监控继电器范文（精选4篇）
监控继电器 第1篇
关键词：低压控制,保护电器,智能化技术
智能控制与保护电器是一种多功能电器, 其同时具备了控制与保护的功能, 该种电器的特点主要表现为同时将断路器、热继电器、隔离器等的控制功能和保护功能集成于一体。该种电器在使用过程中可频繁地进行分断或者接通电路的操作, 并当负载处于非正常运行状态下, 其还具有保护功能, 尤其是当短路故障发生时, 该种电器可及时地将电路断开, 对电器进行良好的保护。该种电器集成了诸多功能, 因此其成为适应智能电网发展的一种重要电器。
1低压监控和保护电器智能化技术分析
1.1电弧故障短路智能化检测技术
随着社会经济发展速度的不断加快, 经济发展及人们生活所应用的电量均在不断增加, 因此在用电安全上提出了更高的技术要求。传统使用的保护系统无法对电弧故障具有良好的的预防功能, 存在发生火灾的风险。所以, 电器中具有的智能检测技术受到人们的高度重视。在家用配电系统中, 电弧故障通常可分为两种, 分别为串联故障和并联故障。串联电弧故障的发生通常是由于接头出现松动, 并联故障的发生通常是因为导线间存在绝缘作为失效。串联故障所产生的电流较小, 其电流的大小通常由回路抗阻来决定, 而并联故障所产生的电流较大, 其电流的大小通常主要由电源侧的阻抗来决定。智能化电弧故障检测技术需要安装可能发生的电弧特性, 并通过对噪音信号进行充分利用来实现对电弧具体故障及信号的正常情况进行有效区分。
1.2接触器智能化技术
新型智能化接触器在实际生活中的应用范围不断扩大, 其在应用过程中主要是通过对电流反馈的充分利用, 主要通过脉冲方式来实现供电, 进而使电器的使用寿命得到有效提高。德国为最先研制出该种接触器的国家, 该种接触器在实际应用过程中主要通过对电压反馈方式的充分利用来实现在电压发生波动时依旧可对恒定电流进行有效控制。但是该种接触器的应用还存在一定不足。例如, 在在信号的获取上还存在较大的难度, 且在使用过程中电流会产生较大的波动等。与该种技术相比较, 电流反馈技术的应用表现跟家独特的优势。美国部分公式通过对该项技术的利用有效促进电寿命得到提高, 其最大可为200次。随着科学技术的不断发展, 智能化接触器在应用过程中综合性能不断得到改进和提高。接触器的使用成本较低, 但是其在应用过程中一旦出现故障便会导致所有电力设备均停止运行。因此, 故障发生时会给企业造成严重的经济损失。所以智能化接触器的质量及故障检测技能必须得到保证, 并保证其在实际应用过程中具有良好的稳定性。
1.3智能化配电电器的新技术
该项技术指的是通过对灭弧系统弧室所具有的结构进行相应的改造和利用塑料产气来实现吹弧。与传统应用的弧室相比较, 新技术改造的弧室所表现出来的优势主要表现如下:通过新技术进行改造后的弧室可分别从上方、下方、后方三个不同的方位喷出电弧, 而且安装在灭弧室内的不锈钢金属罩具有过滤作用, 其作用主要是对这个过程中所释放出来的大量能量进行充分吸收, 从而有效避免后续装置遭受污染。塑料产气装置可在电器的运行停止之后对金属相电弧进行转换, 使其转换成为气相电弧。该种转换的实现可促进电器在实际应用过程中的安全性得到大大提升。
1.4智能化控制的新技术
智能控制新技术的研发可促进设备运转过程中的自动化程度得到有效提升。智能技术的应用可大大节省人力资源。此外, 在应用智能技术的过程中大大降低了人与机器发生直接接触的几率, 因此还可大大降低触电的发生率, 保证用户人生安全。智能化控制技术在实际应用过程中的具体操作表现如下:转变操作方式, 以直流电源所具有的相关特性作为根据, 对电路实施智能化直流操作, 促进能源应用得到有效降低;对正常工作电压的范围进行有效控制, 当电压发生异常变动时系统会立即停止运行;直流操作智能技术的应用可大大叔降低接触器震动所导致的磨损, 进而实现运行成本的降低。
2低压监控和保护电器智能化具有的发展机遇
首先, 随着智能化电网发展速度的不断加快, 其对低压电器智能化提出了新的要求。在智能电网中, 低压电器为终端用户的核心部分, 其发挥着控制和保护作用。所以, 在对安全稳定的电网进行构建的过程中, 必须首先要促进低压电器的职能化得到实现。由此可见, 低压电器智能化已经成为智能电网实现不断发展的重要基础。其次, 随着职能电网发展速度的不断加快, 各种新能源在生产生活中的应用不断得到推广, 传统的能源消费模式在不断发生变化, 根据用户的实际需求, 通过管理系统来进行能源的优化配置才能更好的符合国家新能源推广应用及节能减排的相关要求。而这些均需要智能化技术作为支撑才能得以有效实现。具有智能统计功能和精确计量功能的智能化低压电器系统的应用可促进低压电器实现网络化。此外, 智能电网的应用已经逐步实现标准的统一化, 这也为智能低压电器的应用带来新的机遇。具有统一性标准可大大提高智能电网运行的稳定性和可靠性, 为低压电器的进一步研发和推广奠定良好的基础。同时, 工业化发展进程的不断深入也为低压控制和保护电器提供更加广阔的市场需求, 为其研发创造更好的条件。低压控制和保护电器其自身存在清洁能源、磨损微小、环保、自动化控制等诸多优点, 其凭借这些优点在激烈的市场竞争中具有独特的优势, 势必使其得到良好的发展。
3结束语
智能化技术为低压监控和保护电器应用得到发展的技术支撑, 同时也是低压电器得以发展的重要趋势。因此, 不断加强对低压监控和保护电器智能化技术进行深入研究具有重要意义。
参考文献
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监控继电器 第2篇
继电保护测试装置的发展趋势要求具备数字化、高效的数据处理能力、完善的测试和自检功能、装置模块化、小型化、人机界面友好等特点,特别是由微机型继电保护测试装置与被测装置所构成的继电保护闭环自动测试系统CCARTS(Closed Loop and Automatic Relay Test System)是今后一段时期内继电保护测试技术发展的主流[1]。同时,随着数字式继电保护装置与电子式互感器接口研究的深入,研发工作中迫切需要一种能提供从实际高压电网采样输出模拟量的高精度小电压信号或是全数字量的测量和保护信号发生装置。该微机继电保护测试装置是在研制成功的“TQWX微机型继电保护测试仪”基础上,采用两套DSP+CPLD构成信号发生主控模块和嵌入式人机监控模块,采用自定义内部通信协议,通过模块间内部CAN通讯接口传输测试数据,尤其与湖南大学研制的“多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训装置”相结合,构成一套完整的培训系统,可以根据实验需要灵活配置,通过从上位机下载保护程序软件,可完成电流、电压、功率方向等多种继电保护实验以及自动重合闸、低频减载、振荡闭锁、故障录波和故障测距等多种功能。测试装置新增的人机监控DSP系统赋予了整机人机交互和保护自检功能,同时还增加了基于IEC60870-5-103协议的微机保护装置闭环自动测试功能。利用103规约进行通信,测试装置与被测试微机保护设备之间可通过开关量电缆、模拟量电缆和通讯介质联成一个闭环系统,完成对微机保护装置的模数变换系统、开关量输入回路检验和遥控三种主要测控功能的闭环调试任务[2]。
1 系统设计原理
新型继电保护测试装置的软硬件系统结构均采用模块化设计,系统硬件主要由信号主控模块、嵌入式人机监控模块、功放模块、通迅模块、电源模块以及上位PC机组成。软件设计分上位机和下位机两部分:上位机采用VC6.0软件设计监控平台,通过人机交互界面下载相应测试操作程序模块至DSP运行即可。下位机程序包括波形生成算法程序(完成变频、变幅、变相、谐波叠加等),通讯模块程序,控制液晶显示程序以及PID神经元网络闭环控制算法程序。DSP通过间隔查表算法输出所需波形的数字信号,再经过16位高精度串行DA数模转换器转换成模拟信号,最后通过低通滤波器滤波后得到精度高、失真小的多路电压信号,输出相位精度可达0.1°,对于50 Hz的基波由360个点高密度拟合。监控DSP系统的ADC端口再将采集到的模拟量转化为数字量送到DSP进行比较和计算,通过自适应PID神经元控制算法实现微小信号输出的闭环稳定控制。小信号还可以经功放输出放大的电压和电流测试信号,其范围0～120 V和0～30 A。另外,本系统还采用了10 M以太网控制器CS8900A与DSP芯片的以太网接口设计方案,使装置具备了输出符合IEC60044-7/8标准要求的全数字量测试信号功能。整机系统结构如图1所示。本文着重分析监控模块的软硬件设计,装置其它部分另撰文论述。
2 人机监控系统总体设计
人机监控系统模块(man-machine-interface module)包括监控DSP板及外围硬件电路、CPLD EPM7256逻辑控制电路、A/D模数转换电路、键盘和液晶显示驱动电路等。具体功能包括各类继电保护试验程序的下载与调用、对被测保护装置进行闭环自动调试、提供装置调试和试验模块选择界面、提供修改定值及参数的界面、循环显示电压电流输出信号的状态和参数、显示本身的运行状况、显示故障信息等。人机监控系统模块结构图如图2所示。
继电保护测试装置一般由上位机(PC机)控制下载试验程序完成相应测试任务,当装置脱离PC机独立工作时,嵌入式人机监控系统就充当了上位机的作用。监控系统内置的320×240点阵大屏幕高分辩率液晶显示屏用于人机交互,各组试验和控制操作可通过液晶显示屏由键盘设定,操作界面和试验结果均可汉化显示,直观清晰。由于功率放大器功耗大,并且电压源不允许短路,在发生过温、电压源短路等故障信号时,系统一方面通过硬件保护电路立刻动作切断被保护芯片电源,另一路将由CPLD EPM7256内部逻辑检测到后把保护信号送往上位机程序判断,并切断DAC输出信号,从而使设备有自我保护和一定的故障自诊断功能。
监控系统采用了TI公司的32位高性能DSP芯片TMS320F2812。其最高时钟频率为150 MHz,内部有128 K Flash,18 K SARAM,片上资源丰富[3,4]。复杂可编程逻辑器件(CPLD)在主控板中作为逻辑粘合芯片。设计中采用ALTERA公司MAX7256S系列的EPM7256QC-10芯片。CPLD可实现在系统编程(In System Programmable),应用MAX+Plus‖或Quartus开发工具软件,采用VHDL语句可以方便地进行编程并修改设计以实现一定的逻辑输入和输出功能[5]。系统采用自顶向下的设计方法并综合了VHDL语言和图形设计完成了系统的逻辑译码、时序控制和键盘输入扩展功能。除扩展I/O口之外,CPLD还和DSP的其它控制信号和数据线相连,利用等精度测频法完成高精度频率的测量任务[6]。
液晶显示模块采用了台北晶采光科技股份有限公司生产的AT-320240Q1型液晶显示屏,其内部嵌有SED1335控制器[7]。另外,装置中的A/D转换模块采用了高精度ADC转换芯片ADS8381,并通过CPLD逻辑控制完成对测试仪模拟输出信号的采集和A/D转换功能。为实现装置内部与主控制DSP模块之间的CAN通讯,人机监控模块采用了CAN通讯收发接口芯片SN65HVD230,该芯片具有差分收发能力,抗电磁干扰能力很强,最高通讯速率可达1 Mbit/s。同时,监控模块还通过片上一路SCI串口控制器扩展了RS232调试串口。通过与相应的上位机软件的配合,调试串口为用户提供包括修改装置参数、调试装置各模块功能、查看装置运行信息、查看故障信息、查看装置实时录波数据等。
为了调试和存储部分临时变量,系统还扩展了一片外部SRAM芯片IS61LV51216(512 K×16 bit),采用CS6信号进行片选,占据片外0X100000～0X1FFFFF空间。为了保存下载的各类试验程序,系统通过片外数据线和地址线扩展了一片FLASH芯片SST39VF800(512 K×16bit)。该芯片内页长度为2 K,块长度为32 K,擦写次数可达10万次,数据可保持100年以上,采用CS2信号进行片选,占据片外0X80000～0XFFFFF空间。另外,系统还通过SPI串行接口扩展了一片串行EEPROM芯片,用来保存定值和控制字等需要频繁改动的重要信息。
3 人机监控系统软件设计
人机监控DSP系统软件程序主要包含主运行程序、定时采样中断服务程序、键盘中断处理程序、告警模块程序和通讯程序。调试菜单程序和告警模块程序采用模块化设计。为保证实时处理和高速性的要求,装置采用多线程实时操作系统DSP/BIOS[8]来开发人机监控系统软件。基于DSP/BIOS的监控DSP板系统软件流程图如图3所示。
3.1 DSP/BIOS实时操作系统的应用程序设计
新型继电保护测试装置工作在调试和运行两种状态下。装置处于调试状态时,系统停止定时采样中断,这时人机接口程序实现时间、口令、通讯接口的设置,对装置的开关量通道和模数/数模通道进行全面的检查,实现多层菜单界面和键盘的管理,通过按键选择相应试验模块和参数设置;装置处于运行状态时,启动定时采样中断,由A/D定时采样(2 400 Hz)输出模拟信号,采用递推式快速差分傅氏算法进行电气参数的实时计算[9,10],监控程序可实时显示日期、时间、装置编号、各路采样电压电流的有效值及相位、各相差值或波形以及各种错误告警信息。
使用DSP/BIOS开发的应用程序对于所有与硬件有关的操作都必须通过调用一系列DSP/BIOS实时库中的API(应用编程接口)函数来实现。其中主要应用了硬件中断HWI、软件中断SWI和任务TSK三个核心模块来实现监控程序的任务调度。应用程序为每个任务指定一个优先级,各子程序在DSP/BIOS调度下按任务、中断的优先级排队等待执行[8]。一般来说,用到硬中断的任务放到HWI来完成,用到定时器的任务可以放到PRD(周期任务)中完成,其它任务放到SWI来完成。然后是确定线程之间的关系,根据它来设定各个线程的优先级,以及用什么方式通讯和交换数据。DSP/BIOS可根据各个任务的要求,完成资源(包括存储器、外设等)管理,消息管理,任务调度,硬/软中断处理以及异常处理等工作。在编写程序时,可以分别编写A/D数据采集、电气量傅氏算法、采样数据处理、按键处理、LCD液晶显示等各个任务,不必同时将所有任务运行的各种可能情况记在心中,大大减少了程序编写的工作量,减少了出错可能,保证了最终程序的高可靠性。
3.2 监控DSP系统内部通信协议的应用
通讯协议是保持上位机(PC机或监控DSP)与下位机(主控DSP)之间数据交换的桥梁。本测试装置采用自定义的内部通讯协议主要由一批通讯命令集合组成。通讯格式统一格式为:命令名称(3字节)+参数大小(6字节)+累加和(1字节),共10个字节。其中前三个字节(ASCII码字符)为参数命令的三个英文字母,如“A相电压”以“MUA”表示,其ASCII码为:4d 55 41。最后一个字节(十六进制)是前九个字节的累加和校验,溢出部分不管。中间六个字节(十六进制)中,对于电压、电流而言,第四、五个字节表示幅值,第六、七个字节表示相角大小(范围0000-3 600,表示0～360°),没有用到的填零;其它命令有:相位角设定ANL、波形下载DAT、延时命令DLY、频率设定FRQ、谐波叠加HAM、跳转指令JMP、开入开出查询KRC、直流量设定MDC、电流x相设定MIx、电压y相设定MUy、差动电流设定MIO、零序电压设定MUO、录波数据读取RDW、录波开始REC、开入触发设定TRG、开出触发设定TRP、联机及版本查询VER、下载波形设定WAV以及103规约报文控制命令集。每条通讯命令由发送字符串命令SST开始,以结束字符串命令SED结束。波形数据输出以命令STA开始,以命令END结束。命令可以单个执行,也可以是命令串的方式连续执行。保护装置测试实验时,上位机往往是连续发送多条命令,然后统一开始执行,下位机对接收的命令进行解析处理并执行输出。监控DSP与主控DSP之间使用CAN控制器发送/接收内部通讯协议数据。系统采用默认的SCC工作模式[4],省略时标功能,监控DSP邮箱1配置为发送方式,邮箱0为接收方式,与主控DSP邮箱的配置相反。CAN口的数据发送采用查询方式,数据接收采用中断方式。监控DSP系统CAN口中断服务程序流程图如图4所示。
在CAN接收中断函数读取数据以后,CPU必须验证RMP位没有被再次置位。如果RMP位已被置位,则数据可能已被破坏。CPU需要再次读取数据,因为在CPU读取旧消息时,又接到了一个新的消息。
3.3 异步串行下载程序的应用
新型继电保护测试装置允许通过DSP芯片的串行通信接口SCI将监控DSP的系统程序以及各类仿真试验程序加载到片内Flash存储器中[11,12]。F2812 DSP芯片本身并不支持串行加载技术,要对之进当对Flash进行程序下载时,必须先将对Flash编程的函数写入到F2812片内RAM中运行。F2812片内Flash共有10个不同大小页,调用API库中的擦除函数Flash_Erase()可实现分页擦除,擦除之后就可调用API函数库中的编程函数Flash_Program()进行对Flash的编程操作。编程结束后将接收缓冲区和Flash中写入的数据进行比较,数据相同表示编程结果正确。最后,上位机发送最后一段编程代码为新的用户程序入口地址,并加上专门的数据包头。DSP接收到新的用户程序入口地址后,重新进入软中断调用API函数对F2812高地址端Flash J页进行擦除和编程,从而将新的Flash空间入口地址写入Flash复位向量单元0x3F7FF6和0x3F7FF7。
TI公司的CCS编程连接生成的是COFF格式目标文件。该文件不能用常规方法打开,这里可采用Hex-Conversion Utility工具将COFF格式目标文件转化成ASCII16进制格式的数据流文件,包括常用的HEX,Intel等类型。从中提出有效的Flash编程代码,包括5个初始化段(分别是.cinit、.text、.const、.econst、.switch)和复位向量单元.reset段的内容,并将这些代码按接收缓冲区大小进行分页打包发送。
4 结论
嵌入式人机监控系统为继电保护测试装置提供友好的人机界面操作、整机自检和自动测试功能,能够有效地提高测试装置的工作效率并可脱离PC机工作。采用多线程实时操作系统DSP/BIOS设计监控系统软件可满足系统实时处理和高速性的要求。该系统在微机继电保护测试装置中应用前景广阔。
参考文献
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监控继电器 第3篇
在智能变电站条件下,作为变电站重要组成部分的继电保护与监控系统,其结构和实现方式也发生了历史性的变革。本文对智能变电站条件下继电保护与监控系统的结构特点、要解决的关键技术及智能变电站的网络通信系统、可靠性措施、构建流程等进行了综述,展望了智能变电站的保护与监控系统未来发展方向。
变电站二次系统的三次变革
变电站综合自动化系统实现了间隔层设备的智能化和站控层功能的网络化,曾经推动变电站二次系统经历了两次大的变革。
第一次变革是:保护装置、测控装置的智能化使得装置的硬件电路大大简化,功能的集成度和可靠性大大提高,由此带来了装置调试、维护的自动化水平大大提高,难度大大降低,劳动强度大大减轻。
第二次变革是:站控层功能的网络化使得变电站的监控功能得到了高度提升,功能实现变得非常方便,系统调试与维护变得非常简单。但是,由于间隔层到一次设备之间仍然采用传统的二次电缆连接,保护装置通过装于屏柜内的继电器操作箱或操作回路及敷设于电缆沟的二次电缆与现场的断路器控制回路共同构成跳、合闸回路,这样形成的跳、合闸回路结构仍然很复杂,给保护系统的调试、维护工作带来了很大的困难,使得保护定检工作的内容主要都集中在二次回路的检查上。另外,由于系统的电流电压信号、开关设备的状态信号也是通过二次电缆引入保护装置的,现场干扰就很容易通过二次电缆进入保护装置引起保护装置的不正常动作。此外,大量二次电缆的使用还大大提高了变电站的建设成本。因此缩短二次电缆、简化二次回路是继变电站综合自动化技术以后提出的又一个新问题。
智能变电站技术就是为解决这一问题而发展起来的,其思路是采用新型的电子式电流互感器(TA)、电压互感器(TV)来替代传统的电磁式TA、TV,采用智能化的开关来替代传统的开关,采用光纤通信替代二次电缆,从而达到简化二次回路的目的。由于电子式TA、TV和智能化开关由研发到成熟推广需要经历一个比较长的过程,现阶段主要是将信号采集和跳合闸回路等功能从间隔层保护、测控装置中独立出来,做成智能组件,前移到一次设备附近,与一次设备融合成智能化一次设备,这样,过程层的智能化一次设备与间隔层的保护、测控装置之间就可以实现光纤通信了。随着智能变电站技术的发展和推广应用,变电站二次系统将迎来第三次大的变革,智能组件和断路器之间的接线和调试工作将可以在开关制造厂内完成;变电站二次系统的现场安装、调试、维护工作将变得非常快捷;保护系统的状态监测和状态检修将可以通过通信自检和软硬件自检来实现,可靠性将大大提高,定检难度将大大降低。
智能变电站保护与监控的结构特点
智能变电站继电保护的结构特点
常规变电站与智能变电站继电保护系统的结构比较如图1 所示。常规变电站在保护装置里实现电流电压、开关状态的采集及跳闸信号的出口,跳合闸回路由位于间隔层的操作箱、敷设于电缆沟的二次电缆和位于开关场的断路器控制箱共同构成。智能变电站将信号采集功能和跳合闸回路都集中到智能化的一次设备里实现,保护装置则通过光纤通信获取信息、发出跳令。
(a)常规微机保护系统(b)智能变电站保护系统
智能变电站监控系统的结构特点
常规变电站与智能变电站监控系统的结构比较如图2 所示, 常规变电站通过二次电缆实现一次、二次设备间的联系,智能变电站则通过光纤通信实现过程层智能化一次设备和间隔层二次设备间的联系。
智能变电站保护与监控系统必须解决的几个关键问题
不同厂家设备的互联、互操作、互替换问题
由于所有的保护、监控功能都借助于网络通信来实现,因此,通过网络共享的全站信息都必须标准化,使不同厂家提供的设备间能够实现互联、互操作和互替换。IEC61850 标准为上述要求的实现提供了技术保障,它不仅在通信层面解决了不同厂家设备间的互联、互操作、互替换问题,而且还对智能变电站的建设和设备研发提出了完整的技术规范。因此,IEC 61850 标准是智能变电站技术的基础,也是智能变电站建设的指导性文件。
(a)常规的变电站综合自动化系统(b)智能变电站系统
智能组件与保护、测控装置之间的高速通信及跨间隔采样信号间的同步问题
微机保护装置在采集电流、电压量时,使用交流采样技术对所有信号进行同步等间隔采样,采样频率一般是1200Hz,相当于每个周波采24 点,采样间隔为0.833ms,由此得到的数字量电流、电压信号比较好地保持住了其固有的相位关系。把保护装置的采样环节移至合并单元后,有两个问题需要解决,一是要保证在0.833ms里面将采样值安全可靠地送达保护装置;二是对于变压器、母线这类跨间隔设备的保护装置,其电流、电压量来自若干个合并单元,它们之间也必须保持同步。
微机保护装置在动作时,首先向出口继电器控制电路发跳闸脉冲,经过3 ~ 5ms延时后出口继电器闭合,跳闸命令出口。把保护装置的出口环节移至智能终端后,保护装置的跳令必须保证在1ms内安全可靠地送达智能终端。
另外,微机保护装置对开关状态也是0.833ms采样一次并即采即用,这也就意味着保护装置内部开关量的刷新周期为0.833ms。把保护装置的状态量采样环节移至智能终端后,要保证开关设备的任何状态变位也必须在0.833ms内可靠送达保护装置。
要解决上述问题,首先必须解决保护装置与智能组件间的高速通信问题,100M交换式高速以太网是当今比较流行的一种网络,就通信速率而言,已完全能满足上述要求了,但报文传输延时存在着很大的不确定性,难以确保上述信息在毫秒级的时间段内能准时送达目的设备。IEC 61850 标准为此目的专门提出了两种快速通信报文协议,一种是采样值(SV)报文协议,专门用于传送电流、电压采样信号;另一种是面向通用对象的变电站事件(GOOSE)报文协议,专门用于传送跳闸命令和开关状态信息。为了解决以太网传输延时的不确定性问题,这两种通信报文协议都避开了以太网通信协议的第二、第三协议层(即IP协议层和TCP协议层),直接将SV、GOOSE报文的收发映射到链路层协议上。由于传输SV报文和GOOSE报文的以太网一般都是独享的专门网络,因此,又称为SV网和GOOSE网。事实上,如果要求不是特别高的话,这两类报文是可以共网传输的。
（a）智能变电站网络结构图（b）IEC 61850 通信服务与网络协议栈间的关系
为了解决跨间隔电流、电压采样值之间的同步问题,保护装置采用了插值和再采样技术。合并单元把采样速率提高到4000Hz(即每周波采样80 点)以上,将采样时标和二次传输延时连同采样数据一起上送保护装置。保护装置根据SV报文提供的采样时标和二次传输延时,结合具体的报文上送模式确定数据采样的精确时标,再依据该时标将收到的采样值记录到相应的时间轴上。每路信号对应一个时间轴,保护装置以固定的采样频率对所有时间轴进行等间隔二次采样,二次采样值由时间轴上采样点前后的数据以插值法计算得到。二次采样的原理如图3 所示。由于保护装置收到的采样数据存在时延,因此二次采样值也有一个固定的小延时△t,图中T5时刻的二次采样值要到T5+ △t时刻才能得到,但由于二次只能的时标跟实际信号的时标是一致的,只是得到采样值的时间推迟了△t,并且△t又很小,因此不会影响保护计算。
由于以太网的传送时延存在不稳定性,因此数据采样时标只能由合并单元提供,这就对合并单元的时钟精度提出了很高的要求,必须采取精确对时措施。工程上一般采用的IRIG-B码对时就可以满足要求了,在条件许可时也可采用IEEE 1588 网络对时,但支持IEEE 1588 标准的网络交换机价格比较昂贵。
智能组件的可靠性问题
由于智能组件要安装在一次设备附近,高频电磁干扰非常严重,工作环境比较恶劣,高低温落差很大,空气中的湿度变化也很大,这些因素都会影响到智能组件的稳定、可靠运行。因此,在设计智能组件时必须把其能长期在恶劣环境下稳定可靠工作作为一项重要指标来考虑。
智能变电站的网络通信系统
智能变电站的网络结构如图4(a)所示,由站控层、间隔层和过程层三个层次组成。IEC 61850 标准为这三个层次间的通信分别定义了GOOSE、SV和制造报文规范(MMS)三种类型的通信服务协议。SV通信服务协议主要用于过程层合并单元与间隔层保护、测控装置间的模拟量采样值传送,GOOSE通信服务协议主要用于过程层智能终端与间隔层保护、测控装置间跳合闸命令、开关状态的传送以及间隔层设备间的联闭锁信号的传送,MMS通信服务协议主要用于间隔层设备与站控层设备间的信息传送。SV通信、GOOSE通信对速度和时延的要求都很高,而MMS通信对速度和时延的要求不高,因此,IEC 61850 把SV和GOOSE通信服务直接映射到以太网的链路层上,把MMS通信服务映射到以太网第三层协议上,三种服务使用通信协议栈的情况如图4(b)所示。
在网络应用层软件的实现方面,为了避免不同厂家在直接使用实体网络命令时可能出现的差异性,也为了方便网络版本的升级和网络类型的更换,IEC 61850 在网络的通信服务接口与智能电子设备(IED)内部应用程序之间设置了一道特殊的通信服务映射层(SCSM),并为IED内部应用程序提供了统一的抽象通信服务接口(ACSI)。IED应用程序使用ACSI提供的命令访问网络,SCSM负责将ACSI命令统一映射成实体网络图3 二次采样原理命令。不同的网络对应不同的SCSM程序模块,当网络更换或升级时,只要更改SCSM程序模块,不涉及IED应用程序的修改。
MMS通信服务协议通过引入“虚拟制造设备(VMD)”和“映射”两个概念解决了间隔层设备和站控层设备间的互联、互操作、互替换问题。VMD是为通信目的而虚构出来的一种设备,任何要通过网络共享信息的设备,都必须先“映射”到VMD。由于与VMD相关的所有对象和服务都是经过该协议严格定义的,因此,VMD之间的互联、互操作是完全没有问题的。将实体设备的外部功能映射到VMD的过程就是“面向对象建模”的过程。
智能变电站保护与监控的可靠性措施
高效、可靠的GOOSE信息发送机制
IEC 61850 采用发布/ 订阅机制向接收设备分发GOOSE信息报文,为了实现GOOSE报文的实时传输,该机制设计了报文带优先级标签的无连接模式,并绕开了以太网的TCP层和IP层直接通过数据链路层和物理层进行数据收发。网络交换机收到带优先级标签的报文时,将优先转发以缩短转发延时。无连接模式可以省去来回确认的麻烦以提高发送效率,一帧报文放到网上所有订阅者都能收到。支持IEEE 802.1P协议的第二层交换机能够实现高优先级报文优先传递的功能。
为了保证GOOSE信息发送的可靠性,IEC 61850 还使用了图5 所示的GOOSE信息发送机制。
当一个事件发生时,GOOSE立即用广播方式发送一遍该信息,之后以时间间隔T1将该信息连续发送两遍,以后再以时间间隔T2发第三遍,以时间间隔T3发第四遍,如此一直持续下去。当时间间隔Ti≥ T0时就改用稳定的时间间隔T0进行持续循环发送,直到下次事件的发生。时间间隔Ti= 2i×S,S=1ms(可根据需要调整),T0通常设定为5s(可根据需要调整)。以间隔T0发送的报文相当于GOOSE发送方的心跳报文,当接收方持续在2T0的时间间隔内没有收到心跳报文时,就发GOOSE中断告警信号。为了区分不同的事件,GOOSE报文还设置了状态号(stnum)和顺序号(sqnum)两个参数,当新的事件发生时,状态号自动加1、顺序号自动清零,之后状态号保持不变,每重发一次顺序号自动加1。Stnum和sqnum分别占4 个字节,最大值为4294967295,计满后自动从0 开始。
开关状态变位时接收端的安全确认机制
为了使接收端能够安全可靠地确认开关状态的变位,IEC 61850 标准为GOOSE数据设计了单帧接收和双帧接收两种机制,对于重要的GOOSE信息(如跳闸命令)可采用双帧接收机制以确保可靠性。在智能变电站系统中,智能终端通常使用双帧接收机制,在新的事件发生后要收到两帧GOOSE数据相同的报文才更新数据,保护和测控装置通常使用单帧接收机制,只要收到变位报文就立刻更新数据。
继电保护应对设备检修的安全性措施
为了便于设备检修,构成智能变电站继电保护系统的继电保护装置、合并单元、智能终端都设有置检修压板,当设备检修时,只要置检修压板置1,装置发出的SV或GOOSE报文中就带有测试(test)标志,接收端通过报文的test标志就可以判断出发送端已处于置检修状态。为了保证检修的设备不影响正常状态设备的运行,提高设备检修的灵活性和可靠性,接收方在处理SV或GOOSE数据时要根据收、发双方的运行状态分类进行处理,当发送方和接收方置检修状态一致时,接收方对收到的SV或GOOSE数据可以进行正常处理,当发送方和接收方置检修状态不一致时,接收方对收到的SV或GOOSE数据只作事件记录和状态显示等另类处理。
SV网和GOOSE网的数据过滤措施
在智能变电站继电保护实施方案中,跨间隔信号一般都采用SV网或GOOSE网进行传输。由于SV报文和GOOSE报文都是采取发布/ 订阅机制传送的,因此如果对网络交换机不作相应处理的话,发送方只要发出SV或GOOSE报文,交换机就会在网上广播该报文,网上所有设备不管它是否需要都能收到,这给不需要该报文的设备增加了沉重的数据接收和处理负担,严重时甚至会引起网卡缓冲区溢出,丢失有用报文,必须采取过滤措施,让交换机只向需要该报文的设备转发。网络交换机的VLAN隔离和多播过滤就是为满足上述需求而设计的,通过这两项措施可以有效防止SV报文或GOOSE报文的泛滥,减轻网络负担,从根本上解决无用的SV或GOOSE报文对IED应用程序的影响。
VLAN是虚拟局域网的简称,它可以把一个大规模的局域网划分为若干个小规模的逻辑局域网。当把SV报文或GOOSE报文的收发双方都划在同一个逻辑局域网里时,发送方发出的报文就只限在同一个逻辑局域网内广播。支持IEEE 802.1Q VLAN协议的第二层交换机可以实现这一功能,VLAN通常按端口进行逻辑划分。在以太网的IEEE 802.1Q标签帧中有一个长度为12bit的VLAN ID用于标识逻辑局域网,VLAN ID的值可以在网络交换机的配置界面上设置。在配置交换机时,只要把属于同一个逻辑局域网的端口的VLAN ID设置成相同的值就可以了,交换机在进行报文转发时,只向具有相同VLAN ID的端口转发报文。
多播过滤有静态多播配置和动态多播分配两种实现方式。静态多播配置是通过配置交换机静态多播地址表来实现多播报文过滤的一种方式,原理简单但配置复杂,IED连接的交换机端口必须固定不变。动态多播分配是使用GMRP多播注册协议来实现交换机动态分组的一种技术,当一台设备要加入某一个多播组时,它必须发出GMRP加入消息,交换机自动将发出GMRP消息的端口加入该多播组,并在VLAN中广播该GMRP加入消息,使VLAN中的多播源知晓该组成员的存在。当多播源向多播组发送多播报文时,交换机只将报文向加入该多播组的端口转发。GMRP多播注册协议可以在VLAN网内实现第二层多播。
智能变电站保护与监控系统的构建流程
智能变电站保护与监控系统的构建流程共分四个阶段,分别由IED设备厂商、电力设计院、系统集成商共同来完成。
第一阶段,由设备厂商为IED设备建模,给出描述IED基本数据模型和服务的ICD文件和与输入/ 输出信号逻辑联系点相对应的虚端子图。
第二阶段,由设计院为变电站一次系统建模,给出描述变电站一次系统结构及相关逻辑节点的SSD文件;根据虚端子图设计GOOSE、SV连线,提供图纸方式的GOOSE、SV连线表。
第三阶段,由系统集成商依据ICD文件、SSD文件及GOOSE、SV连线表在系统配置工具软件上生成SCD文件。SCD文件是智能变电站的全站信息描述文件,变电站的站控层设备、间隔层设备、过程层设备的功能配置信息都来自于该文件。在变电站的建设、运行维护和扩建过程中,必须进行SCD文件的版本管理,始终保持SCD文件有效版本的唯一性。
第四阶段,由IED设备厂商使用自己的配置工具软件从SCD文件里导出记载了IED实例配置和通信参数、IED之间通信配置信息的CID模型文件及相关的配置文件,并将这些文件下载到IED的相应板卡上得到实例化的IED。
智能变电站保护与监控系统的发展展望
传统的继电保护都是面向间隔进行设计和配置的,每个间隔都要配置一套或多套主后备保护,信息的获取和处理都各自为政,不仅造成了设备的大量重复投资,而且还大大提高了设备的后期运行维护费用。智能变电站实现了全站信息的数字化和信息共享的标准化,为站域保护控制系统的应用提供了基础性支持。目前业内正在开展站域后备保护的研究与试点工作,未来的主保护仍然按间隔进行设计和配置,后备保护则可以突破间隔的限制,改由站域保护来替代。站域后备保护应用的突破,不仅可以减少设备的重复投资、方便保护的集中管理,而且还可以与广域保护系统联网,由广域保护系统根据电网结构的变化自适应调整站域后备保护的定值,提高后备保护对复杂电网的适应能力。
监控继电器 第4篇
1 重庆地铁六号线工程特点分析
重庆市是著名的山城, 其地铁建设因地形、气候因素受限较多, 共设置16座车站, 很多车站因埋深问题都采取TBM暗挖过站的方式, 车站内机电、环控等专业设备数量多、系统复杂。其车站内监控系统主要通过PLC控制器配置有与环控设备智能低压控制柜、冷水机组以及给排水水泵等的通讯接口、硬线接口, 实现对相关设备的监控。
2 环控机电设备配电柜的智能化
重庆地铁六号线一期工程车站通风空调系统主要包括:
(1) 车站内通风空调系统分为两个系统, 大系统:公共区通风空调系统, 兼做公共区排烟系统。小系统:车站设备与管理用房通风空调系统设备, 兼做设备区排烟系统。
(2) 空调水系统设备, 系统的监控对象是冷水机组及其配套设备, 以及各类调节阀。调节点一般是末端装置, 及调节阀。
(3) 各类传感器、执行器。按照环控系统与FAS系统的设计, 火灾模式下, 立即停止车站大系统的空调水系统, 同时停止车站小系统运行。由站台回排风系统及隧道通风系统同时运作排烟, 并进行人员疏散, 整个车站控制系统进入消防联动模式, 以上论述的环控系统模式切换和切除非消防负荷是重要的手段。
环控机电设备由智能化环控低压柜负责配电及控制, 主要实现对通风空调机电设备的测量、控制、保护等功能。智能低压控制系统由智能元件、现场总线、通信管理器等组成, 通信管理器是环控低压柜与BAS系统的接口。智能低压控制系统示意图如图1。
3 应用智能低压电器对环控机电设备运行的改善
智能低压电器的运用容易实现对电机的各种保护, 如过载、三相不平衡、短路等;而且易于实现在火灾时电机过载故障只动作于信号不动作于跳闸。六号线一期工程的环控柜内部采用了大量智能低压单元实现对用电设备的监视、测量、控制和保护, 提高了开关设备运行的可靠性和准确性, 同时其采用智能控保装置, 对电动机提供准确的过热保护。
电动机的积累过热量θΣ为:
式中, Tfr为电动机的发热时间常数
当θΣ≥θT时, 过热保护动作。θΣ=0表示电动机已达到热平衡, 无积累过热量。电动机在冷态 (即初始过热量θΣ=0) 的情况下, 过热保护的动作时间为:
重庆地铁六号线一期工程采用ABB公司的可嵌入式web技术低压设备, 其智能化程度具备上述功能, 提高了开关设备运行的可靠性和准确性, 实时为用户提供所需要的信息, 为系统的智能化管理提供了极大的便利。
4 光电园车站机电设备监控及系统调试结果
以下以重庆六号线一期工程典型车站光电园站为例, 论述智能低压电器在环控机电设备监控中的应用以及其调试结果。
光电园站现场控制箱布置在车站的环控机房、重要的设备房屋等, 根据各个系统专业提供的监控分类和数量资料, 具体确定各个区域的I/O模块的类型和数量。就环控系统来说, 是将其要求的温度量、湿度量、二氧化碳浓度量这三类经常检测的环境参加, 通过传感器模数转换成电信号, 实现环控机电设备运行环境的实时监控。
光电园站通风空调机电设备的控制采用中央级、车站级和就地级三级控制, 对于通风空调系统的调试, 该系统的调试主要检验通风空调系统与监控系统通讯及数据传递的正确性, 以保证实现所有功能。表1是光电园站正式验收、联调联试时的部分数据。
由上述对系统接口和联动功能的联调测试结果, 可以看出环控机电设备监控系统在使用了大量智能低压电器后, 该系统控制模式执行正确, 被控设备能够正常运作。
5 结语
本文以重庆轨道交通6号线一期工程为例, 简要论述了地铁工程中环控系统机电设备的监控系统以及其下端控制单元中, 使用了大量智能低压元件, 节省了二次电缆和I/O设备, 在降低了整个监控系统造价的基础上, 提高了系统的可靠性。并通过工程验收的通过系统联调测试, 验证了机电监控系统能够对相关机电设备实现安全可靠的实时监控, 达到了预期的要求。随着国内城市轨道交通建设的发展, 低压电器的智能化是地铁内机电监控系统安全可靠运行的重要保障。
摘要：本文通过分析智能低压系统在轨道交通工程中的设计和应用, 并结合重庆市地铁六号线工程, 本文通过对环控系统机电设备的自动化监控及管理进行分析和探讨, 以及该系统调试和试运行分析结果, 论述低压电器的智能为整个轨道交通系统安全可靠运行提供了基础保障。
关键词：地铁工程,低压电器智能化,城市轨道交通自动化系统
参考文献
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