CN101478146B - 数字化变电站保护控制方法及其多功能保护控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字化变电站保护控制方法及其多功能保护控制器，属于电力系统继电保护技术领域，该方法包括将数字化变电站的合并单元和智能开关分组，对接收到的每组报文数据均进行报文解析和计算，得到每组的量测值；用量测值检验每组启动判据是否满足，判断电气设备是否发生故障，或处于不正常工作状态；利用本组与其他组的量测值和计算结果共同组成广域信息；实现数字化变电站中馈线、变压器、母线和电容器组的保护与控制功能。该控制器主要由一个监控模块和多个功能模块构成，本发明实现了数字化变电站保护与控制的全面集成。可降低投资成本，减少运行维护的工作量，并提高保护与控制的性能，提高变电站运行的安全性和可靠性。

Description

数字化变电站保护控制方法及其多功能保护控制器

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别适用于基于IEC61850标准的数字化变电站。

背景技术

目前的变电站二次设备主要采用分层分布式结构，面向间隔，功能独立。监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等都是功能单一、相互独立的装置。这种按功能和间隔划分的模式可靠性较高，任一装置故障不会影响其他功能和对象，系统的可扩展性和开放性好。但硬件重复配置、TA和TV负载重、接线复杂、信息不共享、缺乏整体的协调和功能优化、投资成本大、运行维护成本高。这些装置一般基于单点信息，不具有全局视角，是一种硬件冗余而非信息冗余的系统模式，往往因有效信息不足做出错误的或局部最优而非全局最优的判断，影响系统的稳定运行，制约了变电站自动化技术的发展。

若通过合理的硬件集成、功能集成和信息集成简化硬件设置，可降低投资成本、减少运行维护的难度和工作量、并能利用冗余的广域信息优化协调功能，保证全系统的安全稳定运行。但限于CPU处理能力、通信速度和可靠性的限制，迄今为止尚无集成整个变电站保护与控制的多功能装置出现。

近年来，微电子技术和基于网络通信的数字化变电站技术得到了迅速的发展。微处理器CPU的计算速度和可靠性大大提高，使得在一个装置内集成多个元件的多种功能成为可能，而变电站进行网络化和数字化改造后，更便于数据和信息的集中采集与共享。

数字化变电站的主要特点是一次设备智能化和二次设备网络化。以光电互感器、电子式互感器等非传统互感器代替传统电磁式互感器，利用合并单元MU同步采集非传统互感器输出的数字信号并按IEC61850标准规定的格式发送给保护测控设备，利用智能开关技术将断路器控制功能就地化，从而实现了一次设备的智能化。以交换式以太网交换机和光缆组成的过程总线取代了以往的二次电缆和回路，实现了二次设备的网络化。但目前的数字化变电站保护控制装置仍面向间隔、独立设置，没有充分利用网络化带来的信息共享，仍存在着投资成本高、运行维护工作量大、保护控制性能差的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足，提出一种数字化变电站保护控制方法及其多功能保护控制器，将数字化变电站中的全部或部分设备的保护、控制、量测和监控等多种功能通过一台多功能数字装置——数字化变电站多功能保护控制器完成，构成集成保护与控制系统，可降低投资成本，减少运行维护的工作量，并提高保护与控制的性能，提高变电站运行的安全性和可靠性。

本发明提出的数字化变电站设备的保护控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定数字化变电站中需要保护和控制的一次电气设备——母线、变压器、馈线、电容器组，由过程层交换机组成的过程层总线连接对应于所述一次电气设备的用于数据采集的合并单元和用于合闸/分闸的智能开关；

2)对上述合并单元和智能开关进行分组，每一个变压器对应的合并单元和智能开关组成一个变压器组；四条馈线或电容器组对应的四个合并单元和四个智能开关组成一个馈线组；

3)从过程层总线接收所述各组合并单元和智能开关输出的报文，进行报文解析和计算，得到每组的量测值；

4)用得到的上述量测值检验每组一次电气设备是否满足启动条件？

5)若有一次电气设备发生故障，馈线组根据本组量测值通过三段式过电流保护算法和方向过电流保护算法判断故障是否发生在本组的馈线中；变压器组通过电流差动保护算法判断故障是否发生在本组的变压器中；所有变压器组和馈线组未判断出本组一次电气设备故障后，馈线组还要通过通信得到其他组的量测值和计算结果，通过电流差动保护算法和方向比较式纵联保护算法判断故障是否发生在母线上；确定发生故障的一次电气设备后，发出相应的跳合闸命令；

6)若有一次电气设备出现电压和无功越限，根据本组量测值计算电压值和无功缺额，通过通信得到其他组的无功缺额，确定调节变压器分接头和投切电容器组的大小，发出调节控制命令；

7)将跳合闸命令或调节控制命令通过过程层总线发送到对应的智能开关进行执行；

8)通过由变电站层交换机组成的变电站层总线上传所述量测值和故障报告。

本发明采用上述方法的数字化变电站多功能保护控制器，其特征在于，该控制器主要由依次插在一电路基板上的一个监控模块和多个功能模块构成，各功能模块之间、功能模块与监控模块间均通过内部数据总线通信，完成整个数字化变电站所有电气主设备的保护和控制功能；其中，

所述监控模块通过RJ45外部以太网接口同变电站层交换机相连接，实现与变电站层总线的通信；通过内部数据总线与各个功能模块进行数据交换；完成人机界面和自检功能。

所述每个功能模块均通过光纤以太网接口与过程层交换机连接，接收数字化变电站中每一个变压器组和每一个馈线组的报文，发出跳合闸命令或调节控制命令，实现与过程层总线的通信；每个功能模块通过内部数据总线获取其他功能模块的量测值和计算结果，根据本模块和其他功能模块的量测值与计算结果，确定故障元件或不正常状态，将跳合闸命令或调节控制命令以报文的形式发出。

本发明的数字化变电站多功能保护控制器利用数字化变电站信息统一传送、便于共享的特点，进行了信息的全面集成和功能的合理优化、整合，利用一台装置完成整个变电站的保护和控制功能，使得原来分散的二次系统装置变成了一个功能全面、运行灵活的有机整体。其主要特点有：

1)应用于数字化变电站，数据传输和共享方便、快速。

2)硬件集成。多功能保护控制器突破了间隔的限制，一台装置涵盖多个保护对象，实现对多个电气设备的保护和控制，可以简化硬件设置，降低投资成本，减少现场运行维护的难度和工作量。

3)功能集成。对每一个保护对象，均可实现保护、控制和量测等多种功能，并进行功能优化协调，这同时也是一种硬件集成和间隔内的信息集成。

4)信息集成。主要是不同间隔间的信息集成，利用相邻元件的冗余广域信息来提高保护性能、优化控制功能，保证全系统的安全稳定运行。

附图说明

图1是本发明的数字化变电站多功能保护控制器硬件结构示意图。

图2是本发明的监控模块1的硬件结构示意图。

图3是本发明的功能模块2的硬件结构示意图。

图4是本发明的功能模块2的实现流程框图。

具体实施方式

本发明设计的数字化变电站保护控制方法及其多功能保护控制器结合各附图及实施例详细说明如下：

由于需要实现变电站多个设备的多种功能，本发明的数字化变电站多功能保护控制器需要从过程层总线上接收大量数据并进行处理，装置通信接口的速度和CPU的处理速度成为关键。为了提高装置接口的通信速度和CPU的处理速度，需要在装置内部结构、接口设计和外部通信网络配置上进行特殊的设计。本发明装置采用多CPU、多网口并列运行的模式，每个功能模块均配置冗余以太网口，接收处理部分数据，并通过内部数据总线交换计算中间量，从而将通信任务和计算任务分布到各个功能模块中。

本发明提出的数字化变电站设备的保护控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定数字化变电站中需要保护和控制的一次电气设备——母线、变压器、馈线、电容器组，由过程层交换机组成的过程层总线连接对应于所述一次电气设备的用于数据采集的合并单元和用于合闸/分闸的智能开关；

2)对上述合并单元和智能开关进行分组，每一个变压器对应的合并单元和智能开关组成一个变压器组；四条馈线或电容器组对应的四个合并单元和四个智能开关组成一个馈线组；

3)从过程层总线接收所述各组合并单元和智能开关输出的报文，进行报文解析和计算(数字滤波、采样率转换、频率跟踪、傅里叶计算)，得到每组的量测值(电压、电流、频率)；

4)用得到的上述量测值检验每组一次电气设备是否满足启动条件？(即一次电气设备是否发生了故障？一次电气设备是否出现电压和无功越限？)

5)若有一次电气设备发生故障，馈线组根据本组量测值通过三段式过电流保护算法和方向过电流保护算法判断故障是否发生在本组的馈线中；变压器组通过电流差动保护算法判断故障是否发生在本组的变压器中；所有变压器组和馈线组未判断出本组一次电气设备故障后，馈线组还要通过通信得到其他组的量测值和计算结果，通过电流差动保护算法和方向比较式纵联保护算法判断故障是否发生在母线上；确定发生故障的一次电气设备(母线、变压器、馈线)后，发出相应的跳合闸命令；

6)若有一次电气设备出现电压和无功越限，根据本组量测值计算电压值和无功缺额，通过通信得到其他组的无功缺额，确定调节变压器分接头和投切电容器组的大小，发出调节控制命令(电容器投切、变压器分接头调整)；

7)将跳合闸命令或调节控制命令通过过程层总线发送到对应的智能开关进行执行；

8)通过由变电站层交换机组成的变电站层总线上传所述量测值和故障报告。

本发明采用上述方法的数字化变电站多功能保护控制器组成结构如图1所示，主要包括监控模块1、多个功能模块2(例如选用四个)，还可选用1个开关量模块3，完成单母线和多条馈线(如16条)的线路保护、母线保护和电容器投切功能；其中监控模块1负责与变电站层总线的通信、负责整个装置的运行管理；功能模块2负责与过程层总线的通信、实现数据处理和作出决策等主要功能；开关量模块3用于开关的状态输入和跳合闸信号输出。

所述监控模块通过RJ45外部以太网接口同变电站层交换机相连接，实现与变电站层总线的通信；通过内部数据总线与各个功能模块进行数据交换；完成人机界面和自检功能。

所述每个功能模块均通过光纤以太网接口与过程层交换机连接，接收数字化变电站中四个合并单元和四个智能开关的报文，发出跳合闸命令或调节控制命令，实现与过程层总线的通信；每个功能模块根据本模块量测值独立进行计算，判断启动判据是否满足。

若有一次电气设备发生故障，每个功能模块根据本模块量测值通过三段式过电流保护算法和方向过电流保护算法判断故障是否发生在馈线上；通过装置内部的内部数据总线得到其他组的量测值和计算结果，通过电流差动保护算法和方向比较式纵联保护算法判断故障是否发生在母线上；发出跳合闸命令。

若有一次电气设备出现不正常工作状态——电压和无功越限，根据本模块量测值计算电压值和无功缺额，通过装置内部的内部数据总线得到其他模块的无功缺额，确定调节变压器分接头和投切电容器组的大小，发出调节控制命令；

各模块的组成实施例分别详细说明如下：

1、监控模块

监控模块通过冗余的RJ45外部以太网接口单元同变电站层总线相连接，接收定值设定和命令，上传录波数据和测量结果等；通过内部数据总线接口单元与各个功能模块进行数据交换，下传定值，接收录波数据、测量值和故障报告。

监控模块具体组成实施例如图2所示，主要包括以下部分：

(1)CPU

CPU11选用基于ARM926EJ-S内核的AT91SAM9263处理器，该处理器内置了10/100Mbps以太网控制器、USB控制器、CAN控制器和LCD显示控制器等，可稳定运行于200MHz，具有速度快、功能强大、外设资源丰富的优点。

(2)存储器单元及存储于其中的监控程序

存储器单元12包括两片64Mbit的SDRAM(HY57V641620)，用于存放CPU运行时的程序和数据；一片32Mbit的Nor Flash(SST39VF3201)，用于固化操作系统和装置程序；一片256Mbit的Nand Flash(K9F5616)，用于存放事件信息、录波数据和定值。监控程序采用常规的编程方法完成液晶显示、键盘输入、以太网通信功能。

(3)外部以太网接口单元

外部以太网接口单元13由两个100Mbps以太网RJ45接口构成，均由AT91SAM9263通过外扩100Mbps以太网控制器(DM9000)和RJ45接口实现。

(4)内部数据总线接口单元

内部数据总线接口单元14由内部CAN总线和内部以太构成，通过AT91SAM9263内置的100Mbps MAC控制器外加以太网收发器(LXT971)构成内部以太总线，通过AT91SAM9263内置CAN控制器外加CAN收发器(PCA82C250)构成内部CAN总线。运行于工作模式1时，采用CAN总线通信，只焊接CAN控制器，硬件成本低、编程方便，但传输信息量少；运行于工作模式2时，采用以太网总线通信，只焊接以太网控制器，硬件成本高，编程复杂，但传输速度快。

(5)人机接口HMI单元、USB单元和电源单元

人机接口HMI单元15由彩色触摸显示屏(TX09D71VM1CCA)、触摸屏控制器(ADS7843)、键盘、指示灯等构成，提供就地显示和操作接口。

USB接口16由AT91SAM9263内置的USB控制器外扩USB接口构成，一路为USB主接口，一路为USB从接口，提供与外部设备的连接通道，实现数据读取、现场操作、彩色打印、外接鼠标、外接键盘等功能。

电源单元17则包含时钟电池、电源转换芯片、复位按钮、调试接口等，为整个模块提供电源供给，实现复位和调试等功能。

1、功能模块

功能模块2是数字化多功能保护控制的核心部件，完成保护控制算法、采样数据获取、决策结果送出等重要功能。每个功能模块均通过100Mbps冗余光纤以太网口同过程层总线相连接，从过程层总线上接收四个合并单元的采样值SMV报文和四个智能开关的状态信息GSE/GOOSE报文；进行报文解析和判据计算，需要其他模块信息时通过内部数据总线进行信息交换；将决策结果(跳闸信号、控制调节信息、报警信号)以GOOSE报文的形式发送到过程层总线上。功能模块2通过内部数据总线与监控模块1通信，通过I/O接口与开关量模块3相连接。如图3所示，功能模块主要由以下部分组成：

(1)CPU

CPU21选用基于ARM926EJ-S内核的AT91SAM9263处理器。

(2)CPU存储器单元及存储于其中的保护控制程序

CPU存储器单元22包括两片64Mbit的SDRAM(HY57V641620)，用于存放CPU运行时的程序和数据；一片32Mbit的Nor Flash(SST39VF3201)，用于固化程序；一片256Mbit的Nand Flash(K9F5616)，用于存放事件信息、录波数据和定值。保护控制程序是根据上述保护控制方法采用常规的编程方法实现报文接收、报文解析、接收定值设定和命令，上传测量数据和故障报告。

(3)外部以太网接口单元及内部数据总线接口单元

外部以太网接口单元23由两个100Mbps以太网光纤接口构成，均由AT91SAM9263通过外扩100Mbps以太网控制器(DM9000)、以太网收发器(LXT971)和光电介质接口(HFBR-5103)实现。

内部数据总线接口单元24由内部CAN总线和内部以太构成，通过AT91SAM9263内置的100Mbps MAC控制器外加以太网收发器(LXT971)构成内部以太总线，通过AT91SAM9263内置CAN控制器外加CAN收发器(PCA82C250)构成内部CAN总线。

(4)DSP协处理器

DSP协处理器26采用32位浮点处理器TMS320C6713，可稳定运行于200MHz，具有强大的计算能力。

(5)DSP存储器单元及其存储于其中的计算程序

DSP存储器单元27包括两片64Mbit的SDRAM(HY57V641620)，用于存放DSP运行时的程序和数据；一片32Mbit的Nor Flash(SST39VF3201)，用于固化程序。计算程序采用常规的编程方法，实现三段式过电流保护算法、方向过电流保护算法、电流差动保护算法和方向比较式纵联保护算法，完成具体的计算功能。

(6)双口RAM

为了便于CPU21和DSP协处理器26之间快速交换信息，采用256Kbit的双口RAM(IDT70V261)。在双口RAM25中分别开辟指令区和数据区，一方完成操作后，以中断形式通知对方；对方收到中断后，先读取指令区中的指令，再根据指令进行信息交换或操作。

(7)I/O接口单元及电源单元

I/O接口单元28通过8个74LVXC3245芯片对开关量信号进行隔离和驱动，作为和开关量模块3的连接口，通过跳线可以选择开关量的输入或输出模式。这些开关量主要用于装置功能压板的输入，以及没有智能开关的变电站中的开关量输出。

电源单元29则包含时钟电池、电源转换芯片、复位按钮、调试接口等，为整个模块提供电源供给，实现复位和调试等功能。

1、功能模块的工作流程

功能模块的工作流程如图4所示，主要包括：

1)上电复位及初始化，装置开始运行；

2)从过程层交换机上接收四个合并单元的SMV报文和四个智能开关的GOOSE/GSE报文；

3)数据预处理和计算，包括数字滤波、采样率转换、频率跟踪、傅里叶计算等；

4)检验启动判据是否满足，正常时通过内部数据总线定期向监控模块上传测量数据；

5)启动判据满足后，判断是否为故障，故障情况下完成基于本模块量测值的三段式过电流保护、方向过电流保护，用以保护馈线和电容器组；实现母线保护时利用内部数据总线进行信息交换。选择工作模式1时，CAN总线速度最大只有1Mbps，方向比较式纵联保护算法，只传递功率方向元件的动作信息，需要传输的计算中间量较小；选择工作模式2时，以太网总线速度可达100Mbps，可传输较多的计算中间量，采用电流差动保护算法，传送电流相量值。

6)不正常状态情况下，根据本组量测值计算电压值和无功缺额，通过装置内部的内部数据总线得到其他组的无功缺额，确定调节变压器分接头和投切电容器组的大小；

7)将决策结果以GOOSE报文的形式发送到过程层总线上，或以开关量输出的形式送到开关量模块3；

8)通过内部数据总线向监控模块上传故障报告和量测值等；

9)返回第2)步。

Claims (1)

1.一种数字化变电站设备的保护控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定数字化变电站中需要保护和控制的一次电气设备——母线、变压器、馈线、电容器组，由过程层交换机组成的过程层总线连接对应于所述一次电气设备的用于数据采集的合并单元和用于合闸/分闸的智能开关；

2)对上述合并单元和智能开关进行分组，每一个变压器对应的合并单元和智能开关组成一个变压器组；四条馈线或电容器组对应的四个合并单元和四个智能开关组成一个馈线组；

3)从过程层总线接收所述各变压器组和各馈线组所包含的合并单元和智能开关输出的报文，进行报文解析和计算，得到所有变压器组和所有馈线组的量测值；

4)用得到的上述量测值检验各变压器组和各馈线组所包含的一次电气设备是否满足启动条件；

5)若有一次电气设备发生故障，馈线组根据本馈线组量测值通过三段式过电流保护算法和方向过电流保护算法判断故障是否发生在本馈线组的馈线中；变压器组通过电流差动保护算法判断故障是否发生在本变压器组的变压器中；所有变压器组和馈线组未判断出本变压器组和本馈线组一次电气设备故障后，馈线组还要通过通信得到其它馈线组的量测值和计算结果，通过电流差动保护算法和方向比较式纵联保护算法判断故障是否发生在母线上；确定发生故障的一次电气设备后，发出相应的跳合闸命令；

6)若有一次电气设备出现电压和无功越限，根据本变压器组量测值计算电压值和无功缺额，通过通信得到其他变压器组的无功缺额，确定调节变压器分接头和投切电容器组的大小，发出调节控制命令；

7)将跳合闸命令或调节控制命令通过过程层总线发送到对应的智能开关进行执行；

8)通过由变电站层交换机组成的变电站层总线上传所述所有变压器组和所有馈线组的量测值和故障报告。

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