一种基于图形化编程技术的馈线 保护装置的研制

产品简介

摘　要：结合我国微机保护现状，提出了一种新型的馈线保护方案及主要的实现方法，它成功地将图形化编程技术应用于馈线保护，并采用了32位低功耗DSP技术，实现了保护、测控功能并行实时处理，改善了技术指标，提高了系统可靠性，具有体积小巧，成本低廉等特点。
1. 引言
馈线保护是变电站自动化系统不可或缺的组成部分，在电力系统中有着极为广泛的使用。然而,由于馈线保护所对应的线路电压等级相对较低，长期以来各继电保护厂家对馈线保护的技术起点、技术指标、可靠性的提高未能引起足够的重视。到目前为止，应用于我国电力系统的微机馈线保护产品大多采用8位或16位CPU，12位或14位ADC。作为直接面向用户的馈线保护，由于一般不采用双机冗余配置，保护误动或拒动往往直接导致用户停电。变电站综合自动化技术的发展，加上近年农网、城网改造的广泛开展，对馈线保护提出了新的要求，要求其在保证成本低廉的同时，必须提高其可靠性、降低体积，并使保护、测控功能一体化[1]。此外，也大大提高了对许多其它技术指标的要求，例如，对电流、电压测量精度的要求提高到0.2级，SOE指标不大于1ms等。随着产品升级换代的加速，充分利用计算机技术的最新成果，采用先进的开发手段从而提高产品的软件可靠性，加强其可维护性和升级换代能力显得越来越重要。这些都是常规保护所难以实现的。基于这些因素，中试控股电力讲解本文提出了一种开发手段先进、性能高、成本低、面向变电站自动化的馈线保护装置。

2. 中试控股电力讲解馈线保护的总体设计
所提出的馈线保护装置采用遵循国际标准的1/3宽的6U机箱，装置的结构如图1所示，由5个插件组成。
从图1可以看出，保护装置含两块DSP插件，其中保护、控制DSP插件主要实现数据采集、保护、测控功能，并直接通过RS485（或以太网）组成双通信网与变电站监控系统连接。人机界面DSP插件则通过采用总线不扩展的DSP完成键盘响应、人机界面处理、信号灯显示等功能。这两个DSP系统通过含隔离回路的RS485连接，保证了它们的独立性。

2.1 采用 32位机，16位ADC 
微处理器是微机保护装置的“心脏”，它在一定程度上反映了整个装置的硬件技术水平。本装置的保护、控制DSP插件采用TI公司生产的32位低功耗、定/浮点DSP[2]，此种DSP无论其生产工艺要求还是其成本均与普通16位机相当，但其功能却强大很多。其主要优势在于采用了片内多总线结构，从而实现了片内4级流水线。此外该DSP片内含1MBit的SRAM以及硬件乘法器、浮点处理单元等，使得其绝大部分指令能够在单周期内完成。其典型指令执行时间达150 MFLOPS（1MFLOPS：每秒1M浮点运算指令），75MIPS（1MIPS：每秒1M定点运算指令），定点指令速度比常规16位机提高出1-2个数量级，浮点指令速度可提高3个数量级（常规16位机无硬件浮点处理单元，需要采用子函数完成），极大地缩短了数字滤波、滤序等的计算时间，为实时、并行处理保护和测控功能以及图形化编程创造了条件。
数据采集是微机保护装置的另一个重要组成部分。本保护装置采用16位逐次逼近式ADC，24点/周的采样频率，使数据采集精度得到了较大的提高。以32位CPU配合16位ADC，加上大容量存储器（FLASH、NVRAM等），实现了录波、故障记录和掉电保持等功能。
2.2 模块化、图形化软件开发
常规的馈线保护装置在开发过程中比较注重产品的功能，至于产品的开发手段是否先进、软件维护升级是否方便等考虑得较少。随着微机产品的大量使用，产品的维护和产品升级换代能力显得越来越重要。传统靠软件设计人员手工编程的方法在诸多方面受到限制，一方面所编制的程序难以通过实验全局验证，另一方面，受编程人员编程水平差异的影响，软件质量难以得到保证。另外也容易出现产品升级和维护离不开某些（甚至某个）软件工程师的局面。因此，ABB、GE、日立等国际大型公司都选择了图形化编程的方法[3]。

    为了使产品的开发更加直观、快捷，同时便于用户掌握和维护保护装置，并满足用户的不同需求，本保护装置采用了将图形化编程技术应用于馈线保护的方案。本保护的基本保护函数（例如反时限函数、方向判别模块、低电压判别模块等）采用模块化编程技术，其参数接口经过严格定义。无论是否发生故障，都在每次模拟量定时采集和处理中断时对这些函数进行了实时计算，计算结果（例如方向判别、过流判断）以0或1的方式存于特定标号中。这些计算结果的逻辑组合和判断则采用图2所示的图形化编程进行处理。在专用VISIO软件上，各种保护元件以图标形式存于模板库里，供设计者调用，它自动将中断里的保护元件（例如方向判别、过流判断）的计算结果带入图标中。如图2所示，用户只需按照保护装置所采用的原理，在VISIO上进行相应的逻辑连线即可。
在图2的基础上，绘制对应的参数表格，然后调用名为MS3的专用应用软件，就可生成图3所示的源程序。将此源程序作为一个函数嵌入中断处理程序中，它就能实现设计者所绘制的逻辑图所表示的逻辑组合和判断功能。按照这个程序就可以实现整个保护装置动作逻辑的开发过程。

中试控股电力讲解图形化编程体现了透明化设计的思想，具有如下优点：使用户容易掌握和维护保护产品；使软件开发的效率大大提高；使编程出错率降到最低；且组态灵活，容易满足用户的不同需求。
其实，模块化编程并不排斥汇编，本装置以高级语言为架构，以汇编语言作为辅助编程手段，完成对系统的初始化和底层硬件的实时操作，进一步提高了系统的运行效率。

3. 自诊断功能
自诊断功能是微机产品的重要功能特征之一，通过软硬件结合，保护装置可自动检测出本身硬件系统的异常部分，配合多重化配置等设计方法，可有效防止保护装置的误动和拒动。
除了常规的自诊断功能外（如：程序和自检、定值和自检、模拟量求和自检、固定模拟量采集自检、看门狗电路监视等），本装置所具有的跳闸回路断线检测，可以检测到跳闸继电器触点所连接的整个断路器跳闸控制回路是否正常。

4. 软件的并行处理
常规的馈线保护装置，受CPU计算能力的限制，对保护功能的实现采用先启动判别，然后转移至专用故障处理模块中，对故障进行分类处理，按照不同情况走不同逻辑，保护模块按先后顺序执行的方法，即串行的处理方式运行。结果，一方面导致故障处理程序的逻辑分叉太多太复杂，难以完全验证，容易留下隐患，另一方面，故障处理逻辑采用串行方式，任一环节出现错误（例如模拟量由于受到瞬时严重干扰而导致所采集的数据失真）将导致错误的结果。本装置在24点/周的采样频率时，在中断处理时间里完成了全部的保护继电器计算，使采样数据不积压，从宏观上看所有的保护继电器都是并行处理的。然后调用上述的图形化编程所产生的源程序，就实现了所有保护继电器的动作逻辑组合。这样固定并简化了保护故障的处理逻辑，便于验证，消除了软件中可能存在的隐患。另外，实时并行的处理，也消除了串行处理中的链条效应，即某个环节只要有一次错误，就导致错误结果，增强了保护装置在故障处理过程中的纠错能力。

5．保护装置的主要功能
所提出和研制的装置适用于66KV及以下系统的线路保护，提供了如下保护和测控等功能。
1) 三段式定时限电流保护（可设为前加速或后加速）；2) 方向闭锁；3) 低电压闭锁；4) 反时限电流保护；5) 过负荷跳闸或告警；6) 1-3次可选的三相重合闸（检同期、检无压、非同期可设）；7) 低周减载；8) 零序电流保护或接地故障指示；9) 滑差闭锁；10) 遥测、遥信、遥控等； 
装置的主要技术指标如下：
1) 工作环境温度：-25-+55°C；2) SOE：<1ms；3) 测量精度：交流电流、电压：0.2级 频率：0.01Hz。

6．结语
 提出并实现了一种新型的馈线保护装置，本保护装置以32位CPU配合16位ADC组成，加上大容量存储器（FLASH、NVRAM等），为实现录波、故障记录和掉电保持创造了条件。主要插件采用多层印制板、表面贴装工艺技术，在未增加任何辅助抗干扰设备的条件下，顺利通过了IEC60255-22-4的IV级测试等。为了使产品的开发更加直观、快捷，同时便于用户掌握和维护保护装置，并满足用户的不同需求，所开发的保护装置采用了将图形化编程技术应用于馈线保护的方案。实践证明，本保护装置技术起点高、可靠性好、技术指标先进，且便于用户掌握和维护，具有较高的应用价值。

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