变电站自动化功能综述_毕业设计(编辑修改稿)

变电站自动化功能综述_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

手微 机 台 ， 显 示 器 ， 键 盘 ， 打 印机保 护 柜 ， 变 送 器 柜 ， 电 度 表柜 ， 监 控 柜前部后部 (2) 控制台式 ： 再主控室前部设控制台，无模拟屏。 在控制台对面设保护柜，变送器柜，监控柜，电度表柜和交直流电源柜 等设备。 控制台上或旁边放主机显示器 CRT。 打印机和键盘。 模拟主接线，操作把手，必要的仪表和光字均安装在控制台面上。 主 控 室 前 部 的控 制 台上 面 安 装 显 示 器 ， 打 印 机 ，键 盘 ， 模 拟 主 接 线 ， 操 作 把手 ， 必 要 仪 表保 护 柜 ， 变 送器 柜 ， 监 控柜 ， 电 度 表柜 ， 电 流 柜O P P O S I T E (3)微机台式 ： 在主控室前部设微机台，无模拟凭，无控制台。 主控室后部设保护柜，变送器柜，监控柜，电度表柜，交直流电源柜等设备。 微机台内装主机和微机电源， 微机台上放 CRT，打印机和键盘。 主 控 室前 部 微 机 台内 设 有 主 机 和 微 机 电 源 ， 打 印 机 ， 键 盘后 部保 护 柜 ， 变 送 器 柜 ， 监 控 柜 ， 电 度 表柜 ， 交 直 流 电 流 柜 硬件的配 置原则 综合自动化系统硬件配置应遵循下列原 则： (1):各自独立，相互配合。 不同功能的硬件之间只能有信息交换，不应有电的直接联系。 采用光电隔离和继电器接点闲离的方法实现。 保护柜内各单元应有独立的交流输入，独立电源，独立出口，应有可靠的抗干扰措施。 监控部分在监控机，电度机，采样机，远传机任一故障情况下，应不影响其他机正常工作。 (2): 软硬件模块化，方便维护和扩展。 各单元应具有模块化的主机板，开出板。 开入板，模入板等，方便维护，并可在此基础上进一步开发。 (3)： 具有较强的抗干扰能力。 满足在强电场，高频影响和谐波冲击等环境下可靠工作，并能防止雷电 冲击。 微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段： 第一阶段是以单 cpu 的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式 A/D 模数转换器构成，硬件和软件的设计符合四统一设计标准，其代表产品为微机高压输电线路保护装置。 第二阶段以多单片机构成的多 cpu 硬件结构为主，数据采集系统为电压频率转换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置的成功运行经验，利用多 cpu 的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动和误动的措施。 第三阶段以高 性能的 16 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出芯片，电路结构简单的特点，抗干扰能力进一步加强，并且完善了通信功能， 为实现变电站自动化提供了方便。 再现阶段，在一些微机继电保护装置中，个别产品也采用了性能更好，功能更强大的工业控制计算机。 变电站综合自动化系统微机保护的硬件结构 (1) 处理器分为单片机和数字信号处理器两种。 单片机通过大规模集成电路技术将 CPU ,ROM, RAM, 和 I/O 接口电路封装在一块芯片中，具有可靠性高，接口设计简单，运行速度快，功耗低，性价比高的优点。 使用单片 机的微机保护具有较强的针对性，系统结构紧凑，整体性能和可靠性高，但通用性和可扩展性相对较差。 而且某些保护算法需要使用乘法，除法或是开平方运算，而早期的片内资源有限，实际应用时常常需要对其功能进行补充和外部扩展。 新型高性能的单片机性能得到了很大的提高。 运行能力也得到了大大的加强，出现了无须进行外部扩展的所谓总线不出芯片的新型微机保护。 此保护采用了高集成度 16 位单片机，其内部包含了 124KEP ROM， 4KRAM，接近10 个内部计数器，定时器和中断口， 2 个全双工的串行口，以及整个内部 A/D转换器。 其高效丰富的 指定系统使得编程及其应用即灵活又简洁。 高性能单片机包含了微机保护所需要的各种硬件功能，使新型微机保护的电路设计异常简单可靠。 由于单片机价格低廉，因此，微机保护由当初的单 CP U 的硬件结构为主发展到为多单片机构成的多 CPU 硬件结构为主。 大量使用单片机的微机保护在电力系统中得到了成功的应用，也由于新型单片机的卓越性能，现阶段使用单片机的微机保护仍将是我国微机保护的主流产品。 数字信号处理器 DSP：它与目前通用的 CPU 不同，是一种为了达到快速运算而具有特殊结构的微处理器。 DSP 具有强大的处理功能，在相同的主频率下 ，甚至比目前最先进的个人计算机快 10—50 倍。 快速的指令周期，哈佛结构，流水操作，专用的乘法器，特殊的指令，加上集成电路优化设计，可以使DSP 的指令周期达到 200ns。 DSP 的突出特点是计算能力强，精度高，总线速度快，吞吐量大，尤其是采用专用硬件实现定点和浮点 加乘运算，速度非常的快。 将数字信号处理器应用于微机继电保护，极大的缩短了数字滤波。 滤序和傅立叶变换算法的主要时间，不但可以完成数据采集，信号处理的功能，还可以完成以往主要由 COU完成的运算功能，甚至完成独立的继电保护功能。 随着数字信号处理器芯片和开发 工具的价格下降，可以预期数字信号处理器将会在微机继电保护装置中发挥重要的作用。 (2) 数据采集系统： 变电站综合自动化的数据采集系统分为三种：逐次逼近式 A/D 转换器构成的 数据采集系统， 电压频率转换原理的计数式数据采集系统 ， 高速数据采集系统 ① 逐次逼近式 A/D 转换器构成的数据采集系统： 早期的微机保护线路中，考虑到 A/D 转换器价格昂贵，因此采用多个通道共用一个 A/D 转换器的方案。 每个通道各有一个采样保持器，其采样脉冲输入端并联后联到 CP U 插件上的定时器输出端，以实现对各通道的同时采样。 模拟量多路转换 开关采用硬件电路控制记数自动进位切换通道号。 为了节省 CPU的工作时间，数据采集系统在变化完成后的得到的数字输出不需要经过 CP U控制，而经 DMA 控制直接存入本插件的 RAM 中。 再同一时刻采样的全部通道转换完成并存入 RAM 后，才由 DMA 请求中断，由 CPU 做出相应的处理。 这种数据采集系统使用的芯片比较多，电路复杂，抗干扰能力差，因此，在其改进 型产品中使用了电压频率转换原理的计数式数据采集系统。 ② 电压频率转换原理的计数式数据采集系统： 第 2 代微机线路保护的 VFC (电压频率保护 ) 数据采集系统中，为了提高数据采 集系统的采集速度，每个模拟输入通道都需要使用单独的电压频率转换 /光耦合器，其输出频率信号送至可编程计数器 8255 进行频率测量，在每个数据采集周期由 CP U 读取可编程计数器的计数值，并进行标度变换以获得实际的采样植。 主要优点是：通过光电耦合器与 CPU 接口，因此抗干扰能力强，容易实现多单片机系统的多 CPU 接口。 ③ 高速数据采集系统 ： 近几年来。 以 ANN 为代表的人工智能技术和小波分析理论，以及行波保护，暂态保护等概念逐步引入继电保护领域，对采样速度提出了更高的要求。 在变电站的母线保护，变压器保护和发电机保护中， 由于需要进行采样的电流通道很多，对采样的速度也有很高的要求。 采样率的提高导致了采样间隔的缩短，从而留给 CP U 进行采样数据预处理，保护启动计算，主保护计算的时间大大缩短。 因此，必须大大的压缩数据采集的时间。 保护装置使用公控机时，通常采用工控机智能同步数据采集模板完成采样，再将采样数据通过双口 RAM， FIFO 等方式传送给主 CPU 进行处理，因此并不占用主 CPU 的处理时间。 当保护装置使用单片机时，目前使用的 VFC 数据采集系统难以满足要求，必须对此单独进行考虑。 为了进一步简化电路设计和调试，一些半导体厂家将完整的数 据采集系统集成到一块芯片中，能够自动完成所有输入通道的数据采集而无须 CPU 干预。 采用这种专用数据采集芯片，将极大简化单片机型微机保护装置数据采集系统的设计，生产，调试方式，大大的提高其数据采集系统的数据采集能力。 (3) 微机保护硬件的一般结构： 微机保护的硬件类型分为三种：高压线路微机保护，微机元件继点保护，低压线路的微机保护 . ① 高压线路微机保护： 目前我国的高压线路微机保护装置的原理，性能，主要指标以及制造工艺方面以达到了国际先进水平，微机保护的动作正确率也已经超过了常规保护。 对于高压和超高压输电线 路微机保护装置，多单片机构成的多 CPU 硬件结构已成为现行的实际标准。 这种类型的微机保护装置的基本特点是：电压频率转 换原理的数据采集系统为整套装置的公共部分 ,其频率输出信号分别传送给各个保护插件，再由各个保护插件完成相应的测频，采样值标度变换，保护功能计算。 3 个保护 CPU 分别完成高频保护，距离保护，零序保护功能。 监控 CPU主要负责人机接口，保护定值管理。 通信控制，保护 CP U 运行状态监控等功能。 3 个保护插件启动元件按三取二的原则启动各套保护装置的出口回路，从而大大的提高了保护装置的可靠性。 监 控 C P UV / F 转 换通 信 接 口I / O 接 口保 护 C P U 1保 护 C P U 2保 护 C P U 3 但是这种多 CP U 微机保护装置采用了不完全冗余技术。 保护输入和输出通道不采用冗余技术，而只是在信号处理器部分采用。 如果模拟输入通道和数据采集系统发生故障，那麽输入 3 个 CP U 插件的故障数据将不在准确，整套装置不能正确工作；跳闸出口通道发生故障，整套装置同样不能正确工作。 因此整个保护装置并不因为采用了多 CPU 技术而使可靠性大幅度的提高。 多 CPU 微机保护装置除完成本线路的继电保护功能外，同时还必须完成相邻线路的远后备保护功能。 广泛的使用多 CPU 微机保护装置中，距离保护三段和零序保护三段，都具有远后备的功能。 在距离保护 CP U 插件或者零序保护 CPU 插件发生故障时，即使线路的主保护 可以正常工作，仍将失去远方后备保护的功能。 由于以上的原因，在高压和超高压输变电线路中，不但主保护必须双重化配置，后备保护也必须双重化配置。 ② 微机元件继电保护： 微机元件 保护的种类很多，硬件结构也各有特色，基本的类型有单片机型和工控机型微机元件保护。 许多厂家得宜于线路微机保护的成功开发和应用中的成功经验，推出了许多与微机线路保护硬件结构相似的单片机型微机元件保护。 比如采用了高压线路保护类似的 VFC 数据采集系统和高性能单片机构成的双 CPU 系统，变压器主保护与变压器各侧的后备保护分别采用不同的 CP U完成保护功能。 为适合变电站自动化的发展，新型微机变压器保护也提供了基于现场总线的通信接口功能。 采用工控机实现的微机保护，具有小型化，低成本，高可靠性等优点。 工控机总线接口简单，模块化程度高，容易结合，使用维护方便，系统功能容易扩展。 可以大大缩短微机保护装置的开发周期，实现微机继电保护装置的系列 化和标准化，便于运行部门的运行维护，必将在微机保护的发展中发挥重要的作用。 ③ 低压线路的微机保护： 这种类型的保护 装置可以分为两种：一种为 “一对一 ”方式，即一套装置实现一条线路的保护；另一种为 “一对 N”方式，即一套装置实现多条线路保护。 采用 “一对一：实现时，一套装置负责一条线路或一台变压器的测量，保护和控制。 使用 “一对 N”方式实现时，一套装置负责多条线路或变压器的测量，保护和控制。 它具有分布式结构的全部优点而且又便于设计安装及运行维护。 为中低压变电站广为采用。 小节 本节介绍了变电站综合自动化系统的结构形式，并介绍了各种结构形式的特点 ；变电站综合自动化系统主要包括监测，监控，远传和保护四部分，介 绍了各部分的主要功能。 介绍了综合自动化系统的硬件结构以及主要的配置，为下一章的通信协议做好了铺垫。 第 3 章 变电站综合自动化系统的通信网络 通信网络的发展： 目前，国内变电站综合自动化系统用的通信网络主要是总线式网络。 该系统最初使用 RS232 总线，后来用到 RS485 总线。 近年来随着新型现场总线CANBUS 和 LONWORKS 的推出，变电站综合自动化系统的网络通信得到了新的发展，新型现场总线 CAN BUS 是变电站综合自动化系统通信网络性价比最好的一种。 RS232， RS422 和 RS485 总线： RS232 串口通信标准是美国电子工业协会于 1969 年公布的，该标准定义了数据终端设备和数据通信设备之间按位串行传输的接口通信。 通常用于近距离传输，此时可将两台具有 RS232 接口的通信设备直接相连，如果要进行远距离传输，可以再加调制器即可。 RS422 为全双工，可以同时接收和发送。 采用 RS422 标准，可以削弱干扰的影响，获得更长的传输距离和允许更大的信号衰减。 采用 RS422 标准通信时位率可达到 10Mbit/s。 RS485 为半双工通信方式，在某一 时刻，一个发送一个接受，当用于多站互连时，可节省信号线，便于高速远距离的传送。 LONWORKS 总线 LONWORKS 是美国 Echeton 公司推出的一种新型现场总线。 它的基本思想是将控制系统按局域网络的方式构造，用网络节点代替局域网中的工作站，。