（电力系统及其自动化专业论文）基于以太网的变电站综合自动化系统应用.pdf

t h ea p p l i c a t i o no fb a s e do ne t h e r n e ti n s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h ep a p e rd e s c r i b e st h er e s e a r c ho fu s i n ge t h e m e ti 1 1s u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m 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 d t h eh 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 no nt h eb a s i so fa n a l y z i n g t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n ge t h e r n e tt e c h n o l o g ya tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n s u b s t a t i o n si nd e t e r m i n i n gt h ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y m i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o na l g o r i t h m sa l ea l s oi n t r o d u c e di n t h i sp a p e r t h ep a p e rf o c u s e so nt h e s t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n dt h ed e s i g no fs o r v c a r e a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h e a n t i i n t e r f e r e n c em e t h o da d o p t e di nt h es y s t e md e s i g ni si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt h es p e c i a la p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do ft h i sd e v i c e ，w h i c hu s e da t p o w e rl i n ep r o t e c t i o ni ne n t e r p r i s es u b s t a t i o n ，t h es ”t e mu s e dt h er i g h tp r o t e c t i v e j u d g i n gb a s i sa n da l g o r i t h m s t h es y s t e me n h a n c e dt h er e l i a b i l i t ya d o p t i n gt h e m e t h o do ft h et h r e es e g m e n t sa n dg r o u n d i n gp r o t e c t i v e ，a d d i n gt h ef u n c t i o no f a u t o m a t i cs w i t c h i n go n i na d d i t i o n ，e l e c t r i ce n e r g yo ft h ed i g i t a lm e 娜e si c - c h i p a d e 7 7 5 8i su s e di nt h em e a s u r i n ge l e c t r i ce n e r g ym o d u l e ，w h i c hg r e a t l ye n h a n c e d m e a s u r ep r e c i s i o n 、r e l i a b i l i t ya n da n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y t h ep a r a l l e lc o n t r o l t e c h n o l o g yb e t w e e nt h r e ec p ui sa d o p t e di n t h i sd e v i c e ，w h i c hc o m p l e t ed a t a c o l l e c t i o na th i 曲s p e e da n dp r o c e s sf a s tp r o t o c o lt r a n s f o r m a t i o ns i m u l t a n e o u s l y k e yw o r d s ：s u b s t a t i o ng e n e r a la u t o m a t i o n ，p o w e rl i n ep r o t e c t i o n ，e t h e m e t ， s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r 图1 1 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 - 4 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 插图清单 变电站综合自动化系统的基本配置 以太网数据帧 工业以太网协议模型 以太网和令牌网的时间响应曲线 t c p i p 各层协议的关系 硬件结构框图 电能测量单元a d e 7 7 5 8 原理图 a d e 7 7 5 8 串行接口的读时序 a d e 7 7 5 8 串行接口的写时序 交流变换电路的电气原理图一 a d c l 2 的结构 m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 单片机功能模块框图 开关量输入回路 图3 1 0 开关量输出驱动回路 图3 1 l 操作控制电路 图3 1 2 汉字字模结构 图3 13 以太网通讯模块 图3 1 4s n 7 4 l v c 4 2 4 5 a 电平转换芯片原理图 圈4 一l 测量模块中断服务程序框图 图4 2 发送8 位m c u 数据程序框图 图4 3m c u 接收8 位数据程序框图 图4 4 电流速断保护程序流程图 图4 5 重合闸动作地流程图4 3 图4 - 6 按键扫描流程4 4 图4 7 按键处理流程4 5 他b n巧挎加舛拼筋勰凹孔舛弘”勰”为鸵 表格清单 表2 一l 不同速率下以太网传输所需的时间 表3 1m g l s l 2 8 6 4 t i o 接口及功能表 表3 2t 6 9 6 3 c 的工作状态字 表4 1 按键状态编码及其功能 1 8 3 2 3 3 4 5 独创性声明 本人声明所曼交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究丁：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 金墼工业太堂 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。 躲唧嗜 撕期洲啪“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，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 权盒匿至些太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) 学位论文储勰研篑 签字日期：娜年弓月j 占日 学位论文作者毕业后去向： ：i ：作单位： 通讯地址： 导师签名：洚p 屯 导师签名：p 聋 签字日期：矿多年岁月彳日 电话 邮编 致谢 在从事项目、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，使我受益匪浅。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。同时在从事项目和 论文撰写中得到毕瑞老师的精心指导和帮助，在此向他表示衷心的感谢。他们 渊博的知识、严谨的态度永远是我今后学习的楷模。 本次论文工作得以顺利完成还要感谢实验室何碹、姚军、谢毓广、杜 宇、汪佳、储忠、刘卫平、于辉、唐黎江、蒋妍娇、黄璐、李洪林、黎婷婷、 彭丽红等同学给予我的鼓励和帮助。 最后，衷心感谢我的家人多年来在生活和精神上给予我的支持和帮助! 作者：邓箐 2 0 0 6 3 第一章绪论 1 1 变电站综合自动化的基本概念 1 1 1 常规变电站状况 发电厂和变电站的二次系统对一次系统进行的控制、测量和保护实际上是 对一次系统能量的变换和传输过程中相应的信息进行处理的过程。常规变电站 的二次系统主要由继电保护、就地监控、远动装置、录波装置所组成。在实际 应用中，是按继电保护、远动、就地监控、测量、录波等功能组织的，相应的 就有保护屏、控制屏、录波屏、中央信号屏等。每一个一次设备，例如一台变 压器、一组电容器等，都与所有这些屏有关。因而，每个设备的电流互感器的 二次侧，都需要分别引到这些屏上：同样，断路器的跳、合闸操作回路，也需 要连到保护屏、控制屏、远动屏及其他自动装置屏上。此外，对同一个一次设 备，与之相应的各二次设备( 屏) 之间，保护与远动设备之间都有许多连线。 由于各设备安装在不同地点因而变电站内电缆错综复杂。 正是由于常规变电站的上述情况，决定了常规变电站存在着不少缺点： ( 1 ) 安全性、可靠性不能满足现代电力系统高可靠性的要求。 ( 2 ) 控制性不高，电能质量可控性较差。 ( 3 ) 占地面积大，增加了征地投资。 ( 4 ) 维护工作量大，不利于提高运行管理水平和自动化水平。 1 1 2 变电站综合自动化 变电站综合自动化技术是在2 0 世纪9 0 年代初发展起来的。它是以计算机 技术广泛应用为前提的多专业综合技术，以此技术为基础的系统应用是电网运 行管理的一次革命。 变电站综合自动化系统是电力网配电自动化系统( d a s ) 和能量管理系统 ( e m s ) 的主要核心。变电站综合自动化系统的基本配置如图1 1 所示。其 目的是通过变电站综合自动化的先进技术达到减少和避免误操作、误判断；缩 短事故处理时间；提高供电质量和安全可靠性。 变电站综合自动化系统的广泛应用，实现了控制与管理上的“四遥”，即 遥信、遥测、遥控、遥调，从而可以有效降低电气设备费用，减少电气施工周 期，提高电力系统的可靠性、安全性，减人增效，使企业综合经济效益有显著 提高。 图1 1 变电站综合自动化系统的基本配置 1 1 3 变电站综合自动化系统的分层分散式结构 变电站综合自动化系统的分层( 级) 分布式系统其实质属于分层( 级) 分布式 的多c p u 的体系结构。每一层完成不同的功能，每一层由不同的设备或不同 的子系统组成。一般来说，整个变电站的一、二次设备可分为3 层，即变电站 层、单元层( 或称间隔层) 和设备层。设备层主要指变电站内的变压器和断路 器、隔离开关及辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。单元层一般按断路 器划分，具有测量、控制部件或继电保护部件。单元层本身由各种不同的单元 装置组成，这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联 系：也可能设有数据管理机或保护管理机，分别管理各测量、监视单元和各保 护单元，然后集中由数据管理机和保护管理机与变电站层通信。单元层本身实 际上是两级系统的结构。变电站层包括全站性的监控主机、远动通信机等。变 电站层设现场总线或局域网，供各主机之间和监控主机与单元层之间交换信 息。 分层分布式系统早期多采用集中组屏结构，只是在9 0 年代中、后期才逐 步发展为分散与集中相结合和全分散式结构。 随着单片机技术和通信技术的发展，特别是现场总线和局域网络技术的应 用，以及变电站综合自动化技术的不断提高，产生了这样一种趋势：按每个电 网元件为对象，集测量、保护、控制功能为一体，设计在一个机箱中。对于 6 3 5 k v 的配电线路，可以将这个一体化的保护、测量、监控单元分散安装在 各个开关柜中，然后由监控主机通过光纤和电缆网络，对它们进行管理和交换 信息，这就是分散式的结构。至于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍可 采用集中组屏安装在控制室内。 分层分散式结构的变电站自动化系统突出的优点如下： ( i ) 简化了变电站二次部分的配铃，大大缩小了控制室的面积。 ( 2 ) 减少了施工和设备安装工程量。 ( 3 ) 简化了变电站二次设备之间的连线，节省了大量连接电缆。 ( 4 ) 分层分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便。 分层分散式的结构可以降低总投资，是今后变电站综合自动化系统的发展 方向。 1 1 4 变电站综合自动化系统构成及功能 变电站综合自动化系统是以通信网络为基础，由变电站监控系统 ( s u b s t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，s m s ) 和变电站控制保护系统( s u b s t a t i o n c o m r o ! p r o t e c ts y s t e m ，s c s ) 构成。每个系统又由许多功能完全独立的子系 统组成，用一台( 或几台) 工业控制机作为主机来统一管理全站各个子系统。 各子系统通过通信端口，按一定的协议进行通信，从而连接成一个完整的计算 机局域网。在这个网络中，任何一个子系统既可独立运行又有相互联锁，构成 了一个相互依托、有机结合的整体。 ( 一) s m s s m s 主要实现处理模拟量测量值、信号以及测量、保护和调整功能的整 定值；完成电网在线计算、存储、统计、分析报表，远传和保护电能质量的自 动监控调整工作。系统一般包括： ( 1 ) 微机数据通信监控装置。一般有实现网络上不同设备之间的数据交 换、完成全站数据汇总并调度系统按标准通信规约进行联网等功能。 ( 2 ) 人机接口( h m i ) 及其监控软件。一般有数据采集与显示、电能计 量、实时电网安全控制功能；有强大的交互式图形功能，提供电网系统画面及 信号显示，提供各种单线图、波形图、实时图、历史图以及趋势图；有事件记 录、报警、事故跳闸过程参数自动记录和自动录波、事故按时排序、事故处理 提示、快速事故处理、报表及打印输出功能：有数据分析功能，能提供电能自 动分时统计、谐波分析及各种用于分析的工具软件包( 支持综合设备) 。此 外，应提供任务设定，操作控制，在线自检、自诊断、自恢复，动态数据交换 及网络通信等功能。 ( 二) s c s s c s 主要实现随时在线监视正常运行情况的运行参数及设备运行状况：自 检、自诊断设备本身的异常运行；发现电网设备异常变化或装置内部异常时， 立即自动报警并相应的闭锁出口动作，以防事态扩大 电网出现事故时快速采 样、判断、决策，迅速消除事故，使故障限制在最小范围内。系统一般包括： ( 1 ) 微机线路保护。有定时限与反时限电流保护、电流速断保护、接地保 护、电压偏移保护、过频与欠频保护以及录波等功能。 ( 2 ) 微机变压器保护。有高低压侧定时限与反对限电流保护、 乜流速断保 护、高低压侧零序电流保护、过电压与欠电压保护、过热保护、接地保护，还 有轻瓦颊报警、重瓦斯跳闹以及温度保护等功能。 ( 3 ) 微机电容器保护。有定时限与反时限电流保护、电流速断保护、中性 点电流不平衡保护、过电压与欠电压保护、零序电压保护，还有电抗器瓦斯动 作联锁跳闸( 当电容器带电抗器时) 、电容器组自动投切以及自动调压等功 能。 ( 4 ) 微机电动机保护。有定时限与反时限电流保护、电流速断保护、热过 载保护、过电压与欠电压保护、负序保护、不平衡保护、堵转保护、接地保 护、差动保护，还有旋转方向判断、温度保护、反向有功功率保护以及无功功 率过大保护等功能。 ( 5 ) 微机备用电源自投监控装置。有分段断路器速断过流保护、检同期、 备用电源自动投入、自动同期合闸及跳闸等功能。 ( 6 ) 微机电压互感器监控。有单相接她保护、过电压与欠电压保护等功 能。 ( 7 ) 微机中央信号监控。有环境温度检测、直流系统过电压与欠电压警 报、直流系统接地警报、控制电路电流测量、预告音响及信号报警输出、事故 音响及信号报警输出及实现网络上不同设备之间的数据交换等功能。 ( 三) 通信网络 网络拓扑型式主要采用总线型式，也有采用环形或星型。般来说环形和 星型网络要较总线型网络更为安全可靠，但总线型的网络结构更为简单，易于 实现；根据变电站综合自动化的规模、功能、通信速率要求，网络型式一般可 以采用m o d b u s 、c a n b u s 、p r o f i b u s 或e t h e m e t 等：对于通信协议，不同的网络 型式也不同，主要有令牌环协议( e e 8 0 2 5 ) 、f m s 协议、t c p i p 协议，与 自动化仪表兼容的h a r t 协议等；现场总线网络接口大多采用r s 4 8 5 接口，也 有部分采用r s 2 3 2 、r s 4 2 2 等接口：对于小型的网络其通信介质一般选用细同 轴电缆( 细缆) ，而较为大型、通信速率要求较高的网络可选用粗同轴电缆 ( 粗缆) ，当网络规模较小且采用星型拓扑时，较多采用非屏蔽双绞线 ( u t p ) 作为网络的通信介质，对于要求高或网络传输距离较远的场合越来越 多地采用光缆。 1 2 变电站综合自动化系统的新技术及其应用 变电站综合自动化是一种集计算机技术、网络技术和电力电子技术等为 一体的综合工程，它的发展和这些技术紧密地联系在一起。这些技术的快速 发展给变电站综合自动化系统的发展提供了巨大的机遇和动力。为了达到变 电站综合自动化的总目标，自动化系统应满足以下要求： 4 ( i ) 变电站综合自动化系统应能全面代替常规的二次设备。 ( 2 ) 变电站的微机保护的软硬件装置既要与监控系统相对独立，又要相互 协调。 ( 3 ) 微机保护装置应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，应满足无人值班的总体要求。 ( 5 ) 要有可靠先进的通信网络和合理的通信协议。 ( 6 ) 必须保证综合自动化系统具有高的可靠性和强的抗干扰能力。 ( 7 ) 系统的扩展性和适应性要好。 ( 8 ) 系统的标准化程度和开放性能要好。 ( 9 ) 必须充分利用数字化通信的优势，实现数据共享。 ( 1 0 ) 变电站综合自动化系统的研究与开发工作，必须统一规划，统一指 挥。 在现有的变电站综合自动化系统中，其监控调度系统还没有实现与管理 信息系统的有效连接。只是实现了监控调度系统对管理信息系统的信息提供 ( 存在信息交换) ，其中为了保证监控调度系统的安全性，监控调度方不接受 来自管理信息系统的任何信息，它仅负责提供信息。这一点从安全性上来考 虑，当然是有道理的。但是它也限制了监控系统信息的有效使用。 实际上现在各种实用的通信协议有很多，成熟的协议也比较多，就目前而 言，应用最为广泛和成熟的通信协议莫过于t c p i p 和h t t p 协议。如果说原 来这些协议应用于电力系统通信还有一些问题的话，那么现在这些问题已经得 到了很好的解决。应用这种稳定成熟的通信技术的时代已经到来。 当前国际上i n t e m e t 技术日渐成熟和流行，基于该种技术的各种应用也显 示出有别于传统技术的种种优点。应用快速以太网通信的e t h e r n e t 技术能够做 到在不减少当前的系统功能的前提下，实现信息资源的有效使用。 1 3 本论文研究的意义 目前，在各大公司推出的变电站综合自动化系统中，采用的通信协议多种 多样，有的公司用l o n w o r k s 总线实现了系统内部的通信，有的公司用c a n 总线作为通信平台，在有些系统中，还存在多种协议并存的现象。由于设备的 通信接口是固定的，具有l o n w o r k s 通信接口的设备只能和具有同类通信接口 的设备进行通信，而不能和诸如c a n 总线等其他现场总线的设备进行通信， 这就造成了在一个系统中只能选择一个厂家的设备，而不能在多家厂商的设备 中选择，从而影响了用户对系统集成灵活性的要求。 将工业以太网技术引入变电站通信网络。以太网是目前世界上应用最广的 局域网技术，9 0 以上的计算机都采用以太网通信，这就使得现场智能设备应 用以太网通信成为可能。由于以太网已成为事实上的工业标准，各大厂商都丌 发了基于以太网通信的设备，因此，设备的互联互通不成问题。将以太网引入 变电站通信网终，既可以灵活地进行系统集成，又便于操作人员的运行维护。 综合自动化技术是以先进可靠的微机保护为核心，以成熟的网络通信技术 将测量控制与继电保护融为一体，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，主张在决不降低保护可靠性和功能的 前提下，可以采用保护与测控合一的综合装置。 如何将最新的通信技术应用到电力系统中，提高电力系统的自动化水平， 提高电力系统的供电质量和安全可靠性，是出现的新课题。本文就是要探讨基 于以太网技术的变电站综合自动化系统的应用。 1 4 论文研究的主要内容 变电站综合自动化系统是将变电站的监控、继电保护、自动控制装置及远 动等所要完成的功能组合在一起，通过计算机硬件、模块化软件和数据通信网 构成一个完整的系统。在整个变电站综合自动化系统设计任务中，我所参与的 是微机线路测量、保护装置的研制，本论文研究的主要工作如下： ( 1 ) 收集变电站综合自动化系统的相关资料，了解变电站综合自动化研究 的最新技术成果。 ( 2 ) 收集并学习了目前比较流行的e t h e m e t 技术，对其应用在变电站综合 自动化系统中的可行性进行研究。 ( 3 ) 根据收集的技术资料分析系统的总体需求，确定产品研制的技术路 线。 ( 4 ) 分步骤进行硬件和软件部分的设计，并完成硬、软件的调试工作，生 产出产品样机。 ( 5 ) 将产品在变电站投入试运行，作进一步的改进和完善。 第二章微机算法与以太网通信技术 在本微机线路保护装簧的软件设计过程中，用到了一些微机算法以及以太 网通信协议，本章先加以说明。 2 1 微机算法的实现 2 1 1 傅氏算法 在变电站综合自动化系统中，电压、电流等模拟量信号经过离散采样和 模、数变换成为可用计算机处理的数字量后，计算机将对这些数字量( 采样 值) 进行分析计算，得到所需的电流、电压的有效值和相位以及有功功率、无 功功率等参量，或者算出他们的序分量，或者输出线路和元件的视在阻抗，或 者某次谐波的大小和相位等。并根据这些参数的计算结果以及定值，通过比较 判断来决定装置的动作行为。而完成上述分析计算和比较判断以实现各种预期 功能的方法，称为变电站综合自动化系统的算法。本装置中保护模块模拟量采 样值的计算采用的是傅氏算法。 傅氏算法是从傅氏级数导出的，傅氏级数将周期函数分解为正弦和余弦 函数，最适合于计算机保护计算其基频或倍频分量。傅氏算法始终假设被处理 的信号是周期性的，即由稳恒直流、基波和整次谐波分量组成，假设输入信号 为f ( t ) ，则坟t ) 的一般表达式为： l f ( t ) = a + a is i n ( i o j l f + 疵) ( 2 - 1 ) i - 1 傅氏算法属于正交样品函数。这一类算法是采用某一正交函数组作为样 品函数，将这一正交样品函数组与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以 求出与样品函数频率相同分量的实部和虚部的系数，进而可以求出待分析的时 变函数中该频率的谐波分量的模值和相位。 在下面的积分方程中： r 1 u = 二e r , i u ( t ) y ( t ) d t ( 2 2 ) 1 一羔 2 其中，y ( f ) 选定的正交样品函数； “( f ) 待分析的时变函数。 根据正交函数的定义，如甜8 ) 可分解为一个级数且级数各项都属于同一正交函 数，则上述积分结果为“( f ) 与样品函数相同的分量的模值。取y ( t ) = c 0 s n o ) t 时，则得到n 次倍频分量的实部的模值u 。为： 7 【，h = 詈i u ( t ) c o s n m t d t ( 2 - 3 ) t 取y ( t ) = s i n n c o t ，则得则得n n 次倍频分量的虚部的模值u 。为： 9i u i 2 季i u ( t ) s i n n o j t d t ( 2 4 ) 由此可得到模值u 。： 以= 毛+ 夥三( 2 5 ) 并得到样品函数为基准的【，。的相位角0 ， 8 = - - a r c t g ( 2 - 6 ) u 知 式( 2 5 ) ( 2 8 ) 就是傅氏级数相应项的系数计算式。 该算法在计算机上实现时，也是对离散的采样值进行运算。将算式进行离 散化时，其实部为： 吣专善u kc o s n k 等 任， 式中，一个周期丁中的采样点数； 第k 个采样值。 这种算法是利用一个周期丁内的全部采样值来进行计算，因此数据窗也就是一 个周期r 。 用同上方法求其虚部为： u z = 号砉u ks i n n k - 等 ， 在计算机上作实时计算时，每隔一个采样周期t 就对“o ) 采样一次；换句 话说，随着时间的变化，每隔一个c 就出现一个新的采样值u 。微机保护在 具体实现时，一般有两套不同的方案：一是每个工频周期进行一次计算，即出 现个新采样值后才进行一次计算。二是，每出现一个新的采样值后就计算 一次；在低压系统中出于硬件成本的考虑，多采用第一种方案；在1 l o k v 以上 系统中多采用第二种方案，该方案对硬件速度的要求较高，实时性也相对较强 一些。之所以说是实时性相对较强，是因为计算要用到一个周期内的全部采样 值，因此，计算必须在系统发生故障后第个采样值出现时才是准确的，在 此之前，个采样值中有一部分是故障发生前的数值，一部分是故障发生后 的数值，这就使得计算结果不能正确的反映真实值。计算值没有越出故障前、 后真实值的区间内则保护仍可以认为计算值是有效的、可用的；否则计算值 是无效的。 由于傅氏算法要较晚才得出结果，所以后来又研究缩短数据窗的方法及 减少其影响，使得计算可以在少于一个工频周期内得到结果，比较常见的有 “半波傅氏算法”。这种算法实际上是忽略了偶次谐波的存在，用于一些对计 算速度要求很快，而对计算精度要求不高的场合。 单纯傅氏算法对低频分量和非周期衰减分量的滤除能力差，差分后经傅氏 滤波将极大减小故障时产生的较大的衰减直流分量带来的误差。而且差分后， 对阻抗的计算并无影响，因为电压电流向量幅值都缩小为原来的2 s i n l 5 o 倍，相位同时向前移7 5 0 。 差分公式： 纽i = 口t 一口女- 1( 2 - 9 ) 傅氏算法公式： 爿n=i1篆11口(t)cosk_z6xk 0 ( 2 - 1 0 ) u- u = 吉静s i n 警 弘 傅氏递推公式： a r c t 吐。+ a a ( ”c 。s 等一螂棚- c o s 堕) ( 2 - 1 2 ) = _ 1 + ( 螂小i n 警一螂q s i n 半) ( 2 - 1 3 ) 其中，a 。指第k 次电流或电压采样值，a 。为幅值实部，a 。为幅值的虚部。 2 1 2 保护方式及其判据 ( 一) 保护方式的选择 ( 1 ) 输电线路相间短路的保护 输电线路相间短路的电流保护主要有电流速断保护和过电流保护，其中电 流速断保护又分为瞬时电流速断保护和限时电流速断保护两种。 反映电流增大且瞬时动作的保护称为瞬时电流速断保护，它是靠动作电流 的整定获得选择性的。瞬时电流速断保护动作迅速，但不能保护本线路全长， 且保护范围随运行方式和故障类型而变，当运行方式变化很大或被保护线路很 短时，甚至没有保护区。 为了对瞬时电流速断保护范围之外的线路其余部分进行保护，可将保护动 作电流降低，使保护范围达到本线路全长。为了保证选择性，保护必须带有一 定时限，以便与下一线路保护相配合，即比下一线路瞬时电流速断保护的动作 时限大一个时限级差。这种带有一些延时的电流速断保护叫限时电流速断保 护。限时电流速断保护是部分靠动作电流接定，部分靠时限的配合得到的。 9 过电流保护通常是指其动作电流按躲过线路最大负荷电流整定的保护。在 正常运行时，它不会动作，当电网发生故障时，出于一般情况下故障电流比最 大负荷电流大得多，所以保护的灵敏性较高，不仅能保护线路全长，作本线路 的近后备保护，而且还能保护相邻线路的全长甚至更远，作相邻线路的远后备 保护。 ( 2 ) 输电线路接地短路的保护 对于1 l o k v 及以上电网的中性点，均采用中性点直接接地方式。这种系统 发生接地故障后，可利用出现的零序电流、零序电压或零序功率实现接地保 护，即零序保护。对于3 5 h , 以下电网的中性点，一般采用中性点不接地或经 消弧线圈接地的方式。这种系统发生故障时，可利用故障线路零序电流比非故 障线路零序电流大的特点，进行零序电流保护。 综上所述，为了满足继电保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性的要 求，本裟置选择了限时电流速断保护、定时限过流保护和零序过流保护，另外 装置还提供了自动重合闸功能，以提高电力系统的供电可靠性。 ( - - ) 保护判据 本装置软件定时器中断子程序中，将由傅氏算法求得的实际电流值以及保 护动作延时的计数值同设定的保护动作定值及动作时限按保护判据进行计算和 比较，并根据计算和比较的结果来决定装置的动作行为，对电力线路实施保 护。三种保护方式的判据介绍如下： ( 1 ) 电流速断保护 线路综合保护装置中的电流速断保护是在供电线路出现严重故障时动作于 跳闸的保护。电流速断保护是以三相电流中最大相电流为判断依据的。其判断 如下： im | “1 5 赴 i ， 其中；矗协= m a x ( 厶，厶，厶) ； 五出龟流速断保护动作定值： 。龟流速断保护动作时限； f 动作延时。 ( 2 ) 定时限过流保护 定时限过流保护是传统的三段式保护的构成部分，它是在所保护的元件过 载时动作的。其保护判据如下： ( 1 m q l 妊 院。 1 0 其卑：i m 。x = m a x0 | n j b 。1 0 如定时限过电流保护动作定值； 。定时限过电流保护动作时限： f 动作延时。 f 3 ) 零序过流保护 为了防止在负载电流大的情况下较大的零序不平衡电流引起本保护误动作 而负载电流小的情况下保护拒动，采用了如下的动作判据： li o i 眦当i u 。1 瞒i e i 0 1 ( 1 + 生堡二! ：乌玩 当i m a x i 1 0 5 & 【一4 其中：玩，f 。分别是动作定值和动作时限 i o ，t o 分别是实际零序电流和动作时延 正，厶分别是实测电流的最大值和变压器的额定电流 由上述判据表达式，当a 0 5 厶即小负载电流的情况下，采用l o i o 出 作为判据，而当0 缸1 0 5 厶即大负载电流时，采用下面的判据以提高保护动 作值，可防止保护误动作。 2 2 工业以太网通信技术 2 2 1 以太网技术 以太网( e t h e m e t ) 是一种流行的分组交换局域网，在7 0 年代早期发明， i e e e 以号码8 0 2 3 发布了与这个标准兼容的版本，之后这个标准被国际标准 化组织( i s o ) 接受为国标标准。目前在所有的网络连接中8 0 都是基于以太网 的，以太网的销售量比其他局域网的销售量要多得多，以太网是目前使用最广 泛的局域网技术。在9 0 年代，以太网在速度方面一再革新，先后推出了 1 0 0 m b p s 和1 0 0 0 m b p s 以太网。 以太网是一种具有尽最大努力投递含义和分布式接入控制的广播网络，所 有结点共享同一通信信道，所有收发器都能收到每次发送的数据。以太网定义 了一种4 8 位寻址方式，每台连到以太网上的计算机都被分配一个唯一的4 8 位 数字，即它的以太网地址，以太网硬件制造商从i e e e 购买以太网地址块，在 生产以太网接口硬件时按顺序分配。因为以太网地址属于硬件设备，所以有时 也称作硬件地址或物理地址，当把硬件接口移到新机器或替换失败的硬件接口 将改变机器的物理地址。 以太网是节点之间的链路级连接，因此把被传输的数据看作一帧( f r a m e ) 。 陶2 一i 显示了以太网的帧格式，包括前同步码、目的物理地址、源物理地 址、帧类型、帧数据以及c r c 。以太网帧的长度是可变长度的，但不能小于 6 0 字节或大于1 5 1 4 字节( 目的物理地址、源物理地址与帧类型之和) 。 前同步码目的地址源地址帧类型帧数据 c r c 广一1 r t t t 8 个字节f6 个字节l 6 个字节f2 个字节i4 6 - 1 5 0 0 个字节f4 个字节 图2 - - 1 以太网数据帧 以太网采用最大努力投递机制，是因为硬件没有向发送者通过任何信息来 判断所要发送的分组是否己被接受。上层协议族采取了一系列措施来适应尽最 大努力投递的硬件p 叭。以太网的介质访问控制机制使用的是一种被称为具有 冲突检测的载波侦听多路访i 司( c s m a c d ) 协议。 以太网多个节点可以同时访问以太网，在向网络发送数据帧时具有相同的 优先级。并且可以在任何时候尝试访问信道，这就是多重访问的含义。当某节 点要发送一个分组时，它首先执行载波监听，如果信道空闲站点就利用以太网 帧或包的形式向网上发送数据。当一个以太网节点的数据帧被发送到共享的信 号信道或介质时。所有与信道相连的以太网接口都读入该帧。并且查看该帧的 第一个4 8 比特地址字段，其中包含有目的地址。各个接口把帧的目的地址与 自己的4 8 比特地址进行比较。如果与自己的地址相同，则该以太网节点将继 续读入整个帧，并将它送给计算机中正在运行的网络软件。如果与自己的地址 不同，就会停止读入信息帧。 当芨送器开始发送时。信号并不同时达到网络各处，而是大约以光速的 8 0 的速率在电缆上传输。这样就可能有两个收发器同时探测到网络空闲，并 同时开始发送。当这两个信号交汇时，它们混杂在一起，每个信号都失去了意 义，这种事件叫做冲突。发生这种情况时，连接在共享信道上的以太网设备就 会侦听到信号的“冲突”，并告知以太网接口停止信号传送，接口将各自选择 一个随机的重新发送时间，并重新发送数据帧。 2 2 2 工业以太网协议模型 目前，无论是从国内还是国际的发展来看，工业以太网的研究才刚刚开 始。工业以太网模型均是在原有现场总线的基础上改进而来的。工业以太网协 议模型如图2 2 所示： 数据链路层和物理层协议采用i e e e 8 0 2 3 标准，也就是我们大家所熟知的 以太网标准。网络层采用d 协议，传输层采用t c p 九j d p 协议。t c p 协议是面 向连接的，它提供可靠的数据报传送服务。u d p 协议是非连接的，它不提供 报文到达确认、排序以及流量控制等功能。上面所述的四层协议都有国际标 准，无论哪家生产商都必须遵守这些标准。而应用层锛议则各自为政，标准不 1 2 一。如e c h e l o n 公司推出的i l o n 总线，其应用层协议用的是l o n t a l k 拂议；现 场总线基金会推出的h s e ( h i g hs p e e de t h e m e t ) ，其应用层协议用的是f f 总 线协议。 应用层 t c pu d p d 数据链路层 物理层 图2 一z 工业以太网协议模型 2 2 3 以太网的实时能力分析 曾经有这样的一种观点：认为由于以太网具有载波侦听多路访问冲突检 测( c s m a c d ) 的本质，其对“实时”信息传输造成的延迟无法预测，因而它 不能满足实时系统的需要。因为2 个或多个以太网节点同时访问共享的传输介 质局域网( l a n ) 时，就会造成数据冲突此时，所有冲突的节点会按照一定的退 避算法随机延迟一定的时间间隔，然后试图重新访问介质，以获得介质的访问 权。这会导致通常无法确切地估计出冲突节点需要的随机等待时间，因此有可 能造成“实时”信息传输无效。 文献对比研究了普通以太网和令牌总线网的性能。图2 3 为普通以太网 和令牌总线网随负荷变化的时间响应曲线。由图可见，在网络负荷小于2 5 情况下，以太网的响应时间要比令牌总线网络快得多。同时，以太网的 c s m a c d 方法也优越于令牌传递的传输管理方法，使用这种方法随时可以发 送某个节点想发送的数据，而不必获得令牌控制权。 均 响 应 时 间 对 数 标 尺 负荷百分数 图2 - 3 以太网和令牌网的时间响应曲线 变电站自动化系统中的数据可分为3 类：正常运行时的周期数据、故障情 况下的突发性数据和命令下发时的随机性数据。周期性数据稳定、连续且变化 量小，而随机性数据流量很小。因此，在故障情况下只要突发性数据使以太网 的负荷量小于2 5 ，使用以太网便可得到最好的系统响应。 对变电站自动化系统而言，通过l a n 执行控制功能的“实时”性要求通 常定义为4 m s 。为了定性地衡量以太网是否能满足电力系统中“实时性”要 求，美国电力研究院( e p r i ) 进行了研究。在特定的“最恶劣”情形下对比研 究了以太网和1 2 m b s 令牌传递( t o k e np a s s i n 曲p r o f i b u s 网的性能。研究表明， 无论是通过共享h u b ( s h a r i n gh u b ) 连接的1 0 0 m b s 以太网还是通过交换式 h u b ( s w i t e h h u b ) 连接的1 0m b s 以太网，都能满足4m s 这一网络通信时间 要求，并且二者均快于1 2 m b s 令牌传递( t o k e n p a s s i n g ) p r o f i b u s 网络。 德国从1 9 9 8 年1 月到2 0 0 0 年1 1 月进行了旨在测试i e c6 1 8 5 0 标准的实验 性项目。在这项称之为变电站开放式通信( o p e nc o m m u n i c a t i o ni ns u b s t a l i o n ， o c i s ) 的项目中，h s e h u b e r t 等人研究了以e t h e m e t m m s 作为站级总线 f a a t i o nb u s ) 的中压变电站自动化通信系统的性能。试验表明，由于以太网具 有足够宽的带宽，以及更宽带宽的快速以太网和g 比特以太网的出现，因而 在试验中未出现预先设想的可能会遇到的时间和性能上的问题。 综上所述，无论理论分析还是从试验而言，以太网应用于变电站内通信系 统是可行的。 2 2 4t c p i p 网络结构 基本的硬件通信包括了点到点的位传送机制。但是使用基本硬件设备来进 行通信很不方便。为方便程序员，联网的计算机使用了复杂的软件，为应用程 序提供方便的高层接口。这种软件自动处理大部分低层通讯细节和问题，使应 用程序间的通信变得很容易。因此，大多数应用程序依靠网络软件通信，并不 直接与网络硬件打道。 通信涉及的所有部分都必须认同一套用于信息交换的规则，称为协议 ( p r o t o c 0 1 ) 。国际标准化组织( i s o ) 于1 9 8 3 年提出了开放系统互连( o s r ) 网络体 系结构框架，即i s o o s i 参考模型。由于i s o 模型为网络中复杂的硬件和协 议组件的关系提供了一个简单的解释，它变得极为流行。在i s o 模型中，最 低层对应于硬件，以上各层对应于使用硬件的固件或软件。 i s o o s i 开放网络体系结构的理论指导作用大于实际应用，开放网络体系 结构为人们描述了指导进行网络互连的理想框架和蓝图，有待人们去探索和实 现。其具体的特点如下： ( 1 ) 描述了实现异构系统互连的分层结构。 ( 2 ) 提供了控制互连系统交互规则的标准框架。 ( 3 1 定义了一种抽象结构，而非具体实现的描述。 1 4 ( 4 ) 规定了同等层实体( 指能发送和接收信息的软件和设备，如终端、程 序、数据库系统、电子邮件系统等) 之间的通信由该层的协议进行管理和实 现。 ( 5 ) 规定每层只完成所定义的功能，修改本层的功能对其他层没有影响。 r 6 ) 定义了相邻层之间的接口。 ( 7 ) 规定直接的数据传输在最底层( 物理层) 实现。 ( 8 ) 通信网只涉及第一层到第三层，例如路由器涉及网络层、网桥涉及数 据路层、中继器涉及物理层，网关则涉及到第四到第六层，属于高级协议转换 设备。 随着网络技术的发展，i s o 七层参考模型在某些方面变的不能满足应用的 需要，在此基础上提出了t c p i p 分层模型( t c p i pl a y e r i n gm o d e l )