微机型机电保护装置的发展

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1、微机型机电保护装置的发展及在氧化铝厂的应用芦伟（山东铝业股份有限公司山东淄博255065）摘 要：回顾国内变电站自动化技术发展的过程，分析变电站自动化系统现状和发展趋 势及继电保护和监控在技术和管理上的优势，以及在山铝氧化铝厂螺该压缩机电动机的应用。关键词:1、引言在国内，变电站自动化系统、电动机保护，包含传统的自动化监控系统，继电保护、自动 装置等设备，是集保护、测量、控制、远传等功能为一体，通过数字通信及网络技术来实现信 息共享的一套微机化的二次设备及系统。自20世纪90年代以来，变电站自动化技术一直是我国电力行业的热点技术之一。目前全国 已新建变电站基本上都采用了自动化系统模式，同时每年

2、还有许多老变电站的技术改造，也基 本上以自动化系统模式为主。2.1继电保护技术的发展（1）继电保护技术的发展历程90年代以前，对线路、电动机采用传统电磁型继电保护:DL型线路电流保护、GL型电动机过流保 护，DY电压型继电保护、DS型时间继电器延时保护、DD型零序保护。从90年代初期出现集成电路组合型综合保护装置匚匚型，在使用过程中因其运行不可靠没有推 广应用。（2）继电保护的现状从90年代初至今，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提 供了一批性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的深入研究，在 微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。微机

3、保护已成为电力系统保护、监控、通 信、调度自动化系统的重要组成部分。目前，国内继电保护的发展已达到甚至超过国外同行业的水平。在保护硬件构成方面，国 内的微机保护经历了8位CPU、16位CPU等几个阶段，当前已发展到利用DSP技术进行信号处理、 32位CPU冗余设计、高精度模数变换、装置内采用网络通信技术、硬件模块化设计等先进水平阶 段。在电磁兼容设计方面均有独到之处，具有很高可靠性。在保护的原理方面，国内微机保护的水平很多方面已赶上国外的同类产品。虽然起步较晚， 经过多年的研究已克服了早期的元件微机型保护可靠性不高，灵敏度低，动作速度慢，TA饱和 影响较大等缺点。在110kV及以下电压等级的变

4、电站综合自动化系统中，继电保护装置普遍采用保护测控一体 化技术，即所谓的四合一装置。每个四合一装置不但可完成继电保护功能，而且还可完成测量、 控制、数据通信功能，成为整个电力系统计算机网络上的一个智能设备。3、变电站自动化技术发展趋势3.1 IEC61850标准的推广应用IEC 61850是国际电工委员会TC57制定的变电站通信网络和系统系列标准，为基于网络 通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，也是国家电力行业相关标准的基础。为适应未来数字化变电站发展的趋势，IEC61850标准按通信体系及设备功能将变电站自动 化系统分为3层：变电站层、间隔层、过程层。变电站层设备由带数据库的计算机、操作

5、员工作 台、远方通信接口等组成；间隔层设备由每个间隔的控制、保护或监视单元组成；过程层设备 典型的为远方I/O、智能传感器和执行器等。3.2变电站自动化系统向高集成化、数字化、标准统一化方向发展随着集成电路和计算机技术的飞速发展，各种新型的大规模集成电路将会进一步应用在继 电保护和测控装置上，如32位CPU、数字信号处理芯片DSP、高速数据采集系统、嵌入式实时操 作系统、大容量Flash、可编程逻辑器件CPLD. FPGA等。这些新器件的应用将使保护和测控装置 的电路板更加小型集成化，装置通信、数据存储及处理能力更强。将间隔的控制、保护、故障 录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能，通过

6、模块化设计集成在一个统一的多功能 数字装置内是可行的。高集成化系统的发展，无疑能降低成本，提高系统可靠性，有利于实现 统一的运行管理。目前在许多中低压站已实现。变电站自动化系统最终向数字化发展，指的是智能化电气的发展，如智能开关设备、光电 式电压和电流互感器、智能电子装置（IED ）等的出现，使变电站自动化技术进入了数字化阶段。 智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路逐渐取代传统的一次回路，使变电站层、间 隔层、过程层最终用网络联接起来，并实现统一的通信标准。4、微机保护山铝及氧化铝厂的应用4.1概述在谈这个问题之前先进行上面的论述是为了能更加清晰地分析山铝在应用微机保护方面的 经验教训

7、，为今后更加合理、科学地提高我厂应用微机保护的水平，在我厂的变电站自动化发 展方面提供一些个人想法。山铝公司最早应用微机保护和变电站综合自动化是在1998年，在此之后在各个分厂陆续得 以应用。虽然在全国来说时间不算早但在同行中也算是较早的。氧化铝厂最早应用微机保护是 在2004年。总体上来说，山铝公司在应用微机保护方面主要有以下特点：1、使用的品牌种类由于使用的品牌种类较多，便可以比较出各品牌的微机保护在功能、性能、质量、服务、 价格等方面的差异，为今后选择性能价格比最适合于山铝公司的微机保护提供了比较多的信息。 新建或改造项目在选用微机保护方面会少走一些弯路。2使用效果总体上来说使用效果还是

8、不错的，仅个别国产厂家的微机保护在抗干扰方面存在一些问题。 3、技术的先进性由于使用的品牌种类较多，各厂家微机保护的先进性也就参差不齐。一般地说，进口保护 优于国产保护；国产保护技术水平差异较小（即使是拿国内同行知名厂家和一般厂家相比）。4.2氧化铝厂微机保护的应用2004年氧化铝厂23配最早使用微机保护，是Schneider（施耐德公司）的Sepam系列微机保 护。到目前为止使用效果很好。由于考虑到进口保护的价格毕竟比国产保护要高，所以我们在2006年氧化铝厂23配改造项 目上选用了国产的微机保护。经过分析对比、调查研究，我们选用的是珠海施诺电力科技有限 公司生产的S300系列微机保护。S3

9、00系列微机保护主要有以下特点：1）、技术先进S300系列微机型继电保护装置采用当今工业控制行业最先进的硬件平台:CPU采用ARM芯片， 保护与测量分别采用不同的32位CPU，实现了真正意义的双CPU。硬件原理框图如下:保护 (p.i工业级 嵌入式 CPU交百流输入2 MBFLASH8MBDcitaFlash32MBNVRAMS1RS485以太网ISB HostISB Device:业级 :抠仿.J电源涯波 /电源SPIh电能采集VtqD,M转换.人机接11*测量CT/PT4-20mA占位按键大!井:幕LCD上面谈到：“在保护硬件构成方面，国内的微机保护经历了8位CPU、16位CPU等几个阶段

10、， 当前已发展到利用DSP技术进行信号处理、32位CPU冗余设计”。在国内微机保护的生产厂家中，目前像南瑞、南自、四方等大公司在100kV以上电压等级的 微机保护上采用双CPU、DSP技术，在610kVX厂变电站微机保护上并未采用，而其它小公司宣 传的双CPU、DSP技术还仅仅停留在宣传概念上，实际供应市场的保护硬件采用的CPU是80系列的 80C196KC。但是，S300系列微机型继电保护装置采用的是当今工业控制行业最先进的ARM芯片。以下是 我查到的一些技术参数，与16位CPU、DSP芯片对比：16位 CPUDSP芯片ARM芯片型号80C196KCMotorola68332AT91RM92

11、00寻址空间256K4M4GARM芯片的先进性由此可见一斑。AT91RM9200是Atmel公司推出的针对嵌入式应用的32位嵌入式处理器，它集成了多种外 围部件，主要特性包括：ARM920T处理器核心；内置 16K SRAM内置的10/100M以太网MAC控制器4个UART通道1 个USB HOST 1 个USB DEVICE 接口3个同步串行控制器6个16位定时器，一个32位实时钟一方面，保护与测量分别采用双CPU,既保证了保护的速动性与可靠性，又能保证测量精度 的要求，克服了一个CPU要么动作快但测量精度不高、要么测量精度够但保护速动性差的缺点；另一方面，由于硬件的先进，使得很多强大的功能

12、得以实现。S300系列微机型继电保护装置优良不仅具备多样的的通讯口（以太网、USB、双现场总线）， 而且内置：Modbus、IEC870-5-101、103等多种通讯规约，不仅方便与各种通讯网络的连接而且 符合微机保护的发展趋势：上面“3.1 IEC61850标准的推广应用”提到“IEC 61850是国际电工委 员会TC57制定的变电站通信网络和系统系列标准，为基于网络通信平台的变电站自动化系 统唯一国际标准，也是国家电力行业相关标准的基础”，S300系列微机型继电保护装置能够内置 多种标准协议并且已有IEC870-5的相关协议，则可以比较轻松地实现向IEC 61850的转换。2）、功能强大2

13、.1 RTOS实时多任务操作系统S300系列微机型继电保护装置软件编程采用实时多任务操作系统的应用，改变了传统微机 保护的编程理念，各种高级的软件功能得以实现，能够合理而有效地利用CUP资源，避免了传统 设计很难合理安排使用CPU的资源而造成软件整体可靠性、实时性、稳定性的下降。目前国内保护尚无采用实时多任务操作系统的。2.2具备谐波分析、故障录波功能在工厂环境使用的微机保护，如果具备谐波分析、故障录波功能，对用户分析电源质量、 分析故障有很重要的现实意义。特别是S300系列微机型继电保护装置的故障录波功能采用国际标准的数据格式，录波长达 80个周波，在录取故障时电流波形的同时，还同时录取断路

14、器开合状态、保护功能项动作时间， 对事后分析故障类型、故障时相关状态量（比如断路器位置）变化、电流变化等这些关键因素 非常方便，从而便于分析故障原因。否则，很多事故事后无法确定准确的事故原因。2.3保护功能可编程S300系列微机型继电保护装置具有保护功能逻辑编程功能，使得保护的适用性和灵活性大 大提高。特别是对石化、冶金、供水等现场控制要求较复杂的工厂用户，设计阶段往往不可能 将全部实际应用状况确定下来，有些条件现场调试时方可确定，应用保护动作逻辑编程就可以 解决很多的实际问题2.4以太网接口S300系列微机型继电保护装置设有以太网接口，摒弃串口转以太网的模式，内嵌TCP/IP协 议栈，通讯速

15、率可达100M，通过网络集线器直接与监控系统连接，也可以直接接入局域网，方 便用户对综合自动化系统网络的升级和远程维护。2.5高精度的电度测量功能S300系列微机型继电保护装置采用了目前国外最先进的ADE7758电度表芯片专门完成电能 测量及计量功能，使得保护装置具有了与电度表同等级的计量精度。采用电度表芯片的做法不仅具有技术的先进性，而且具有很大的实用价值和经济价值，大 多数场合下可以省去传统的电度表和电度表屏。2.6双现场总线接口S300系列微机型继电保护装置设有独立的双现场总线，可以构成真正意义的双通讯网结构， 不仅大大提高了通讯的可靠性和实时性而且也方便了用户对网络结构的升级、改造。3

16、）、使用方便3.1方便现场调试的USB接口S300系列微机型继电保护装置设有USB调试接口也是目前国内外保护所没有的，极大地方便 了现场调试和读取、储存数据。所有保护定值、可设置的参数均可以事先在电脑上使用本公司的调试软件设置好，数据存 储到U盘上，拿U盘到现场下载到保护装置即可；也可以用U盘将保护装置内的各项参数、故障录播文件取到U盘中，便于存档和分析。3.2超大屏幕液晶显示界面S300系列微机型继电保护装置的人机界面采用大屏幕液晶，在一个界面下可以同时显示更 多的各种保护、测量、开入量等信息，极大地方便用户使用、调试和巡视。大屏幕液晶的使用，使得人机界面不仅可以显示保护、测量等电气参数，而

17、且可以动态实 时显示主接线图、反时限曲线图、开入开出量状态等一般保护不能显示的内容。3.3通用化接口设计S300系列微机型继电保护装置采用通用化设计。通用化设计不仅仅是结构统一，而且是外 部接口统一。同一类型的保护其不同之处仅在于其内部保护程序不同而保护外部接口一致，不 仅方便设计画图，而且方便用户接线和维护。保护装置上的端子均标示出端子含义，最大程度地避免接线错误。3.4方便的调试手段S300系列微机型继电保护装置的调试、测试手段极为方便：不仅可以在人机界面通过按键 进行调试，而且可以使用专用的调试软件进行调试。3.5灵活的参数设置S300系列微机型继电保护装置在设计上尊崇以人为本的人性化设

18、计理念，不仅人机界面简 洁明了、易于使用，更重要的是在功能上使其尽可能广泛地适用各种不同要求的场合。例如：除了一般性参数（保护定值、功能投退等）可以设定外，像电压电流的输入方式（A、 C两项或三相）、额定值（5A、1A）、开入量含义、性质（轻重瓦斯、触发跳闸或报警）、出口继 电器接点的性质（自返回或自保持）、保护通讯协议等等均可以在现场按照实际使用场合的要求 任意定义，不需要特制或定制；电气主接线图、被保护设备名称、功能项名称等均可在现场按 照用户要求任意定义（保护装置内置二级汉字库和多种主接线模式）。参数设置的灵活性不仅使得保护的适用性极强，更重要的是极大地方便了用户的使用。4）、可靠性高S

19、300系列微机型继电保护装置优良的电磁兼容特性，使得其在工厂变电站严酷的使用环境 下仍具有极高的可靠性。其优良电磁兼容特性来源于精心的和有经验的设计。保护设计上不仅采取了常见的例如屏 蔽、光电隔离、低通滤波等抗干扰措施而且采用了较为独到的措施，例如电路板采用六层板设 计；分层屏蔽（强弱电信号分属不同的屏蔽空间）；保护与测量使用不同的CPU ；软件设计充分 考虑各种暂态过程可能引起的误判；采用实时多任务操作系统等等。可靠性是微机保护最重要的性能，是其应用于工厂变电站现场的根本保证。S300系列微机型继电保护装置目前已经在各行业得到应用，例如近处的泰山钢铁公司目前 已有至少两个10kV变电站投入运

20、行，运行情况良好。5）S300系列微机型继电保护装置在罗杆压缩机电动机控制中应用5.1控制原理图、接线端子（见附图）5.2设计说明：螺杆压缩机状态检测选用研华工控机，配置落后无法与S310M型继电保护装置配套，所以设 计中选用端子控制，没有选用以太网控制和其它控制方式，但在以后的改造中完全可以再开发 利用此功能。联锁部分：螺杆压缩机各种状态检测正常（主要油压），工控机给中间继电器通电、吸合， 给继电保护装置S1端子通电，S1端子通电后通过保护CPU （保护子程序），按程序指令驱动R5继 电器闭合，允许操作室开车。为尽量简化控制线路，防跳回路是采用继电保护装置中R3防跳继电器串入合闸回路去掉外接

21、式 防跳继电器5.3继电保护装置调试及试验如螺杆压缩机油压保护为S1继电器输入、瓦温度高保护为S2继电器输入，保护跳闸R1为继电器输出。解决办法：使用该公司专用调试软件(S800工具软件)与保护的USB接口或以太网通讯接口连接，先调出 输出继电器节电矩阵进行配置，在调出逻辑编程菜单进行编程。5.4继电保护装置投入后使用情况4、结束语总之，变电站自动化技术是伴随着现代科技技术发展，尤其是网络技术、计算机软、硬件 技术及超大规模集成电路技术的发展而不断进步，自动化系统以按对象设计的全分层分布式为 潮流，朝着二次设备功能集成化，一次设备智能数字化方向发展；运行管理朝着各专业协调统 一和站内无人值班模

22、式发展。同时经济性和可靠性也是变电站自动化技术发展所要考虑的实际 问题。标准通讯协议的实施应用，电能质量监测管理，一次设备的在线监测，网络安全技术，数 字式视频图像监控技术，基于同步相量测量装置的电力系统实时动态监测，以及如何融入变电 站自动化系统，这些都是变电站自动化技术发展所要研究的课题。对于一个担负着生产任务的工厂来说，变电站自动化水平的提高是一个长期的目标。我们 所进行的每一项工作，都是实现这个目标的重要组成部分。考虑到实际情况，我们不能期待每 一次改造或新建项目在技术水平上都是国内外最先进的，但是我们必须了解变电站自动化技术 发展的历程和趋势，在这个过程中的每一步，力争在控制投资的前

23、提下尽量选择与发展趋势相 符合的产品、应用与发展趋势相符合的技术，只有这样，才能尽量少地在提高技术水平的过程 中走弯路、尽快提高我厂变电站自动化的水平。参考文献：1 曾庆禹.变电站自动化技术的未来发展.电力系统自动化，2000，24(18)： 14； 24(20)： 152 朱大新.变电站自动化系统的新发展.电力系统自动化时代3 谭文恕.有关变电站自动化系统国际标准的动态.电力系统自动化时代4 杨奇逊.变电站综合自动化技术发展趋势.电力系统自动化，1995，19(10)： 145 葛耀中.自适应继电保护及其前景展望.电力系统自动化，1997,21(9)：6 产品汇编.珠海施诺电力科技有限公司2005第四版4246匚