CN2838116Y - 微机保护与测控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微机保护与测控装置，包括标准交流接插件组、下位机和上位机，以及用于需要保护的电气元件及需要保护的测控部分的电流互感器、电压互感器和测量用的电流互感器。上述电流互感器、电压互感器和测量用的电流互感器将信号传至标准交流接插件组，标准交流接插件组与下位机的接口组相连接，下位机的接口组还与需要测控部分连接，下位机与上位机可逆式相连接；由电流互感器、电压互感器采集电气元件的保护信号和测控信号通过标准交流接插件组编号进入系统后，按一次设备的分布编制序号；电气元件的测控按一次设备的分布编序后进入系统。本实用新型实现了变电站和电厂电气部分全站一体化的微机保护与测控，易实现标准化和积木化。

Description

微机保护与测控装置

技术领域

本实用新型涉及一种微机保护与测控装置，特别涉及一种应用在电力系统变电站及电厂电气部分的微机保护与测控装置。

背景技术

电力工业百年发展的历史，改变了人类的生活方式。随着技术的进步和电力工业的发展，电力系统的保护也经历了如下几个阶段。

第一阶段：机械电磁式保护即第一代保护，从电力技术的诞生开始，安全运行和对电力设备的保护就同步发展起来。由于当时的电压等级低、用电量小，机械电磁式的保护就能够满足要求。而同时期的技术所限，也只有用机械电磁式的方式进行保护；这段时间大约延续了五十多年。第二阶段：由于微电子技术的发展和晶体管的大量应用，对电力系统技术人员也形成影响，保护领域出现了晶体管型保护，即第二代保护。第二代保护时间短影响小，与第一代保护并存发展。第三阶段：为集成电路型保护，集成电路的高速发展使电力技术人员看到了解决晶体管保护存在问题的方法；所以集成电路又发展起来形成第三代保护。但是第二、三代保护在应用方式及数量上都没有形成革命性的垄断地位，而且存在各种各样的问题。所以，前三代保护并行运行几十年。在这几十年里，电力工业发展成为任何工业国家的主导产业，对国民经济有着不可估量的影响。同时电力系统保护、远动和测控的基本概念和理论原理已经形成。这些理论和概念延续至今。

第四阶段的微机继电保护起源于上世纪七十年代初期，首先进行了大量的理论计算和程序结构研究，使之数字化，然后进行运算处理。经过近二十年的研究，计算机保护的算法已比较完善和成熟。上世纪八十年代末至九十年代初，微处理器得到了迅猛的发展，性能、集成度和可靠性大幅度提高，价格成几何基数大幅度下降，为微机保护的发展提供了良好的外部环境。同时电力系统作为支柱性的工业向大网络高电压发展并渗透到各个行业和领域，其自身的发展也要求有更好的更先进的保护来满足安全生产的要求。微机保护应时而起，产生了第四代保护。

第四代微机保护具有许多优点，尤其在通讯和调度方面微机保护更具有突出的优点，并且在使用过程中发展了一些新的保护原理，如：自适应保护原理。从1995年起，微机保护的正确动作率与常规的继电保护动作率相似已经达到了97.26％，这标志着微机保护正式进入常规的运行和实用阶段。1995年至今的十多年，第四代微机保护取得了长足的发展，基本上取代了前三代的保护。成为电力系统保护的主导方式，形成了革命性的垄断地位。为电力系统的稳定可靠运行做出了巨大的贡献。微机保护的知识也普及到了一般的电力系统技术人员。

迅速崛起的微机保护也存在着许多不足之处，如：

1.混乱不堪、形形色色、型号繁多的各种微机保护与测控装置仿佛是人人都可以做，厂商众多，质量参差不齐。在电力系统运行着数百家公司生产的上万种微机保护，这些生产厂家有大有小，产品互不兼容。产品质量也相差甚大，形成安全生产的隐患和电力系统对厂商的依赖，一旦厂商出问题，电力系统的用户找不到备件和原厂商，就需要全部更换，不但增大费用而且影响安全生产和供电的可靠性。已给电力系统保护行业带来巨大的浪费和混乱，给电力系统埋下了事故的隐患。

2.标准滞后，规约多样，由于电力系统微机保护迅速发展，加之厂商众多，各学院流派都在研究，形成了众多的各式各样的产品，而相应的标准滞后，必然在产品质量上和兼容性上发生问题，这也是影响电力系统安全生产和供电质量的又一重大隐患，也使得事故追忆和事故分析很难客观公正，这样反过来影响微机保护的进一步发展。

3.传统思想的束缚，由于电力系统发展初期以机械电磁型的保护为主，多年来形成了一个保护装置对应一个电气元件，或一个保护装置加后备保护对应一个电气元件的传统思想，到第四代微机保护仍然是这样的传统模式。各完成各的，使得保护装置的好坏决定着系统的安全运行。而不是用一个系统来保护某个电气元件。

电力系统的发展从110kV电压等级到220kV电压等级跨越了几十年，而220kV到500kV再到750kV电压等级只用了短短十几年，现在全球都在向1000kV电压等级发展。电力系统网络也从局域网向区域网或全国网发展，甚至发展为跨国界的超大型电力网。对电力系统微机保护也提出来了新的课题，要求使用更先进的概念体系来确保电力系统的安全运行。传统的保护方式，单一或加后备的保护装置对单一的电气元件的保护在安全上存在问题；客观上需要有更高、更可靠地保护方法来为电力系统提供保护。经过三十多年的发展，电力系统微机保护的各种算法和编程方法已经成熟，为本实用新型微机保护的发展奠定了基础。

微电子技术、网络技术、通讯技术和计算机软硬件技术的高速发展，特别是包括计算机低层软件和操作软件的产业化和产品化，这些技术已应用于各行各业，包括高污染、高危险、高干扰的恶劣环境。二十年来PLC可编程序控制在工业领域的应用也已成熟，2002年以后，PLC可编程序控制与上位机的有机结合形成了PAC过程自动控制技术。PAC过程自动控制技术融合了当代最新的电子技术和软件编程技术，不但在航空与军事领域内广泛应用，而且在民用工业中也得到了广泛的应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用系统思想结合现代最新技术应用于变电站及电厂电气部分保护与测控，取消传统的分离的各个保护和测控装置，用一个装置实现对变电站和电厂电气部分全部的保护和测控功能；即：变电站和电厂电气部分全站一体化的微机保护与测控装置。它不仅能够提高电力系统安全运行的可靠性，而且成本低、易实现标准化和积木化。

本实用新型微机保护与测控装置，其中：包括标准交流接插件组、下位机和上位机，以及用于需要保护的电气元件及需要保护的测控部分的电流互感器、电压互感器和测量用的电流互感器。上述电流互感器、电压互感器和测量用的电流互感器将信号传至标准交流接插件组，标准交流接插件组与下位机的接口组相连接，下位机的接口组还与需要测控部分连接，下位机与上位机可逆式相连接；由电流互感器、电压互感器采集电气元件的保护信号和测控信号通过标准交流接插件组编号进入系统后，按一次设备的分布编制序号；电气元件的控制按一次设备的分布编序后进入系统。

本实用新型微机保护与测控装置，其中：标准交流插件包括电压、电流的正序、负序、零序三类插件和测量插件；下位机可以由可编程序控制器构成，还可以由数字信号处理器为核心构成，或者以微处理器为核心构成，下位机设置2-8个用于增强可靠性的多重中央处理器热备份；上位机是工业控制机。

采用上述结构应用于变电站和电厂电气部分，实现了全站一体化的微机保护与测控，具体体现在：

1.系统性：突破了传统的一对一或二对一的电力系统保护模式，取消了全部原有单装置型的、分散的微机继电保护测控装置。利用系统的优势来完成单一电气元件的保护，从理论上和实践上充分发挥了系统的优势，使电力系统的保护、测控和远动形成了有机的绝对综合的系统。

2.安全性：

(1)世界五大公司PAC过程自动控制产品每年的产值已达数百亿美元，而国产化的发展也取得了惊人的成就。PAC过程自动控制产品的安全运行时间远远高于目前微机保护7到8年的水平；

(2)PAC过程自动控制是产业化的产品。工艺和制造水平远远高于目前数百个大小不等的微机保护生产厂商。前者是工业化产品化的装置，而后者是作坊式或科研式的产品。即：前者的可靠性远远大于后者；

(3)多CPU中央处理器系统能够使系统采取各种备份方式，如：热备份、双备份、四备份等方式，这样就有效的增加了电力系统的安全运行的可靠性；

(4)全部保护监控只需组成两面标准屏，占地少可放在环境良好的室内，安全性也大有提高；

(5)将原保护与测控系统的复杂性简化，原电站层的功能和上传下达功能全部一体化，安装调试也方便；

(6)维修方便，全部插件可以热插拔，缩短了维修时间，提高了供电质量；

(7)全部备件在市场上可以买到，化解了电力系统用户采购依赖厂商的购物链风险。

3.综合性：

真正做到了综合自动化的要求，将全部保护信息综合排序，将全部测量功能排序，将其它辅助功能的电气信号排序，然后利用强大的计算机功能实现各种保护和测控要求。实现了遥信、遥测、遥控和遥调的“四遥”功能和对各种数据的综合分析。

4.节约性：

(1)节省了原保护测控装置的重复配置，如电源插件，I/O插件多余的部分，以及站内网络等元件。使得整个变电站的综合自动化系统使用的电气元件大量减少，这样整体的费用将大幅下降；

(2)产品化、系列化、规模化使得制造成本降低，为电力系统提供高质量低费用的产品；

(3)占地少，尤其使得城市变电站用地减少，从而使变电站的用地费用大幅下降。

5.产品化、系列化使得在制定和执行标准方面提供了有利的条件。不仅能够以标准化的方式进行大批量生产，而且促进了对产品检测的方法和手段，有利于保护测控系统整体水平的提高。

6.积木化和多功能化，由于本系统为积木化设计，使得功能拓展十分方便，增加模块插件就可增加额外所需的功能。

7.数字化是工业生产的发展方向，随着技术的进步，电力系统各种仪器仪表的数字化进程不断加快。而本系统对这样的数字化仪器仪表的接入十分方便，不仅符合工业发展的方向，也将推动本装置在今后数年达到广泛的应用。

附图说明

图1是本实用新型微机保护与测控装置系统框图；

图2是本实用新型微机保护与测控装置的系统原理示意图；

图3是图2中电流交流接插件电路原理图；

图4是图2中电压交流接插件电路原理图；

图5是图2中测量交流接插件电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型微机保护与测控装置的具体实施方式作进一步说明。

由图1所示，本实用新型微机保护与测控装置包括标准交流接插件组1、下位机2和上位机3，以及用于变电站或电厂电气部分需要保护和测控的电气元件的电流互感器、电压互感器和测量用的电流互感器。其保护和测控过程如下：上述电流互感器、电压互感器和测量用的电流互感器将信号传至标准交流插件组1，这些标准交流插件1包括电压、电流的正序、负序、零序三类插件和测量插件，这些交流插件按保护的原理和测量要求来使用。根据实际使用情况，其中：需要保护的电气元件主要包括线路、变压器、电容、发电机、母线、发电机励磁等，需要测量部分主要包括线路、变压器的电气量和物理量、断路器/刀闸位置、同期等。

标准交流接插件组1与下位机2的插件组相连接，下位机2可以由可编程序控制器构成，也可以由数字信号处理器为核心构成，还可以由微处理器为核心构成，下位机2的I/O输入/输出接口插件组与需要控制部分相连接，而下位机2的I/O输入/输出接口插件满足对开关和其他控制目标的直流和交流操作方式。下位机2可由市场上直接采购已标准化和产品化的组件，它由标准鼠笼、双CPU中央处理器和电源组等组成，每个标准鼠笼可插16个插件，插件分为AI/AO模拟量输入/输出和DI/DO数字量输入/输出。插件可以单买，按需组合。保护和测控的信号按序排列，依所需接点购置标准插件，每一面标准屏可放置4只鼠笼，组成下位机。下位机2负责处理全站各个保护的各种计算、发出保护命令、上传测控数据、接受和执行上位机的指令。

下位机2与上位机3可逆式相连接，上位机3由工业控制机来完成，市场上有标准的与PLC可编程序控制器配套的上位机3。上位机3负责通讯管理、全站监控、上传数据、接受调度的指令和对下位机2下达操控命令。当上位机3、下位机2采用已标准化、产品化的、在市场上就可以买到的工业控制机和可编程控制器组成时，不仅能够提高电力系统安全运行的可靠性，而且成本低、易实现标准化和积木化。

由图2所示，本实用新型微机保护与测控装置由以下三部分组成：

1.对变电站或电厂电气部分的电气元件的保护、测控信号采集，全部保护电流互感器及电压互感器信号分别通过专用的标准交流插件，编号进入系统；按一次设备的分布编制序号。根据保护原理的需求，可以使用正序交流插件、负序交流插件和零序交流插件；全部站内电气元件的测控要求按一次设备的分布编序后，进入下位机2的I/O输入/输出插件。由于保护和测控的电流互感器在磁滞回路上以饱和非饱和的方式运行，将保护用电流互感器和测量用电流互感器分开排序是符合规程要求的。这样，不仅提高了保护和测量的灵敏度和精确度，而且使继电保护的运行不受测控系统的任何干扰。

2.下位机2是由PLC可编程序控制器组成，其中：CPU中央处理器可以是双CPU中央处理器热备份系统，根据变电站或电厂的容量大小和可靠性的需要也可以设置4、6、8个CPU中央处理器的系统。单一标准屏体可放置四套鼠笼，即：8个中央处理器的运行方式。PLC可编程序控制器的插件满足对开关的直流和交流操作方式。

其中：用于变电站或电厂电气部分不同电压等级线路保护、主变主保护、后备保护、电动机保护、励磁保护、电容器保护和发电机同期的电流互感器、电压互感器及测量用的电流互感器的信号进入交流接插件组1中的电流交流插件10、电压交流插件11和测量交流插件12分别将保护用电流信号13、保护用电压信号14和测量信号15传输到设置在下位机2上的模拟信号接口16中。

手动分合信号、压板投退信号和各种状态信号分别传输到设置在下位机2中数字信号接口17中，同时下位机2中的模拟量出口18至n个断路器及重合闸，数字量出口19传输n个告警信号等；

3.上位机3是功能强大的工业控制机，它和下位机2有机的结合形成了PAC过程自动控制保护测控系统，减少了传统的站内网络通讯等环节，可靠性大为提高。上位机3满足了全部的站内监控和上传信号及下传命令的功能。

其中：上位机3根据需要分别设置数字通讯接口4、高频通道接口5、微波通道接口6、光纤通道接口7、人机对话接口8和打印机接口9，数字通讯接口4用于至调度中心、本地调试用和GPS卫星对时系统，高频通道接口5、微波通道接口6、光纤通道接口7、人机对话接口8和打印机接口9等完成其相应的功能。

由图3所示，电流交流接插件电路原理图，其中：由互感器来的一次电流信号通过互感器20隔离并采集正序、负序和零序电流后，再分别经过电流互感器21的二次降压、整流器22的整流、过滤器23的过滤和光电/光栅隔离器24的隔离后向下位机2提供保护计算用信号。下位机2的CPU中央处理器依照软件的要求，对该信号进行计算分析和处理，然后根据结果发出指令通过模拟出口18操作断路器，并上报上位机3处理结果；上位机3根据此信号和下位机2的数字信号接口17采集到的信号判断系统是否误动或拒动，并上报调度结果。

同理，由图4所示电压交流接插件电路原理图，其中：由互感器来的一次电压信号通过互感器25隔离并采集正序、负序和零序电压后，再分别经过电压互感器26的二次降压、整流器27的整流、过滤器28的过滤和光电/光栅隔离器29的隔离后向下位机2提供保护计算用信号。

同理，由图5测量交流接插件电路原理图，其中：由互感器来的一次电流信号通过互感器30隔离，再分别经过电流互感器31的二次降压、整流器32的整流、过滤器33的过滤和光电/光栅隔离器34的隔离后向下位机2提供测量信号数据。

综上所述，本实用新型微机保护与测控装置的基本功能如下：

1.继电保护功能

继电保护功能的设置遵循国家有关规程规定，并具有以下特点：

存储多套定值和保护定值的内部自校；远方整定保护定值和保护功能的远方投退；

保护启动及跳闸时记录12周数据的故障录波功能；保护动作信号的自保持和远方复归；

自诊断和自恢复；

监控系统通信：根据监控系统命令发送故障信息、保护定值和测量值、装置自检信息等。

保护功能主要包括：主变差动、本体、后备保护功能，线路/分段保护功能，电容器保护功能，电动机保护功能，所用接地变保护功能，备用电源自投功能及其它安全自动控制功能等。

2.测控功能

遥测功能：U、I、P、Q、系统频率、变压器油温、直流母线电压、所用电压等。

遥信功能：断路器位置信号、隔离开关位置信号、刀闸的位置信号、保护动作及报警信号、变压器有载调压分接头、操作机构信号等，并能实现实时采集、异常报警、时间记录和操作记录等功能。

遥控功能：开关或电动刀闸的遥控跳、合，控制输出具备“远方/就地”切换功能。

遥调功能：有载调压变压器的档位采集和调压升、降、停。

遥脉功能：脉冲电度表的脉冲计数。

3.网络通讯功能

成熟可靠的通讯技术应用于本系统，配置灵活，具有足够的传输速率和极高的可靠性。

远动与监控系统共用测量电流互感器采集信息，利用上位机将获取的信息直接远传至调度中心，满足调度自动化信息直采直送要求。

4.智能数据接口

对于站内其它智能设备，例如：微机直流屏、智能电度表等，其智能接口直接接入本系统I/O输入/输出接口插件。

5.当地操作功能

本系统组屏上设置断路器的“分”、“合”操作开关，可就地操作。

6.当地监控系统

上位机完成对整个变电站的设备监视、控制、管理、记录和报警等功能，整个系统信息共享。并与远方控制中心及其它设备通信，达到信息共享。

主要特点和功能有：

数据采集功能：等待下位机发来的相应数据；将所采集的数据进行处理；

              通道输入输出数据的在线查看；故障设备的自动识别与

              报告，如：长时间内无法正常通讯的设备。

控制功能：接受远方控制命令；由规约驱动程序生成特定的控制命

          令；发送控制命令。

数据处理功能：将采集的原始工程数据分离出状态量；将采集的原始工

              程数据依换算定义计算出测量值；关联数据状态信息的

              计算；在系统内部发布状态量、测量量和计算量的数据

              消息；根据历史数据的存储定义进行历史数据的处理与

              存储。

事件告警功能：告警事件发生时，依定义自动推出相应界面，实时打印

              告警事件；告警事件发生时，依定义记录事件作为历史

              事件。

历史数据查询及报表功能：历史数据的多条件、多方式查询；历史数据

              的分析、统计、输出；历史数据的多种显示方式，如：

              曲线、比较图等；自由定义格式报表的输出。

图形功能及SCADA数据采集系统界面：监控界面图库的建立、管理、使

              用；监控界面的所见所得作图，如：一次接线图、遥信

              遥测表等；监控界面的图形与状态量、模拟量的二次定

              义与对应；实时数据的多种显示方式，如：棒图、饼图、

              百分比等；定义功能的关联实现；测量点的自动棒图显

              示。

安 全 功 能：操作和使用人员的定义和管理；控制操作时进行口令和

              权限的确认；系统数据修改、运行方式改变、定义数据

              操作时进行口令和权限的确认。

7.远动系统

本系统中，采用下位机来完成传统RTU远动测控单元的相应功能。在站内，下位机的节点与其它节点按照站内通信规约通信；在站外，上位机与调度端按照外部规约进行通信，完成调度端主站与下位机之间的数据交换、规约处理等。因此，上位机起到了承上启下的作用，它与保护体系及测控体系共同构成了一个网络型RTU远动测控单元，并具有以下特点：

支持CDT、MODBUS、IEC8705-101、DNP3.0、SC1801、μ4F等多种常用通讯规约，根据用户需要灵活选用；

完成现场网络信息管理；处理容量灵活，信息处理速度快；

四遥参数可灵活设置；

具备中央I/O输入/输出信号，如：闭锁远方遥控开入、音响报警开出等；

可在线自诊断及远方诊断；可灵活方便的调试维护；

构成了多CPU中央处理器分布式远动系统，灵活性、可靠性强；具有标准时钟对时接口。

本实用新型微机保护与测控装置的基本功能如下：

1.用工业化的产品，具有高抗干扰性和高可靠性，可以满足恶劣现场的长期运行。

2.CUP中央处理器片内资源丰富，总线不出芯片。

3.高速运算能力，解决外部时钟与内部高速同步的问题。可以由单一CPU中央处理器运算多个运算量。而另一个CPU中央处理器作为热备份同时工作。

4.有丰富的通讯接口满足上传信号和下传指令的要求。

5.简化了原变电站站层网络，而产品的一体化增强了可靠性，硬件的通用化、积木化使得硬件设计简单可靠。

6.上位机实现了全站所有设备的监控和管理

7.保护和测控可以在排序上完全分开，符合继电保护的规程要求，使得测量电流互感器和保护电流互感器分序进入不同的I/O输入/输出插件。

8.上传信号满足调度自动化信息直采直送的要求。

9.系统自检和自恢复功能保证在系统恢复运行时各种参数的完好。

10.采用多重写闭锁功能的串行E²PROM存储器保存定值、参数和算法，确保这些参数不被误修改。

11.模数转换精度为14位，转换时间小于5μS.统一把电压、电流的采样数率提高到32点/周，既提高了数据采集的精度，又保证了电气量之间相差的计算精度，从而提高了系统的灵敏度和可靠性。

12.抗干扰能力强，温度适应范围大，抗震动性优。能够通过国际电联IEC61000-4标准，其中包括最严酷四级的快速瞬变干扰等九项EMC电磁试验。

13.继电保护功能直接由相关的电流互感器及电压互感器输入模拟量经交流插件进入输入/输出插件由CPU中央处理器插件进行故障类型判断。

14.各继电保护逻辑判断所需的各种开关量可直接接入输入/输出进入装置系统。

15.本系统的跳闸输出接点直接操作相应断路器的跳闸线圈。

16.所有继电保护功能在监控系统退出运行时，能够继续可靠独立运行。

上述所有插件全部可以热插拔更换。

Claims (3)

1.微机保护与测控装置，其特征在于：包括标准交流接插件组(1)、下位机(2)和上位机(3)，以及用于需要保护的电气元件及需要保护的测控部分的电流互感器、电压互感器和测量用的电流互感器；上述电流互感器、电压互感器和测量用的电流互感器将信号传至标准交流接插件组(1)，标准交流接插件组(1)与下位机(2)的接口组相连接，所述下位机(2)的接口组还与需要测控部分连接，所述下位机(2)与上位机(3)可逆式相连接；由电流互感器、电压互感器采集电气元件的保护信号和测控信号通过标准交流接插件组(1)编号进入系统后，按一次设备的分布编制序号；电气元件的测控按一次设备的分布编序后进入系统。

2.根据权利要求1所述的微机保护与测控装置，其特征在于：所述标准交流插件(1)包括电压、电流的正序、负序、零序三类插件和测量插件，所述下位机(2)由可编程序控制器构成，或由数字信号处理器为核心构成，或者以微处理器为核心构成，所述上位机(3)是工业控制机。

3.根据权利要求2或3所述的微机保护与测控装置，其特征在于：所述下位机(2)设置2-8个用于增强可靠性的多重中央处理器热备份。

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