变电站综合自动化微机继电保护研究

胡寅，王军

(宿迁市泗阳县供电公司，江苏 宿迁 223700)

1 变电站综合自动化概述

变电站综合自动化是将变电站的二次设备(测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等)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，实现对全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、调度通信等综合自动化功能的计算机监控系统［1］。变电站综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征，它的出现为变电站的小型化、智能化、扩大控制范围及变电站安全可靠、优质经济运行提供了现代化手段和基础保证。

2 变电站综合自动化系统的结构与类型

变电站综合自动化系统的结构如图1所示。“数据采集和控制”、“继电保护”、“直流电源系统”三大块构成变电站自动化基础。“通信控制管理”是桥梁，联系变电站内部各部分之间、变电站与调度控制中心之间使其相互交换数据。“变电站主计算机系统”对整个综合自动化系统进行协调、管理和控制，并向运行人员提供变电站运行的各种数据、接线图、表格等画面，使运行人员可远方控制断路器分、合操作，还提供运行和维护人员对自动化系统进行监控和干预的手段。

变电站综合自动化系统的组成在结构形式上主要可分为集中式、分布集中式、集中和分散结合式、分散式四种［2］。

图1 变电站综合自动化系统的结构

2.1 集中式变电站综合自动化系统

集中式变电站综合自动化系统是按功能要求配置相应的继电保护装置及远动装置并安装在变电站的中央控制室内。变压器、各进出线及其他电气设备的运行状态通过CT、PT、开关辅助触点由电缆传送到变电站的中央控制室的保护装置和远动装置内，经初步处理后送到I/O通信控制器进行数据格式的变换(规约转换)，并将变电站所有保护、测量、信号和控制信息统一处理，与当地的后台机和远方调度中心进行信息交换。此种方式实际上是现有微机保护与微机远动的系统集成，但其组屏多，占地面积大，而且需敷设大量电缆，投资和工程量大，应用会越来越少。

2.2 分布式(分散式)综合自动化系统

分布式综合自动化系统按回路进行设计，每一个开关柜上或其他一次设备上就地安装微机保护单元和单回路的数采/监控单元，故开关和其他一次设备与单回路的数采/监控单元和微机保护单元在同一柜内，可免去大量的电缆联接，同时也提高了抗干扰能力，它无须再设置继电保护和远动装置屏，大大减化了二次设备，并减小了占地面积［3］。故分布式变电站综合自动化系统自问世以来，显示出强大的生命力。

2.3 分布集中式综合自动化系统

分布集中式综合自动化系统将整个变电站的一、二次设备分为3层，即变电站层、单元层和设备层。变电站层称为2层，单元层为1层，设备层为0层。变电站综合自动化系统主要位于1层和2层。单元层一般按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部件，它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;也可能设有数采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，然后集中由数采管理机和保护管理机与变电站层通信。变电站层设现场总线或局域网，供各主机之间和监控主机和单元层之间交换信息。

2.4 集中与分散结合式综合自动化系统

集中与分散结合式综合自动化系统按每个电网元件(如:一条出线，一台变压器、一组电容器等)为对象，集测量、保护、控制为一体，设计在同一机箱中。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主控室内。这种结构方式介于集中式与分散式两种结构之间，形式较多。其具有分散式结构的全部优点，因为中低压变电站的一次设备比较集中，所以此种结构方式比较适用于中低压变电站。

现在分散式(分布式)变电站综合自动化系统是以后发展的趋势。

3 传统变电站监控保护系统结构

图2为传统变电站监控保护系统组成环节及其设备状态的信息示意图［4，5］。这里仅以变电站一部分主接线方案来表示一次设备与其信息处理系统之间的连接关系。一次系统及主设备的信息通过传感器变换后，一部分变换成由人的感官能接收的信息形式(如发光、音响和仪表指示)。操作员对信息进行分析、判断和做出处理决定后，手动进行控制和操作，从而构成一个闭合信息系统。信息流中的信息多数是模拟量的连续电信号，值班人员必须在控制室和现场经常监视、掌握信息变化情况。另一部分信息传至继电保护和自动装置，并经它们处理后，作用于对一次设备进行自动控制(如跳、合闸)或调节，构成图1中虚线所示的闭合信息系统和信息流。这部分信息也必须靠值班人员管理。两部分信息流系统及其正常工作都是以人为核心的传统监控系统工作模式。

图2 传统变电站监控保护系统设备结构示意图

变电站的传统监控系统中，信息由控制电缆传输，信息汇总的处理者是值班人员［6］。值班人员通过感官接收到变电站的各种信息后，按运行规程和信息的特征，凭日常的技术积累，由大脑做出处理决定，发出各种控制、调节指令，控制一次系统的开关与设备。

4 变电站综合自动化微机保护功能实现

4.1 变电站综合自动化微机保护的功能和特点

反映数字量的微机型保护的出现，在功能上除了满足继电保护选择性、快速性、可靠性、灵敏性基本要求外，还具有以下功能和特点［7，8］:

4.1.1 通信功能

通信接口是微机保护用于变电站综合自动化的必要条件，具备有RS－232，RS－422/485等标准接口。RS－232接口可以方便地转化为光信号，方便与远动装置的光纤连接，结合分布式的RTU实现保护远动的就地安装，将大大节省电缆投资。RS－422/485的抗干扰能力强，且传输距离较长，同时可以挂网，使微机保护即可分散安装也可集中组屏。一般微机保护通信规约具有基本命令和报文功能，在正常的通信行为中应处于被动的状态，接收来自远方的各下行询问命令，在发生异常及保护动作后，主动上报相关报文。

4.1.2 保护功能的远方投切［9］

随着变电站综合自动化及无人值班变电站技术的发展，在远方完成保护功能的投切显得愈为迫切。微机保护装置中各功能由软件控制是否投入运行，以满足远方投切的要求，其功能如同常规保护所设立的连接片。这种软件控制开关称为软连接片。软连接片引入微机保护之后，此时的保护程序标准化变得易于实现，程序编制应按最大考虑，对各功能模块加设软件连接片，用户可根据使用环境调整软连接片。

4.1.3 远方整定功能

这是变电站综合自动化系统中微机保护的重要特征，也是无人值班技术的基础。为保证定值远方传输的正确性，必须进行定值返校及修改确认。在进行远方整定的操作过程中，保护装置在未收到修改确认命令前应按原定值不间断运行，当收到确认命令号，将新定值写入定值区后按新定值运行。在远方整定过程中保护始终不退出，因而提高了供电连续性及可靠性。

4.1.4 自动校时功能

信号传输采用数字通信方式，事件报文含发生时刻，计算机时钟的准确是事件排序正确的基础。微机保护若用于多个变电站综合自动化系统，其校时方法至少应具备两种，即通信广播校时及分、秒中断校时。变电站综合自动化主站在接到上级等时钟信号后，对站内所有计算机进行时钟分校时或秒校时，保证全站所有智能设备时钟一致，最好精确到毫秒。

4.1.5 独立性

微机保护的发展，其硬件越来越完善，由单一CPU完成多种保护、单一CPU完成多个开关的保护，发展到现在单个开关保护由独立CPU完成，微机保护的独立性具体表现在以下几个方面:保护运行与通信无关;保护与测量无关，不应将测量及远动与保护混为一体;保护电源独立，不与其他保护共用;保护CPU独立。这是微机保护安全性、可靠性的基础。

4.1.6 附加功能

微机保护作为变电站综合自动化中重要一环，应在维护与调试的便捷方面下功夫。除去正常的自检功能外，还增设下列有关功能:

(1)采样通道校验功能。在校验或检修状态下，保护自动显示指定通道输入量大小，并可方便调节校准。

(2)出口中间继电器校验功能。由软件在校验状态下实时驱动出口回路，校验装置出口回路是否完好。

(3)相关状态输入量校验功能(如复归输入、开关设置等)。校验与状态量有关保护功能的输入正确性。

(4)具备较完整功能的试验单元。通过简单的电缆连接，可以模拟保护装置所需故障量及开关状态。

4.2 变电站综合自动化微机保护系统硬件结构

通常一套微机保护装置的硬件构成可分为五部分，即数据采集系统、CPU主系统、开关量输入/输出系统、人机接口与通信系统、电源系统。图3给出了典型微机保护装置的硬件构成［10］。主要说明如下:

图3 变电站综合自动化微机保护系统硬件结构图

4.2.1 数据采集系统

数据采集系统(模拟量输入系统)的主要功能就是将由TV、TA输入至保护装置的电压、电流等模拟量准确转换成所需的数字量。该部分主要包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路开关及模数转换。

4.2.2 CPU 主系统

CPU主系统是微机保护装置的核心，它包括中央处理单元(CPU)、只读存储器(一般用EPROM)、随机存储器(RAM)以及定时器等。保护装置工作时，CPU执行放在EPROM中的程序，将数据采集系统得到信息输入至RAM区并进行分析处理，以完成各种继电保护功能。

4.2.3 开关量输入/输出系统

开关量输入/输出系统是微机保护与外部设备的联系电路，它由若干个并行扩展芯片、光电耦合器及中间继电器等组成。该系统完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输入等功能。

4.2.4 人机接口与通信系统

人机接口与通信系统是由液晶显示器、键盘、打印机及通信芯片等组成，完成装置调试、系统状态显示、定值整定及实现与其他设备通信等功能。每个保护装置都带有标准的通信接口电路，如RS－232，RS－422/485，CAN或LONWORK等现场通信网络接口电路。

4.2.5 电源系统

电源系统提供整个装置所需要的直流稳压电源，一般采用逆变电源将输入的直流电源逆变成高频交流电源再整流成为不同电压等级的直流电源，以保证整个装置的可靠供电。通过逆变后的供电电源具有极强的抗干扰能力，对变电站中因断路器跳、合闸等原因引起的强干扰可完全消除掉。

5 变电站综合自动化微机保护软件结构

微机保护与传统继电保护的最大区别，就在于不仅有实现继电保护功能的硬件电路，而且还有实现保护和管理功能的软件。

图4给出了变电站综合自动化常用微机保护装置主程序流程图。图中初始化包括初始化(一)、初始化(二)及数据采集系统初始化三个部分:

图4 变电站综合自动化常用微机保护装置主程序流程图

初始化(一)主要是对微处理器CPU及其扩展芯片的初始化及保护输出的开关量出口初始化，赋以正常初值，以保证出口继电器均不动作。

初始化(二)包括采样定时器的初始化、对RAM区中所有运行时要使用的软件计数器及各种标志位清零等程序。

数据采集系统的初始化主要指采样值存放地址指针初始化，如果是VFC式采样方式，则还需对可编程计数器初始化。

6 总结与展望

本文在比较分析传统变电站监控保护系统与变电站综合自动化微机保护系统的区别基础上，着重分析了变电站综合自动化微机保护系统的软硬件结构与特点。通过综合分析，未来变电站综合自动化微机继电保护系统的发展趋势是:保护监控一体化;设备安装就地化、户外化;人机操作界面接口统一化、运行操作无线化;防误闭锁逻辑验证图形化、规范化、离线模拟化;就地通讯网络协议标准化;全站数据标准化;数据采集和一次设备一体化。

［1］丁书文.变电站综合自动化技术［M］.北京:中国电力出版社出版，2005.

［2］孟祥忠，王玉彬，张秀娟.变电站微机监控与保护技术［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［3］杨奇逊，孟建平.变电站自动化系统体系结构［J］.电网技术，1996，6(20):6.

［4］丁毓山，南俊星.微机保护与综合自动化系统［M］.北京:中国水利水电出版社，2002.

［5］杨奇逊，黄少锋.微型机继电保护基础［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［6］张泉.变电站综合自动化系统的设计和研究［D］.天津大学，2005.

［7］孙淑信.变电站微机监测与控制［M］.北京:水利电力出版社，2001.

［8］林启伟.自动化变电站微机保护若干问题的探讨［J］.继电器，2002，11(30):11.

［9］朱寿岷.变电站综合自动化微机监控系统的设计与实现［D］.兰州理工大学，2006.

［10］于群，曹娜.电力系统微机继电保护［M］.北京:机械工业出版社，2008.