變電站自動(dòng)化保護的優(yōu)化設計思路

1　 引言

變電站自動(dòng)化技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，各地有不少變電站自動(dòng)化系統投入運行。作為變電站自動(dòng)化系統重要環(huán)節的微機保護也取得了迅猛發(fā)展。使微機保護裝置在動(dòng)作速度、動(dòng)作正確率及運行可靠性和易用性等方面取得了令人矚目的成績(jì)，傳統的模擬式保護已與之不可同日而語(yǔ)，但在充分發(fā)揮微機的特點(diǎn)和優(yōu)勢等方面仍有較大發(fā)展潛力，在實(shí)現繼電保護功能的同時(shí)兼具其他功能（如控制、測量、通信等功能）來(lái)構成微機綜合保護裝置方面、在與變電站自動(dòng)化系統中其他二次設備之間進(jìn)行配置和管理方面，仍有較大進(jìn)行優(yōu)化設計的空間。本文根據國內外變電所站自動(dòng)化中微機綜合保護的現狀，用優(yōu)化設計思路論述其系統構成和功能配置，提出其優(yōu)化設計若干設想。

2　 變電站自動(dòng)化系統對微機保護的功能要求

2．1 保護功能應相對獨立

保證繼電保護安全、穩定運行是設計變電站自動(dòng)化系統的基本要求。由于繼電保護的特殊性，自動(dòng)化系統絕不能降低繼電保護的可靠性。由于要求微機保護裝置快速決策、快速反應，需要更高的可靠性和靈敏性，因而它在功能和作用上仍需保持相對的獨立性。在系統運行中，繼電保護單元的可靠性應僅與其保護裝置本身有關(guān)，與同保護單元相關(guān)的其他裝置（如通信口、網(wǎng)絡(luò )、監控單元等）無(wú)關(guān)。這就要求在自動(dòng)化的功能設置中，保護單元相對獨立，即使與保護裝置相連的網(wǎng)絡(luò )出現故障，也應不影響繼電保護本身的可靠性。

2．2 信息共享

在保證安全運行的前提下，在變電站自動(dòng)化系統設計中應盡量做到信息資源共享。在測量回路方面，保護、錄波、儀表、計量、遠動(dòng)等，可按CT二次特性的不同要求分類(lèi)優(yōu)化組合，減少測量環(huán)節，減輕二次回路負載，提高測量精度。
從整個(gè)電力系統自動(dòng)化領(lǐng)域來(lái)看，計算機的通信技術(shù)帶動(dòng)了各種模擬裝置或系統向數字式方向發(fā)展，而數字信號處理的應用則進(jìn)一步促成了這些裝置的信息化，而信息化的主要特點(diǎn)是信息的有效利用和共享，這樣可極大提高裝置或系統的性能價(jià)格比，對于繼電保護，將通過(guò)信息共享，實(shí)現多種保護功能的集成，同時(shí)也有利于變電站的綜合自動(dòng)化優(yōu)化設計的實(shí)現。

3 采用面向對象的分布式設計思想

隨著(zhù)電力系統的發(fā)展，無(wú)論是電力系統的分析和應用軟件，還是管理、監視和控制等系統的規模越來(lái)越大，如果仍采用傳統的面向功能的設計方法，就會(huì )使這些系統的開(kāi)發(fā)、修改和擴充越來(lái)越困難，不必要的重復設置越來(lái)越多，生產(chǎn)效率很難提高，而面向對象的設計方法是解決這些問(wèn)題的最好選擇。
早期的變電站由于計算機硬件水平的限制，保護功能與遠動(dòng)功能等分別單獨集中實(shí)現，基本上按信息類(lèi)型（即按專(zhuān)業(yè)）劃分功能單元。隨著(zhù)過(guò)程控制體系結構的發(fā)展以及計算機通信技術(shù)的進(jìn)步，在變電站內采用面向對象的分布式結構組成現場(chǎng)保護控制系統，越來(lái)越顯示出其強大的生命力。
所謂面向對象的分布式結構，是將現場(chǎng)級單元按一次設備和二次保護設備對應配置原則，一個(gè)一次設備間隔對應一個(gè)二次保護監控單元，保護就地下放，減少了CT負擔，大大節省二次電纜、二次回路負載將進(jìn)一步減輕，控制室面積進(jìn)一步縮小，使系統組態(tài)和操作更為方便，提高了系統排除故障及調整操作的速度。同時(shí)各保護單元通過(guò)總線(xiàn)連至站控級設備，利用保護工程師站承上啟下，使現場(chǎng)維護過(guò)程概念清晰、責任明確。變電站對下除了完成常規自動(dòng)化的保護管理功能外，還可以通過(guò)現場(chǎng)高速總線(xiàn)實(shí)現保護單元的自適應調整；對上設立開(kāi)放式站級網(wǎng)絡(luò )接口，可方便地與管理級建立聯(lián)系，充分保證了體系的可互動(dòng)性和可擴充性。這樣，繼電保護重要的快速決策功能在現場(chǎng)級即可實(shí)現，而涉及多點(diǎn)的綜合保護及與系統結構相關(guān)的自適應功能則由工程師站及現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)調完成。

4 繼電保護的模塊化設計

標準化和模塊化是保證變電站自動(dòng)化系統獨立性與擴展性相統一的基本要求。但是，國內在這方面由于缺乏統一的設計方案和產(chǎn)品標準，這種百花齊放的局面也在一定程度上給電力研究與生產(chǎn)行業(yè)告成了重復勞動(dòng)，不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品很多都是自成一體，相互之間缺乏很好的兼容性與可擴充性，給用戶(hù)帶來(lái)很大麻煩。因此，應確立保護軟、硬件設計的模塊化、標準化來(lái)保證該系統自身的獨立性和與其他系統的兼容性。

4．1 模塊確定的原則

4．1．1 分解模塊以功能為核心

模塊是以通用部件（模塊）組合的一種產(chǎn)品構成模式。模塊是具有確定功能的獨立單元，功能是構成模塊的依據，也是系統分解的基礎。模塊分解應呈現層次性。如：（1）基本模塊（如電源插件等）。以插件為單元的功能部件，是具有特定功能的獨立單元。（2）插箱級模塊。由插件模塊組成具有獨立綜合功能的插箱組成。（3））產(chǎn)品級模塊?？捎刹逑浼壞K組成，具有多種保護控制、測量功能的柜屏。

4．1．2 模塊應典型化

把各種保護裝置間許多相似功能的要求，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化、統一，歸并成為一種或幾種典型的功能單元，然后把這些典型的功能單元從產(chǎn)品中分離出來(lái)，使之成為在功能、參數和接口方面能通用于多種產(chǎn)品系統的具有特定功能的獨立單元。這種典型化的意義在于消除模塊在功能上的不必要的重復和多樣性。

4．2 硬件的模塊化

硬件的模塊化從基本模塊做起，在將系統分解為模塊時(shí)，模塊的內聚度應最大，而把分解點(diǎn)選在接口最少、最弱的部位，這樣可簡(jiǎn)化接口結構，使系統易于分解，又易于組合基本模塊設計為插件式，不同保護間可通用硬件，這樣，縮短了開(kāi)發(fā)周期，保證了生產(chǎn)、調試、維護的方便。主要插件有：電源插件、交流插件、CPU插件、開(kāi)入開(kāi)出插件等。硬件的不同基本模塊組合可構成插箱級模塊，不同插箱級模塊組合可構成產(chǎn)品級模塊。

4．3 軟件的模塊化

同硬件一樣，各處理模塊的軟件也采用模塊化結構，在整體上軟件模塊與硬件模塊配套設置，要充分發(fā)揮軟件開(kāi)發(fā)和復制率高、靈活、一致性好和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)軟件派生新的產(chǎn)品，即硬件相同通過(guò)軟件派生出新的品種或滿(mǎn)足用戶(hù)的特殊要求。同時(shí)，軟件的模塊化也有利于縮短軟件的開(kāi)發(fā)周期。對于保護共用的主程序、中斷采樣程序、人機接口程序、啟動(dòng)中斷程序通信程序以及GPS同步里程序等模塊，可使保護裝置靈活復制利用。
需要指出的是：實(shí)際應用中的模塊化產(chǎn)品系統是動(dòng)態(tài)的，模塊化不僅有一個(gè)形成、完善和成熟的過(guò)程，而且隨著(zhù)技術(shù)的不斷更新，人們的認識在不斷深化，產(chǎn)品的可靠性要求在不斷提高。因此，模塊系統對實(shí)施推陳出新，及時(shí)改型與更新而言，不僅是不可避免的，而且是必要的，但就改型與更新而言，無(wú)論在電路還是在機械結構上都有繼承性，有其獨特的優(yōu)越性。這也是模塊化設計的優(yōu)勢所在。

5 通信技術(shù)

5．1 變電站微機綜合保護信息流分析

變電站與微機綜合保護有關(guān)的數據有三個(gè)流向：第一個(gè)流向是保護設備到變電站上位監控機，主要傳遞反映一次系統運行狀態(tài)的信息：第二個(gè)流向是從上位監控機到保護設備，通常為上位監控機下達對保護設備的修改整定參數命令及一些其它控制信息；第三個(gè)流向是保護設備之間的橫向數據交換，此類(lèi)數據視系統設計及功能劃分而定，例如：若要求保護設備間同步采樣，則橫向的數據交換量較大。在目前階段，考慮到保護單元的獨立性，減少系統對通信的依賴(lài)性，對保護設備間的通信主要考慮分散的保護設備與單元監控設備之間的通信問(wèn)題。由于這兩個(gè)設備之間通常處于非?？拷奈恢?，可采用常規的串行通信技術(shù)來(lái)解決。

5．2 通信系統配置原則

變電站通信系統的結構配置，應按照分布式系統的設計原則，盡量將計算處理能力安排到信息源點(diǎn)，就近進(jìn)行采集與處理，就近控制，只有參與協(xié)調控制的必要的信息才進(jìn)行相互間的傳遞，以提高系統運行效率，減少系統對通信的依賴(lài)性，提高整體系統的可靠性。

5．3 通信方式選擇

變電站內局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構主要采用星形和總線(xiàn)型連接方式。
星形通信方式以上位監控機為中心點(diǎn)，以發(fā)散的方式分別通過(guò)通信線(xiàn)纜與分散于每一個(gè)開(kāi)關(guān)柜上的控制I/O設備和保護設備連接。其介質(zhì)一般選用光纖，因此具有光通信的自然隔離、高抗干擾性、高安全性的特點(diǎn)，適合在變電站這種惡劣環(huán)境下使用，且各I/O單元及保護單元都與站級計算機獨立通信，獨占通信線(xiàn)路，可維護性好。因此，目前有不少變電站自動(dòng)化系統選用星型通信系統方案。但是，星型連接所需鋪設的電纜總長(cháng)度要比其它結構的多，尤其是站級計算機接線(xiàn)較多時(shí)，施工復雜；各I/O單元及保護設備之間的橫向通信必須通過(guò)站級計算機進(jìn)行，復雜且效率不高；當采用光纖通信技術(shù)時(shí)，因為光纖本身難以實(shí)現T形連接，不能實(shí)現 總線(xiàn)結構，除非采用光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)。因此，必須用到有源的光電轉換設備，勢必造成通信系統的可靠性受制于各連接點(diǎn)的可靠性。所以，建議在選用星型通信系統方案時(shí)需慎重考慮。
隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，針對變電站自動(dòng)化技術(shù)的應用環(huán)境，關(guān)于現場(chǎng)級通信有一點(diǎn)已為越來(lái)越多的人達成共識，即采用總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )構成多冗余系統，網(wǎng)上每個(gè)節點(diǎn)都可以與其它節點(diǎn)通信；所需電纜總長(cháng)度較短，可靠性較高，不象星開(kāi)連接方式有一個(gè)中央控制節點(diǎn)（站級計算機）形成的可靠性瓶頸。這里推薦國際上新一代的現場(chǎng)測控網(wǎng)絡(luò )CAN?；贑AN網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)方案易于實(shí)現雙網(wǎng)備用，可以與I/O單元、保護單元集成實(shí)現高速數據交換，可以確保緊急信息的實(shí)時(shí)性，并且抗干擾能力強、成本低、施工簡(jiǎn)便。
需要指出的是，目前變電站中不同廠(chǎng)家的設備之間的通信，在國內還未制定統一的接口標準，通信規約種類(lèi)繁多，不僅費了大量的軟硬件開(kāi)發(fā)人力，也給用戶(hù)的設備選型、運行、維護等帶來(lái)諸多不便。規約選擇的好壞，不僅影響通信系統的可靠性和效率，而且還會(huì )影響通信系統的可靠性和效率，而且還會(huì )影響系統功能的正常發(fā)揮。所以應抓緊抓好變電站自動(dòng)化系統中通信系統規約的標準化工作，加快實(shí)施等效采用IEC870-5系列國際標準的國家標準的制定與宣傳貫徹工作，避免重復勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，以充分發(fā)揮自動(dòng)化的技術(shù)優(yōu)勢。

6 擴充微機綜合保護功能

微機保護是今后保護的發(fā)展方向?，F有的國產(chǎn)微機保護裝置，已很好地完成了保護從模擬式向數字式的轉化，但在充分發(fā)揮微機優(yōu)勢、增強保護功能方面，仍有很大的發(fā)展潛力。

6．1 擴展定值存儲能力

在電力系統中，電網(wǎng)的運行方式是經(jīng)常發(fā)生改變，為了滿(mǎn)足不同運行方式下繼電保護裝置動(dòng)作的可靠性、靈活性、速動(dòng)性的選擇性，就要求保護在不同的運行方式下執行不同的整定值，如果采取在運行方式改變時(shí)，現場(chǎng)臨時(shí)輸入新定值的方法，將帶來(lái)諸多不便，主要體現在（1）復雜的定值需要繼電保護維護人員前往變電站現場(chǎng)進(jìn)行更改，增加了維護量；（2）系統更改定值的時(shí)間長(cháng)，不利于系統運行安全，特別是事故處理期間方式的改變需要定值更改時(shí)；（3）簡(jiǎn)單定值由操作人員更改，容易出錯。
所以，對于微機保護裝置，應能預選制定出多種最常用、最重要的運行方式，以此制定出相應的電網(wǎng)保護定值整定方案，并就這些方案對應的值存儲在保護的多個(gè)定值區內，當運行方式改變時(shí)，由操作人員通過(guò)調整現場(chǎng)保護裝置的定值區區號，來(lái)實(shí)現繼電保護的定值改變。這樣既快又準，又解決了現場(chǎng)重新輸入定值的不便。提高了各種運行方式下保護的配合能力，減少了改變定值的出錯率。

6．2 記錄保護裝置自身工作信息

傳統的模擬式繼電保護在完成某種邏輯判斷后，僅能以信號燈的形式記錄輸出結果或曾發(fā)生的事件，信息含量較小。當前微機保護裝置雖然能輸出保護動(dòng)作和自檢信息，但在提供工作信息方面與傳統的模擬式保護大體相似。對于微機保護來(lái)說(shuō)，它有強大的運算、邏輯判斷和存儲能力，使詳細記錄保護裝置自身工作信息成為可能。
記錄保護裝置自身工作信息，主要有以下作用：（1）通過(guò)記錄自身工作信息，結合故障錄波，可以做到科學(xué)、公正、實(shí)事求是地確定保護的動(dòng)作行為，而不僅僅是推斷；（2）不僅對保護裝置的運行維護有著(zhù)重要的現實(shí)意義，而且對產(chǎn)品的研制、開(kāi)發(fā)及改進(jìn)和提高產(chǎn)品性能具有指導意義；（3）即使保護裝置正確動(dòng)作，自身工作信息也有參考價(jià)值，如可以分析保護的動(dòng)作速度和動(dòng)作過(guò)程是否符合產(chǎn)品的性能要求，其保護動(dòng)作行為與故障發(fā)展過(guò)程是否吻合等。
保護裝置需記錄的自身工作詳細的內容有：（1）產(chǎn)生某一自檢或是動(dòng)作結果時(shí)的實(shí)際程序走向（可按需要通過(guò)打印機或串口輸出）；（2）保護動(dòng)作時(shí)執行的定值區號，各保護功能動(dòng)作點(diǎn)的數據；（3）各主要元件或功能的動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作時(shí)的開(kāi)入、開(kāi)出時(shí)序圖；（4）多個(gè)啟動(dòng)量中，指明是因滿(mǎn)足哪些條件而啟動(dòng)等。這些信息應在掉電后不丟失，并能通過(guò)內置Modem送至調度端。

6．3 外部輸入信息記錄

微機保護能根據不同的外部信息，正確地做出相應的邏輯判斷。由于這些外部信息對微機保護工作時(shí)的程序流程，甚至動(dòng)作行為有至關(guān)重要的影響，因此為準確分析保護的動(dòng)作行為，特別是復雜工況下可能出現的不正確動(dòng)作，有必要詳細記錄，并能按需輸出帶有標準GPS時(shí)標、精確到毫秒的外部開(kāi)入量時(shí)序圖。從中應能看出各個(gè)外部信息何時(shí)輸入、持續多長(cháng)時(shí)間、中間是否有間斷等。

6．4 利用GPS統一同步時(shí)鐘

全球衛星定位系統（GPS）具有十分廣泛的用途，人們正在探索利用它卓越的時(shí)間同步性能來(lái)開(kāi)發(fā)電力系統監測、保護和控制的各種新方法。
從GPS可以獲得兩種時(shí)間信號：一是秒脈沖信號，二是與每個(gè)秒脈沖前沿對應的日期和時(shí)間代碼，即秒脈沖信號的時(shí)間標記。為滿(mǎn)足事故分析的需要，應采用GPS獲取同步時(shí)鐘，通過(guò)內置GPS對時(shí)接口電路，為保護裝置的工作提供標準時(shí)間，如用GPS的對時(shí)脈沖控制保護的采樣脈沖，從而可保證全網(wǎng)同型號裝置的采樣數據在時(shí)間上的一致性。

7 結束語(yǔ)

變電站自動(dòng)化研究的現狀與發(fā)展，要求構成自動(dòng)化的微機綜合保護即能可靠獨立運行，又能擴展為更大的系統、更強的功能，因此必須加強微機保護的標準化設計。
由于科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，新產(chǎn)品的研制、開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短。所以，在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)構成中應綜合考慮產(chǎn)品的可靠性、先進(jìn)性及經(jīng)濟性，采用新思想、新原理、新技術(shù)開(kāi)發(fā)出可靠性高、功能強大的新型微機保護?？梢灶A測，隨著(zhù)我國電力工業(yè)的發(fā)展及電子技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化信息工程等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，人機界面更好，運行更加安全可靠的新一代微機保護裝置將獲得迅猛發(fā)展。

參考文獻

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