（电力系统及其自动化专业论文）牵引变电所自动化系统智能测控装置研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第m页 t e mp e r a t u r e o f w i n d i n g s a n d l o n g e v i t y l o s s o f t r a c t i o n t r a n s f o r me r u n d e r t h e t y p i c a l l o a d b y u s i n g ma t l a b . f i n a l l y s o me s u g g e s t i o n s a r e ma d e f o r t h e c a p a c i t y d e s i g n o f t h e t r a c t i o n t r a n s f o r me r , w h i c h w i l l b e s i g n i f i c a n t f o r t h e p o t e n t i a l c a p a c i t y e mp l o y i n g a n d t h e e c o n o mi c a l o p e r a t i o n o f t h e t r a c t i o n t r a n s f o r me r s . ke y wo r d s : a u t o ma t i o n o f s u b s t a t i o n ; me a s u r i n g a n d c o n t r o l l i n g e q u i p me n t ; t r a c t i o n t r a n s f o r me r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第 1 章绪论 随着铁路运输的发展和微机应用技术的提高，微机在变电所中的 应用越来越普遍，功能更强、更灵活可靠的微机监控装置必将取代传统 的保护、测控装置。变电所自动化的实现是变电所技术发展的必然趋 势。 1 . 1变电所自动化的基本概念及发展概况 变电所 自动化 ( a u t o m a t i o n o f s u b s t a t i o n)是利用计算机技 术、现代通信技术，经过功能组合和优化设计，集保护、监测、控制、 信号、管理、远动于一体，全面取代变电所常规二次设备的综合性的多 微机 自动化系统。 随着电力系统规模的扩大和自动化水平的提高，对变电所监控和 保护系统的可靠性、安全性、经济性和可用性的要求越来越高，本世纪 7 0年代末以来，世界上各主要工业化国家，如美、日、英、法、德、 瑞典等都开展了将变电所监控和保护综合在一起的研究，也就是国内统 称的变电所自动化。至 8 0年代中期，微机变电所自动化技术逐步趋于 实用，且功能日益完善，目前该技术经过近 2 0年的发展己进入推广运 用阶段 9 1 我国于 8 0年代中期首先在一些城市变电所和电力系统超高压变电 所、发电厂引进国外技术或国内研制的简单监控装置，取得了成功运行 经验;这期间微机保护和微机远动系统的研制和推广应用有重大进展: 网络技术和人工智能开始应用于变电所自动化与电网调度自动化，从而 推动了变电所自动化技术的发展。进入 9 0年代以来，我国变电所自动 化系统已在电力系统中成批投入运行，并取得显著效益，现正向无人值 班自动化的目标发展。牵引变电所自动化系统也己投入运行，并得到积 极推广应用 ”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 . 2变电所自动化发展的技术基础 促使变电所自动化技术迅速推广和应用的原因主要有三点:常规 变电所二次系统存在诸多缺陷;电力系统对变电所保护、监控等提出了 更高的要求;新技术的迅速发展为其发展奠定了技术基础 9 。 1常规变电所二次系统的主要缺陷: ( 1 ) 装置间相互独立、互不兼容、功能重复。目前变电所中现有常规 二次系统的各种硬件基本上是按功能独立配置的，彼此间联系很少，且 互不兼容功能重复。选用了大量硬件设各，且设备型号类型庞杂。它们 互相组合以满足特定的要求，而在组合过程中协调性差，很难做到标准 化。 ( 2 ) 设备不具备 自检功能、故障率高。常规的二次系统是个被动系 统，因而这些装置或系统可能在没有任何报警信息的情况下出现故障。 只能且必须通过对常规的二次系统进行定期的测试和校验来解决这一问 题，这不但增加了维护人员的工作量，而且即使如此仍无法保证装置绝 对的可靠，因为装置故障可能在检测完成后立即发生。另外维护人员在 定期检测中人为造成装置误动的情况也时有发生。 ( 3 ) 信息记录和显示方式落后。常规变电所中主要用指示灯显示监控操 作，用各种各样的表盘反映模拟量瞬时值，大部分的历史数据、操作记 录和事件记录要靠手工完成或用专门的记录器记录。手工记录费时、费 力且容易出错。而由专门记录器又无法简单直接地读取和分析所记录的 数据。目前的信息记录和显示方式无法做到运行监视的直观性和事故分 析的高效性。 2电力系统对二次设备和管理提出了新的要求: ( 1 ) 继电保护。当前的电力系统具有电网规模大、电压等级高、机组 容量大的特点。为了最大限度的发挥电网的经济性，电力系统越来越多 的运行在稳定极限附近，这就要求一旦发生故障，继电保护装置能更快 地切除故障。 ( 2 ) 自动监控装置。电力系统经济运行需要更多有关电网运行的信息 和更精确、可靠的监控，需要更多更强的手段来采集和分析电网信息。 ( 3 ) 变电所扩容改造。变电所扩容改造的每一步都要增加保护和监控 设备，其至需要重新安排母线的布置，因此要对现己投运的监控设备和 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 保 护 装 置 进 行 较 大 的 调 整 或 董 薪 ? e w 。 这 就 要 求 监 控 和 保 护 装 置 具 有 较 大的灵活性和可扩充性，以便以最小的费用和最短的时间完成扩容和改 造 。 ( 4 ) 变电所无人值班运行。变电所无人值班运行是变电所运行管理的 新模式，但是实现变电所无人值班的技术基础是变电所中的测量、监 视、保护、控制等二次设备具有高度的安全性和可靠性、优越的协调性 和兼容性。而变电所自动化系统的运用显然是实现变电所无人值班运行 的有效途径之一。 3 . 新技术的发展奠定了自动化技术的基础: ( 1 ) 数字信号处理 ( ds p )技术的应用。8 0年代末 9 0年代初，ds p 技术的应用导致免变送器 r t u的问世。而免变送器 r t u的问世，不 仅使得随一次设备分散布置的分散式 r t u 很快地发展了起来，而且还 提供了强有力的功能综合优化手段，如电压、功率和电能的测量，可以 直接从线路、变压器等设备的t v , t a上直接交流采样，通过 d s p得 出各相电流、电压的数字波形，经过分析计算不仅可以得出各相电流、 相电压的基波和谐波有效值 ( 均方根值)，以及各相有功、无功、电 压、有功电量及无功电量的实时数据，还能进一步计算出功率因数、频 率以及零序、负序参数等值，并和有关的输入输出接点一道集成在变电 所自动化系统中，这种可分散布置的 r t u模块，统称为测量控制单元 或输入 / 输出单元。 与此同时，变电所所内传统的各种继电保护、重合闸、故障测 距、故障录波等自动装置，同样受到 d s p的冲击。和常规的 r t u通过 d s p技术的应用过度到免变送器 r t u类似，传统的各种继电保护和 自 动装置，通过 ds p技术，直接从 t v, t a采样电流、电压波形，通过 分析计算实现其保护功能，而且还可和重合闸、故障测距、故障录波、 小电流接地系统单相接地选线等功能综合在一起。 ( 2 ) 数字通信技术和光纤技术的应用。8 0年代以来，数字通信设备， 如以微处理器为基础的程控交换设备的发展应用，大大提高了通信系统 的通信容量和系统可靠性。同时，通信技术中光纤通信技术正在迅速取 代金属电缆和同轴电缆，并用于远距离通信和短距离大容量信息的传 输。光纤通信除具有频带宽、信道多和衰减小的特点外，还具有抗强电 磁干扰的最大优点。由于光纤通信实际上几乎不受电磁干扰、浪涌、暂 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 态分量和各端间地电位差的影响，非常适用于变电所强电磁干扰的环 境，是保护和监控装置最佳的通信通道. ( 3 ) 计算机网络技术的发展。8 0年代以来计算机网络技术得到了很大 的发展，特别是局域网 ( l a n)技术的迅速发展和应用已成为一种潮 流。由于它能很好地满足电力系统的一些特殊要求，因此该技术在变电 所自动化中得到广泛的应用，l a n的主要特点是: a . 安全性。l a n技术无论在理论上还是在软件和硬件上都已十分成熟 可靠，若能针对电力系统的特点采取某些措施，l a n 是可以满足变电 所 自动化对安全性和可靠性的要求的。 b . 开放性。l a n 一般都是按照国际标准化组织 ( i s o)的开放系统互 联模型 ( o s i )来设计的，可以方便地将不同厂家的设备连接起来，兼 容性好，并可以按照标准方便地进行二次开发。 。 . 灵活性。由于 l a n的标准化设计，系统配置组合相当灵活，允许人 们方便地改变或修改系统，而且系统设备来源广泛，具有丰富的软件支 持 。 1 . 3牵引变电所自动化系统的特征 1 . 牵引变电所自动化系统是在现代微机与微电子技术、数据通信技 术、应用软件技术的基础上建立和发展起来的。综合系统的信息流是数 字量的数据信息，取代了二次系统的模拟量信息。 2 . 在当地信息资源 ( 模拟量、开关量、脉冲量等)综合利用，减少 并优化监控、保护系统硬件设备的前提下，自 动化系统除了取代传统的 二次设备和功能外，还提供了人机对话、操作画面监视、智能化运行管 理、r t u和通信等多种功能，并增强了变电所整体功能. 3 . 设备操作、故障状态采用屏幕监视，值班人员面对大屏幕显示器 进行变电所所有设备的全面监视与操作。例如用 c r t画面实时显示主 接线运行状况:由 c r t光标操作来完成断路器跳合闸操作;采用 c r t 画面闪烁、文字提示和报警音响取代常规中央信号盘、控制盘的有关设 备等，为值班人员提供了方便直观的监控条件。 4 . 运行管理智能化、自动化。智能化自动化功能一方面表现在事件 顺序记录、自动报表、自动录波、事故判别与处理等诸多方面，进一步 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的智能化则可构造各种专家系统，执行故障诊断、防误操作、报警信号 处理等专门任务。这些为无人值班和供电系统信息化创造了良好的条 件 。 5 。 自动化系统工作的可靠性、精确性大大提高，依靠各种抗干扰和 数字滤波技术、冗余技术，特别是在线自检、自诊断技术，能及时诊断 发现系统各组成单元硬件或软件的故障并向主控端报警，使可靠性比常 规二次线系统大为提高，数字量控制和保护动作值计算严格按数学模型 进行，较大地提高了控制、保护、检测的精确度 ， 。 1 . 4 自动化系统的组成与结构模式 自动化系统基本组成可见图 i -i ，它是由变电所监控主机与人机 联系设备 ( 变电所层)协同电气主设备、线路的数据采集、控制与微机 保护等子系统 ( 设备层)，通过总线或局域网 ( l a n)互联通信 ( 通 信层)构成的一体化分层分布式控制系统，并与远动调度 p 心联网，用 以执行变电所全部控制、监视、中央信号、保护、远动和通信、管理等 所有功能。其中，各组成子系统和监控主机也可单独运行，执行其自身 功能【 9 . 1 0 1 根据变电所自动化在整个供电系统调度监控分层结构中的作用以 及自 动化管理功能的不同，自 动化系统结构模式可分为以下几种r 们: i . 分层、分布式结构、集中组盘的变电所自动化系统。按分层控制 原则，整个系统分为三层，第一层是模拟量、开关量与脉冲量数据采集 处理、控制操作出口，以及各种微机保护子系统;第二层是通信处理单 元，它与上述第一层各种处理机通信，并通过 mo d e m与调度中心通信 以及与上层监控主机通信，第一、二层都挂在总线或局域网络总线上， 其通信媒介可采用光缆;第三层为变电所监控主机 ( 可为双机)，具有 c r t 、打印机等人机对话设备。设备层的控制、保护等子系统都集中 在主监控室内的控制、保护屏上。自动化系统通过通信处理机，可转发 变电所的各种信息和统计报表至调度中心，同时也可接受调度中心的各 种操作命令，由各子系统执行操作，因而具有远动终端 ( r t u)的功 能。这种系统适用于屋外配电间隔数量少、屋内、外配电装置距离主控 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 制室较近的变电所，即控制电缆的耗费在监控、保护系统的总费用中所 占比例较小的场合。 2 . 分层分布式结构保护装置分散的变电所 自动化系统。对于 1 1 0 k v - 2 0 0 k v进线数量多、屋外配电装置占地面积大，且距主控制室 变电站层通信层设备层 图1 一1自 动化系统的构成模式图 较远的变电所，为节省控制电缆和压缩主控制室建筑面积，采用控制、 保护装置等 “ 下放”，分散安装在开关柜 ( 1 0 k v - 2 5 k v)和屋外 ( 1 1 0 k v -v 2 2 0 k v配电装置)专门设置的保护小间内，是国内外公认较 合理的一种结构，即分层分布式结构、保护分散装置的自动化系统. 1 . 5变电所自动化的发展趋势 由于变电所自动化的优越性十分突出，因而在国内外很受重视， 人们提出了各种设想和方案，并且有许多按新概念设计的变电所自动化 系统投入了运行。变电所自动化展现了极强的生命力。目前，关于变电 所自 动化的设计原则在以下几个方面己逐步形成了一致意见【 1 0 1 1 . 总体结构。采用分布式结构，引入计算机局域网 ( l a n)技术， 将站内所有的智能化装置 oe d)连接起来。网上节点可分为两大类: 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 主站和子站。主站，例如就地监控主站和远方通信主站，可以同网上任 一个子站通信，但是它们本身不需要设置数据采集系统，而是通过 l a n收集由各子站采集的数据:不需要任何控制执行结构，通过 l a n 可将命令传送到相应子站去执行，因而主站实际上只是一个规约转换器 ( g a t e w a y )。子站原则上按一次设备组织，例如一条线路、一台变压 器等。每一个子站 ( b a y )应包括保护、录波、测量及控制等所有功 能。设计原则是:凡是可以在子站完成的功能，尽量由子站就地独立处 理，不要依赖通信网和主站，特别是像继电保护那样特别重要而又要求 快速决策的功能，更必须如此。这里不排除由主站通过 l a n 提供一些 额外的不要求快速的综合后备保护和其他类似功能。 2 . 局域网 ( l a n)。计算机局域网技术发展很快，种类也很多。针 对变电所自动化的具体应用环境，以下几点已被越来越多的人所共识。 ( 1 ) 网络拓扑。网络拓扑结构倾向于采用网络中各节点都平等 ( p e e r t o p e e r )的结构，例如总线形网，每一个节点都可以同网上任一个其 他节点直接通信。不平等的网络，例如星形网，只能有一个主站，从而 形成瓶颈，并且灵活性大大降低。 ( 2 ) 通信规约。总线形网络 ( 即介质共享型网络)主要有两种标准规 约，一种是 i e e e 8 0 2 -3标准，载波侦听多路访问及冲撞检测方法 ( c s m a / c d ):另一种是 i e e e 8 0 2 一4标准通行证总线 ( t o k e n b u s ) 方式。 ( 3 ) 通信媒介。通信媒介普遍倾向于使用光纤，因为它有不怕 电磁干 扰这一突出优点，尤其是当子站设在室外开关场的小间时，因距离较 远，干扰严重，更应选用光纤。 3 . 子站的设计原则。从世界各主要继电器制造商最近推出的新一代 产品可以看到一种明确的趋向一一多功能保护装置正在兴起。例如， g e c -a l s t h o m的 k系列多功能继电器是用于配电线的综合保护装置。 它不仅提供配电线的各种保护和重合闸功能，还可以经过通信网利用保 护的跳、合闸出口操作断路器，还利用保护的测量功能向 s c a d a系统 提供电压、电流、有功、无功等模拟量以及各种状态量数据。这种装置 的设计意图是一条配电线的所有二次功能都可由它完成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第s 页 1 . 6本人的主要工作 本题是铁道部重点科研项目 “ 牵引变电所安全监控及综合自动化 系统”的子系统。本人在仔细研究牵引变电所一、二次系统的基础上， 提出测控装置的硬件构成及功能配置;提出牵引变电所进线失压和主变 故障时，以两套测控装置协同动作来完成备用电源进线和主变自动投入 的功能;应用 m a t l a b语言编写程序，对按几种典型负荷曲线运行的牵 引变压器的绕组热点温度和寿命损失进行理论计算和分析，对牵引变压 器的容量设计提出建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第 2章测控技术原理 微机测控装置是由中央处理单元、内存、模/ 数 ( a / d )或 数/ 模 ( d / a )转换接口及其输入、输出电路、脉冲量输入接口及其它接口电 开主 路和外部设备通过系统总线构成的完整的系统。它完成交流量测量、 关量采集、开关量控制、主变测温、负荷统计、谐波监测、备 自投、 变寿命估计、气象参数测量等综合性功能，是构成牵引变电所 自动化系 统的一个智能单元。 2 . 1模拟量的采集与处理 模拟量的采集与处理是变电所微机测控系统的主要功能之一。变 电所主要有母线电压、各回线路的电流和功率、主变压器的电流和功率 等模拟量。 1 . 1模拟量输入的主要环节 感器 1 a) 一个模拟量从变电站的主回路进入到微机，中间要经过多个环 如图 2 -1 所示. 第一个环节是电量变换器和传感器。电压互感器 ( y h )和电流互 ( l h )将高电压和大电流转换为低电压 ( 1 0 0 v )和小电流 ( 5 a或 还可以对变电所中由高压、强电流和浪涌电压造成的强电磁干 2.节 扰川起到隔离和屏蔽作用. 传感器的功能是把变压器的温度、气体断路器的压力、空气的温 度和湿度以及风速等非电物理量转换为相应量值的电流信号。 第二个环节是模拟低通滤波器 ( a l f )。它是为了消除采样过程中 的频率混叠、满足采样定理的要求而设置的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 一 第全 不 环节 是多 路转 换开关( m u x ) 。 它的 作 用是 将多 个 输入 模拟 量转换为一路输入，以便用一个 a / d转换器进行转换。多路转换开关 把连续的模拟量转换为离散的模拟量。 第四个环节是采样保持电路 ( s / h )。它的作用是使模拟量的采样 值在 a / d转换过程中保持不变，使 a / d转换能在输入电压不变的条件 下进行。它由逻辑控制的一个电子开关电路、保持电容器、输出缓冲放 大器等组成。 第五个环节是模数转换器 ( a / d )。它把离散的模拟量转换成数字 量，并在转换的过程中同时完成量化和编码。 第六个环节是微机的 c p u 。它把数据读入内存以后进行处理和滤 波，以便排除干扰，做进一步的处理和运算。 图2 一1模拟量检测的各个环节 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 . 1 .2采样定理 对一个有限频宽为。 。 、频谱为f ( co ) 的无限连续时间信号f ( t ) 进 行时域采样，采样周期为t , ， 可得 f * ( t ) 一 f * ( n t ) = f (t ) 艺 g o ( t - n t ) 二 艺 f ( n t , ) 8 0 (t 一 n t ) ( 2 一 1 ) 而厂( t ) 的 频谱f , ( co ) 是周期性的连 续频谱， 即 _ _1_ _、 2 y r杀 . h o (m ， 一 2 ;r l户 (co ) * - l , d o (0)t k=_. 一 “ 0) , 11 = 上s _f ( 。 一 、 。 ) 1 . k - 二 ( 2 一 2 ) 可见f , ( w ) 是f ( co ) 的反复，反复周期为。 ， 。当。 : 。 。 ， 频谱只有反 复，没有一处重叠。此时，用一个中心频率为k m ., ( k是有理数) 、带宽 为w 二 的理想带通滤波器，就可滤出原来形状的信号f ( o 来;但当 。 : 口 ， 飘 1 , 2 f， 或 i 二 ( 2 一 4 ) 从恢复波形的要求出发，上式是避免频域叠混的充要条件 ”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 . 1 .3前1模拟低通滤波 采样总是按照一定的频率工作的，为了满足采样定理，必须限制 输入信号的最高频率，也就是说必须给予输入信号一定的带限.前置模 拟低通滤波的主要作用就在于此。 由电阻器 r和电容器 c构成的低通滤波器，其传递函数的极点只 能位于 s平面的负实轴上，因此频率特性总是呈单调衰减的，无法做 到通带平坦和过渡带陡峭。但它有一些长处，如结构简单、可靠性高、 能耐受较大的过载和浪涌冲击等 ”。由于检测装置主要利用基波量， r c滤波器用作其前置低通滤波完全可行。 2 . 1 . 4采样的算法 由于交流采样所得到的是信号的瞬时值，这些量是随时间变化的 交变量，人们无法直接识别它们的大小和传送方向 ( 指功率)，这就需 要有一种由瞬时采样值求得有效值和功率因数等参数的算法。由于测控 装置对计算时间的要求不是很高，而要求较高的精度，全波傅立叶算法 能较好地满足以上要求。 根据傅立叶级数的理论，一个以 t为周期的函数u ( t ) ，如果在 - 二 ， 二 1 上 满 足 狄 氏 条 件 ， 那 么 在 一 工 ， 工 1 上 就 可 以 展 开 成 傅 氏 级 数 ， 在 2 2- 一“ 2 2 u ( t ) 的连续点上，级数的三角形式为 u n c ， u kt ) = 万十 念 l u rm c o s n co t + u , s i n n c o t ) ( 2 一 5 ) 一 二2 1 t 兵 甲田 = 丁 2 r u = i . u 1 t ) d t t - 2 - 五 u (t) c o s n a )td t ( n 二 1 ,2 ,3 . . . )( 2 一 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 u ( t ) s i n n a o t d t( n = 1 ,2 ,3 . . . ) ( 2 一 7 ) t卜12 2-t u _ = u ， 和u 。 是信号u ( t ) 各次谐波分量的幅值的实部和虚部 算 机 上 进 行 上 述 计 算， 必 须 加以 离 散 化 ， 令。 = 竺， t = k t 入，并用离散的总和代替连续的积分，就可以得到下式 。为 了在计 u r = n 分 u k c o s n n 万 上式表明，一个含有高次谐波分量的信号u ( t ) ( 2 一 8 ) 与一个样 品函数 c o s n m t 相乘之后从 一 二 到 里 进 行 积 分 2 2 就可以得到该信号与样品函数 同频率的信号的实部，这是一种正交变换。 同样，其虚部的离散计算公式为 2荟 %= - l u kn k = , s in n k 竺 n ( 2 一 9 ) 式中n 一谐波次数; n 一一个周期t中的采样点数: u 、 一第k 个采样值。 将每周期采样点数 n和 k =1 - n ，带入以上二式中，就可以得到 信号u ( t ) 中n 次谐波分量的实部和虚部。 非电量模拟信号的处理主要是避免采样信号由于随机干扰、误检 测或变送器不稳定引起的信号严重失真，采用简单的数字滤波算法，取 算术平均值作为它的采样值。 x =工 全 x ; ( 2 一 1 0 ) 式中x 。 一算术平均值; x 。 一第 1 次的采样值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 . 2开关量的输入及处理判断 在微机测控装置中，需要输入大量的开关量，如断路器、隔离开 关的状态，继电器的触点以及人机联系的功能键的状态等.由于变电所 存在严重的电磁、振动等干扰影响，开关量输入电路中需要采用抗干扰 的隔离措施，以保证工作可靠。开关量输入通道主要起电平转换、隔离 和缓冲的作用。 2 . 2 . 1开关量输入通道的构成 开关量输入通道由信号处理电路、输入寄存器、控制器及接口等 组成 。 信号处理电路实现电平转换、消除电磁干扰，它把从一次设备引 来的开关量输入信号转换成微机系统所要求的电平信号，并同时实现电 图 2 - 2 光 电 祸 合 式 信 号 处 理 电 路 气隔离，防止冲击性高电压和浪涌电压窜入和抖动。光电祸合式处理电 路的光电隔离器，由发光二极管和光敏三极管组成，如图 2 -2所示。 当外部开关 ( 接点)k断开时，发光二极管不导通不发光，因此光敏三 极管截止，输出晶体管也截止，输出 u o 为低电平;当开关 ( 接点)k 闭合时，发光二极管发光，导致光敏三极管和输出晶体管 t都导通， 输出u 。 变为高电平。此输出电平即为输入寄存器的输入信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 输入寄存器的作用是，一方面作为开关量输入信号的缓冲器;另 一方面在控制器单元控制下，经过处理的编组后成组的开关量信号送往 微机数据总线和存储器，以便进行信息处理。 控制器单元的作用是接收 c p u发出的地址编码信息和操作指令， 进行译码，并产生读入某一组开关量信号的选通信号和控制信号，使微 机 c p u能按照一定的地址编码来分别读入每一组开关量信号。 2 . 2 . 2开关量的采集 变电所的开关量有断路器、隔离开关的状态，继电器和按键触点 的通断等。断路器和隔离开关的状态一般通过辅助触点给出信号，继电 器和按键则由本身的触点直接给出信号。按变电所电气设备工作状态 ( 正常或故障)性质和开关信号的重要程度，开关量信号输入方式有两 种，即中断输入方式和查询输入方式。对于某些特别重要的开关量信 号，例如故障跳 闸引起的断路器状态变位的开关量状态信号等，常常要 求微机系统立即做出反应。因而这些开关量信号是通过中断方式，直接 终止微机正在执行的程序立即转入中断处理。对于隔离开关和某些继电 器，由于其重要程度不高，完全可以采用查询方式输入。开关量信号查 询输入方式的实现方法，是将开关量信号按 c p u字长分成若干组，每 组输入的开关量数目即为微机的字长，每组输入量都配有不同的终端地 址，c p u依次按照这些地址码巡回读入每组开关量信号。 2 . 2 . 3开关动作的检测 为了提高开关量检测的可靠性，除了在硬件方面采取抗干扰措施 外，还可以采用表决的方式来确定开关的状态。具体的做法是对一个开 关量连续采集三次，然后进行表决处理，就可以排除偶然的干扰。下面 介绍一下算法川 。 我们把三次采集的开关量用 a , b , c三个布尔数来表示，从中任 取两个进行 “ 与”运算，如果其中有两个或两个以上为 “ 1 ，则运算 西南交通大学硕士研究生学位论文 结果必定有一个为 “ 1 算结果必定全为 “ 0 。 ”:反之，若有两个或两个以上为 “ 0 第1 6 页 则运 再根据 “ 或 ” 一个是 “ 结果才 为 1 ，则运算结果必定是 “ 1 运算的规则，在 n个数中只要有 :只有在 n个数全为 “ 0 ”时， “ 0”。根据以上所述，就可以把三取二表决的算法用以下逻 辑算式来处理 ( ab) + ( bc)+ ( ca) 2 . 2 . 4 开关量变位及跳变方向识别 开关量变位即开关设备状态和继电器接点状态发生变化，从一种 状态转变为另一种状态。在事故跳闸情况下，由继电保护和自动重合闸 执行自动跳、合闸，使开关和继电保护输出接点状态自动转换，此时开 关量输入信号是由紧急中断输入的，监控系统相应地发出事故音响和闪 光。因此，开关量变位的正确识别对及时发现和判断是否发生事故跳闸 和自动重合闸，有着十分重要的意义。 开关量的状态通常用一位二进制数来表示，如用 “ 1 ”代表闭合; 用 “ 0 ”代表断开。开关量变位的识别是建立在对原来的状态和现在的 状态进行某些逻辑运算的基础上而取得的。根据逻辑运算的基本知识可 “ 异或”运算的规律是两数相同结果为 “ 0 ，两数相异结果为 异则 塑 1 ，。分析开关变位的状态可以发现，变位状态的运算正好是 “ 或 ”运算 必定是 由 。在已经确定变了位的开关量中，若原来的状态是 “ 1 1 ”变到 “ 0 ”的开关;若现在的状态是 “ 1 ，则必定是由 0， 1 . “ 0 ， 2. 3. 变到 现 状 1 ”的开关。归纳起来可以得到以下结论: 。原 状 ，若有变 位则该 位 为 “1 ， 若 无 变 位 则 该 位 为 ( 现状 。原状)八原状， ( 现状 .原状 )八现状， 若为 若为 1 ，则该位由 则该位 由 “1 ”“ 0 ， “1 ，“ 0 ， 变到 变到1 ，。 一 三 夔 这 i 蛋 t fi 3f 5 全 巡it 3 c 壁; : 2 . 3开关量输出及控制操作 开关量输出 通道由 并行接口、 控制器单元、 输出寄存器、驱动控 制电路等器件构成. 微机输出的开关量信号，经转换和增大驱动能力 后，用以控制断路器或开关的分与合，实现变压器组的自 动启停和切 换，以及控制电 动机的启 动或停止等。同时也送往监控主机，后者给出 相应位置信号和音响报普信号，显示变电所的运行状态。 构成开关量输出通道的主要器件中，除驱动控制电路外，所有器 件与开关量输入通道基本相同。驱动控制电路的作用是将 c p u转发的 开关量信号，直接驱动电气设备动作，对驱动控制电路要求有一定驱动 能力，能将微机系统与电气设备隔离并能抗干扰。 开关设备的控制可由监控主机键盘集中控制，或由功能模块处理 机按钮控制完成跳、合闸。监控主机控制时，由键盘输入操作命令，并 生成相应操作信息。监控主机与需进行控制的开关处理机进行通信，监 控主机首先按开关量输出通道的组号、位号，发送被控开关的地址码， 经对端处理机应答校验返回信息后，再发送操作信息码，并经数据总线 传送至对端处理机，后者通过判断、校验是否正确并返回信息，操作信 息码经反复校验正确后才能接收和执行操作，否则将拒绝执行并提供有 关信息。操作信息码中包括被操作开关的开关量输出通道号 ( 组号、位 号)和操作性质码 ( 合闸或分闸)。 开关合闸或分闸操作执行完后，开关产生变位，反映开关状态的 开关量信号 ( 变位后)，通过开关量输入通道输入至处理机，经监控主 机查询和开关量处理判断程序的处理，并启动打印机，c r t显示器输出 相应的开关操作、变位信息，运行人员据此进行开关操作过程和开关状 态的监视。一个命令完成控制一系列开关或变压器组的程序控制是在上 述单控操作基础上，由程序自动依次执行完成的。 2 . 4选线控制电路 所谓选线控制，是指每个断路器或电动隔离开关的操作都要通过 选择来完成。操作时，先用选择开关选好控制对象。现在常用的选择方 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 里翌塑翼里tzj t o e 一 km +k r( 开入正电源) 一 kr 图2 -3由保护测控单元 ( b h c c )进行的选线控制原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 式，是 “ 一对一”选控，即每一线路用一选择开关或选择按钮来代替常 用的控制开关，仅在全所 ( 或一组)中，设置一个公用的控制开关。进 行选控时，先操作选择开关或选择按钮，使被控对象的控制回路接通， 再控制公用的控制开关，即可发出 “ 分”、 “ 合”闸命令。这样，只用 一个控制开关去控制若干个对象，称为选线控制。 图 2 -3为由保护测控单元来选择控制对象的选线控制电路图。下 面以选控断路器 1 q f合闸为例，说明图 2 -3的选线控制工作原理。 第一步选线:保护测控装置开出选线信号，启动继电器 i w z j , i w z j常 开接点闭合，准备好合闸继电器 1 h j和分闸线圈 t q的受电回路，同 时，保护测控装置采集到 i w z j 在闭合位置。 第二步执行:保护测控装置开出合闸信号，继电器 h z j通过继电 器 t z j的常闭接点受电，其常开接点 h z j闭合，使继电器 1 h z j受电， 其常开接点 1 h z j闭合，合闸继电器 1 h j受电，常开接点 1 h j闭合并通 过其电流线圈自保持，合闸线圈 h q通过断路器 1 q f的常闭接点受电， 完成合闸。合、分闸中间继电器 h z j和 t z j的接点位置状态开入保护 测控装置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章 测控装置硬件构成及功能配置 3 . 1测控装置硬件构成 测控装置由电源插件、交流插件、保护插件、控制插件、通讯插件、 传感器插件、开出插件等构成。其结构框图见图3 -1 . o 11 ( 信 号 信号 控制 信号 入入出 开开开 传感器信号 图3 -1测控装置硬件结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 1 .电源插件 本插件为直流逆变电源插件， 直流2 2 0 v或 1 1 0 v电压输入经抗干扰 滤波回路后，利用逆变原理输出装置需要的四组直流电压:5 v , 1 2 v , 士1 5 v及2 4 v ，四组电压均不共地， 且采用浮地方式。图3 -2 为电源插 件原理图。 失电告带 +5 v gs 失电告带 2 2 0 v+ .+ 1 2 v + 1 5 v 2 2 0 v-. 一 1 5 v +2 4 v 图3 - 2电源插件原理图 2 .交流插件 本插件设有十二路模拟量输入变压器 y b和 l b ) ，分别将五路电 压量和七路电流量转换为15 v的交流电压输入保护插件。 3 .传感器插件 本插件设有两路温度测量、一路湿度测量以及一路风速测量。 为使外部传感器输入与内部插件隔离，两路温度和一路湿度使用独 立的隔离放大器，一路风速使用光电隔离器。隔离放大器采用北京迪赛 通用技术研究所生产的b c t 2 8 9 y隔离放大器。图3 -3为传感器插件原 理 图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 g1 5 + 1 2 v 粉1iok 23 一 二 289y + 15 vg 15 4 v 0 3 兰 1 0 -vs d + 1 5 v i o k 2 0 i o k 一 1 5 v f s ufs + k r 1 n厂s op t oi s oi 图3 -3传感器插件原理图 4 .保护插件 保护插件为测控装置的核心部件， 它包含d s p和8 0 3 8 6 两个数据处 理单元，一方面完成交流模拟量和主变油温、铜温的采集、计算;另一 朴 弃渝黯翼黔黯架磊赢丽镖 求得其正弦分量、余弦分量和幅值，8 0 3 8 6完成进一步的计算和遥信、 逻辑推理、控制功能。图 3 -4 为保护插件的原理框图. 模输 开入 开出 图3 - 4保护插件原理框图 5 .控制插件 控制插件完成选线继电器、合闸位置、主变故障、进线失压等开入 信号的采集及选线、分、合闸、自投等开出信号的控制。控制插件不含 有d s p ，不进行模拟量的处理。 6 .通讯插件 通讯插件完成保护插件、控制插件与现场总线、调试串口的通讯， 西南交通大学硕士研究生学位论文 使测控装置真正成为牵引变电所自动化系统的一个智能单元。 框图如图3 -5 所示。 第2 4 页 它的原理 8 0 3 8 6 网 络 接口卜 一卜 光纤 * q 士 调 试 电 脑 豪 几 一保 护 插 件 ram flash 串口控制插件 图3 一5通讯插件原理框图 7 .开出插件 . 开出插件与保护、控制插件共同组成两组控制单元，完成开关量信 号的输出。图 3 -6为其原理图。 com l xj - 1 xj -2 xj -2 图3 -6 开出插件原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 3 . 2微机测控装置的功能 3 . 2 . 1模拟量测最功能 完成牵引变电所高、低压侧电压、电流、有功功率、无功功率、有 功无功电度等模拟电量及主变油温、铜温和气象参数 ( 风速、温度、湿 度)等非电模拟量的测量。 接入测控装置的模拟量包括: 1 .交流模拟量 1 2 路 u a b 一主变进线侧a b 线电压; u b c 一主变进线侧b c 线电压; u c a 一主变进线侧c a 线电压; 工 a一主变进线侧a 相电流; 工 b一主变进线侧 b 相电流; i c一主变进线侧c相电流: u a 一主变低压侧a相电压; u p 一主变低压侧0 相电压; 工 a 一主变低压侧。 相电流; 工 日 一主变低压侧日 相电流; i r 一主变轨回流; 工 g 一主变地回流。 所有电压电流幅值由保护插件 d s p 取得，再乘以各模入通道系数。 2 .功率 ( 三路) w 一有功功率; v 。 一无功功率; c o s ( 一功率因数. 计算公式 w = u ,b i , c o s ( ( d a 。 一 (d a ) + u c b i c c o s ( (d c a 一 ( d , ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 = u a b i a c o s pa b 一 q) , ) 一 u b c i c c o s ( (d 、一 。 。 ) = u a b 毛( c o s ( d a b c o s (d a + s i n (d a b s i n (d a ) - u b c i c ( c o s d ) b c c o s (d c + s i n (d b c s i n (d e ) = u c b 。 01c + u a b i a 一 u b cc cc 一 u b cs。 叮 ( 3 - 1 ) v . , = u a b i a s i n ( (p ,: 一 (da ) 一 u b c i c s i n ( (db c 一 (d c ) = u sa b i ac 一 u ca b i sa 一 u sb c i cc 十 u cb c i sc ( 3 - 2 ) c o s 。 二 w+ j w x + 心 ( 3 - 3 ) 其中u 尹-u a 。 正弦分量; 一u 。 余弦分量; u a c -u b 。 正弦分量; u 黔-u s 。 余弦分量; i s - i ， 正弦分量; i c 一工 余弦分量; i ,s -i 。 正弦分量; 1 ,c - i 。 余弦分量。 3 .传感器输入量一 v w d 1 一主变油温; 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 v w d 2 一主变铜温。 传感器输入量二 ( 通用测控装置) v w d 1 一空气温度 1 ; v w d 2 一空气温度2 ; v s d 一空气湿度; v f s 一风速。 由保护插件d s p采样后，乘以比例系数即可。 3 . 2 . 2开关量测量功能 完成断路器、隔离开关状态、选线信号、控制开关和中间继电器状 态及反馈信号等开关量的采集。 1 .控制插件采集的开入量见表3 -1 . 表3 一1控制插件采集的开入量 序号符 号用途 是否列入遥信 1 1 q f x w 进线开关1 q f 选线继反馈 否 2 2 q f x w。 相开关3 q f 选线继反馈 否 3 3 q f x wd 相开关5 q f 选线继反馈 否 4 4 q f x w并补a 相开关7 q f 选线继反馈 否 5 5 q f x w并补d 相开关8 q f 选线继反馈 否 6 1 q s x w进线隔开 1 q s 选线继反馈 否 7 2 q s x w中性点隔开9 q s 选线继反馈 否 8 3 q s x w联络隔开5 q s 选线继反馈 否 9 1 q f h w进线开关 1 q f 合闸位置 是 1 0 2 q f h w。 相开关3 q f 合闸位置 是 1 1 3 q f h wd 相开关5 q f合闸位置 是 1 2 4 q f h w并补a 相开关7 q f 合闸位置 是 1 3 5 q f h w并补d 相开关8 q f 合闸位置 是 1 4 1 q s h w进线隔开 1 q s 合闸位置 是 1 52 q s h w 中性点隔开9 q s 合闸位置 是 1 6 3 q s h w联络隔开5 q s 合闸位置 是 1 7hz z j 合闸中继反馈 否 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 1 8t z z j 跳闸中继反馈 否 1 9j xzt 进线自投连片 是 2 0zbz t 主变自投连片 是 2 1yk 遥控方式 是 2 2dk 当地控制方式 是 2 3s y1 本侧主变失压 是 2 4 yy1 本侧进线有压是 2 5s y2 对侧主变失压 否 2 6yy2 对侧进线有压 否 2 7bgz1 本侧主变故障 是 2 8bgz2 对侧主变故障否 2 9z t nl 自投联络 否 2 .保护插件采集的开关量 ( 含脉冲量)见表3 -2 a 表3 -2保护插件采集的开关量 序 号符 号 用途是否列入遥信 1s f 6 b 进线侧开关 s f 6 气体需补充 是 2s f 6 d s f 6 气体密度低 是 3t h 弹簧未到位 是 4s yl p 进线失压保护投入连片是 5 f j q d风机起动 是 .6t f gz通风故障是 7 4 q s e h w进线接地刀闸1 q s e合闸位置 是 8 5 q s e h w主变接地刀闸7 q s e合闸位置 是 9 6 q s e h w压互接地刀闸3 q s e合闸位置 是 1 0 7 q s h w主变隔开合闸位置 是 1 1 8 q s h w进线压互隔开合闸位置 是 1 2 9 q s h w2 7 . 5 k v压互隔开合闸位置 是 1 3 i o q s h w联络手动隔开合闸位置 否 1 4i o xchw a 相开关手车位置 是 1