基于Linux操作系统的变电站集中式保护方案

姚夫庆， 张新慧， 王敬华， 董逸超

(1. 山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255091； 2. 山东科汇电力自动化有限公司， 山东 淄博 255087； 3. 天津大学 求是学部， 天津 300072)

目前大多数中低压变电站的保护配置采用独立保护方式[1]，即采用一套保护装置实现一台设备或一条线路的保护功能.这种按保护功能划分的变电站继电保护系统不仅结构繁杂，硬件配置重复，母差保护、备自投等功能实现难度大，而且变电站的保护与控制装置一般只有单点信息[2]，不能利用全站信息实现站内保护和控制功能.

国内外很多学者在信息共享的基础上提出了集中式保护理论[3-5].文献[6]提出了输电线路集中式保护的概念，希望利用相邻间隔的元件信息更准确地反映故障状态.文献[7]在分区域分布集中式系统基础上，构建了一种自适应多Agent系统的广域保护体系.本文提出一种基于嵌入式Linux操作系统的集中式保护方案，设计了其硬件构成和软件实现方法，并通过PSCAD仿真及实验验证方案的正确性.

1 集中式保护的原理

集中式保护系统是在一套装置中集成多种传统保护的功能.由于它集成了全站所有设备的信息，如断路器状态、装置的启动信息及故障方向等，因此保护系统可以综合处理这些信息，实现全站的继电保护和安全控制功能.

集中式保护能够提高保护的可靠性及性能，增强保护装置的抗干扰能力；可以减少硬件配置，节省占地面积，提高经济性；能够实现装置的集中化管理，不必到现场操作，可大大减少工作量.同时集中式保护还可根据变电站实时运行情况，在线修改保护逻辑，根据故障的恢复情况，实时修改保护方案.

2 集中式保护方案

集中式保护系统需要根据变电站的特点、实际运行状况以及保护系统所要实现的功能，合理地选择信息传输方式和硬件系统.集中式保护方案的设计包括硬件部分设计和软件方案设计.

2.1 硬件设计

集中式保护系统的硬件部分由测控装置、通信网络和集中式保护装置组成.

(1)测控装置

测控装置将传统保护的数据采集、操作回路、通信和同步等装置合并，组成就地分散测控装置.将现场采集的电压、电流等信号，通过光纤以太网上传到变电站的集中式保护装置中进行计算处理，同时执行其下发的控制命令完成断路器的开关操作.

(2)通信网络

集中式保护系统需要采集大量的实时数据，尤其是暂态信息，其信息量大且对实时性要求高，因此选用100M光纤以太网作为通信介质，站内网络采用星型结构，为增强通信的可靠性，配置双冗余网络.

(3)集中式保护装置

集中式保护装置是集中式保护系统的核心，其功能是处理来自测控装置的信息，并下发控制命令至测控装置，执行相应的操作.采用两套集中式装置构成双冗余方案，正常状态下，两套装置分为主机和辅机同时工作；当主机检修或者故障时，辅机代替主机工作，从而不影响保护的正常运行.

集中式保护系统的保护功能由软件实现，采用模块化设计，可根据不同用户需求进行灵活配置；测控功能包括遥测、遥信、遥控等功能.保护主板的CPU应选用高性能处理器，以便满足同时处理多种保护功能的要求.主板还应配置足够容量的ROM和RAM，保证能够存储大量的数据.除了主要的保护功能外，集中式保护装置还应具备同步对时、通信、自检等功能.其硬件结构如图1所示.

图1 集中式保护硬件结构图

2.2 软件方案

(1)嵌入式操作系统的选择

目前常用的嵌入式操作系统有Linux、Psos、Vxworks、Windows CE[8]等.集中式保护装置需要一个开源的多任务系统，并应具有可移植性和可靠的性能，能够调试出最适合保护系统的硬件平台.Linux是一个开放的系统，始终遵循源码开放的原则，内核小、效率高、稳定性强，支持完备的网络功能[9]，其高度的模块化使得部件的添加变得非常容易，因此选择Linux作为装置的嵌入式操作系统.开发者只需对各保护模块的软件部分进行编程，然后嵌入到Linux操作系统中即可实现相应的功能.

(2)软件方案设计

集中式保护系统软件主要由支撑软件和应用软件两部分组成，其主要功能是采集、处理当地设备运行数据，与相关智能终端、主站交换数据，运行各应用软件，实现保护与控制功能的集成.保护系统以uCLinux2.6为底层操作系统，应用程序接口(API)是操作系统的程序接口，可以通过该接口标准调用源代码，在此基础上添加保护模块和其他应用，集中式保护系统的软件设计框架如图2所示.

图2 集中式保护软件框架图

2.3 保护配置方式

集中式微机保护程序主要由变压器保护模块、线路保护模块、电容器保护模块三部分组成.变压器保护模块主要配置差动电流速断保护、三段式比率制动差动保护等；线路保护模块主要配置距离保护、电流增量保护、三段式过流保护、过负荷保护等；电容器保护模块主要配置定时限过流保护、过压保护和欠压保护.

3 仿真验证

利用PSCAD[10]建立某35kV变电站的仿真模型，在各种故障情况下，针对具有配合关系的电流保护，对传统独立式保护和集中式保护装置的动作情况进行了仿真.

3.1 仿真模型

建立某35kV变电站仿真系统模型如图3所示.变电站有35kV、10kV两个电压等级，线路保护采用三段式过流保护，过流保护Ⅲ段延时设定为0.3s.

图3 35kV变电站仿真模型图

3.2 故障类型

故障类型设置A相单相接地故障、BC两相短路故障、AB两相接地短路故障和ABC三相短路故障.

故障点位置如图3所示，即馈线k1点处和10kV母线k2点处和高压侧k3处.篇幅所限，本文只列出AB两相接地短路时仿真结果及分析.其他类型故障的仿真结果及分析同AB两相接地短路故障类似，不再一一列出.

3.3 独立式保护仿真

(1)如图4所示，馈线出口k1处故障时，三段式过流保护启动，断路器B1动作，动作时限为0.119s.保护延时0.019s动作是对保护的响应时间.

图4 k1点故障时独立式保护动作时限图

(2)如图5所示，10kV母线k2点处故障时，三段式过流保护启动，断路器B2动作，动作时限为0.419s.

图5 k2点故障时独立式保护动作时限图

(3)如图6所示，变压器高压侧k3处故障时，三段式过流保护启动，断路器B3动作，动作时限为0.719s.

图6 k3点故障时独立式保护动作时限图

3.4 集中式保护仿真

(1)馈线出口k1点处发生AB两相接地短路故障时，其仿真结果与图4所示的独立式保护仿真结果相同.

(2)10kV母线k2点处发生AB两相接地短路故障时，三段式过流保护启动，发送跳闸命令，跳开断路器B2，动作时限为0.125s，如图7所示.

图7 k2点故障时集中式保护动作时限图

(3)变压器高压侧K3处故障时，三段式过流保护启动，断路器B3动作，动作时限为0.138s，如图8所示.

图8 k3点故障时集中式保护动作时限图

3.5 仿真结果对比

当系统发生AB两相接地短路故障时，独立式保护与集中式保护的过流保护动作时限见表1.

由表1可知，当故障发生在母线k2点和高压侧k3点时，独立保护需要遵循上下级的配合关系，经过延时才能切除故障，而集中式保护能获取各断路器的状态信息，快速判断故障线路并切除故障.

表1 三段式过流保护动作时限比较

本文除针对线路三段式过流保护进行了集中式保护方案与独立式保护方案的对比外，还针对变压器保护、电容器保护动作情况等进行了两种方案的仿真对比，结果均验证了集中式保护方案优于传统独立式保护.

4 实验验证

4.1 装置基本功能验证

利用标准继电保护测试仪的触发模式施加故障电流，采用自动递增的方式，分别测试故障电流达到整定值时集中式保护系统能否跳闸和设置延时跳闸后，断路器能否正确动作.实验结果如下：

(1)过流保护断路器动作测试.当故障电流大于整定值时，过流保护应动作跳闸.实验结果见表2.

表2 过流保护整定值精度测试

(2)过流保护断路器动作时限测试.当故障电流持续时间大于延时整定值时，过流保护动作跳闸，其动作时限实验结果见表3.

表3 过流保护动作时限定值测试

4.2 故障时保护出口时间验证

利用智能配电网实验室，分别搭建集中式保护和独立式保护平台，并模拟在馈线处、低压侧母线处和高压侧发生AB两相接地短路故障，测试两种保护方案的断路器动作情况，验证集中式保护方案的可行性与合理性.

(1)馈线处故障时，实验结果见表4.

表4 馈线处故障时保护出口动作时间

(2)低压侧母线处故障时，实验结果见表5.

表5 母线处发生故障时保护出口动作时间

(3)高压侧发生故障时，实验结果见表6.

表6 高压侧处发生故障时保护出口时间

通过对比上述三种故障的实验结果可得，独立式保护在上述三种故障状态下，遵循电流保护上下级配合关系，保护出口动作时间较长.集中式保护系统在上述三种故障状态下均能快速、准确地动作.将仿真结果与实验结果进行综合对比，得出的结论一致，充分验证了集中式保护的合理性与可行性.

5 结束语

传统独立式继电保护装置结构复杂、硬件重复配置、信息不能共享，对电网的适应性差，不能满足智能电网对继电保护的要求.本文提出的以Linux操作系统作为集中式保护嵌入系统的新方法，可提高保护装置对电网运行方式变化的适应能力，对传统变电站的升级改造及安全运行具有重要的指导意义，同时也可为智能化变电站的设计提供参考依据.

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