技术领域e 主要存有两种技术观点。第种观点认为： 变电站综合自动化系统主要考虑“四遥量”的采集，以点为对象，面向“功能设计”，故 变电站综合自动化系统应以传统的r t u 装置或在其基础上发展起来的数据采集装置、主控 单元、遥控执行等装置组成的监控为基础组成。它与微机保护的联系只要通过装置上的串 行口收集信息即可，并且特别强调保护的独立眭，即两者不能有任何硬件上的融合。这种 观点曾_ 度流行。而第二种技术观点认为：综合自动化技术是以先进可靠的微机保护为核 心，以成熟可靠的网络通信技术将澳揎：控制与继电保护融为体，共享数据资源，并十分 强调系统的总体结构优化以及系统的可靠性。系统是以对应的一次设备为对象，面向“对 象设计”。当然，它也强调保护的相对独立性，主张在决不吲附可靠性和功能的前提 下，目前至少可以在低压e 采用保护与测控合一的综合装置。该技术观点是在微机保护技 术逐步成熟并向网络化发展的基础上形成的。随着技术的发展和按这新思想设计的变电 站综合自动化系统的成功投运，并目这种技术观点与国际e 先进的设计思想及推出的高品 质系统如出一脉。因而，第二种技术观点正逐步成为大家的共识，也成为目前综合自动化 技术发展的趋势和潮流。 变电站综合自动化系统的研究和生产工作之所以引起这么多的科技工作者和生产厂 家的注意，根本原因在于变电站实现综合自动化，能够全面提高变电站的技术水平，提高 变电站运行的可靠性和管理水平。近几年来，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展 给变电站综合自动化技术水平的提高注入了新的活力。新的单片机及微处理器的问世，活 跃了计算机市场：网络技术、现场总线等的出现，给广大科技工作者创造了大显才能的条 件。因此，近月1 年来研究变电站综合自动化进入了高潮，其功能和性能也在不断地完善。 变电站综合自动化将成为今后新建变电站的主导技术。 综t 所述，我国与发达国家起楚电站综合自动化技术的发展e 还存在较大的差距，但 近几年来发展相当迅速，是我国交电站技术的主流方向。因此，大力开展这方面的研究工 作具有重要的理论意义和广阔的应用前景。 变电所监控及其网络系统的设计 1 3 变电站综合自动化技术的特点“”1 变电站综合自动化是个广泛采用微机保护和微机远动技术，并对变电所的模拟量、 脉冲量、开关状态量及一些非电量信号分别进行采集，经过功能的重新组合，并按照预定 的程序和要求对变电所实现自动化监视、测量、控制的集合体和全过程。变电站综台自动 化剧哿变电站的二次设备经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子 技术、通信技术和信号处理技术，实现对整个变电站的主要设备和输、配电线路的自动监 视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站综合自 动化系统，即利用单台或多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规 的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继 电保护屏，改变常规的继电保护装置不能与外界j 甩信的缺陷。因此，变电站综合自动化是 自动化技术、计算机技术、通信技术等高科技在变电站领域的综合应用。变电站综合自动 化系统可以采9 陋0 比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能， 可以方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。 变电站综合自动化技术最明显的特点表现在以下几个方面： 1 功能综合化； 2 结构微机比； 3 操作监视屏幕化； 4 运行管理智能化。 1 4 变电站综合自动化技术的优越陛 1 提高供电质量的同时提高了电压合格率； 2 提高了变电站的安全、可靠运行水平； 3 提高了电力系统的运行及管理水平： 4 缩小了变电站占地面积，降低造价，减少了总投资； 5 减少了维护工作量，减少了值班人员的劳动量，实现了减人增效的目的，提高了 劳动生产率，同时也减少了人为误操作的可能。 1 5 本系统的特点 该系统采用模块化、分层分布式开放系统。本着分散控制、集中监视的原则，按间隔 划分、单元化设计、分布式处理，实现设备分层和网络分层的解决方案，整个系统分为三 层：站级控制层、通讯层、现场保护测控层。本系统的站级控制层用一台上位机作为主机， 上位机系统软件采用v i s u a lb a s i c 编程，利用v b 中的搭c 0 蝴通信控件及v b 自带的其他 控件给用户提供美观、实时、直观、友好的人机界面，而且可以实现与强大的数据库连接 对变电6 儆备睁状态进行管理、监腔、数据记录和报表输出等。邯巩留有以太网接口， 变电所监控及其网络系统的设计 系统可通过该接口与其他各工作站主机交换信息。同时，该系统站级控制层还可以利用公 用电话网接入广域网构成多主机构成的广域网系统以实现远程诊断和远程维护。每台下位 机都带有红外遥控键盘和4 行点阵液晶显示器，在现场就可以通过遥控键盘和显示器对参 数进行整定。由于本系统要实现较远距离的通信，并且要在变电站形成底层网络以完成现 场自动化设备之间及底层王场设备与e 位机等外界的，詹息交换，所以通信总线采用r s 一4 8 5 总线。 16 本课题主要研究内容 课圃昕没计的变电站监控及其网络系统的内容主要包括以下三个方面： 1 开发了s q ls e r v e r7 0 数据库，通过该数据库及v b 中一些必要的数据控件如a d o 、 m s h f l e x g r i d 等使数据的存储量更大，速度更快，系统的运行也更加稳定。能够实现数据 每隔1 5 分钟进库保存。当系统出现报警时，故障信息也能存进数据库以利于检修 员迅速 查找故障原因并尽快排除故障。使用了通信控件m s c o m m ，通过对该控件属性的设置及对相 应应用程序的编程，实现了上位p c 机与智能终端之间的通信。再使用其它一些普通控件， 如标签、文本框、图像框、命令按钮、记时器、图片框、形状等来美化界面，实现了更加 强大的软件功能。 2 智能终端的显示，由原来的两行点阵液晶显示升级为四行点阵液晶显示。 3 通信网络的设计更加健全，可扩展性更好，可与多种智能终端进行通信。 4 变电所监控及其网络系统的设计 2 系统简介 2 1 1 变电所系统配置 在叙及系统设计之前，我们先来了解一下本系统受监控的变电所内部的结构，如图2 _ 1 所示： 对于般变电所，需要进行监测的量以及需要保护的地方有很多，而对变电所里各个 开关柜中各量的监测及对输出线路的保护也会因为该线路所带负载的不同而不同。如下图 所示：对进线、出线要进行保护，同时要对各个带有不同负载线路上的模拟量如电压、电 流、功率、功率因数、频率进行监测，对开关量如开关位置、手车位置、弹簧储能状态等 进行控制。 图2 - 1 变电所系统配置图 变电所监控及其网络系统的设计 2 1 ，2 系统一次主方案 本文设计的主要目的是对带感性负载的线路及其设备进行监测、监控和保护。因此， 本设计就以出线所带负载为感洼负载作为前提，对该线路的各个单元进行监测、监控及保 护。系统一次主方案如图2 2 所示： 图2 - 2 系统一次主方案图 从以上方案可以看出，监测电量分别取自电旺互感器p t 、电流互感器田，在本系统 中电流互感器用三组c l i 、c t 2 、c t 3 ，各互感器二次侧电量经整流及分压装置后被整定成 为单片机可以采集的量，供单片杌采集及处理。电流互感器凹1 作为测量三相电流用，因 此它的精度要求较高，电流互感器c r 2 作为保护用，精度要求较口1 低。c t s 为零序电流 互感器，主要用于检测线路的三相不平衡电流，也作为保护用。电压互感器p t 采用内部为 三线五柱式的结构形式，既可以对三相电压进行监澳l 又可以监钡旺三市目电压是否平衡。 2 2 系统结构综述 系统采用模块化、分层分布式开放系统。本着分散监澳监控、集中监视的原则，按间 隔划分、单元化设计、分布式处理，实现设备分层和网络分层的解决方案。般系统结构 的典型配置方案如图2 3 所示： 图2 3 系统结构典型配置方案 变电所监控及其网络系统的设计 这样个监控系统包括三个层次：最上层为数据处理和显示层，也就是e 位机；中问 为负责通信的通信网络层；最底层是分布式的智能监控单元，即通常所说的下位机或智能 终端。 下位机指硬件层上的设备，即各种数据采集设备和各种智能控制设备等。下位机与变 电站中各种电器设备相结合，感知电器设备各种参数和状态，并将这些数据转换成数字信 号，通过数字通信网络传_ i 蓥至0e 位机系统或经过简单处理后就地显示在终端四行液晶显示 器上，也可以向设备发送控制信号。每个下位机也叫一个单元，它还具有继电保护功能， 能对采集到的设备状态进行分析，当发现满足一定条件时自动向设备发送控制信号，例如 发现电流过高时向断路器发送跳闸信号，就可以在发生事故之前切断电源，从而实现对电 器设备的保护。出于这种保护功能对实时性的要求极高，通过e 位机完成难以达到实时性 要求，因此般都是由下位机来实现。 上位机负责对数据的显示、处理、保存以及给i j 倒嗣磁桑作人员提供友好的人机界面， 以适当的形式将采集到的数据信恩显示给用户，以达到监视的目的。同时接受操作人员的 指示，将控制信号发送到下位机以达到控制的目的。 通讯层是下位机与上位机之间的桥梁。e 位机与f 位机之间需要交换数据来实现监控 功能。系统采用串行通信，物理层协议多种多样，有的采用r s 一2 3 2 协议，有的采用r s 一4 2 2 或r s 一4 8 5 协议，本系统采用了r s - 4 8 5 协议。因为在这种徽下信息传输距离较远，而且 可以将多个下位机的通信线并接构成总线结构，但f 1 c 机串彳亍j 百信口只支持r 8 - 2 3 2 协议，因 此系统需要将r s 一2 3 2 的串行通信方式通过转换设备转换成r s - 4 8 5 信号。本系统采用的转 换设备为t 哪 e 4 8 5 - c 转换器，同时下位单片机也要使用种转换芯片连接到r s 一4 8 5 总线上， 本系统采用m a x4 8 5 芯片。由于受实验条件的限触我们所设计的系统采用单主机运行方式 其系统结构如图 4 所示： 图2 _ 4 单主杌运行监腔网络图 变电所监控及其网络系统的设计 在该系统中，上位机由一台p c 机组成，通过m w e 4 8 5 - c 转换器( 该器件的详细说明及 在本系统中的用法见4 3 2 ) 将r s 一2 3 2 信号转换为r s 一4 8 5 信号或将r s 一4 8 5 信号转换为 r s 一2 3 2 信号：同时下位单片机使用的 f f a x - 4 8 5 芯片( 见4 3 2 ) 连接到r s - 4 8 5 总线上进 行r s 一4 8 5 与t t l 电平之间的转换；通信电缆采用屏蔽双绞线，抗干扰能力强，提高了系统 运行的安全、可靠陛。 2 3 电力系统故障简要分析及智能保护、监则m 啪嘲“1 2 ，31 电力系统简单不对称故障分析 短路捌牵中的三相短路为对称短路，分昕较为简单。而实际的电力系统中的故障大多 数是不对称的，为了保证电力系统和它的各种电气设备的安全运行，必须进行各种不对称 故障的分析。简单不对称故障，是仅在电力系统中的一处发生不对称短路或断相的故障。 对称分量法是分析计算不对称故障常用的方法。 对称分量法分析计算的主要思路是：当电力系统k 点发生不对称故障时，相当于在该 点接上三相阻抗不对称的故障电路。这时整个电力系统由两部分性质不同的电路组成，一 部分是未发生故障前原来的三相阻抗对称的系统，另部分就是三相阻抗不对称的故障电 路。由于在应甩对称分量法时，只有在三枢阻抗楣等的条件下才可以建立各序的独立序网 络，因此可在k 点把这两部分电路分开处理。对原来的三相对称系统，从k 点看可以得到 三爪相互独立的x 擗分量序网和亨网方程。从k 点看榔章电路可以得到三个矗赚章条件，也 裁毯懒量之间的关系方程式，联解这六个方程式，就可以求出故障处的对称分量电压 和电流。 应用对称分量法分析不对称故障 述，它们的电压方程式如下： d 。，= d 。一z 。，j 。1 口。z2 一z 。z 厶z u d 。= - z b b in 。 j 求解故障时各序电压和电流可分别用三个序网描 ( 2 _ 1 ) 式中省去下标a ，只要指明以a 相为基准即可。分析简单故障时，取特殊相为基准最 为方匣。单相朗漳时，树鞒日为特殊相；两相故障时，非故障相为糊耕目。 各种不对称短路的边界条件如表2 - 1 所示，用对称分量表示的边界条件均以特殊相为 基准。 变电所监控及其网络系统的设计 表2 - 1 各种不对称短路的边界条件 短路类型 实际电匪电流若系 各序电流关系各序电压关系 单招接 l o b = ，= 0u d l + u d 2 + u d o 地短路 u = z f i 嘶 i d l = 1 d 2 = i d 0 = 3 z ，i d o i m = 0 d i + ，。2 = 0 u d l 一o 5 z ，d 1 = 两相 ，m + i m = 0 i d o = 0 u d 2 一o 5 z ，d o 短路 u v b u d c = z f i u d o = 0 j 嘶= 0u d l z i i o l 两根崮蝴o 。= z i i 。+ z g q d h + j i = u d 2 一z f l d 2 如。：z t i 。z 义。+ id _ 、 厶i + i d 2 = - i n o = 移。一( z ，+ 3 z 。) j 。 各种不对称短路的故障点正序电流和电压的计算公式可以统用下式表示 ( 2 _ 2 ) ( 2 3 ) 式中，z 如表2 - 2 所示。 j 。和d 。，确定后，即可根据边界条件及式2 一l 或复合序网得 ，d 2 ，d o ，u d 2 ，u d 0 。 各种短路的故障点短路电流有效值也可统表示为 d = m i 式中，系数m 如表2 2 所示，表中两相接地短路的系数是指金属性短路。 表2 - 2 各种短路的厶z 和m 短路种类 zm 、 单相短路 z d 2 + z 舯+ 3 z ， 3 两槲璐zd ! + z i 3 两嬲 ，( z 。2 + z ，x z 。+ z ，+ 3 z g j 西1g 蔫) z 短路 ，l z 。2 + z d o + 2 z ，+ 3 z g 三相短路01 9 变电所监控及其网络系统的设计 式2 - - 2 表示，电力网中某点发生不对称短路时，故障点的正序电流与在同一点经阻 抗发生三相短路电流相等，如图2 - - 5 所示。这一规律称为正序等效定则，图2 - - 5 所示称 为正申增广网络。因此，可以应用计算三相短路电流( n n c 子n ) 的方法来计算不对称短 路的正序电流和电压。 图2 - 5 正序增广网络 对称分量法实质上是将a b c 三相布嗽的棚域电湘芝掬茂三相分另啊称的正序、负 序、零序分量。_ 三相a b c 分量与正序、负序、零序分量的关系如下矩阵所示： e e e ( 2 - 4 ) 口：p 肿一1 + ，坐 口2 1 一，一- , 3 疙。= 眩+ 哦材铹 三。嚣端， 厶：眈+ 危+ 铹j j 0 1j 矗 丌iiii皿 口扩矿日 p。l = ，_ir_i 变电所监控及其网络系统的设计 23 2 终端主要功能配置及保护原理州瑚 在电力系统中就保护而言有很多，下面主要介绍电流保护、电压保护、负序及零序保 护。 1 电流保护 电流保护是根据电力系统运行电流的变化而动作的保护，按照保护整定原则，保护范 围和原理特点可分为： 1 ) 过负荷保护。电力系统中的重要电气设备要安装防止过负荷运行的安全保护装置， 发电机、变压器的过负荷保护，是按照发电饥和变压器的额定电流或限定的最大负荷电流 来整定。当电气设备的负荷电流超过额窿电流达到保护的整定电流时，在整定的时间内动 作，发出信号。 2 ) 过电流保护。是电力系统中的变压器和电力线路的重要保护。它能保护电气设备 的全部和电力线路的全长，并作为相邻开关和电流速断保护的后备保护，是按躲丌可能发 生的最大负荷电流来整定( 保护楚定值要大于系统的负荷电流及最大电动机的启动电流和 穿越懒故障发生流过本线路的电流) 。当保护装置中流过的电流娅0 保护的整定电流 值时，继电器动作在整定时间内作用于断路器掉闸，切除故障，使系统中非故障部分继续 运行。 3 ) 电流速断保护。电流速断保护是电力系统和变压器的主要保护，当电力系统中被 保护的线路和变压器发生严重短路故障时，以最短的动作时限迅速切除故障点。电流速断 保护是最大运行方式条件下，躲开线路末端或变压器二次舰悛生三相金属性短路时的短路 电流来整定，当电流速断保护动作时，以零秒的时限使断路器掉闸切除故障，上下级开关 用短路电流绝对值动作配合，来满足对故障电流的选择性。 2 电压保护 电跚是电力系统发生故障异常运行时，根据电压变化而动作自够* 护，电压保护按 其在电力系统中的作用和整定值不同可分为： 1 ) 过电压保护。它是为了防止电力系统中出现过电压而使电气设备或线路损坏的一 种保护。 2 ) 低电压保护。它是为了防止电力系统中出现电压陌氐而使电气设备正常运行遭受 破坏损失的保护。 3 ) 零序电压保护。它是种用于三相三线中性点绝缘的电力系统中为防止一相绝缘 损坏造成单相接地故障的种保护。 3 负序及零序保护 负序及零序保护是作为三相电力系统中发生不对称短路故障和接地故障的一种主要 保护。 变电所监控及其网络系统的设计 此外，还有温度保护、差动保护、方向保护、平衡保护、瓦斯保护、距离保护等各种 保护。就本系统设计的智能终端的主要保护和测控功能配置如下： 一、功能配置 1 主要保护功能配置 1 ) 过负荷保护；2 ) 低电压保护；3 ) 过电压保护；4 ) 零序电流保护；5 ) 断路器控制回路 监测。 2 主要测控功能设置 1 ) 本地或遥控断路器分合闸；2 ) 开入信号量的采集；3 ) 相电压：u a u b ，u c i 线电压： u a b ，u b c ，u c a ；计量电流：t a ，i b ，i c ；保护电流：l a b ，i b b ，i c b ；零序电流：i 。j b ；零序电压： u “功率因数：c o s 巾；频率：f ；脉冲电度p w h 、0 v h 等；4 ) 信号量的输出； 外部电流及电医输入经隔离互感器隔离变换后，输入至8 7 c 5 5 2 的r 口，转换成的数 字量经c p u 进行保护逻辑运算，构成各种保护，同时计算出各种遥测量显示在l c d 上并能 通过通讯线俪羞给e 位机。 i a 、i b 、i c 为测量用c r 输入， i a b 、i b b 、i c b 、l o b 为保护用四输入，保护和测量 输入量分开，从而保证了足够的测量精度。零序电流和零序电压由专用的零序电流互感器 和零序电压互感器接 。 二、主要保护功能原理 1 过负荷保护 1 ) 动作条件 在保护压板投入时，当任相电流i 大于整定值时，保护动作。般该保护不设置跳 闸出口，只发告警信号。 2 ) 保护逻辑 i a b i b b i c b 告警 出口 显示 图2 - 6 过负荷保护逻辑框图 2 低电压、过电压保护 1 ) 动作条件： 本单元预设置了酬氐电压保护。对于不需要或不允许自启动的电动机：u l z d 整定 为( 6 0 9 6 7 0 9 6 ) u e ；对于需要自启动的电动机，u l z d 整定为5 0 u e ( u e 为电动机的额定电 2 变电所监控及其网络系统的设计 压) 。 当三个线电压同时f 氐于低电压整定值u l z d 并且没有阿断线时，如果低电压保护投入 则保护经延时t l 动作于跳闸。 当任一线电压大于过电压整定值u h z d 时，如果过电压保护投入则保护经延时t h 动作 于跳闸。 2 ) 保护逻辑动作条件： 图2 7 低电压、过电压保斟孽b 框图 3 零序电流保护： 1 ) 为使系统中发生三相电流不平衡或接地故障时能使电动机开关跳闸和报警，本系 统装设零序电流保护。 零序电流由专用的零序电流互感器引入。 零亭饵驴压板投入时，满足l o l o z d ，则保护经整定时间t o z d 后动作，可设跳闸出 口或信号出口 2 ) 保护逻辑 告警 出刖 记录 剖2 - 8 零序电流保护逻辑框图 4 控制回路断线报警： 1 ) 动作条件： 通过畸测断路器位置及控制回路电压来判断控制回路是否断线。 在合闸状态下判断跳闸回路是否有电压，若无电压则延时2 0 s 发告警信号，在分闸状 态下判断合闸回路是否有电压，若无电压则延时2 0 s 发告警信号。 2 ) 保护逻辑： 变电所监控及其网络系统的设计 跳闸回路无电压 断路器位置 台闸刚路无f b 压 2 3 3 智能保护硬件框图 ab c 跳闸回路断线告警 显示、记录 台闸回路断线告警 漫求、记录 4 变电所监控及其网络系统的设计 将主控电路表示成接在控制母线上的控制图如图2 一l l 所示 2 4 系统二次原理” 二次原理图 图2 - l l 主控制图 k t l l2 0 0 50 ：50 5 电 测量电流 流 保护电流 回 零序电流 路 保护电压 电 压 计量电压 厕 路 零序电压 控制小母缱 由l t l l # 薯 台 台两 闸 回 肚位拍示 站 舍位指示 腱 懈 肚问 回 瞎 誓基赡而 在图2 1 2 中，模拟量输 电流分为测量电流和保护电流， 这主要是因为测量和保护的精度 不同。本系统根据电网实际隋况 测量精度选用0 2 级，保护精度 3 级。电流传感器额定测量电流 选用5 a ，电压互感器额定电压选 l o o v ，额定频率5 0 h z 。 在该图中，没有标注出开关 量的输入、输出。在本系统中我 们主要设置了有源输入量、功率 输出、信号继电器输出等。其中， 每个有源输入量可以单独设置防 图2 1 2 数据采集的二次原理图 抖时限( 1 - - 2 0 0 m s ) 。同时也可以为脉冲电能的计数提供输入通道。通信接口也没有标出， 实际系统中应该有一个隔离的r s - 4 8 5 与上位机相连。 变电所监控及其网络系统的设计 图2 1 3 为分别获取十1 5 v 和+ 5 v 直流电压的电路图 、增x三 z王2l i o2 l a o 汀 1 i 厂_ r 一 八 c 3 i 鱼l 一 王lt 。 zzz )i - q 八八八 广天j 贯 s2王z 一 l 二竺三一j 巫9 v i 嵯一 c 5 c6 _ 一 03 3 i “ 2 王z土z 图2 1 3 + l s v 、+ 5 v 直流电源电路图 电源设计采用7 8 x x 系列固定稳压器产生的正电源电路。其内部有完善的保护。如过 流保护、工作区限制电路等，所以可靠性比较高。 2 6 功率因数角检测的实现方法 短路是电力系统故障的基本形式，对称三相系统可以取相进行分析，检测功率因数 角可以区分大小相同的短路电流和起动电流，因为前者c o s t o = 0 9 1 0 ，g r = 2 5 8 。o 口，后者 c o s q o = 0 3 5 0 4 # - - 6 9 5 。6 3 3 。 功率因数角检测电路见附图l ： 由于电网的功率因数角巾为电网相电压与相电流的相位角。图中用电压互感器啾电 压信号u a ，用电流互喀器取电流信号i a 。两个信号u a 和i a 分别进入两个电压t 嚏器，比 较器的输出为矩形脉冲i j l 和u 2 ，由于比较器的灵敏酗艮高，矩形脉冲上升沿仅仅决定于 输入信号由负变e 这过零点啦0 ，从而j 醛负了因输入信号波形畸变所带来的误差。两比 较器输出的脉冲信号u l 和i j 2 经光电偶合隔离后加到异或门的输 端。u l 和i 2 经过异或 门处理后形成合成脉冲u 3 ，合成脉冲u 3 的脉宽正好等于电压和电流的相位差。换句话 说u 3 脉宽所对应的电角度即等于功率因数角由，可用下式表示： ( p2 ( ( i ) t 1 一t 2 ) t + 2 ( 2 6 ) a 帔) 其中： u t l 、u t 2 分别为电网相电压与相电流由负变正这过零点时刻的相位角： t 为电网相电压与相电流的周期： 中为功率因数角。 检测输出信号分别接到8 7 c 5 5 2 的p 1 0 和p 1 1 引脚上，即t 2 捕捉o 输 线和t 2 捕 变电所监控及其网络系统的设计 捉1 输入线。设定p 1 0 引脚上为上升沿捕捉，p 1 1 引脚上为下降沿捕捉。只要将c t 1 和 c t 0 中所储存的时间值相减即可得合成脉冲u 3 的时间。为了防止外部干扰信号对测量结果 的影响，提高测量的准确性，对合成脉冲u 3 的时间值测量1 0 次，然后将l o 次的测量结果 取平均值作为测量的最后结果。 测量的结果只是合成脉冲u 3 的时间( 单位us ) 要得到电角度还必须经过中间转换。 单片机主频若选用1 2 m h z ，则u 3 脉冲的电角度为： 西：氅3 6 0 。 妒2 互石j 万“3 0 ” ( 2 - 7 ) ( 电角度) u 3 的波形见图2 - 1 4 所示。即系统电压经过传感器和波形变换后得到周期为2 的方 波信号，同样电流经过电流传感器和波形变换也是周期为2n 的方波信号，只是电流方波 滞后于电压方波，滞后角度为由，这就是功率因数角。电压、电流方波经异或门逻辑处理， 然后再经光电耦合，得到周期为n 的脉冲序列，脉冲宽度即为要检测的功率因数角。检测 时查功率因数表即可得到当时的功率因数。 u 7 f 厂厂 p t 一 一 i r 上 _ 。_ 一 【0 t t t 图2 - 1 4 输入、输出信号波形 功率因数角由的范围为o 9 0 ，功率因数值的转换采用查表法，见表2 3 所示 变电所监控及其网络系统的设计 表2 _ 3 功率因数转换表 测量结果表格数据地址存放功率因数 0 - 9t a b 卜o1 0 0 0 1 1 0 一1 1 9t a b + 2 2n 9 9 9 1 8 0 1 8 9 t a b + 3 60 舯8 1 0 0 0 1 0 0 9t a b 十2 0 0n 9 5 1 4 9 8 0 - 4 9 8 9t a b + 9 9 6o 0 0 6 4 9 9 0 - 4 9 9 9 t a b + 9 9 8n 0 0 3 5 0 0 0t a b + 1 0 0 0o d 0 0 从上表中可以看出，表格中共放有5 0 1 个功率因数值，从0 - - 一0 0 每间隔0 1 8 即可 查到一个功率因数值，对应定时器的计时值间隔为1 0 。故i 丁半钡4 量结果除以1 0 取整后乘 以2 ，其运算结果作为查表偏移量地址。通过执行查表指令m o v ea ， a + d p t r ，可查得对 应的功率因数值。表格中的功率因数值为4 位b c d 码，位是整数，三位是小数部分，共 占用两个与邓地址单元。所以功率因数值所占内存需要( 5 0 1 2 ) 个字节。 图2 一1 5 、2 一1 6 和图2 1 7 分别给出了t 2 中断服务予程序流程图和功率因数转换子程 序流程图。 取出c t 0 值储奔到 缓冲区6 0 h j r 、 置c t l 下降黪撼握 图2 - 1 5t 2e 升沿触发中断服务子程序 变电所监控及其网络系统的设计 i 取出c t i 值储存到缓 i 冲区6 2 h 井减去6 0 h i 6 0 h 6 3 h 清零，置 c t 0 上升沿捕捉 i 计数次数加l 图2 - 1 6 t 2 下降沿触发中断服务子程序 图2 - 1 7 功率因数转换子程序 应注意的事项 功率因数角检测电路从原理上看不太复杂，但涉及到两个电源等级，即+ 5 v 和+ 1 5 v ， 从抗干扰的角度来看，必须分清楚，不能混淆，所以电路的前半部分电流互感器的地、电 压变换器的地、集成运算放大器的地、异或门的地和光电耦合器的左半部分的地，皆与+ 1 5 v 的电源共地。而光耦右半部分的地必须与+ 5 v 的电源共地，所以光耦在此处起到了隔 离作用。 变电所监控及其网络系统的设计 2 7 故障跳闸电路 变配电系统需要监测和保护的地方非常多而复杂，当然系统也就可能出现这样或那样 的故障。因此系统设计要求智能终端必须要自镒测至嘣障信号并输出报警和跳闸信号。故 障跳闸电路如图2 1 8 所示。 酬2 - 1 8 故障跳阐电路 该电路主要实现对检测到的故障信号和运行过程中发生的故障跳闸使继电器失电。正 常隋况下单片机的输出信号为低电平，三极管v r 4 处于截止状态；故障存在或一旦发生时 为高电平，该信号为高电平使三极管v t 4 饱和导通，驱动继电器z j 使主回路不能送电或失 电。 在开关量的输入输出回路中采用了光电耦合器，因为在有发光二极管和光敏三极管 组成的光电j 氰刍器里，信息传送介质为光，但输入和输出都是电信号。由于信息的传送和 转换过程都是在不透光的密闭环境下i 撕亍的，因此它既不受电磁信号的干扰，又不受外界 光的影响。因而实现了现场开关量和计算机总线之问的完全隔离，提高了整个系统的可靠 性和抗干扰能力。 2 0 变电所监控及其网络系统的设计 下位机软件及硬件电路要实现的功能： l 实现对所要监测信号的采集、转换、处理、发送等功能 2 4 行串行点阵液晶显示命令、状态等功能 3 。开关键盘、红外遥控键盘功能 4 故障报警 5 扩展串行e 2 p r o m 芯片保存一些永久性数据 3 18 7 0 5 5 2 单片机简介”m ” 要实现e 述功能本系统选用了p h i l i p s 公司的8 0 c 5 1 系列中的8 7 c 5 5 2 单片机作为下 位机。它带有8 k b 的内部e p r ( ，因此本系统中无需外接程序存储器。同时它与i n t e l 公司开发的m c s 一5 1 系列单片机完全兼容，具有相同的指令系统、地址空f 刮和寻址方式，采 用模块化的系统结构。但其在以8 0 c 5 1 为内核的基础上增加了一些功能部件。这些新增的 功能部件( 电路) 有：8 路1 0 位a d 转换器、捕捉输 定时输出、脉冲宽度调靠蝓出( p w m ) 、 i 总线接口、监视定时器( w a t c h d o gt i m e r ) 等。下面简要的介绍一下其主要引脚功能。 8 x c 5 5 2 单片机采用方形封装，其引脚的排布有两种方式。种是鹋引脚的p l c c 封装， 另种是8 0 引脚的q f p 封装，我f 蝴的是6 8 引脚的p l c c 封装的8 7 c 5 5 2 单片机，图3 一l 所示分别为眦封装形式的引脚排列情况： 1 0 2 6 6 0 4 4 图3 = 1 鹄管脚p l c c 封装形式的引脚唰阿叶青况 它的6 8 引脚共分为端口线、电源线和控制线三类。现对各组引脚的功能分述如下 3 1