姚夫慶， 張新慧， 王敬華， 董逸超

(1. 山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091； 2. 山東科匯電力自動化有限公司， 山東 淄博 255087； 3. 天津大學(xué) 求是學(xué)部， 天津 300072)

目前大多數(shù)中低壓變電站的保護(hù)配置采用獨(dú)立保護(hù)方式[1]，即采用一套保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)一臺設(shè)備或一條線路的保護(hù)功能.這種按保護(hù)功能劃分的變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)繁雜，硬件配置重復(fù)，母差保護(hù)、備自投等功能實(shí)現(xiàn)難度大，而且變電站的保護(hù)與控制裝置一般只有單點(diǎn)信息[2]，不能利用全站信息實(shí)現(xiàn)站內(nèi)保護(hù)和控制功能.

國內(nèi)外很多學(xué)者在信息共享的基礎(chǔ)上提出了集中式保護(hù)理論[3-5].文獻(xiàn)[6]提出了輸電線路集中式保護(hù)的概念，希望利用相鄰間隔的元件信息更準(zhǔn)確地反映故障狀態(tài).文獻(xiàn)[7]在分區(qū)域分布集中式系統(tǒng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種自適應(yīng)多Agent系統(tǒng)的廣域保護(hù)體系.本文提出一種基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的集中式保護(hù)方案，設(shè)計(jì)了其硬件構(gòu)成和軟件實(shí)現(xiàn)方法，并通過PSCAD仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案的正確性.

1 集中式保護(hù)的原理

集中式保護(hù)系統(tǒng)是在一套裝置中集成多種傳統(tǒng)保護(hù)的功能.由于它集成了全站所有設(shè)備的信息，如斷路器狀態(tài)、裝置的啟動信息及故障方向等，因此保護(hù)系統(tǒng)可以綜合處理這些信息，實(shí)現(xiàn)全站的繼電保護(hù)和安全控制功能.

集中式保護(hù)能夠提高保護(hù)的可靠性及性能，增強(qiáng)保護(hù)裝置的抗干擾能力；可以減少硬件配置，節(jié)省占地面積，提高經(jīng)濟(jì)性；能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的集中化管理，不必到現(xiàn)場操作，可大大減少工作量.同時(shí)集中式保護(hù)還可根據(jù)變電站實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，在線修改保護(hù)邏輯，根據(jù)故障的恢復(fù)情況，實(shí)時(shí)修改保護(hù)方案.

2 集中式保護(hù)方案

集中式保護(hù)系統(tǒng)需要根據(jù)變電站的特點(diǎn)、實(shí)際運(yùn)行狀況以及保護(hù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，合理地選擇信息傳輸方式和硬件系統(tǒng).集中式保護(hù)方案的設(shè)計(jì)包括硬件部分設(shè)計(jì)和軟件方案設(shè)計(jì).

2.1 硬件設(shè)計(jì)

集中式保護(hù)系統(tǒng)的硬件部分由測控裝置、通信網(wǎng)絡(luò)和集中式保護(hù)裝置組成.

(1)測控裝置

測控裝置將傳統(tǒng)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集、操作回路、通信和同步等裝置合并，組成就地分散測控裝置.將現(xiàn)場采集的電壓、電流等信號，通過光纖以太網(wǎng)上傳到變電站的集中式保護(hù)裝置中進(jìn)行計(jì)算處理，同時(shí)執(zhí)行其下發(fā)的控制命令完成斷路器的開關(guān)操作.

(2)通信網(wǎng)絡(luò)

集中式保護(hù)系統(tǒng)需要采集大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，尤其是暫態(tài)信息，其信息量大且對實(shí)時(shí)性要求高，因此選用100M光纖以太網(wǎng)作為通信介質(zhì)，站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，為增強(qiáng)通信的可靠性，配置雙冗余網(wǎng)絡(luò).

(3)集中式保護(hù)裝置

集中式保護(hù)裝置是集中式保護(hù)系統(tǒng)的核心，其功能是處理來自測控裝置的信息，并下發(fā)控制命令至測控裝置，執(zhí)行相應(yīng)的操作.采用兩套集中式裝置構(gòu)成雙冗余方案，正常狀態(tài)下，兩套裝置分為主機(jī)和輔機(jī)同時(shí)工作；當(dāng)主機(jī)檢修或者故障時(shí)，輔機(jī)代替主機(jī)工作，從而不影響保護(hù)的正常運(yùn)行.

集中式保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)功能由軟件實(shí)現(xiàn)，采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同用戶需求進(jìn)行靈活配置；測控功能包括遙測、遙信、遙控等功能.保護(hù)主板的CPU應(yīng)選用高性能處理器，以便滿足同時(shí)處理多種保護(hù)功能的要求.主板還應(yīng)配置足夠容量的ROM和RAM，保證能夠存儲大量的數(shù)據(jù).除了主要的保護(hù)功能外，集中式保護(hù)裝置還應(yīng)具備同步對時(shí)、通信、自檢等功能.其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 集中式保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件方案

(1)嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

目前常用的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、Psos、Vxworks、Windows CE[8]等.集中式保護(hù)裝置需要一個開源的多任務(wù)系統(tǒng)，并應(yīng)具有可移植性和可靠的性能，能夠調(diào)試出最適合保護(hù)系統(tǒng)的硬件平臺.Linux是一個開放的系統(tǒng)，始終遵循源碼開放的原則，內(nèi)核小、效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)，支持完備的網(wǎng)絡(luò)功能[9]，其高度的模塊化使得部件的添加變得非常容易，因此選擇Linux作為裝置的嵌入式操作系統(tǒng).開發(fā)者只需對各保護(hù)模塊的軟件部分進(jìn)行編程，然后嵌入到Linux操作系統(tǒng)中即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能.

(2)軟件方案設(shè)計(jì)

集中式保護(hù)系統(tǒng)軟件主要由支撐軟件和應(yīng)用軟件兩部分組成，其主要功能是采集、處理當(dāng)?shù)卦O(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，與相關(guān)智能終端、主站交換數(shù)據(jù)，運(yùn)行各應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)保護(hù)與控制功能的集成.保護(hù)系統(tǒng)以uCLinux2.6為底層操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序接口(API)是操作系統(tǒng)的程序接口，可以通過該接口標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用源代碼，在此基礎(chǔ)上添加保護(hù)模塊和其他應(yīng)用，集中式保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框架如圖2所示.

圖2 集中式保護(hù)軟件框架圖

2.3 保護(hù)配置方式

集中式微機(jī)保護(hù)程序主要由變壓器保護(hù)模塊、線路保護(hù)模塊、電容器保護(hù)模塊三部分組成.變壓器保護(hù)模塊主要配置差動電流速斷保護(hù)、三段式比率制動差動保護(hù)等；線路保護(hù)模塊主要配置距離保護(hù)、電流增量保護(hù)、三段式過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等；電容器保護(hù)模塊主要配置定時(shí)限過流保護(hù)、過壓保護(hù)和欠壓保護(hù).

3 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD[10]建立某35kV變電站的仿真模型，在各種故障情況下，針對具有配合關(guān)系的電流保護(hù)，對傳統(tǒng)獨(dú)立式保護(hù)和集中式保護(hù)裝置的動作情況進(jìn)行了仿真.

3.1 仿真模型

建立某35kV變電站仿真系統(tǒng)模型如圖3所示.變電站有35kV、10kV兩個電壓等級，線路保護(hù)采用三段式過流保護(hù)，過流保護(hù)Ⅲ段延時(shí)設(shè)定為0.3s.

圖3 35kV變電站仿真模型圖

3.2 故障類型

故障類型設(shè)置A相單相接地故障、BC兩相短路故障、AB兩相接地短路故障和ABC三相短路故障.

故障點(diǎn)位置如圖3所示，即饋線k1點(diǎn)處和10kV母線k2點(diǎn)處和高壓側(cè)k3處.篇幅所限，本文只列出AB兩相接地短路時(shí)仿真結(jié)果及分析.其他類型故障的仿真結(jié)果及分析同AB兩相接地短路故障類似，不再一一列出.

3.3 獨(dú)立式保護(hù)仿真

(1)如圖4所示，饋線出口k1處故障時(shí)，三段式過流保護(hù)啟動，斷路器B1動作，動作時(shí)限為0.119s.保護(hù)延時(shí)0.019s動作是對保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間.

圖4 k1點(diǎn)故障時(shí)獨(dú)立式保護(hù)動作時(shí)限圖

(2)如圖5所示，10kV母線k2點(diǎn)處故障時(shí)，三段式過流保護(hù)啟動，斷路器B2動作，動作時(shí)限為0.419s.

圖5 k2點(diǎn)故障時(shí)獨(dú)立式保護(hù)動作時(shí)限圖

(3)如圖6所示，變壓器高壓側(cè)k3處故障時(shí)，三段式過流保護(hù)啟動，斷路器B3動作，動作時(shí)限為0.719s.

圖6 k3點(diǎn)故障時(shí)獨(dú)立式保護(hù)動作時(shí)限圖

3.4 集中式保護(hù)仿真

(1)饋線出口k1點(diǎn)處發(fā)生AB兩相接地短路故障時(shí)，其仿真結(jié)果與圖4所示的獨(dú)立式保護(hù)仿真結(jié)果相同.

(2)10kV母線k2點(diǎn)處發(fā)生AB兩相接地短路故障時(shí)，三段式過流保護(hù)啟動，發(fā)送跳閘命令，跳開斷路器B2，動作時(shí)限為0.125s，如圖7所示.

圖7 k2點(diǎn)故障時(shí)集中式保護(hù)動作時(shí)限圖

(3)變壓器高壓側(cè)K3處故障時(shí)，三段式過流保護(hù)啟動，斷路器B3動作，動作時(shí)限為0.138s，如圖8所示.

圖8 k3點(diǎn)故障時(shí)集中式保護(hù)動作時(shí)限圖

3.5 仿真結(jié)果對比

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生AB兩相接地短路故障時(shí)，獨(dú)立式保護(hù)與集中式保護(hù)的過流保護(hù)動作時(shí)限見表1.

由表1可知，當(dāng)故障發(fā)生在母線k2點(diǎn)和高壓側(cè)k3點(diǎn)時(shí)，獨(dú)立保護(hù)需要遵循上下級的配合關(guān)系，經(jīng)過延時(shí)才能切除故障，而集中式保護(hù)能獲取各斷路器的狀態(tài)信息，快速判斷故障線路并切除故障.

表1 三段式過流保護(hù)動作時(shí)限比較

本文除針對線路三段式過流保護(hù)進(jìn)行了集中式保護(hù)方案與獨(dú)立式保護(hù)方案的對比外，還針對變壓器保護(hù)、電容器保護(hù)動作情況等進(jìn)行了兩種方案的仿真對比，結(jié)果均驗(yàn)證了集中式保護(hù)方案優(yōu)于傳統(tǒng)獨(dú)立式保護(hù).

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 裝置基本功能驗(yàn)證

利用標(biāo)準(zhǔn)繼電保護(hù)測試儀的觸發(fā)模式施加故障電流，采用自動遞增的方式，分別測試故障電流達(dá)到整定值時(shí)集中式保護(hù)系統(tǒng)能否跳閘和設(shè)置延時(shí)跳閘后，斷路器能否正確動作.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)過流保護(hù)斷路器動作測試.當(dāng)故障電流大于整定值時(shí)，過流保護(hù)應(yīng)動作跳閘.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 過流保護(hù)整定值精度測試

(2)過流保護(hù)斷路器動作時(shí)限測試.當(dāng)故障電流持續(xù)時(shí)間大于延時(shí)整定值時(shí)，過流保護(hù)動作跳閘，其動作時(shí)限實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 過流保護(hù)動作時(shí)限定值測試

4.2 故障時(shí)保護(hù)出口時(shí)間驗(yàn)證

利用智能配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，分別搭建集中式保護(hù)和獨(dú)立式保護(hù)平臺，并模擬在饋線處、低壓側(cè)母線處和高壓側(cè)發(fā)生AB兩相接地短路故障，測試兩種保護(hù)方案的斷路器動作情況，驗(yàn)證集中式保護(hù)方案的可行性與合理性.

(1)饋線處故障時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 饋線處故障時(shí)保護(hù)出口動作時(shí)間

(2)低壓側(cè)母線處故障時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 母線處發(fā)生故障時(shí)保護(hù)出口動作時(shí)間

(3)高壓側(cè)發(fā)生故障時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6.

表6 高壓側(cè)處發(fā)生故障時(shí)保護(hù)出口時(shí)間

通過對比上述三種故障的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，獨(dú)立式保護(hù)在上述三種故障狀態(tài)下，遵循電流保護(hù)上下級配合關(guān)系，保護(hù)出口動作時(shí)間較長.集中式保護(hù)系統(tǒng)在上述三種故障狀態(tài)下均能快速、準(zhǔn)確地動作.將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合對比，得出的結(jié)論一致，充分驗(yàn)證了集中式保護(hù)的合理性與可行性.

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)獨(dú)立式繼電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、硬件重復(fù)配置、信息不能共享，對電網(wǎng)的適應(yīng)性差，不能滿足智能電網(wǎng)對繼電保護(hù)的要求.本文提出的以Linux操作系統(tǒng)作為集中式保護(hù)嵌入系統(tǒng)的新方法，可提高保護(hù)裝置對電網(wǎng)運(yùn)行方式變化的適應(yīng)能力，對傳統(tǒng)變電站的升級改造及安全運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也可為智能化變電站的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

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