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摘要:随着科学技术的提高，变电站综合自动化技术将是电力系统的发展方向，而微机继电保护是其重要的组成部分。为此，本文对变电站综合自动化微机继电保护进行了相关探讨，重点阐述了变电站综合自动化微机保护功能的实现，确保了电网安全与稳定。
关键词: 变电站；电力系统；综合自动化；传统监控系统；CPU主系统；微机保护
近年来，随着科学力量和电网现代化的规模不断扩大，变电站综合自动化技术将是电力系统的发展方向，对于配电网变电站、无人值班变电站而言微机继电保护是其重要的组成部分，目前许多变电站正在进行微机化改造，即进行综合自动化改造，所以对配电网变电站微机继电保护的研究是分重要的。
1变电站综合自动化系统的结构与类型
变电站综合自动化系统的结构是由 “数据采集和控制”、“继电保护”、“直流电源系统”三大块构成变电站自动化基础。“通信控制管理”是桥梁，联系变电站内部各部分之间、变电站与调度控制中心之间使其相互交换数据。“变电站主计算机系统”对整个综合自动化系统进行协调、管理和控制，并向运行人员提供变电站运行的各种数据、接线图、表格等画面，使运行人员可远方控制断路器分、合操作，还提供运行和维护人员对自动化系统进行监控和干预的手段。
变电站综合自动化系统的组成在结构形式上主要可分为集中式、分布集中式、集中和分散结合式、分散式四种。
1.1集中式变电站综合自动化系统
集中式变电站综合自动化系统是按功能要求配置相应的继电保护装置及远动装置并安装在变电站的中央控制室内。变压器、各进出线及其他电气设备的运行状态通过CT、PT、开关辅助触点由电缆传送到变电站的中央控制室的保护装置和远动装置内，经初步处理后送到I/O通信控制器进行数据格式的变换，并将变电站所有保护、测量、信号和控制信息统一处理，与当地的后台机和远方调度中心进行信息交换。此种方式实际上是现有微机保护与微机远动的系统集成，但其组屏多，占地面积大，而且需敷设大量电缆，投资和工程量大，应用会越来越少。
1.2分布式(分散式)综合自动化系统
分布式综合自动化系统按回路进行设计，每一个开关柜上或其他一次设备上就地安装微机保护单元和单回路的数采/监控单元，故开关和其他一次设备与单回路的数采/监控单元和微机保护单元在同一柜内，可免去大量的电缆联接，同时也提高了抗干扰能力，它无须再设置继电保护和远动装置屏，大大减化了二次设备，并减小了占地面积。故分布式变电站综合自动化系统自问世以来，显示出强大的生命力。
1.3分布集中式综合自动化系统
分布集中式综合自动化系统将整个变电站的一、二次设备分为3层，即变电站层、单元层和设备层。变电站层称为2层，单元层为1层，设备层为0层。变电站综合自动化系统主要位于1层和2层。
1.4集中与分散结合式综合自动化系统
集中与分散结合式综合自动化系统按每个电网元件(如:一条出线，一台变压器、一组电容器等)为对象，集测量、保护、控制为一体，设计在同一机箱中。至于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍可采用集中组屏安装在主控室内。
2变电站综合自动化微机保护功能实现
2.1变电站综合自动化微机保护的功能和特点
反映数字量的微机型保护的出现，在功能上除了满足继电保护选择性、快速性、可靠性、灵敏性基本要求外，还具有以下功能和特点:
⑴通信功能
通信接口是微机保护用于变电站综合自动化的必要条件，具备有RS－232，RS－422/485等标准接口。RS－232接口可以方便地转化为光信号，方便与远动装置的光纤连接，结合分布式的RTU实现保护远动的就地安装，将大大节省电缆投资。RS－422/485的抗干扰能力强，且传输距离较长，同时可以挂网，使微机保护即可分散安装也可集中组屏。一般微机保护通信规约具有基本命令和报文功能，在正常的通信行为中应处于被动的状态，接收来自远方的各下行询问命令，在发生异常及保护动作后，主动上报相关报文。
⑵保护功能的远方投切
随着变电站综合自动化及无人值班变电站技术的发展，在远方完成保护功能的投切显得愈为迫切。微机保护装置中各功能由软件控制是否投入运行，以满足远方投切的要求，其功能如同常规保护所设立的连接片。这种软件控制开关称为软连接片。软连接片引入微机保护之后，此时的保护程序标准化变得易于实现，程序编制应按最大考虑，对各功能模块加设软件连接片，用户可根据使用环境调整软连接片。
⑶远方整定功能
这是变电站综合自动化系统中微机保护的重要特征，也是无人值班技术的基础。为保证定值远方传输的正确性，必须进行定值返校及修改确认。在进行远方整定的操作过程中，保护装置在未收到修改确认命令前应按原定值不间断运行，当收到确认命令号，将新定值写入定值区后按新定值运行。在远方整定过程中保护始终不退出，因而提高了供电连续性及可靠性。
⑷自动校时功能
信号传输采用数字通信方式，事件报文含发生时刻，计算机时钟的准确是事件排序正确的基础。微机保护若用于多个变电站综合自动化系统，其校时方法至少应具备两种，即通信广播校时及分、秒中断校时。变电站综合自动化主站在接到上级等时钟信号后，对站内所有计算机进行时钟分校时或秒校时，保证全站所有智能设备时钟一致，最好精确到毫秒。
⑸独立性
微机保护的发展，其硬件越来越完善，由单一CPU完成多种保护、单一CPU完成多个开关的保护，发展到现在单个开关保护由独立CPU完成，微机保护的独立性具体表现在以下几个方面:保护运行与通信无关；保护与测量无关，不应将测量及远动与保护混为一体；保护电源独立，不与其他保护共用；保护CPU独立。这是微机保护安全性、可靠性的基础。
(6)附加功能
微机保护作为变电站综合自动化中重要一环，应在维护与调试的便捷方面下功夫。除去正常的自检功能外，还增设下列有关功能:
①采样通道校验功能。在校验或检修状态下，保护自动显示指定通道输入量大小，并可方便调节校准。
②出口中间继电器校验功能。由软件在校验状态下实时驱动出口回路，校验装置出口回路是否完好。
③相关状态输入量校验功能(如复归输入、开关设置等)。校验与状态量有关保护功能的输入正确性。
④具备较完整功能的试验单元。通过简单的电缆连接，可以模拟保护装置所需故障量及开关状态。
2.2变电站综合自动化微机保护系统硬件结构
通常一套微机保护装置的硬件构成可分为五部分，即数据采集系统、CPU主系统、开关量输入/输出系统、人机接口与通信系统、电源系统。图1给出了典型微机保护装置的硬件构成。主要说明如下:
图1变电站综合自动化微机保护系统硬件结构图
⑴数据采集系统
数据采集系统(模拟量输入系统)的主要功能就是将由TV、TA输入至保护装置的电压、电流等模拟量准确转换成所需的数字量。该部分主要包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路开关及模数转换。
⑵ CPU主系统
CPU主系统是微机保护装置的核心，它包括中央处理单元(CPU)、只读存储器(一般用EPROM)、随机存储器(RAM)以及定时器等。保护装置工作时，CPU执行放在EPROM中的程序，将数据采集系统得到信息输入至RAM区并进行分析处理，以完成各种继电保护功能。
⑶开关量输入/输出系统
开关量输入/输出系统是微机保护与外部设备的联系电路，它由若干个并行扩展芯片、光电耦合器及中间继电器等组成。该系统完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输入等功能。
⑷人机接口与通信系统
人机接口与通信系统是由液晶显示器、键盘、打印机及通信芯片等组成，完成装置调试、系统状态显示、定值整定及实现与其他设备通信等功能。每个保护装置都带有标准的通信接口电路，如RS－232，RS－422/485，CAN或LONWORK等现场通信网络接口电路。
⑸电源系统
电源系统提供整个装置所需要的直流稳压电源，一般采用逆变电源将输入的直流电源逆变成高频交流电源再整流成为不同电压等级的直流电源，以保证整个装置的可靠供电。通过逆变后的供电电源具有极强的抗干扰能力，对变电站中因断路器跳、合闸等原因引起的强干扰可完全消除掉。
3变电站综合自动化微机保护软件结构
微机保护与传统继电保护的最大区别，就在于不仅有实现继电保护功能的硬件电路，而且还有实现保护和管理功能的软件。
图2给出了变电站综合自动化常用微机保护装置主程序流程图。图中初始化包括初始化(一)、初始化(二)及数据采集系统初始化三个部分:
图2变电站综合自动化常用微机保护装置主程序流程图
初始化(一)主要是对微处理器CPU及其扩展芯片的初始化及保护输出的开关量出口初始化，赋以正常初值，以保证出口继电器均不动作。
初始化(二)包括采样定时器的初始化、对RAM区中所有运行时要使用的软件计数器及各种标志位清零等程序。
数据采集系统的初始化主要指采样值存放地址指针初始化，如果是VFC式采样方式，则还需对可编程计数器初始化。
4结束语
总而言之，和传统的继电保护模式相比，综合自动化变电站中的微机继电保护涉及面更广、更系统。这需要继电保护工作者在实践工作中不断总结经验，探讨创新，补充和完善综合自动化变电站的继电保护功能，确保电网的安全、稳定、经济运行。
参考文献
[1] 牛霞 张继承，电力系统的变压器微机保护研究[J]煤炭技术，2010.12
[2] 陳伟学 陈富 周君平，微机保护系统在变电站中的应用[J]内蒙古民族大学学报(自然科学版)，2004.06
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 变电站；电力系统；综合自动化；传统监控系统；CPU主系统；微机保护
近年来，随着科学力量和电网现代化的规模不断扩大，变电站综合自动化技术将是电力系统的发展方向，对于配电网变电站、无人值班变电站而言微机继电保护是其重要的组成部分，目前许多变电站正在进行微机化改造，即进行综合自动化改造，所以对配电网变电站微机继电保护的研究是分重要的。
1变电站综合自动化系统的结构与类型
变电站综合自动化系统的结构是由 “数据采集和控制”、“继电保护”、“直流电源系统”三大块构成变电站自动化基础。“通信控制管理”是桥梁，联系变电站内部各部分之间、变电站与调度控制中心之间使其相互交换数据。“变电站主计算机系统”对整个综合自动化系统进行协调、管理和控制，并向运行人员提供变电站运行的各种数据、接线图、表格等画面，使运行人员可远方控制断路器分、合操作，还提供运行和维护人员对自动化系统进行监控和干预的手段。
变电站综合自动化系统的组成在结构形式上主要可分为集中式、分布集中式、集中和分散结合式、分散式四种。
1.1集中式变电站综合自动化系统
集中式变电站综合自动化系统是按功能要求配置相应的继电保护装置及远动装置并安装在变电站的中央控制室内。变压器、各进出线及其他电气设备的运行状态通过CT、PT、开关辅助触点由电缆传送到变电站的中央控制室的保护装置和远动装置内，经初步处理后送到I/O通信控制器进行数据格式的变换，并将变电站所有保护、测量、信号和控制信息统一处理，与当地的后台机和远方调度中心进行信息交换。此种方式实际上是现有微机保护与微机远动的系统集成，但其组屏多，占地面积大，而且需敷设大量电缆，投资和工程量大，应用会越来越少。
1.2分布式(分散式)综合自动化系统
分布式综合自动化系统按回路进行设计，每一个开关柜上或其他一次设备上就地安装微机保护单元和单回路的数采/监控单元，故开关和其他一次设备与单回路的数采/监控单元和微机保护单元在同一柜内，可免去大量的电缆联接，同时也提高了抗干扰能力，它无须再设置继电保护和远动装置屏，大大减化了二次设备，并减小了占地面积。故分布式变电站综合自动化系统自问世以来，显示出强大的生命力。
1.3分布集中式综合自动化系统
分布集中式综合自动化系统将整个变电站的一、二次设备分为3层，即变电站层、单元层和设备层。变电站层称为2层，单元层为1层，设备层为0层。变电站综合自动化系统主要位于1层和2层。
1.4集中与分散结合式综合自动化系统
集中与分散结合式综合自动化系统按每个电网元件(如:一条出线，一台变压器、一组电容器等)为对象，集测量、保护、控制为一体，设计在同一机箱中。至于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍可采用集中组屏安装在主控室内。
2变电站综合自动化微机保护功能实现
2.1变电站综合自动化微机保护的功能和特点
反映数字量的微机型保护的出现，在功能上除了满足继电保护选择性、快速性、可靠性、灵敏性基本要求外，还具有以下功能和特点:
⑴通信功能
通信接口是微机保护用于变电站综合自动化的必要条件，具备有RS－232，RS－422/485等标准接口。RS－232接口可以方便地转化为光信号，方便与远动装置的光纤连接，结合分布式的RTU实现保护远动的就地安装，将大大节省电缆投资。RS－422/485的抗干扰能力强，且传输距离较长，同时可以挂网，使微机保护即可分散安装也可集中组屏。一般微机保护通信规约具有基本命令和报文功能，在正常的通信行为中应处于被动的状态，接收来自远方的各下行询问命令，在发生异常及保护动作后，主动上报相关报文。
⑵保护功能的远方投切
随着变电站综合自动化及无人值班变电站技术的发展，在远方完成保护功能的投切显得愈为迫切。微机保护装置中各功能由软件控制是否投入运行，以满足远方投切的要求，其功能如同常规保护所设立的连接片。这种软件控制开关称为软连接片。软连接片引入微机保护之后，此时的保护程序标准化变得易于实现，程序编制应按最大考虑，对各功能模块加设软件连接片，用户可根据使用环境调整软连接片。
⑶远方整定功能
这是变电站综合自动化系统中微机保护的重要特征，也是无人值班技术的基础。为保证定值远方传输的正确性，必须进行定值返校及修改确认。在进行远方整定的操作过程中，保护装置在未收到修改确认命令前应按原定值不间断运行，当收到确认命令号，将新定值写入定值区后按新定值运行。在远方整定过程中保护始终不退出，因而提高了供电连续性及可靠性。
⑷自动校时功能
信号传输采用数字通信方式，事件报文含发生时刻，计算机时钟的准确是事件排序正确的基础。微机保护若用于多个变电站综合自动化系统，其校时方法至少应具备两种，即通信广播校时及分、秒中断校时。变电站综合自动化主站在接到上级等时钟信号后，对站内所有计算机进行时钟分校时或秒校时，保证全站所有智能设备时钟一致，最好精确到毫秒。
⑸独立性
微机保护的发展，其硬件越来越完善，由单一CPU完成多种保护、单一CPU完成多个开关的保护，发展到现在单个开关保护由独立CPU完成，微机保护的独立性具体表现在以下几个方面:保护运行与通信无关；保护与测量无关，不应将测量及远动与保护混为一体；保护电源独立，不与其他保护共用；保护CPU独立。这是微机保护安全性、可靠性的基础。
(6)附加功能
微机保护作为变电站综合自动化中重要一环，应在维护与调试的便捷方面下功夫。除去正常的自检功能外，还增设下列有关功能:
①采样通道校验功能。在校验或检修状态下，保护自动显示指定通道输入量大小，并可方便调节校准。
②出口中间继电器校验功能。由软件在校验状态下实时驱动出口回路，校验装置出口回路是否完好。
③相关状态输入量校验功能(如复归输入、开关设置等)。校验与状态量有关保护功能的输入正确性。
④具备较完整功能的试验单元。通过简单的电缆连接，可以模拟保护装置所需故障量及开关状态。
2.2变电站综合自动化微机保护系统硬件结构
通常一套微机保护装置的硬件构成可分为五部分，即数据采集系统、CPU主系统、开关量输入/输出系统、人机接口与通信系统、电源系统。图1给出了典型微机保护装置的硬件构成。主要说明如下:
图1变电站综合自动化微机保护系统硬件结构图
⑴数据采集系统
数据采集系统(模拟量输入系统)的主要功能就是将由TV、TA输入至保护装置的电压、电流等模拟量准确转换成所需的数字量。该部分主要包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路开关及模数转换。
⑵ CPU主系统
CPU主系统是微机保护装置的核心，它包括中央处理单元(CPU)、只读存储器(一般用EPROM)、随机存储器(RAM)以及定时器等。保护装置工作时，CPU执行放在EPROM中的程序，将数据采集系统得到信息输入至RAM区并进行分析处理，以完成各种继电保护功能。
⑶开关量输入/输出系统
开关量输入/输出系统是微机保护与外部设备的联系电路，它由若干个并行扩展芯片、光电耦合器及中间继电器等组成。该系统完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输入等功能。
⑷人机接口与通信系统
人机接口与通信系统是由液晶显示器、键盘、打印机及通信芯片等组成，完成装置调试、系统状态显示、定值整定及实现与其他设备通信等功能。每个保护装置都带有标准的通信接口电路，如RS－232，RS－422/485，CAN或LONWORK等现场通信网络接口电路。
⑸电源系统
电源系统提供整个装置所需要的直流稳压电源，一般采用逆变电源将输入的直流电源逆变成高频交流电源再整流成为不同电压等级的直流电源，以保证整个装置的可靠供电。通过逆变后的供电电源具有极强的抗干扰能力，对变电站中因断路器跳、合闸等原因引起的强干扰可完全消除掉。
3变电站综合自动化微机保护软件结构
微机保护与传统继电保护的最大区别，就在于不仅有实现继电保护功能的硬件电路，而且还有实现保护和管理功能的软件。
图2给出了变电站综合自动化常用微机保护装置主程序流程图。图中初始化包括初始化(一)、初始化(二)及数据采集系统初始化三个部分:
图2变电站综合自动化常用微机保护装置主程序流程图
初始化(一)主要是对微处理器CPU及其扩展芯片的初始化及保护输出的开关量出口初始化，赋以正常初值，以保证出口继电器均不动作。
初始化(二)包括采样定时器的初始化、对RAM区中所有运行时要使用的软件计数器及各种标志位清零等程序。
数据采集系统的初始化主要指采样值存放地址指针初始化，如果是VFC式采样方式，则还需对可编程计数器初始化。
4结束语
总而言之，和传统的继电保护模式相比，综合自动化变电站中的微机继电保护涉及面更广、更系统。这需要继电保护工作者在实践工作中不断总结经验，探讨创新，补充和完善综合自动化变电站的继电保护功能，确保电网的安全、稳定、经济运行。
参考文献
[1] 牛霞 张继承，电力系统的变压器微机保护研究[J]煤炭技术，2010.12
[2] 陳伟学 陈富 周君平，微机保护系统在变电站中的应用[J]内蒙古民族大学学报(自然科学版)，2004.06
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。