（电力系统及其自动化专业论文）一种带光纤数字接口的继电保护装置的研究.pdf

华中科技大学项士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e m a c c e l e r a t e st h eq u a n t i t y , v o l t a g eg r a d ea n d c a p a c i t i e s o f s u b s t a t i o n s r e l a yp r o t e c t i o np l a y s a l l i m p o r t a n t r o l ei nt h e p o w e r t r a n s m i s s i o na n dd e l i v e r y i ti n f l u e n c e st h es u b s t a t i o no ns e c u r i t ya n de c o n o m i co p e r a t i o n b u tt h e s h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a l t r a n s d u c e rc a nn o ta d a p tt h ed e v e l o p m e n to fr e l a y p r o t e c t i o n i nt h i sc a s e ，o p t i c a l e l e c t r i ct r a n s d u c e r i st h eb e s tc h o i c eo fn e ws e n s o rt h a tc a l l r e p l a c e s t h et r a d i t i o n a lt r a n s d u c e rb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ot h en e w s a m p l i n gm o d em u s tb ec o n s i d e r e db e c a u s eo ft h ec h a n g i n go fs e c o n d a r ys i g n a lf r o m a n a l o gt od i g i t a l t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h ea c a d e m i cb a s eo f o p t i c a l - e l e c t r i ct r a n s d u c e rf i r s t l y ，a n dt h e n a p p r o v et h eu t i l i z a t i o no fo p t i c a l e l e c t r i ct r a n s d u c e ri np r o t e c t i o nf i e l di sr e l i a b l e t h e s ea r e s o m ec r i t e r i o n sw h i c hi si n v o l v e do f t h ed i g i t a li n t e r f a c eb e t w e e n o p t i c a l - e l e c t r i ct r a n s d u c e r a n d p r o t e c t i o n t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ek e y s t o n eo f t h e s ec r i t e r i o n s c o l d f i r e5 2 7 2i sa3 2 - b i tm c uw i t hf a s te t h e r n e tm e d i aa c c e s sc o n t r o l l e r ( m a c 、 m a d ef r o mm o t o r o l ac o m p a n y t h i sp a p e r r e g a r d si t 鹊t h eg e n e r a lp l a t f o r mo f e t h e m e t t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ee t h e m e tm o d u l eo fm c f 5 2 7 2i nd e t a i l f o ri t s c h a r a c t e rw e e x p a t i a t et h es i m p l ef l o w c h a r to f e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n t h i ss e ta p p l i e sd o u b l e c p uc o n f i g u r a t i o n ，o n em c f 5 2 7 2 t h i sc p ui s a s s i g n e da t a s kt or e c e i v es a m p l e dv a l u e sa n dc a l c u l a t i o nf o rp r o t e c t i o n ；t h eo t h e ri s8 0 c 1 9 6 k c ，i t p e r f o r m t h ea u x i l i a r yf u n c t i o no f t h es e t t h i st w oc p u e x c h a n g ed a t at h r o u g hd o u b l e - p o r t r a m k e yw o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n ，o p t i c a l e l e c t r i ct r a n s d u c e r ，n e t w o r kt o p o l o g y e t h e r n e tn e t w o r k ，m c f 5 2 7 2 n 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 摘要1 光纤电流互感器、光纤电压互感器一直是电力工作者研究的热点问题，经过几十年的研 究发展，光纤电力互感器已经由理论逐渐过渡到实践应用中去，而且正以其优越的性能正在逐渐 取代传统电磁式互感器，它的使用妊将给电力系统各个方面带来深刻的变革本章就光纤电力互 感器技术及在继电保护领域带来的相关问题做一些讨论，并简单介绍了论文的工作 1 1引言 电力工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中有举足轻重的地位，今 年来随着中国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和 额定电流都有大幅度的提高和增加。 在我国，随着近二十多年来国民经济的大规模快速发展，对电力的需求急剧增加， 电力系统传输容量在日益增大，电压等级已经发展到了7 5 0 k v 并将向更高的电压水平 发展。 电力互感器是实现变电站自动化的前提条件，其精度和可靠性直接关系到电力系 统安全、经济的运行。电力系统的额定电压等级和额定电流的大幅度提高，对电力系 统互感器的制造、绝缘水平和性能指标提出了更严格的要求，如果仍沿用传统的电磁 式互感器，为了提高互感器的绝缘水平，必然会增加互感器体积和重量，使制造更加 复杂。同时，电压等级的提高也对继电保护的速动性和可靠性提出更高的要求，而传 统互感器的局限性又恰恰不能满足这些要求，为此，必须引入高性能的互感器，以满 足电力系统发展的需要i c l i c 3 i c 4 。此外，传统电磁式的互感器是为了满足过去电磁式 继电保护和控制装置、电动式测量和计量仪表的输入要求而设计的。目前在电力系统 中广泛应用的以微处理器为基础的数字式保护装置、电网运行监控系统以及发动机励 磁调节装置等，不再需要用那么大的功率来带动。因此，新型电力互感器不必要求具 有带二次负载的能力，只需要能够可靠地向二次设备传送一次侧的电气量( 包括稳态与 暂态量) 及非电气量( 温度、压力等) ，同时，二次侧的输出也不必一定是传统的模拟量， 可以是抗干扰能力强的数字量。 传统的电磁式电力互感器有着以下一系列的缺点1 c 2 1 。 绝缘困难； 1 华中科技大学硕士学位论文 潜在突然失效，如爆炸等危险： 易受电磁干扰； 故障状态下易饱和，对过渡过程中的非周期分量难以正确反映； 如果c t 输出端开路，会出现高电压，如果p t 输出端短路，会出现过电流； 体积大，重量重，造价高。 为了适应电力系统的发展，迫切需要一种新型的c t 、v t 来代替传统的c t 、v t ， 以克服c t 、v t 的缺点，并且适应电力行业发展的新型c t 、p t 。由于光的测量方法 与电的测量方法相比具有抗电磁干扰，绝缘性能好等优点，人们开始尝试将光纤传感 器用于电力系统测量电流、电压，这便是光学传感器( o p t i c a l c u r r e n tt r a n s d u c e r ，简 称o c t ) 和光学电压传感器( o p t i c a lv o l t a g et r a n s d u c e r ) 。与传统的c t 、p t 相比， o c t 、o p t 具有如下优点【c 2 】： 具有良好的抗电磁干扰，耐腐蚀，防水等能力； 无铁磁饱和现象，不仅可测交流，也可测直流； 频带宽，动态范围大，可测量、记录电力系统畸变电流，电压，过电流，过 电压和脉冲信号波形； 易于与电力系统的计算机继电保护装置和计算机系统接口实现计量，保护故 障录波一体化； 由于光纤和敏感元件绝缘性能好，使得整套系统的绝缘结构相对简单，同时 对周围的被测电场，磁场的影响小； 不含油，无爆炸危险，也无输出开路和短路的危险； 体积小，重量轻。 目前，自7 0 年代以来日趋发展成熟的光学传感器已愈来愈普遍地应用于国民经 济的各个领域。就电力行业而言，光学电流互感器和光学电压互感器以其突出的优点 ( 绝缘简单、体积小、重量轻、频带宽、安全、抗电磁干扰强等) 7 1 起了电力工作者的 广泛关注。国际上有许多工业国家如美、英、日、韩、瑞典等国的电力系统已经开始 采用光学电流、电压互感器代替传统的互感器。国际电工委员会( r e c ) 已经开始针对新 型电力互感器制定相应的标准，它们分别是：i e c 6 0 0 4 4 7 ( i n s t r u m e n tt r a n s f o r m e r s e l e c t r o n i cv o l t a g et r a n s f o r m e r s ) 和i e c 6 0 0 4 4 - 8f i n s t r u m e n tt r a n s f o r m e r s - e l e c t r o n i cc u r r e n t t r a n s f o r m e r s ) ，这两个标准都已经进入了委员会投票阶段。可以预见，在不久的将来 随着规约的推出，电子式的互感器( 包括无源和有源的光电互感器) 在电力系统中应用 将有更大的发展。 2 华中科技大学硕士学位论文 可见o c t 、o v t 以上优点符合了未来电站、变电站所发展的需要，同时o c t 、 o v t 运行安全可靠，不会爆炸，还可以节约大量的铜和矽钢片，社会效益明显。由于 o c t 、o v t 的绝缘结构相对简单，且随着电压等级的升高，o c t ，o v t 的性价比逐 步升高，所以o c t 、o v t 的经济效应十分明显。 光电技术作为新兴的前沿学科，在二十世纪末取得了极大的发展。光纤通信、光 电信息存储、激光技术、光纤传感等新型的研究成果已渗入到国民经济发展和人民日 常生活的各个领域。作为国家能源工业支柱的电力系统，在近十年的发展历程中，同 样受到了光电技术发展的强烈冲击，一大批基于光电技术的成熟产品在系统中得到运 用，并以其优异的性能和全新的模式迅速改变着传统电力工业的面貌。如电力光纤通 信网的普及使原来分布的、孤立的各发、变、配、送、用电系统融合为一个整体：光 纤传感技术与故障诊断技术的结合为电力主设备的安全可靠运行提供了强有力的保 障；全新的光电互感器的研究及其二次设备的研制使得“数字化电力系统”的前景更 加光明。可以说，光电技术的运用及其与i t 技术的结合，正使传统的电力系统面临 一场重大的技术变革。 特别是，最近几年光电互感器的研究和产品化受到广泛的关注，目前国内对光电 互感器的研究大多局限于实验室和试运行阶段，还没有完全实现产品化的相关报道， 此外研究主要集中在互感器本身的特性和计量应用等方面，而对于如何将光电互感器 运用于变电站自动化系统及其设备，如何与二次设备接口等问题研究的很少。本文对 变电站引入光电互感器后，如何与继电保护装置连接、如何建立一个带光纤数字接口 的继电保护装置的问题进行了研究。重点对其中的关键技术：数字化以太网接口系统 的模式和编程等方面展开分析和研究。 1 2 课题来源 由于光纤电力互感器在电力工业中的重大意义，国家计委正式下文批复，将武汉 华工电气自动化公司的光纤电力互感器及发( 变) 电站自动化设备高技术产业化示范 工程列入了国家高新技术产业发展项目计划。这标志着“武汉中国光谷”又一光电 子产业化重大科技项目的启动。 目前，国际电力设备生产大公司如a b b 等纷纷加紧光纤传感器及相关电力测控 设备产业化进程，并将向中国市场推出相关产品。业内专家认为，以光纤互感器和光 纤通讯网为基础构成的光纤化发( 变) 电站综合自动化系统已成为电力自动化技术发 展最有前景的方向之一，这一重大科技项目的启动可以增强和提高国内电力自动化产 3 华中科技大学硕士学位论文 品开发与产业化水平，并最终形成与国际知名公司相抗衡的竞争实力。 带光纤数字接口的继电保护装置是这个工程的配套项目，为整个工程中的一部 分，我在毕业设计阶段参加了华工电气公司数字化电力部带光纤数字接口的继电保护 装置的研制开发工作，具体负责以太网数字接口这一部分。 带光纤数字接口的继电保护装置不同于传统的继电保护装置，其采样装置为保护 设备外部的光纤电力互感器，采样值均为滤去高次谐波的数字量，保护装置通过光纤 以太网接口接收这些数字量采样值。我们采用了带以太网接口的微处理器c o l d f i r e 5 2 7 2 来负责接收采样值及保护处理。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 光电互感器及其在继电保护中应用的研究 【摘要】对光纤电力互感器的工作原理做了简单的分析对光电互感器在继电保护中应用所具备 的条件和还需解决的问题进行了研究 2 1光纤电力互感器概述 电力互感器是保证电力系统电量计量、继电保护、监测控制正常运行的关键设备， 其各项技术指标( 精度、可靠性、灵敏度、线性度、通频带带宽、暂态特性等) 与电 力系统的稳定可靠运行直接相关。随着电网向大容量、超高压方向发展，传统电力互 感器越来越不能满足现场的要求，而新兴的光纤电力互感器以其突出的优点是传统电 力互感器的理想替代品。 光纤电力互感器的应用使得一、二次设备阃传输的信号由原来模拟信号变为数字 信号。这种改变将使现有的变电站的二次回路发生巨大的变化，带来了一系列需要解 决的问题。因此本章主要分析光纤电力互感器在继电保护中的应用所具备的条件，以 及还需解决的问题。 光纤电力互感器从结构和形式可简单的划分为无源型和有源型【c 6 】，这种划分主要 是依据互感器的传感头是否存在有源器件，无源型的光电电流互感器以光学元件作为 传感头。无源光电电流互感器多采用法拉第( f a r a d y ) 磁光效应、磁致伸缩效应、自 然旋光效应和光干涉原理实现电流的测量。基于磁致伸缩效应的光电互感器在段时 间内曾受到相当的重视，但由于该方法受光学元件本身长期性能稳定性和可靠性以及 外界干扰等因素的制约比较严重，工业化应用的进展缓慢。目前，研究的最多，也是 实用化程度最高的是基于法拉第磁光效应的光电电流互感器，在结构上可分为全光纤 式、块状玻璃式和磁光混合式。磁光混合式结构的光电电流互感器由于测量精度受到 限制，目前研究的很少。无源光电电压互感器利用泡克尔斯( p o c k e l s ) 效应、电光克尔 ( k e r r ) 效应以及逆压电效应原理实现电压的测量。目前所研究的光纤电压互感器大多 是基于泡克尔斯( p o c k e l s ) 线性电光效应。无源光电互感器的优点是：整个系统的线性 度比较好，灵敏度高，绝缘性能好。但是由于光学传感头受外界环境影响较大，如温 度、应力等。因此在设计传感头时必须采取一些措施以减低外界环境的影响。 有源光电互感器采用非光学材料作传感头，而利用光纤来传输信号。实际上有源 华中科技大学硕士学位论文 光电互感器并不是严格意义上的光学传感器，因此对它有许多不同的称呼，如新颖的 互感器，半常规互感器等。有源光电电流互感器一般采用r o g o w s k i 线圈、铁芯线圈、 霍尔元件等作为传感头。目前使用的最多的还是r o g o w s k i 线圈。利用r o g o w s k i 线圈 测量电流并不是新技术，早在1 9 1 2 年人们就发现r o g o w s k i 线圈的输出与被测电流存 在微分的关系。并且一直是高压实验室测量冲击大电流的重要手段。光纤电压互感器 一般采用电阻分压、电容分压和阻容分压三种方式。 为了保证高压变电站中继电保护正确动作，对电流、电压互感器提出了较高的要 求。特别是对于电流互感器，在高压变电站中对线路保护的要求一般是在3 0 m s 内动 作，这是为了在短路暂态过程还没结束前就动作于跳闸。此时短路电流尚未到达稳态 值，电流互感器还处于暂态工作状态，因此需要采用暂态误差特性良好的保护用电流 互感器。对于母差保护，当母线外部短路时，在短路的暂态过程中，短路电流中存在 数值很大的非周期分量，很可能造成c t 饱和，导致保护误动。因此也需要采用暂态 特性好的电流互感器。 从以上的分析可以看出，继电保护对互感器的要求主要有下面两个方面：一是精 度的要求；二是电流互感器要具有良好的暂态响应特性，短路后的暂态过程中仍能正 确传变次侧短路电流，抗饱和能力要好。 对于光纤电力互感器来说，由于没有铁芯因此不存在饱和的影响，暂态响应特性 好，满足第二点要求。至于测量精度，一直是困扰光纤电力互感器全面实用化的主要 问题。无源光纤电力互感器，由于传感头采用的是光学晶体，容易受到环境温度、外 界扰动等因素的影响，因此测量精度在外界环境变化时容易波动。近十几年来，国内 外学者做了很多研究工作以提高互感器的温度稳定性、抗振能力，目前已经取得了很 大进展。特别是在国外许多大公司已经开始向电力系统供应高精度的无源光电互感器 系列产品。 有源光纤电力互感器即利用了光纤系统提供的高绝缘型、抗电磁干扰强的优点， 又充分发挥了被电力工业广泛接受的常规电流测量装置的优势，是实用化较好的选 择。不过温度的变化也会对r o g o w s k i 线圈的非导磁材料结构造成影响，选择温度系 数低的非导磁材料，并进行温度补偿，能够获得较好的测量精度。 目前来说，无论是无源的还是有源的光纤电力互感器都能到达甚至超过c l a s s 0 2 准确度等级的要求。 从以上的分析可以得出以下的结论：光纤电力互感器能够满足继电保护对互感器 的要求，将其引入继电保护系统是可行的。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 2 光纤电力互感器和继电保护装置的接口 2 , 2 1 在接口中需要考虑的问曩 光纤电力互感器不同于传统的电磁式继电保护装置，各个光纤电力互感器输出的 都是固定频率的数字量采样值，如何将这些采样值可靠、快速输送到电站的二次设备， 能够为二次设备所方便的使用，即如何解决光纤电力互感器与继电保护装置接口的问 题，将是以下我们需要讨论的。其中有如下几个方面应该考虑i c 7 ： 在传统的以电磁式电力互感器为基础的继电保护中，是由普通金属电缆将模拟 采样值送入继电保护装置，由保护装置内部通过保护p t 、c t 和测量p t 、c t 完成， a d 转换芯片等部件完成采样值由模拟量到数字量的转变。按照这个过程，采样值有 几路信号，就有几根普通金属电缆线连接到保护装置的端子上，对于以数字式输出的 光纤电力互感器来说，其传输媒介为光纤，如果也是采用有几路信号就几路光纤一起 连接到保护装置的话，不仅从经济成本上不划算，而且由于数字量传送机理的特殊性， 也没有那个必要。因此我们可以在保护装置前端设置一个合并单元，将各路信号先进 行汇总，再将这些采样值通过一根光纤发送到保护装置供其使用。 各个光纤电力互感器输出的都是固定时间间隔的数字量采样值，这样就带来了 一个问题如何保证这些来自不同互感器的采样值数据保持同步性，在传统的电磁 式电力互感器是不存在这个问题的。 继电保护装置接收的是数字量采样值，如何确定这些采样值的传送格式，传送、 接收接口采用什么方式，也是需要考虑的一个问题。 以下我们就这些围绕着这些问题，对光纤电力互感器与继电保护装置的接口中涉 及到的一些相关标准、原理做一下简单介绍。 2 2 2 光纤电力互麝器与二次设备的通讯接口 对带光纤接口的保护装置来说，它的采样值输入设备为装置外部的数字式输出的 电子式光纤电力互感器。采样值的具体传输过程如图2 1 所示，首先各个光纤电力互 感器将数字式采样值数据经由一次转换器转换成合适在传输系统中传输的信号，并通 过传输系统将这些信号传输至二次部分，二次部分中的二次转换器接收这些信号后， 将其转换为测量仪器、控制装置等设备所用到的信号形式，并将其传送至信息合并单 元。信息合并单元将各路二次转换器传送进来的数据进行汇总后作同步处理，再将这 些数据打包校验，发送出去。保护装置最后通过光纤接1 3 接收前端信息合并单元传送 过专晏善喜著：i ：薹篡毛保护中的应用，关键在于互感器所在的过程层与间隔层的 对于光电互感器在继电保护中的应用，关键在于互感器所征阴短程j i 丢勺1 日j 旧居副 接口与通讯。电子式电压互感器标准i e c 6 0 0 4 4 7 和电子式电流互感器标准 m c 6 0 0 4 4 8 对此做了明确和具体的规定【e 1 3 l 【e 4 】。 信 息 台 并 苴 一 兀 图2 - 1光纤电力互感器与保护装置的接口框图 图2 2 信息合并单元数字接口框图 华中科技大学硕士学位论文 由于以前的系统采用电磁式互感器，使用模拟接口，为了与原有的系统兼容，光 纤电力互感器除了带有数字式输出接口以外，还可配有模拟输出接口。对于数字接口， i e c 标准定义了一个信息合并单元( m e r g i n gu n i t ，m u ) 如图2 - 2 所示。七个电流互 感器( 三个测量用电流互感器，三个保护用电流互感器，一个中性点电流互感器) 和 五个电压互感器( 三个保护测量电压互感器，一个母线电压互感器和一个中性点电 压互感器) 的数字信号都送到合并单元中，然后由合并单元给二次设备提供一组时间 紧密一致的电压电流值。 在i e c 6 0 0 4 4 - 7 、i e c 6 0 0 4 4 8 中对信息合并单元到二次设备的数字接口有着如下一 些规定： l 关于物理层的约定： 合并单元( m u ) n - - 次设备的连接可以是光纤传输系统或铜线传输系统来实现。 标准传输是采用通用帧格式，速度为2 5 m b i v s ，采用曼彻斯特码，优先传送最高有效 位。 对于采用光纤连接的传输系统，兼容的接口是信息合并单元( m u ) 上的光纤连 接器，推荐的连接器是b f o c 2 5 。根据传送距离的不同，可以选用塑料光纤或者玻 璃光纤。 如果采用光纤传输，必须注意光驱动器和光接收器的性能。对光驱动器的特性要 求有： 上升和下降时间( 在信号幅值从1 0 变化到9 0 的时间) 必须小于2 0 纳秒。 光脉冲的特性：过冲应小于光脉冲标称输出的3 0 ，而且纹波在脉冲后半波 期间不超过标称输出的l o 。 对光接收器的特性要求： 上升和下降时间：信号幅值从1 0 变化到9 0 的时间应小于2 0 纳秒。 脉宽误差：脉宽误差应该小于2 5 纳秒。 光传输的时钟精度：数据传输应该在半电压点测得的标称时间周期的+ - 1 0 n s 之内完成。 铜导线也可作为传输系统的替代方案，它与e i a d 5 4 8 5 标准相符。但这只可用于 单向e c t e v tn - - 次设备的传输。这是因为e i a r s 4 8 5 标准的特点即是最多有3 2 个负载单元可以连到一根物理传输线上。 铜导线传输系统驱动器性能要求： 输出阻抗；在传输线连接处的端子上测量，应该有一个平衡的输出，而且其内 9 华中科技大学硕士学位论文 阻在0 1 6 m h z 范围内应为1 1 0 q 2 0 。 信号幅度：信号幅值应该在3 v 到i o v 峰值之间，测量时通过一个1 1 0 q 1 的电阻连接到输出端子上，且不连接任何交互电缆。 上升和下降时间：信号幅值从1 0 变化到9 0 的时间必须小于2 0 纳秒。 铜导线传输系统接收器性能要求： 接收器输入阻抗：最小输入阻抗为1 2 kq ； 最大输入信号值：当接收器直接连到驱动器上，而且是工作在峰峰值得极端情 况下时候，输入信号应该能使得接收器能正确读出数据； 最小输入信号：要求在一个随机输入信号产生了时间长达半个周期且幅值达到 2 0 0 m v 的干扰的情况下，接收器仍然能正确传译信号。 2 关于链路层的约定： 链路层我们采用l l c l 协议，即支持不确认的无连接服务，使用三种编号p d u ： u i d ，t e s t 。 3 关于应用层的约定： i e c 6 1 8 5 0 是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系，在第9 部分 详细地定义了间隔层和过程层之间的通讯服务映射，因此在应用层我们采用了 i e c 6 1 8 5 0 9 1 中的协议。具体介绍可常见后面相关章节。 通过以上的介绍，我们可以知道光电式互感器与传统互感器的最大区别在于光电 式互感器能够直接提供数字信号，正是这个区别，将继电保护产生一些的深刻影响： 简化了继电保护装置的结构。现在的继电保护装置大多是数字装置，传统的 电磁式互感器的模拟输出信号到这些数字装置需要经过采样保持、多路转换开关、a d 变换。光电式互感器送出的是数字信号，可以直接为保护装置所用，从而省去了保护 装置的这些信号变换电路，简化了保护装置的硬件结构。 消除了测量数据传输过程中的系统误差。电磁式互感器的误差随二次回路的 负荷变化而变化，产生的系统误差不可预计。而光电式互感器传送的是数字信号，因 而完全不受负载的影响。系统误差仅存在于传感头自身。从而提高保护装置的准确性。 间隔层和设备层的连接方式将变得更加开放和灵活。由于电磁式互感器传送的 是模拟信号，需要进行复杂的二次接线才能传送到多个二次设备。而光电式互感器输 出的数字信号可以很方便的进行数据通信，可以将光电互感器以及需要取用互感器信 号的装置构成一个现场总线网络，实现数据共享，使全站性质的保护如母线保护、断 路器失灵保护等，真正成为分布式的保护。此外，信息的共享使得保护可以利用更多 华中科技大学硕士学位论文 的信息量，实现系统保护。也可节约大量二次电缆。 为了将光纤电力式互感器成功地应用到继电保护，我们还有数据同步的问题需要 考虑： 数据同步问题是指二次设备需要的采样数据是在同一个时间点上采得的，即采样 数据的时间同步，以避免相位和幅值产生误差。由于许多继电保护需要用到不同间隔 的电流、电压信号，如母线保护、全站性质的后备保护等。这就需要考虑不同间隔单 元的信息合并单元同步的闯题。同步的方法有两种： 使用全站范围的时钟作为同步信号： 不同间隔的采样值进行插值 其原理见图2 - 3 所示 ili i li ili l 守 彤 艺 x i 、 叶一r ii l ll ii iii 间隔l 和闻隔2 同步采样值 ( 母， 酆时钟同步 ： ：一l 伢一l ： 一间隔1 采样值 阆隔2 采榉值 间隔2 t t t 佰 间隔1 计算值 擂值计算 图2 - 3 信息合并单元同步方法 插值法是根据互感器提供的若干个时间点上的采样值，插值计算得到需要的时闯 点上的电压电流值。但采样插值计算的方法同步，必须已知不同信息合并单元的时延， 利用插值算法在规定的瞬间计算出采样值。 华中科技大学硕士学位论文 采样值插值的方法的优点是不用添加额外的硬件，缺点是二次设备中必须增加插 值算法，且精度也不如利用时钟进行的精度同步高。进行采用值插值同步法的关键是 如何得到各信息合并单元到二次设备的延时，己知时延后，就可利用各种算法修正采 样值，达到同步的目的。 若采用时钟作为同步信号时，信息合并单元装置需要外部时钟的输入接1 2 1 ，。同 步时钟可以使用全站的统一时钟，也可以使用全球卫星定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m g p s ) 。输入的同步时钟要求为秒脉冲。秒脉冲信号可通过光纤或电缆送入合 并单元，对于距离较远，精度要求较高的场合，应采用光纤传输，对于不考虑电磁兼 容问题的场合，电缆传输不失为最经济的方式。 时钟同步法的优点是同步准确度高，不需要添加额外的算法，缺点是存在同步时 钟失效的威胁。因此装置在接收秒脉冲的同时，也要采取方法适当判断其是否正确。 2 2 3 应用层通讯协议 变电站自动化技术的迅猛发展，使得大量的来自不同厂家的产品投入到现场运 行。由于不同厂家的产品大都采用了专用的通讯协议，在变电站中采用不同制造商的 产品时，必须进行费用高昂的协议转换。而工业的经验已经表明了这种需要，允许不 同制造厂的装置具有互操作性，互操作性是指能够工作在同一个网络上或者通讯通路 上和共享信息和命令的能力。这里还有智能电子设备的互换性，它是指由一个制造厂 的装置可以用另一个制造厂的装置所代替而不用造成改变系统中其他元件。互操作性 是电力公司、设备制造厂和标准化组织的共同目标。而变电站自动化通讯标准i e c 6 1 8 5 0 的目的就在于解决智能电子设备之间这种高效通信的要求。因此，为了使不同 厂家生产的自动化系统具有互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 和互换性( i n t e r e h a n g e a b i l i t y ) ， 1 9 9 5 年国际电工委员会第5 7 技术委员会( m ct c 5 7 ) 着手制定关于变电站自动化系统 的通讯网络和系统的国际标准i e c 6 1 8 5 0 f e l 5 c 1 2 1 c 1 5 。 组成部分： i e c6 1 8 5 0 标准共分为1 0 个部分： 玎配6 1 8 5 0 1 基本原则，包括m c6 1 8 5 0 的介绍和概貌。 m c 6 1 8 5 0 2 ：术语，即名词的收集。 i e c6 1 8 5 0 3 ：一般要求。包括质量要求( 可靠性、可维护性、系统可用性、 轻便性、安全性) ，环境条件，辅助服务，其他标准和规范。 i e c 6 1 8 5 0 - 4 ： 系统和工程管理。包括工程要求( 参数分类、工程工具、文件) ， 华中科技大学硕士学位论文 系统使用周期( 产品版本、工程交接、工程交接后的支持) ，质量 保证( 责任、测试设备、典型测试、系统测试、工厂验收、现场 验收) 。 i e c 6 1 8 5 0 5 ： 功能和装置模型的通信要求，包括逻辑节点的途径( a c c e s s o f l o g i c a ln o d e s ) ，逻辑通信链路，通信信息片p i c o m ( p i e c eo f i n f o r m a t i o nf o rc o m m u n i c a t i o n ) 的概念，功能的定义。 i e c 6 1 8 5 0 6 ：变电站自动化系统结构语言，包括装置和系统属性的形式语 言描述。 i e c6 1 8 5 0 ，7 1 ：变电站和馈线设备的基本通信结构原理和模式。 i e c6 1 8 5 0 7 - 2 ：变电站和馈线设备的基本通信结构抽象通信服务接口 a c s i ( a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei m e r f a c e ) ，包括抽象通信服 务接口的描述，抽象通信服务的规范，服务数据库的模型。 i e c6 1 8 5 0 7 3 ：变电站和馈线设备的基本通信结构公共数据级别和属 性，包括抽象公共数据级别和属性的定义。 i e c6 1 8 5 0 - 7 4 ：变电站和馈线设备的基本通信结构兼容的逻辑节点和数 据类d c ( d a t ac l a s s ) 寻址，包括逻辑节点的定义，数据对象及其逻 辑寻址。 i e c6 1 8 5 0 _ 8 ：特殊通信服务映射s c s m ( s p e c i a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e m a p p i n g ) ，即变电站层和间隔层内部及其之间的通信映射。 i e c6 1 8 5 0 9 ：特殊通信服务映射s c s m ，即间隔层和过程层内及其之间的 通信映射。 m c6 1 8 5 0 1 0 ：一致性测试。 从i e c6 1 8 5 0 通信协议体系的组成可以看出，这一体系对变电站自动化系统的网 络和系统做出了全面、详细的描述和规范。 1 ，i e c 6 1 8 5 0 的特点畸1 3 l 【c 1 5 l ： i e c 6 1 8 5 0 是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系。与传统的通 信协议体系相比，在技术上i e c 6 1 8 5 0 有如下突出特点： 使用面向对象建模技术 目前传输信息必须事先将传输的变电站远动设备的信息与调度控制中心的数据 库约定，并一一对应，这样才能正确反映现场设备的状态。在现场验收前，必须使每 1 个信息动作1 次，才能验证其正确性。这种技术是面向点的。由于技术的不断发展， 华中科技大学硕士学位论文 变电站内的应用功能不断涌现，需要传输新的信息，已经定义好的协议可能无法传输 这些新的信息，因而使新功能的应用受到限制。采用面向对象自我描述方法就可以适 应这种形势发展的要求，不受预先约定的限制，任何信息都可以传输。采用面向对象 自我描述的方法后。传输到调度控制中心的数据都带有说明，可立即建立数据库，使 得现场验收的验证工作大为简化，数据库的维护工作量也大为减少。i e c 6 1 8 5 0 在- 7 3 、 7 - 4 中定义了数据对象和逻辑结点、逻辑装置的代码，在1 e c 6 1 8 5 0 7 2 中定义了用 这些代码组成完整地描述数据对象的方法和套面向对象的服务。i e c 6 1 8 5 0 - 7 - 3 、- 7 - 4 提供了8 0 多种逻辑节点名字代码和3 5 0 多种数据对象代码，2 3 个公共数据类，涵盖 了变电站所有功能和数据对象，提供了扩展新的逻辑节点的方法，并规定了由一套数 据对象代码组成的方法，这3 部分有机地结合在一起，完全解决了面向对象自我描述 的问题。 使用分布、分层体系 i e c 6 1 8 5 0 除了将变电站自动化系统分成变电站层、间隔层、过程层之外，每个 物理装置又由服务器和应用组成，从应用方面来看，服务器包含通信网络和i o 。从 分层的角度分析，服务器包含逻辑装置，逻辑装置包含逻辑节点，逻辑节点包含数据 对象、数据属性。从通信的角度来看，服务器通过子网和站网相连，每一个i e d 既可 扮演服务器角色也可扮演客户的角色。 使用抽象通信服务接e 1 ( a c s i ) 、特殊通信服务映射s c s m 技术 i e c 6 1 8 5 0 总结了电力生产过程特点和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输 的网络服务，设计出抽象通信服务接口，它独立于具体的网络应用层协议( 例如目前 采用的m m s ) ，和采用的网络( 例如现在采用的以太网) 无关。由于电力系统生产的 复杂性，信息传输的响应时间的要求不同，在变电站的过程内可能采用不同类型的网 络，i e c 6 1 8 5 0 采用抽象通信服务接口就很容易适应这种变化，只要改变相应的特定 通信服务映射( s c s m ) ，因此i e c 6 1 8 5 0 是面向未来的协议体系。不同的网络应用层 协议和通信栈与不同的s c s m l s c s h 缸相对应。 i e c 6 1 8 5 0 涉及多种新技术和学科，是个庞大、复杂的体系。如今。i e c 6 1 8 5 0 已 经受到国际上的广泛关注，它的出现意味着真正意义上的共同标准。我国的电力工作 者也要密切关注它的动态，以指导变电站自动化通讯系统研究工作。 2 变电站自动化系统接口模型： i e c 6 1 8 5 0 按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和继电保护三大功能从 逻辑上将系统分为三，即变电站层、间隔层和过程层，并定义了三层间的9 种逻辑接 1 4 华中科技大学硕士学位论文 口。i e c 6 1 8 5 0 给出的变电站自动化系统接口模型如图2 - 4 所示。 与这9 种接1 2 1 相对应的是7 种信息流，分别是： ( 1 ) 智能一次设备与间隔层设备间的信息流，由接口4 和5 实现。主要包括：信息 合并单元相间隔层传输的实时电压电流采样值、保护和间隔控制单元发出的对 一次侧设备的执行命令、监测和诊断信等。 ( 2 ) 同一间隔层设备之间的信息流，由接口3 实现。为一个间隔层内的相关间隔功 能间或设备间的数据流，即继电保护和控制、监视、测量之间的数据流，或是 两个或多个继电保护功能设备间的数据流。如：同期及防误闭锁的信息、继电 保护和安全自动装置的动作信息、运行状态及定值熬定信息与间隔控制单元问 的传递，故障录波与间隔控制单元间信息的传递等。 控制中心 壬 技术服务 壬 设备层 t上 e 厂一 高压设备。 图2 - 4 光电数字化变电站自动化系统分层逻辑接口 1 5 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 间隔层之间的信息流，由接口8 实现。使用多个间隔或整个变电站范围的数据， 如变电站范围内的闭锁、自动顺序控制和母线保护等。 ( 4 ) 隔层设备与变电站层设备间的信息流，由接1 31 和6 实现。该信息流分事故和 正常运行状态两种情况考虑。正常情况下一般为周期性的定时传输或上层主机 的召唤传输。故障时主要包括以下信息流：断路器的变位信号、保护动作信息 和事件顺序记录、由故障引起的电流、电压变化信息、故障录波文件等。 ( 5 ) 变电站层备设备之间的信息流，由接口9 实现。如工作站切换、打印、调用其 他设备资源图形、文件或大数据的传输等。 ( 6 ) 变电站与远方调度中心问的信息流，由接口7 实现。主要是“四遥”信息。 不同变电站之间的信息流，由接1 ：32 实现。当地和远方站继电保护单元之间的模 拟信号或二进制信号的数据流，如线路纵联保护。 i e c 6 1 8 5 0 - 9 - 1 ： 这一部分定义了间隔层和过程层之间的通讯服务映射。它定义了一个在单向多支 路点对点连接的映射。这部分在变电站中的具体应用范围就在于变电站的电压电流传 感器与间隔层设备( 如保护装置、钡i 量装置) 的连接。这个映射的预期目的在于能够 以较低的代价在现存的变电站中，对简单的保护方案予以更新。当然如果数据采样率 提高了，这一部分所要涉及到的间隔内通讯和同步处理都要升级到过程总线。 i s o i e c8 8 0 2 - 2 应用服务数据单元 空 i 链入服务接入i l c c 子层i e c i s o8 8 0 2 2 m a c 子层 i e e e 8 0 2 3 1 0 0 b a s e - f x1 0 b a s e - f l1 0 b 觞e t i e e e8 0 2 3i e e e8 0 2 3i e e e8 0 2 3 图2 5 以太网接口点对多点串行单向连接示意图图2 - 6 协议层次模型 1 6 华中科技大学硕士学位论文 利用以太网接1 3 进行点对点的连接很简单，进行点对多点的传输，可以参照图2 5 的连接方式。可采用图2 - 6 所示协议模型，模型只有3 层( 物理层、链路层和应用层) ， 相对于i s o o s i 的7 层模型，该模型在有限带宽条件下，能缩短反映时间。根据不同 的需要物理层可以采用：1 0 b a s e - t ，1 0 b a s e f l ，1 0 0 b a s e - f x 三种标准，如果采用 1 0 b a s e t 则必须考虑抗电磁干扰的问题。 图2 5 即为这种连接的示意图。 模拟采样值的类型规范： m e a s u r e d v a l u e s c a l e d ：= s t r u c t v a l u e ：= 1 3 2 q ：= b s 1 8 】， ) 这些类型为了定义技术性数据的传输。如电流电压采样值。 测量数据的分辨率在此部分未作规定，如果测量数据的分辨率比数据单元的最低 位还要大的话，数据位的最低有效位置为零。 测量和保护电子电流、电压互感器的额定值是相同的，都为2 5 1 2 a ( 十六位进制) ， 它允许测量值超过正常值的1 0 0 0 0 倍。 时标： b f i m e ：= s t r u c t u r ef b t i m e 6 ， 1 ts i e c 6 1 8 5 0 为各种保护、监测的需要都定义了各种数据帧： ( 1 ) 单相电子传感器的p d u ( 2 ) 三相电子传感器的p d u ( 3 ) 三相带中性点电子传感器的p d u ( 4 ) 单相电子式电流电压互感器的p d u ( 5 ) 三相电子式电流电压互感器的p d u ( 6 ) 三相带中性点电子式电流电压传感器的p d u ( 7 ) 差动保护的单相电子式电流互感器的p d u ( 8 ) 差动保护的三相电子式电流互感器的p d u ( 9 ) 差动保护的三相带中性