摘 要：工控機(jī)式的保護(hù)與自動化有很多優(yōu)越性和廣闊的發(fā)展前景。基于MIC2000系列工控機(jī)和WINDOWS CE嵌入式視窗操作系統(tǒng)，結(jié)合自行開發(fā)的基于ISA總線的微機(jī)保護(hù)智能同步數(shù)據(jù)采集卡，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了中小型35KV/10KV變電站的微機(jī)保護(hù)和自動化的功能。工控機(jī)式保護(hù)裝置的保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法和基于單片機(jī)的繼電保護(hù)裝置有很大的區(qū)別，對用單CPU實(shí)現(xiàn)多路保護(hù)的算法作了深入的研究，通過采用并行處理技術(shù)和多線程技術(shù)，使得系統(tǒng)在多條線路同時(shí)故障時(shí)，仍能保證保護(hù)的快速性要求。文中對系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、系統(tǒng)軟件的規(guī)劃設(shè)計(jì)、保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)以及低周減載的實(shí)現(xiàn)作了較為詳細(xì)的介紹。 關(guān)鍵詞： 微機(jī)保護(hù)；自動化；工控機(jī)；WINDOWS CE；低周減載 1引言 迄今為止,電力系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)和自動化裝置均是分布安裝的獨(dú)立系統(tǒng)。裝置之間通過現(xiàn)場總線聯(lián)系互相傳送測控和事故信息。作者嘗試基于成熟的工控機(jī)硬件和WINDOWS視窗操作系統(tǒng)的支持，開發(fā)出適合35kV/10kV變電站的集中式微機(jī)保護(hù)及自動化的整合系統(tǒng)。早在微機(jī)保護(hù)研究初期，微機(jī)保護(hù)研究的先行者,國際電力系統(tǒng)委員會副主席G.D.Rockefeller,60年代末期對用一臺電子計(jì)算機(jī)作為一個變電所內(nèi)所有電力設(shè)備的保護(hù)作了研究,但是由于受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)水平的限制，用一臺計(jì)算機(jī)來保護(hù)一個變電所內(nèi)的所有設(shè)備——并用重復(fù)設(shè)置以提高可靠性，在當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)硬件水平下，被認(rèn)為在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是不可行的。而現(xiàn)在基于X86系列CPU的PC工控機(jī)最高時(shí)鐘可以達(dá)到幾百兆赫，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度。配合自行研制的微機(jī)保護(hù)智能同步數(shù)據(jù)采集卡,完全可以用一臺工控機(jī)實(shí)現(xiàn)主從式結(jié)構(gòu)的中小型變電所的所有保護(hù)和自動化功能。為了提高系統(tǒng)的可靠性，可以采用雙機(jī)熱備用方式運(yùn)行。 基于PC總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成的保護(hù)和自動化系統(tǒng)具有性能價(jià)格比高、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、用戶界面友好、模塊化結(jié)構(gòu)、兼容性好易于升級、軟硬件資源豐富、通訊組網(wǎng)功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。易于實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制、測量和數(shù)據(jù)通訊等功能一體化[1][2]。  2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本裝置選用臺灣研華公司的MIC2000系列PC兼容的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。該產(chǎn)品具有良好的防震和抗電磁干擾能力。采用前插式19in標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)有11個插槽的ISA總線母板，250W的工業(yè)級電源，推拉式雙風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)，使機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生正氣壓，防止灰塵進(jìn)入，保持高效散熱。CPU主板選用MIC2350,配有奔騰266MHz的CPU、64M內(nèi)存并集顯卡、網(wǎng)卡、CRT和液晶平板顯示器驅(qū)動于一體，配有一個標(biāo)準(zhǔn)并口、一個標(biāo)準(zhǔn)232串口和一個可跳線設(shè)定為232或485或422的串口。開關(guān)量輸入輸出板均選用MIC2000系列產(chǎn)品，板上均帶有光電隔離。 3操作系統(tǒng)的選擇[3][4] 目前流行的PC機(jī)操作系統(tǒng)有WINDOWS-98、WINDOWS 2000、WINDOWS-NT。由于其友好的視窗界面深受用戶的喜愛，也是計(jì)算機(jī)用戶最熟悉的。但由于一套完整的操作系統(tǒng)其需要占用幾百兆硬盤存儲空間，對于運(yùn)行功能單一的應(yīng)用程序系統(tǒng)軟件，其中的很多組件根本就用不到。而工業(yè)環(huán)境要求可靠性高，硬盤這種旋轉(zhuǎn)式存儲介質(zhì)可靠性較低。需要采用電子盤（FLASH卡等）。而大容量的電子盤成本較高。為此微軟開發(fā)了WINDOWS CE嵌入式操作系統(tǒng)。它是一個輕量級、多線程、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)、模塊可定制、帶有圖形界面的操作系統(tǒng)。它的優(yōu)勢在于資源耗費(fèi)小、WIN32 API子集和多平臺的支持能力。它可以根據(jù)用戶的資源配置封裝用戶程序。在PDA（手持電腦）上得到了廣泛的應(yīng)用。WINDOWS CE的使用在國內(nèi)還處于起步階段，成熟的產(chǎn)品并不多。但它的發(fā)展前景非常樂觀，因此WINDOWS CE比較適合本系統(tǒng)。 4微機(jī)保護(hù)智能同步數(shù)據(jù)采集卡的硬件結(jié)構(gòu)與電路構(gòu)成 微機(jī)保護(hù)智能同步數(shù)據(jù)采集卡（簡稱保護(hù)卡,下同）是本系統(tǒng)的核心。卡上采用INTEL 公司的80C196KC 16位單片機(jī)作為CPU。A/D轉(zhuǎn)換器選用AD公司的AD7874。該芯片是一個4路、12 位的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD7874電源供電電壓為±5V，±10V的輸入范圍，片內(nèi)置有采樣保持器和高精度基準(zhǔn)電壓源，4通道A/D轉(zhuǎn)換同時(shí)啟動，實(shí)現(xiàn)同步采樣尤其適合保護(hù)的需要，4通道總共轉(zhuǎn)換時(shí)間31μs?？ㄉ瞎灿?片AD7874。在卡上通過采用DC-DC和快速光耦實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換電路與系統(tǒng)總線和直流電源的隔離，有效地抑制了相互干擾，提高了采集精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過DC-DC進(jìn)行直流電源隔離后，A/D轉(zhuǎn)換器電源噪音降低為一次側(cè)的1/5。本卡的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1。 快速光電耦合器采用了HP公司的HCPL263N，耦合速度達(dá)到10MHz，驅(qū)動電流2mA,當(dāng)80C196的時(shí)鐘選擇12MHz時(shí)，CPU不需要加入等待延時(shí)，就可直接從AD7874讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。 HCPL263N外圍電路構(gòu)成如圖2。 HCPL263N輸入輸出邏輯關(guān)系真值表如表1。 OFFH保護(hù)卡和PC機(jī)的通訊接口是通過由Xilinx公司的XCR5128實(shí)現(xiàn)，該芯片采用CMOS工藝節(jié)電型設(shè)計(jì)，屬于COOLRUNER系列，選用PLCC84封裝形式，64個I/O管腳，4個純輸入管腳。4個時(shí)鐘管腳及4個編程管腳均可作為I/O使用。其中CK1作為時(shí)鐘使用時(shí)只能接外部時(shí)鐘，CK2、CK3、CK4作為時(shí)鐘使用時(shí)可以接外部時(shí)鐘也可以由內(nèi)部邏輯電路產(chǎn)生，但用作內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，不可以再作為輸入管腳使用。該芯片內(nèi)部具有128個宏單元，可以靈活編程，實(shí)現(xiàn)各種功能，節(jié)省了線路板的布線空間，提高了可靠性][3][4]。在本卡上XCR5128是數(shù)據(jù)交換樞紐，它同時(shí)實(shí)現(xiàn)80C196單片機(jī)對外圍芯片的地址譯碼、PC總線地址譯碼和控制邏輯、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀入、5個16位字的雙端口RAM的讀寫控制邏輯、以及PC機(jī)和80C196單片機(jī)之間的相互中斷申請邏輯的實(shí)現(xiàn)。 5系統(tǒng)軟件的規(guī)劃設(shè)計(jì) 為了使系統(tǒng)軟件具有更好的兼容性、更易于維護(hù)，采用了VC++語言、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法和數(shù)據(jù)庫技術(shù)。系統(tǒng)的規(guī)模和功能用數(shù)據(jù)庫來描述，通過對數(shù)據(jù)庫記錄的添加或修改就能方便地對系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行擴(kuò)充，對功能進(jìn)行刪減或添加，即實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)組態(tài)化設(shè)計(jì)。由于要實(shí)現(xiàn)多條線路的保護(hù)和監(jiān)測管理，對于緊急事件的響應(yīng)要求快速及時(shí)，而且要考慮到幾條線路同時(shí)故障的特殊情況。為此開發(fā)了硬件觸發(fā)的中斷服務(wù)程序和在應(yīng)用程序中啟動的多線程函數(shù)。 5.1數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)庫管理 數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)軟件的重要組成部分。用戶通過數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)的組成進(jìn)行組態(tài)。系統(tǒng)構(gòu)成靈活方便。隨時(shí)可以查看各種運(yùn)行記錄并可打印輸出或上傳。采用ADO技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫接口。 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括線路參數(shù)數(shù)據(jù)庫表、保護(hù)定值庫表、采集卡參數(shù)庫表、系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫表、系統(tǒng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)記錄庫表、故障記錄庫表以及操作記錄庫表等。.以下列舉幾個重要庫表的字段組成。 ◆ 線路參數(shù)數(shù)據(jù)庫表的字段構(gòu)成 線路編號，線路名稱，定值組號，采集卡編號，卡上線路編號，IA入端，IB入端，IC入端，UA入端，UB入端，UC入端，合令開出端，跳令開出端，低周整定輪次。 ◆ 保護(hù)定值庫表的字段構(gòu)成 線路編號，線路名稱，定值編號，電流Ⅰ段定值，電流Ⅱ段定值，電流Ⅱ段時(shí)間定值，電流Ⅲ段定值，電流Ⅲ段時(shí)間定值，電流保護(hù)電壓閉鎖定值，重合閘時(shí)間定值，重合閘檢無壓定值，一次側(cè)PT變比，一次側(cè)CT變比，電流Ⅰ段投入否，電流Ⅱ段投入否，電流Ⅲ段投入否，Ⅰ段經(jīng)方向否，Ⅱ段經(jīng)方向否，Ⅲ段經(jīng)方向否，Ⅰ段經(jīng)電壓閉鎖否，Ⅱ段經(jīng)電壓閉鎖否，Ⅲ段經(jīng)電壓閉鎖否，加速Ⅱ段否，加速Ⅲ段否，加速經(jīng)電壓閉鎖否，方向是30°還是45°。 ◆ 采集卡參數(shù)庫表的字段構(gòu)成 采集卡編號，采集卡名稱，Ua輸入通道編號，Ub輸入通道編號，Uc輸入通道編號，UΔ輸入通道，保護(hù)線路條數(shù)，雙端口RAM首地址。 ◆ 系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)庫表的字段構(gòu)成 變電站名稱，本站的IP地址，服務(wù)器的IP地址，母線電壓采集卡編號，保護(hù)線路數(shù)，低周減載頻率偏差定值，頻率偏差間隔，低周減載延時(shí)定值，低周減載滑差定值。 5.2采用多線程的事務(wù)處理方法 當(dāng)保護(hù)卡通過中斷申請向主機(jī)發(fā)出跳令以后，由主機(jī)向相應(yīng)的線路通過開關(guān)量輸出板發(fā)出跳閘信號執(zhí)行跳閘。如果設(shè)置了重合閘，跳閘后要起動重合閘線程，由該線程去實(shí)現(xiàn)重合閘延時(shí)和邏輯判斷。由于WINDOWS操作系統(tǒng)支持多線程同時(shí)工作，并不影響主監(jiān)控程序的運(yùn)行。如有多條線路同時(shí)重合閘，只是需要多啟動幾個重合閘線程，由于各線程是獨(dú)立的，彼此互不影響，重合閘過程結(jié)束后，所啟動的線程將被取消。在本系統(tǒng)中還有其他需要快速響應(yīng)的過程需要通過線程實(shí)現(xiàn)。所以需要按過程的重要程度，合理地分配各線程的優(yōu)先級，最需要快速動作的得到最快響應(yīng)。 6保護(hù)卡上微機(jī)多路保護(hù)的實(shí)現(xiàn) 保護(hù)卡用于實(shí)現(xiàn)多條線路的數(shù)據(jù)采集，突變量啟動判據(jù)和故障類型判據(jù)，當(dāng)需要跳閘時(shí)向主機(jī)申請中斷，由PC工控主機(jī)通過開關(guān)量輸出板向跳閘出口繼電器發(fā)送跳閘令。重合閘邏輯由PC工控主機(jī)實(shí)現(xiàn)。以下主要介紹保護(hù)卡的保護(hù)軟件實(shí)現(xiàn)方法和流程。  6.1中斷處理程序 ◆ 采用軟定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)1.66667ms采樣間隔定時(shí)，該中斷的優(yōu)先級為最高。在中斷程序中同時(shí)啟動3片4路同步A/D轉(zhuǎn)換器。12路的轉(zhuǎn)換時(shí)間只有40μs。A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)束后通過快速輸入HSIO發(fā)中斷申請，而非查詢方式，CPU沒有等待延時(shí)，節(jié)省了非常寶貴的CPU時(shí)間。 ◆ 快速輸入HSI0作為A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷源。在中斷處理程序中實(shí)現(xiàn)讀取各路A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，進(jìn)行各條線路的相電流差突變量啟動判據(jù)，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，中斷返回時(shí)轉(zhuǎn)到故障處理程序。中斷處理程序流程圖如圖3。 6.2事故處理程序的編程方法 多回出線線路的微機(jī)保護(hù)算法與單回線的算法有很大的不同。它要求事故處理程序能夠同時(shí)處理多條線路同時(shí)故障的情況。在本程序中為了提高處理速度，延時(shí)速斷和過電流保護(hù)的延時(shí)按照采樣周期的個數(shù)進(jìn)行整定，采樣間隔定時(shí)中斷處理程序中對故障啟動的線路的延時(shí)計(jì)數(shù)器自動加1，在故障處理程序中進(jìn)行延時(shí)到否的判據(jù)。延時(shí)未到繼續(xù)處理其它線路。在故障處理程序中借鑒了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中進(jìn)程的概念（即分時(shí)并行處理技術(shù)），對每條故障線路的處理類似于一個進(jìn)程，當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)將故障線路的處理進(jìn)程掛起（即啟動一個進(jìn)程），當(dāng)故障切除或消失時(shí)取消掛起（即結(jié)束進(jìn)程）。在每個掛起的故障線路的故障處理過程中設(shè)有進(jìn)度變量，以便記錄故障處理過程進(jìn)行到那里。進(jìn)度分為以下幾個階段：1）連續(xù)三次越限；2）故障延時(shí)；3）發(fā)跳令；4）跳閘后延時(shí)；5）故障切除后返回。在不同的進(jìn)度中作不同的處理。這種處理方法保證了當(dāng)多條線路同時(shí)故障時(shí)保護(hù)動作的快速性。故障處理程序的流程圖見圖4。 7低周減載的實(shí)現(xiàn)[5] 當(dāng)發(fā)生有功功率缺額，系統(tǒng)頻率降低時(shí)，必須及時(shí)切除相應(yīng)容量的負(fù)荷，使系統(tǒng)其余部分的頻率能迅速恢復(fù)到接近額定值運(yùn)行。所以低周減載是變電站自動化的重要功能。本系統(tǒng)低周減載功能是用戶可設(shè)定的，在線路參數(shù)庫表中設(shè)置該條線路的整定輪次。每輪次的頻率偏差定值和延時(shí),在系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)庫表中設(shè)定。 7.1低周減載的整定原則 ◆ 最高一輪的低頻整定值，一般選為49.1～49.2Hz，主要是考慮在有一定旋轉(zhuǎn)備用的情況下，如果失去的電源容量比例不大，可能自動恢復(fù)到49.5Hz及以上時(shí)，不應(yīng)切除負(fù)荷，而在調(diào)出備用容量時(shí)，因調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)滯，將使頻率下降到某一低值后才恢復(fù)。最高一輪的頻率整定值應(yīng)高于此一過程的低值。因?yàn)閺念l率繼電器感知低頻到切除負(fù)荷有延時(shí)，在上一輪未跳開負(fù)荷前，系統(tǒng)頻率已仍在下降中，因此下一輪除頻率起動值應(yīng)較低外，還必須帶有0.2～0.3s的延時(shí)，以保證選擇性。 ◆ 各輪間的頻率整定值差，一般選為0.2Hz左右。 ◆ 應(yīng)當(dāng)按負(fù)荷重要性的順序，安排按頻率降低自動減負(fù)荷的順序，先切次要負(fù)荷，后切重要負(fù)荷。 ◆ 一般安排不應(yīng)小于5輪左右，各輪切除負(fù)荷份額有不同做法，但以均勻分配為好。例如一共計(jì)劃切50％，共五輪，則最好每輪切除10％。 ◆ 安排長延時(shí)（例如20s）的特殊輪次是必要的。例如在實(shí)際情況下，當(dāng)整定為49.1Hz的第一輪負(fù)荷切除后，因切負(fù)荷容量不足，系統(tǒng)頻率可能懸浮在49.1Hz到下一輪的48.9Hz之間。因此在安排下一輪48.9Hz的切負(fù)荷總量時(shí)，其中應(yīng)有一部分由上一輪頻率49.1Hz經(jīng)長延時(shí)20s后切除，可以解決上述問題。而且逐輪均應(yīng)如此安排。 7.2低周減載滑差定值的整定原則 滑差定值整定在df/dt>8～10Hz/s可以有效地防止因變電所停電、負(fù)荷電動機(jī)反饋引起的頻率繼電器誤動作導(dǎo)致的跳閘。因?yàn)殡妱訖C(jī)反饋產(chǎn)生的頻率下降速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)因電源缺額產(chǎn)生的頻率下降速度。系統(tǒng)頻率下降時(shí)，以事件開始時(shí)的頻率下降最快，即10,f0=50,取K=0.5,在這種情況下，df/dt│max=2.5～5。如果功率缺額過大，只能依靠連鎖切除集中大負(fù)荷，不能再依靠按頻率降低自動減負(fù)荷的逐級動作。 8結(jié)論 本系統(tǒng)經(jīng)過動模實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出很好的抗干擾能力，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。還具有用戶界面友好直觀、功能齊全、易于組態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集快速準(zhǔn)確，一塊保護(hù)卡可以方便地組態(tài)出多種保護(hù)和監(jiān)測組合。最多可以保護(hù)6回兩相接線并不帶方向保護(hù)的饋出線，同時(shí)能夠滿足保護(hù)快速性的要求。達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，拓展了變電站的微機(jī)保護(hù)和自動化的研究領(lǐng)域。 參考文獻(xiàn) ［1］IEEE 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)委員會, 編, 黃煥琨, 力菊, 譯.計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng).北京：水利電力出版社，1982. ［2］段玉倩.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式微機(jī)繼電保護(hù)的研究.天津大學(xué)博士研究生畢業(yè)論文, 1998，12. ［3］（美）Douglas Boling著. 北京博彥科技發(fā)展有限公司譯.Microsoft WindowsCE 程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1999. ［4］（美）Terence A.Goggin 著，尤淘，張平，等譯.Windows CE 高級開發(fā)指南［M］. 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