电子式互感器与继电保护接口的实现

资源类型:pdf 资源大小:535.00KB 文档分类:工业技术 上传者:罗春惠

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【作者】 刘青  王增平  徐岩  焦彦军 

【关键词】电子式互感器 继电保护 数字接口 

【出版日期】2005-04-30

【摘要】为了使继电保护装置尽可能应用能解决长期困扰继电保护的互感器饱和及暂态准确度不高等难题的电子式互感器,以光学电流互感器(OCT)为例,根据电子式电流互感器标准IEC60044 8 及变电站通讯网络和系统协议IEC61850,设计了OCT与继电保护装置的接口方案,介绍了硬件结构及软件流程,并利用测试软件对该接口方案进行了实验。实验结果表明,该接口能很好地完成电子式互感器与继电保护装置之间的通讯功能。

【刊名】高电压技术

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0 引 言电力系统发生故障时一次侧暂态电流的非周期分量会引起常规电磁式电流互感器(TA)饱和,使其二次侧电流波形畸变,从而影响快速准确判别故障,不能更好地满足继电保护快速性、灵敏性、选择性和可靠性的要求。而基于法拉第磁光效应的光学电流互感器(OCT)测量范围宽,绝缘简单可靠,无磁饱和,无二次开路危险,抗电磁干扰能力强,体积小,重量轻,安装运输方便,易于同微机保护接口,解决了长期困扰继电保护的TA饱和及暂态准确度不高的难题。我国目前已有部分 OCT 挂网运行,但各厂家的实现方法不同,使新型 OCT 与保护装置间的接口标准问题目渐突出。本文根据最新的IEC61850设计了OCT同现有微机保护接口的实现方案、OCT专用继电保护装置的硬件及软件结构。1 IEC60044和61850规定简介IEC60044[1,2]对电子式互感器(包括 OCT)的输出接口规定如下:①对数字光输出 OCT 的要求为:幅值的 10% ~ 90%两点间的升降时间应< 20ns;脉冲特性中超调量应低于光脉冲额定输出的30%;最大、最小传输功率分别为-15、-20 dB(基准为1 mW)。②数字光输出OCT连接的保护装置应添加光接受单元电路,对光接受的要求为:幅值的10%~90%两点间的升降时间应<20 ns;脉宽畸变度应<25 ns;最大、最小接受功率分别为-15、-30dB。在半电压点测量的时钟偏差应在标称时钟周期的±10 ns以内。IEC61850[3~6]是变电站自动化系统的一完整通信标准体系,其技术特点为:①使用面向对象建模技术;②使用分布、分层体系;③使用抽象通信服务接口(ACSI)技术;④使用特殊通信服务映射SCSM技术;⑤使用MMS技术;⑥具有互操作性;⑦具有面向对象、面向应用开放的自我描述的方法;⑧具有面向未来的、开放的体系结构。IEC61850 将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层 3 层(见图1)。变电站层和间隔层间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以太网或光纤网。间隔层和过程层间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。过程层主要完成开关量 I/O、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能。图1 变电站自动化系统接口通信结构Fig 1 Interface model of substation automation system2 OCT与继电保护接口的实现方案2 1 硬件配置方案按 IEC60044 和 61850 规定,下放原微机保护中的电压形成回路、S/H和 A/D转换到 OCT中完成,简化了OCT与微机保护装置的接口(见图2)。图2 OCT与继电保护装置的接口实现框图Fig 2 Block diagram of interface of protection relay and OCT1)OCT数字信号处理单元 将原来由间隔层继电保护装置完成的模拟输入模块、低通滤波模块、数据采样及 A/D 转换的功能下放到过程层中,由OCT的数字信号处理单元来完成,输出数字信号。利用DSP高速灵活的特点,采用具有浮点数字信号处理芯片的TMS320C32CS型数字信号处理板。2)信息合并单元 将 OCT输出的数字信号汇总并填入同一数据帧中使其保持同步后再打包校验,通过光纤以太网按照 IEC61850 9 1 通讯协议传送至继电保护装置。采用这种通讯接口方式的继电保护装置只需单向接收信息合并单元传送过来的采样数据,从而避免了信道冲突的问题,保证了数据传输的可靠性。同时,保护装置获取采样数据的时间大大缩短,提高了继电保护装置的实时性[5]。合并单元的网络接口芯片采用 Realtek 公司的RTL8019AS,它具有32个输入输出地址,偏移量为00H—1FH,其中00H—0FH为寄存器地址,10H—17H为 DMA 地址, 18H—1FH 为复位端口。另外,RTL8019AS的静态存储器(SRAM)为16 kB的双端口存储器,可实现两组总线的连接[6]。3)光接收模块 用来完成光电转换工作,将前端信息合并单元传过来的光信号采样值转换为电信号采样值,并传至主 CPU 进行数据处理判断。数字光接口模件(DOIM)可处理 6 个独立的通道,输出一全数字串行规约,由数字信号处理器控制,具有实现不同规约的灵活性。4)主、从 CPU 的选择 继电保护装置采用双CPU配置,两 CPU 间通过双口 RAM实现数据交换。目前微机保护装置中的从 CPU 采用80C196KC,负责人机接口和实时通信等功能。而主CPU一般都选择具有快速运算能力的 DSP—TMS320C32,但它不具备以太网接口的功能,因保护装置与信息合并单元采用光纤以太网连接,故须外配一网络芯片来完成网络接口功能。随着摩托罗拉最高集成度的第 2 代 ColdFire微处理器的推出,主CPU可采用具有以太网接口的嵌入式微处理器MCF5272,其优点有:①为 32 位微处理器,具有片内32位地址、数据总线、16 个通用 32 位数据地址寄存器、乘法及累计单元(MAC)和硬件整数除法单元。②集成了合乎 IEEE802 3 10/100M的快速以太网控制器(MAC)模块,能支持 100 Mbps MII、10Mbps MII和10 Mbps 7 Wire三种不同的网络物理接口。有专用DMA通道,无需CPU干预即能自动完成以太网收发功能。③具有1个USB模块,可操作内外收发器的设备控制器。④具有4 kB SRAM、16 kB ROM、1 kB指令高速缓冲存储器。⑤具有 2个UART,各有24 B的FIFO。⑥扩展外围存储器接口可接8、16、32位的SRAM、ROM。同步动态存储器(SDRAM)控制器可支持16~256 MB的容量。⑦具有超高速的计算能力,在 66 MHz下操作速度为63 MIPS(MIPS:每秒一百万条指令),可在一个单指令周期内完成16×16位的乘法指令,完全可实现采样值接收、保护计算及出口判断功能。2 2 软件流程主 CPU 采用以太网接收中断方式,实现保护计算和出口判断。从 CPU采用键盘响应中断和串行通信接收中断程序,完成人机接口和通信功能,程序流程图见图3[7,8]。3 实验测试及结果根据河北省保定市某变电站 110 kV线路挂网试运行的自适应光学电流互感器(AOCT)输出,利(下转第68页)(上接第5页)用Commtest接口测试软件进行了数据传输通信测试(结果见图4、5),可见采样数据传输的完整性和可靠性良好,满足继电保护快速实时性的要求。图3 CPU程序流程图Fig 3 Flow chart of CPU program图4 变电站运行的AOCT输出曲线Fig 4 Output curve of adaptive optical currenttransducer in the substation图5 保护装置接收数据输出曲线Fig 5 Output curve of received data of protection device4 结 语本文OCT与继电保护的接口方案结构简单,大大提高了采样数据的实时性和抗干扰性,具有广泛的适应性,为将OCT、光纤局域网和光纤继电保护集于一体的光纤变电站自动化系统提供了基础。电子式互感器与继电保护接口的实现@刘青$华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室!保定071003 @王增平$华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室!保定071003 @徐岩$华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室!保定071003 @焦彦军$华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室!保定071003电子式互感器;;继电保护;;数字接口为了使继电保护装置尽可能应用能解决长期困扰继电保护的互感器饱和及暂态准确度不高等难题的电子式互感器,以光学电流互感器(OCT)为例,根据电子式电流互感器标准IEC60044 8 及变电站通讯网络和系统协议IEC61850,设计了OCT与继电保护装置的接口方案,介绍了硬件结构及软件流程,并利用测试软件对该接口方案进行了实验。实验结果表明,该接口能很好地完成电子式互感器与继电保护装置之间的通讯功能。[1]IEC 600447.Instrument transformers.Part7:Electronic voltage transformers[S],1999. [2]IEC 600448.Instrument transformers.Part8:Electronic current transformers[S],2000. [3]任雁铭,秦立军,杨奇逊IEC61850通信协议体系介绍和分析[J]电力系统自动化,2000,24(8):6264 [4]谭文恕变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍[J]电网技术,2001,25(9):811 [5]IEC618508.Communication network and systems in substations.Part8[S],1999. [6]IEC618509.Communication network and systems in substations.Part9[S],1999. [7]邱大为,游大海,尹项根,等一种带光纤数字接口的继电保护装置的研究[J]继电器,2003,31(5):3336 [8]余春雨,李红斌,叶国雄,等电子式互感器数字输出特性与通讯技术[J].高电压技术,2003,29(6):78,11国家自然科学基金资助项目(50347023);; 华北电力大学青年教师科研基金资助项目(93201021)

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